A patient-specific finite element methodology to predict damage accumulation in vertebral bodies under axial compression, sagittal flexion and combined loads

Due to the inherent limitations of DXA, assessment of the biomechanical properties of vertebral bodies relies increasingly on CT-based finite element (FE) models, but these often use simplistic material behaviour and/or single loading cases. In this study, we applied a novel constitutive law for bone elasticity, plasticity and damage to FE models created from coarsened pQCT images of human vertebrae, and compared vertebral stiffness, strength and damage accumulation for axial compression, anterior flexion and a combination of these two cases. FE axial stiffness and strength correlated with experiments and were linearly related to flexion properties. In all loading modes, damage localised preferentially in the trabecular compartment. Damage for the combined loading was higher than cumulated damage produced by individual compression and flexion. In conclusion, this FE method predicts stiffness and strength of vertebral bodies from CT images with clinical resolution and provides insight into damage accumulation in various loading modes.

DESIGN OF CONCRETE PLATFORMS OFFSHORE USING THE THREE-LAYER SHELL THEORY

The concrete offshore platforms, which are subjected a several loading combinations and, thus, requires an analysis more generic possible, can be designed using the concepts adopted to shell elements, but the resistance must be verify in particular cross-sections to shear forces. This work about design of shell elements will be make using the three-layer shell theory. The elements are subject to combined loading of membrane and plate, totalizing eight components of internal forces, which are three membrane forces, three moments (two out-of-plane bending moments and one in-plane, or torsion, moment) and two shear forces. The design method adopted, utilizing the iterative process proposed by Lourenco & Figueiras (1993) obtained from equations of equilibrium developed by Gupta (1896) , will be compared to results of experimentally tested shell elements found in the literature using the program DIANA.

Design of concrete platforms offshore using the three-layer shell theory

The concrete offshore platforms, which are subjected a several loading combinations and, thus, requires an analysis more generic possible, can be designed using the concepts adopted to shell elements, but the resistance must be verify in particular cross-sections to shear forces. This work about design of shell elements will be make using the three-layer shell theory. The elements are subject to combined loading of membrane and plate, totalizing eight components of internal forces, which are three membrane forces, three moments (two out-of-plane bending moments and one in-plane, or torsion, moment) and two shear forces. The design method adopted, utilizing the iterative process proposed by Lourenco & Figueiras (1993) obtained from equations of equilibrium developed by Gupta (1896) , will be compared to results of experimentally tested shell elements found in the literature using the program DIANA.

Caratterizzazione meccanica di materiali compositi mediante attrezzatura CLC

L'obiettivo della tesi è diradare, almeno parzialmente, le incertezze che potrebbero essere presenti nella caratterizzazione a compressione di materiali compositi. Per quanto concerne la compressione, in un primo momento, non essendo ritenuta una caratteristica troppo rilevante, si considerava che il materiale composito avesse proprietà equivalenti a quelle in trazione. Solo successivamente, dai primi anni ’70, si sono iniziate ad indagare in modo approfondito e mirato le proprietà meccaniche a compressione di tali materiali. Si sono sviluppati e normati nel tempo vari metodi che vengono classificati in base al modo di applicazione del carico sul provino. Ci si è quindi proposti, basandosi anche sulle richieste mosse dalla Scuderia Toro Rosso di Faenza, di determinare, dopo aver analizzato tutti i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna metodologia, quella migliore a cui attenersi per tutte le prove di compressione che seguiranno. A tale scopo, dopo una attenta e approfondita analisi dei vari metodi di prova, si è scelto di utilizzare il Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture: attrezzatura leggera e molto compatta, che dimostra una affidabilità dei risultati superiore alle altre tecnologie. Si è, inoltre, deciso di testare laminati non unidirezionali, evitando così molte problematiche quali, ad esempio, quelle dovute all’utilizzo di tabs o al possibile insorgere di microbuckling delle fibre. Si è risaliti, poi, al valore di resistenza a compressione della lamina unidirezionale attraverso il metodo di calcolo indiretto del Back-Out Factor (BF). Di tale metodo si sono indagate le basi teoriche, a partire dalla teoria classica dei laminati, e si sono ricavate le formule necessarie per l'applicazione pratica sperimentale. Per quanto riguarda la campagna sperimentale, svolta presso i laboratori ENEA di Faenza – Unità Tecnica Tecnologie dei Materiali Faenza (UTTMATF), sono stati realizzati 6 laminati di materiale composito, ognuno con differente sequenza di laminazione e percentuale di fibre nelle diverse direzioni. Due laminati sono stati ottenuti impilando lamine unidirezionali preimpregnate, in modo da ottenere una configurazione cross-ply (0°\90°), due in configurazione angle-ply (0°\90°\±45°) e due materiali unidirezionali (0° e 90°). Da questi 6 laminati sono stati ricavati 12/13 provini ciascuno. I provini cross-ply e angle-ply sono stati testati per ricavarne la resistenza a compressione, da cui, poi, risalire a quella della lamina unidirezionale a 0° mediante il BF. Dal confronto dei risultati ottenuti attraverso l'applicazione combinata di CLC e Back-Out Factor, con i dati riportati nel datasheet ufficiale, si è avuta conferma dell'affidabilità della metodologia scelta. Per quanto concerne l'elaborazione dei dati ricavati dalle prove sperimentali, è stato utilizzato un opportuno programma realizzato con il software Matlab. Con l'estensione GUI, poi, è stata creata un'interfaccia grafica per agevolare la comprensione delle fasi di elaborazione anche ad un utente non esperto.

