Estudo numérico e experimental do comportamento à fadiga do tecido ósseo cortical sob solicitação de modo I
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Data
2017-08-30
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Resumo
A fadiga é um fenómeno responsável pelo colapso de muitos materiais, sendo o resultado do desenvolvimento do dano em sequência da exposição a um regime de carregamento cíclico. No tecido ósseo cortical este fenómeno é induzido por cargas aplicadas pelos músculos aos ossos através dos tendões, por meio das inserções. Este problema, que é mais comum em indivíduos com elevada atividade física, é responsável por longos períodos de inatividade e consequente perda de qualidade de vida. Por esse motivo, entende-se que a caracterização à fadiga do tecido ósseo constitui um tópico de investigação de grande importância. O comportamento à fadiga deste material também pode ser correlacionado com a toma de fármacos, com a idade e com a atividade física. Neste contexto, considerou-se oportuno realizar um estudo de caracterização experimental à fadiga do tecido ósseo cortical, empregando um modelo animal (bovino adulto). Nesse estudo optar-se-á por uma geometria de provetes que permita assegurar a iniciação e a propagação do dano em puro modo I. Assim, escolher-se-á o ensaio Double Cantilever Beam (DCB), por razões que se prendem com a sua simplicidade, a que se impura um regime de carregamento cíclico, com controlo de deslocamento. Optar-se-á pelo sistema de propagação TL (i.e., Tangencial-Longitudinal) do tecido ósseo, por razões que se prendem com a maior facilidade de produção dos provetes e propensão à iniciação e propagação do dano.
Neste estudo, serão identificados por via experimental os parâmetros da lei de Paris do tecido ósseo em modo I. Estes parâmetros permitem caracterizar o regime linear que se observa no andamento da taxa de crescimento do comprimento de fenda versus taxa de libertação de energia de deformação máxima.
Fatigue is at the origin of the collapse of many materials, being responsible for the development of damage as the result of the exposition to cyclic loading. In cortical bone tissue this phenomenon is induced by repetitive loads applied by the muscles to bones through the tendons, in insertion sites. This problem is more common in athletes and people undergoing repetitive movements (occupational diseases), being responsible for long periods of inactivity and subsequent loss of life quality. As a consequence, fatigue characterization of cortical bone tissue constitutes an important research topic. The correlation of bone fatigue tenacity with the consumption of drugs, age or performance of physical activities is also of major importance. Thus, an experimental study on the fatigue characterization of bovine cortical bone tissue (animal model) will be performed. In this test damage will be induced under mode I loading using the Double Cantilever Beam (DCB) test, under displacement control. The justification for this geometry is associated to do the facility to produce specimens. Also, the TL (Tangential-Longitudinal) fracture propagation system will be chosen to take advantage of its propensity to stable damage initiation and propagation under loading. The parameters of the Paris law will be experimentally determined, allowing to define the fatigue behaviour of the tested material in the linear region of the diagram that expresses the crack growth rate with the maximum strain rate.
Fatigue is at the origin of the collapse of many materials, being responsible for the development of damage as the result of the exposition to cyclic loading. In cortical bone tissue this phenomenon is induced by repetitive loads applied by the muscles to bones through the tendons, in insertion sites. This problem is more common in athletes and people undergoing repetitive movements (occupational diseases), being responsible for long periods of inactivity and subsequent loss of life quality. As a consequence, fatigue characterization of cortical bone tissue constitutes an important research topic. The correlation of bone fatigue tenacity with the consumption of drugs, age or performance of physical activities is also of major importance. Thus, an experimental study on the fatigue characterization of bovine cortical bone tissue (animal model) will be performed. In this test damage will be induced under mode I loading using the Double Cantilever Beam (DCB) test, under displacement control. The justification for this geometry is associated to do the facility to produce specimens. Also, the TL (Tangential-Longitudinal) fracture propagation system will be chosen to take advantage of its propensity to stable damage initiation and propagation under loading. The parameters of the Paris law will be experimentally determined, allowing to define the fatigue behaviour of the tested material in the linear region of the diagram that expresses the crack growth rate with the maximum strain rate.
Descrição
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
Palavras-chave
Osso , Tecido ósseo , Fadiga , Energia , Libertação , Lei de Paris