Scientific use of the finite element method in Orthodontics

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Identificação de parâmetros em sistemas rotativos utilizando funções de otimização e observadores de estado

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Contração de polimerização e expansão higroscópica de resinas compostas: análise pela técnica de video-imagem

To evaluate the volumetric changes due to polymerization and thermocycling on different resin-composites. Methods: Thirteen A2 Universal Dentin shade resin-composites (n = 10) from eight manufacturers were evaluated (4Seasons, Grandio, Venus, Amelogen Plus, P90, Z350, Esthet-X, Amaris, Vita-l-escence, Natural-Look, Charisma, Z250 and Opallis). The polymerization shrinkage percentage (PS) was calculated using an image measurement device (ACUVOL - Bisco Dental). Equal volumes of material, standardized by a semisphere polyurethane matrix (d = 3mm) were used and, after 5 minutes of relaxation, the baseline volume measurements were obtained with 18 J of energy dose from the LED light-curing unit. Measurements were obtained after 5 minutes and PS values calculated. Specimens were stored in a drydark environment for 24 hours and re-measured. Specimens were then thermocycled in distilled water between 5oC and 55oC for 20,000 cycles, subjected to another volume measurement at 5,000 cycle intervals. Specimens were gently dried prior to each measurement. Results: Repeated measurements were made using ANOVA (α = 0.05) showed that all resin-composite volumes were influenced by the number of cycles. Volumes at 5 minutes post-polymerization (12.47 ± 0.08) were significantly lower than those at baseline (12.80 ± 0.09). Volumes at 24 hours (12.43 ± 0.19) were insignificantly lower than those at 5 minutes postpolymerization. With regards to the impact of thermocycling, all specimens showed statistically significant increases in volume after 5,000 cycles (13.04 ± 0.22). Although statistically different from those after 5,000 cycles, there was no statistically significant difference between volumes measured at 10,000 (12.87±0.21), 15,000 (12.92±0.24), and 20,000 (12.84±0.23) cycles. Conclusion: According to the video-imaging analysis, thermocycling caused a significant expansion in resin-composites tested, the volume increase was not able to...

Comportamento biomecânico dos sistemas de retenção de overdentures

Objective: to the purpose of this study was to compare the stress distribution in the peri-implant hard tissue on different attachment systems for mandibular or maxillary implant-retained overdentures. Material and methods: the search for published studies was performed on PubMed/Medline database covering the period of January 2000 to April 2014. The selection of the eligible studies was performed according to including and excluding criteria. Results: a total of 140 studies were screened and according to the search strategy, 21 studies were selected for this review. Eight studies perfomed strain-gauge analysis, 5 evaluated the stress distribution though photoelastic test and 7 performed tridimensional finite element analysis. Only one study in vivo was included. Non-splinted O-rings showed better stress distribution than other bar-clip attachment systems. Conclusions: the present study did not find sufficient evidences regarding the most indicated attachment system for overdentures with better stress distribution for the peri-implant hard tissue. The methodologies analyzed should be complemented with other tests and used as a tool for further clinical studies.

Influência do material oclusal na distribuição de tensões em próteses implantossuportadas unitárias

Objective: the aim of this study was to evaluate the influence of occlusal veneering material in single fixed implant-supported crowns through the 3-D finite element method. Material and methods: Four models were fabricated using the Rhinoceros 4.0, SolidWorks, and InVesalius softwares. Each model represented a block of mandibular bone with an external hexagon implant of 5 mm x 10 mm and different veneering materials including NiCr (1), porcelain (2), composite resin (3), and acrylic resin (4). An axial load of 200 N and an oblique load of 100 N were applied. Results: model (2) with porcelain veneering presented a lower stress concentration for the NiCr framework, followed by the composite resin and acrylic resin. The stress distribution to the implant and bone tissue was similar for all models. Conclusions: there is no difference of stress distribution to the implant and supporting structures by varying the veneering material of a single implant-supported prosthesis.

