A geotechnical investigation on toppling mechanisms of trees : experimental and numerical studies

Trees are abundant in our environment, and ensuring their stability is crucial for effective risk mitigation, particularly in the aftermath of extreme climate events. Wind-induced forces are often the leading cause of tree damage. While the field of agronomy and agricultural engineering has extensively addressed this issue, this work takes a novel perspective from the geotechnical engineering standpoint. It combines laboratory experiments with numerical analysis and modeling. The thesis is divided into three main parts. In the first part, a numerical interpretation is conducted based on a series of on-site pulling tests carried out in different locations across Italy. The experimental data were analyzed using the equations proposed by Wessolly and Galli et al., which establish a relationship between the applied force and the resulting rotation of the trees. This analysis provided insights into the advantages and limitations of both approaches. To overcome the limitations of these two approaches, it becomes imperative to establish an experimental framework that enables the testing of trees until they reach the point of complete overturning. In the second part, a set of tests is performed on a laboratory-based tree-root prototype. These tests involve applying toppling loads and observing the system's response until failure. Different soil samples were used, and Oedometer tests were conducted to characterize their properties. Various loading schemes (cyclic loading, uniform pressure) and interpretations (dissipated energy computation, fitting procedures based on Wessolly and Galli et al.'s equations) were employed to understand the behavior of this complex system comprehensively. Finally, in the third part, a two-dimensional numerical model is developed using FLAC2D to simulate the laboratory conditions. The numerical model is used to conduct tests with vertical loading, and different parameters are calibrated through parametric analysis, referring to the experimental data obtained from tests performed on the same tree-root prototype. Overall, the integration of pulling test results, laboratory experiments, and numerical simulations contribute to a comprehensive understanding of tree stability. This multidisciplinary approach enhances our knowledge of this complex problem and provides valuable insights for effective risk mitigation strategies.

Gli alberi sono abbondanti nel nostro ambiente e garantire la loro stabilità è fondamentale per una mitigazione efficace del rischio, soprattutto in seguito a eventi climatici estremi. Le forze indotte dal vento sono spesso la causa principale dei danni agli alberi. Sebbene il campo dell'agronomia e dell'ingegneria agricola abbia affrontato ampiamente questa problematica, questo lavoro adotta una prospettiva innovativa dal punto di vista dell'ingegneria geotecnica. Combina esperimenti di laboratorio con analisi e modellazione numerica. La tesi è divisa in tre parti principali. Nella prima parte viene condotta un'interpretazione numerica basata su una serie di test di trazione eseguiti in diversi luoghi in Italia. I dati sperimentali sono stati analizzati utilizzando le equazioni proposte da Wessolly e Galli et al., che stabiliscono una relazione tra la forza applicata e la rotazione risultante degli alberi. Questa analisi ha fornito una comprensione dei vantaggi e dei limiti di entrambi gli approcci. Per superare le limitazioni di questi due approcci, diventa fondamentale stabilire un quadro sperimentale che consenta di testare gli alberi fino al punto di completo ribaltamento. Nella seconda parte vengono eseguiti una serie di test su un prototipo di radici degli alberi in laboratorio. Questi test prevedono l'applicazione di carichi ribaltanti e l'osservazione della risposta del sistema fino al punto di rottura. Sono stati utilizzati diversi campioni di terreno e sono stati condotti test di Oedometer per caratterizzarne le proprietà. Sono state impiegate diverse modalità di carico (carico ciclico, pressione uniforme) e interpretazioni (calcolo dell'energia dissipata, procedure di adattamento basate sulle equazioni di Wessolly e Galli et al.) per comprendere in modo completo il comportamento di questo sistema complesso. Infine, nella terza parte, è stato sviluppato un modello numerico bidimensionale utilizzando FLAC2D per simulare le condizioni di laboratorio. Il modello numerico è stato utilizzato per condurre test con carico verticale e i diversi parametri sono stati calibrati attraverso un'analisi parametrica, facendo riferimento ai dati sperimentali ottenuti dai test eseguiti sullo stesso prototipo di radici degli alberi. Complessivamente, l'integrazione dei risultati dei test di trazione, degli esperimenti di laboratorio e delle simulazioni numeriche contribuisce a una comprensione approfondita della stabilità degli alberi. Questo approccio multidisciplinare migliora la nostra conoscenza di questa problematica complessa e fornisce preziose intuizioni per strategie efficaci di mitigazione del rischio.