Hip fracture has been identified as a major worldwide health problem among the elderly population. A fast, accurate and effective evaluation of hip fracture risk is essential for accurate health care planning and selecting a proper treatment. Therefore, the high applicability and the universal availability are required for assessing a technique. The objective of this study was to develop a two-dimensional subject-specific beam model, which is easy to be adopted into a clinical environment to assess hip fracture risk. First, the equivalence between CTXA (computed tomography X-ray absorptiometry) and QCT (quantitative computed tomography) derived femur cross-section stiffness was studied. Then, the CTXA-based femur cross-section stiffness was used in the beam model to calculate the hip fracture risk index (FRI) during sideways fall and single-leg stance loading configuration. Finally, the test of discrimination between PPI (proton-pump inhibitor) users and non-PPI users based on cross-sectional stiffness, BMD (bone mineral density) and FRI was conducted to demonstrate if PPI use is associated with the presence of osteoporosis or accelerated BMD loss. Strong correlation is found between CTXA and QCT derived femur cross-section stiffness, which indicates that QCT can be replaced by CTXA in assessing femur bone quality. Therefore, DXA can be a replacement of QCT to calculate femur cross-sectional properties due to the equivalence between CTXA and DXA derived mechanical properties. It is also demonstrated that the cross-sectional stiffness, BMD, and FRI cannot discriminate the PPI users from non-PPI users, which means that there is no difference between PPI users and non-PPI users in cross-sectional stiffness, BMD, and FRI. This may suggested that PPI use is not associated with the presence of osteoporosis or accelerated BMD loss. The proposed beam model can be easily adopted into clinic to predict hip fracture risk, and this beam model derived FRI can be used in some clinical verification. Yet its accuracy of discriminate fracture will be investigated in a future study. / May 2017

Radiation therapy with light ions improves treatment outcome for a number of tumor types. The advantageous dose distributions of light ion beams en-able exceptional target conformity, which assures high dose delivery to the tumor while minimizing the dose to surrounding normal tissues. The demand of high target conformity necessitates development of accurate methods to calculate absorbed dose distributions. This is especially important for heavy charged particle irradiation, where the patient is exposed to a complex radia-tion field of primary and secondary ions. The presented approach combines accurate Monte Carlo calculations using the SHIELD-HIT07 code with a fast analytical pencil beam model, to pro-vide dose distributions of light ions. The developed model allows for ana-lytical descriptions of multiple scattering and energy loss straggling proc-esses of both primary ions and fragments, transported in tissue equivalent media. By applied parameterization of the radial spread of fragments, im-proved description of radial dose distributions at every depth is obtained. The model provides a fast and accurate tool of practical value in clinical work. Compared to conventional radiation modalities, an enhanced tissue response is seen after light ion irradiation and biological optimization calls for accu-rate model description and prediction of the biological effects of ion expo-sure. In a joint study, the performance of some radiobiological models is compared for facilitating the development towards more robust and precise models. Specifically, cell survival after exposure to various ion species is modeled by a fast analytical cellular track structure approach in conjunction with a simple track-segment model of ion beam transport. Although the stud-ies show that descriptions of complex biological effects of ion beams, as given by simple radiobiological models, are approximate, the models may yet be useful in analyzing clinical results and designing new strategies for ion therapy.

