Computer graphics applied to anatomy: a study of two bio-cad modeling methods on finite element analysis of human edentulous hemi-mandible

Modeling is a step to perform a finite element analysis. Different methods of model construction are reported in literature, as the Bio-CAD modeling. The purpose of this study was to perform a model evaluation and application using two methods of Bio-CAD modeling from human edentulous hemi-mandible on the finite element analysis. From CT scans of dried human skull was reconstructed a stereolithographic model. Two methods of modeling were performed: STL conversion approach (Model 1) associated to STL simplification and reverse engineering approach (Model 2). For finite element analysis was used the action of lateral pterygoid muscle as loading condition to assess total displacement (D), equivalent von-Mises stress (VM) and maximum principal stress (MP). Two models presented differences on the geometry regarding surface number (1834 (model 1); 282 (model 2)). Were observed differences in finite element mesh regarding element number (30428 nodes/16683 elements (model 1); 15801 nodes/8410 elements (model 2). D, VM and MP stress areas presented similar distribution in two models. The values were different regarding maximum and minimum values of D (ranging 0-0.511 mm (model 1) and 0-0.544 mm (model 2), VM stress (6.36E-04-11.4 MPa (model 1) and 2.15E-04-14.7 MPa (model 2) and MP stress (-1.43-9.14 MPa (model 1) and -1.2-11.6 MPa (model 2). From two methods of Bio-CAD modeling, the reverse engineering presented better anatomical representation compared to the STL conversion approach. The models presented differences in the finite element mesh, total displacement and stress distribution.

Root canal filling: fracture strength of fiber-reinforced composite-restored roots and finite element analysis

The aims of this study were to evaluate the effect of root canal filling techniques on root fracture resistance and to analyze, by finite element analysis (FEA), the expansion of the endodontic sealer in two different root canal techniques. Thirty single-rooted human teeth were instrumented with rotary files to a standardized working length of 14 mm. The specimens were embedded in acrylic resin using plastic cylinders as molds, and allocated into 3 groups (n=10): G(lateral) - lateral condensation; G(single-cone) - single cone; G(tagger) - Tagger's hybrid technique. The root canals were prepared to a length of 11 mm with the #3 preparation bur of a tapered glass fiber-reinforced composite post system. All roots received glass fiber posts, which were adhesively cemented and a composite resin core was built. All groups were subjected to a fracture strength test (1 mm/min, 45°). Data were analyzed statistically by one-way ANOVA with a significance level of 5%. FEA was performed using two models: one simulated lateral condensation and Tagger's hybrid technique, and the other one simulated the single-cone technique. The second model was designed with an amount of gutta-percha two times smaller and a sealer layer two times thicker than the first model. The results were analyzed using von Mises stress criteria. One-way ANOVA indicated that the root canal filling technique affected the fracture strength (p=0.004). The G(lateral) and G(tagger) produced similar fracture strength values, while G(single-cone) showed the lowest values. The FEA showed that the single-cone model generated higher stress in the root canal walls. Sealer thickness seems to influence the fracture strength of restored endodontically treated teeth.

Implantes curtos do tipo cone-Morse: proporção coroa-implante

The purpose of this study was to analyze the biomechanical interactions in bone tissue between short implants and implant-supported crowns with different heights. Two models were made using the programs InVesalius 3.0, Rhinoceros 4.0 and Solidworks 2010. The models were established from a bone block with the short implant (3.75 x 8.5 mm) with geometry Morse taper connection (MT). The height of the crown (cemented) was set at 10.0 mm and 15.00 mm. The models were processed by programs and 10 NEiNastran Femap 10.0. The force applied was 200N (vertical) and 100N (oblique). The results were plotted on maps Voltage Maximum Principal. Statistical analysis was performed using ANOVA. The results showed that the increase in crown height, increased stress concentration in the crown of 15 mm under oblique loading (p <0.001), the oblique loading has significantly expanded the area of stress concentration (p <0.001). Conclusion:the increase of the crown increased the stress concentration, being statistically significant for short implants Morse taper. The mesial and distal region had the highest concentration of stresses under oblique loading. The oblique loading was more harmful when compared with axial loading, being statistically significant.