Influência do material oclusal na distribuição de tensões em próteses implantossuportadas unitárias

Objective: the aim of this study was to evaluate the influence of occlusal veneering material in single fixed implant-supported crowns through the 3-D finite element method. Material and methods: Four models were fabricated using the Rhinoceros 4.0, SolidWorks, and InVesalius softwares. Each model represented a block of mandibular bone with an external hexagon implant of 5 mm x 10 mm and different veneering materials including NiCr (1), porcelain (2), composite resin (3), and acrylic resin (4). An axial load of 200 N and an oblique load of 100 N were applied. Results: model (2) with porcelain veneering presented a lower stress concentration for the NiCr framework, followed by the composite resin and acrylic resin. The stress distribution to the implant and bone tissue was similar for all models. Conclusions: there is no difference of stress distribution to the implant and supporting structures by varying the veneering material of a single implant-supported prosthesis.

Simulação da suspensão tipo duplo A de um veículo off-road através do histórico de excitação do solo

The search for mechanical components validation methods, employed in product development sector, becomes more avid for less expensive solutions. As a result, programs that can simulate forces acting on a given part through finite element method are gaining more space in the market, once this process consumes less capital when compared to currently-employed empirical validation. This article shows the simulation of an off-road prototype suspension through such technique, using ground excitation history coming from field measurements and also by making use of a specific tool for obtaining dynamic loads from the model in question. The results shown at the end is key for future enhancements aiming mass reduction, for example, that may be executed on the prototype suspension system discussed here

Simulação da suspensão tipo duplo A de um veículo off-road através do histórico de excitação do solo

The search for mechanical components validation methods, employed in product development sector, becomes more avid for less expensive solutions. As a result, programs that can simulate forces acting on a given part through finite element method are gaining more space in the market, once this process consumes less capital when compared to currently-employed empirical validation. This article shows the simulation of an off-road prototype suspension through such technique, using ground excitation history coming from field measurements and also by making use of a specific tool for obtaining dynamic loads from the model in question. The results shown at the end is key for future enhancements aiming mass reduction, for example, that may be executed on the prototype suspension system discussed here

Dinámica de las particiones por el lado mayor de un espacio de triángulos con métrica hiperbólica

Programa de doctorado: Ingeniería de Telecomunicación Avanzada

Analysis of The Key Parameters in Pedestrian Safety Assessment for the European Vehicle Fleet Using Multibody and Finite Element Mathematical Models

