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

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.

• Autores: Pérez Rangel, Juan Alejandro
• Fecha de publicación: 2016
• Institución: Universidad Nacional de Colombia
• Repositorio: Universidad Nacional de Colombia
• Idioma: spa
• OAI Identifier: oai:repositorio.unal.edu.co:unal/56472
• Acceso en línea: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/56472; http://bdigital.unal.edu.co/52244/
• Palabra clave: 51 Matemáticas / Mathematics; 53 Física / Physics; 58 Plantas / Plants; Modelos estadísticos de fractura; Dinámica molecular; Simulación computacional; Guadua
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