Probabilistic Seismic Hazard Assessment for Lebanon
Estimation de l'aléa sismique probabiliste au Liban
Résumé
The necessity for Probabilistic Seismic Hazard Assessment (PSHA) in civil engineering emerges from the need to design structures that can endure varying degrees of ground motion while maintaining acceptable performance. The Levant Fault System (LFS) stands out as one of the active plate boundary strike-slip faults globally, experiencing an estimated deformation of 4 to 5 mm/yr. This region witnessed devastating historical earthquakes with magnitudes above 7 causing significant casualties and destruction. However, the last century appears relatively quiet based on instrumental recordings, posing challenges for seismic hazard assessment.Lebanon, along with neighboring countries Jordan, Palestine, and Syria, lies along the LFS, making seismic hazard assessment critical due to the dense population in these regions. Our main goal was to evaluate the seismic hazard levels in Lebanon, a region that has not undergone a comprehensive hazard assessment, with a particular focus on a thorough examination and exploration of uncertainties.As a first step, we constructed a fault-based source model integrating available geomorphological, paleoseismological, and geodetic studies. This model was complemented by a catalog-based smoothed seismicity model to forecast off-fault earthquakes. Three ground-motion models adapted for the Levant region were employed, and uncertainties in hazard input parameters were meticulously traced and incorporated into the final hazard calculations to understand their impact on hazard levels. The resulting seismic hazard maps at Lebanon's scale indicated mean Peak Ground Acceleration (PGA) values exceeding 0.3g over two-thirds of the country, with the most elevated hazard values (>0.5g) concentrated along the primary strand of the Levant fault.However, real-life seismic events worldwide have demonstrated that fault segments can rupture together across discontinuities, resulting in significantly larger events. A classical fault model implementation, as built in the first step of this thesis, doesn't account for the myriad of potential rupture combinations. Therefore, in a secondary phase, we explore an alternative class of fault models designed to replicate more natural rupturing behaviors within the LFS. These algorithms adopt a system-level approach, allowing sub-fault segments to rupture freely, akin to natural occurrences (e.g., OpenSHA Fault System tool by Field et al. 2014, Milner and Field 2021; as well as SHERIF by Chartier et al. 2019). Applying these methodologies to the LFS unveils significant dependencies on specific input parameters, such as segment definitions, rupture barriers, maximum magnitudes, and the shape of the Magnitude-Frequency Distribution (MFD). Comparing these methods with classical fault models, our analysis demonstrates that the interconnected fault model generally may yields lower hazard levels at a 475-year return period.These findings serve as a foundation for decision-making concerning potential updates to the Lebanese building code, shedding light on the intricate impacts of various fault modeling approaches on seismic hazard estimations.
La nécessité d’une Évaluation Probabiliste de l’aléa Sismique (PSHA) en génie civil découle du besoin de concevoir des structures capables de résister à des degrés variables de mouvements sismiques tout en conservant des performances acceptables. Le Système de Failles du Levant (LFS) se distingue comme l'une des failles décrochantes de frontière de plaques actives à l'échelle mondiale, subissant une déformation estimée de 4 à 5 mm/an. Cette région a connu des tremblements de terre historiques dévastateurs avec des magnitudes supérieures à 7, causant des pertes importantes en vies humaines et des destructions immenses dans la région. Cependant, le dernier siècle semble relativement calme sur le plan sismique selon les enregistrements instrumentaux, posant des défis pour l'évaluation de l’aléa sismique.Le Liban, ainsi que les pays voisins tels que la Jordanie, la Palestine et la Syrie, se trouvent le long de la faille du Levant, rendant l'évaluation de l’aléa sismique cruciale en raison de la densité de population dans ces régions. Notre objectif principal était d'évaluer les niveaux d’aléa au Liban, une région dépourvue d'évaluations d’aléa complètes en tenant en compte l’exploration approfondi des incertitudes.Dans un premier temps, nous avons élaboré un modèle de source basé sur les failles, intégrant les études géomorphologiques, paléosismologiques et géodésiques disponibles. Ce modèle a été complété par un modèle de sismicité lissée pour prévoir les séismes hors-failles. Trois modèles de mouvements du sol adaptés à la région du Levant ont été utilisés, et les incertitudes liées aux paramètres d'entrée de l’aléa ont été minutieusement suivies et intégrées dans les calculs finaux de l’aléa pour en comprendre l'impact. Les cartes d’aléa sismique résultantes à l'échelle du Liban indiquaient des valeurs moyennes d'accélération maximale du sol (PGA) dépassant 0,3g sur les deux tiers du pays, avec les valeurs d’aléa les plus élevées (>0,5g) concentrées le long de la faille principale du Levant.Cependant, les événements sismiques réels dans le monde ont montré que des segments de failles peuvent se rompre ensemble à travers des discontinuités, engendrant des événements beaucoup plus importants. Une implémentation classique du modèle de faille, telle que construite lors de la première étape de cette thèse, ne tient pas compte de la myriade de combinaisons potentielles de rupture. Par conséquent, dans une phase secondaire, nous explorons une autre implémentation de modèles de failles conçus pour reproduire des comportements de rupture plus réalistes au sein de la faille du Levant. Ces algorithmes adoptent une approche à l'échelle du système, permettant aux sous-segments de se rompre librement (e.g., OpenSHA Fault System tool développé par Milner and Field 2021; ainsi que SHERIFS développé par Chartier et al. 2019). L'application de ces méthodologies sur la faille du Levant révèle des dépendances significatives à l'égard de certains paramètres d'entrée spécifiques, tels que les définitions de segments, les barrières de rupture, les magnitudes maximales et la forme de la distribution magnitude-fréquence (MFD). En comparant ces méthodes avec des modèles de failles classiques, notre analyse montre que le modèle de faille interconnecté peut généralement produire des niveaux d’aléa iplus bas pour une période de retour de 475 ans.Ces résultats servent de base à la prise de décision concernant d'éventuelles mises à jour du code du bâtiment libanais, mettant en lumière les impacts détaillés des différentes approches de modélisation des failles sur les estimations d’aléa sismique.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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