Esta tesis investiga cuales son los parámetros más críticos que condicionan los resultados que obtienen en los ensayos de protección de peatones la flota Europea de vehículos, según la reglamentación europea de protección de peatones de 2003 (Directiva CE 2003/102) y el posterior Reglamento de 2009 (Reglamento CE 2009/78). En primer lugar se ha analizado el contexto de la protección de peatones en Europa, viendo la historia de las diferentes propuestas de procedimientos de ensayo así como los cambios (y las razones de los mismos) que han sufrido a lo largo del proceso de definición de la normativa Europea. Con la información disponible de más de 400 de estos ensayos se han desarrollado corredores de rigidez para los frontales de los diferentes segmentos de la flota de vehículos europea, siendo este uno de los resultados más relevantes de esta tesis. Posteriormente, esta tesis ha realizado un estudio accidentológico en detalle de los escenarios de atropello de peatones, identificando sus características más relevantes, los grupos de población con mayor riesgo y los tipos de lesiones más importantes que aparecen (en frecuencia y severidad), que han sentado las bases para analizar con modelos matemáticos hasta qué punto los métodos de ensayo propuestos realmente tienen estos factores en cuenta. Estos análisis no habrían sido posibles sin el desarrollo de las nuevas herramientas que se presentan en esta tesis, que permiten construir instantáneamente el modelo matemático de cualquier vehículo y cualquier peatón adulto para analizar su iteración. Así, esta tesis ha desarrollado una metodología rápida para desarrollar modelos matemáticos de vehículos a demanda, de cualquier marca y modelo y con las características geométricas y de rigidez deseados que permitan representarlo matemáticamente y del mismo modo, ha investigado cómo evoluciona el comportamiento del cuerpo humano durante el envejecimiento y ha implementado una funcionalidad de escalado en edad al modelo de peatón en multicuerpo de MADYMO (ya escalable en tamaño) para permitir modelar ad hoc cualquier peatón adulto (en género y edad). Finalmente, esta tesis también ha realizado, utilizando modelos de elementos finitos del cuerpo humano, diferentes estudios sobre la biomecánica de las lesiones más frecuentes de este tipo de accidentes, (en piernas y cabeza) con el objetivo de mejorar los procedimientos de ensayo para que predigan mejor el tipo de lesiones que se quieren evitar. Con el marco temporal y las condiciones de contorno de esta tesis se han centrado los esfuerzos en reforzar algunos aspectos críticos pero puntuales sobre cómo mejorar el ensayo de cabeza y, sobretodo, en proponer soluciones viables y con un valor añadido real al ensayo de pierna contra parachoques, sin cambiar la esencia del mismo pero proponiendo un nuevo impactador mejorado que incorpore una masa extra que representa a la parte superior del cuerpo y sea válido para toda la flota europea de vehículos independiente de la geometría de su frontal.

