Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur, à l`Universite de Bourgogne, sous la direction du Prof. Shahram Aivazzadeh

Orientador: Fellippo Ramos Verri / Resumo: O objetivo deste estudo foi avaliar a distribuição de tensão e deslocamento em implantes de diâmetro reduzido em reabilitações unitárias em região maxilar anterior, variando o posicionamento do implante (ao nível ósseo e 1,5 mm infra-ósseo), através do método de elementos finitos tridimensionais (MEF-3D). Quatro modelos 3D representando uma hemisecção do lado direito da região anterior da maxila foram simulados com a presença de coroa cimentada sobre implante (cone morse) de 10mm de comprimento, variando-se o diâmetro do implante (2,9 mm e 3,5 mm) e a instalação dos implantes no tecido ósseo em rebordo alveolar de 4,5 mm de espessura. O modelo ósseo tridimensional foi construído por recomposição tomográfica com uso dos softwares Invesalius e Rhinoceros 3D. O implante e os componentes foram modelados a partir de modificações do formato original no programa SolidWorks e finalizados no Rhinoceros, bem como o desenho da coroa simulada. A discretização dos modelos foi feita no software ANSYS 19.2, incluindo caracterização dos materiais, contatos, elaboração das malhas, condições de carregamento (178N em direção de 0, 30 e 60 graus em relação ao longo eixo do implante) e de contorno (com restrição em direção x, y, z nas secções laterais dos modelos). Os resultados mostraram comportamento biomecânico similar, com diminuição dos níveis de deslocamento e estresse para implantes de 3,5 mm e implantes infra-ósseos, muito embora os valores obtidos estiveram dentro de valores fisiológicos... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Abstract: The Aim of this study was to evaluate the distribution of stress on implants of narrow diameter, in single unit cemented crowns in the anterior maxillary region, varying the position of the implant (at the bone level and 1.5 mm infra-osseous), through the 3D finite element analysis (3D-FEA). Four 3D models representing a right hemisection of the anterior maxillary region were simulated with the presence of a cemented crown over a 10mm long implant (morse cone), with the implant diameter varying among 2.9 mm and 3.5 mm in an simulated alveolar ridge of 4,5mm thickness. The bone of 3D models was simulated by tomographic recomposition using the software Invesalius and Rhinoceros 3D. The implant and components were modeled from modifications of the original design in the SolidWorks software and modeled in the Rhinoceros, as well as the design of the simulated crown. The discretization of the models was done in the ANSYS 19,2 software, including characterization of materials, contacts, meshes, loading conditions (178N towards 0, 30 and 60 degrees in relation to the implant long axis) and boundary conditions in the x, y, z direction in the lateral sections of the models). The results of dislodgment and von Mises showed similar maps distribution, decreasing dislodgment and stress in implants of 3,5mm diameter and in infra-osseous position, besides these results were inside physiologic values. It was possible to conclude that 2.9mm implants were no more biomechanically favo... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Ingeniero Civil / La normativa chilena actual no considera en sus criterios de diseño las aberturas centrales a nivel basal en muros esbeltos de hormigón armado, siendo que este tipo de muros se realiza con frecuencia, ya sea por solicitudes de arquitectura o simplemente por condiciones de diseño. Es por ello que se torna de suma importancia su investigación y el análisis de su comportamiento. El presente trabajo de título estudia el impacto que generan las aberturas centrales a nivel basal en la estructura mediante un programa que realiza un análisis de elementos finitos no lineal. Se analizan una serie de muros esbeltos con diferentes dimensiones de la abertura sometidos a un análisis tipo pushover monotónico creciente para obtener la respuesta carga-deformación llegando a una deriva de techo del 2%. En total fueron analizados 99 muros, 10 muros con aberturas de diferentes tamaños (desde un piso de altura con ancho de 10% del ancho del muro hasta 3 pisos de altura con un ancho de 60% del ancho del muro), y un muro sin abertura. Estos 11 muros se realizaron para 3 relaciones de aspecto (RA=2.5, 5 y 7.5) y para 3 modelos diferentes. Con los datos obtenidos se estudia el comportamiento de cada uno de los muros, para lograr cuantificar el impacto que genera la abertura. En un comienzo se determina de qué manera afectan la cuantía y longitud de la armadura longitudinal de borde de la abertura en la formación y ubicación de la rótula plástica a lo alto del