Cette thèse traite de l'analyse limite des structures de châssis en acier, qui s'utilise souvent comme la structure principale de support des bâtiments. La structure du cadre en acier est caractérisée par une réponse très ductile et un grand potentiel pour dissiper l'énergie, ce qui est crucial pour la résistance par rapport aux tremblements de terre. La ductilité dans la réponse de la structure est la cause du comportement du matériau lui-même et du comportement des connexions entre les éléments de la structure. Les connexions entre les poutres et les poteaux peuvent influencer de manière significative la réponse de la structure du cadre en acier, parfois jusqu'à 30%. L'idée est de intégrer le comportement des connexions par les éléments de poutres qui seront situés dans les coins du cadre et la modélisation du reste serra fait avec des éléments de poutres non-linéaires qui décrirons le comportement des poutres en acier. Cette recherche est composée de deux parties. La première partie est consacrée au comportement des connexions structurelles, la deuxième partie présente le développement de l'élément fini du faisceau non linéaire capable de représenter le comportement ductile d'un élément de la structure en acier. Dans la première partie de la thèse, nous définissons la procédure d'identification des paramètres constitutifs pour le modèle couplé de plasticité-dégâts avec dix-huit inconnus. Ce modèle constitutif est très robuste et capable de représenter une large gamme de problèmes. La procédure définie a été utilisée dans la préparation de tests expérimentaux pour trois types de connexions en acier structuré. Les tests expérimentaux ont été effectués pour deux cas de charge. Pour la première, la charge a été appliquée dans un sens avec les cycles de chargement et de déchargement. À partir des mesures expérimentales, nous avons conclu que le modèle de plasticité peut bien représentée le comportement de la connexion structurale. Paramètres constitutifs ont été déterminés à partir des résultats de l'expérimentation, on a utilisé une poutre géométriquement exacte avec la loi bilinéaires renforcement du matériel et la loi linéaire pour le ramollissement. Également, on a effectué des essais expérimentaux de deux types de raccords en acier en cas de chargement cyclique. Les données mesurées montrent que le modèle de la plasticité n'est pas assez bon pour décrire le comportement de connexion pour ce type de charge. A savoir, en raison de changements du sens de l'application du chargement, les connexions montrent moins de rigidité, qui peut être décrite avec un modèle constitutif de dommages. Pour cette raison, nous avons développé un nouveau modèle plasticité-dommages qui est capable d'inclure le phénomène mentionné ci-dessus. A la fin de cette section est faite l'identification des paramètres constitutifs. La deuxième partie de la thèse de doctorat est composé de formulations théoriques et la mise en œuvre numérique des faisceaux géométriquement exacte. La réponse de durcissement de la poutre comprend l'interaction entre les forces de la section résultant du stress (N, T et M), et la réponse de ramollissement est définit par la loi non linéaire. Ce type d'élément fini de poutre est capable de décrire le comportement ductile des structures en acier et inclure les effets du second ordre, qui sont très importantes pour l'analyse ultime des structures de cadre en acier. L'élément fini développé de poutre géométriquement exacte et les lois définies de liaison de comportement dans la construction en acier, offrant la possibilité d'une analyse de haute qualité des structures en acier. En utilisant les modèles de poutre proposé et la méthodologie de modélisation des structures de châssis en acier, il est possible de déterminer une distribution réaliste des forces de section transversale , y compris la redistribution due à la formation de rotules plastiques. / This thesis deals with the ultimate load limit analysis of steel frame structures. The steel frame structure has a very ductile response and a large potential to dissipate energy, which is crucial in the case of earthquakes. The ductility in the response of the structure comes from the behavior of the material itself and the behavior of the semi-rigid structural connections. The semi-rigid connections between beams and columns can significantly influence the response of the structure, sometimes up to 30%. In this thesis, we propose a methodology for modeling steel frame structures with included connection behavior. The idea is to model the behavior of the structural connections by the beam elements positioned in the corners of the steel frame structure. Other members of the steel frame structure, steel beams, and columns, will be modeled with nonlinear beam elements. This research consists of two parts. The first part deals with the behavior of the structural steel connections. In the second part, we present the development of the nonlinear beam element capable of representing the ductile behavior of steel structural elements, beams and columns. In the first part of the thesis, we define constitutive parameters identification procedure for the coupled plasticity-damage model with eighteen unknowns. This constitutive model is very robust and capable of representing a wide range of problems. The identification procedure was used in the preparation of experimental tests for three different types of structural steel connections. The experimental tests have been performed for two load cases. In the first, the load was applied in one direction with both the loading and unloading cycles. From the experimental measurements, we have concluded that the response of the experimental structure can be represented by the plasticity model only because no significant change in the elastic response throughout the loading program was observed. Therefore, we have chosen an elastoplastic geometrically exact beam to describe connection behavior. The hardening response of the beam is governed by bilinear law, and the softening response is governed by nonlinear exponential law. The identification of the parameters has been successfully done with fifteen unknown parameters identified. The two types of the experimental structures were also exposed to the cyclic loading. Measured experimental data shows complex connection behavior that cannot be described by the plasticity model alone. Namely, after changing load direction stiffness of the connection decreases. This suggests that the damage model should be incorporated in the constitutive law for the connections behavior as well. Therefore, we propose a new coupled plasticity-damage model capable of representing the loss in the stiffness of the connection with the changing of the load direction. At the end of this part, we also give the constitutive parameters identification for the proposed model. The second part of the thesis deals with the theoretical formulation and numerical implementation of the elastoplastic geometrically exact beam. The hardening response of the beam includes interaction between stress resultant section forces (N, T and M), and the softening response of the beam, which is governed by the nonlinear law. This type of the beam element is capable of representing the ductile behavior of a steel frame structure, and it takes into account second order theory effects. Performed numerical simulations show that the proposed geometrically nonlinear beam element is very robust and is able to provide a more precise limit load analysis of steel frame structures. By using proposed methodology for modeling steel structures, we are able to obtain the real distribution of section forces, including their redistribution caused by forming of the hinges and the connections behavior.

