Computational engineering in structures and biomechanics

Nowadays, computer-aided calculations are an essential part of engineering. The development of efficient numerical methods and computer-aided simulation models are still important research fields. Some of our contributions to these areas are presented here (in German).

Projekte:

Knochen- und Bänderverletzungen sind die am häufigsten auftretenden schweren Verletzungen im Sport. Um solche Verletzungen zu vermeiden ist es notwendig den zugrundeliegenden Verletzungsmechanismus und die damit verbundenen Risikofaktoren zu

Heutzutage werden v.a. muskuloskelettale Simulationsmodelle immer beliebter um Verletzungssituationen am Computer zu untersuchen. Ein muskuloskeletales Simulationsmodell besteht aus einem Mehrkörpermodell (Segmenten), welches das Skelett darstellt und Muskeln, die die Bewegung des Skeletts steuern. In den existierenden muskuloskeletalen Simulationsmodellen wurden Knochen bisher mit starren und nicht verformbaren Segmenten modelliert. Dadurch können Knochenverletzungen oder Auswirkungen auf die Knochenstruktur bei menschlichen Bewegungen mit diesen Simulationsmodellen nicht analysiert werden.

Fracture of the right ulna after a drop (fall).

In diesem Projekt wurde ein Computersimulationsmodel entwickelt, welches ermöglicht, die Bewegung der oberen Extremitäten durch ein Simulationsmodell unter Berücksichtigung des strukturellen Verhaltens von Knochen zu untersuchen. Die starren Knochen im Mehrkörpermodell wurden durch Euler-Bernoulli-Balken (1) ersetzt und mittels „Floating Frame of Reference“-Formulierung in das Simulationsmodell (2) implementiert.

Mathematische Modelbeschreibung
Fixierung der Ulna für den 3-Punkt-Biegeversuch

Die Modellierung der Knochen als Euler-Bernoulli-Balken erforderte biomechanische und -metrische Daten für die Knochen. Dazu wurden Messungen an der Klinik für Unfallchirurgie der Medizinischen Universität Innsbruck durchgeführt.  Die biomechanischen Kennwerte der Knochen wurden schließlich aus Inversen Problemen berechnet.

Die Ergebnisse dieses Projekts liefern wichtige Informationen um in Zukunft das strukturelle Verhalten von Knochen, Rekonstruktionsplatten, Prothesen usw. in verschiedenen Bewegungssituationen mit Hilfe von muskuloskelettalen Simulationsmodellen zu untersuchen.

Das  Model wurde angewendet, um eine Fraktur der Ulna während eines Sturzes zu simulieren.

Betreute Abschlussarbeiten in diesem Projekt:

  • Mertens Jonas Maria (Bachelorarbeit, 2019)
    Modellierung des Materialverhaltens von Knochen mit Hilfe von FEM
  • Oettl Manfred (Bachelorarbeit, 2021)
    Wie wirkt sich die Berücksichtigung der Materialeigenschaften von Knochen muskulskeletalen Simulationen aus?
  • Höck Vinzenz Johann (Masterarbeit, 2023)
    Biomechanical modeling of a flexible arm model using the multibody simulation software Exudyn

Produzierende Unternehmen stehen vor verschiedenen Herausforderungen. Der demografische Wandel, die gestiegene Lebensarbeitszeit, der Fachkräftemangel und die Produktindividualisierung erhöhen die Kosten. Daher gewinnt die physische Unterstützung der MitarbeiterInnen durch Exoskelette zunehmend an Bedeutung.

Das Ziel des Innovationscamps exoATwork ist es, mittels Vorträge, Workshops und praxisnahen Fallstudien forschungsorientiertes Wissen und konkrete Handlungsempfehlungen (z.B. durch Exoskelette) für eine ergonomische und nachhaltige Gestaltung von manuellen Arbeitsplätzen zu vermitteln. Insbesondere biomechanische Simulationen bieten die Möglichkeiten von Arbeitssituationen mit Mensch und Technik genauer zu untersuchen. 

weitere Infos zum Innovationscamp exoATwork:

https://projekte.ffg.at/projekt/4660055

https://www.uibk.ac.at/de/weiterbildung/gesundheit-mint/exoskelette/

Publikationen:

Publikationen 2024

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Beitrag in Proceedingsband (Abstract)
  • Eberle, Robert (2024): Estimation of nonparametric restoring forces for nonlinear mechanical single-degree-of-freedom systems: a robust and effective approach.
    In: Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik (GAMM): 94th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM 2024) Book of Abstracts. March 18-22, 2024, Magdeburg, Germany. Dresden: Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik (GAMM)., S. 323. (Weblink)

