Issue 15

Anno V Numero 15 Gennaio 2011

Rivista Internazionale Ufficiale del Gruppo Italiano Frattura Fondata nel 2007

Editor-in-chief:

Francesco Iacoviello

ISSN 1971-8993

Associate Editor:

Luca Susmel

Editorial Advisory Board:

Alberto Carpinteri Andrea Carpinteri Donato Firrao M. Neil James Gary Marquis Robert O. Ritchie Cetin Morris Sonsino Ramesh Talreja David Taylor

Frattura ed integrità strutturale The International Journal of the Italian Group of Fracture

www.gruppofrattura.it

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D. Ex F. Es On II K. Cr N. De I. S Fr F. Stu Str P.F Cy

Kytyr, T. perimental Berto, C. istenza del m the mode O loading Vogel, D ack propaga Zuliani sign and exp . Raju, N acture mecha Moroni dio delle pr ength evalua .Fuchs, Z clic bend tes

Doktor, O and numeri Marangon odo O in p existence i . Wuensch tion in micr erimental c . F. Knigh nics analys estazioni di tion of stru . Major ts for the rel

. Jirousek

, P. Zlama cemented bo

l, D. Poko ne-implant i n fori circol es weakened ner, D. B direct bond Phillips egions of wi e nts ……… inted circuit W High T

rny nterface beh

avior ........

................

...........

cal study of

5

iastre tridim n three-dime , A. Shapo o-chevron-te haracterizat t Jr., K. So es of the slip giunzioni in ctural hybri iability eval

ensionali co nsional plat rin, J. Meh st samples of ion of a 350 ng, D. R. -side joggle r collate ibrid d bonded joi uation of pr

ari ed ellitti by circular illep, M. W ed silicon-si

ci soggette a and elliptic iemer licon wafers

modo II…… al holes und

……

14

er mode

… ...........

...........

21

29

emperature

PEM fuel

cell stack …

……

35

ng-leading-e

dge panels …

…………

…….

50

………… boards unde

………… r dynamic l

………… oads ………

……. ……

64

a rivista pre acoviello di Cassino – D Biasio 43, 03 .gruppofrattu unicas.it

sso:

Segreteri Francesco I Università Via G. Di http://www iacoviello@

i.M.S.A.T. 043 Cassino ra.it

(FR) Italia

1

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Strutturale, 15

(2011); ISSN

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(Universi

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Italy)

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visory Edito erto Carpint drea Carpinte eri ri nato Firrao Neil James ry Marquis bert O. Ritch in Morris So esh Talreja vid Taylor fano Beretta ola Bonora os Borbás ncesca Cosm udio Dalle D ef Eberhards seppe Ferro mmaso Ghid rio Guaglian as Filipe Ma rco Paggi ssandro Piro tury S. Raju berto Robert rco Savoia blisher uppo Italiano p://www.gru N 1971-8993 . Trib. di Ca i rnal Review

rial Board

(Politecn (Universi (Politecn (Universi (Helsinki (Universi (Fraunho (Texas A (Universi (Politecn (Universi (Budapes (Universi (EADS, M (IMWS, W (Politecn (Europea (Politecn (Universi (Politecn (Universi (NASA L (Universi (Universi

ico di Torino tà di Parma, ico di Torino ty of Plymou University o ty of Californ fer LBF, Ger &M Universi ty of Dublin, ico di Milano tà di Cassino t University T tà di Trieste, unich, Germ ien, Austria ico di Torino n Space Age ico di Milano ty of Porto, P ico di Torino tà di Parma, angley Resea tà di Brescia, tà di Bologna

, Italy) Italy) , Italy)

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De Fra con Fra frat lav del dei Fra spe a m bre pub Co Ist I m all'i par pub Fra ope Fra fati Jou stan me Co Fra con the and dur Ma iaco con wit

scrizione e s ttura ed Integr periodicità t ttura ed Integr tura, per la v ori e ricerche l’integrità stru materiali, fis ntributi ttura ed Integr rimentale rig igliorare la c vi e recensio blicazione d ruzioni per l anoscritti de ndirizzo iaco ole e didasc blicazione o rnal descrip ttura ed Integr n-access Jou ttura ed Integ gue and frac rnal is to pro dards for st tallurgists, m ntributions ttura ed Integ tributions o fracture beh review pape ing selected nuscript su nuscripts ha viello@unic firmation of hin three mo

copi ità Strutturale rimestrale (lu ità Strutturale alutazione d sui fenome tturale. La r ici, chimici e ità Strutturale uardanti la m onoscenza d ni possono i numeri sp ’invio dei m vono essere viello@unica alie bilingue) n-line si conc ità Strutturale rnal publishe rità Strutturale ture, and is mote works ructural inte aterials scient rità Struttural n fracture m aviour of co rs may also conferences o bmission ve to be wr as.it. The pa reception w nths from th

fficiale del G , gennaio, ap pio settore e dell’effica , nonché lo arattere inter a rapida diss a frattura e l’ mento a frat accettati in enti articoli ato word se proposto pu a conferma tre mesi dal Structural Inte ry three mon s the broad ith the relia es on fractur ent. The Jou ts, chemists, m for rapid structural in d innovative epending on re also solici standard w written in thin 48 hour mission.

ruppo Italiano rile). dell’integrità cia di compo sviluppo di disciplinare e eminazione d integrità stru tura di mater base alla lo estesi presen nza necessità ò essere in l della ricezio primo invio. grity) is the o ths (July, Oc topic of str bility and eff e phenomena rnal is interd and mathema disseminatio tegrity. Rese engineering their quality ted by the Ed