Analisi numerica e sperimentale del comportamento a compressione di materiali compositi

L’obbiettivo di questa tesi è ottenere un modello agli elementi finiti che simuli la prova a compressione su un campione di materiale composito a matrice polimerica rinforzata con fibre di carbonio unidirezionali (UD), mediante l’utilizzo di una attrezzatura denominata Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture. Il programma utilizzato per realizzare il modello agli elementi finiti è Abaqus della Simulia. Il materiale oggetto dello studio è un prepreg UD di interesse nel settore automobilistico, e fa seguito ad una campagna di prove sperimentali (caratterizzazione a compressione) svolta nei laboratori ENEA di Faenza, dove opera l’Unità Tecnica Tecnologie dei Materiali Faenza (UTTMATF).

Caratterizzazione sperimentale di materiali compositi soggetti ad impatto sul bordo

Il materiale composito è entrato nell’ambiente industriale rivoluzionando il concetto di progettazione delle strutture e permettendo il raggiungimento di prestazioni molto più elevate, rispetto ai materiali tradizionali. Infatti, i compositi sono in grado di garantire elevata resistenza e leggerezza, proprietà molto richieste in svariati ambiti industriali. Un suo notevole impiego è riscontrabile nell’industria aeronautica, dove le principali case produttrici di aeromobili hanno investito un apprezzabile quantitativo di risorse economiche nella realizzazione di velivoli con una sempre maggiore percentuale di questo materiale. Il composito, nonostante ci siano testimonianze del suo utilizzo già durante la seconda guerra mondiale, viene tutt’ora ritenuto “nuovo”; questo poiché molte delle sue caratteristiche non sono state ancora esaurientemente analizzate. Le conoscenze ad esso relative presentano ancora, infatti delle lacune, come il loro comportamento a seguito di un impatto. L’obiettivo della presente tesi è quello di indagare, attraverso una campagna sperimentale innovativa, il comportamento del CFRP di fronte a tale problematica, prestando particolare attenzione alla casistica dell’impatto sul bordo. Su tale argomento infatti, non si hanno esempi in letteratura né normative a cui fare riferimento. I campioni, impiegati nel presente studio, sono stati realizzati scegliendo una configurazione cross-ply, che ben si adatta alle successive fasi della campagna. Sui provini ottenuti sono stati eseguiti gli impatti, con l’utilizzo di un pendolo di Charpy, alcuni centrali e altri laterali, con due differenti energie. Questa prima parte della campagna sperimentale è stata svolta presso i laboratori hangar di Forlì, della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna. La caratterizzazione del materiale è avvenuta mediante prove a compressione. Il processo è stato eseguito per verificare l’influenza che l’impatto genera sulle proprietà meccaniche a compressione. Per poter eseguire una campagna di test ottimale, si è vista necessaria un’attenta analisi delle varie attrezzature utilizzabili per le prove a compressione. La scelta è ricaduta sull’attrezzatura CLC (Combined Loading Compression), la quale è risultata essere la più affidabile e maneggevole per le prove oggetto di studio. La fase relativa allo svolgimento delle prove a compressione è stata eseguita presso i laboratori ENEA di Faenza –Unità Tecnica Tecnologie dei Materiali Faenza (UTTMATF).

Influenza dei parametri di processo delle caratteristiche meccaniche di materiali compositi

Lo scopo di questa tesi è valutare la resistenza a compressione e il valore del modulo elastico di tre laminati ottenuti con lo stesso materiale composito, CFRP, distinti in fase di laminazione dall’utilizzo di tre diverse tipologie di distaccante (peel-ply, film distaccante e controstampo). In questo modo è stato possibile valutare come quest’ultimi abbiano influito, in modo diverso per ogni laminato, sull’omogeneità dello spessore, sul peso, sulla fuoriuscita di resina e sulla percentuale volumetrica delle fibre. Tali fattori a loro volta hanno caratterizzato i valori di resistenza a compressione e modulo elastico. Nei capitoli successivi è descritto un metodo di analisi a compressione dei materiali compositi, a matrice epossidica rinforzata con fibre di carbonio (CFRP), denominato Combined Loading Compression (CLC) Test Method, basato sull’applicazione, combinata, del carico sul campione, a taglio e all’estremità. La realizzazione dei provini è stata effettuata presso i laboratori dell’università: sono stati realizzati 3 laminati, per ognuno dei quali si è scelto di utilizzare su ogni pezzo una diversa tipologia di distaccante: controstampo, film distaccante e peel-ply, allo scopo di valutare quanta resina uscirà dal manufatto una volta in autoclave e quanta variazione di spessore avremo. Da ognuno di questi laminati sono stati ricavati 5 provini. La campagna sperimentale è stata condotta presso il Laboratorio Tecnologie dei Materiali Faenza (TEMAF). L’elaborazione dei dati è stata effettuata mediante l’utilizzo del software Office Excel, in cui sono stati calcolati i parametri fondamentali, suggeriti dalla normativa ASTM D6641/D6641M, per la caratterizzazione meccanica a compressione dei materiali CFRP.

