Papers reunión de investigadores 2016 by Departamento de Ingeniería PUCP

ENCUENTRO DE INVESTIGACIÓN

del Departamento

de Ingeniería

PAPERS

2016

CONTENIDO 1.

A Low-Cost, Rapid-Deployment and Energy-Autonomous Wireless Sensor Network for Air Quality Monitoring. Por: David Chávez, River Quispe, Jorge Rojas, Andrés Jacoby y Guillermo Garayar.

A Low-Noise Fully Differential Recycling Folded Cascode Neural Amplifier. Por: Sammy Cerida, Erick Raygada, Carlos Silva y Manuel Monge.

Análisis Dinámico de un Escurridor Vibrante Mediante Simulación por Elementos Finitos. Por: Rosendo Franco y Cristian A. Carrasco.

Análisis por Elementos Finitos de Esfuerzos y Deformaciones de las Estructuras Principales de un Radiotelescopio de 20 Metros de Diámetro. Por: Rosendo Franco, Jorge Heraud, Herbert Yépez, José C. Chambergo, Cristian A. Carrasco, José L. Coveñas, Ernesto E. Verástegui, Carla Arce, Víctor Centa y Felipe Carrero.

Analysis and Design of the TMR technique on Soft-Processor. Por: Anthony de la Cruz, Jimmy Tarrillo y Carlos Silva.

Behavior of 100-MM silica lime parapet walls under out-of-plane Seismic forces. Por: Ángel San Bartolomé, Daniel Quiun, Alonso Icochea y Alejandro Fernández.

Biomass Residual Energy Potential in Peru. Por: Estela de la Gracia Assureira Espinoza y Marco Antonio Assureira Espinoza.

Carbon footprint of pomegranate (Punica granatum) cultivation in a hyper-arid region in coastal Peru. Por: Ian Vázquez-Rowe, Ramzy Kahhat, Jair Santillán-Saldívar, Isabel Quispe y Miguel Bentín.

Characterization of Dynamic Parameters of a Structure Made Of Spider Silk Dragline. Por: Jorge Alencastre y Jorge Vera Mechan.

10.

Cyclic Response of traditional and confined masonry Haitian walls. Por: Gladys Villa García, Marcial Blondet y Daniel Quiun.

11.

Desarrollo de un sistema eólico de 4 KW para bombeo utilizando generadores de imanes permanentes y grupo secuencial de electrobombas. Por: Franco Canziani, Oscar Melgarejo y Rosendo Franco.

12.

Design and Deployment of a Multimedia Wireless Sensor Network for Wildlife Inventory in Western Amazon Rainforest. Por: Luis Camacho, Reynaldo Baquerizo, Joel Palomino, Michel Zarzosa y Giussepe Gagliardi.

13.

Design and Implementation of a Wideband 8x8 Butler Matrix for AWS and PCS 1900 MHz Beamforming Networks. Por: Rafael D. Cerna y Manuel A.Yarlequé.

14.

Determinación de Tensiones Residuales en Tuberías Soldadas en Dirección Circunferencial Utilizando Simulación Numérica. Por: Rosendo Franco, Quino M.Valverde, Herbert Yépez, Osmar G. Curi y Paul Lean.

15.

Determinación del Factor de Intensidad de Tensiones de Fisuras Semi-Elípticas en Tuberías Mediante Simulación por Elementos Finitos. Por: Herbert Yépez, Rosendo Franco y Quino M.Valverde.

16.

Diseño de mallas electrosoldadas para el reforzamiento sísmico de viviendas de adobe típicas en el Perú. Por: Ángel San Bartolomé y Daniel Quiun.

17.

Eco-efficiency analysis of Spanish WWTPs using the LCA+DEA method. Por: Yago Lorenzo-Toja, Ian Vázquez-Rowe, Sergio Chenel, Desiree Marín-Navarro, María Teresa Moreira, Gumersindo Feijoo

18.

Enfoque socio técnico en empresas de servicios tecnológicos del Perú. Por: Katy Manrique Valenzuela y Domingo Gonzales Álvarez.

19.

Environmental profile of green asparagus production in a hyper-arid zone in coastal Peru. Por: Ian Vázquez-Rowe, Ramzy Kahhat, Isabel Quispe y Miguel Bentín.

20.

Estudio de caracterización del sistema de innovación del Perú. Por: Eduardo Ismodes con la colaboración de Katy Manrique.

21.

Estudio del comportamiento fluido-dinámico de un agitador a escala reducida mediante simulación numérica. Por: José Chambergo, Quino Valverde, Rosendo Franco y Herbert Yépez.

22.

Estudio del ecosistema de emprendimiento tecnológico en Lima: Estudio colectivo de casos. Por: Carlos Hernández Cenzano y Domingo Gonzales Álvarez.

23.

Experimental behavior of parapet masonry walls braced under out-of-plane Seismic forces. Por: Ángel San Bartolomé, Daniel Quiun, Reymundo Siancas y Alan Manrique.

24.

Experimental seismic behavior of a reinforced masonry Wall of stacked units without mortar in the joints. Por: Daniel Quiun, Omar Chávez y Francisco Seminario.

25.

Is climate change-centrism an optimal policy making strategy to set national electricity mixes? Por: Ian Vázquez-Rowe, Janet L. Reyna, Samy García-Torres y Ramzy Kahhat.

26.

Medición de la resiliencia en la cadena de suministros, en una nueva teoría del negocio. Por: Vargas Florez, Jorge, González Álvarez, Domingo, Cornejo Sánchez, Christian.

27.

Notas en torno a la seguridad vial. Una revisión desde las ciencias sociales Por: Juan Carlos Dextre y Ángel Cebollada

28.

Obtención de factor geométrico único para cálculo de contacto y flexión en engranajes cilíndricos mediante simulación con FEM. Por: Franco Rodríguez R., Infanzón García H. L. y Díaz Velazco I

29.

Out-of-plane Seismic behavior of partition walls made of silica lime P-7 units. Por: Daniel Quiun y Diana Sulca.

30.

Perspectivas de los sistemas de innovación en la Amazonía peruana: un estudio de caso. Por: Domingo González Álvarez, Emilio Díaz Mori, Bernardo Alayza y Ema Raquel Moscoso Luppi.

31.

Propuesta de una arquitectura para una red neuronal artificial RBF sobre un FPGA. Por: Niels Prieto Bejar y Carlos Silva Cárdenas.

32.

Seismic Behavior Comparison of Traditional and Confined Masonry Haitian Walls. Por: Daniel Quiun, Gladys Villa García y Marcial Blondet.

33.

Simulación del Proceso de Agitación en un Agitador Vertical Mediante un Modelo Bifásico de Superficie Libre. Por: Hebert Huerto, Herbert Yépez, Rosendo Franco y Quino M.Valverde.

34.