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.

The influence of the alveolar ridge shape on the stress distribution in a free-end saddle removable partial denture supported by implant

The alveolar ridge shape plays an important role in predicting the demand on the support tooth and alveolar bone in the removable partial denture (RPD) treatment. However, these data are unclear when the RPD is associated with implants. This study evaluated the influence of the alveolar ridge shape on the stress distribution of a free-end saddle RPD partially supported by implant using 2-dimensioanl finite element analysis (FEA). Four mathematical models (M) of a mandibular hemiarch simulating various alveolar ridge shapes (1-distal desceding, 2- concave, 3-horizontal and 4-distal ascending) were built. Tooth 33 was placed as the abutment. Two RPDs, one supported by tooth and fibromucosa (MB) and other one supported by tooth and implant (MC) were simulated. MA was the control (no RPD). The load (50N) were applied simultaneously on each cusp. Appropriate boundary conditions were assigned on the border of alveolar bone. Ansys 10.0 software was used to calculate the stress fields and the von Mises equivalent stress criteria (σvM) was applied to analyze the results. The distal ascending shape showed the highest σvM for cortical and medullar bone. The alveolar ridge shape had little effect on changing the σvM based on the same prosthesis, mainly around the abutment tooth.

Análise de junta aparafusada de biela automotiva

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Contribuição ao estudo de lajes lisas unidirecionais de concreto armado com pilares retangulares ao puncionamento

São apresentadas análises das recomendações para estimar a resistência ao puncionamento de lajes lisas de acordo com a versão atual da norma brasileira, a NBR 6118:2003, que não considera o efeito da retangularidade de pilares internos, e sua predecessora, a NBR 6118:1980. Em seções transversais retangulares, o índice de polarização das tensões de cisalhamento é crescente. Isto altera a forma de ruptura da laje, já que a punção se inicia em torno das extremidades da seção do pilar, não se estendendo para os lados maiores, como prescreve a norma, comportamento este que reduz a resistência última das lajes frente às estimativas normativas. São apresentados os resultados de uma análise numérica por elementos finitos (M.E.F.) e uma proposta para melhorar a ductilidade das lajes lisas através das dimensões mínimas dos pilares. Observou-se que a NBR 6118:1980 mostrou-se conservadora e que as estimativas da NBR 6118: 2003 podem ser melhoradas.

Estudio de efectos de interacción estructura-suelo-estructura sobre la respuesta sísmica de edificios pilotados en función del tipo de onda sísmica y su ángulo de incidencia

Máster Universitario en Sistemas Inteligentes y Aplicaciones Numéricas en Ingeniería (SIANI)

Advances in the study of soil-structure interaction effects on the dynamic response of piled structures

[EN]This Ph. D. thesis presents a simple and stable procedure for the estimation of periods and dampings of pile shear buildings taking soil-structure interaction into account. The coupled-system response is obtained by using a substructuring model. A boundary element-finite element coupling formulation is used to compute impedances and kinematic interaction factors of the pile group configurations under investigation. The proposed procedure is applied to perform parametric analyses to determine the influence of the main parameters of soil-structure interaction problems on the dynamic response of the superstructure. The scope of this thesis also encompasses the study of foundations including battered piles.

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.

Caracterización del comportamiento en fractura de paneles sandwich de placas de yeso laminado y lana de roca

En esta comunicación se presenta el trabajo realizado para la caracterización experimental de un panel sándwich de yeso laminado y lana de roca, así como de cada uno de sus componentes: placa de yeso laminado, placa de yeso, lana de roca y papel. Para ello se diseñó una campaña de ensayos destinados a obtener las propiedades resistentes de los materiales estudiados, así como la energía específica de fractura, GF, y las curvas completas de carga aplicada frente a desplazamientos. A partir de los resultados experimentales se ha observado que la energía de fractura está muy condicionada por el espesor de la lana de roca, y no tanto por el de la placa. Para simular numéricamente el comportamiento en fractura del panel se ha utilizado un modelo de elementos finitos con fisura embebida basado en la fisura cohesiva en el que se introducen como entrada los parámetros obtenidos a partir de la experimentación, obteniéndose una buena aproximación