muro, luego se determina el impacto que genera la abertura en las deformaciones máximas por compresión y tracción. Para ello se busca un factor de amplificación que incluya el efecto del corte y el efecto de la abertura en las deformaciones obtenidas con modelos de flexión, a partir de muros continuos desde la base que se realizan en la etapa de diseño. Con estos resultados es posible determinar cuándo se debe utilizar la expresión o cuando simplemente es necesario considerar la abertura con un análisis de flexión (Modelo de fibras). Se entregan recomendaciones con el fin de facilitar la elección al momento de diseñar muros con abertura. Las expresiones obtenidas para estimar las deformaciones por compresión y tracción fueron calibradas para muros con aberturas de un piso y ancho de abertura de hasta un 60% del ancho del muro, los errores asociados a estas expresiones fueron 25% y 40% respectivamente, dichos errores corresponden a la variación porcentual promedio entre la curva calibrada y la curva obtenida con el programa. Si bien la expresión para las deformaciones por compresión es una buena estimación, se recomienda realizar un análisis de flexión tradicional considerando la abertura, ya que al comparar los resultados de todos los muros con abertura analizados con un modelo de flexión versus un modelo de flexión más corte, se tiene que el error asociado es de un 20%. Dado que el presente trabajo consiste sólo en el estudio de resultados analíticos, se pretende dar pie a una futura investigación experimental relacionada al tema.

Ingeniero Civil Mecánico / Las correas transportadoras son los equipos más utilizados a nivel industrial para el transporte de material, por presentar una alta eficiencia energética, una estructura más bien simple y una buena adaptación a las trayectorias de trabajo. Para el diseño y operación de las correas transportadoras se utilizan normativas internacionales, tales como las normas CEMA y DIN 22101, las cuales muestran cierta imprecisión en los periodos de operación transiente de las correas de gran longitud, como es el caso de los arranques o paradas. Para estos casos es posible utilizar el Método de Elementos Finitos para obtener una mayor precisión en los análisis realizados. El objetivo de este trabajo consiste en implementar un modelo numérico que permita determinar y analizar las cargas transientes presentes en la correa C-01 del Proyecto Mina Chuquicamata Subterránea de Codelco, orientado especialmente en las condiciones de arranque y parada. El modelo se realiza programando el Método de Elementos Finitos en el lenguaje MATLAB, utilizando tres métodos de integración numérica diferentes. Inicialmente, se simula una correa estudiada en publicaciones científicas, de la que se conocen los parámetros de funcionamiento y dimensiones, de modo de poder realizar una comparación y posterior validación del modelo implementado. Con estos datos se realiza un análisis del modelo variando el paso temporal para estudiar la convergencia de la solución y el comportamiento de los métodos de integración numérica. Se verifica que con pasos temporales menores a Δt=2,3·〖10〗^(-3) [s] el error de la solución respecto a la solución anterior es menor al 0,1%, mientras que con pasos temporales menores a Δt=0,23[s] los métodos de integración numérica presentan un error relativo promedio menor al 1% al compararse entre sí. La comparación con los resultados de la publicación científica resultó satisfactoria, dado que se pudo obtener gráficos de la velocidad, tensión y factor de seguridad de la cinta bastante similares. Luego se implementa el modelo en la correa C-01 de Codelco. Se selecciona un paso temporal de Δt=5,6·〖10〗^(-4) [s] para cumplir con el criterio antes establecido, obteniendo errores relativos bajo el 0,1% respecto a las soluciones anteriores. Para el caso del arranque de la correa, se encontró un factor de seguridad mínimo de 4,90, un 0,4% menor que lo predicho por el fabricante Takraf, donde además se encontró que la tensión total máxima se obtiene en la zona previa a la polea motriz primaria. Se pudo determinar además que mientras menor sea la duración del procedimiento de arranque, la tensión dinámica es exponencialmente mayor. Respecto a la parada de la correa, se observa que el modelo no entrega resultados satisfactorios, al contrastarse con lo obtenido por Takraf. Esto se debe principalmente a que el modelo se realizó en base a bibliografía orientada al arranque, por lo que para obtener mejores resultados es necesario adicionar otros elementos al modelo y considerar factores como el peso del material al frenar. Con todo esto, se concluye que el modelo desarrollado determina de manera precisa la carga transiente máxima presente en la cinta durante el arranque.