Sistema de dosificación neumática para el cultivo de semillas de zanahoria. Por: Herbert Yépez, Rosendo Franco, Pedro Ayllón, Cristian Carrasco y Luis Antezano

Uno de los principales roles de la universidad es la producción y difusión del saber, lo cual es fundamental para el desarrollo de la sociedad. Esto ha sido siempre claro para nuestra universidad, que, en los últimos tiempos, ha convertido la investigación en un imperativo: tenemos un vicerrectorado de investigación desde el cual se estimula la investigación a través de una serie de mecanismos, sobre todo, el de los concursos para obtener financiamientos. Para la PUCP, ha sido crucial la valorización, y el mantenimiento de la integridad y de la especificidad de la investigación universitaria. Esta debe ser pertinente, en el sentido en que debe contribuir al conocimiento del ser humano y de sus relaciones con el mundo. Esta idea de la investigación universitaria supone la libertad de desarrollar temas que no están inmediatamente vinculados a imperativos económicos, a su utilidad inmediata y a su rentabilidad financiera. Lo que anima la investigación, lo que la justifica plenamente, es el reconocimiento de la importancia de su contribución a la solución de problemas reales. Esto lo podemos advertir en los temas de las investigaciones presentadas por los profesores en el Encuentro de Investigadores del Departamento de Ingeniería, recogidas en esta publicación. La idea de llevar a cabo este Encuentro y esta publicación es que los profesores del Departamento de Ingeniería conozcan qué investigan sus colegas; de este modo, se pueden establecer vínculos entre ellos y potenciar su trabajo. Se ha querido, además, generar un documento al alcance de todos nuestros profesores y de la comunidad científica. Este Encuentro y esta publicación no hubiesen podido concretarse sin la valiosa ayuda de Carlos Silva, Director de Investigaciones de nuestro Departamento, y de los profesores que aceptaron la convocatoria a participar en este evento académico de primera importancia. Aquí les manifiesto mi gratitud y mi reconocimiento. Juan Carlos Dextre Jefe del Departamento de Ingeniería

Desde hace algún tiempo se viene registrando en la PUCP un movimiento interesante en donde la INVESTIGACION es el móvil que producto de las fuerzas provenientes de la capacidad e intelecto de los investigadores se acelera y va contribuyendo a resultados tangibles como el mejoramiento en la posición de nuestra universidad en los rankings de universidades que aparecen frecuentemente. Pero lo más importante es que mediante la investigación, se hace “más universidad” en el real sentido del término. Sin duda lo mencionado es uno de los efectos de “hacer investigación” y cumplir con una de las funciones de la universidad como tal. Otro efecto que se va apreciando es la dinamización de la docencia que se nutre del “conocimiento fresco” y se transmite en las aulas que, dependiendo del nivel de estudios, resulta por lo menos, estimulante para los estudiantes. Producto de las 4 reuniones qu se realizaron entre marzo y abril del 2015 en el marco del I ENCUENTRO DE INVESTIGACION DEL DEPARTAMENTO DE INGENIERIA, afloro la necesidad de “conocer lo que hacen los investigadores” para ver oportunidades de una mayor interrelación y trabajo interdisciplinario. Por tanto, tomando esta recomendación, se generó el II ENCUENTRO DE INVESTIGACION realizado los días 9 y 10 de marzo de 2016 y en donde más de un centenar de trabajos realizados en los dos últimos años fueron presentados por sus autores: docentes e investigadores de todas las Secciones e institutos que conforman el Departamento de ingeniería. Estos trabajos fueron presentados en congresos, conferencias y revistas de prestigio y alto impacto siendo, por tanto, evaluados con el rigor científico que se conoce de los eventos indizados y sometidos a evaluación por pares. Estamos convencidos que somos parte de un proceso que está siempre buscando la excelencia académica y la calidad de los productos provenientes de las tareas de investigación que se realizan diariamente con la pasión que implica la búsqueda constante de aportar al conocimiento, razón por la cual y tomando los comentarios y recomendaciones de los colegas investigadores, esperamos la realización de futuros encuentros de investigación para compartir nuestros aportes. Carlos Silva Coordinador de Investigación del Departamento de Ingeniería

A Low-Cost, Rapid-Deployment and Energy-Autonomous Wireless Sensor Network for Air Quality Monitoring David Chavez M.∗ , River Quispe T.† Jorge Rojas M.‡ Andres Jacoby K.§ and Guillermo Garayar L.¶ Rural Telecommunications Group (http://gtr.telecom.pucp.edu.pe/) at Pontifical Catholic University of Peru ∗ Email: dchavez@pucp.edu.pe † Email: riquispe@pucp.pe ‡ Email: jorge.rojasm@pucp.pe § Email: ajacoby@pucp.pe ¶ Email: guillermo.garayar@pucp.pe Abstract—Air quality is an essential factor to assess the health and life quality of people. However, air pollution has become an acute problem in major cities of developing countries due to the rapid industrialization and poor handling of air pollutants. In this scenario, air quality monitoring practices have been scarcely implemented largely because of the relatively high cost and technical complexity of Continuous Air Quality Monitoring Stations (CAQMS). This paper proposes a low-cost, rapid-deployment and energy-autonomous solution based on wireless sensor networks (WSN) to improve the assessment and the understanding of air quality in developing countries urban areas, thus helping policy makers and scientists to better handle air pollution. The proposal incorporates the use of a website to display collected data and processed information in order to empower citizens with knowledge about the air they breathe.

I NTRODUCTION

Air pollution has become a very important issue as major cities cope with steady increases in population and the number of combustion-engine powered vehicles. According to the World Health Organization (WHO) seven million people die annually as a result of exposure to air pollution [1] (one out of eight deaths). Cities in developing countries are facing industrialization and high density urbanization processes that come with an increase in the number of vehicles powered by combustion of hydrocarbons, which are the main sources of hazardous air pollutants. Some of the cities where air quality has reached alarmingly low levels are Beijing, Xingtai, Delhi and Lima [2]. The last one scores the lowest in air quality among Latin-American cities [3]. In order to tackle the problem of air pollution and improve air quality, it is necessary to reliably measure and collect information about it. Doing so enables scientists to perform broader and deeper studies on air quality and policy makers to receive prompt feedback on the efficacy and efficiency of the policies and measures they implement. Environmental authorities of major cities are prone to require the deployment of Continuous Air Quality Monitoring Stations (CAQMS) because they provide very precise measurements (in a continuous manner) of the most important air quality pollutants such as PM2.5, PM10, O3 , CO, SO2 and N O2 . However, this class of equipment is only affordable, in a number to cover a large city, to those in developed

economies. Given the fact that per-station investments usually range in the hundred thousands or millions of USD, not even taking into account maintenance and operation expenditures. Moreover, CAQMS are usually large and relatively difficult to deploy or move once placed at a given location. Therefore, authorities in developing countries limit their purchase to a small number. In Lima, for instance, authorities count on just four fully functional air quality stations to cover an area of 800 km2 and 8 million inhabitants by late June 2015. Because air pollution is highly location-dependent, one of the problems of having few air quality monitoring stations is that it can mislead the proper assessment of air quality in any given urban area, different from the placement of the station. For instance, if the air quality station is located in or by a park, it could provide a negative biased measurement while, in the opposite situation, if placed nearby a heavy transited street or road intersection, the measurements could have a positive bias. On the other hand, wireless sensor networks are emerging increasingly as a viable alternative in air quality measuring and monitoring. This is due to the positive confluence of factor such as their relative low cost of deployment, good accuracy, sensitivity and repeatability of their sensor arrays and a low demand of power to operate. Here we discuss this issue in detail under the following structure: Section II presents a collection of recently developed research works where WSN are used for air quality monitoring. Section III explains a viable architecture for such a system. Section IV shows, in detail, the sensor-node development. Section V explains the gateway-node development. Section VI describes the information system used to visualize and analyze collected and processed data. Section VII shows the experimental results obtained by an implementation of the WSN system. Finally, conclusions are drawn based on the aforementioned results along with comments on future works. II.

