Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires. Área Ingeniería]]> Disciplina: Ingeniería]]> Fil: Casciaro, Mariano Ezequiel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina.]]> Lugar de trabajo: Instituto de Medicina Traslacional, Trasplante y Bioingeniería – UF CONICET ]]> Los factores de riesgo cardiovascular tradicionales (edad, sexo, hipertensión, tabaquismo, entre otros) reciben su nombre por incidir directamente sobre el riesgo de desarrollar una patología del sistema circulatorio. No obstante, personas con factores de riesgo similares desarrollan o no patologías de acuerdo a otros factores de riesgo adicionales. Dentro de este conjunto, en los últimos años la geometría de los vasos sanguíneos ha demostrado estar asociada al riesgo cardiovascular independientemente de los factores tradicionales. En esta tesis mostraremos la metodología desarrollada para reconstruir en forma no invasiva la geometría de los dos componentes vasculares fundamentales de la circulación: los vasos coronarios que alimentan al corazón, y la arteria aorta, principal conducto de la sangre hacia el resto del organismo. Ambos componentes son susceptibles al desarrollo patologías específicas, de alto riesgo y de gran importancia médica. Para analizar la forma arbórea de la circulación coronaria, desarrollamos dos herramientas: la primera, para la medición del ángulo de bifurcación de los vasos a partir de ajustes cilíndricos tridimensionales, y la segunda para comparar dos árboles arteriales sin correspondencia aparente utilizando modelos alométricos. En ambos casos, relacionamos las diferencias geométricas entre grupos con y sin patología coronaria, presente en forma de ateroesclerosis. Para el análisis de la aorta también desarrollamos dos herramientas: una para la modelización de la aorta obtenida a partir de tomografías sin contraste de pacientes en prevención primaria, y otra para la modelización de la aorta con patologías estructurales (ej. disecciones y aneurismas), útil incluso para segmentar la vasculatura luego de intervenciones de reparación endovascular. La amplia cohorte de pacientes sometidos a tomografía sin contraste nos permitió estudiar la forma promedio de la aorta de pacientes de riesgo intermedio, analizar la deformación natural de la aorta con el paso del tiempo, la hipertensión arterial y la enfermedad ateromatosa. El análisis de la cohorte de pacientes con patologías aórticas tratadas quirúrgicamente se utilizó para predecir la aparición de la enfermedad, estudiar su evolución y colaborar en tratamientos más efectivos. Globalmente, los algoritmos que desarrollamos lograron reconstruir rápidamente la geometría de los vasos sanguíneos en estudio. Estos algoritmos semiautomáticos fueron sometidos a un proceso de validación con fantomas, así como a estudios inter e intra observador, resultando en mediciones confiables y repetibles de la geometría vascular. Finalmente, nuestros resultados indicaron que la geometría arterial está relacionada con diferentes patologías cardiovasculares, independientemente de los factores de riesgo tradicionales.]]> Traditional cardiovascular risk factors (age, sex, hypertension, smoking, among others) directly affect the risk of developing pathologies of the circulatory system. However, people with similar risk factors do not always develop the same pathologies, depending on additional risk factors. Within this group, in recent years the geometry of blood vessels has been shown to be associated with cardiovascular risk, independently of traditional factors. In this thesis we will show the methodology developed to reconstruct in a non-invasive way the geometry of the two fundamental vascular components of the circulation: the coronary vessels that feed the heart, and the aorta, the main conduit of blood to the rest of the organism. Both components are susceptible to the development of specific pathologies of medical importance due to their high risk. To analyze the arboreal shape of the coronary circulation, we developed two tools: the first, for the measurement of the bifurcation angle of the vessels from three-dimensional cylindrical adjustments, and the second to compare two arterial trees without apparent correspondence using allometric models. In both cases, we relate the geometric differences between groups with and without coronary disease, present in the form of atherosclerosis. For the analysis of the aorta we also developed two tools: one for the modeling of the aorta obtained from non-contrast tomography in patients in primary prevention, and another for the modeling of the aorta with structural pathologies (eg dissections and aneurysms), useful to segment the vasculature even after endovascular repair interventions. The large cohort of patients undergoing non-contrast tomography allowed us to study the average aortic shape of patients at intermediate risk, analyze the natural deformation of the aorta over time, in the presence of arterial hypertension and atheromatous disease. The analysis of the cohort of patients with aortic pathologies surgically repaired was used to predict the appearance of the disease, study its evolution and collaborate in more effective treatments.
