TREE STABILITY IN URBAN FORESTRY TO SUPPORT BIODIVERSITY SYSTEMS

Urban trees provide essential ecosystem services, but their failure under wind action is an increasingly critical issue for public safety and green space management where aerodynamic exposure is strongly influenced by urban morphology and where extreme events can combine strong gusts with adverse soil and hydrological conditions. Despite the widespread use of Visual Tree Assessment and non-destructive on-site testing, significant uncertainties remain in translating experimental results—such as soil-root system rotations—into robust estimates of anchoring capacity, especially when soil-root interaction is non-linear, anisotropic, and subject to cyclic and dynamic stresses. The doctoral thesis focuses on the quantitative assessment of uprooting stability through activities that combine controlled experimentation, full-scale field tests, long-term monitoring, computational wind modelling and operational tools to support the mitigation of failure risk. The work began with an experimental campaign at the University of Dundee Botanic Garden, during which both non-destructive and destructive tensile tests were conducted on multiple trees and different pull configurations, interpreting the results considering a site-specific geotechnical characterization of the soil. In parallel, a method was developed to estimate the aerodynamic resistance coefficient from coupled wind-tilt time series. Based on data from uprooting tests, non-destructive tests and dynamic wind-tilt monitoring, safety factors were then evaluated. Finally, a new approach for generalizing the Wessolly curve was proposed through the application of Bayesian theory. In a further phase, a 1-g physical model was created, aimed at reproducing the main load mechanisms under controlled boundary conditions and directly measuring both the reactions at the base (forces and moments) and the kinematic response (tilt and accelerations) induced by the wind load. A long-term monitoring campaign was conducted at the Vivaio Bicocca (Milan) during which wind intensity and direction measurements were measured, together with recordings of the inclination at the base of the trunk on different tree species exposed to the same local conditions; the aim of the activity was both to assess the variability in response of the different species planted in rows and to validate the monitoring data as support for re-inspection planning. In parallel, CFD simulations were performed, from the district scale to that of the individual tree, to visualize how urban morphology affects wind speed and pressure fields and, consequently, the aerodynamic loads acting on them. Finally, the use of LiDAR technology was validated, with its geometric surveys providing direct support for the design and verification of consolidation measures. Overall, the thesis proposes an organic approach to exploring, testing and implementing methods for the quantitative assessment of tree stability. The aim is to improve the interpretation of experimental data, correlate anchoring capacity with soil conditions and wind exposure, and thus provide solid technical support for green space management and the mitigation of tree fall risk in urban areas.

Gli alberi in ambiente urbano offrono servizi ecosistemici fondamentali, ma il loro cedimento sotto l’azione del vento costituisce una criticità sempre più rilevante per la sicurezza pubblica e la gestione del verde dove l’esposizione aerodinamica è fortemente condizionata dalla morfologia urbana e dove gli eventi estremi possono associare forti raffiche a condizioni pedologiche e idrologiche sfavorevoli. Nonostante la diffusione della Visual Tree Assessment e delle prove di trazione in sito non distruttive, persistono importanti incertezze nel tradurre i risultati sperimentali—come le rotazioni del sistema suolo–apparato radicale—in stime robuste della capacità di ancoraggio, soprattutto quando l’interazione suolo–radici è non lineare, anisotropa e soggetta a sollecitazioni cicliche e dinamiche. La tesi di dottorato si concentra sulla valutazione quantitativa della stabilità allo sradicamento attraverso attività che combinano sperimentazione controllata, prove in campo in scala reale, monitoraggi di lungo periodo, modellazione computazionale del vento e strumenti operativi a supporto della mitigazione del rischio di cedimento. Il lavoro è iniziato con una campagna sperimentale presso il Botanic Garden dell’Università di Dundee, durante la quale sono stati condotti test di trazione sia non distruttivi sia distruttivi su più alberi e diverse configurazioni di tiro, interpretando i risultati alla luce di una caratterizzazione geotecnica sito-specifica del suolo. Parallelamente, è stato sviluppato un metodo per stimare il coefficiente di resistenza aerodinamica a partire da serie temporali accoppiate vento–inclinazione. Sulla base dei dati provenienti dalle prove di sradicamento, dai test non distruttivi e dal monitoraggio dinamico vento–inclinazione, sono stati quindi valutati i fattori di sicurezza. Infine, è stato proposto un nuovo approccio per la generalizzazione della curva di Wessolly mediante l’applicazione della teoria bayesiana. In una fase successiva è stato realizzato un modello fisico 1-g, finalizzato a riprodurre i principali meccanismi di carico in condizioni al contorno controllate e a misurare direttamente sia le reazioni alla base (forze e momenti), sia la risposta cinematica (inclinazione e accelerazioni) indotta dal carico del vento. È stata condotta una campagna di monitoraggio di lungo periodo presso il Vivaio Bicocca (Milano) durante la quale sono state acquisite misure di intensità e direzione del vento insieme a registrazioni dell’inclinazione alla base del fusto su diverse specie arboree esposte alle stesse condizioni locali; l’attività ha avuto lo scopo sia di valutare la variabilità di risposta delle diverse specie disposte in filare sia per validare il dato di monitoraggio come supporto alla pianificazione di ricontrollo. In parallelo, sono state eseguite simulazioni CFD, dalla scala di quartiere fino a quella del singolo albero, per visualizzare in che modo la morfologia urbana alteri i campi di velocità e pressione del vento e, di conseguenza, i carichi aerodinamici agenti. Infine, è stato validato l’impiego della tecnologia LiDAR i cui rilievi geometrici hanno fornito un supporto diretto alla progettazione e alla verifica degli interventi di consolidamento. Nel complesso, la tesi propone un percorso organico di esplorazione, verifica ed implementazione dei metodi per la valutazione quantitativa della stabilità degli alberi. L’obiettivo è migliorare l’interpretazione dei dati sperimentali, mettere in relazione la capacità di ancoraggio con le condizioni del suolo e con il livello di esposizione al vento, e fornire così un supporto tecnico solido alla gestione del verde e alla mitigazione del rischio di caduta degli alberi in ambito urbano.