Bending stiffness evaluation of Teca and Guajara lumber through tests of transverse and longitudinal vibration

The grading of structural lumber besides contributing for increasing the structure's safety, due to the reduction of the material variability, also allows its rational use. Due to the good correlation between strength and bending stiffness, the latter has been used in estimating the mechanical strength of lumber pieces since the 60's. For industrial application, there are equipment and techniques to evaluate the bending stiffness of lumber, through dynamic tests such as the longitudinal vibration technique, also known as stress wave, and the transverse vibration technique. This study investigated the application of these two techniques in the assessment of the modulus of elasticity in bending of Teca beams (Tectona grandis), from reforestation, and of the tropical species Guajara (Micropholis venulosa). The modulus of elasticity estimated by dynamic tests showed good correlation with the modulus measured in the static bending test. Meantime, we observed that the accuracy of the longitudinal vibration technique was significantly reduced in the evaluation of the bending stiffness of Teca pieces due to the knots existing in this species.

Mechanical evaluation of a new minimally invasive device for stabilization of proximal humeral fractures in elderly patients : a cadaver study

BACKGROUND: Treatment of proximal humerus fractures in elderly patients is challenging because of reduced bone quality. We determined the in vitro characteristics of a new implant developed to target the remaining bone stock, and compared it with an implant in clinical use. METHODS: Following osteotomy, left and right humeral pairs from cadavers were treated with either the Button-Fix or the Humerusblock fixation system. Implant stiffness was determined for three clinically relevant cases of load: axial compression, torsion, and varus bending. In addition, a cyclic varus-bending test was performed. RESULTS: We found higher stiffness values for the humeri treated with the ButtonFix system--with almost a doubling of the compression, torsion, and bending stiffness values. Under dynamic loading, the ButtonFix system had superior stiffness and less K-wire migration compared to the Humerusblock system. INTERPRETATION: When compared to the Humerusblock design, the ButtonFix system showed superior biomechanical properties, both static and dynamic. It offers a minimally invasive alternative for the treatment of proximal humerus fractures.

Towards determining soft tissue properties for modelling spine surgery : current progress and challenges

Current complication rates for adolescent scoliosis surgery necessitate the development of better surgical planning tools to improve outcomes. Here we present our approach to developing finite element models of the thoracolumbar spine for deformity surgery simulation, with patient-specific model anatomy based on low-dose pre-operative computed tomography scans. In a first step towards defining patient-specific tissue properties, an initial 'benchmark' set of properties were used to simulate a clinically performed pre-operative spinal flexibility assessment, the fulcrum bending radiograph. Clinical data for ten patients were compared with the simulated results for this assessment and in cases where these data differed by more than 10%, soft tissue properties for the costo-vertebral joint (CVJt) were altered to achieve better agreement. Results from these analyses showed that changing the CVJt stiffness resulted in acceptable agreement between clinical and simulated flexibility in two of the six cases. In light of these results and those of our previous studies in this area, it is suggested that spinal flexibility in the fulcrum bending test is not governed by any single soft tissue structure acting in isolation. More detailed biomechanical characterisation of the fulcrum bending test is required to provide better data for determination of patient-specific soft tissue properties.

Application of high voltage, high frequency pulsed electromagnetic field on cortical bone tissue