Ingeniero Civil / Este trabajo de título propone y desarrolla una metodología simple para estimar desplazamientos permanentes inducidos en muros de tranques de relaves chilenos producto de solicitaciones sísmicas, basándose en el trabajo de Makdisi & Seed (1978). Al igual que el método original, el procedimiento propuesto calcula los desplazamientos a partir de las aceleraciones generadas en distintos puntos del muro. Para estudiar la respuesta dinámica de un tranque de relaves se implementó un modelo numérico con el software de elementos finitos GTS-NX, caracterizado con un modelo constitutivo hiperbólico y parámetros típicos de algunos de los tranques más importantes del país. Los registros se asocian a distintas superficies de falla potenciales mediante el coeficiente de aceleración máxima, kmax. Los desplazamientos se calculan a partir de la doble integración de los registros de aceleración, asumiendo que los desplazamientos de las superficies de falla se generan al superar el coeficiente pseudo-estático de fluencia ky. Los principales resultados presentan una reducción más pronunciada de la razón ky/kmax a medida que aumenta la profundidad de la superficie analizada, y un aumento en la magnitud de los desplazamientos en comparación al estudio original. De forma complementaria se estudia el efecto del modelamiento de los relaves de la cubeta en la respuesta dinámica del muro y se compara la distribución de aceleraciones y desplazamientos considerando modelos constitutivos elástico y Mohr-Coulomb para el muro. Los resultados indican una baja influencia de los relaves de la cubeta en las aceleraciones de los puntos cercanos al talud aguas abajo del muro y resultados erráticos para modelos configurados con relaciones de esfuerzo-deformación lineales.

Ingeniero Civil / Barton (1973) caracterizó la resistencia al corte de diaclasas en escala de laboratorio (~100 mm), desarrollando un criterio de resistencia al corte que considera la influencia de la rugosidad de la junta mediante el Joint Roughness Coefficient (JRC). A pesar de que inicialmente se desarrolló como un parámetro de ajuste, el JRC de diaclasas in-situ, cuyo largo varía en varios ordenes de magnitud, es determinado empíricamente mediante comparación visual con un set de perfiles representativos de pequeña escala elaborado por Barton & Choubey (1977). El objetivo de este trabajo es estudiar numéricamente el efecto de escala y el intervalo de muestreo espacial del perfil en la resistencia al corte de diaclasas bidimensionales sometidas a cargas normal constante. Se utilizaron simulaciones numéricas de elementos finitos de ensayos de corte directo para perfiles de pequeña y gran escala (~100 y ~1000 mm respectivamente), generados mediante el escalamiento de los perfiles standard de Barton & Choubey (1977), considerando además distintos intervalos de muestreo espacial y rugosidades. La elaboración de la geometría de los modelos y sus mallados, la ejecución de las simulaciones y el procesamiento de los resultados fueron automatizados para facilitar los cientos de simulaciones requeridas para el estudio. Los modelos fueron calibrados mediante análisis de sensibilidad, teniendo en consideración la precisión, convergencia y tiempo de cómputo de las simulaciones. Los resultados obtenidos muestran una buena relación con los resultados experimentales y confirman que el intervalo de muestreo en la caracterización de la rugosidad de las diaclasas afecta sus curvas tensión de corte desplazamiento. Las simulaciones de diaclasas de distinta escala, que sólo difieren en su largo y altura de asperezas manteniendo el resto de las propiedades constantes (i.e. propiedades del material, geometría del perfil, condiciones de borde), no muestran diferencias en la resistencia al corte máxima movilizada.