R ELATED W ORKS

Many publications report on air quality; nonetheless, in this section, we selected only those who show out-door applications in order to discuss their strengths and drawbacks. Mead et al. [4] proposed a system that measures concentration of CO,

N O and N O2 . They implemented both mobile and static networks showing the advantages of electrochemical sensors upon current standard measurements methods. The authors show how they calibrated the sensors and deployed the gas nodes. In addition, they use GPS/GPRS modules. Wang et al. present a system that is self-sustainable [5]. Their system uses a lead-acid battery and a solar cell. They include gas sensors for CO and particulate matter (PM). For wireless communication, they use the ZigBee/IEEE802.15.4 protocol. Additionally, they report in detail the power consumption of their system. Rizea et al. present a wearable sensor device to capture large amounts of air quality data [6]. By using mobile devices, they can alert the final user, in real time, about air quality. They measure CO2 , N O and PM. Volgyesi et al. [7] present the Mobile Air Quality Monitoring Network (MAQUMON). They designed a car-mounted system, which collects data while in movement. Data is transmitted through Wi-Fi whenever the car is near a hotspot. Therefore, data cannot be accessed at any given time. They monitor O3 , CO and N O2 concentrations and do not measure meteorological parameters. Finally, Liu et al. show a system based in different types of sensors and WSNs [8]. Power is supplied by a 12V battery and the back-end platform is controlled by a LabView program. It communicates with the user through the Short Message System (SMS). Data can be read in real time and is stored in a database compliant with DBMS/MSQL. They measure CO. III.

A RCHITECTURE OVERVIEW

The presented system consists of the following sections: the sensor nodes and its gateways, and the information system; as shown in Figure 1. The network nodes can be equipped with either gas or meteorological sensors. These sensor nodes and their corresponding WSN-side gateway properly conform the wireless sensor network (WSN) which can be expanded and replicated in a modular approach. The information system (IS) is implemented in a server that receives the information sensed within the WSNs and delivered to the server-side gateway. Two types of gateways were developed: a Zigbee-to-Ethernet gateway and a Zigbee-GSM-Ethernet gateway. The first is meant for deployments within reach of an Ethernet connection. The latter can be configured to use SMS or General Packet Radio Service (GPRS) to send data to the server.

Fig. 1: Overview of the proposed WSN-based air quality monitoring system. Once the data is received and processed by the server, it can be viewed and analyzed in a human-friendly web application

which can be accessed by information systems managers as well as the general public. IV. S ENSOR N ODE A. Gaseous Pollution Sensors The reported system measures the following gases: carbon monoxide (CO), nitrogen dioxide (N O2 ), sulfur dioxide (SO2 ), hydrogen sulfide (H2 S) and ozone (O3 ). Alphasense B4 sensors were chosen mostly because of it sensitivity and detection range for relatively low outdoor gas concentrations [9]. An Individual Sensor Board (ISB), manufactured by the same company is used in order to decrease noise and thus optimize measurements for each sensor. Particulate matter (PM2.5 and PM10) is measured by the module AM2003 and provided by Wuhan Cubic Optoelectronics [10]. The CDM4161 module [11] and the KE-25 sensor [12], supplied by Figaro are used to gather information about carbon dioxide and oxygen percentage, respectively. To measure meteorological parameters such as air temperature, the node uses a Texas Instruments LM35 [13] sensor. In order to get relative humidity data, a Measurement Specialties HTM2500LF [14] sensor is used. Table I shows some characteristics of the sensors described above. This array of sensors has been selected to meet requirements from Environmental Protection Agency [15]. TABLE I: Specification of the sensors used in the gas node Sensor CO + ISB N O2 + ISB SO2 + ISB H2 S + ISB O3 + ISB PM2.5 PM10 CO2 O2 T RH

[9][10][11][12] [14][13] Manufacturer Range Alphasense [0;11,9] ppm Alphasense [0;16,2] ppm Alphasense [0;17,2] ppm Alphasense [0;3,6] ppm Alphasense [0;16,7] ppm Cubic Opt. [0;4000] pc/L Cubic Opt. [0;400] pc/L Figaro [400;4000] ppm Figaro [0;100] % TI [-55;150] ◦ C Meas. Spec. [0;100]%

Sensitivity 420 mV/ppm 309 mV/ppm 290 mV/ppm 1360 mV/ppm 298 mV/ppm — — 1 mV/ppm 10.67 mV/%O2 10 mV/◦ C 26 mV/%RH

Price $216 $216 $216 $216 $216 $90 incl. $77 $75 $15 $68

1) Hardware: A circuit has been designed to make all the output sensor signals compatible with an Arduino Due module (based on a ATSAM3X8E microcontroller), which integrates, processes and sends data to the Gateway. The Alphasense ISB sensor delivers analog signals that are digitalized by an MCP3428 16bit ADC that complies with I2C standards. The PM sensor uses UART communication to transmit data to the Arduino. Also, a INA122 instrumentation amplifier is used as a voltage interface between the oxygen sensor output signal and the Arduino. For the other parameters, such as CO2 , temperature and humidity, OPA2336 operational amplifiers were used to optimize the dynamic range of the Arduino board interfaces. All of the above signals are connected to the ADC input of the Arduino Due. In addition, a DS3231 real time clock is used for accurate timestamping of acquired data. In order to have a backup data storage, a microSD is used. Finally, wireless communication is implemented through XBee-PRO 900HP modules which connect to the gateway using ZigBee/IEEE802.15.4 protocol. 2) Wireless Communication: The radio XBee-PRO 900HP was chosen mainly because its performance features allow a

Fig. 2: Block diagram of the gas node Fig. 3: Inside view of the gas sensor node larger wireless coverage which in time enlarges the sensed area. This module is based on ZigBee (IEEE802.15.4) and works on the 900MHz band. It peaks an output power of 250mW (+24dBm), a reception sensibility of -110dBm and a maximum theoretical distance of connectivity of 14km (lineof-sight). The implemented topology for the sensor network deployment is Point-to-Multipoint, as shown in Figure 1. The sensor node communicates with the gateway which receives data and transmits it to the server. The server processes and manages information in a way that can be displayed in a web page and delivered to a M2M interface. Figure 2 shows the structure of the gas sensor node where the microcontroller, peripherals and the sensors can be seen. 3) Power Supply: Since the network distribution is meant for rapid deployment, it is necessary that every single node has energy autonomy. For this reason, a solar cell and a battery power the proposed network. A power controller is used to manage the interaction between the node, battery and solar cell. A Grealtec GAT20P was chosen, which is able of providing up to 20W (12V DC). The battery is a Powerplus S3 12/9, which supplies 9Ah (12V DC). The charging of the battery is managed by a Morningstars SHS-06 controller. It is important to note that the gas sensors must be permanently powered because of their need of a preheating time to work properly. The mentioned sensors consume 400 mW approximately. At the beginning of the measurement cycle, the PM module needs to ventilate the sensed air volume. For that purpose, a fan is used, which consumes 1000 mW for a time interval of 10 seconds. After that, the PM module initiates the measurement and activates a pump which demands 450 mW for 30 seconds. After the sensors acquire data, the wireless transmission from the XBee peaks power consumption at 660 mW. Finally, the entire node in idle state approximately consumes 1000 mW. The total purchase price for each node, including the protection case and power system, is approximately USD 1600.

module. The wireless transmission of the data is similar to the gas sensor node. V.

