Numerical and experimental study on toppling resistance of trees in urban areas and of their effects as sustainable drainage systems for flooding control

Tree stability assessment is gaining larger and larger interest in modern societies owing to an increased awareness of public opinion on several aspects, such as the importance of green areas and urban forestry in towns, the protection of natural arboreal heritage and the mitigation of risks versus people and goods associated to tree toppling collapses. Trees play also an important role as Sustainable Urban Drainage Systems (SUDS) by mitigating the risk associated with rainfall-induced flooding events. In this perspective, describing the hydrological cycle involving the tree-root-soil system becomes essential for estimating the amount of water present in the surrounding soil. An analytical-probabilistic approach based on a local hydrological balance is proposed to estimate surface runoff volume and the (volumetric) water content in the soil beneath trees after rainfall events. Main results highlight that the analytical-probabilistic model provides a computationally efficient tool for estimating the stormwater mitigation performance of urban trees while accounting for seasonal variability. The model showed also good agreement with numerical simulations and field observations, demonstrating its ability to reliably predict runoff generation and soil moisture beneath urban trees. This approach can represent an innovative tool for guiding stormwater management policies that integrate urban trees. By assessing soil hydraulic conditions, it delivers key data relevant across three interconnected domains: hydrological (flooding control), tree stability (soil moisture can influence root-plate resistance to overturning), and botanical (health of the plant). From a mechanical perspective, tree stability assessment is a complex task that requires a multidisciplinary approach, combining structural, geotechnical, and botanical expertise. The main objective of this research is the investigation of the toppling behaviour of trees and the evaluation their toppling resistance to provide innovative contributions that can be useful both for scientists and agronomists. A small-scale 1g experimental campaign on simplified root prototypes was conducted to investigate the mechanical response under different vertical and toppling actions. Main experimental findings showed a non-negligible influence of root geometry, soil material properties and saturation degree on the response under monotonic and cyclic loading. The influence of second order effects was found to anticipate the actual failure condition, too. All these aspects are usually disregarded in practical agronomical procedures. In addition, some small-scale experimental outcomes were preliminarily confirmed by numerical results. Pulling testing campaigns on mature trees of different species were performed in two testing sites. New non-destructive and destructive testing procedures were adopted investigating the response under monotonic and cyclic lateral loads. The experimental outcomes are analysed within a geotechnical framework, drawing parallels with foundation engineering principles, and they are consistent with the experimental findings at the small-scale, mainly as concerns the cyclic response. Modelling aspects were also discussed with a particular focus on the macroelement approach and the loss of controllability theory applied to capture the trees collapse due to uprooting. Furthermore, seasonal effects on the mechanical response under non-destructive cyclic pulling tests were systematically investigated, founding a strong multivariate correlation between the average rotational stiffness of cycles, soil (volumetric) water content and temperature. These outcomes can then contribute to better interpreting the result of standard pulling tests. Based on the experimental campaigns, a novel physically based testing protocol based on cyclic pulling tests and damping ratio evolution was developed to improve the assessment of tree overturning resistance. The proposed procedure exploits on consistent trends across different tree species and scales, enabling a more objective interpretation of pulling tests and a more reliable estimation of the critical toppling resistance than conventional monotonic approaches. Overall, the research findings led to several practical implications and pave the way to develop more physically based methodologies to assess tree uprooting resistance with the aim of mitigating the risk of falling trees in urban areas.