  • Mössner, M; Schindelwig, K; Ueno, R; Ebenbichler, M; Heinrich, D; Eberle, R; Nachbauer, W (2024): ACL Load At Binding Release In Simulated Backward Twisting Falls.
    In: International Society for Skiing Safety: Book of Abstracts of the Joint Conference 25th International Congress on Snow Sport Trauma and Safety - 38th Congress of the International Society for Snowsports Medicine. International Society for Skiing Safety., S. 15. (Weblink)



Publikationen 2023

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Zeitschriftenaufsatz (Originalarbeit)
  • Eberle, Robert; Oberguggenberger, Michael (2023): Vibrations of a Bridge with Random Structural Irregularities Under Random Traffic Load and a Probabilistic Structural Degradation Assessment Approach.
    In: Journal of Vibration Engineering & Technologies 11, S. 1851 - 1865. (Volltext) (DOI) (Weblink)

  • Linnenberg, Christine; Reimeir, Benjamin; Eberle, Robert; Weidner, Robert (2023): The Influence of Circular Physical Human–Machine Interfaces of Three Shoulder Exoskeletons on Tissue Oxygenation.
    In: Applied Sciences - Basel 13/18, No. 10534. (Volltext) (DOI) (Weblink)

Beitrag in Proceedingsband (Full Paper)
  • Reimeir, Benjamin; Berghammer, Tassilo; Federolf, Peter; Eberle, Robert; Grömer, Gernot; Weidner, Robert (2023): “Houston, I dropped my hammer!“ – How to lift objects on Mars – OpenSim simulations of extravehicular activities based on terrestrial experimental data.
    In: Witte, K; Pastel, S; Edelmann-Nusser, J: dvs-Biomechanik 2023 Tagungsband. Beiträge zur Tagung der dvs-Sektion Biomechanik 2023 an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Stuttgart: Steinbeis-Edition., ISBN 978-3-95663-298-3, S. 158 - 164. (Weblink)



Publikationen 2022

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Zeitschriftenaufsatz (Originalarbeit)
  • Eberle, Robert; Oberguggenberger, Michael (2022): A new method for estimating the bending stiffness curve of non-uniform Euler-Bernoulli beams using static deflection data.
    In: Applied Mathematical Modelling 105, S. 514 - 533. (Volltext) (DOI) (Weblink)



Publikationen 2020

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Beitrag in Proceedingsband (Full Paper)
  • Eberle, Robert; Heinrich, Dieter (2020): Consideration of Structural Behaviour of Bones in a Musculoskeletal Simulation Model.
    In: Ateshian, Gerard A; Myers, Kristin M; Travares, João Manuel R.S: Computer Methods, Imaging and Visualization in Biomechanics and Biomedical Engineering. Selected Papers from the 16th International Symposium CMBBE and 4th Conference on Imaging and Visualization, August 14-16, 2019, New York City, USA. Cham: Springer Nature (= Lecture Notes in Computational Vision and Biomechanics, 36)., ISBN 978-3-030-43194-5, S. 464 - 469. (DOI) (Weblink)

Beitrag in Proceedingsband (Abstract)
  • Zamojski, Marius; Hörtnagel, Wolfgang; Eberle, Robert; Dohnal, Fadi (2020): Towards an analytical prediction of chatter suppression using timeperiodic modulation.
    In: Duisburg-Essen: DuEPublico: Sechste IFToMM D-A-CH Konferenz 2020. 27.-28. Februar 2020, Campus Technik Lienz. Duisburg-Essen: DuEPublico - Duisburg-Essen Publications online., ISBN 978-3-940402-28-8, online. (DOI)



Publikationen 2019

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Zeitschriftenaufsatz (Originalarbeit)
  • Eberle, R; Heinrich, D; van den Bogert, A.J; Oberguggenberger, M; Nachbauer, W (2019): An approach to generate noncontact ACL-injury prone situations on a computer using kinematic data of non-injury situations and Monte Carlo Simulation.
    In: Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 22/1, S. 3 - 10. (Volltext) (DOI) (Weblink)

  • Eberle, Robert; Kaps, Peter; Oberguggenberger, Michael (2019): A multibody simulation study of alpine ski vibrations caused by random slope roughness.
    In: Journal of Sound and Vibration 446, S. 225 - 237. (DOI) (Weblink)

Zeitschriftenbeitrag (Proceedings Paper)
  • Eberle, Robert; Oberguggenberger, Michael (2019): Vibrations of an alpine ski under structural randomness.
    In: Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM) 19/1, No. e201900345. (Volltext) (DOI) (Weblink)

Beitrag in Proceedingsband (Abstract)
  • Eberle, Robert; Heinrich, Dieter (2019): Consideration of Structural Behaviour of Bones in a Musculoskeletal Simulation Model.
    In: Abstract Book of the 16th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering and the 4th Conference on Imaging and Visualization. Columbia: Columbia University.