G ATEWAY

The gateway is the WSN component that interfaces the sensor node protocol (Zigbee in our work) and the server-side protocol (Ethernet). We developed two types of gateways for three different deployment setups.

(a) Zigbee-Ethernet WSN-side Gateway

(b) Zigbee-GSM WSN-side Gateway

Fig. 4: Gateways

B. Meteorological Parameters Node Based on the same structure for the gas sensor node, we have implemented a node for meteorological parameters such as: temperature (LM35), relative humidity (HTM2500LF), wind speed, wind direction, rain gauge (Weather Meter)[16], atmospheric pressure (MPX4115A) [17], solar radiation (SQ110) and UV radiation (SU-100) [18]. It also has a conditioning circuit that connects all the signals to the Arduino Due

A. Zigbee-Ethernet gateway Figure 4.a shows the Zigbee-Ethernet gateway that receives the Zigbee frames from the sensor nodes and forwards them through Ethernet frames to the server. The hardware is based on the Arduino Ethernet (composed by an ATmega328 microcontroller and a Wiznet W5100 Ethernet module which integrates a TCP/IP hardware-based stack

B. Zigbee-GSM and GSM-Ethernet gateway Given that the WSN can be deployed in many different settings, a GSM-based gateway solution can provide a reliable and relatively inexpensive way to communicate a WSN to a distant server by the use of an existing GSM network infrastructure. The GSM gateway type presents two variants: as shown in figures 4.b and 4.c (sender and receiver, respectively). The sender receives the Zigbee frames from the sensor nodes and forwards them via SMS to the receiver gateway, which is located close to a wired internet connection. The receiver (server-side gateway) gets the SMS and establishes a TCP connection with the server. Then, the gateway sends the packages by Hypertext Transfer Protocol (HTTP) using the GET method into a PHP script that runs on the server. Finally, the gateway disconnects from the server. The sender (WSN-side gateway) is based on a ITEAD Studio Gboard Pro which integrates an ATmega2560 microcontroller and a SIM900 GSM/GPRS modem. The serverside gateway is based on a Arduino Ethernet and a Seeed Studio GPRS V2.0 shield which is plugged on top of the Arduino. In addition, the Gboard Pro module can be programmed to forward the node information directly to the server by using a TCP connection via the GPRS. Although this eliminates the need for a server-side gateway, it is a more power hungry solution, since the transmission takes longer than sending SMSs. On the other hand, custom enclosures were implemented to protect the electronic components by use of a MakerBot ThingO-Matic 3D printer for the Zigbee-Ethernet gateway and the Gboard Pro-based gateway. VI.

I NFORMATION S YSTEM

In order to store, visualize and analyze the air quality and weather data sensed by the WSN, a custom Information System (IS) was developed. People who browse the web interface can access near-real-time and historical plots of the sensed parameters along with the nodes location and provide feedback. Site administrators can also update nodes configurations and perform maintenance work by using a friendly Graphic User Interface (GUI). The IS is composed of two parts: Back-end and Front-end.

Fig. 5: Simplified event diagram shows an example of how the architecture works to display a plot

software scaffolding in a Model-View-Controller (MVC) architectural pattern. The model deals with the writing and reading of data in the database requested by the controller. In a similar way, the controller processes the requests from the view and sends back the corresponding data to be displayed in it. Figure 5 depicts an example of a plot request by the user. At the beginning, the user selects the date range and the node. Afterwards an AJAX script requests the parameters of the selected node by use of a function implemented in the controller. The controller gets the data by requesting the model or by a SQL-request and transfers the information to the view. The user can select the parameters and click a button to get the plots. The model, view and controller work in coordination to display the information. The data is stored in a MySQL relational database composed of nine tables where node, data, parameter and users are the most important. At the moment of creating the Yii web application, the framework allows the user to configure the database and also create a CRUD (Create, Read, Update and Delete) model of each tables. B. Front-end The IS was designed to be user-friendly and provide visualization of the data in different ways in order to enhance comprehension. The web application has the following relevant parts: a main section that informs users about the project, and a node section which displays a near-real-time visualization for all the parameters of the selected node. In the statistics section, information regarding the maximum, minimum, standard deviation and averages are provided for 8 and 24-hour periods. Additionally, there is a heat map tool to visualize the temperature. The wind speed and direction parameters are displayed in a wind rose plot with a 24-hour period. The history section of the site allows the user to plot data in a standalone or a comparative mode. In both ways the user selects the date range but only in the first way the user must select a node and as many parameters as desired. In the comparative mode, shown in Figure 7, the user selects both the number of pairs and the node-parameters pair to be included in the comparison.

Fig. 6: Render of Google Maps API that shows the nodes location and their AQI values

A. Back-end

The IS back-end is developed in PHP5,based on Yii Framework 1.1.16 [19], which implements high-performance

The Figure 6 depicts the geographic visualization of the WSN deployment. The colors of the icons indicate the Air Quality Index (AQI) according to EPA colors standard [20].

Users can click on the node to get additional information about the latest value of all the parameters it has sensed. This section of the IS was developed by using the EGMap Yii library which is based on Google Maps API.

allowed us to take data from about two and a half months (December 31, 2014 to March 14, 2015). After performing the analysis of the collected data, we were able to verify that the nodes achieved energy autonomy. We could note that their voltage supply varied from 12.5 to 14.3 V. The resilience of the nodes, gateway and information system was tested successfully during that time interval. Furthermore, the concentrations of the sensed parameters were analyzed with encouraging results. Figure 8 depicts the PM2.5 concentration of nodes V1 and V2. As can be seen in the plots, they are very similar, which is the expected result since they are close to each other and use the same hardware and software. The calculated correlation is 0,87 which is close enough to a high correlation. Figure 9 shows the carbon monoxide concentration for both nodes. The correlation for this gas was also high (0,96).

Fig. 7: Interactive plot of comparison between different gases and nodes

The near-real-time and history plots were implemented using JQplot, which is an open source HTML5-based library. As Figure 5 shows, the function is implemented in the controller class and the data is requested from the database either using the data model or a complex SQL query. When the view is rendered, the data for the plot is passed in a JSON file which is read by the graphic library. The comparative plot mode, wind rose plot and temperature heat map were implemented by using Highcharts library [21]. This library includes many features to analyze graphs and allows the user to download the raw data in an excel file for further analysis. VII.

