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JCJC - SIMI 6 - Système Terre, environnement, risques (JCJC SIMI 6)
Edition 2013


TWIST


Réponse de l'arbre aux vents forts

TWIST
Réponse de l’arbre aux vents forts

Enjeux et objectifs
On s’attend à ce que les dégradations liées au vent, qui s’élèvent actuellement à 50% du volume des dégâts dans les forêts européennes, double et même quadruple avant la fin du siècle. Ces dommages ont un impact considérable sur la filière bois et sur le fonctionnement écologique et la survie des forêts en Europe. La majorité des arbres sont détruit arrachement lors des tempêtes. D’importants efforts ont été consentis cette dernière décennie pour modéliser la réponse des parties aériennes à des sollicitations turbulentes. En revanche, l’interaction mécanique racines-sol et le rôle de l’humidité et de la fatigue du sol sont encore mal connus.
Un élément clé de la modélisation du risque au vent est la compréhension des interactions entre le sol et les racines. L’importance des conditions de sol sur les dommages causés par les tempêtes est considérable (humidité du sol, type de sol). L’ancrage des arbres diminuent fortement lors d’inondations, de fortes intempéries ou de mauvais drainages du sol. Or ces effets vont augmenter en Europe occidentale où l’on prévoit un accroissement des précipitations hivernales avec le changement climatique. De nombreux travaux ont été menés jusqu’à présent sur l’interaction vent- arbre, par contre on connait encore très mal le système sol-racines. Le projet TWIST porte sur l’ancrage des arbres. Il doit fournir le chainon manquant actuellement pour traiter le problème de la stabilité des arbres au vent dans son ensemble et proposer des solutions pratiques pour réduire les risques dans le contexte du changement climatique.

Méthodes / Approches
La démarche générale du projet est structurée par différents choix:
(i) les études sont menées à l’échelle de l’individu sur Pinus pinaster cultivé en sol sableux, et les effets du changement climatique sont pris en compte en considérant une augmentation de l’humidité des sols en hiver ;
(i) des expérimentations de terrain sont conduites pour quantifier les effets des conditions de sol sur l’ancrage racinaire et pour tester le modèle sol-racines sous sollicitations statiques et dynamiques ;
(ii) les déformations des racines et des parties aériennes sont calculées à l’aide du code de calcul par éléments finis ABAQUS ;
(iii) les écoulements turbulents sont simulés par la méthode LES développée à ISPA ;
(iv) une expérimentation de 6 mois à l’échelle de l’arbre sera conduite pour mesurer les mouvements d’arbres sous différentes conditions de vent et de teneurs en eau du sol pour des conditions pédo-climatiques représentatives de la région Aquitaine.

Résultats

TWIST a fourni le premier modèle d’ancrage d’arbre pour P. pinaster (Maritime pine) basé sur la résistance à la rupture des racines. Ce nouveau modèle simule la rupture successive des racines. La rupture individuelle des racines est modélisée par une loi de rupture dérivée des modèles pour les laminés fibres-métaux. La plasticité du sol a été décrite par un critère de Mohr-Coulomb. Le modèle mécanique de la structure des racines a été implémenté dans ABAQUS en discrétisant les racines sous forme d’éléments de poutre et le sol par des blocs solides 3D. Le modèle a été testé avec succès en simulant des essais de treuillage réalisés in situ sur des P. pinaster. La nature générique de ce modèle permet des applications futures à d’autres espèces et d’autres conditions pédo-climatiques.

Perspectives

Les perspectives du projet sont d’ici la fin du projet de :
- mesurer le mouvement d’un arbre sous plusieurs conditions de vent et d’humidité du sol lors d’une expérience de 6 mois ;
- développer un modèle de déformation de l’arbre sous le vent couplant les parties aériennes et racinaires et utilisant le logiciel ABAQUS, de tester ce modèle par rapport aux mesures acquises lors de l’expérience in situ de 6 mois en calculant des déformations de l’arbre sous des conditions de vent simulées par des écoulements turbulents modélisés par le modèle LES ;
- proposer un modèle simplifié pour la stabilité de l’arbre sous le vent utilisable à plus grande échelle dans les modèles de risque au vent.