Frattura . E’ strutturale, nenti struttur nuovi materi accetta cont

è la rivista u glio, ottobre riguarda l’am ell’affidabilità ni di frattura ivista ha un c matematici. si prefigge l eccanica dell el comporta essere anche eciali conten anoscritti scritti in form s.it. Il lavoro o Inglese. L luderà entro s (Fracture and d on-line eve encompasse concerned w and research grity assessm ists, physicis e is a mediu echanics and nventional an be accepted d r symposia a itten using a per may be ill be sent wi e date of sub

una rivista o basato sulla ali. Scopo de ali e di nuov ributi da inge

pen-access p meccanica de lla rivista è l i standard p gneri, metall

ubblicata on lla fatica e d a promozion er la valutazi urgisti, scien

line ella e di one ziati

e/o ano tere e la

i contributi tturale. Si acc iali convenzi ro qualità. L tati in occas

originali di n ettano lavori onali ed inno ’ Editorial Ad ione di con

atura analitic di ricerca ch vativi. Note visory Board s ferenze e sim

a, numerica e contribuisc tecniche, let ollecita anch posia tema

tici.

di utilizzare ingua Italian ne avverrà

un particolar a (con riassun entro 48 ore

e stile e devo to in inglese . Il processo

no essere inv di almeno 1 di referagg

iati 000 io e

Jou

tion and aim

fficial Journa tober, Januar uctural integ ectiveness o , as well as t isciplinary a ticians. n of origin arch works w material syst . Special issu itorial Board

l of the Italia y, April). rity, which is f structural c he developm nd accepts c

n Group of based on t omponents. ent of new m ontributions

Fracture. It i he mechanic The aim of aterials and from engine

s an s of the new ers,

numerical a e improved u ome. Techn full-length

al analytical, hich provid ems are welc es containing .

nd experime nderstandin ical notes, let papers presen

ntal g of ters ted

Ma

and submitt h 1000 wor on process w

ord file with English or s. The review

out any spe Italian (wit and the on

cific format h an Englis line publicati

ed via e-mai ds abstract) ill be conclu

l to . A ded

3

Fra

ttura ed Integrità

Strutturale, 15

(2011); ISSN

1971-9883

C

YSEMS ( Y ofessor Alb professor L ioni proveni etario Franc F e ricordarv ita all’intern ISI-like press cordare il DO Computer Lib SCIRUS. Qu negli ultimi continuamen n numero q iativa e che hi di conten lio. rimo invio: ende offrire truttura del da assicurare i identificato immediatame ni di autenti assino. nio, il Congre 5 marzo 201

outh erto ajos enti esca i le o di o il AJ rary esto due te il uasi non uti. non non sito, agli ri di nte cità, sso 1ed

aro Let Symposiu Carpint

tore, nel me m on Experi eri (Politecni st University esi europei e eriti in quest editoriale in Frattura ed I biblioteche o orino. La riv pen Access Jo I ( Portale per to è anzitutt enza , e di tutt loro support accessi e di o mancare i sideriamo qu n breve riassu revisione co i lavori che i ne ed access Soci ma all’in n solo pubb ubblicati son lavori la mas lo è caratteri tellettuale co rete e utiliz ta ha ovviam role sul titolo che nel 2011 ate tutte le i

se di luglio mental Solid M co di Torino Technology d extraeurop o numero del tendo darvi q ntegrità Struttu n line in tu ista è inoltre urnals ), Google la Letteratura o dovuto al i i Colleghi c o. Certament download, l loro suppo esti ottimi ri nto delle pri mpetente e nvecchiano n o completam tera comunit licato on lin o automatica sima visibilità zzato da un me quelli le zabile per lo ente un suo c di questo ed si terrà a Cas nformazioni

l’IGF ha org echanics ), co , Presidente and Econom ei. Alcuni d la rivista IGF ualche infor rale , nonosta tto il mond già indicizzat Scholar , EBS scientifica Elet continuo lav he, prima ne e però il mer è dovuto agl rto, assicura sultati come ncipali specif rapido, con elle redazion ente gratuiti à scientifica e ma anche r mente aggio . suo DOI ( Di gati agli stan sviluppo di odice ISSN itoriale. Si st sino (13-15 g necessarie ne

anizzato a T n due relaz dell’ICF, Inte ics, Preside i questi lavo in una versi mazione in p nte sia solo o, tanto da a all’interno COhost Electr tronica Italiana oro dei Coll l Comitato Sc ito principal i autori che ndo la pubb preliminari e icità della riv una pubblica i!! : Open Acce nazionale ed eso effettivam rnati all’inter gital Object Id dard bibliogr servizi specif ed è regolarm a avvicinando iugno). La d l sito IGF.

rieste il 9° ioni invitate rnational Co nte YSESM) ri, grazie all’ one estesa. iù sui risulta al quarto an essersi merit di numerosi s onic Journals S su Archivi ap eghi che han ientifico ed or e di questo s in questi ann licazione di come uno st ista IGF, Fra zione del lav ss inteso com internazional ente reperib no di numero entifier ): il DO afici ( ISBN , ici, quali mo ente registra l’evento IG ata limite per

nternazionale enute dal pr acture) e dal ue presentaz nostro Segr lla rivista IG ormai inser icazione di i possiamo ri CLC ( Online Istituzionali ), ato ai lavori ard , offrono moniato da u uto nell’iniz ssanti e ricc e ancora meg tà Strutturale : e mesi dal p he l’IGF int la peculiare s ati in modo e dai comun in quanto è a, certificazio ribunale di C ante del bien abstract è il 1

Convegno I tenute dal t ngress on Fr e cinquantad impegno del ti ottenuti da no di vita, è ata la classif ervizi, fra cu ervice ( EJS ), O erti e Depositi no partecip a nei due Bo uccesso, testi i hanno cred lavori intere imolo per far ttura ed Integri oro entro tr e servizio c e. ile: grazie al se banche d I si distingu ISRC , ecc.) tori di ricerc ta presso il T F più import l’invio degli

Bo da Co In sue num Pol ( Th Cen not Con lor imb han Ov Ec

rbás (Budape numerosi pa smi, sono ins questo breve peculiarità. erosissime itecnico di T e Directory of O ter ), PLEIAD evole risulta sigli di Presid o aiuto ed il arazzante di no mai fatt viamente con covi quindi u Processo di crediamo ne Pubblicazio solo ai suoi Materiale no gli articoli p autori ed ai Ogni artico proprietà in azionabile in ecc. La rivis ine poche pa zionale IGF gni caso trov ti cari saluti,

- - -

-

Inf Na in o Tan

Francesc Preside ettore Frattur

o Iacoviello nte IGF a ed Integrità

Strutturale

Dir

4

D. Kytyr e

t alii, Frattura e

d Integrità Strut

turale, 15 (201

1) 5-13; DOI: 10

.3221/IGF-ESIS.