Fig. 8: PM 2.5 concentration measured by V1 and V2 nodes

E XPERIMENTAL R ESULTS

At the current stage of the project, four nodes were completely implemented. One meteorological node and three air quality nodes. Although the manufacture data of Alphasense sensors provides us calibration factors and offsets to properly calculate the concentration of each gas, we developed two experiments to assess the correctness of the measurements. The first experiment is a deployment of two air quality nodes in the roof of a 3-floor building in our university campus. In this case, the nodes were 5 meters apart from each other and hence treated as a co-location test in order to analyze the correlation of the collected data of the two nodes. The second experiment was a deployment of one offline node placed about 2 meters away from a CAQMS, operated by SENAMHI, the Peruvian governmental agency in charge of air quality monitoring. In both experiments we used Pearsonâ&#x20AC;&#x2122;s correlation coefficient (r) to quantify the relationships between the data collected of each parameter. A. Results from the university campus deployment It was implemented by using three air quality nodes, two of which were co-located in the roof of the V building. In this case, the WSN gateway was a Zigbee-Ethernet gateway which receives the Zigbee frames from the nodes and sends them to the server by an Ethernet connection. This type of setup

Fig. 9: CO concentration measured by V1 and V2 nodes The H2 S reached a correlation value of 0,93, while N O2 correlated at 0,88. PM10 presented a 0,76 correlation and SO2 was correlated with 0,59. O3 measurements were not reliable enough to compute a correlation value. We could verify that, most of the time, the concentration was so low that it did not trigger the sensor detection threshold, leading to rejection of most of the readings. On the other hand, when there was a high enough O3 concentration, the sensor overshot and gave us an outlier reading. B. Results from the CAQM vs sensor node deployment The goal for this experiment was to contrast our measurements with a calibrated reference. We selected the SENAMHI air quality station located in the district of San Juan de Lurigancho (SJL), within Lima city [22]. For this test, we deployed the node from hours 8:00 to 19:00 during two days, mostly due to security concerns. The node was configured to take a reading every 15 minutes and to store it in a microSD. On the other hand, SENAMHI provides their data in a public website hourly. Figure 10 shows the concentration for CO for the two days of the experiment. The similarity of the

CO concentration between the node’s measurements and the reference is verified by a correlation of 0,92.

UV radiation, wind direction and wind speed. Once we have enough air quality data from our WSN, we plan to use Big Data algorithms to analyze it and get meaningful conclusion about the air quality, health and the factors that are involved. ACKNOWLEDGEMENTS

Fig. 10: CO concentration of our node and SENAMHI In addition, we found out that the correlation for the N O2 was 0,58, SO2 presented a 0,67 correlation while, PM10 gave us a 0,74 correlation. It is important to emphasize that in that location the O3 reading was more reliable than in the previous experiment. This is probably because a higher concentration of the pollutant is easier for the sensor to detect and measure. The correlation factor for ozone is 0,88. PM2.5 presented the highest correlation with 0,93. Since H2 S is not a gas measured by SENAMHI we were unable to compare it.

The authors would like to thank the Cesar Vallejo University for allowing us to access the SENAMHI CAQM Station located within its San Juan de Lurigancho campus. We also want to acknowledge Marco Zennaro, PhD and the International Centre for Theoretical Physics (ICTP) for inviting us to the Workshop on Scientific Applications for the Internet of Things (IoT) in addition to helping us in many aspects of the project such as the 3D printing, IS development and useful feedback. This work was supported by the Fund for Innovation, Science and Technology (FINCyT) granted by the Production Minister of Peru under contract 153-FINCyT-IA-2013. R EFERENCES [1] [2] [3] [4]

[5]

VIII.

C ONCLUSIONS

This work presents a low-cost, rapid deployment and energy autonomous air quality monitoring solution based on wireless sensor networks. We tested three air quality nodes and one meteorological node configured in a start topology WSN with a Zigbee-Ethernet gateway. They were deployed in a university campus for two and a half months without any kind of intervention proving the sturdiness and reliability of the system and its energy autonomy. Also, we could verify that the air quality measurements were very similar amongst the two nodes that were co-located, delivering a high correlation value. These results support our hypothesis that those measurements have to be correlated. Moreover, in this work we did a second experiment with a governmental CAQMS as a reference in SJL district. Even though we deployed one air quality node for a short period of time, we had favorable results when correlating our measurements with the reference. Therefore, we conclude that our readings are consistent with those provided by the reference, hence reliable and useful enough for air quality assessment purposes. IX.

F UTURE W ORK

Our research team is currently working in the deployment of eight air quality nodes and two meteorological nodes in a high-density urban area with a GSM-based gateway. We are also working with the Chemistry Department of our university towards the calibration of the gas and particulate matter sensors. As a near future goal, we plan to get our urban WSN deployed with calibrated sensors and public access to the web application. As a long-term future goal, we plan to implement artificial intelligence algorithms to predict the air quality according to other type of data such as traffic,

[6]

[7]

[8]

[9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22]

“7 million premature deaths annually linked to air pollution.” http:// www.who.int/mediacentre/news/releases/2014/air-pollution/en/. “Air pollution in asia: Real-time.” http://aqicn.org/map/. “Air quality health questions and answers.” http://www.who.int/phe/air quality q&a.pdf. G. S. P. L. M.I. Meada, O.A.M. Popoolaa, “The use of electrochemical sensors for monitoring urban air quality in low-cost, high-density networks,” in Atmospheric Environment, pp. 186–203, 2013. C.-H. Wang, Y.-K. Huang, X.-Y. Zheng, T.-S. Lin, C.-L. Chuang, and J.-A. Jiang, “A self sustainable air quality monitoring system using wsn,” in Service-Oriented Computing and Applications (SOCA), 2012 5th IEEE International Conference on, pp. 1–6, Dec 2012. D.-O. Rizea, A.-C. Olteanu, and D.-S. Tudose, “Air quality data collection and processing platform,” in RoEduNet Conference 13th Edition: Networking in Education and Research Joint Event RENAM 8th Conference, 2014, pp. 1–4, Sept 2014. P. Volgyesi, A. Nadas, X. Koutsoukos, and A. Ledeczi, “Air quality monitoring with sensormap,” in Information Processing in Sensor Networks, 2008. IPSN ’08. International Conference on, pp. 529–530, April 2008. J.-H. Liu, Y.-F. Chen, T.-S. Lin, D.-W. Lai, T.-H. Wen, C.-H. Sun, J.-Y. Juang, and J.-A. Jiang, “Developed urban air quality monitoring system based on wireless sensor networks,” in Sensing Technology (ICST), 2011 Fifth International Conference on, pp. 549–554, Nov 2011. “Products- alphasense.” http://www.alphasense.com/index.php/air/ products/. “Wuhan cubic optoelectronics - am3000.” http://www.gassensor.com.cn/ product detail en/typeid/9/id/134.html. Figaro, CDM4161A - Pre-calibrated Module for Carbon Dioxide, Oct 2013. Figaro, Technical Information for GS Oxygen Sensor KE-Series, Jun 2005. TI, Texas Instruments - LM35 Datasheet, Jan 2015. Measurements Specialties, HTM2500L Datasheet, Oct 2012. “Epa - standars.” http://www.epa.gov/air/criteria.html. “Weather meters.” https://www.sparkfun.com/products/8942. Motorola, Semiconductor Technical Data - MPX4115A, Jun 2005. “Apogee instruments.” http://www.apogeeinstruments.co.uk/. “Yii php framework: Best for web 2.0 development.” www. yiiframework.com. “Air quality index (aqi) basis.” http://www.airnow.gov/index.cfm? action=aqibasics.aqi. “Highstock- highcharts.” www.highcharts.com/products/highstock. “Senamhi - estacion de monitoreo san juan de lurigancho.” http://www. senamhi.gob.pe/?p=0412&txt=112267.