  • Eberle, Robert; Heinrich, Dieter (2019): Considering Structural Behaviour of Bones in Musculoskeletal Simulation Model.
    In: XXVII Congress of the International/American Society of Biomechanics (ISB/ASB 2019). July 31 - August 4, Calgary, Canada. Calgary: University of Calgary., S. 1781. (Weblink)

  • Eberle, Robert; Oberguggenberger, Michael (2019): Vibration of a beam under structural randomness.
    In: Unterkofler, Karl; Fetz, Thomas: ÖMG Conference 2019, Program and Book of Abstracts. University of Applied Sciences Vorarlberg, September 16-20 2019. Österreichische Mathematische Gesellschaft - ÖMG., S. 141. (Weblink)



Publikationen 2018

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Beitrag in Proceedingsband (Abstract)
  • Eberle, Robert; Kaps, Peter; Oberguggenberger, Michael (2018): Ski vibrations caused by random slope roughness: A multi-body simulation study.
    In: Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik (GAMM): 89th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM 2018). Book of Abstracts. March 19-23, 2018, Munich, Germany. Dresden: Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik (GAMM)., S. 78. (Weblink)



Publikationen 2017

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Zeitschriftenaufsatz (Originalarbeit)
  • Eberle, R; Heinrich, D; Kaps, P; Oberguggenberger, M; Nachbauer, W (2017): Effect of ski boot rear stiffness (SBRS) on maximal ACL force during injury prone landing movements in alpine ski racing: A study with a musculoskeletal simulation model.
    In: Journal Of Sports Sciences 35/12, S. 1125 - 1133. (DOI) (Weblink)

  • Schmid, J.; Lener, G.; Eberle R. (2017): Lastkollektive für Eisenbahnbrücken aus Messdaten – Teil 2. Anpassung an tatsächliche Jahresbruttotonnagen und Plannutzungsdauern durch λ2 und λ3, Berücksichtigung von Verkehrsveränderungen und Grenzwerten.
    In: Stahlbau 86/5, S. 434 - 440. (DOI)

Beitrag in Proceedingsband (Full Paper)
  • Posch, M; Ruedl, G; Eberle, R; Burtscher, M (2017): Self-Release of Ski Bindings: A Sex Comparison.
    In: Scher, IS; Greenwald, RM; Petrone, N: Snow Sports Trauma and Safety. Conference Proceedings of the International Society for Skiing Safety: 21st Volume. Cham: Springer International Publishing., ISBN 978-3-319-52754-3, S. 109 - 117. (Volltext) (DOI) (Weblink)

Beitrag in Proceedingsband (Abstract)
  • Eberle, R; Heinrich, D; Kaps, P; Nachbauer, W; Oberguggenberger, M (2017): An approach to generate data of noncontact ACL injury prone situations by computer simulation.
    In: 88th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics - Book of abstracts. Weimar: Bauhaus-Universität Weimar., S. 121 - 122. (Weblink)



Publikationen 2016

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Zeitschriftenbeitrag (anderer)
  • Csapo, R; Hosp, S; Folie, R; Eberle, R; Hasler, M; Nachbauer, W (2016): Elastic Knee Sleeves Limit Anterior Tibial Translation in Healthy Females.
    In: Journal of Sports Science & Medicine 15, S. 206 - 207. (Weblink)



Publikationen 2015

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Beitrag in Proceedingsband (Full Paper)
  • Eberle, R; Kaps, P; Heinrich, D; Mössner, M; Hofer, P; Schindelwig, K; Nachbauer, W (2015): A nonlinear moment-angle relation for the ski-boot hysteresis.
    In: Müller, E; Kröll, J; Lindinger, S; Pfusterschmied, J; Stöggl, T (Eds.): Science and Skiing VI. Proceedings of the Sixth International Congress on Science and Skiing. Aachen: Meyer & Meyer Sport., ISBN 978-1-78255-066-2, S. 143 - 150. (Weblink)

Beitrag in Proceedingsband (Abstract)
  • Eberle, R; Heinrich, D; Kaps, P; Nachbauer, W (2015): Effect of backward flexion stiffness of ski boots on ACL loads during jumps using a musculoskeletal simulation model.
    In: Petrone, N; Marcolin, G; eds.: Book of Abstracts of the 21st International Congress on Ski Trauma and Skiing Safety. 8.-13.3.2015, San Vito di Cadore - Cortina d'Ampezzo/Italy. International Society for Skiing Safety., S. 65.

