Biomécanique de l’arbre dans le vent M1 - UE Biophysique des tissus végétaux 2017 http://fr.wikipedia.org/wiki/Chablis_(arbre) Biomécanique de l’arbre dans le vent Meriem Fournier 1

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Dégâts primaires, secondaires, tertiaires Primaires (le jour de la tempête) Casse et déracinement des arbres Dommages aux personnes et aux infrastructures Secondaires (de quelques semaines à quelques années) Sensibilité aux riques biotiques (attaques d’insectes …) Impact sur la biodiversité, sur les cycles biogéochimiques (sols nus) Tertiaires (quelques années à plus) Effets sur les marchés et les prix, sur l’emploi Effets sur la disponibilité de la ressource à long terme Effets sur les services écosystémiques (biodiversité, qualité de l’eau, accueil du public, stockage de carbone … ) 4

Diagnostiquer la vulnérabilité (primaire) Construire des indicateurs ? Des indicateurs de vulnérabilité, - fiables à l’échelle de la parcelle - cartographiables à des échelles plus vastes - dépendants de variables mesurables ou contrôlables (climat, sol, topo, âge, essence(s), structure, scénario sylvicole …) Un pb de mécanique ? 5 5

Plusieurs types d’approches Statistiques basées sur des données d’observation de dégâts (avec le pb pratique d’avoir des données de calibration et de validation) Physiques basées sur des modèles mécaniques (avec le pb de leur validité car beaucoup de simplifications) Dans tous les cas, il faut des données 6 6

Enseignements tirés de l’analyse statistique des dégâts observés (Lothar et Martin 1999, Gudrun 2005, Kyrill 2007, Klaus 2008) : 7

Effet fort de la vitesse du vent 5 facteurs bien identifiés Effet fort de la vitesse du vent Gust peak wind speeds can be roughly ascribed to different levels of damage (Low < 100 km/h, Moderate 20 km/h-140 km/h, High > 140 km/h) 8

Effet fort de la hauteur (mais pas de seuil unique) 5 facteurs bien identifiés Effet fort de la hauteur (mais pas de seuil unique) Exemple du seuil du Hêtre (Bock 2002) 9

5 facteurs bien identifiés Effet fort mais très variable (notamment selon les essences) de la « profondeur » du sol Effet de l’essence (à part la vitesse du vent, tous les autres facteurs doivent être raisonnés en fonction de l’essence avec des essences plus ou moins sensibles) 10

5 facteurs bien identifiés Eclaircies : les éclaircies fortes fragilisent les peuplements pendant deux ans qui suivent l’éclaircie, ensuite peu d’effet des éclaircies passées 11

Les modèles mécaniques Echelle arbre entier Echelle bois (tissu ou matériau) Echelle tige Vent de rupture Contrainte de rupture Force de rupture

rair la masse volumique de l’air (kg/m3) Pour un vent qui vient selon y (perpendiculaire à la surface représentée) de vitesse U en m.s S la surface en m² du houppier perpendiculaire à la direction du vivant rair la masse volumique de l’air (kg/m3) Cd le facteur de trainée (s.d.) = qualité de pénétration du houppier la force F est : F = 1 rair Cd S U2 2

Un autre formulaire F = rair Cd S U2 / 2 MF (z) = F ( HF – z ) sC Force en fonction de la vitesse du vent F = rair Cd S U2 / 2 Moment le long du tronc avec bras de levier amplificateur MF (z) = F ( HF – z ) Contrainte maxi à la périphérie le long du tronc Contrainte maxi que le bois supporte sans casser sC Quelle est la vitesse du vent qui fait casser le tronc à la base D (z=0) ? 16 rair S HF Cd sC pD3 UC² =

Et pour le déracinement ? Fy y L’arbre est déraciné si le moment de flexion à la base MF (0) = F HF est supérieur à celui qui fait basculer le système racinaire en arrachant les racines fines Localiser les contraintes dans les racines et le sol ? Mesurer les propriétés mécaniques des racines et du sol ? ???

Travaux en cours (recherche)

En attendant, on calibre un modèle empirique de la force (moment de flexion) qui déracine https://www.youtube.com/watch?v=XmriQePwzmk Vidéo Hêtre sur pin martitime landais (Cucchi et al 2005) 17 17

Test utilisé aussi par les experts de l’arbre urbain

Y’a plus qu’à … intégrer ça dans des outils informatiques Outils de « wind risk assessment » (WRA) A review of mechanistic modelling of wind damage risk to forests Gardiner et al. 2008, Forestry 81 (3) : 447-463 19 19

Principes ForestGALES (Ecossais) HWIND (Finlandais) FOREOLE (Français, CEMAGREF) Aéro -dynamique Résistance Bois ancrage Forces exercées Casse  max Supportables  Chablis Vent critique 20 Exemple de Hwind 20

ForestGALES est commercialisé, avec des formations, un manuel … Forestry Commission / Forest Research www.forestry.gov.uk (Products & services / Forest Planning and management) 130 £ ForestGALES se veut un outil opérationnel pour les forêts britanniques : Couplage avec modèle climatique DAMS modèles de production SIG ForestGALES a été adapté au pin maritime (Cucchi et al. 2005) Et au Hêtre en 2016 21 21

Reste une question non résolue dans les modèles physiques Le vent a-t-il un effet sur la croissance ? Les arbres soumis au vent modifient-ils leur croissance pour se construire plus résistants? Faut-il tenir compte de ça pour évaluer les risques ? Port en drapeau dans les zones ventées 22