Over the last few decades, electric and electromagnetic fields have achieved important role as stimulator and therapeutic facility in biology and medicine. In particular, low magnitude, low frequency, pulsed electromagnetic field has shown significant positive effect on bone fracture healing and some bone diseases treatment. Nevertheless, to date, little attention has been paid to investigate the possible effect of high frequency, high magnitude pulsed electromagnetic field (pulse power) on functional behaviour and biomechanical properties of bone tissue. Bone is a dynamic, complex organ, which is made of bone materials (consisting of organic components, inorganic mineral and water) known as extracellular matrix, and bone cells (live part). The cells give the bone the capability of self-repairing by adapting itself to its mechanical environment. The specific bone material composite comprising of collagen matrix reinforced with mineral apatite provides the bone with particular biomechanical properties in an anisotropic, inhomogeneous structure. This project hypothesized to investigate the possible effect of pulse power signals on cortical bone characteristics through evaluating the fundamental mechanical properties of bone material. A positive buck-boost converter was applied to generate adjustable high voltage, high frequency pulses up to 500 V and 10 kHz. Bone shows distinctive characteristics in different loading mode. Thus, functional behaviour of bone in response to pulse power excitation were elucidated by using three different conventional mechanical tests applying three-point bending load in elastic region, tensile and compressive loading until failure. Flexural stiffness, tensile and compressive strength, hysteresis and total fracture energy were determined as measure of main bone characteristics. To assess bone structure variation due to pulse power excitation in deeper aspect, a supplementary fractographic study was also conducted using scanning electron micrograph from tensile fracture surfaces. Furthermore, a non-destructive ultrasonic technique was applied for determination and comparison of bone elasticity before and after pulse power stimulation. This method provided the ability to evaluate the stiffness of millimetre-sized bone samples in three orthogonal directions. According to the results of non-destructive bending test, the flexural elasticity of cortical bone samples appeared to remain unchanged due to pulse power excitation. Similar results were observed in the bone stiffness for all three orthogonal directions obtained from ultrasonic technique and in the bone stiffness from the compression test. From tensile tests, no significant changes were found in tensile strength and total strain energy absorption of the bone samples exposed to pulse power compared with those of the control samples. Also, the apparent microstructure of the fracture surfaces of PP-exposed samples (including porosity and microcracks diffusion) showed no significant variation due to pulse power stimulation. Nevertheless, the compressive strength and toughness of millimetre-sized samples appeared to increase when the samples were exposed to 66 hours high power pulsed electromagnetic field through screws with small contact cross-section (increasing the pulsed electric field intensity) compare to the control samples. This can show the different load-bearing characteristics of cortical bone tissue in response to pulse power excitation and effectiveness of this type of stimulation on smaller-sized samples. These overall results may address that although, the pulse power stimulation can influence the arrangement or the quality of the collagen network causing the bone strength and toughness augmentation, it apparently did not affect the mineral phase of the cortical bone material. The results also confirmed that the indirect application of high power pulsed electromagnetic field at 500 V and 10 kHz through capacitive coupling method, was athermal and did not damage the bone tissue construction.

Experimental Study of crack propagation in carbon steel using acoustic emission

Acoustic emission technique has become a significant and powerful structural health monitoring tool for structures. Researches to date have been done on crack location, fatigue crack propagation in materials and severity assessment of failure using acoustic emission technique. Determining severity of failure in steel structures using acoustic emission technique is still a challenge to accurately determine the relationship between the severity of crack propagation and acoustic emission activities. In this study three point bending test on low carbon steel samples along with acoustic emission technique have been used to determine crack propagation and severity. A notch is introduced at the tension face of the loading point to the samples to initiate the crack. The results show that the percentage of load drop of the steel specimen has a reciprocal relationship with the crack opening i.e. crack opening zones are influenced by the loading rate. In post yielding region, common acoustic emission signal parameters such as, signal strength, energy and amplitudes are found to be higher than those at pre-yielding and at yielding.

Nonlinear mechanical property of tracheal cartilage: A theoretical and experimental study

Background: Despite being the stiffest airway of the bronchial tree, the trachea undergoes significant deformation due to intrathoracic pressure during breathing. The mechanical properties of the trachea affect the flow in the airway and may contribute to the biological function of the lung. Method: A Fung-type strain energy density function was used to investigate the nonlinear mechanical behavior of tracheal cartilage. A bending test on pig tracheal cartilage was performed and a mathematical model for analyzing the deformation of tracheal cartilage was developed. The constants included in the strain energy density function were determined by fitting the experimental data. Result: The experimental data show that tracheal cartilage is a nonlinear material displaying higher strength in compression than in tension. When the compression forces varied from -0.02 to -0.03 N and from -0.03 to -0.04 N, the deformation ratios were 11.03±2.18% and 7.27±1.59%, respectively. Both were much smaller than the deformation ratios (20.01±4.49%) under tension forces of 0.02 to 0.01 N. The Fung-type strain energy density function can capture this nonlinear behavior very well, whilst the linear stress-strain relation cannot. It underestimates the stability of trachea by exaggerating the displacement in compression. This study may improve our understanding of the nonlinear behavior of tracheal cartilage and it may be useful for the future study on tracheal collapse behavior under physiological and pathological conditions.