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Sísmica / Ingeniero Civil / En este trabajo, se presenta la implementación del programa SafePy en Python , plata- forma para el modelamiento, simulación y análisis de la respuesta de estructuras ante cargas estáticas y dinámicas. El programa se desarrolla siguiendo la filosofía de programación en base a objetos bajo Python , lo cual permite reducir el tiempo de cálculo e implementación de nuevos componentes (elementos, materiales, métodos de análisis). En este trabajo de tesis, se pretende validar la plataforma para análisis no-lineal en muros de hormigón armado, utilizando elementos tipo membrana compuesto por capas. Para el desarrollo de esta plataforma, resulta necesario definir y argumentar la correcta aplicación de algoritmos y parámetros relevantes en el análisis no-lineal dinámico, tanto para los procesos de cálculo como para la definición de la respuesta de la estructura. Adicionalmente, se presenta un complemento para los métodos de integración y algoritmos de solución utilizados en análisis no-lineal, el cual busca reducir los problemas de convergencia de manera flexible. Este complemento puede ser aplicado tanto en métodos de integración estáticos (Control de carga o desplazamiento) como dinámicos (Cargas dinámicas o aceleraciones basales). Para conseguir esto, se introduce un parámetro que modifica el enfoque de solución para problemas no-lineales, imponiendo la necesidad de iterar en cada paso del análisis, incluso en el rango lineal, donde se obtienen los mismos resultados, pero con un costo computacional mayor. Lo anterior ocurre ya que este parámetro apunta a reducir complicaciones en el rango no-lineal. El nuevo enfoque permite entregar información de la estructura a la carga externa, logrando reducir la cantidad de iteraciones en que la fuerza resistente supera el valor de esta carga. Además, específicamente para el caso dinámico, este planteamiento permite independizar el comportamiento del material del incremento de tiempo, logrando controlar de forma separada la convergencia en no-linealidades y la estabilidad del método de integración.

Degeneration and age affect the biomechanics of the intervertebral disc, by reducing its stiffness, flexibility and shock absorption capacities against daily movement and spinal load. The biomechanical characterization of intervertebral discs is achieved by conducting mechanical testing to vertebra-disc-vertebra segments and applying axial, shear, bend and torsion loads, statically or dynamically, with load magnitudes corresponding to the physiological range. However, traditional testing does not give a view of the load and deformation states of the disc components: nucleus pulposus, annulus fibrosus and endplate. Thus, the internal state of stress and strains of the disc can only be predicted by numerical methods, one of which is the finite element method. The objective of this thesis was, to study the biomechanics of degenerated intervertebral discs to load conditions in compression, bending and torsion, by using mechanical testing and a finite element model of disc degeneration, based on magnetic resonance imaging (MRI). Therefore, lumbar discs obtained from cadavers corresponding to spinal levels L2-L3 and L4-L5 with mild to severe degeneration were used. Intervertebral osteochondrosis and spondylosis deformans were identified, being the disc space collapse, the most striking feature. Next, all discs were tested to static and dynamic load conditions, the results gained corresponded to the disc stiffness (in compression, bending and torsion), stress relaxation and dynamic response. Of these, the stiffness response was used to validate the disc model. The testing results suggest that discs with advanced degeneration over discs with mild degeneration are, less rigid in compression, less stiffer under bending and torsion, showed less radial bulge, and reduce their viscoelastic and damping properties. This study shows that degeneration has an impact on the disc biomechanical properties which can jeopardize normal functionality. Development of one finite element model of disc degeneration started by choosing a MRI of a L2-L3 disc. Segmentation of vertebra bone and disc materials followed, and were based on pixel brightness and radiology fundamentals, then a finite element