Master’s thesis „Behavioral studies of the timber footbridges structures“ deals with static models of timber footbridges. This thesis mainly consists of the behavioral study of historical timber footbridge in the village of Černvír in Vysočina. Based on the actual design of the bridge a three-dimensional beam model was created. This thesis also includes two contemporary alternatives of timber covered bridges. The individual structural elements were assessed according to the applicable standards. To analyze the model FEM program SCIA Engineer 2012 was used.

The topic of my Diploma’s thesis is a fatigue analyzing and judgmenting of main frame casting cat bridge crane. Use the beam model and thin shell model for comparising. The thesis contains of both of computation model. The loading states results of computation model are attachmented of this thesis. This diploma’s thesis was created for Kralovopolska a.s. company.

The diploma thesis deals with crab frame of bridge magnet crane with lifting capacity 15t used in steel mill for handling billets. Thesis contains strength analysis and fatigue strength check of crab frame based on ČSN EN 13001. Strength analyses are made by using beam and shell models of finite element method. The diploma thesis was carried out in cooperation with Královopolská a.s. company.

This master thesis describes design of frame construction of Formula Student car. The objective was to reduce weight and increase the torsional stiffness against to last version of the car. Next objective was to prove advantages of alternative frame. This had been achieved by gradual transformation of standard design of frame to alternative with the usage of FSAE alternative frame rules. The weight was reduced by 20% and torsional stiffness was increased by 34% thanks to FEM simulation and sophisticated changes of alternative frame design.

