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This article presents the development and calibration of a numerical model simulating the response of large structure to a localized dynamic loading. A novel rockfall protection structure composed of piled up concrete blocks interconnected via metallic components is studied, where the underlying intricacies are revealed by real-scale impact experiments. The numerical model is developed using the SICONOS software based on the Non-Smooth Contact Dynamics (NSCD) method to further investigate the efficiency and performance of this new structure type. All geometrical features and mechanical properties of the real structure components are incorporated via specific developments pertinent to the modeling requirements in SICONOS. Some parameters peculiar to the numerical model are calibrated against the spatial-temporal measurements from two full-scale impact experiments. The Bayesian interface statistical learning method aided by the polynomial chaos expansion based meta-model of the NSCD model is deployed for the calibration. The additional understanding of the model dynamics through the byproducts of meta-model are highlighted. In the end, the NSCD model is successfully calibrated against the spatial-temporal response of the experimental structure for impact energies up to 1 MJ.

International audience; This paper proposes numerical investigations for the stochastic modeling of a boulder impacting a coarse granular soil. The soil is considered as a noncohesive granular medium using a discrete element method and the soil model is calibrated compared to results from half-scale experiments. Based on this numerical model, an extensive numerical simulation campaign is carried out. The statistical analysis of the numerical results allows the definition of a stochastic bouncing model that quantifies most of the variability of the numerical results. Comparisons with classical bouncing models in the field of trajectory analysis highlight that this model expands classical approaches. The comparison of results from real-scale experiments to trajectory simulations based on the stochastic model show the relevance of the proposed approach to modeling rockfall trajectories.

International audience; The impact of a block on a coarse granular soil corresponding to rockfall events is investigated using the Discrete Element Method. Different impacting particle and medium characteristics are considered. Based on these numerical results, the impacting particle bouncing occurrence diagram is defined for various impacting particle sizes, incident kinematic parameters and sample heights. The bouncing occurrence diagram brings out three impact regimes. For a small impacting particle, the impact is mainly determined by the first interaction between the impacting particle and the soil, whereas for an intermediate-sized impacting particle, the compression wave propagation through the sample is the leading phenomenon. For large impacting particles, bouncing is associated with the formation of a compact layer below the impacting particle.

This thesis is dedicated to the study of falling rocks bouncing on natural soils in order to improve the models used for rockfall hazard assessment. The impact of a rock on a scree slope is modelled using the Discrete Element Method. The comparison between numerical results and half-scale experimental results of impacts on a coarse soil shows that the numerical model allows accurately predicting the bouncing of the rock for a reduced number of model parameters to be calibrated. The numerical results also emphasize that the interaction between the impacting particle and the granular soil is composed of three stages : the partial energy exchange from the impacting particle to the soil, the propagation of a shockwave from the impact point and the wave reflection on the substratum. The study of energy exchanges during these three stages allows defining the impacting particle bouncing occurrence diagram as well as three impact regimes. The statistical analysis of numerical results using Bayesian inference leads to the definition of a stochastic impact model. This model is relevant for rock velocity after impact depending on both rock velocity before impact and soil particles layout near the impact point. Finally, the stochastic impact model is integrated into trajectory analysis models which allows defining a global probabilistic approach of rockfall hazard assessment including protective structures design.; Ce travail de thèse porte sur la caractérisation du rebond d'un bloc sur un terrain naturel dans la perspective d'améliorer les modèles de détermination de l'aléa de chute de blocs. L'impact d'un bloc rocheux sur un sol composé d'éboulis est modélisé par la Méthode des Elements Discrets. La comparaison entre les résultats de simulation et les résultats d'essais à échelle réduite d'impact sur un sol granulaire grossier met en évidence que le modèle numérique développé assure une prédiction pertinente du rebond pour un nombre réduit de paramètres de simulation à calibrer. L'analyse de l'impact à l'aide du modèle numérique montre que l'interaction entre l'impactant et le sol peut être décomposée en trois phases : le transfert énergétique initial du bloc vers le sol, la propagation d'une onde de compression du point d'impact vers l'intérieur du sol et la réflexion de l'onde de compression sur le substratum. L'étude des échanges énergétiques lors de ces trois phases conduit à la définition d'un diagramme d'existence du rebond délimitant les domaines d'arrêt et de rebond de l'impactant et à l'identification de trois régimes d'impact. Le traitement statistique des résultats de simulation par des méthodes statistiques basées sur l'inférence Bayésienne permet également de définir une loi d'impact stochastique. Cette loi est représentative de la variabilité des vitesses du bloc après impact en fonction des paramètres cinématiques incidents et de l'arrangement géométrique des particules du sol au voisinage du point d'impact. Enfin, suite à l'intégration de la loi stochastique d'impact dans le contexte de l'analyse trajectographique, une approche probabiliste globale permettant la caractérisation détaillée de l'aléa de chute de bloc ainsi que l'implantation et le dimensionnement d'ouvrages de protection est proposée.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les logiciels de trajectographie constituent un outil indispensable pour la détermination des zones soumises à un risque de chute de bloc en zones montagneuses. Une amélioration fondamentale à apporter à ces codes de calcul est la caractérisation fine du rebond du bloc sur le sol. Dans cette optique, une modélisation numérique de l'interaction entre le bloc et le sol par la Méthode des Elements Discrets est développée de façon à étudier l'impact d'un bloc rocheux sur un éboulis. Le traitement statistique des résultats issus des simulations numériques permet de définir une loi d'impact stochastique valable quels que soient le point d'impact et les conditions cinématiques initiales du bloc.