mesh was created to account for the disc irregular shape. The disc materials were modeled as hyperelastic and the bone materials were modeled as orthotropic and isotropic. Adjustment of material properties was based on integrity of the annulus fibrosus, giving a stiffness value matching that of a mild degeneration disc. Then, validation of the model was performed, and included a study of the distributions of stress and strain under loads of compression, bending and torsion. The results from all load simulations show that the disc undergoes large deformations. In contrast, the vertebrae are subjected to higher stress but with negligible deformations. In compression, the model predicted formation of symmetrical disc bulge which agree with the testing behavior. The nucleus pulposus showed to be the principal load carrier with negative principal stresses and strains. In bending and torsion, the annulus fibrosus showed to be the principal load carrier with large symmetrical principal strains and stresses for the former loading and large shearing for the latter. The study showed the importance of soft tissue deformation, mostly noticed in advanced degeneration. In contrast, the higher stresses in the vertebra over those of the intervertebral disc showed the relevance of bone predisposition to fracture. Such kind of studies, should contribute to the understanding of the biomechanics of the intervertebral disc. / La degeneración y edad afectan la biomecánica del disco intervertebral, reduciendo la capacidad de rigidez, flexibilidad y atenuación de impactos, contra el movimiento y carga del raquis. La caracterización biomecánica del disco se realiza con ensayos mecánicos a segmentos de vértebra-disco-vértebra y aplicando cargas axiales, cortantes, flexión y torsión, estáticas ó dinámicas, con magnitudes de carga según el intervalo fisiológico. Sin embargo, las pruebas tradicionales no dan una visión de los estados de carga y deformación de los componentes del disco: núcleo pulposo, anillo fibroso y placa terminal. Por lo tanto, el estado interno de esfuerzos y deformaciones del disco, solo puede ser predicho con métodos numéricos, uno de los cuales es el método de elemento finito. El objetivo de esta tesis fue, estudiar la biomecánica de discos intervertebrales degenerados a las condiciones de carga en compresión, flexión y torsión, mediante el uso de ensayos mecánicos y de un modelo de elementos finitos de la degeneración de disco, basado en imágenes con resonancia magnética (MRI). Por lo tanto, se usaron discos lumbares L2-L3 y L4-L5 obtenidos de cadáveres, con degeneración leve a severa. Se identificó osteocondrosis intervertebral y espondilosis deformante, siendo el colapso del espacio intervertebral el aspecto más relevante. Luego, todos los discos fueron ensayados a condiciones de carga estática y dinámica, y los resultados correspondieron a la rigidez del disco (a compresión, flexión y torsión), a la relajación de tensiones y a la respuesta dinámica. De éstos, la rigidez fue usada para validar el modelo de disco. Los resultados de los ensayos sugieren que los discos con degeneración avanzada sobre aquellos con degeneración leve son, menos rigidos a compresión, menos rigidos a flexión y torsión, presentan menor protuberancia radial, y reducen sus propiedades viscoelásticas y de amortiguamiento. El estudio muestra que la degeneración impacta las propiedades biomecánicas del disco, poniendo en riesgo la funcionalidad normal. El desarollo de un modelo de elementos finitos de la degeneración de disco inició eligiendo una secuencia de resonancia magnética de un disco L2-L3. La segmentación de los materiales del disco y de las vértebras se realizó basado en intensidad de brillo del pixel y en fundamentos de radiología, y se creó una malla de elementos finitos correspondiente a la forma irregular del disco. Los materiales del disco se modelaron como hiperelásticos y los tejidos óseos se modelaron como materiales ortotrópicos e isotrópicos. El ajuste de propiedades de los materiales fue basado en la integridad del anillo