Application of laser cladding technology to improve the interface of thermal barrier coatings

The present study is focused on improvement of the adhesion properties of the interface between plasma-sprayed coatings and substrates by laser cladding technology (LCT), Within the laser-clad layer there is a gradient distribution in chemical composition and mechanical properties that has been confirmed by SEM observation and microhardness measurement. The residual stress due to mismatches in thermal and mechanical properties between coatings and substrates can be markedly reduced and smoothed out. To examine the changes of microstructure and crack propagation in the coating and interface during loading, the three-point bending test has been carried out in SEM with a loading device. Analysis of the distribution of shear stress near the interface under loading has been made using the FEM code ANSYS, The experimental results show clearly that the interface adhesion can be improved with LCT pretreatment, and the capability of the interface to withstand the shear stress as well as to resist microcracking has been enhanced.

Interface Fracture Property Of Peo Ceramic Coatings On Aluminum Alloy

This paper combines the four-point bending test, SEM and finite element method to study the interface fracture property of PEO coatings on aluminum alloy. The interface failure mode of the coating on the compression side is revealed. The ceramic coating crack firstly along the 45 degrees to the interface, then the micro crack in the coating deduces the interface crack. The plastic deformation observed by SEM shows excellent adhesion property between the coating and substrate. The plastic deformation in the substrate is due to the interfacial crack extension, so the interface crack mode of PEO coatings is ductile crack. The results of FEM show that the compression strength is about 600 MPa. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Microstructure Observation And Mechanical Behavior Modeling For Limnetic Nacre

In the present research, microstructure of a kind of limnetic shell (Hyriopsis cumingii) is observed and measured by using the scanning electron microscopy, and mechanical behavior experiments of the shell nacre are carried out by using bending and tensile tests. The dependence of mechanical properties of the shell nacre on its microstructure is analyzed by using a modified shear-lag model, and the overall stress-strain relation is obtained. The experimental results reveal that the mechanical properties of shell nacre strongly depend on the water contents of the limnetic shell. Dry nacre shows a brittle behavior, whereas wetting nacre displays a strong ductility. Compared to the tensile test, the bending test overestimates the strength and underestimates the Young's modulus. The modified shear-lag model can characterize the deformation features of nacre effectively.

Interface Fracture Behavior Of Electroplated Coating On Metal Substrate Under Compressive Strain

The inducement of interface fracture is crucial to the analysis of interfacial adhesion between coating and substrate. For electroplated coating/metal substrate adhering materials with strong adhesion, interface cracking and coating spalling are difficult to be induced by conventional methods. In this paper an improved bending test named as T-bend test was conducted on a model coating system, i.e. electroplated chromium on a steel substrate. After the test, cross-sections of the coated materials were prepared to compare the failure behaviors under tensile strain and compressive strain induced by T-bend test. And the observation results show that coating cracking, interface cracking and partial spalling appear step by step. Based on experimental results, a new method may be proposed to rank the coated materials with strong inter-facial adhesion. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Influência da variação da intensidade de luz, para uma mesma exposição radiante, no comportamento mecânico de uma resina convencional e de uma resina de baixa contração

