Análise mecânica da costela e da caixa torácica humana: implementação pelo método de elementos finitos (MEF)
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Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Piauí
Resumo
Desde o século XX, com o desenvolvimento da computação e técnicas numéricas
para a resolução de equações diferenciais parciais, trabalhos com o intuito de prever
o comportamento mecânico do tórax humano têm sido desenvolvidos. Esta parte do
corpo humano é especialmente relevante, pois abriga e protege órgãos vitais como o
coração e pulmões, além disso, deformidades do tipo pectus carinatum, muitas vezes
corrigida de forma mecânica, podem surgir durante a adolescência. Desta forma, o
presente trabalho tem por finalidade desenvolver e avaliar o uso de elementos de viga
para a simulação desta estrutura, com o desenvolvimento das equações diferenciais
pela teoria da Mecânica do Contínuo e simetrização da geometria por meio da teoria de
viga de Timoshenko, resolvendo-as por métodos variacionais e chegando às matrizes
de rigidez para duas funções de forma. A avaliação dos elementos foi feita por meio
da comparação das soluções numéricas com resultados experimentais presentes
em trabalhos já desenvolvidos, mostrando-se compatíveis para uma razão entre a
área cortical e a trabecular do osso de 0,15, como esperado. Para este valor, o anel
da costela 4 apresentou uma força máxima de, aproximadamente, 50 N para um
deslocamento de 25 mm para o primeiro elemento e de 22 mm para o segundo, ambos
com o surgimento de uma força de, aproximadamente, 6 N na direção normal, força
esta não observada em outros anéis como o da costela 5, também em acordo com os
dados experimentais. No caso de deformidades do tipo pectus carinatum, observou se uma deformação total de, aproximadamente, 15 mm para uma pressão inicial
de correção de 60 kPa (aproximadamente 8,7 psi), também próximo aos resultados
experimentais. Portanto, o presente estudo mostrou-se promissor para a análise do
comportamento mecânico do tórax humano, podendo ser utilizado e aperfeiçoado para
análises consistentes de fenômenos que o envolvem.
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Keywords
MEF, Costela, Tórax, Pectus Carinatum