fibroso, y dio una rigidez correspondiente a la de un disco con degeneración leve. Luego, se realizó la validación del modelo, e incluyó un estudio de las distribuciones de esfuerzo y deformación a las condiciones de carga en compresión, flexión y torsión. Los resultados de todas las simulaciones de carga mostraron que el disco es sometido a grandes deformaciones. En contraste, las vértebras fueron sometidas a mayores esfuerzos pero con deformaciones insignificantes. En compresión, el modelo predijo la formación de una protuberancia radial simétrica, en concordancia con la experimentación. El núcleo pulposo mostró ser el portador principal de carga, con tensiones y deformaciones principales negativas. En flexión y torsión, el anillo fibroso mostró ser el portador principal de carga, con grandes deformaciones y tensiones principales simétricas para la primera carga, y con grandes tensiones cortantes para la segunda carga. El estudio mostró la importancia de las deformaciones de los tejidos blandos, principalmente notados en la degeneración avanzada. Por el contrario, las tensiones mayores en los cuerpos vertebrales sobre aquellas del disco intervertebral mostraron la relevancia de la predisposición a las fracturas óseas. Este tipo de estudio debe contribuir a la comprensión de la biomecánica del disco intervertebral.

Thesis (Ph. D.)--Virginia Polytechnic Institute and State University, 1995. / Vita. Abstract. Includes bibliographical references (leaves 165-179). Also available via the Internet.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-04-01Bitstream added on 2014-06-13T19:26:20Z : No. of bitstreams: 1 octaviani_cv_me_ilha.pdf: 1966568 bytes, checksum: f883f82b46613da6228b8b28a1809cfd (MD5) / A simulação computacional de escoamentos de fluidos ou dinâmica de fluidos computacional (CFD) tem se constituído cada vez mais em uma ferramenta muito útil no projeto de equipamentos nos quais este tipo de processo está presente. Diversas técnicas computacionais têm sido desenvolvidas para este fim. Entre estas técnicas, o método de elementos finitos (FEM) tem ganhado espaço na solução de problemas, principalmente em domínios complexos. O método clássico de elementos finitos também denominado de método de elementos finitos de Galerkin (GFEM) é ótimo para solução de problemas difusivos, entretanto, para o caso de problemas com convecção dominante como ocorre em muitos problemas de escoamentos de fluidos, o GFEM produz soluções oscilantes para altos números de Reynolds. Diversas técnicas têm sido associadas à discretização dos termos convectivos nas equações de Navier-Stokes para remediar a deficiência do GFEM. Uma destas técnicas é denominada na literatura de Chracteristic Based Split (CBS) e tem sido aplicada com sucesso para estabilização das soluções de problemas convectivos usando o GFEM. Neste trabalho, o GFEM associado ao esquema CBS será aplicado para simulação de casos de escoamentos bidimensionais / The computer simulation of fluid flow or computational fluid dynamics (CFD) has been constituted in an increasingly useful tool in the design of equipment where this type of process is present. Several computational techniques have been developed for this purpose. Among those techniques, the finite element method (FEM) has gained importance in solving problems, especially in complex domains. The classic method of finite elements also called Galerkin finite element method (GFEM) is optimal for solving diffusion problems, however, in case of problems with dominant convection as in many problems of fluid flow, the GFEM produces oscillating solutions for high Reynolds numbers. Several techniques have been associated with the discretization of the convective terms in the Navier-Stokes equations to remedy the deficiency of GFEM. One of those techniques is known in the literature as Chracteristic Based Split (CBS) and has been applied successfully to stabilize the GFEM when it is used to solve convective problems. In this work, the GFEM associated with CBS scheme is applied to simulation of two-dimensional flows