Fisuración y deformaciones en tabiquerías

A diferencia de otros parámetros, el efecto de la existencia de huecos en la aparición y desarrollo de los procesos de fisuración en los paños de fábrica no ha sido considerado por las distintas normativas existentes en la actualidad. En nuestros días se emplea una variada gama de tipologías de elementos de cerramiento para realizar las particiones en las obras de edificación, cada una de ellas con características mecánicas diferentes y distinta metodología de ejecución, siendo de aplicación la misma normativa relativa al cálculo y control de las deformaciones. Tal y como expresamos en el Capitulo 1, en el que se analiza el Estado del Conocimiento, los códigos actuales determinan de forma analítica la flecha probable que se alcanza en los elementos portantes estructurales bajo diferentes condiciones de servicio. Las distintas propuestas que existen respecto para la limitación de la flecha activa, una vez realizado el cálculo de las deformaciones, bien por el método de Branson ó mediante los métodos de integración de curvaturas, no contemplan como parámetro a considerar en la limitación de la flecha activa la existencia y tipología de huecos en un paño de fábrica soportado por la estructura. Sin embargo se intuye y podríamos afirmar que una discontinuidad en cualquier elemento sometido a esfuerzos tiene influencia en el estado tensional del mismo. Si consideramos que, de forma general, los procesos de fisuración se producen al superarse la resistencia a tracción de material constitutivo de la fábrica soportada, es claro que la variación tensional inducida por la existencia de huecos ha de tener cierta influencia en la aparición y desarrollo de los procesos de fisuración en los elementos de partición o de cerramiento de las obras de edificación. En los Capítulos 2 y 3 tras justificar la necesidad de realizar una investigación encaminada a confirmar la relación entre la existencia de huecos en un paño de fábrica y el desarrollo de procesos de fisuración en el mismo, se establece este aspecto como principal Objetivo y se expone la Metodología para su análisis. Hemos definido y justificado en el Capítulo 4 el modelo de cálculo que hemos utilizado para determinar las deformaciones y los procesos de fisuración que se producen en los casos a analizar, en los que se han considerado como variables: los valores de la luz del modelo, el estado de fisuración de los elementos portantes, los efectos de la fluencia y el porcentaje de transmisión de cargas desde el forjado superior al paño de fábrica en estudio. Además se adoptan dos valores de la resistencia a tracción de las fábricas, 0.75MPa y 1.00MPa. La capacidad de representar la fisuración, así como la robustez y fiabilidad ha condicionado y justificado la selección del programa de elementos finitos que se ha utilizado para realizar los cálculos. Aprovechando la posibilidad de reproducir de forma ajustada las características introducidas para cada parámetro, hemos planteado y realizado un análisis paramétricos que considera 360 cálculos iterativos, de cuya exposición es objeto el Capítulo 5, para obtener una serie representativa de resultados sobre los que se realizará el análisis posterior. En el Capítulo 6, de análisis de los resultados, hemos estudiado los valores de deformaciones y estados de fisuración obtenidos para los casos analizados. Hemos determinado la influencia que tiene la presencia de huecos en la aparición de los procesos de fisuración y en las deformaciones que se producen en las diferentes configuraciones estructurales. Las conclusiones que hemos obtenido tras analizar los resultados, incluidas en el Capítulo 7, no dejan lugar a dudas: la presencia, la posición y la tipología de los huecos en los elementos de fábricas soportadas sobre estructuras deformables son factores determinantes respecto de la fisuración y pueden tener influencia en las deformaciones que constituyen la flecha activa del elemento, lo que obliga a plantear una serie de recomendaciones frente al proyecto y frente a la reglamentación técnica. La investigación desarrollada para esta Tesis Doctoral y la metodología aplicada para su desarrollo abre nuevas líneas de estudio, que se esbozan en el Capítulo 8, para el análisis de otros aspectos que no han sido cubiertos por esta investigación a fin de mejorar las limitaciones que deberían establecerse para los Estados Límite de Servicio de Deformaciones correspondientes a las estructuras de edificación. SUMMARY. Unlike other parameters, the effect of the existence of voids in the arising and development of cracking processes in the masonry walls has not been considered by current Codes. Nowadays, a huge variety of enclosure elements types is used to execute partitions in buildings, each one with different mechanical characteristics and different execution methodology, being applied the same rules concerning deflection calculation and control. As indicated in Chapter 1, which analyzes the State of Art, current codes analytically determine the deflection likely to be achieved in structural supporting elements under different service conditions. The different proposals that exist related to live deflection limitation, once performed deformations calculation, either by Branson´s method or considering curvatures integration methods, do not consider in deflection limitation the existence and typology of voids in a masonry wall structured supported. But is sensed and it can be affirmed that a discontinuity in any element under stress influences the stress state of it. If we consider that, in general, cracking processes occur when masonry material tensile strength is exceeded, it is clear that tension variation induced by the existence of voids must have some influence on the emergence and development of cracking processes in enclosure elements of building works. In Chapters 2 and 3, after justifying the need for an investigation to confirm the relationship between the existence of voids in a masonry wall and the development of cracking process in it, is set as the main objective and it is shown the analysis Methodology. We have defined and justified in Chapter 4 the calculation model used to determine the deformation and cracking processes that occur in the cases analyzed, in which were considered as variables: model span values, bearing elements cracking state, creep effects and load transmission percentage from the upper floor to the studied masonry wall. In addition, two masonry tensile strength values 0.75MPa and 1.00MPa have been considered. The cracking consideration ability, robustness and reliability has determined and justified the selection of the finite element program that was used for the calculations. Taking advantage of the ability of accurately consider the characteristics introduced for each parameter, we have performed a parametric analyses that considers 360 iterative calculations, whose results are included in Chapter 5, in order to obtain a representative results set that will be analyzed later. In Chapter 6, results analysis, we studied the obtained values of deformation and cracking configurations for the cases analyzed. We determined the influence of the voids presence in the occurrence of cracking processes and deformations in different structural configurations. The conclusions we have obtained after analyzing the results, included in Chapter 7, leave no doubt: the presence, position and type of holes in masonry elements supported on deformable structures are determinative of cracking and can influence deformations which are the element live deflection, making necessary to raise a number of recommendations related to project and technical regulation. The research undertaken for this Doctoral Thesis and the applied methodology for its development opens up new lines of study, outlined in Chapter 8, for the analysis of other aspects that are not covered by this research, in order to improve the limitations that should be established for Deflections Serviceability Limit States related to building structures.

