Analysis of the Physical Behavior of Spine Joints: Application / Development of Complex Structures

Salsabili, Neda (2019). Analysis of the Physical Behavior of Spine Joints: Application / Development of Complex Structures. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Edificación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.58192.

Description

Title: Analysis of the Physical Behavior of Spine Joints: Application / Development of Complex Structures
Author/s:
  • Salsabili, Neda
Contributor/s:
  • Santiago López, Joaquín
  • Prieto Barrio, María Isabel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Edificación (UPM)
Department: Tecnología de la Edificación
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La arquitectura biónica, como parte principal de la Biónica, trata de diseñar y construir edificios basados en diseños y líneas de formas naturales imitando los principios geométricos de la naturaleza. En el siglo XXI, el movimiento de la arquitectura biónica maduró al incorporar los principios biológicos, matemáticos y mecánicos de la naturaleza en el diseño arquitectónico y evolucionó para ser conocido como arquitectura derivada de la naturaleza. En particular, la importancia de este campo se convierte en primordial en una era de crisis ecológica y una necesidad de adaptabilidad y flexibilidad. En este sentido, la forma dentro del curso de la evolución natural, las formas flexibles y la estructura que han sido capaces de rectificar a través de los cambios de la evolución natural demuestran ser las fuentes de inspiración más poderosas y eficientes. Existen diferentes tipos de criaturas naturales para modelar en el campo de la arquitectura biónica. Esta tesis se centró en la articulación de la columna vertebral como un buen ejemplo de estructuras naturales flexibles y adaptadas que son similares a otras articulaciones humanas, al tener estas seis características clave, 1- forma estética al armonizar en respuesta a las fuerzas ambientales, 2- complejidad, facilitando simultáneamente para funciones de flexión, extensión, abducción, aducción, rotación y circunducción, 3- comodidad al asegurar la estabilidad en diferentes posiciones, 4- dinámica al facilitar el equilibrio a través de movimientos flexibles y fuerzas internas y externas, 5- sistema estructural de luces y 6- forma modular por su estructura repetida. Los roles desempeñados por la articulación de la columna vertebral son muy similares al tipo de rol requerido dentro del diseño industrial y de la construcción, por lo que es un elemento natural que puede informar el futuro de la arquitectura y el diseño industrial. Esta simulación se realiza mediante el uso de la combinación de programas y software de biología, construcción, matemáticas, mecánica y computación. Sin embargo, la simulación de dicha estructura requeriría una simplificación de la complejidad estructural y material de la articulación de la columna vertebral de acuerdo con los recursos arquitectónicos y de construcción disponibles. Esto, a su vez, también facilitaría el proceso de modelado de tales estructuras para la bioingeniería y la construcción de prótesis, así como otras estructuras. El método de elementos finitos que se utiliza en esta investigación al usar un rango diferente de propiedades es bueno para modelar diferentes partes geométricas y puede ayudar a simular, analizar e investigar el efecto de simplificación de las partes materiales de la columna lumbar humana de una manera más fácil y más fiable, evitando el daño a la columna vertebral, reduciendo el tiempo, las pruebas, los prototipos físicos y los usos del material, mejorando la seguridad y la información, optimizando la geometría diferente para las prótesis y las diferentes condiciones fisiológicas, midiendo diferentes distribuciones de tensiones, desplazamientos y mecanismos de transferencia de carga, y finalmente, ayudando a desarrollar los nuevos implantes espinales. Por lo tanto, ofrece ventajas en comparación con los métodos in vivo que tienen limitaciones en términos de medición, obtención de la muestra y la variación de la muestra, son costosos y se ha informado que consumen mucho tiempo. Para hacer las nuevas estructuras basadas en la columna lumbar humana al tener sus propiedades anatómicas y mecánicas en el método de FE para la construcción de uniones y estructuras adicionales, en esta tesis se utilizó una metodología basada en cuatro fases: primero se hizo la FE de madera utilizando una combinación de software diferente con los datos de tomografía computarizada, fórmula verificada y técnicas para calcular el modelo, y la combinación de materiales, cargas y propiedades geométricas de los datos del modelo validado, en segundo lugar, se eliminaron sus materiales en cuatro pasos continuos, en tercer lugar, despojado de sus estructuras en cuatro pasos continuos también, y finalmente fue escalado 10 y 100 veces más para comprobar su sensibilidad para modelar las juntas del edificio y la estructura del edificio. El modelo en cada parte de la metodología se validó al comparar sus datos de presión intradiscal (IDP) y rango de movimiento (ROM) con datos experimentales in vitro e in vivo. Hemos demostrado que los resultados de estas estructuras de elementos finitos en desarrollo fueron consistentes con los datos experimentales de IDP y ROM in vivo e in vitro en todas las direcciones y en todos los niveles de desarrollo, simplificaciones y escalado. Además, la nueva junta y estructura del edificio puede tolerar cargas de compresión de 102 y 104 veces, y los momentos de 103 y 106 veces más grandes que el tamaño normal en 10 y 100 veces la escala respectivamente en cada dirección con una buena reducción en la cantidad de estrés. El método de modelado validado introducido en este estudio se puede utilizar para futuras investigaciones de fabricación de implantes y prótesis, modelado basado en la