  • Eberle, R; Heinrich, D; Kaps, P; Oberguggenberger, M; Nachbauer, W (2015): How to Generate Injury Prone Situations for Noncontact ACL Injuries by Monte Carlo Simlation.
    In: XXV Congress of the International Society of Biomechanics. Abstract Book. State College, Pennsylvania: International Society of Biomechanics., S. 1744 - 1745. (Weblink)

  • Posch, M; Eberle, R; Ruedl, G (2015): A sex comparison of release torques during a self-release test of ski bindings adjusted to the ISO 11088 standard.
    In: Petrone, N; Marcolin, G; eds.: Book of Abstracts of the 21st International Congress on Ski Trauma and Skiing Safety. 8.-13.3.2015, San Vito di Cadore - Cortina d'Ampezzo/Italy. International Society for Skiing Safety., S. 60.



Publikationen 2014

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Beitrag in Proceedingsband (Abstract)
  • Eberle, R; Heinrich, D; Kaps, P; Nachbauer, W (2014): Effekt der Skischuhsteifigkeit auf die Kraft im vorderen Kreuzband bei Sprüngen im alpinen Skilauf: Eine Studie mit einem muskuloskeletalem Simulationsmodell.
    In: Werner, I; Schlemmer, P: 15. Kongress der Österreichischen Sportwissenschaftlichen Gesellschaft. Book of Abstracts. 27. – 29. November 2014, Innsbruck, Österreich. Wien: Österreichische Sportwissenschaftliche Gesellschaft., S. 58 - 59. (Weblink)

  • Hofer, P; Petrone, N; Marcolin, G; Eberle, R; Nachbauer, W (2014): Moment-Winkel-verläufe im Sprunggelenk beim Skifahren.
    In: Werner, I; Schlemmer, P: 15. Kongress der Österreichischen Sportwissenschaftlichen Gesellschaft. Book of Abstracts. 27. – 29. November 2014, Innsbruck, Österreich. Wien: Österreichische Sportwissenschaftliche Gesellschaft., S. 48 - 49. (Weblink)



Publikationen 2013

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Beitrag in Proceedingsband (Abstract)
  • Eberle, R.; Heinrich, D.; van den Bogert, T.; Kaps, P.; Nachbauer, W. (2013): Influence of ski boot and ski tail properties on ACL forces during a landing movement in downhill skiing: a study with musculoskeletal multibody simulation.
    In: ÖMG - DMV Congress 2013. 18th ÖMG Congress and Annual DMV Meeting. University of Innsbruck, September 23 – 27, 2013. Österreichische Mathematische Gesellschaft - ÖMG / Innsbruck: Universität Innsbruck., S. 155. (Weblink)

  • Eberle, R.; Kaps, P.; Heinrich, D.; Mössner, M.; Hofer, P.; Schindelwig, K.; Nachbauer, W. (2013): A Nonlinear Model for Ski Boot Hysteresis.
    In: Müller, E; Kröll, J; Lindinger, S; Pfusterschmied, J; Stöggl, T (eds): Abstract Book of the 6th International Congress on Science and Skiing. St. Christoph/Arlberg, Austria, December 14 - 19, 2013. Salzburg: Universität Salzburg., ISBN 978-3-200-03417-4, S. 24.



Publikationen 2012

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Beitrag in Proceedingsband (Full Paper)
  • Eberle, R.; Kaps, P.; Filippi-Oberegger, U.; Heinrich, D.; Mössner, M.; Schindelwig, K.; Niederkofler, A.; Nachbauer, W. (2012): Damped vibrations of alpine skis on inelastic foundations.
    In: Müller, E; Lindinger, S; Stöggl, T (Eds.): Science and Skiing V. Fifth International Congress on Skiing and Science, St. Christoph/Arlberg, Austria, December 14 - 10, 2010. Aachen: Meyer & Meyer., ISBN 978-1-84126-353-3, S. 142 - 151.



Publikationen 2010

Beiträge in Büchern / Zeitschriften

Beitrag in Proceedingsband (Abstract)
  • Eberle, R.; Kaps, P.; Filippi-Oberegger, U.; Heinrich, D.; Mössner, M.; Schindelwig, K.; Niederkofler, A.; Nachbauer, W. (2010): Damped Vibrations of Alpine Skis on Inelastic Foundations.
    In: Müller, E.; Lindinger, S.; Stöggl, T.; Pfusterschmied, J.: Abstract Book of the 5th International Congress on Science and Skiing. Salzburg: Universität Salzburg., ISBN 978-3-200-02097-9, S. 98.

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