O presente estudo teve como objetivo avaliar a influência da variação da intensidade de luz, para uma mesma exposição radiante, na resistência à flexão, na microdureza e na resistência à tração diametral de uma resina convencional e de uma resina de baixa contração. Para a confecção dos corpos de prova foram utilizadas as resinas Filtek Z250 (3M ESPE) e Filtek P90 LS (3M ESPE) fotoativadas por meio dos seguintes protocolos: Convencional (400mW/cm por 60 s), Média intensidade (700mW/cm por 34 s) e Alta intensidade (950mW/cm por 26 s). Todos os corpos de prova receberam a mesma exposição radiante de 24J/cm. A resistência à flexão foi avaliada por meio do ensaio de flexão três pontos. Para este ensaio foram confeccionados trinta corpos de prova de cada material (n=10) com dimensões de 10mm x 2mm x 1mm. A avaliação da microdureza Knoop foi obtida a partir de seis discos de cada resina com 5mm de diâmetro por 2mm de espessura (n=2), sendo realizadas cinco indentações em cada espécime. Trinta corpos de prova cílindricos de cada compósito (n=10) com 3mm de diâmetro por 6mm de altura foram confeccionados para a realização do teste de tração diametral. A análise estatística dos resultados obtidos foi realizada por meio do teste de análise de variância (ANOVA) e do teste de múltiplas comparações de Tukey (p < 0.05). A resistência à flexão da resina P90 não foi influenciada de forma significativa pelas diferentes formas de ativação, enquanto a Z250 obteve resultados significantemente maiores para o protocolo de alta intensidade em relação ao convencional. Em todas as intensidades de luz, os resultados da Z250 foram significativamente maiores que os da P90. A microdureza da resina P90 foi estatisticamente maior para o grupo de média intensidade em relação aos outros, já a Z250 não obteve resultados com diferença estatística em relação às formas de ativação. Para a mesma irradiância, a Z250 obteve maiores valores de microdureza do que a P90, com exceção para o protocolo de média intensidade em que não houve diferença estatística entre os materiais. Os valores de resistência à tração não foram influenciados de forma significativa nem pelas diferentes intensidades de luz, nem pelos materiais utilizados. A influência da variação da intensidade de luz depende do tipo de compósito utilizado e da propriedade mecânica avaliada.

Avaliação in vitro do efeito da incorporação de clorexidina nas propriedades físicas e na atividade antibacteriana de resinas acrílicas autopolimerizáveis

Objetivo. O objetivo do presente estudo foi avaliar o efeito da incorporação de diacetato de clorexidina (CDA), em diferentes concentrações e tempos de armazenamento, nas propriedades físicas e na atividade antibacteriana de resinas acrílicas, utilizadas na confecção de coroas e pontes provisórias. Métodos. Fase I: Foram confeccionados 150 corpos de prova retangulares (3,0 mm X 10 mm X 64 mm), de acordo com a norma ISO 1567 e 150 corpos de prova quadrados (10 mm X 10 mm X 2,0 mm), utilizando-se duas resinas acrílicas autopolimerizáveis, Duralay (Reliance Dental Mfg. Co.) e Dencor (Clássico). Os corpos de prova foram distribuídos em 30 grupos (n=10/grupo) de acordo com a concentração de CDA incorporada às resinas (p/p) (A) 0%, (B) 1%, (C) 2%, (D) 4%, (E) 5%, em função do tempo de armazenamento em água destilada, a 37C (T0 2h, T1 7 dias, T2 30 dias). Foram realizados os ensaios de microdureza Knoop, em microdurômetro Micromet 5104, Buehler (N), rugosidade superficial (Ra), em rugosímetro digital Mitutoyo Surftest SJ-201 (n=5) e resistência à flexão em três pontos (MPa), em uma máquina de ensaio universal EMIC MF 200 DL (n=5). Fase II: Adicionalmente, a atividade antibacteriana dos materiais sobre Streptococcus mutans foi determinada através da realização de testes de difusão em meio BHI, sendo para isso confeccionados 30 corpos de prova em forma de disco (12 mm X 3,0 mm) com as mesmas 5 concentrações (n=3/grupo). Os resultados foram tabulados e submetidos à análise estatística three-way ANOVA (Fase I) e two-way ANOVA (Fase II). Resultados. ANOVA mostrou que a adição de CDA não provocou alteração significativa na resistência à flexão dos materiais testados. A resistência à flexão é inversamente proporcional ao tempo para a resina Dencor e diretamente proporcional ao tempo para a resina Duralay. Houve aumento da microdureza com o acréscimo de CDA ao material Dencor com relação ao grupo controle, enquanto que no material Duralay a CDA não interferiu significativamente nesta propriedade. A rugosidade superficial aumentou significativamente (p<0,001) com o tempo e com o aumento da concentração de clorexidina na resina Dencor e não provocou alteração significativa em Duralay. Os testes de difusão em ágar demonstraram atividade antimicrobiana significativa (p<0,05) em todos os grupos, quando comparados ao grupo-controle. A inibição ao crescimento de Streptococcus mutans foi maior com o aumento da concentração desta substância. A resina Dencor apresentou maior halo de inibição do que a resina Duralay. Conclusões. Os resultados deste estudo sugerem que a incorporação de clorexidina aos materiais testados exibiu efeito antibacteriano contra S. mutans, sem contudo afetar de maneira crítica as propriedades físicas avaliadas.

