Biomécanique de l’arbre dans le vent

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1 Biomécanique de l’arbre dans le vent
M1 - UE Biophysique des tissus végétaux 2017 Biomécanique de l’arbre dans le vent Meriem Fournier 1

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4 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

5 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

6 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

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

8 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

9 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

10 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

11 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

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

13 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

14 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 =

15 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 ? ???

16 Travaux en cours (recherche)

17 En attendant, on calibre un modèle empirique de la force (moment de flexion) qui déracine
Vidéo Hêtre sur pin martitime landais (Cucchi et al 2005) 17 17

18 Test utilisé aussi par les experts de l’arbre urbain

19 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) : 19 19

20 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

21 ForestGALES est commercialisé, avec des formations, un manuel …
Forestry Commission / Forest Research (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

22 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

23 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

24 (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)

25 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 Account of some experiments on the descent of sap in trees. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 96. “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

26 Effet des protections (Tubex) sur la croissance de meriser
+ + bending Controlled Bending 1min/3h F. Telewski Effet des protections (Tubex) sur la croissance de meriser Coutand et al Annals of Botany  101 (9 ):   

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

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

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

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

31 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

32 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 New Phytologist

33 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 New Phytologist

34 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

35 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

36 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

37 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

38 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

39 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