A Low-Noise Fully Differential Recycling Folded Cascode Neural Amplifier Sammy Cerida∗ , Erick Raygada∗, Carlos Silva∗ and Manuel Monge∗† ∗ School

of Science and Engineering, Pontifical Catholic University of Peru of Electrical Engineering, California Institute of Technology

† Department

Abstract—This paper describes the design of an amplifier to be used as part of a neural recording system. The architecture of this amplifier was based on a fully differential folded cascode (FDFC) amplifier and adapted to a recycling architecture [1] which reuses currents in order to achieve better performance. Furthermore, as we are designing a neural amplifier, a low input-referred noise is required due to the small amplitude of neural signals, as they could be as small as 1 µV. The recycling architecture was optimized for low-noise, and simulated in AMS 0.35 µm CMOS process. An input-referred noise of 1.16 µVrms was achieved while consuming 66.03 µW from a 3.3 V supply, which corresponds to NEF=2.58. The open-loop gain of the amplifier is 111.25 dB and the closed-loop gain is 42.10 dB with a bandwidth of 6.02 kHz.

Index Terms —Neural Amplifier, Recycling, Low Noise, Fully Differential, Folded Cascode.

I. I NTRODUCTION The miniaturization capability of transistors has introduced microelectronics into the field of medicine and neuroscience. Nowadays, it is very common to talk about implantable integrated circuits for electrocardiograms (ECG) or neural signal recording. The latter is known as a neural acquisition system and the data provided by this kind of circuits have led to a better understanding of brain disorders and the nervous system. Recently, many institutions have shown their interest in brain research and have acknowledged its importance. The three major projects in neural signals are: The Human Brain Project [2], DARPA SyNAPSE Program [3] and The BRIAN Initiative [4]. The accurate measure of neural signals is critical for these projects and the development of more efficient acquisition systems is necessary. According to their electric characteristics, the electric potentials of neural signals are classified in two types: Action Potentials (AP) and Low Field Potentials (LFP). APs, also known as “spikes”, are transient signals and their duration ranges from 0.3 to 1 ms [5]. This type of potential is associated with the activation of individual neurons. The magnitude of APs could range from 10 µV to 1 mV, and appear in the high frequency region from 300 Hz to 6 kHz [6]. On the other hand, LFPs have slower oscillations than APs with an amplitude that could range from 1 mV to 10 mV [1]. They represent an average of the neural activity in the proximity of an electrode. This type of signals belongs to a lower frequency band, from less than 1 Hz to 200 Hz [6]. Both, APs and LFPs are significantly affected by noise because of their small amplitude.

This paper reports the design of a fully differential folded cascode amplifier based on the recycling architecture described in [1]. Nonetheless, this referenced work was not proposed as a neural amplifier, thus it does not consider noise as a critical parameter. The architecture of the circuit is shown in Figure 1, and we will refer to it as the fully differential recycling folded cascode (FDRFC). The parameter K in Figure 1 refers to the current gain in the recycling path and, in reference [1], it is equal to 3 in order to use the same current budget of a conventional folded cascode amplifier for a fair comparison. However, an analysis for the optimal value of K is realized in this paper to enhance the performance. Section II describes this analysis, Section III shows simulation results of amplifiers with K=1.5, 2, 3 and 5, and compares them with the state-ofthe-art. Finally, Section IV presents the conclusions. II. D ESIGN

OF THE

N EURAL A MPLIFIER

A. Specifications of the amplifier The recycling architecture in which are based our amplifiers has exhibited an improvement in gain and bandwidth. This is due to the current mirrors M3a-M3b and M4a-M4b in which currents are reused or recycled in contrast to the conventional architecture of a FDFC [1]. However, the result of the analysis of the input-referred noise is not conclusive and our design focus on minimize it. For an adequate performance of the acquisition system, the requirement is that the inputreferred noise should be less than extracellular and electrodes background noise, approximately 5 – 10 µVrms [7]. Another requirement for the design is to achieve a gain sufficiently high to amplify the neural signal. They are in the range of micro and millivolts so we consider that a close-loop gain of 40 dB is enough for the pre-amplification stage of the acquisition system. The output voltage of the amplifier is acceptable as input voltage for a posterior stage which might involve an ADC or another amplification stage. The bandwidth should be at least 6 kHz as explained in [6]. B. Circuit analysis The analysis of this circuit is similar to the conventional folded cascode but considering the recycling path to enhance performance. From Figure 1 we can see that transconductance of transistors M1a, M1b, M2a and M2b should be equal to have the same strength on both, the main and recycling path. Because this is a fully differential amplifier, the circuit has

Fig. 1.

The Fully Differential Recycling Folded Cascode (FDRFC) amplifier

symmetry for its left and right side, thus they have same model parameters (e.g. gm, ro , etc.). The following metrics of the amplifier are obtained assuming the transistor operate in saturation, neglecting body effect [1]. Transconductance: GmF DRF C = gm1a (1 + K)

(1)

Output impedance: Zout ≈ gm8 ro8 ro10 //gm6 ro6 (ro4a //ro2a )

In this subsection we show the analysis to obtain the optimal value for the parameter K in order to minimize the inputreferred noise, maintaining a high gain and bandwidth. 1) Gain: The gain of the amplifier depends on its transconductance and output impedance. Equation (1) shows that the larger the parameter K the larger the transconductance. On the other hand, replacing ro = λI1D in Equation (2) shows that the smaller the parameter K the larger the output impedance. This is shown in the next equation.

(2)

Gain:

Zout =

Av = −GmF DRF C Zout

(3)

Thermal Noise: V 2 T,in

C. Analysis of parameter K

gm8 λ8 λ10 (K −

1+K gm9 gm3a + + (1 + K) gm1a gm1a (1 + K)

(λ2a + Kλ4a ) λ6 (K − 1)

Ib2 2

(6)

output

gm1a (K + 1) (K − 1)

Ib2 2

(4)

Where k is Boltzmann constant, T temperature and γ is a coefficient [9]. Flicker Noise: V 2 f,in =

gm6

After multiplying the transconductance and impedance we obtain the following expression:

8kT γ = gm1a (1 + K)

Av = − "

2 I2 1) 4b

2KP Cox W1a L1a (1 + K) f

2 2 # 1 + K2 KN kP N L1a (K − 1) L1a +K + (1 + K) KP kP P L3a (1 + K) L9 (5)

Where KP and KN are process-dependent constants [9]. kP N and kP P are defined as the gate oxide capacitance per unit area Cox multiplied by mobility of the respective carrier (µn or µp ), electrons for NMOS and holes for PMOS.

gm6 gm8 + gm8 (λ2a + Kλ4a ) λ6 gm6 λ8 λ10 (K−1) 2

(7)

The expression shows that the gain increases for K close to one, with K greater than one. However, a small value of K reduces the slew rate [1]. 2) Thermal noise: For this analysis we refer to Equation D (4) and to the following relation: gm = 2I Vov , where Vov is the overdrive voltage. Depending on this value a transistor operate in weak, moderate or strong inversion. For transistors M3a, M3b, M4a, M4b, M9 and M10, we choose a large Vov to ensure transistors operate in strong inversion and reduce the thermal noise. Nevertheless, transistors of the differential pair need to operate in weak inversion, with a small Vov for increasing transconductance and gain. By design, Vov3a is approximately equal to Vov9 , which is greater than Vov1a .

