Effetto della flessione sulla densità di distribuzione radiale, MFA e MOE del bambù piegato

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8610 (2022) Citare questo articolo

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Una delle caratteristiche eccellenti del bambù è la stabilità alla deformazione. Tuttavia, le ragioni della buona stabilità alla flessione del bambù non sono state ben studiate. In questo studio, abbiamo esaminato i percorsi che controllano la deformazione da flessione nel bambù. Un membro di phyllostachys iridescens piegato a mano è stato scelto per esaminare la distribuzione continua della densità, l'angolo della microfibrilla (MFA) e il modulo di elasticità (MOE) lungo la direzione radiale utilizzando l'analisi SilviScan. I nostri risultati mostrano che nel bambù piegato, l’MFA è inferiore nel campione di tensione e maggiore nel campione di compressione rispetto al campione neutro. Esiste una forte correlazione lineare positiva tra densità e MOE, mentre una correlazione lineare negativa tra MOE e MFA e nessuna correlazione lineare evidente tra MFA e densità. L’aumento della flessione ha influito principalmente sulla modifica del MOE, alterando anche la distribuzione della densità e l’MFA. I nostri risultati dimostrano variazioni nella distribuzione di densità, MOE e MFA lungo la direzione radiale dei campioni di tensione, neutralità e compressione, che svolgono un ruolo importante nel mantenimento delle caratteristiche di flessione del bambù.

Gli elementi flettenti sono ampiamente utilizzati in strutture come edifici, ponti, mobili e altri campi. I legnami piegabili sono generalmente realizzati con legname dritto, che ha la capacità di ritornare indietro quando lo stato originale cambia. Tuttavia, difetti di piegatura, come grinze1,2, deformazione della sezione trasversale3,4,5 e variazioni nello spessore della parete6 possono avere un impatto negativo sul processo di piegatura7 e sulla sicurezza e sulla durata dei componenti di piegatura. Di conseguenza, i test, la valutazione e l'analisi dei difetti di piegatura svolgono un ruolo importante nell'applicazione degli elementi piegati.

Sebbene siano state condotte numerose ricerche sull'eliminazione dei difetti di piegatura8, sulla precisione della piegatura della forma9 e sulla struttura cristallina nell'area di piegatura10 in particolare per i metalli, al momento sono state riportate poche ricerche sulle caratteristiche di piegatura del bambù. Ciò è dovuto principalmente al fatto che l’applicazione pratica del bambù è molto limitata. Recentemente sono state condotte ulteriori ricerche per esaminare il potenziale utilizzo del bambù a causa delle crescenti preoccupazioni ambientali associate alla produzione di acciaio. Il bambù è stato gradualmente utilizzato nell'architettura moderna11, come nel ristorante Roc Von ad Hanoi, in Vietnam, e per altre necessità quotidiane12, come le tazze di bambù. Tuttavia, gli elementi di flessione possono sfruttare appieno l'eccellente proprietà di flessione del bambù; la ricerca sulle caratteristiche di piegatura del bambù è molto limitata per supportare la meccanizzazione e l’industrializzazione del bambù come materiale da piegare. Le caratteristiche di ritorno elastico nel materiale della biomassa sono state considerate più universali rispetto al metallo e/o alla plastica poiché la cavità e i gruppi idrossilici idrofili possono favorire l'assorbimento dell'acqua e la capacità di espansione13. Sebbene il bambù mostri anche una buona forma di flessione e stabilità nella pratica, sono state condotte poche ricerche per identificare il suo pieno potenziale per sostituire o integrare i materiali di biomassa. A causa delle strutture cave, i tubi di bambù hanno una forma di piegatura migliore che consente una maggiore stabilità rispetto a quelli solidi in acciaio. Tuttavia, la struttura cava non è l’unico attributo che influisce sulla stabilità e ci sono grandi differenze in altre caratteristiche tra bambù e acciaio. Il bambù ha una struttura gerarchica e anisotropa, che mostra caratteristiche diverse in direzioni diverse14,15. Inoltre, il bambù sviluppa caratteristiche irregolari poiché la distribuzione della densità cambia radialmente dalla pelle esterna a quella interna16, il che complica ulteriormente l’uso del bambù come materiale piegabile rispetto ai metalli.

Il bambù dovrebbe essere una scelta desiderabile per realizzare elementi flessibili se vengono promosse la lavorazione industrializzata e le applicazioni commerciali su larga scala. Considerando la rapida crescita e il basso consumo energetico, il bambù può probabilmente sostituire i metalli e altri prodotti della biomassa come elemento di piegatura per applicazioni commerciali su larga scala. In questo studio, abbiamo utilizzato il bambù, che è stato piegato mediante un metodo di riscaldamento a fuoco fatto a mano per esaminare il comportamento del ritorno elastico del bambù in diverse condizioni di umidità. Abbiamo anche valutato il comportamento del ritorno elastico del bambù piegato esaminando i cambiamenti nella distribuzione della densità radiale, l'angolo della microfibrilla (MFA) e il modulo di elasticità (MOE) dei lati interno, medio ed esterno della sezione trasversale. Il nostro obiettivo principale è esaminare come la flessione influisce sul bambù e fornire importanti linee guida per realizzare l’industrializzazione del bambù.