Prestressed concrete beams with stirrups subjected to torsion, bending and shear

Reported in this thesis are test results of 37 eccentrically prestressed beams with stirrups. Single variable parameters were investigated including the prestressing force, the prestressing steel area, the concrete strength, the aspect ratio h/b and the stirrups size and spacing. Interaction of bending, torsion and shear was also investigated by testing a series of beams subjected to varying bending/torsional moment ratios. For the torsional strength an empirical expression of linear format is proposed and can be rearranged in a non-dimensional interaction form: T/To+V/Vo+M/Mo+Ps/Po+Fs/Fo=Pc2/Fsp. This formula which is based on an average experimental steel stress lower than the yield point is compared with 243 prestressed beams containing ' stirrups, including the author's test beams, and good agreement is obtained. For the theoretical analysis of the problem of torsion combined with bending and shear in concrete beams with stirrups, the method of torque-friction is proposed and developed using an average steel stress. A general linear interaction equation for combined torsion with bending and/or shear is proposed in the following format: (fi) T/Tu=1 where (fi) is a combined loading factor to modify the pure ultimate strength for differing cases of torsion with bending and/or shear. From the analysis of 282 reinforced and prestressed concrete beams containing stirrups, including the present investigation, good agreement is obtained between the method and the test results. It is concluded that the proposed method provides a rational and simple basis for predicting the ultimate torisional strength and may also be developed for design purposes.

Development of docetaxel and alendronate-loaded chitosan-conjugated polylactide-co-glycolide nanoparticles: In vitro characterization in osteosarcoma cells

Purpose: To develop docetaxel (DTX)- and alendronate (ALN)-loaded, chitosan (CS)-conjugated polylactide- co-glycolide (PLGA) nanoparticles (NPs) to increase therapeutic efficacy in osteosarcoma cells. Methods: Drug-loaded PLGA NPs were prepared by nanoprecipitation and chemically conjugated by the carboxylic group of PLGA to the amine-bearing CS polymer. The nanocarrier was characterized by dynamic light scattering, transmission electron microscopy, scanning electron microscopy, and differential scanning calorimetry as well as by in vitro drug release and cell culture studies. Results: NP size was within the tumour targeting range (~200 nm) with an effective positive charge (20 mV), thus increasing cellular uptake efficiency. Morphological analysis revealed clear spherical particles with uniform dispersion. The NPs exhibited identical sustained release kinetics for both DTX and ALN. CS-conjugated PLGA with dual-drug-loaded (DTX and AL) NPs showed typical time-dependent cellular uptake and also displayed superior cytotoxicity in MG-63 cells compared with blank NPs, which were safe and biocompatible. Conclusion: Combined loading of DTX and ALN in NPs increased the therapeutic efficacy of the formulation for osteosarcoma treatment, thus indicating the potential benefit of a combinatorial drug regimen using nanocarriers for effective treatment of osteosarcoma.

Postbuckling of piezoelectric FGM plates subject to thermo-electro-mechanical loading

In this paper, we examine the postbuckling behavior of functionally graded material FGM rectangular plates that are integrated with surface-bonded piezoelectric actuators and are subjected to the combined action of uniform temperature change, in-plane forces, and constant applied actuator voltage. A Galerkin-differential quadrature iteration algorithm is proposed for solution of the non-linear partial differential governing equations. To account for the transverse shear strains, the Reddy higher-order shear deformation plate theory is employed. The bifurcation-type thermo-mechanical buckling of fully clamped plates, and the postbuckling behavior of plates with more general boundary conditions subject to various thermo-electro-mechanical loads, are discussed in detail. Parametric studies are also undertaken, and show the effects of applied actuator voltage, in-plane forces, volume fraction exponents, temperature change, and the character of boundary conditions on the buckling and postbuckling characteristics of the plates. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Long-term behaviour of railway transitions under dynamic loading application to soft soil sites

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Civil

Effect of mechanical loading on the I-c degradation behavior of Bi-2223 tapes

During the winding process of HTS coils the tapes of Bi-2223 are subjected to the influence of bending strain, axial strain, compressive force and torsional deformation resulting in I-c degradation. In the literature the effects of the individual strain components are separately analyzed in spite of during coil winding and energizing the strain-stress effects are combined. In this work using commercial tapes of Bi-2223 Ag/AgMg with and without stainless steel reinforcement several samples were wound on cylindrical FRP G-10 holder in which different combined strains are applied. Measurements of I - V characteristic curves are done to determine the degree of critical current degradation and the operational limits. The results are compared with the I, values of short samples and other specimens subjected to deformation generated by loading types such as tensile and bending strain.