15.01

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D. Cz 25, xky O. Ac Pra jiro D. Ch dav

Kytyr, T. ech Technical 110 00 Prag tyr@fd.cvut. Jirousek, ademy of Sci gue 9 usek@itam.c Pokorny arles Universi id.pokorny@ STRACT . A eases and d of the re ment layer n investigat sample of ection and favorable ac s monitored us source a pagation bo YWORDS . B

Doktor University in ue 1 cz, xdoktor@f P. Zlamal ences of the as.cz, zlamal@

Prague, Facu d.cvut.cz

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rtation Scienc

es, Departmen

t of Mechanic

s and Materia

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Czech Repub itam.cas.cz

lic, Institute

of Theoretica

l and Appl

ied Mechanics

, Prosecka´ 7

6, 190 00

ty, Faculty of lf1.cuni.cz

medicine, Ort

hopaedic Clin

ic, V Uvalu 8

4, 150 06 P

rague 5

lthough the isorders of t search was degradation ed using a c pelvic bone magnitude tivity (down by repeated nd large hig th in the ce one-cement

total hip he human h to investiga and bone-c ustom hip with impla was applied stairs walk scanning u h-resolutio ment layer a interface; H

replacemen ip, the surg te the cem ement inter simulator. T nted cemen to the im ing) was sim sing high re n flat panel nd the trab ip simulato

t (THR) is ery brings s ented bone face debond he experim ted acetabu plant using ulated. The solution mi detector all ecular bone r; µCT; Cra

a long-pro ome risk of -implant in ing) during ental setup w lar compon a spherical process o cro Compu ows investi . ck detection .

ven method long-term terface beha physiologic as designe ent. The hip femoral co f damage ac ted Tomogr gation of st

of surgica instability o vior. The al loading c d to allow c contact fo mponent h cumulation aphy (µCT) ructural cha

l treatment f the joint. T main proble onditions h yclic loading rce of requ ead. The m in the fixat . Use of mic nges and cr

of he ms ave of ired ost ion ro ack

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arthroplasty re that has i ional medica

or surgical mproved the l therapy. Suc

replacement managemen cess of the t

of the hip t of those di reatment can

joint with a seases of the be disturbed

n artificial p hip joint th by several c

rosthesis is at have resp auses, beside

a reconstruc onded poorl s the insuffic

tive y to ient

5

D.

Kytyr et alii, Fra

ttura ed Integrit

à Strutturale, 15

(2011) 5-13; D

OI: 10.3221/IGF

-ESIS.15.01

reh Th

abilitation or e role of failu ponents. T ponent was n femoral on e bone-ceme re is no stud earch was t ualisation of tability progr e specimen pr he expe The sp (OH(CH ensions of t a remained in scanning of ented aceta keep the thic e bed and th spherical su m a modified cromolecular ymethylmeth dery substa epicted in Fi

rejection of re in aseptic he process not yet satis e. The most nt interface h y on using µC o investigate the trabecul ess. eparation riments and ecimen was 2 O)nH). W he specimen tact. The pe the intact ace bular cup Po kness of the e notches on rface with a highly cros Chemistry o acrylate (PM nce and liqui g. 1. D METHO

replacement loosening of of the ceme factorily des significant w as been stud T to observ the degrad ar bone struc

, aseptic loo cemented to nt mantle d cribed. The r ork in this fie ied using me e the structu ation caused ture and the

sening is one tal hip replac egradation ate of acetab ld include re chanical testi ral changes in by the cy cement layer

of the mos ements has b and bone-ce ular compon search of Za ng and nume the cement clic mechan changes pro

t frequent re een extensiv ment interfa ent failure is nt et al. [2, 3] rical analyses layer and tra ical loading vided detaile

asons of fail ely studied m ce debondin more then t at University , however, to becular bone using radiol d informatio

ure of the T ainly in fem g of acetab wo times hig of Portsmo our knowle . The aim of ogical meth n about imp

HR. oral ular her uth. dge, the ods. lant

com com

tha Th the res Vis ins

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DS

Bon T

measuremen preserved ith regards t to fit the de lvis was scan tabular regio ldi (Beznoska cement laye the surface transverse r slinked ultra f the Czech A MA) bone d componen

ts were carri by immersio o the size o tector. The b ned using a c n, cemented s.r.o.) was u r constant th of the cup co adial notch l high-molecu cademy of cement ( (C ts was used f

ed out using n in 4 % f the used X one was res ustom micro acetabular co sed. For pro rough the w nstrains the ocated along lar-weight po Sciences (Pat 5 O 2 H 8 )n me or implant fi

wet anatomi phosphate -ray detecto ected in its i tomography mponent wa per functioni hole acetabu movements o the perimet lyethylene (U ent No. 2977 thacrylic acid xation. Aceta

cal specimen (Na 2 HPO 4 ) r it was ne schial, pubic device prior s implanted. ng of the cup lar region. A f the implan er of the imp HMWPE) 00). methyl este bular compo

of human h buffered p cessary to sl and iliac par any mechani and its fixat good comp t. The outer lant. The im developed by r), produced nent implan

emipelvic bo araformaldeh ightly adjust t; the acetab cal testing. A ion it is essen ression into shape of the plant was m the Institut by mixing tation proced

ne. yde the ular fter tial the cup ade e of

dim are the Cem to bon is a fro Ma Pol pow is d

the ure

F

igure 1 : Aceta

bular compon

ent implantati

on

Lo A n to ser sam

ading test ew hip joint allow cyclic l vo-hydraulic pling freque

simulator w oading of the Instron 1603 ncy. A sinus

as developed pelvic bone was used. T oidal force w

for acetabul sample with he outputs o ith a given a

ar implant te implanted c f the force an mplitude wa

sting (see Fig emented ace d displacem s applied. Th

. 2). The exp tabular comp ent transduc e hip conta

erimental set onent. For t ers were capt ct force of re

up was desig he cyclic load ured with 10 quired direc

ned ing Hz tion

6

D. Kytyr e t using sphe nd amplitud . This freque s supported

t alii, Frattura e rical femoral e (1000 N) w ncy is higher by an epoxy m

d Integrità Strut component ere chosen than that of ould. Durin

turale, 15 (201 head. Accord to simulate t normal walk g the test, th

1) 5-13; DOI: 10 ing to the h he most unf ing but with e specimen w

.3221/IGF-ESIS.