La valutazione della stabilità degli alberi sta assumendo un'importanza sempre maggiore nelle società moderne, grazie alla crescente sensibilizzazione dell'opinione pubblica su diversi aspetti, tra cui il valore delle aree verdi e delle foreste urbane, la tutela del patrimonio arboreo e la riduzione dei rischi per persone e beni associati al ribaltamento degli alberi. Gli alberi svolgono inoltre un ruolo fondamentale come Sistemi di Drenaggio Urbano Sostenibile (SUDS), contribuendo a mitigare il rischio di allagamenti causati dagli eventi di pioggia intensa. In quest'ottica, descrivere il ciclo idrologico che coinvolge il sistema albero-radici-suolo è essenziale per stimare la quantità di acqua presente nel terreno circostante. A tal fine è stato proposto un approccio analitico-probabilistico, basato sul bilancio idrologico locale, per stimare il volume di deflusso superficiale e il contenuto volumetrico d'acqua nel terreno al di sotto degli alberi dopo gli eventi di pioggia. I principali risultati mostrano che il modello analitico-probabilistico rappresenta uno strumento efficiente dal punto di vista computazionale per valutare la capacità degli alberi urbani di mitigare il deflusso meteorico, tenendo conto anche della variabilità stagionale. Il modello ha inoltre mostrato un buon accordo sia con le simulazioni numeriche sia con le osservazioni sperimentali in campo, dimostrando di essere in grado di prevedere in modo affidabile la generazione del deflusso superficiale e l'umidità del terreno sotto gli alberi urbani. Questo approccio costituisce uno strumento innovativo a supporto delle politiche di gestione delle acque meteoriche che integrano il ruolo degli alberi. Valutando le condizioni idrauliche del terreno, esso fornisce infatti informazioni rilevanti in tre ambiti strettamente connessi: quello idrologico (controllo degli allagamenti), quello della stabilità degli alberi (l'umidità del terreno può influenzare la resistenza al ribaltamento della zolla radicale) e quello botanico (stato di salute della pianta). Dal punto di vista meccanico, la valutazione della stabilità degli alberi rappresenta un problema complesso che richiede un approccio multidisciplinare, combinando competenze di ingegneria strutturale, geotecnica e botanica. L'obiettivo principale di questa ricerca è lo studio del comportamento al ribaltamento degli alberi e la valutazione della loro resistenza al ribaltamento, al fine di fornire contributi innovativi utili sia alla comunità scientifica sia ai professionisti del settore arboricolo. A tale scopo è stata condotta una campagna sperimentale in piccola scala (1g) su prototipi semplificati di apparati radicali, per studiarne la risposta meccanica sotto diverse condizioni di carico verticale e di ribaltamento. I principali risultati sperimentali hanno evidenziato un'influenza significativa della geometria delle radici, delle proprietà del materiale che simula il terreno e del grado di saturazione sulla risposta sia in condizioni di carico monotono sia ciclico. È stato inoltre osservato che gli effetti del secondo ordine anticipano il raggiungimento della massima resistenza dell’apparato radicale. Tutti questi aspetti sono generalmente trascurati nelle procedure agronomiche attualmente adottate nella pratica. Inoltre, alcuni dei risultati sperimentali ottenuti in piccola scala sono stati preliminarmente confermati mediante simulazioni numeriche. Sono state inoltre condotte campagne sperimentali di prove di trazione su alberi maturi appartenenti a specie differenti, in due siti sperimentali. Sono state sviluppate e applicate nuove procedure di prova, sia non distruttive sia distruttive, per analizzare la risposta degli alberi a carichi laterali monotoni e ciclici. I risultati sperimentali sono stati interpretati nell'ambito della geotecnica, stabilendo analogie con i principi dell'ingegneria delle fondazioni, e mostrano una buona coerenza con i risultati ottenuti nelle prove in piccola scala, in particolare per quanto riguarda il comportamento sotto carichi ciclici. Sono stati inoltre approfonditi gli aspetti di modellazione, con particolare attenzione all'approccio a macroelementi e alla teoria della perdita di controllabilità, applicata alla descrizione del collasso degli alberi per sradicamento. Un ulteriore obiettivo della ricerca ha riguardato lo studio sistematico degli effetti stagionali sulla risposta meccanica degli alberi mediante prove cicliche non distruttive di trazione. I risultati hanno evidenziato una forte correlazione multivariata tra la rigidezza rotazionale media dei cicli, il contenuto volumetrico d'acqua del terreno e la temperatura. Questi risultati possono contribuire a una migliore interpretazione delle prove di trazione comunemente utilizzate nella pratica. Sulla base delle campagne sperimentali è stato infine sviluppato un nuovo protocollo di prova, fisicamente fondato, basato su prove cicliche di trazione e sull'evoluzione del rapporto di smorzamento, con l'obiettivo di migliorare la valutazione della resistenza al ribaltamento degli alberi. La procedura proposta sfrutta tendenze coerenti osservate su diverse specie arboree e a differenti scale sperimentali, consentendo un'interpretazione più oggettiva delle prove di trazione e una stima più affidabile della resistenza critica al ribaltamento rispetto ai tradizionali approcci basati esclusivamente su prove monotone. Nel complesso, i risultati di questa ricerca hanno importanti implicazioni pratiche e pongono le basi per lo sviluppo di metodologie più solide dal punto di vista fisico per la valutazione della resistenza allo sradicamento degli alberi, con l'obiettivo di contribuire alla riduzione del rischio di caduta degli alberi nelle aree urbane.