Ancrage racinaire des arbres : modélisation et analyses numériques des facteurs clés de la résistance au vent du Pinus pinaster

Tree root anchorage : modelling and numerical analyses of key contributing factors of wind firmness of Pinus pinaster

• Auteur / Autrice : Ming Yang
• Direction : Pauline Défossez, Thierry Fourcaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l’environnement
• Date : Soutenance le 16/12/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements (Pessac, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interactions sol plante atmosphère (INRA Bordeaux-Aquitaine)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Morel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Bourrier, Evelyne Kolb
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexis Achim, Jean-Yves Delenne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pin maritime

Éléments finis, Méthode des

Pin maritime

Chablis (sylviculture)

Pin maritime

Mots clés libres

Stabilité de l’arbre

Endommagement des racines

Méthode des éléments finis

Architecture racinaire

Composantes de l’ancrage racinaire

Pinus pinaster

Tree stability

Equential root breakage

Finite element method

Root system architecture

Root anchorage components

Pinus pinaster

Résumé

Les tempêtes hivernales causent des pertes en bois qui s’élèvent à 50% du volume des dégâts dans les forêts européennes. Les phénomènes de déracinement des arbres (chablis) sont les plus fréquents or ils sont encore mal compris. Cette thèse vise à mieux comprendre le processus de déracinement de l’arbre et à identifier les traits structuraux et matériels (racines, sol) ayant un effet du premier ordre sur l’ancrage racinaire dans le cas du Pinus pinaster. Un modèle d’éléments finis a été développé et permis de simuler et suivre la chronologie des ruptures successives au cours du déracinement. Un seuil de rupture globale de l’ancrage est ainsi défini comme une résultante de l’architecture et de la résistance des matériaux en jeu (racines, sol). Cela devrait permettre à terme d’améliorer les modèles de risque au vent qui actuellement n’incluent pas de relation mécaniste pour le chablis. Dans la même logique, nous nous sommes appuyés sur les données expérimentales pour construire une architecture simplifiée du système racinaire du P. pinaster. L’importance des différentes composantes sur le mécanisme d’ancrage a été étudiée et le rôle essentiel joué par le pivot et les racines traçantes montré. Ce résultat confirme de nombreuses études expérimentales et théoriques et pour la première fois permet de quantifier ces effets. Le nombre de paramètres pertinents pourra ainsi être réduit pour exprimer l’ancrage. Cela ouvre des perspectives intéressantes pour simplifier l’utilisation du modèle pour l’appliquer à d’autres espèces, d’autres conditions de sol et différentes pratiques sylvicoles.

Winter storms cause 50% of wood damage by volume to European forests. Tree uprooting isthe most frequent phenomenon during storms ; however the mechanism is not well understood.This thesis aims to better understand the tree uprooting process and to identify both rootstructural features and material properties which have first-order effects on tree anchoragestrength for the case ofPinus pinaster. A Finite Element Model has been developed and allowedsimulating and tracking the sequential root breakage during the course of tree overturning. Anoverall tree anchorage strength is thus defined as the resultant of contribution of root systemarchitecture and material strength (roots, soil). This would allow improving the risk modelswhich currently don’t include any mechanistic relationships to describe tree uprooting. In thesame spirit, we have relied on root architectural data to build a simplified root system patternwith features ofP. pinaster. Importance of different root components has been studied andthe essential role of the taproot and shallow roots demonstrated. This result has confirmednumerous experimental and theoretical studies and for the first time quantified these impacts.Therefore the number of relevant parameters can be reduced to express overall root anchorage.This opens new prospects to simplify the model in order to apply to other species under othersoil conditions and considering different silvicultural practices