15.01

and me (do imp sali

magnitude asurement [1 wnstairs wal lant durabili ne solution.

was applied t ] mean valu king) with 4 ty [3]. The pe

o the implan e (1400 N) a Hz frequency lvic bone wa

ip contact fo avorable acti out any effec as moistened

rces vity t to by

Figure 3 : Loa

Figure 2 : Th

e hip simulato

r.

ding cycle.

Ma Kn sim alm ma bon the sur Th goo stru dia wa rec the vel

terial testing owledge of ulations. Th ost no corre terial proper e can be ass samples [4] face) nor ext e pulse trans d agreement cture have b meter and 20 s carried out eiver (USE-T material, the ocity v and b

rical ture hed ular e of ple . A one mm g. 4 and s of ave

material prop ere is very w lation betwe ties was the essed by mec . To measur ensometer (p mission ultra between the een reported − 30 mm le using USG ). The veloci refore the Y one density ρ

erties is a p ide range of en the Youn reason for ex hanical testin e the strain ossible dama sonic techni ultrasonical [6]. A serie ngth were dr 20 (Kromph ty of the lon oung's modu , (for details

rerequisite fo trabecular b g's modulus perimental a g, but in thi using standar ge of the sam que [5] is a ly determine s of 20 sam illed out from olz Geotron gitudinal ultr lus can be o see e.g. [7]).

r performin one material and anatom ssessment o s case strain d procedure ple surface) quick non-de d and mecha ples from 5 femoral he Elektronik, asonic waves btained from

g mechanica properties (E ical location f material pr measuremen s i.e. strain g is inconvenie structive me nically measu different don ads and delip FRG) used ' propagation the formula

l analysis, es = 0.1 − 4. . The high operties. Ma t is challengin auge (difficu nt. thod for Yo red elastic m ors was test idated. The with a 250 depends on (1) coupling

pecially in ca 5 GPa) repo discrepancy terial propert g due to the lt attachmen ung's modul oduli of the ed. The spec experiment d kHz vibrato the mechani elasticity mo

se of nume rted in litera in the publis ies of trabec brittle natur t to the sam us estimation cancellous b imens of 5 episted in Fi r (USG -T) cal propertie dulus E ad , w

2 

ad E v 

(1)

and volume m e path of the ed as:

nsity of pure d to measure ple length. T

trabecular bo the time of w hen formula

ne was obta ave propaga for the elast

ined by samp tion. For sim ic modulus c

le weighting plification th an be express

easurement wave propa

s. Ultrasound gation was ta

probe was ken equal to

De use sam

the

2 2 l m t v

ad E 

(2)

Th iso E iso

e kind of me thermic) mod moduli dep

asurement y ulus obtaine ends on the

ields the so d from tens coefficient o

tic (or dynam essive tests. R ansion  and

ical) Young elationship the specific

's modulus w between the heat of the

hich is large adiabatic E a material C p a

r than static d and isother t constant st

(or mic ress

called adiaba ile or compr f thermal exp

7

D.

Kytyr et alii, Fra

ttura ed Integrit

à Strutturale, 15

(2011) 5-13; D

OI: 10.3221/IGF

-ESIS.15.01

and

absolute tem

perature T:

E E

a ET C  d p

2

1







ad

(3)

iso

Fro rep

m the set of orted elastic

samples the moduli and w

value of elas as used in n

tic modulus umerical anal

(E = 853 ± ysis.

obtained. T

his value fits

in the range

of

72 MPa) was

Figur

e 4 : Ultrasoni

c measuremen

t of elastic mo

dulus.

Nu Th and ace 20 A s des ma sim em tru dir Hy the of tetr sep con En to dep hem mo Ma Tra UH ma

merical analy e primary pu comparison tabular cup a loadsteps asc olid model w igned comp nufacturer (B plied to incl bossing the c e geometry a ections. Final perMesh (Al STEP forma the thin geom ahedral elem arately using taining noda gineering sim be quasistatic icted in Fig. ishere of th re accurate f terial propert becular bon MWPE (IS nufacturers.

sis rpose of the with its be nd the ceme ertained stre as created in onents. The eznoska s.r. ude the sphe up to the he s a cylindric assembly (pa tair Engineer t is defined etry and sm ents shown the same co l coordinates ulation softw divided in 2 6. Surface-to e cup was m orce transmis ies are descri e material p O 5834 -2)

numerical an havior durin nt mantle im ss field distrib parametric geometry o.). Inner di rical head ( ⊘ misphere. T al socket. Th rts and cons ing, Inc.) fin by areas, ther all radius of in Fig. 5 was ordinate syst and element are Ansys (A 0 loadsteps. -surface con eshed by con sion to the p bed in Tab. 1 roperties w and the b

alysis was th g the loadin planted in a s ution at the modeller Inv of the aceta ameter was 3 D = 32 m he thickness e implant w trains) was ex ite element p efore the sur the cement generated w em. HyperM conectivity. NSYS, Inc.) Loading for tact was defi tact element elvis. Frictio . All materia ere obtained one-cement

e assessment g tests. Det mall bone bl bone-cement entor (Auto bular impla 2 mm, oute m) and the c of this layer as surrounde ported in th re-processor face was disc mantle quadr ith respect to esh native fo was used fo ce value and ned between s to model f n between th ls were consi by ultraso Palacos R