[EN] The combination of different materials to form a single structural member to take profit of their individual good characteristics is a successfully established practice in building industry. In concrete filled tubular columns (CFT) the combined action of steel and concrete results in many positive attributes at ambient temperature: high load-bearing capacity with smaller cross-section size, aesthetics, high stiffness and ductility and reduced construction cost. In the last decades, the use of CFT columns in building industry, especially in high-rise buildings, has increased not only because of their positive characteristics at room temperature, but also for their inherent high fire resistance. Besides, CFT sections are greatly versatile given that they admit different types of concrete infill such as plain concrete, bar-reinforced concrete or fiber reinforced concrete; and also a wide variety of shapes. Although the more commonly used shapes are circular, and rectangular, new configurations and shapes are continuously appearing together with innovative materials. The ambient temperature behavior of CFT columns has been deeply studied and, in turn, the investigations dealing with their fire behavior have increased. For its structural analysis, the column can be considered as an isolated member or as a column integrated in a structure interacting with other structural members. The review of the state of the art in the area of CFT columns in fire carried out in the framework of this thesis has pointed out that most works cover the fire response of isolated members and that the existing studies on columns within frames differ in their proposals and conclusions. In this thesis, the fire response of CFT columns is analyzed by means of a fiber beam element model. First, a realistic cross-sectional thermal model is implemented to be integrated in the thermo-mechanical model developed whose accuracy is validated against experimental results after its calibration. Parametric studies are carried out with the aim of investigating the main factors affecting the problem and developing a simple calculation method based on Eurocode 4 and using the concept of equivalent concrete core cross-section. Finally, given the reduced computational cost of the fiber model, the effects of axial and rotational restraint in the fire response of CFT columns are investigated by integrating the heated CFT column within a frame. A parametric analysis is performed in order to draw conclusions about this interaction and contrast the current code provisions. The scope of this thesis is limited to circular CFT columns subjected to concentric axial loads. / [ES] Combinar diferentes materiales en un único elemento estructural para aprovechar las fortalezas individuales de cada uno es una práctica consolidada con éxito en el sector de la construcción. En los pilares tubulares de acero rellenos de hormigón (CFT) la acción conjunta del acero y el hormigón presenta muy buenas cualidades a temperatura ambiente: alta capacidad de carga con secciones pequeñas, buena apariencia, alta rigidez y ductilidad y bajo coste de puesta en obra. En las últimas décadas, el uso de pilares CFT en el sector de la construcción, especialmente en edificios de gran altura, ha aumentado no solo debido a sus buenas características a temperatura ambiente sino también por su inherente alta resistencia al fuego. Además, las secciones de pilares CFT son muy versátiles ya que admiten diferentes tipos de relleno, como hormigón en masa, con armaduras o reforzado con fibras; y también una amplia variedad de formas. Aunque los perfiles tubulares más usados son los circulares y rectangulares, nuevas configuraciones están continuamente en desarrollo junto con nuevos materiales. El comportamiento de los pilares CFT a temperatura ambiente ha sido ampliamente estudiado y, a su vez, las investigaciones sobre su comportamiento a fuego han aumentado. Para su análisis estructural, el pilar puede ser considerado como un elemento aislado o como un elemento integrado en una estructura que interactúa con otros elementos estructurales. La revisión del estado del arte en el área de los pilares CFT sometidos a fuego llevado a cabo en el marco de esta tesis ha puesto de manifiesto que la mayoría de los trabajos cubren la respuesta a fuego de elementos aislados y que los estudios existentes sobre pilares en estructuras difieren en sus propuestas y conclusiones. En esta tesis, la respuesta a fuego de pilares CFT se analiza por medio de un modelo de elementos viga con integración por fibras. En primer lugar, se implementa un modelo térmico realista para ser integrado en el modelo termo-mecánico desarrollado cuya precisión se valida con resultados experimentales después de ser calibrado. Un estudio paramétrico se lleva a cabo con el objeto de estudiar los principales factores que afectan al problema y desarrollar un modelo simplificado de cálculo basado en el Eurocódigo 4 Parte 1-1 y que emplea el concepto de sección equivalente del núcleo de hormigón. Finalmente, dado el reducido coste computacional del modelo de fibras, se investigan los efectos de la restricción axial y rotacional en la respuesta frente al fuego de los pilares CFT integrando la columna expuesta a fuego dentro de una subestructura. Se ejecuta un estudio paramétrico para extraer conclusiones sobre esta interacción y contrastar las prescripciones de la normativa actual. El alcance de esta tesis queda limitado a pilares CFT sin protección externa, de sección circular y sometidos a carga axial centrada. / [CA] Combinar distints materials en un únic membre estructural per a aprofitar les fortaleses individuals de cada u és una pràctica consolidada amb èxit en el sector de la construcció. En els pilars tubulars d'acer omplerts de formigó (CFT) l'acció conjunta de l'acer i el formigó presenta molt bones qualitats a temperatura ambient: alta capacitat de càrrega amb seccions xicotetes, bona aparença, alta rigidesa i ductilitat i baix cost de posada en obra. En les últimes dècades, l'ús de pilars CFT en el sector de la construcció, especialment en edificis de gran altura, ha augmentat no sols degut a les seues bones característiques a temperatura ambient, sinó també per la seua inherent alta resistència al foc. A més, les seccions de pilars CFT són molt versàtils, doncs admeten distints tipus de farcit, com formigó en massa, amb armadures o reforçat amb fibres; i també una àmplia varietat de formes. Encara que els perfils tubulars més usats són els circulars i rectangulars, noves configuracions estan contínuament en desenvolupament junt amb nous materials. El comportament dels pilars CFT a temperatura ambient ha sigut àmpliament estudiat i, al mateix temps, les investigacions sobre el seu comportament a foc han augmentat. Per a la seua anàlisi estructural, el pilar pot ser considerat com un element aïllat o com un element integrat en una estructura que interactua amb altres elements estructurals. La revisió de l'estat de l'art en l'àrea dels pilars CFT sotmesos a foc, duta a terme en el marc d'aquesta tesi, ha posat de manifest que la majoria dels treballs cobreixen la resposta a foc d'elements aïllats, i que els estudis existents sobre pilars en estructures difereixen en les seues propostes i conclusions. En aquesta tesi, la resposta a foc de pilars CFT s'analitza mitjançant un model d'elements biga amb integració per fibres. En primer lloc, s'implementa un model tèrmic realista per a ser integrat en el model termo-mecànic desenvolupat, i la seua precisió es valida amb resultats experimentals desprès de ser calibrat. Un estudi paramètric es du a terme amb l'objectiu d'estudiar els principals factors que afecten al problema i desenvolupar un model simplificat de càlcul basat en l'Eurocodi 4, Part 1-1 i que empra el concepte de secció equivalent del nucli de formigó. Finalment, tenint en compte el reduït cost computacional del model de fibres, s'investiguen els efectes de les restriccions axial i rotacional en la resposta a foc dels pilars CFT integrant la columna exposada a foc dins d'una subestructura. Un estudi paramètric s'executa per a obtenir conclusions sobre aquesta interacció i contrastar les prescripcions de la normativa actual. L'abast d'aquesta tesi queda limitat a pilars CFT sense protecció externa, de secció circular i sotmesos a càrrega axial centrada. / Ibáñez Usach, C. (2016). FIRE RESPONSE ANALYSIS OF CIRCULAR CONCRETE FILLED TUBULAR COLUMNS AND THE EFFECTS OF AXIAL AND ROTATIONAL RESTRAINTS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/60150 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