120

80 60 40 20

In order to calculate the minimum, (8) is equalled to zero and we find the value of K for the minimum thermal noise, discarding the negative root: r 2 gm3a 3a + 1 − gm −1 2 gm gm1a 1a (9) K= gm3a gm1a − 2

0 -20 10-1

Fig. 2.

100

101

102 103 Frequency [Hz]

104

105

K=1.5 K=2.0 K=3.0 K=5.0

-20

As we can see in the expression, thermal noise is minimized for K smaller than one, however, this is not possible since K must be greater than one. We should choose a K as smaller as possible but greater than one. 3) Flicker noise: For this analysis we refer to Equation (5), which requires transistors M3a, M4a, M9 and M10 to have long channels to reduce flicker noise. Moreover, M1a, M1b, M2a and M2b require wide and short-channel transistors in order to have a large transconductance for the amplifier. By design, L9 ≫ L1a , in addition, we can see (K−1) (1+K) < 1. 2 L1a K−1 is neglected. Now, taking Hence, the term 1+K L9 the derivative of Equation (5) we obtain:

∂V 2 f,in 2KP = ∂K Cox W1a L1a f

(11)

 2 KN kP N L1a (K + 1) + 2K − 2 KP kP P L3a   .  3 (K + 1) 

-60 -80 -100 -120 -140 10-1

Fig. 3.

100

101

102 103 Frequency [Hz]

104

105

106

Open-loop phase of FDRFC for different values of K.

10-7 K=1.5 K=2.0 K=3.0 K=5.0

10-8 0 10

Fig. 4.

101

102 Frequency [Hz]

103

Input-referred noise of FDRFC for different values of K.

(12)

In order to calculate the minimum, (12) is equalled to zero and we find the value of K for the minimum flicker noise: 2 L1a N kP N 2− K KP kP P L3a (13) K= 2 KN kP N L1a + 2 KP kP P L3a

We can see in Equation (13), as it happens with thermal noise, the flicker noise is minimized for K smaller than one, but we choose a K greater and close to one. III. S IMULATIONS

-40

Phase [deg]

(10) gm3a gm1a

Input-referred noise density [V/Hz1/2]

gm3a gm

106

Open-loop gain of FDRFC for different values of K.

Equation (9) can be rewritten in an alternate form: 1a K=r 2 3a 2 gm +1+ gm1a

K=1.5 K=2.0 K=3.0 K=5.0

100

Gain [dB]

Considering this in equation (4) and taking the derivative we obtain:  2  K +2K−1 gm3a − 2K + 2 2 K gm 8kT γ  ∂V T,in 1a  (8) =− 3 ∂K gm1a (K + 1)

TABLE I S IMULATED OPERATING CONDITIONS AND SIZE FOR TRANSISTORS IN THE FDRFC AMPLIFIER WITH K=1.5

Transistor M0 M1a,M2a M1b,M2b M3a,M4a M3b,M4b M5,M6 M7,M8 M9,M10 M11,M12

ID (µA) 15.99 4.00 3.99 6.02 3.99 2.01 2.01 2.01 3.99

W L

10 62.5 62.5 0.375 0.25 0.8 28 0.325 1

W (µm) 100 250 250 45 30 8 28 39 10

L(µm) 10 4 4 120 120 10 1 120 10

gm(µS) 122.4 83.83 83.4 23.3 15.26 20.1 41.41 7.66 31.91

RESULTS

The amplifiers have been designed using the AMS 0.35 µm CMOS process, with VDD =3.3V and simulated using Cadence. An open-loop analysis is realized to compare the gain, phase and input-referred noise between amplifiers with K=1.5, 2, 3 and 5.

Figure 2 and Figure 3 show the frequency response of the designed amplifiers. In Figure 2 we can see that the amplifier with highest open-loop gain is the FDRFC with smallest K at expense of a smaller bandwidth. For the required bandwidth (6 kHz) the gain is highest for the largest K but all of the

TABLE II P ERFORMANCE SUMMARY AND COMPARISON WITH PREVIOUS WORK

amplifiers still have an acceptable gain (more than 40 dB). The open-loop phase exhibits a zero for high frequencies that might affect the dynamics of the amplifiers, however, they were designed with the zero far from the required bandwidth (≈100 kHz) to avoid stability problems (see Figure 3). As estimated in our analysis of the thermal and flicker noise, a small value of K reduces the input-referred noise (see Figure 4). Finally, a closed-loop analysis is realized for the FDRFC amplifier with K=1.5 (see Figure 5 and Table I) with closedloop gain set to 40 dB, since we consider this amplifier to have the best performance out of the four designed. It achieves an input-referred noise of 1.16 µVrms (1 Hz-6 kHz) while consuming 66.03 µW, which corresponds to NEF=2.58. The open-loop gain is 111.25 dB, the closed-loop gain is 42.10 dB with a bandwidth of 6.02 kHz. Table II summarizes the performance and compares it with previous works. The openloop gain of the FDRFC is the highest among the previous works with similar closed-loop gain. The power consumption of our amplifier is higher, nevertheless, the input-referred noise is 39% smaller than the state-of-the-art. IV. C ONCLUSION The recycling architecture was adapted successfully to obtain a low noise differential amplifier for a neural acquisition system. It achieves an input-referred noise of 1.16 µVrms which is smaller than extracellular and electrode noise. It has been shown that a small value of K reduces the inputreferred noise at the expense of a smaller bandwidth. However this bandwidth is still higher than the required bandwidth for neural amplifiers. It is important to note that the recycling path (current mirrors M3a-M3b and M4a-M4b) add a pole-zero pair which might generate stability problems, therefore, it must be placed far from the frequencies of interest. R EFERENCES [1] Assaad, R.S.; Silva-Martinez, J., “The Recycling Folded Cascode: A General Enhancement of the Folded Cascode Amplifier,” Solid-State Circuits, IEEE Journal of , vol.44, no.9, pp.2535,2542, Sept. 2009. [2] “European Research Programme (ERP), Human Brain Project,” November 2014. [Online]. Available: https://www.humanbrainproject.eu/ [3] “DARPA SyNAPSE Program,” November 2014. [Online]. Available: http://www.artificialbrains.com/darpa-synapse-program

Lopez [6] FDFC 105 33.98 (single stage) 6000 84 1.9 5.1 66 20 3.3 0.35µm CMOS

Majidzadeh [7] Telescopic-cascode 72.8 39.4 7200 3.5 3.35 7.92 4.4 1.8 0.18µm CMOS

Wattanapanitch [8] Folded-cascode OTA 49 - 66 11700 5.4 - 11.2 4.4 - 5.9 5.4 - 20 3.98 1.8 0.18µm CMOS

40 Gain [dB]

This Work FDRFC(K=1.5) 111.25 42.1 6023 67.75 1.16 2.58 66.03 20 3.3 0.35µm CMOS

20 0 -20 10-1

100

101

102

103

104

105

106

103

104

105

106

(a) 0 Phase [deg]

Parameter Architecture Open-loop gain[dB] Closed-loop gain[dB] Bandwidth[Hz] Phase Margin[deg] Input-referred noise(1Hz-6kHz)[µVrms] NEF Power[µW] Supply current[µA] Supply voltage[V] Technology

-45 -90 -135 10-1

100

101

102 (b)

Frequency [Hz]

Fig. 5. Closed-loop frequency response for FDRFC with K=1.5. (a) Magnitude. (b) Phase.