Comment les plantes ont colonisé la terre en faisant face au challenge de l’adaptation du dimensionnement mécanique pendant leur croissance Croissance = augmentation de la hauteur (bras de levier) et de la couronne (surface de prise au vent)  Le couple de flexion dû au vent augmente fortement (sauf si brise-vent, tuteur ou forme prostrée) Mais la croissance en diamètre, les propriétés du bois changent aussi pendant la croissance  La vulnérabilité mécanique (risque de casse, déformabilité) change donc de façon a priori inconnue (elle n’augmente pas forcément mais elle change)  Et en plus le climat venteux lui même est susceptible de changer

(mecanobiologie et thigmomorphogenèse) Comment les plantes ont colonisé la terre en faisant face au challenge de l’adaptation du dimensionnement mécanique pendant leur croissance Un dimensionnement mécanique génétiquement préfixé serait complètement inadaptatif Les plantes doivent acclimater leur dimensionnement mécanique (geometrie and propriétés du tissu) durant leur développement Les plantes ont les moyens de « se mesurer au vent » en permanence pour réguler leur croissance et leur dimensionnement à partir de la perception de signaux mécaniques par les cellules vivantes (mecanobiologie et thigmomorphogenèse)

Premières expériences Knight, 1803: Pas de vent, peu de bois et peu de racines : les arbres investissent dans la croissance souterraine et aérienne en masse seulement lorsqu’ils perçoivent les sollicitations mécaniques Premières expériences Knight, 1803: Knight T. A.. 1803. Account of some experiments on the descent of sap in trees. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 96. http://www.jstor.org/stable/107076 “If a tree be placed in a high and exposed situation, where it is much kept in motion by winds, the new matter which it generates will be deposited chiefly in the roots and lower parts of the trunk; and the diameter of the latter will diminish rapidly . . . .

Effet des protections (Tubex) sur la croissance de meriser + + bending Controlled Bending 1min/3h F. Telewski https://ag.purdue.edu/fnr/associations/IAA/Documents/BiomechanicsOfTreesTelewski.pdf Effet des protections (Tubex) sur la croissance de meriser Coutand et al. 2008. Annals of Botany  101 (9 ): 1421-1432   

Comment les plantes perçoivent le signal mécanique Thèse L. Martin, Clermont Ferrand, 2009

Quel est le signal perçu ? Croissance journalière « témoin » Croissance journalière après une flexion Thèse L. Martin, Clermont Ferrand, 2009

Quel est le signal perçu ? C’est une déformation (strain) Thèse L. Martin, Clermont Ferrand, 2009

Désensibilisation suite à des flexions répétées Thèse L. Martin, Clermont Ferrand, 2009

Quel sens cela a en forêt ? Observations, expérimentations dans un perchis de hêtres Marin Chaumet ingénieur APT master BFD Apprenti INRA LERFoB Diplômé 2015 Vivien Bonnesoeur LERFoB Ingénieur FIF Master FAGE Docteur 2016

Mesure des déformations au niveau du cambium sous balancement au vent puis treuillage des arbres pour leur infliger des déformations additionnelles Ces déformations additionnelles sont raisonnées par rapport à l’effet observé du vent Thèse V. Bonnesoeur 2016, Bonnesoeur et al. 2016 New Phytologist

Treuillage des arbres en contrôlant les déformations : Les arbres que l’on sollicite de façon « anormale » poussent deux fois plus vite Thèse V. Bonnesoeur 2016, Bonnesoeur et al. 2016 New Phytologist

Puis on ne treuille plus, on éclaircit Expérimentation VENT-ECLAIR en Forêt de Haye Marin Chaumet Ex élève ingénieur FIF Apprenti INRA LERFoB Diplômé 2015 34

La reprise de croissance après une éclaircie n’est pas qu’un problème de compétition (meilleur accès aux ressources, plus de lumière) mais aussi de plus de perception du vent

Un facteur de vulnérabilité bien connu des forêts aux tempêtes Les éclaircies fortes fragilisent les peuplements pendant deux ans qui suivent l’éclaircie, ensuite peu d’effet des éclaircies passées 36

D’autres avaient déjà montré que les effets de la perception du vent sur la croissance étaient énormes Pinus contorta (50-55 ans) attachés à 10m pour réduire les balancements et les moments de flexion en dessous de 10m Belle expérience (répétitions, plusieurs sites et placettes, Alberta) Résultats spectaculaires après six ans Mark Rudnicki Assistant professor U. Of Connecticut

la vulnérabilité d’un arbre au vent Evaluer et contrôler la vulnérabilité d’un arbre au vent Considérer seulement le problème de physique : Evaluer si les propriétés actuelles de l’arbre (son diamètre, sa hauteur, les propriétés du bois ou de l’ancrage) forment une combinaison plus ou moins vulnérable ? Considérer la mécanobiologie de la croissance : L’arbre a-t-il pu mettre en place son système de régulation de la croissance pour ajuster sa résistance aux vents forts ? A-t-il pu ou non sentir suffisamment le vent ? a-t-il un génôme qui lui permet de bien réguler sa réponse de croissance ? 38

Pas de vent, peu de bois et peu de racines : les arbres investissent dans la croissance souterraine et aérienne en masse seulement lorsqu’ils perçoivent les sollicitations mécaniques