Avec l’essor de l’électronique embarquée, les câbles électriques constituentune part importante des pièces automobiles tandis que l’espace à bord n’a cessé de diminuer. Leur flexibilité requiert la prédiction de leur déformation durant leur montage afin d’éviter le contact avec d’autres pièces du véhicule et leur endommagement. Les outils actuels ne permettent pas une prédiction assez réaliste et précise de leur comportement, nécessaire dans un volume de travail très restreint. Les étapes de montage sont donc validées via la réalisation de maquettes réelles coûteuses. Cette thèsea pour but d’améliorer la simulation numérique de ces pièces souples. Nous proposonsici un code de simulation 3D basé sur un modèle de poutre géométriquement exact résolu par la méthode des éléments finis. Son originalité tient dans le couplage des quaternions pour modéliser les rotations 3D et de la méthode asymptotique numérique pour la continuation du système non linéaire qui lui confère une grande robustesse. Un banc d’essai permettant l’identification des paramètres homogénéisés nécessaires au modèle numérique et sa validation par comparaison de la géométrie finale et du chemin d’équilibre est présenté. Combinés à des développements analytiques sur les modèles de poutres avec cisaillement, les essais mènent à une évaluation critique du modèle deTimoshenko 3D pour la représentation des torons de câbles. / With on-board electronics expansion, electrical cables are an essential partof automotive pieces and the space on board has plummeted. Their flexibility requires to predict their deformation during vehicle assembly in order to avoid the contact with other pieces and damaging. Current numerical tools do not allow a realistic and accurate prediction, which is necessary in the obstructed car space. Assembly steps thus are validated on costly physical mock-ups. This thesis aims at improving numerical simulation of these flexible pieces. We herein propose a 3D algorithm based on a geometrically exact beam model solved by the finite element method. This work’s originality stands in coupling quaternions as rotational parameters and the asymptotic numerical method as nonlinear solver which results in a very robust algorithm. A test bench designed to identify the homogenized beam parameters of the numerical model and to validate it by offering a comparison on the final geometry and the equilibrium path is presented. Analytical developments on shear beams and the results of these experimental tests lead to a critical evaluation of the 3D Timoshenko model for representing stranded cables.

Le bruit de roulement est la principale source de bruit des transports ferroviaires pour des vitesses conventionnelles. Il est produit par les vibrations puis le rayonnement acoustique du matériel roulant et de la voie provoqués par le déplacement de la roue et du rail. Ce déplacement est imposé par les défauts microscopiques de surface présents sur les bandes de roulement appelés rugosité.La directive Européenne 2002/49/CE exige la réalisation la cartographies du bruit des infrastructures de transport. Le bruit dans l’environnement peut être prédit par des modèles dont les paramètres d’entrées sont notamment le comportement dynamique de la voie et la rugosité des rails. Ces données sont généralement évaluées par des systèmes de mesures statiques, ce qui limite la caractérisation de la voie à quelques dizaines ou centaines de mètres.Cette thèse a pour objectif de proposer et de valider une méthodologie de mesure de l'état acoustique de la voie sur l’ensemble du réseau. La solution proposée est un système de mesure en situation embarquée nommé LECAV pour « LECture Acoustique de la Voie », qui utilise le bruit rayonné par la voir et par la roue. Leurs gammes de fréquences de rayonnement distinctes permettent de traiter le problème inverse séparément pour la roue et pour le rail, et ceux à partir de l’impédance acoustique.Un modèle vibroacoustique basé sur la méthode des éléments finis et la formulation intégrale de Rayleigh est proposé afin d’estimer l’impédance acoustique de la roue. Pour le rail, les théories des poutres épaisses et des sources ponctuelles élémentaires sont utilisées dans le but de modéliser son impédance acoustique. / The rolling noise is the main source of noise in the railway transport sector at conventional speed. It is produced by the vibration and the acoustic radiation of the vehicle and the railway track, caused by the movement of at the wheel and the rail. These movements are imposed by microscopic irregularities on the rolling surface called roughness.The 2002/49/EC European directive imposes to build noise maps of transport infrastructure. The noise propagating in the environment can be assessed from models whose input parameters are particularly the dynamic behavior of railway tracks and the roughness of rails. These data are generally measured thanks to static systems, which narrow down to the analysis of railway tracks to a few meters.The aim of this Phd is to propose and validate a measurement methodology for the acoustic characterization of tracks for the whole railway network. It is an on-board measurement system named LECAV for "LECture Acoustique de la Voie" in French ("Acoustic reading of railway track") that uses the noise radiated from the wheel and the rail. The respective frequencies ranges of noise emission allow solving the invers problem separately for the wheel and for the rail, and this with the acoustic impedance.