of the degra ailed three-d ock was deve interface du desk, Inc.). T nt was obta r 49 mm. Th ylindrical ne was 3 mm. d with minim e STEP form was used fo retized by qu atic elements surface me rmat was con r the numeri direction of head and ac emoro-acetab e femoral he dered as isotr nic measurem (Heraeus M

dation of ace imensional f loped. The a ring gait cycl he model w ined from e geometry ck. The cem The bone wa ally 15 mm at. r model dis adratic trian were chose sh. Each com verted to An cal analysis. T downstair w etabular com ular interfac ad and the a opic linear e ent, prope edical Gmb

tabular repla inite elemen nalysis of th e. as composed datasheet pr of femoral c ent mantle w s modeled r of the bon cretization. T gular elemen n. Volume m ponent mes sys (ANSYS he simulatio alking in eac ponent. The e. The conta cetabular cup lastic. rties of the H) were pr

cement fixati t model of e gait divided of 4 separat ovided by omponent w as designed egardless of e material in he goemetry ts first. Becau esh of 10-no h was expor , Inc.) input n was assum h load step head and in ct was used was neglect stainless st ovided by

on the in ely the as by the all ted file ed are ner for ed. eel, the in se de

8

D. Kytyr e

t alii, Frattura e

d Integrità Strut

turale, 15 (201

1) 5-13; DOI: 10

.3221/IGF-ESIS.

15.01

F

igure 5 : 10-no

de tetrahedral

elements mes

h.

Material Stainless s UHMWP Bone cem Trabecula

Youn

g’s modulus 220 0.69 2 0.850 roperties used

[GPa]

Poisson’s 0.30 0.46 0.38 0.25

ratio

teel E (ISO 5834 ent r bone Tabl

-2)

e 1 : Material p

in the FE mo

del.

Figure 6 : e stress field ximum stress rface are sh d steps consi crotomography observe the ging using a specimen a tware plug-in

Loading forc distribution value equal own in Fig. 8 dered. imaging process of d custom µCT nd the detec .

e used in the s in the bone to 12.48 MP . The places

imulation. -cement inte a was reache of maximal

F rface were o d at 20 % of value of von

igure 7 : Resul bserved to lo the gait cycle Mises stres

ting stress in t cate the reg . The stress s were in the

he bone-ceme ions of pote fields on the acetabular l

nt interface. ntial damage bone-cemen abrum for al

Th Ma inte loa Mi To ima the sof

. t l

amage in the device show tor were pr

acetabular re n in Fig. 9 ovided by st

gion during was perform epper motor

the loading m ed. Manipula s using a U

icrofocus C tion with the SB interface

omputed To X-ray sourc , controlled

mography (µ e, the table w by Pixelman

CT) ith [8]

9

D.

Kytyr et alii, Fra

ttura ed Integrit

à Strutturale, 15

(2011) 5-13; D

OI: 10.3221/IGF

-ESIS.15.01

(a)

0% of gait cy

cle

(b)

5% of gait cy

cle

(c)

10% of gait c

ycle

(d)

15% of gait c

ycle

20% of gait cy

cle

(f)

25% of gait cy

cle

(g)

30% of gait c

ycle

(h)

35% of gait c

ycle

(e)

40% of gait cy

cle

(j)

45% of gait cy

cle

(k)

50% of gait c

ycle

(l)

55% of gait cy

cle

(i)

(m

) 60% of gait c

ycle

(n)

65% of gait cy

cle

(o)

70% of gait c

ycle

(p)

75% of gait c

ycle

(q)

80% of gait c igure 8 : von ay source L8 FPD) C7942 at each pixel aximal resol n exposed fo 10 times 0.5

ycle (r) Mises stress di 601-01 (Ham CA-22 (Ham of the detect ution of 4 M r scanning. S s, voltage 80

85% of gait cy stribution in th amatsu Pho amatsu Phot or was integr px. The pelv canning sequ kV and curr

cle (s) e bone-cemen tonics K.K.) onics K.K.) ated to the m ic bone was ence consiste ent 125 µA.

90% of gait c t interface du with wolfram with thin-film emory. Phy fixed in the d of 360 sca

ycle (t) ring the norm anode was transistor ( sical dimensi iliac area on ns with 1° ste

95% of gait c al walking cycl used. For th TFT) constr ons of the de to a rotary t p increment

ycle e.

F

rofocus X-r el detector ( nal detected mm with m tabular regio formed using

is purpose a uction was u tector are 12 able to leave . Acquisition

flat sed. 0 × the was

Mic pan Sig 120 ace per

10

D. Kytyr e ut the intern absorbed. T elationship b

t alii, Frattura e al structure he X-rays th etween input

d Integrità Strut . According at pass thro and output

turale, 15 (201 to the dens ugh are then intensity of m

1) 5-13; DOI: 10 ity and com captured an onochroma

.3221/IGF-ESIS.

15.01

µC spe out by

T provides cimen a frac put emission Beer-Lamber

detailed info tion of the X intensity I o t law:

rmation abo -ray beam is n detector. R

position of d represented tic X-ray is gi

the by ven

I e I  

( ) E d 

(4)

0

wh line

value of inpu n coefficient 3 4 Z  ensity of abs lity is mainly er and the a surements ha ity reduction ound and be rams (3D ra econstructio

the specimen

ere I 0 is the ar attenuatio    ere ρ is the d iograph qua source pow ibration mea inhomogene iation backgr rected radiog ect. For the r

t emission e :

mitted by th

e X-ray sour

ce, d is the t

hickness of

and µ(E) is

the

(5)

orbent mater given by the cquisition tim ve been perf across the am hardenin diation distr n Filtered Ba

ial, Z materia number of e. With dec ormed for th chip, dark cu g correction ibution in th ckprojection

l proton num photons con reasing num e noise reduc rrent correc to get absorb e 2D plane d (FBP) was u

ber and λ X tributing to t ber of photo tion. Flat fie tion (scannin ing characte etector) wer sed.

rays wavelen he image. Th ns the prop ld correction g with disco ristics [9, 10] e used for r

gth. is number is ortion of no (scanning w nnected sour , were perfor econstruction

wh Rad the Cal for rad cor obj

proportiona ise is increas ithout specim ce) to avoid med. The se of the scan

l to ing. en) the t of ned

Figure 9 : M

icrotomograp

hy device; pel

vic bone samp

le on the left,

X-ray source

on the right.

