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Estudio por dinámica molecular de la resistencia a la falla por tracción de un modelo estadístico inspirado en el bambú Guadua angustifolia

Pérez Rangel, Juan Alejandro (2016) Estudio por dinámica molecular de la resistencia a la falla por tracción de un modelo estadístico inspirado en el bambú Guadua angustifolia. Maestría thesis, Universidad Nacional de Colombia - Sede bogotá.

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Resumen

El bambú Guadua angustifolia es un material de bajo costo y gran beneficio ambiental con propiedades mecánicas excepcionales, lo que ha motivado su uso en construcción, diseño de muebles y artesanías. Su excelente resistencia ante esfuerzos de tracción y flexión se atribuye principalmente su estructura fibrada. Sin embargo, el tejido blando de parénquima en el que se insertan las fibras también presenta una estructura interesante, formada por tubos en dirección axial en los que se células largas y cortas se alternan aleatoriamente. El objetivo del presente trabajo es establecer si esta alternancia aleatoria de células largas y cortas aporta una ventaja estructural a la resistencia mecánica de la G. angustifolia ante deformaciones de tracción axial o de flexión. Para ello, se construyó un modelo bidimensional de elementos discretos (DEM) en el que las células se representan por esferorectángulos organizados en tubos y unidos o a través de resortes (que representan las lamelas entre células); cada resorte se rompe cuando la fuerza que ejerce alcanza un valor umbral. Los umbrales de ruptura se asignan a partir de una distribución amplia o estrecha de valores, que representan altos o bajos niveles de desorden estructural respectivamente. Con este modelo se realizan simulaciones de pruebas de tracción axial y de flexión para tres clases de sistemas: de células largas, de células cortas o que alternan los dos tamaños al azar (como en el tejido real) para diferentes valores de desorden en los enlaces. Los resultados muestran en todos los casos evidencia de la existencia de una transición de fase entre un comportamiento tenaz del material a bajos desordenes en los enlaces y un comportamiento dúctil a altos desordenes, con el tamaño de la avalancha de fracturas más grande como parámetro de orden, coincidiendo con trabajos anteriores. Sin embargo, el resultado más importante se obtiene al constatar que el modelo de dos tamaños de células resiste deformaciones de tracción axial más grandes que los sistemas de células uniformes cuando el desorden en los enlaces es muy bajo, alcanzando valores incluso mucho mayores que los de sistemas con solo células largas. Los resultados sugieren, entonces, que la inserción al azar de células cortas en un tejido originalmente compuesto solamente de células largas genera un desorden estructural que compensa la uniformidad que se tiene cuando todos los umbrales de ruptura son similares, y evita así la fragilidad típica de sistemas muy ordenados. En cuanto a la flexión no se observa una ventaja evidente al incluir células de dos tamaños en el tejido. Estos resultados refuerzan la suposición de que se requiere desorden estructural para mejorar la resistencia del material a la falla e ilustra la potencia de los métodos de elementos discretos para estudiar estos materiales., Abstract The bamboo Guadua angustifolia is a low-cost wood of great environmental significance and exceptional mechanical properties that has been widely used in buildings, furniture and craft works. Its excellent resistance in pulling and bending tests is usually ascribed to the fibres in the wood, but the parenchimous soft tissue around the fibres also shows an interesting structure, with alternating long and short cells along parallel tubes in axial direction. The main goal of the present work is to establish if this random mixture of sizes gives any mechanical advantage to avoid fail in pulling and bending test. A two-dimensional discrete element model (DEM) was built to investigate for this hypothesis. The tissue is modelled as a set of shperorectangles arranged in tubes and connected by springs (representing the lamellas among cells). Each spring breaks when its force surpasses a threshold value, randomly chosen from either broad or narrow intervals, representing high or low levels of structural disorder in the bonds, respectively. This model was used to simulate pulling and bending tests for three kinds of systems: with long cells, short cells or a random combination of both of them, for several values of structural disorder. All results show evidence of a phase transition between a low-disordered fragile phase and a high-disordered resistant phase, with the size of the largest avalanche as order parameter, in agreement with previous studies. Nevertheless, the most valuable result is that the mixed system is more resistant in pulling tests than the homogeneous ones when the disorder in the breaking thresholds is low. This result suggests that inserting small cells at random in a tissue of long cells creates a structural disorder that compensate for the typical fragility of ordered systems when all bonds thresholds are similar (as in the real tissue). In bending tests no similar difference is observed. These results support the general assumption that some structural disorder is necessary to better resist against fail at high strains and, illustrates the power and possibilities of DEM methods to investigate these materials.

Tipo de documento:Tesis/trabajos de grado - Thesis (Maestría)
Colaborador / Asesor:Muñoz Castaño, José Daniel
Información adicional:Maestría en Ciencias-Física.
Palabras clave:Modelos estadísticos de fractura, Dinámica molecular, Simulación computacional, Guadua
Temática:5 Ciencias naturales y matemáticas / Science > 51 Matemáticas / Mathematics
5 Ciencias naturales y matemáticas / Science > 53 Física / Physics
5 Ciencias naturales y matemáticas / Science > 58 Plantas / Plants
Unidad administrativa:Sede Bogotá > Facultad de Ciencias > Departamento de Física
Código ID:52244
Enviado por : Licenciado Juan Alejandro Pérez Rangel
Enviado el día :25 May 2016 14:38
Ultima modificación:25 May 2016 14:38
Ultima modificación:25 May 2016 14:38
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