Estudio dinámico de puentes de ferrocarril sometidos a nuevos modelos de carga en el marco europeo

Más allá de la alta velocidad, y debido en parte a su éxito, en los últimos años han aparecido trenes de pasajeros capaces de circular a velocidades más elevadas y ser más eficientes (como, por ejemplo, los de tipo automotor). Además, algunos de los antiguos modelos recogidos en las normativas parecen no cubrir determinados casos, lo que ha llevado a la reciente modificación de éstas. A todo esto se le añade la necesidad de crear una normativa común europea que establezca las bases para lograr la interoperabilidad. Con este proyecto se pretende estudiar los efectos dinámicos en puentes de estas nuevas tipologías de trenes, haciendo especial hincapié en los trenes automotores. El trabajo se centra principalmente en puentes isostáticos de luces cortas, por ser éstos especialmente sensibles a este tipo de acciones. El parámetro crítico, en estos casos, son las aceleraciones en centro de vano. Se realizara el cálculo dinámico por diferentes métodos: elementos finitos, análisis modal, así como programas de integración numérica en Matlab de los modos de vibración, analizando y comparando la efectividad de estos. Las diferencias entre la consideración o no de la distribución de las cargas transmitidas al tablero de la estructura de la vía a serán discutidas en el proyecto, así como la interacción dinámica entre estructura y vehículo. Finalmente se aplicarán los conocimientos obtenidos a varios casos reales de puentes incluidos en la red ferroviaria española, como por ejemplo, el viaducto de alta velocidad del Jalón. Los resultados de estos estudios tienen una repercusión en diversas normativas europeas actualmente en revisión y en las cuales está involucrado el Grupo de Mecánica Computacional: EN15528 European Committee for Standarization (2008), EN1991-2 European Committee for Standarization (2003) y las Especificaciones Técnicas de Interoperabilidad Ferroviaria (TSI).

Análisis estructural 3D de los invernaderos multitunel del sudeste de España. Elementos verticales

Este trabajo analiza la capacidad estructural de los elementos verticales que componen el pórtico resistente más limitativo de la variante de invernadero multitúnel más utilizada en el sudeste de España. Se estudia la influencia de la longitud y anchura del invernadero en la distribución de tensiones que se produce en dichos elementos. Se ha realizado un modelo tridimensional de elementos finitos con el programa ROBOT MILLENNIUM en su versión 20.1 en el que se ha representado la estructura de barras que conforma el invernadero. Se han analizado los resultados de tensiones normales máximas de 16 estructuras con geometría de túnel similar, pero de diferente anchura y longitud, de tal forma que la superficie en planta oscila entre los 600 m 2 y los 38.400 m 2 . El cálculo de las acciones existentes sobre los invernaderos se ha realizado según la norma UNE-EN 13031-1. Los resultados numéricos obtenidos han sido estudiados para determinar la influencia de las dimensiones del invernadero en la distribución de tensiones. Aunque se observan significativas reducciones en las tensiones con la adición de túneles, no se puede generalizar la influencia del aumento de las dimensiones del invernadero en los cambios tensionales del mismo. Los resultados obtenidos se consideran de gran utilidad para la optimización de las estructuras de los invernaderos multitúnel así como para garantizar la seguridad mecánica de las mismas

Análisis estructural 3D de los invernaderos multitunel del sudeste de España. Elementos horizontales