Figure 1 T imaging w libraries. Th

0 : Reconstruc ere visualiz e bone-ceme

ted acetabulum ed using µC nt interface b

from differe Tvis&model efore cyclic

nt views. ler software loading is sh

Pro Vis

jections obt ualization To

ained by µC olkit (VTK)

[12] based own in Fig. 1

on open sou 1a, the dama

rce ged

11

D.

Kytyr et alii, Fra

ttura ed Integrit

à Strutturale, 15

(2011) 5-13; D

OI: 10.3221/IGF

-ESIS.15.01

one loc lab

is shown in ation is in ac rum.

Fig. 11b. C cord with th

omparing F e results obt

ig. 11a and ained from F

Fig. 11b the E analysis -

direction of stress field

crack propa with its maxi

gation is cle mum in regi

arly visible. on of acetab

The ular

R E

SULTS

H

igh re depth testing

solution mo were develo is depicted e segment of cordance wit m – the crack

dels based o ped. Visualis in Fig. 10. T the model o h the result is observab

n a sequence ation of the he significan f the loaded s obtained b le in the same

of 1100 slic pelvis with t damage an pelvis. A pla y the FE an region (sho

es with reso implantated d direction o ce with initia alysis – stre wn in Fig. 11

lution 2368 acetabular co f crack prop lized crack w ss field with ).

× 2240 px a mponent be agation in in as found at t its maximu

nd 16 bit co fore mechan ner structur he bone-cem m in region

lor ical e is ent of

obs inte ace

ervable in th rface. In ac tabular labru

(a) intact nstructed slic deb

(b region of a rface (blue cir

) damaged cetabular labr cle).

F igure 11 : Reco

es of acetabu onding of bon

lum; crack in e-cement inte

um (red circl

e);

C O

NCLUSION S

T

his stud large ph These m eculae dama mb ling and ration, moti sistent with

y shows pos ysical dimen odels are sui ge and tota smeared crac ons and con clinically obs

sibilities of m sions and mi table for inv l hip joint re ks – has bee secutive loos erved degrad

odern X-ray cro-focus sou estigation of placement b n found to b ening of the ation process

imaging tec rce allows fo structural ch ehaviour. A e at the bone implant can .

hniques. Use r reconstruc anges caused failure in ce -cement inte be observed

of high res tion of full-s by osteopor mented acet rface, based by this meth

olution flat p cale micro-st osis as well a abular impla on a new hip od. The failu

anel detecto ructural mod s for research nt – debond simulator st re mechanism

r of els. of ing, udy. is

trab cru Mig con

A C

KNOWLEDG

EMENT

Sci T

No. rch of

he resea SGS10/ plan of

rch has bee 218/OHK2/ the Ministry Czech Repub

n supported 2T/16), by t of Educatio lic AV0Z207

by Grant A he Grant Ag n, Youth an 10524.

gency of th ency of the C d Sports MS

e Czech Te zech Repub M68407700

chnical Univ lic (grant No 43 and resea

ersity in Pr . P105/10/2 rch plan of

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is -

13

F. B

erto et alii, Fra

ttura ed Integrità

Strutturale, 15

(2011) 14-20;

DOI: 10.3221/IG

F-ESIS.15.02

E el

sistenza littici so

del m ggette

odo O i a modo

n piast II

re tridim

ension

ali con

fori ci

rcolari e

d

O ci

n the m rcular a

ode O nd ellip

existen tical ho

ce in t les und

hree-di

mensio

nal plat ding

es wea

kened b

y

er mod

e II loa

Fil Un ber

ippo Berto iversità di Pa to@gest.unipd

, Christia dova, Diparti .it

n Marango mento di tecni

n ca e gestione d

ei sistemi indu

striali, Strade

lla S.Nicola 3

, 36100 Vi

cenza (Italy)

STRACT . It isson’s effec numerical ght play a ro e opening mutual inci aling with c the literatur de O. On th An out-of-p previously d also for fini Out-of-plan intensity of The strain dependent the plate t dimensiona ASSUNTO . I eratura dim oppiata al c centi analisi piastre intag rtura dell’in o ad ora eff fetto di un r

is known f t leads to th analyses hav le in failure angle. Since dence of th ircular and e. The main e basis of a lane mode emonstrate te values of e mode re this stress c energy den is a paramet hickness. I lity is not ne l problema ostrando ch arico estern teoriche e n liate a spigo taglio magg ettuate hann aggio di rac

or long tim e generatio e shown th initiation p the degree e two mode elliptic hole aim of this large bulk o is present d for plates the notch ra sults in a s omponent s sity average er suitable t is surely gligible, or di una pia e l’effetto o applicato umeriche h lo vivo. Il n iori di 102. o riguardat cordo diver

e that in a n of a coup at this effec henomena i of singulari s depends o s, the presen work is to d f numerica in plates w weakened b dius. hear stress trongly dep d on a giv for the natu a powerfu is not know stra criccat del coefficie e non conte anno eviden uovo modo 6° e cioè qu o piastre in so da zero a

cracked pla led out-of-p t is present n plates und ty character n the comp ce or not o emonstrate l results the eakened by y cracks an distribution ends on the en control ral of captu l tool in p n in detail. a tridimens nte di Pois mplata dalla ziato come (denomina ando il mo debolite da ll’apice dell’

te subjected lane singula also in plate er mode II ising the mo onent size. f the out-of the existen following co U-notches d pointed V symmetric Poisson’s r volume wh re all three ractical cas ionale sogg son provoc soluzione p questo effe to modo O do II risulta cricche o in intaglio.