Avaliação da customização por desgaste de pinos pré-fabricados de fibra de vidro

O objetivo deste estudo foi avaliar pinos pré-fabricados de fibra de vidro (White Post DC/FGM) submetidos à customização por desgaste da porção apical. Experimento 1: 5 pinos n. 4 foram divididos em 5 grupos (G) de acordo com o instrumento de desgaste: GA - sem desgaste, GB- mini torno industrial (Dentsply), GC - ponta diamantada n. 3195F (KG Sorensen), GD - disco de lixa de granulação média (Sof-Lex/3M/ESPE), GE- alicate (Tramontina). Observou-se a micromorfologia dos pinos em microscópio eletrônico de varredura (ZEISS/DSM 960). Experimento 2: 60 pinos de diferentes diâmetros foram divididos em 6 grupos: G0 - pinos n. 0,5, G1 - pinos n. 1, G2 - pinos n. 2, G3 - pinos n. 3, G4 - pinos n.4, G5 - pinos n. 4 com terço apical desgastado com discos de lixa até o equivalente ao terço apical dos pinos n. 2. Os pinos foram submetidos ao teste de flexão de 3 pontos na máquina de ensaios universal (Instron 5500 R), conforme ISO 10477. Experimento 3: 20 caninos humanos permanentes sofreram tratamento endodôntico e remoção das coroas clínicas padronizando 15 mm de remanescente radicular. Os dentes foram incluídos em resina acrílica com simulação do ligamento periodontal, receberam férula de 2 mm e foram divididos em 2 grupos: GI - pinos n. 4 cimentados em condutos preparados com broca equivalente ao pino (FGM), GII - pinos n. 4 customizados no terço apical cimentados em condutos preparados com brocas (FGM) equivalentes aos pinos n. 2 em 10 mm e n. 4 em 5 mm. Os pinos foram cimentados com cimento resinoso (Rely X U100/3M/ESPE), os corpos de prova receberam coroas diretas de resina composta (Enforce Core/Dentsply) padronizadas com coras de policarbonato (TDV) e foram submetidos ao teste de resistência à fratura na Instron a 45da ferramenta cilíndrica, com força de 500 N aplicada a 2 mm da incisal na face palatina/lingual, com velocidade de 0,5 mm/min até falha. O padrão de fratura foi classificado em favorável ou desfavorável. Os resultados foram tratados estatisticamente por teste de análise de variância (ANOVA, p<0,05). Os resultados dos testes de flexão e fratura foram respectivamente: G0 - 58,406,40; G1 - 83,959,43; G2- 103,4219,17; G3 - 160,7817,30; G4 - 170,4711,28; G5 - 106,3521,96; GI - 303,0262,21 e GII - 402,81131,97. O padrão de fratura foi tratado por Mann-Whitney que observou semelhança estatística entre os grupos. Concluiu-se que o desgaste de pinos de fibra de vidro com pontas diamantadas ou discos de lixa produz alterações micromorfológicas aceitáveis. O corte com alicate deve ser evitado. A customização por desgaste da porção apical de pinos de fibra de vidro diminui a resistência à flexão a valores aceitáveis. Dentes restaurados com pinos de fibra de vidro customizados por desgaste possuem resistência à fratura superior a dentes restaurados com pinos intactos. A customização por desgaste facilita a adaptação do pino ao conduto radicular e preserva a estrutura dental.