Este trabajo analiza la capacidad estructural de los Este trabajo analiza la capacidad estructural de los elementos horizontales que componen el pórtico resistente más limitativo de la variante de invernadero multitúnel más utilizada en el sudeste de España. Se analiza la influencia de la anchura y longitud del invernadero en la distribución de tensiones que se producen en dichos elementos. Se ha realizado un modelo tridimensional de elementos finitos con el programa ROBOT MILLENNIUM en su versión 20.1 en el que se ha representado la estructura de barras que conforma el invernadero. Se han analizado los resultados de tensiones normales máximas de 16 estructuras con geometría de túnel similar, pero de diferente anchura y longitud, de tal forma que la superficie en planta oscila entre los 600 m 2 y los 38.400 m 2 .El cálculo de las acciones existentes sobre los invernaderos se ha realizado según la norma UNE-EN 13031-1. El aumento de las dimensiones del invernadero conlleva importantes variaciones en las tensiones máximas registradas por canalones. Sin embargo, en arcos y tirantes de cercha, las tensiones permanecen constantes. Los resultados obtenidos se consideran de gran utilidad para la optimización de las estructuras de los invernaderos multitúnel así como para garantizar la seguridad mecánica de las mismas.

Elementos de contorno adaptables

Como es bien sabido, en el método de los elementos finitos se suele hablar de dos tipos de convergencia. La primera, o convergencia h, se refiere a la mejora del resultado que se obtiene refinando la malla. Debido a la correspondencia elemento-variables nodales-funciones de interpolación, ello implica un ajuste progresivo de los resultados en aquellas zonas donde se produce el refinamiento. Se trata del método más usado cuando, de forma pragmática, se desea tener una idea de la convergencia de los resultados. Su principal inconveniente radica en el hecho que cada refinamiento exige el cálculo de matrices de rigidez diferentes de las anteriores, de modo que la información debe ser rehecha en cada caso y, por tanto, los costes son elevados. El segundo método analiza la convergencia p, o refinamiento de la aproximación mediante el incremento del grado del polinomio definido sobre cada elemento. Se trata de abandonar la idea de asociar a cada nodo el valor físico de la variable correspondiente en la aproximación típica: u ~ a1Ø1 + a2Ø2 + a3Ø3+ … + anØn; donde las funciones Ø son unidad en el nodo correspondiente y cero en el resto. Por el contrario, se vuelve a la idea original de Ritz, semejante al de un desarrollo en la serie de Fourier, donde las funciones Ø están definidas globalmente y los coeficientes de ponderación no tienen por qué presentar un significado físico concreto. Evidentemente la vuelta no es total; se siguen manteniendo elementos y dentro de cada uno de ellos se establece una jerarquía de funciones Øi. Con esta situación intermedia entre la globalidad absoluta de Ritz y la correspondencia absoluta de la discretización con las variables se consigue, por un lado, mantener una versatilidad suficiente para el ajuste por trozos y, por otro, refinar la aproximación de forma inteligente ya que, al igual que sucede en una serie de Fourier, cada término que se añade produce un efecto menor, lo que posibilita el truncamiento cuando se alcanza un determinado nivel de precisión. Además, puesto que cada Ø tiene un soporte perfectamente definido desde un principio, cada etapa del refinamiento aprovecha todos los cálculos anteriores y sólo se necesita evaluar los nuevos términos de la matriz de rigidez. La primera idea fue propuesta por Zienckiewicz et al.(1970), y posteriormente han desarrollado el método Szabo et al.(1978), Babuska (1975,1978), Peano (1978)etc. El proceso operativo incluye así: a)Establecimiento de una malla amplia sobre el dominio a analizar; b)Definición de una jerarquía de funciones de interpolación dentro de cada elemento; c)Establecimiento de un "indicador" de las zonas que precisen la adición de nuevas funciones jerarquizadas; d)Establecimiento de un "estimador a posteriori" que evalúe el error cometido y precise el momento en que pueda ser detenido el proceso. Un método que sigue los pasos anteriores se denomina autoadaptable y, como se puede comprender, resulta interesantísimo para problemas no triviales. En este artículo, se contempla la posibilidad de extender las ideas anteriores al método de los elementos de contorno.