Productions scientifiques et brevets

Yang, M., Défossez, P., Danjon, F., Fourcaud, T., 2014. Tree stability under wind: simulating uprooting with root breakage using a finite element method. Annals of Botany 114, 695-709.
Ming Yang, Pauline Défossez, Frédéric Danjon, Thierry Fourcaud. Understanding tree root anchorage with the finite element method : a focus on the impact of root system morphology. In IUFRO 2014 Wind and Trees International Conference, 2014
Défossez P., Cointe A., Coureau J-L., Morel S., Bonnefond J-M., Garrigou D., Lambrot C., Danjon F.2014. Propriétés mécaniques des racines de structure de Pinus pinaster. Les journées scientifiques du GDR 3544. 12-14 nov. 2014. Nancy
Meredieu C, Brunet Y, Danjon F, Défossez P, Dupont S, et al. 2014. Innovations Agronomiques 41: 43-56
Meredieu C, Brunet Y, Danjon F, Défossez P, Dupont S, et al. 2014. CIAg Envrironnement « Intensification durable des systèmes de production forestière » 3 déc.2014. INRA Bordeaux

Partenaires

EPHYSE INRA UR 1263 EPHYSE

Aide de l'ANR 224 981 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2013 - 42 mois

Résumé de soumission

Les dégradations liées au vent s’élèvent actuellement à 50% du volume des dégâts dans les forêts européennes. On s’attend à ce qu’elles doublent et même quadruplent avant la fin du siècle en raison du changement climatique. Ces dommages ont un impact considérable sur la filière bois et sur le fonctionnement écologique et la survie des forêts en Europe. La majorité des arbres est détruite par arrachement lors des tempêtes. D’importants efforts ont été consentis cette dernière décennie pour modéliser la réponse des parties aériennes à des sollicitations turbulentes. En revanche, l’interaction mécanique racines-sol et le rôle de l’humidité et de la fatigue du sol sont encore mal connus.
C’est pourquoi le premier objectif du projet TWIST est d’estimer les effets des conditions de sol sur la stabilité des arbres, notamment le niveau de saturation en eau du sol lors des épisodes de tempêtes. On utilisera des techniques récentes développées pour étudier la résistance mécanique de structures végétales architecturées.
Le deuxième objectif est d’établir à l’échelle de l’arbre une méthode pour prévoir l’occurrence de ruine de l’arbre par arrachage (chablis) en fonction des conditions microclimatiques (conditions de turbulence, humidités du sol contrastées). Pour cela P. Défossez et ses collègues de l’UR EPHYSE (INRA, Bordeaux) développeront un modèle d’interaction vent-arbre qui, pour la première fois, tiendra compte de l’ancrage de l’arbre dans le sol et de ses mouvements sous un vent de tempête en intégrant les dernières avancées sur la modélisation de l’interaction vent-plante. C’est particulièrement ambitieux sachant que le sol et le système racinaire évolue au cours des tempêtes.
Le troisième objectif de TWIST est de fournir un modèle simplifié de déracinement sous le vent incluant les connaissances acquises par notre approche mécaniste. Ce modèle simple pourra alors être utilisé pour estimer les risques au vent à une échelle régionale dans le cadre du programme coordonné par B. Gardiner (EPHYSE, Package scientifique INRA, 2012-2015). Ainsi nous contribuerons à établir des recommandations pour limiter les risques liés au vent par une gestion des forêts adaptée (méthodes d’implantation, hauteurs des peuplements…) et des pratiques d’usage des sols spécifiques (drainage, travail du sol…).
TWIST se focalise sur le pin maritime cultivé en sol sableux, représentatif de la forêt des Landes en région Aquitaine qui a été fortement endommagée par les tempêtes ces 15 dernières années. Ce massif forestier joue un rôle économique, social et écologique majeur.
EPHYSE a développé une expertise reconnue internationalement sur les écoulements turbulents et leurs interactions avec les plantes. TWIST permettra de soutenir une nouvelle thématique à EPHYSE sur l’ancrage des arbres dans le sol menée par P. Défossez. Cette aide inclut (i) le développement de modèles de biomécanique de l’arbre dans le sol (collaboration avec T. Fourcaud, CIRAD, UMR AMAP, Montpellier), (ii) la réalisation d’essais de laboratoire pour mesurer la résistance du système sol-racines, (iii) la mise en place d’expérimentations de terrain pour étudier les effets des conditions d’humidité du sol et des sollicitations dynamiques sur la résistance globale du système sol-arbre (collaboration avec F. Danjon, INRA, UMR BIOGECO, Bordeaux), et (iv) le développement d’un modèle simplifié de déracinement d’arbre en fonction de facteurs microclimatiques qui pourra être incorporé dans des modèles de risque au vent à l’échelle du paysage. Dans cet environnement de recherche porteur, TWIST est une opportunité unique de collaboration entre des scientifiques spécialistes des écoulements atmosphériques, de la physique du sol, de l’architecture des plantes, des écosystèmes forestiers et de la prévision des risques pour proposer un modèle mécaniste de l’ensemble des composantes sol-arbre-vent.

 

Programme ANR : JCJC - SIMI 6 - Système Terre, environnement, risques (JCJC SIMI 6) 2013

Référence projet : ANR-13-JS06-0006

Coordinateur du projet :
Madame Pauline DEFOSSEZ (INRA UR 1263 EPHYSE)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.