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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MEF, Costela, Tórax, Pectus Carinatum

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