Estimation of strong ground motion: Aleatory variability and epistemic uncertainties
Estimation de mouvement fort du sol: Variabilité aléatoire et incertitudes epistemiques
Résumé
This report summarises the research I have undertaken since finishing my Ph.D. thesis in autumn 2001. The work reported was undertaken as part of various projects and in collaboration with many researchers at: Imperial College London, UK (2001–2004); Bureau de Recherches G´eologiques et Mini`eres (BRGM), France (2004–now); and the Earthquake Engineering Research Centre, University of Iceland (2009–2010). In addition, this report lists the teaching, supervision and consultancy work that I have been involved with since 2001. My research has mainly been on the prediction of earthquake ground motions for engineering purposes, e.g. design and retrofit projects and seismic hazard and risk assessments. Most of my studies relate to empirical shaking estimation through ground-motion prediction equations (GMPEs, also called ground-motion models and attenuation relations). It has focussed on: improving estimates of the median ground motion and associated variability; quantifying, understanding and potentially reducing variability; assessing and modelling the regional dependence of strong ground motions; and combining simulations and empirical estimates. My research shows that, although significant progress has been made in the past couple of decades in improving the accuracy of estimates of the median ground motion for a given scenario, epistemic uncertainty remains high and this must be accounted for in all seismic hazard and risk evaluations. In addition, all methods of reducing the standard deviations of GMPEs proposed so far, although they looked promising, have proved to be largely ineffective. My studies have demonstrated yet again that earthquake ground motions can vary significantly between earthquakes and sites and this also must be taken into account when conducting seismic hazard and risk assessments. Any attempt to reduce epistemic uncertainties further and derive GMPEs with lower standard deviations are reliant on increasing the density of strong-motion networks but, perhaps more importantly, improving the accuracy of the metadata associated with strongmotion records. Such an improved database should lead to greater understanding of the physical reasons for empirical findings concerning the effect of different source, path and site parameters on earthquake ground motions.
Ce rapport résume les recherches que j'ai entreprises depuis la fin de mon doctorat de thèse à l'automne 2001. Le travail présenté a été fait dans le cadre de divers projets et en collaboration avec de nombreux chercheurs : l'Imperial College London, Royaume-Uni (2001–2004) ; Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), France (2004–présent) ; le Centre de recherches pour le génie parasismique (Earthquake Engineering Research Centre) à l'Université d'Islande (2009– 2010). En outre, ce rapport énumère les activités d'enseignement, de supervision et de conseils dans lesquels j'ai été impliqué depuis 2001. Ma recherche s'est principalement focalisée sur la prédiction de mouvements fort du sol à des fins d'ingénierie, soit pour des projets de conception ou de rénovation, soit pour l'évaluation de l'aléa et du risque sismique. La plupart de mes études portent sur l'estimation des mouvements sismiques empiriques par le biais des équations de prédiction de mouvements du sol (GMPEs, aussi appelées modèles de mouvements du sol ou relations d'atténuation). Cette recherche met l'accent sur : l'amélioration des prévisions des mouvements du sol médians et de la variabilité associée ; la quantification, la compréhension et potentiellement la réduction de la variabilité ; l'évaluation et la modélisation de la dépendance régionale des mouvements du sol ; et la confrontation de simulations et d'estimations empiriques. Mes recherches montrent que, bien que des progrès significatifs ont été accomplis au cours des deux dernières décennies dans l'amélioration de la précision des estimations de mouvements du sol médians pour un scénario donné, l'incertitude épistémique reste élevée et cela doit être pris en compte aussi bien dans l'évaluation de l'aléa que du risque sismique. En outre, toutes les méthodes permettant de réduire les écarts-types de GMPEs proposées jusqu'à présent, même si elles semblaient prometteuses, se sont révélées largement inefficaces. Mes études ont démontré que les mouvements sismique du sol peuvent varier considérablement selon les séismes ou les sites d'étude. Cela aussi doit être pris en compte lors de l'évaluation de l'aléa et du risque sismique. Toute tentative de réduire les incertitudes épistémiques et de dériver les GMPEs avec des écartstypes plus faibles sont tributaires d'une part de l'augmentation de la densité des réseaux de mouvements forts ; et d'autre part et peut-être de manière plus importante encore, de l'amélioration de la precision des métadonnées associées aux enregistrements de mouvements forts. Une telle base de données ainsi améliorée devrait conduire à une meilleure compréhension des phénomènes physiques et, de ce fait, à des résultats empiriques concernant l'effet de source, de trajet et de site sur les mouvements sismiques.