Globally, the algorithms we developed were able to quickly reconstruct the geometry of the blood vessels under study. These semiautomatic algorithms were validated with phantoms, as well as inter and intra-observer studies, resulting in reliable and repeatable measurements of the vascular geometry. Finally, our results indicated that arterial geometry is related to different cardiovascular pathologies, independently of traditional risk factors.]]> Casciaro, Mariano Ezequiel]]> La Cátedra.]]> La Cátedra]]> La Cátedra.]]> Fil:Flax, Rafael María. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Buenos Aires; Argentina]]> Flax, Rafael María]]> Fil:Flax, Rafael María. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Buenos Aires; Argentina]]> Flax, Rafael María]]> La Cátedra.]]> Fil:Ortiz, Eduardo L. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Buenos Aires; Argentina]]> Ortiz, Eduardo L.]]> ]]> Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires]]> Disciplina: Ingeniería]]> Fil: López Rivarola, Felipe. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina.]]> Lugar de trabajo: Laboratorio de Métodos Numéricos en la Ingeniería (LMNI) (LMNI - INTECIN -FIUBA)
]]> El uso de esquemas multiescala para el análisis computacional del comportamiento de falla de materiales compuestos se ha convertido en un tema prometedor para evaluar los complejos mecanismos de degradación en las diferentes escalas de observación y para conseguir información precisa sobre los efectos de estos procesos de degradación de las subescalas en el comportamiento de la respuesta macroscópica. En el marco de los procedimientos estándar de elementos finitos, tanto los procedimientos multiescala concurrentes y semi-concurrentes han sido considerados para analizar el comportamiento de falla de materiales casi frágiles. Los materiales compuestos se caracterizan por tener un dominio heterogéneo con constituyentes que son muy diferentes respecto a la geometría y/o al comportamiento. Para estos materiales es absolutamente necesario tener en cuenta la escala mesoscópica, ya que esta controla la respuesta macroscópica. Sin embargo, existen preguntas que están todavía abiertas a discusión. Primero, respecto a que tan apropiados son los criterios de homogeneización existentes para el análisis de procesos disipativos multifisicos en materiales compuestos. En segundo lugar, respecto a las capacidades de los procedimientos estándar de elementos finitos para representar estructuras mesoscópicas heterogéneas, ya que imponen restricciones geométricas ó condiciones de borde poco realistas que distorsionan las soluciones numéricas. En concordancia con esto, en este trabajo se propone en primer lugar un esquema de homogeneización para procedimientos multiescala semi-concurrentes. Se definen las condiciones necesarias y suficientes para cumplir con la consistencia termodinámica de los esquemas de homogeneización computacional. La propuesta es válida para procedimientos multiescala de comportamiento arbitrario, incluyendo tanto a medios continuos como discontinuos en cualquiera de las dos escalas. Se demuestra que el conocido criterio de Hill-Mandel para criterios de homogeneización es una condición necesaria, pero no suficiente para la consistencia termodinámica cuando se tienen materiales disipativos en cualquier escala. En este sentido, se establece la condición adicional a cumplir con respecto a la consistencia termodinámica multiescala. El esquema de homogeneización multiescala semi-concurrente y termodinámicamente consistente se amplía para modelar el comportamiento de falla de materiales termo-poroplásticos. La propuesta permite la formulación de un comportamiento con stitutivo acoplado, incluyendo la interacción termo, hidro y/o mecánica. El esquema