Biomechanics and sensitivity of tree branches to breakage : the case of summer limb drop | Biomécanique et propension à la casse des branches : le cas de la casse estivale

Inglés. The study of tree branches has often been neglected in favour of that of tree trunks. However, their simple posture is an impressive challenge to gravity. Although they appear to be mechanically oversized, they can break under the pressure of a fluctuating environment. In most cases the causes are identified. But there are still situations where the mystery remains ; an excellent example of this is the phenomenon of summer breakage, where branches fall at the end of hot, windless days. These branches do not show any particular sign of weakness, and the post-mortem analysis by the experts does not make it possible to understand the phenomenon underlying these sudden breaks. In a context of warming cities during heat waves and policies to develop tree spaces to mitigate urban heat islands, this problem of sudden falls becomes an important issue. To address this complex issue, we proposed a multidisciplinary approach. Surveys were carried out through the press as well as with managers and experts in urban trees in order to gather information mainly concentrated among these specialists. These surveys allowed us to identify a number of potential topics for research. From a theoretical point of view, the failure of branches could not be studied without considering their mechanical state. A numerical model was therefore developed to simulate the implementation of longitudinal stresses in a branch during its growth, which inexorably leads to an increase in its dimensions and mass. Applied to virtual models of branches, this model made it possible to evaluate the respective performances and mechanical roles of the motors of postural control of a branch by distinguishing the strategies of the hardwood and softwood groups. Finally, various experimental components aimed to feed and/or test this model. This work also made it possible to highlight intrinsic markers of the branch or environmental conditions (the season) that seem to affect the oversize characteristic of branches and therefore, a priori, their resistance to breakage. All of this work opens up numerous experimental and modelling perspectives, in order to confirm and extend these initial results to a wider range of species. Beyond the initial question of summer limb drop, this project is part of a broader theme of understanding the biomechanics of branches, which enables them to ensure their durability throughout their development despite their increasing size and weight, and the fluctuating environment they experience.

Francés. L’étude des branches d’arbre a souvent été délaissée au profit de celle des troncs. Pourtant, leur simple posture constitue un défi à la gravité qui a de quoi impressionner. Bien que semblant largement surdimensionnées mécaniquement, il arrive que sous la pression d’un environnement fluctuant, ces branches cassent. Si dans la plupart des cas, les causes sont identifiées, il reste des situations où le mystère reste entier ; en témoigne le phénomène des « casses estivales » : des chutes de branches en fin de journées chaudes, sans vent. Ces branches ne montrent a priori aucun signe de faiblesse particulier, et l’analyse post-mortem par les experts ne permet pas de comprendre le phénomène sous-jacent à ces ruptures brutales. Dans un contexte de réchauffement des villes, les politiques de développement des espaces arborés pour atténuer les îlots de chaleur urbains se développent, et cette problématique des chutes brutales devient un enjeu important. Pour aborder cette question complexe, nous avons proposé une approche pluridisciplinaire. Des enquêtes ont été réalisées à travers la presse ainsi qu’auprès des gestionnaires et des experts de l’arbre urbain, afin de récolter des informations principalement concentrées chez ces praticiens. Elles ont permis de faire ressortir quelques pistes de recherche. D’un point de vue théorique, la rupture des branches ne pouvait être étudiée sans aborder le volet de leur état mécanique. Un modèle numérique a donc été développé pour simuler la mise en place des contraintes longitudinales dans une branche lors de sa croissance ; laquelle conduit inexorablement à une augmentation de ses dimensions et de sa masse. Appliqué à des maquettes virtuelles de branches, ce modèle a permis d’évaluer les performances et rôles mécaniques respectifs des moteurs du contrôle postural d’une branche en distinguant les stratégies des groupes feuillus et résineux. Enfin, différents volets expérimentaux ont visé à alimenter et/ou tester ce modèle. Ces travaux ont aussi permis de mettre en évidence des marqueurs intrinsèques de la branche ou des conditions environnementales (la saison) qui semblent affecter le critère de surdimensionnement des branches et donc, a priori, leur tenue à la rupture. L’ensemble de ces travaux ouvre de nombreuses perspectives expérimentales et de modélisation, afin de confirmer et élargir ces premiers résultats à une plus large gamme d’essences. Au-delà de la question initiale de la casse estivale, ce projet s’inscrit dans un thème plus large de compréhension du fonctionnement biomécanique des branches, qui leur permet d’assurer leur pérennité tout au long de leur développement malgré leurs dimensions et poids croissants, et l’environnement fluctuant dans lequel elles évoluent