to anti-sym r mode (M s weakened loading par de O is gre -plane mod ce of a three nclusions c and subject -notches; it with respe atio  . It inc ich should dimensiona es where t etta a modo a l’insorger iana di Will tto tridimen ) rimane sin essere non tagli a spigo

metric plan ode O). Rec by pointed ticularly in t ater than th e has never -dimension an be drawn ed to Mode s intensity i ct to the m reases as  i , in princip l effects occ he role pla II è stato e di una nu iams. sionale sia golare anch singolare. lo vivo non

e loading, ent theoret V-notches a he presence at of mode been discus al effect tied : II loading s not neglig id-plane. T ncreases. le, be mate urring thro yed by th affrontato ova singola presente anc e per angol Tutte le ana consideran

the ical nd of II, sed to , as ible he rial ugh ree- in rità he i di

A B Po and mi larg the De in mo -

-

-

R I lett acc Re in ape fin l’ef

lisi do

14

F. Berto et è quello d ccordati e s etria dell’in s; Out-of-p

alii, Frattura ed i dimostrar oggette a m taglio sia il lane mode; M

Integrità Struttu e che il m odo II. Si s valore del co ode II; Mo

rale, 15 (2011) odo O è p ono quindi efficiente d de O.

14-20; DOI: 10 resente an analizzate p i Poisson.

.3221/IGF-ESIS.

15.02

L’o trid cir

biettivo de imensionali colari ed elli YWORDS . T

l presente indebolite ttici variand hree-dimen

contributo da intagli ra o sia la geom sional effect

che in pias iastre con f

tre ori

K E

I N I tras Ne sot spe Tu ipo Per l’ut spo trid num ten fun coe Un trid I p con spe Ben libe Qu [13 In doc pia spe in Ko coe sch not del La giu Per effe pro ed

TRODUZION

E

l problema risulta poc semplici. N curano a pri lle applicazio tile, lo stato ssore non tra ttavia, non v tesi. considerare ilizzo dell’ip stamento u z imensionali, eriche su p sione reale lu zione dello s fficiente di P a revisione c imensionali i rimi ricercat siderarono i ssore del pia them (1977) ra del comp esto effetto, ], Yu et al .[14 relazione a p umentarono na di William ssore finito forma chiusa tousov ha d fficiente di ematicament are come il m la piastra. presenza del nti saldati a s quanto rigu tti tridimens prio quello d ellittici sogg

della determ o agevole e l ella pratica s ori gli effetti ni lo stato d di tensione scurabile risp i è alcun crit l’effetto trid otesi di defo lungo lo sp come ampia iastre tridime ngo lo spess pessore è sta oisson per p ompleta dei p n piastre inta ori che si in casi di trazio tto in funzion notò per pri onente [10]. documentato ]), è stato rec iastre cricca per la prim s. Recentem [17-20]. In pa l’equazione imostrato in Poisson ed e come il m odo O sia s nuovo mod ovrapposizio arda invece i ionali di vol i colmare qu ette a modo

inazione dei e soluzioni a i ricorre a te tridimensiona i tensione è l è generalme etto alle altr erio che per imensionale rmazione pi essore della mente dimos nsionali inta ore del comp ta ampiamen iastre indebo rincipali risu gliate e cricc teressarono ne e flession e della dime mo che la sin In questo pi anche in al entemente an te soggette a a volta la pr ente, l’insorg rticolare, Ko agli autovalo oltre che l’in in particola odo O si gen imile al mod o singolare è ne dove il m componenti ume legati a esta lacuna a II, l’esisten

campi di ten nalitiche in f orie piane ch li presenti ne egato allo sp nte consider e dimensioni metta di dist legato alla f ana generaliz piastra, prod trato nelle r gliate soggett onente [4, 5] te discussa n lite da fori ell ltati analitici ate è stata rec degli effetti e. Le equaz nsione del di golarità nel ano nasceva tri contributi alizzato con modo II, le esenza in pia ere del nuo tousov, utiliz ri per il mod tensità dei c re aumentav eri in una p o III ma a di stato docum odo II risulta tridimension l modo O n nalizzando p za del modo

sione in com orma chiusa e utilizzano l l componen essore del co ato di tensio del compon inguere quale initezza dello zata [1]. Qu uce buone eferenze [2, 3 e a prevalen . La variazion elle referenze ittici e sogge , numerici e s entemente c tridimension ioni ottenute fetto e dello s piano scomp invece una ( tra gli altr riferimento a prime anali stre sottili d vo modo sin zando la teo o “ out of plan ampi di ten a all’aumen iastra tridime fferenza di q entato anche va predomin ali indeboliti on sono ma er geometrie O e di va

ponenti trid riguardano s e ipotesi di t te. mponente tr ne piana, se ente si consid sia lo spess spessore d esta ipotesi, approssimazi ]. Negli ulti te modo I co e del fattore [5-7], nelle q tte a modo I. perimentali o ondotta da K ali su piastre descrivevan pessore stess ariva quando nuova singol i da Bazant e problemi di si furono co i un modo s golare è stat ria della defo e ” che è stat sione legati tare di ques nsionale cric uest’ultimo e in piastre in ante rispetto da intagli rac i stati analiz semplici, qu lutarne l’inte

imensionali olo casi cara ensione pian amite una se invece la pi era valida l’i ore limite pe ella piastra è che conside oni dello sta mi anni sono n lo scopo d teorico di co uali è stata a ttenuti fino otousov et al criccate fur o la variazion o. il fronte di c arità tridimen d Estenssoro resistenza a ndotte da N ingolare non o evidenziato rmazione pia o chiamato al nuovo m t’ultimo [19 cata soggetta sso sia simm debolite da i al modo I [2 cordati e sog zati. Lo scop ali piastre trid nsità consid

indeboliti da tterizzati da a o deformaz mplice regol astra è carat potesi di defo r cui utilizza molto diffu ra lineare l’a to tensionale state condo i ottenere la ncentrazione nalizzata anch ad ora e rigu . [8]. ono Hartran e delle tensi ricca intersec sionale all’ap [11], Pook fatica [15]. akamura e P contemplato anche in p na generaliz dallo stesso a odo risultava -20]. In Fig a taglio. Da etrico rispett ntagli a V a 1]. getti a preval o del prese imensionali erando anch

cricche e in geometrie m ione piana e a. Se la piast terizzata da rmazione pi re l’una o l’a so in lettera ndamento d in compon tte molte an distribuzion delle tension e l’influenza ardanti gli ef ft e Sih [9] oni attravers ava la super ice dell’intag [12], She e G arks [16] i q dalla soluzi iastre criccat zata, ha otten utore “ modo influenzata . 1 è most lla figura si o al piano me spigolo vivo ente modo I nte contribu con fori circo e l’influenza

tagli olto che ra è uno ana. ltra tura ello enti alisi e di i in del fetti che o lo ficie lio. uo uali one e di uto O ”. dal rato può dio e in I gli to è lari del