Influência de propriedades físico químicas dos materiais resinosos e da técnica de inserção na adaptação marginal de restaurações classe II

A contração de polimerização das resinas compostas é uma característica indesejável que compromete a integridade da interface dente/restauração. O objetivo deste estudo foi avaliar in vitro a influência de diferentes materiais usados em restaurações classe II de resina composta, quanto ao grau de conversão, tensão de contração, resistência a flexão, módulo de elasticidade e formação de fenda marginal. Foram realizados preparos classe II com dimensões de 4x4x2mm em terceiros molares recém-extraídos para a avaliação da formação de fenda marginal. As cavidades foram niveladas com cimento de ionômero de vidro Riva Light Cure (SDI) (CIV), resina de baixa contração SureFilSDR (Dentsply) (SDR), resina flow FiltekZ350Flow (3M/ESPE) (Z350F) e resina composta FiltekP90 (3M/ESPE) (P90). As restaurações (n=3) foram avaliadas com lupa estereoscópica. A resistência a flexão foi avaliada por meio de ensaio de flexão em três pontos. Para este ensaio foram confeccionados dez corpos de prova (n=10) de cada material com dimensões de 10x2x1mm. Para o teste de tensão de contração foram utilizados cilindros de polimetacrilato com 5 mm de diâmetro e 13 ou 28mm de comprimento. Os bastões foram fixados na EMIC com um espaço de 2mm entre eles, onde os materiais foram inseridos. Foram realizadas cinco repetições para cada grupo (n=5) e a tensão proveniente da contração foi medida por até 10 minutos após o início da fotopolimerização. O Grau de Conversão (GC) foi determinado por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Os resultados foram tratados estatisticamente por análise de variância (ANOVA) e Teste de Tukey (p<0,05). Fenda marginal: Z350F = CIV > SDR = P90. Tensão de contração: Z350F > SDR > CIV = P90. Resistência a flexão: P90 > SDR = Z350F > CIV. Módulo de Elasticidade: P90 > CIV = SDR = Z350F. GC: Z350F = SDR > P90 > CIV. Conclusões: existe correlação entre a formação de fenda marginal e as propriedades físico químicas dos materiais testados, sendo as resinas de baixa contração que proporcionaram melhor adaptação marginal; existe correlação entre resistência a flexão, módulo de elasticidade, tensão de contração e a composição dos materiais, já que os compósitos com melhores resultados foram os que apresentaram os maiores percentuais de carga, no entanto, maior grau de conversão não representou melhores propriedades mecânicas.

Electrical actuation and readout in a nanoelectromechanical resonator based on a laterally suspended zinc oxide nanowire.

In this paper, we present experimental results describing enhanced readout of the vibratory response of a doubly clamped zinc oxide (ZnO) nanowire employing a purely electrical actuation and detection scheme. The measured response suggests that the piezoelectric and semiconducting properties of ZnO effectively enhance the motional current for electromechanical transduction. For a doubly clamped ZnO nanowire resonator with radius ~10 nm and length ~1.91 µm, a resonant frequency around 21.4 MHz is observed with a quality factor (Q) of ~358 in vacuum. A comparison with the Q obtained in air (~242) shows that these nano-scale devices may be operated in fluid as viscous damping is less significant at these length scales. Additionally, the suspended nanowire bridges show field effect transistor (FET) characteristics when the underlying silicon substrate is used as a gate electrode or using a lithographically patterned in-plane gate electrode. Moreover, the Young's modulus of ZnO nanowires is extracted from a static bending test performed on a nanowire cantilever using an AFM and the value is compared to that obtained from resonant frequency measurements of electrically addressed clamped–clamped beam nanowire resonators.