de homogeneización propuesto da lugar a ecuaciones macroscópicas caracterizadas por una densidad de energía libre totalmente compatible con la microscópica. En primer lugar, el enfoque multiescala termodinámicamente consistente, propuesto en esta tesis, se aplica al caso general de los materiales termo-poroplásticos. Luego, la formulación se particulariza y se resuelve para el caso de los materiales termo-poroelásticos. Se muestra que la entropía macroscópica resultante y el vector de entropía tienen términos adicionales a los obtenidos en trabajos anteriores basados en diferentes estrategias de homogeneización. Despues de describir el procedimiento para implementar computacionalmente el procedimiento de homogeneización, se presentan análisis numéricos que tratan el comportamiento dependiente de la temperatura del hormigón. Los resultados demuestran la solidez del esquema propuesto y, de hecho, muestran una buena concordancia con resultados experimentales de la literatura respecto al efecto de la temperatura en el hormigón. Se considera un enfoque discreto para representar la respuesta material del volumen elemental representativo (RVE). La segunda parte de esta tesis trata con otro aspecto novedoso, que es evaluar las ventajas de aplicar el método de los elementos virtuales (VEM) en análisis multiescala y DNS (simulaciones numéricas directas) de compuestos heterogéneos. Para esto, se realizan resultados numéricos detallados tanto para difusión lineal como para elasticidad lineal. Se evalua la calidad de la solución discreta, y se destacan las diferencias entre un enfoque mesoscópico y uno multiescala. Se demuestran las capacidades y ventajas de usar VEM en análisis multiescala semi-concurrentes comparando contra DNS, especialmente cuando se trata de materiales compuestos con geometrías complejas y heterogéneas. Diferentes ordenes de interpolación fueron utilizados para tanto la escala macroscópica como microscópica, y se incluyen resultados que comparan contra discretizaciones estándar de elementos finitos. Finalmente, se delibera sobre nuevo enfoque para el análisis multiescala concurrente del comportamiento de falla de fractura. Este se basa en la combinación de elementos virtuales (VE) y elementos de interfaz (IE) en el marco del enfoque discreto. Se detalla el procedimiento propuesto para el mallado mesoscópico basado en la combinación de VEM y IE no lineales. Se presentan análisis numéricos que detallan los caminos de tensión y el comportamiento de falla, demostrando el potencial y la eficiencia del enfoque basado en VE e IE para materiales compuestos. Resumiendo, los aspectos novedosos de esta tesis son: 1. La propuesta de un proceso de homogeneización para análisis multiscala semiconcurrente basada en criterios termodinámicos. 2. La aplicación de VEM para análisis multiescala semi-concurrente para medios heterogéneos. Estas contribuciones originales fueron publicadas en revistas indexadas, y se detallan a continuación: Rivarola, F.L., Etse, G. and Folino, P., 2017. On thermodynamic consistency of homogenization-based multiscale theories. Journal of Engineering Materials and Technology, 139(3), p.031011. Rivarola, F.L., Benedetto, M.F., Labanda, N. and Etse, G., 2019. A multiscale approach with the Virtual Element Method: Towards a VE2 setting. Finite Elements in Analysis and Design, 158, pp.1-16. Rivarola, F.L., Labanda, N. and Etse, G., 2019. Thermodynamically consistent multiscale homogenization for thermo-poroplastic materials. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik, 70(3), p.82. Rivarola, F.L., Labanda, N., Benedetto, M.F. and Etse, G., 2020. A virtual element and interface based concurrent multiscale method for failure analysis of quasi brittle heterogeneous composites. Under review.