15

F. B

erto et alii, Fra

ttura ed Integrità

Strutturale, 15

(2011) 14-20;

DOI: 10.3221/IG

F-ESIS.15.02

coe lav

fficiente di P oro in corso

oisson. Il mo di revisione [

do O, in cas 22].

o di intagli ad

U e a V ipe

rbolici e para

bolici, è stato

ampiamente

analizzato in

un

Figura 1 : Rap Schem

presentazione atic represent

schematica d ation of the “o

ell’effetto “out ut of plane” e

of plane”.

ffect.

G E - - - - L - - - Ne

OMETRIE A

NALIZZATE

E MODALI

TÀ DI APPL

ICAZIONE D

EI CARICH I

e geome di piastr - Rag

trie analizzat a soggetta a f gio del foro a l piatto 2t = el piatto W= di Poisson tra soggetta a a i semiassi d l piatto 2t = el piatto W= di Poisson

e nel present oro circolare =b=1, 5, 10, 40 mm; 200 mm;  = 0 , 0.1, 0 foro ellittico ell’ellisse a/b 40 mm; 200 mm;  = 0 , 0.1, 0

e contributo sono stati co 20 mm;

e i principali nsiderati i se

parametri geo guenti param

metrici sono etri geometri

mostrati in ci e di materi

Fig. 2. Nel ca ale:

so

Spessore de Larghezza d Coefficiente l caso di pias Rapporto tr Spessore de Larghezza d Coefficiente

.3 e 0.5. , invece, son =5, 10, 20 (

o stati consid con b=1 mm

erati i seguen )

ti parametri:

.3 e 0.5.

(a) Figura 2 : ( izioni al conto (a) Three-di traint conditio

(b) ed ellittici;

a) Piastra tridi rno applicate mensional plat ns applied to t

mensionale co al modello sfr e weakened b he model takin

n fori circolari uttando i piani y circular and g advantage o

di simmetria elliptic holes; f the double s

esistenti. ymmetry.

(b) cond (b) cons

16

F. Berto et nte mediante è riportata della piastra ello, come m ello. Sull’are edio invece stati bloccat di modo II intensità deg

alii, Frattura ed degli sposta in Fig. 2a. di partenza ( ostrato in a trasversale sono stati vin i gli spostame pari a  0 =10 li spostament

Integrità Struttu menti che ga Sfruttando le Fig. 2b). L’or Fig. 2a. Opp OABC sono colati solam nti u y . 0 MPa, sono i applicati è d

rale, 15 (2011) rantissero un simmetrie igine del sist ortune cond stati vincol ente gli spost stati applica ata dalla segu

14-20; DOI: 10 carico nomi presenti nel ema di riferim izioni al con ati gli spost amenti lungo

.3221/IGF-ESIS.

15.02

La La

piastra è stat geometria d sibile analizz ,z) è situata oste sui pia ezione x e z ( ine sulla supe imporre un artenenti alle

a sollecitata o el componen are solament sul piano m ni di simme u x =0 e u z =0) rficie laterale a sollecitazio aree ABDE

pportuname te analizzato e un quarto edio del mod tria del mod . Sul piano m GFHI sono ne nominale e DEGF. L’

nale di modo modello è s ento cartesi torno sono s amenti nodal la coordina tamenti sui n ione:

II. tato ano tate i in ta z.

pos (x,y imp dir Inf Per app

ti degli spos ente espress

odi



2 W

0

u 0x

u







(1)

0y

G

/2(1+  ). a nelle Fig. 3

Ne Un nod

ll’Eq.(1) G ra esempio del i “solid 95”

ppresenta il la mesh utiliz ed il codice d

modulo di ela zata per le an i calcolo Ans

sticità tangen alisi numeric ys 12.0 ® .

ziale, G = E he è mostrat

a e b. Sono s

tati utilizzati

gli elementi

a 20

Figura 3 : D

iscretizzazione Mesh used in

utilizzata nell the numerical

e analisi nume analyses: (a) C

riche: (a) foro ircular hole; (b

circolare; (b) f ) Elliptic hole

oro ellittico. .

R I

SULTATI DE

LLE ANALI

SI NUMERIC

HE

P

tensioni  yz aglio lungo l contemplata

erso imo

er i fori c lo spesso alla supe

ircolari ed el re del mode rficie libera d

littici, le Fig. llo. Il picco d el componen

4a e 4b ripor i tensione si te. Tale com

tano la distri posiziona all ponente di te

buzione delle ’apice dell’int nsione non è

(legate al mo a sua bisettri dai modelli

do O) attrav ce ed è pross piani.

(a)

(b)

 yz , legata al m mode O, in p

Figura 4 :

Distribuzione  yz stress distri

della tensione bution, tied to

odo O, per p lates weakene

e da fori circo oles (a) and ell

lari (a) e fori e iptic holes (b)

llittici (b) . .

iastre indebolit d by circular h

ni  yz , norma settrice dell’i ntaglio. Entr

Le val ten

Fig. 5a e 5b r ore massimo sione  yz , gen

iportano inv della tension erata dal mo

ece l’andame e principale do O, raggiu

nto, attravers   . Tale tensi nge il suo v

o lo spessore one risulta m alore massim

del modello assima al di o lungo la bi

, delle tensio fuori della bi settrice dell’i

lizzate rispett ntaglio mentr ambe le tens

o al e la ioni

17