columna lumbar humana para futuras juntas de construcción (10 veces a escala), diseño industrial, estructura de construcción (100 veces a escala) y alto - edificios de gran altura debido a la forma modular de la columna vertebral humana en su sección lumbar con su capacidad de tolerar estas grandes cantidades de cargas en diferentes direcciones, teniendo la respuesta interna y externa a diferentes tipos de cargas y siendo adaptables a la naturaleza. ----------ABSTRACT---------- Bionic architecture as a main part of Bionics tries to design and construct the buildings based on layout and lines of natural forms by mimicking the geometrical principles in nature. In the 21st century, bionic architecture movement matured by incorporating the biological, mathematical and mechanical principles of nature in architectural design and evolved to be known as architecture derived from nature. Notably, the significance of this field becomes paramount in an era of ecological crisis and a need for adaptability and flexibility. Respectively, form within the course of natural evolution, flexible forms and structure that have been able to change through the changes of natural evolution prove to be the most powerful and efficient sources of inspiration. There are different types of natural creatures for modeling in the field of bionic architecture. This thesis focused on the spine joint as a good example of flexible and adapted natural structures similar to other human joints, since they have these six key features, 1- aesthetic form by harmonizing in response to environmental forces, 2- complexity, by simultaneously adapting to functions of flexion, extension, abduction, adduction, rotation, and circumduction, 3- comfort form by remaining stable in different positions, 4- dynamic form by facilitating balance through flexible movements and internal and external forces, 5- light structural system, and 6- modular form by its repeated structure. The roles performed by the spine joint are very similar to the type of role required within the building and industrial design and therefore it is a natural element that can inform the future of architecture and industrial design. This simulation happens by using the combination of biology, construction, mathematics, mechanics, and computational programs and software. The simulation of such structure, however, would require a simplification of both in the structural and material complexity of the spine joint in accordance with the architectural and construction resources available. This, in turn, would also ease the process of modeling of such structures both for the bioengineering and construction of prosthetics as well as other structures. The Finite element method (FEM) which is used in this research by using a different range of properties is good for modeling different geometrical parts and it can help to simulate, analyze, and investigate the effect of simplification of the material parts of human lumbar spine easier, without damaging on spine, reducing the time, the testing, the physical prototypes, and the material usages, improving the safety and information, optimizing different geometry for prosthesis and different physiological condition, measuring different distribution of stresses, displacements, and load transferring mechanisms, and assisting to develop the new spinal implants. Therefore it offers advantages in comparison to the vivo methods which have limitations in terms of measuring, obtaining the specimen, the specimen variation, being costly, and have been reported to be time-consuming. In this thesis, to make the new structures based on human lumbar spine by having its anatomical and mechanical properties in FE method for further building joints and structures, a four-step methodology was used: first the FE of lumber was made by using a combination of different software with the CT scan data, verified formula and techniques for calculating the model, and the combination of materials, loads, and geometry properties from the validated model's data, secondly it was stripped of its materials in four continuous steps, thirdly it was stripped of its structures in four continuous steps too, and finally it was scaled 10 And 100 times greater to check its sensitivity to model the building joints and the building structure. The model in each part of the methodology was validated by comparing its intradiscal pressure (IDP) and range of motion (ROM) data with vitro and vivo experimental data. We have shown that the results from developing structures from the FEM were consistent with the experimental IDP and ROM vivo and vitro data in all directions and in all level of developing, simplifications, and scaling. Moreover, the new building joint and structure can tolerate compression loads of 102 and 104 times, and the moments of 103 and 106 times larger than normal size by 10 times and 100 times scaling respectively in each direction with a significant reduction in the amount of stress. The validated modeling method introduced in this study can be used for future research, in particular in producing implants and prosthesis, modeling based on the human lumbar spine for future building joints (10 times scaled), industrial design, building structure (100 times scaled), and high-rise buildings due to the modular form of the human lumbar spine with their capacities of tolerating against these large amount of loads in different directions, having the internal and external response to different types of loads, and being adaptable to nature.

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Item ID: 58192
DC Identifier: http://oa.upm.es/58192/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:58192
DOI: 10.20868/UPM.thesis.58192
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 26 Feb 2020 07:25
Last Modified: 26 Aug 2020 22:30
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