]]> The use of multiscale schemes for computational failure evaluations of composites materials has become a promising topic for evaluating the complex degradation mechanisms at different scales of observations and to achieve accurate information on the effects of these subscales degradation processes on the macroscopic response behaviour. In the framework of standard finite element procedures, both concurrent and semi-concurrent multiscale procedures were considered so far for analysing failure behavior of quasi-brittle materials. Composite materials are characterized by an heterogeneous domain with constituents that are very different with respect to geometry, size and/or response behaviour. In these materials it is absolutely necessary to take into account the mesoscopic scale, since it controls the macroscopic response. However, important questions arise which are still open. On the one hand, regarding the appropriateness of existing homogenization criteria for multiscale analyses of dissipative mulphysical processes in composites. And, on the other hand, regarding the capabilities of standard finite element procedures to represent heterogeneous mesoscopic structures because they impose geometric constraints and unrealistic boundary conditions that distort the resulting numerical solutions. In this line first a new homogenization schemes for semi-concurrent multiscale procedures is proposed. The necessary and sufficient conditions for fulfilling the thermodynamic consistency of computational homogenization schemes are defined. The proposal is valid for arbitrary homogenization based multiscale procedures, including continuum and discontinuum methods in either scale. It is demonstrated that the well-known Hill- Mandel criterion for homogenization scheme is a necessary, but not a sufficient condition for the micro-macro thermodynamic consistency when dissipative material responses are involved at any scale. In this sense, the additional condition to be fulfilled regarding multiscale thermodynamic consistency is established. Additionally, it is shown that the thermodynamic consistency enforces the homogenization of the non-local terms of the finer scale’s free energy density, however this does not lead to non-local gradient effects on the coarse scale. The thermodynamically consistent homogenization scheme for semi-concurrent multiscale approach is then extended to thermo-poroplastic failure behaviour. The proposal allows the formulation of coupled constitutive behaviour, including thermo-, hydroand/or mechanical interaction. The proposed homogenization scheme gives rise to macroscopic material equations characterized by a free energy density fully consistent with the microscopic one. Firstly, the thermodynamically consistent approach proposed in this thesis is applied to the general case of thermo-poroplastic materials. Then, the formulation is particularized and thoroughly resolved for the case of thermo-poroelastic materials. It is shown that the resulting macroscopic entropy and entropy vector have additional terms to those obtained in previous works based on different homogenization strategies. After describing the approach for the computational implementation of the homogenization scheme, numerical analysis are presented dealing with multiscale evaluations of the temperature-dependent cracking processes of concrete. The results demonstrate the soundness of the proposed scheme, and in fact shows good agreement with experimental results in the literature regarding the temperature effect on concrete. A discrete approach is considered to represent the RVE material response. The second part of this thesis deals with another novel aspect, that is evaluating the advantages of the application of the Virtual Element Method (VEM) in multiscale and DNS (direct numerical simulations) analysis of heterogeneous composites. In this sense, extensive numerical results for both the linear diffusion and linear elasticity settings are performed to assess the quality of the discrete solution, highlighting the differences between a mesoscopic and a multiscale approach. The capabilities and advantages of using VEM in semi-concurrent multiscale analyses are demonstrated by means of comparative studies with DNS results, particularly when dealing with composite materials with geometrically complex and heterogeneous media. Different interpolation orders of VE are considered at both, macro and mesoscopic levels, and comparative results with standards FE discretizations are included. Finally a new approach for concurrent multiscale analysis of fracture failure behaviour is discussed. This is based on combining Virtual Elements (VE) and interfaces in the framework of the discrete approach. The procedure for mesoscopic meshing proposed in this work based on combining VEM and non-linear interface elements (IE) is detailed. Numerical analysis are presented involving stress paths and failure behaviour that shows the potential and efficiency of the approach based on VE and IE for composite materials like concrete are discussed. Summarizing, the novel aspects in this thesis are: 1. The proposal of a new homogenization procedure for semi-concurrent multiscale analysis based on thermodynamic consistency criteria. 2. The application of VEM for semi-concurrent multiscale analysis of problems involving composites and heterogeneous media. 3. The combination of VEM with non-linear interfaces These original contributions were published in the following indexed journals: Rivarola, F.L., Etse, G. and Folino, P., 2017. On thermodynamic consistency of homogenization-based multiscale theories. Journal of Engineering Materials and Technology, 139(3), p.031011. Rivarola, F.L., Benedetto, M.F., Labanda, N. and Etse, G., 2019. A multiscale approach with the Virtual Element Method: Towards a VE2 setting. Finite Elements in Analysis and Design, 158, pp.1-16. Rivarola, F.L., Labanda, N. and Etse, G., 2019. Thermodynamically consistent multiscale homogenization for thermo-poroplastic materials. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik, 70(3), p.82. Rivarola, F.L., Labanda, N., Benedetto, M.F. and Etse, G., 2020. A virtual element and interface based concurrent multiscale method for failure analysis of quasi brittle heterogeneous composites. Under review.