Parametric study of the expansive joint model for cracking of concrete due to rebar corrosion

Un modelo numérico llamado elemento junta expansiva fue programado para simular la expansión mecánica del óxido y estudiar la fisuración en el hormigón circundante. El elemento junta expansiva trabaja con elementos finitos con fisura cohesiva embebida adaptable para simular la fractura del hormigón según el modelo de fisura cohesiva. Se ha comprobado que el modelo reproduce correctamente el patrón de fisuración del hormigón que se obtiene en ensayos de corrosión acelerada. En este trabajo, se realiza un estudio paramétrico del elemento junta expansiva para establecer los límites de los parámetros constitutivos del óxido. Se simula una cierta expansión variando los valores de los parámetros del óxido y se estudian la apertura de fisura y las tensiones resultantes en el hormigón. Se determina el rango de valores para los que los resultados de las simulaciones son prácticamente iguales, con el menor número posible de iteraciones.

Importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos en placas de acero a altas temperaturas

En el presente trabajo se presenta un estudio experimental y numérico de impactos balísticos sobre placas de acero inoxidable martensítico a altas temperaturas (400ºC y 700ºC), que pone de manifiesto la importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos a altas temperaturas. Mediante un estudio metalográfico de la zona de impacto, se ha observado la aparición de bandas adiabáticas de cortante formadas por el aumento brusco de la temperatura debido a la acumulación del trabajo plástico en el interior del material. La correcta predicción en la formación de estas bandas durante el proceso de penetración es crítica a la hora de obtener resultados representativos de los experimentos realizados. Basándose en datos experimentales de ensayos previamente realizados, se ha calibrado un modelo de material de Johnson-Cook (JC) para su uso con simulaciones numéricas en el código no lineal de elementos finitos LSDYNA. Mediante estas simulaciones numéricas se demuestra la importancia del ablandamiento térmico en el proceso de perforación de placas, al igual que la incapacidad que un modelo tipo JC tiene para representar el dicho ablandamiento para material estudiado. Esta investigación presenta, finalmente, una modificación a un modelo tipo JC programado como subrutina de material de usuario para LS-DYNA que permite simular correctamente estos procesos de impacto a alta temperatura

Modelización por métodos numéricos de la degradación térmica de un elemento estructural de madera en situación de incendio

La cuantificación de la reducción de las propiedades resistentes y de la sección de un elemento estructural en situación de incendio es fundamental de cara a garantizar la estabilidad estructural en situación de incendio. Existen investigaciones que tratan de determinar la variación de las propiedades térmicas y mecánicas de la madera sometida a cargas térmicas, y la reducción de sección transversal de un elemento estructural de madera. La normativa europea en materia de construcción con madera, el Eurocódigo 5, propone unas simplificaciones para determinar la sección residual de un elemento estructural de madera en situación de incendio. Los objetivos de este trabajo comprenden una revisión de algunos trabajos realizados en el campo de la variación en función de la temperatura de las propiedades térmicas de la madera (calor específico, densidad y conductividad térmica), y la construcción con los distintos valores propuestos de varios modelos de elementos finitos que se someterán a cargas térmicas definidas por la curva ISO 834-1. Los resultados se compararán con un modelo construido con los valores que el Eurocódigo propone y con un ensayo experimental. Como resultado final, se propone finalmente un modelo de elementos finitos que emule el comportamiento del ensayo experimental. The quantification of the decrease of strength properties and section of a structural element in a fire situation is critical in order to guarantee the structural stability in such a fire event. There are some researches in literature trying to find the variation of thermal and mechanical properties of wood subjected to thermal loads, and the decrease of cross section of a wooden structural element. The European legislation on timber construction, Eurocode 5, proposes a simplification to determine the residual section of a wooden structural element in a fire situation. This paper objectives consist in a review of some researches in the field of variations, depending on the temperature, of the thermal properties of wood (specific heat, density and thermal conductivity); and in the construction of a few finite element models of timber structural elements affected by thermal loads according to ISO 834-1. The results were compared with a model based in Eurocode 5 and with an experimental test. As final result, at last, we propose a finite element model that simulates the behavior of the experimental tested element.

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).