]]> López Rivarola, Felipe]]> Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires. Área Ingeniería]]> Disciplina: Ingeniería]]> Fil: Albert, Raymundo José. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina.]]> Lugar de trabajo: Centro de simulación computacional para aplicaciones tecnológicas (CSC), CONICET]]> La necesidad de detectar señales, recuperar información útil a partir de éstas, realizar clasificaciones y tomar decisiones es un problema presente en muchas aplicaciones de procesamiento de señales. Dado que en la práctica las señales se ven corrompidas por el ruido, es esencial optimizar el procesamiento y la clasificación de las señales para garantizar una toma de decisiones correcta. En esta tesis se analiza el modelo de una mezcla de exponenciales complejas amortiguadas. Un obstáculo importante es el de determinar el número de componentes en la mezcla y, para cada componente, el valor de la frecuencia, factor de amortiguación, la amplitud y la fase del modelo. El trabajo se centrará específicamente en el problema de estimación de la cantidad de exponenciales presentes, así como también en la estabilidad numérica de las soluciones obtenidas por diferentes algoritmos de estimación de los parámetros. Esto es especialmente difícil si uno o más componentes están cerca entre sí y/o presentan una energía comparable o menor frente a una perturbación. Para la estimación de la cantidad de componentes en la mezcla se analizan las ventajas y desventajas de los métodos existentes de manera de proponer una nueva estrategia de estimación que mejore significativamente el rendimiento. Para el caso de la estabilidad numérica se extienden los resultados conocidos, así como también se propone una nueva estrategia para poder obtener mejores estimaciones de las componentes de la mezcla de exponenciales. Se propone una estrategia alternativa de clasificación de señales exponenciales basada en el rango numérico de un haz matricial. Este problema de dispersión electromagnética se puede modelar como una suma de exponenciales complejas donde las frecuencias son características propias del material. Por lo tanto, se propone utilizar los nuevos métodos aquí propuestos debido a que la estimación correcta de las frecuencias complejas en la señal reflejada se vuelve relevante tanto para la identificación y/o clasificación del material. Todos los métodos propuestos son validados usando experimentos numéricos y comparando su desempeño con resultados obtenidos en la literatura. También se validarán utilizando simulaciones de dispersión electromagnética como datos experimentales para diferentes materiales dieléctricos.]]> The need to detect signals, recover useful information from them, perform classifications, and make decisions is a common issue in many signal processing applications. Since signals in practice are corrupted by noise, it is essential to optimize the processing and classification of the signals to ensure accurate decision-making. This thesis analyzes the model of a mixture of damped complex exponentials. A significant challenge is determining the number of components in the mixture and, for each component, the values of frequency, damping factor, amplitude, and phase of the model. The focus will be specifically on the problem of estimating the number of present exponentials, as well as on the numerical stability of the solutions obtained by different parameter estimation algorithms. This is particularly difficult when one or more components are close to each other and/or exhibit comparable or lower energy in the presence of perturbations. To estimate the number of components in the mixture, the advantages and disadvantages of existing methods are analyzed to propose a new estimation strategy that significantly improves performance. For numerical stability, known results are extended, and a new strategy is proposed to obtain better estimates of the components of the exponential mixture. An alternative strategy for classifying exponential signals based on the numerical range of a matrix pencil is proposed. This electromagnetic scattering problem can be modeled as a sum of complex exponentials where the frequencies are material-specific characteristics. Therefore, the proposed new methods are recommended because accurate estimation of the complex frequencies in the reflected signal is crucial for both material identification and/or classification. All proposed methods are validated using numerical experiments and compared with results obtained from the literature. They will also be validated using electromagnetic scattering simulations as experimental data for different dielectric materials.]]> Albert, Raymundo José]]>