[4] “The Brain Initiative,” November 2014. [Online]. Available: http://thebraininitiative.org/ [5] Hua Gao; Walker, R.M.; Nuyujukian, P.; Makinwa, K.A.A.; Shenoy, K.V.; Murmann, B.; Meng, T.H., “HermesE: A 96-Channel Full Data Rate Direct Neural Interface in 0.13 µ m CMOS,” Solid-State Circuits, IEEE Journal of , vol.47, no.4, pp.1043,1055, April 2012. [6] Lopez, C.M.; Prodanov, D.; Braeken, D.; Gligorijevic, I.; Eberle, W.; Bartic, C.; Puers, R.; Gielen, G., “A Multichannel Integrated Circuit for Electrical Recording of Neural Activity, With Independent Channel Programmability,” Biomedical Circuits and Systems, IEEE Transactions on , vol.6, no.2, pp.101,110, April 2012 [7] Majidzadeh, V.; Schmid, A.; Leblebici, Y., “Energy Efficient Low-Noise Neural Recording Amplifier With Enhanced Noise Efficiency Factor,” Biomedical Circuits and Systems, IEEE Transactions on , vol.5, no.3, pp.262,271, June 2011 [8] Wattanapanitch, W.; Sarpeshkar, R., “A Low-Power 32-Channel Digitally Programmable Neural Recording Integrated Circuit,” Biomedical Circuits and Systems, IEEE Transactions on , vol.5, no.6, pp.592,602, Dec. 2011 [9] B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits. McGraw-Hill, 2000.

Análisis Dinámico de un Escurridor Vibrante Mediante Simulación por Elementos Finitos Rosendo Franco1, Cristian A. Carrasco1 (1) Grupo INACOM, Sección Ing. Mecánica, Dpto.de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica del Perú, Av. Universitaria 1801, Lima 32 (Perú) (rofranco@pucp.edu.pe) RESUMEN Los equipos vibratorios son muy usados en el campo de la ingeniería y específicamente en las industrias minera y cementera de nuestro país. En consecuencia, es de vital importancia realizar un diseño que garantice el correcto funcionamiento del sistema mecánico y estructural con la finalidad de lograr un nivel de productividad adecuado (menor número de paradas no planificadas por mantenimiento). Luego, este trabajo responde a esa necesidad al proponer el uso de una herramienta especializada como es la simulación por elementos finitos para la verificación del diseño de este tipo de equipos. Concretamente, se ha analizado el sistema estructural de un escurridor vibrante, propiedad de la empresa UNICON, el cual presentaba fallas continuas de operación. Luego de realizar el modelo geométrico, de definir las condiciones de borde y realizar la simulación dinámica por elementos finitos, se ha determinado un comportamiento estructural inestable en las vigas que conforman la base del equipo escurridor. Además, los resultados comprueban que el origen de la falla es producto de las vibraciones que se originan durante el funcionamiento del equipo y que la situación se mejora si se rigidizan lateralmente las vigas de la base. INTRODUCCIÓN La empresa UNICON ha solicitado realizar el estudio estructural de un escurridor vibrante, el cual ha presentado reiteradas fallas durante su funcionamiento. El objetivo del estudio es determinar las causas que producen las fallas estructurales que se han presentado en la artesa del escurridor vibrante y proponer una posible solución a este problema. En la figura 1 se puede apreciar una foto de la artesa objeto de estudio.

Fig. 1. Foto de la artesa del escurridor vibrante objeto de estudio.

El estudio se realizará utilizando software de análisis por elementos finitos para simular el problema dinámico que responde a las condiciones reales de funcionamiento del escurridor vibrante. Para ello se elaborará el modelo geométrico 3D de la artesa, considerando todos los elementos y detalles posibles. Luego se definirá el modelo físico del escurridor, que incluye las cargas dinámicas, las propiedades másicas y las condiciones de apoyo correspondientes. Dentro de las propiedades másicas se considerarán la masa del material (arena) que se transporta, conjuntamente con la masa de la malla y demás accesorios, así como la masa de los motovibradores. En cuanto a los apoyos, la estructura de la artesa está soportada únicamente sobre resortes de compresión, por lo que se deberá determinar la rigidez de los resortes en las direcciones axial y tangencial. Como resultados del estudio se obtendrán los esfuerzos sobre todos los elementos de la estructura en diferentes momentos de un ciclo de trabajo, pudiendo determinarse las zonas más cargadas o críticas de la estructura. Estos resultados serán la base para proponer una posible solución al problema.

MARCO TEÓRICO El método de elementos finitos es un método numérico usado en la resolución de problemas de ingeniería y otras ciencias aplicadas. Dentro de los tipos de análisis figuran el estructural, el dinámico, el térmico, de fluidos y electromagnético. Todos estos están respaldados por modelos matemáticos de solución analítica compleja (ecuaciones gobernantes); sin embargo, una ventaja del MEF es que permite que el problema sea resuelto como una serie de ecuaciones algebraicas simultáneas, en vez de hacer lo mismo para ecuaciones diferenciales. Esta condición es aplicada a un número finito de elementos usando el principio de trabajo virtual [Chandrupatla, 1999]. Las ecuaciones gobernantes del método son en general:

u  u, v,w   N  q T

(1)

σ   x , y , z , yz , xz , xy 



ε   x ,  y ,  z ,  yz ,  xz ,  xy σ  D ε  D B q



(2)

 B q

(3) (4)

Donde u es la matriz de desplazamientos en el espacio (direcciones x,y,z); σ y ε son los esfuerzos y deformaciones unitarias del elemento finito; N es el número de grados de libertad; q es el desplazamiento nodal; B es una matriz asimétrica 6x12; y D es una matriz simétrica 6x6 dada en función de las propiedades físicas de un material isotrópico. Finalmente, para un correcto análisis del conjunto o sistema debe estimarse previamente: las características del mallado, el número de nodos y las condiciones de borde.

DATOS Y CONSIDERACIONES PARA LA SIMULACIÓN El objetivo de la simulación es obtener el comportamiento de la estructura de la artesa durante un ciclo de trabajo. La duración de un ciclo es igual al tiempo que dura una vuelta del motovibrador (período T en función de la velocidad de giro, de 1200 r.p.m.), es decir:

T 

60  0,05s 1200

(5)

Siendo la frecuencia de la carga dinámica (que excita al sistema):

f 

1 1   20Hz T 0,05s

(6)

Dado que la única fuerza dinámica que actúa en el sistema se puede expresar como una función armónica, es posible tratar el problema como un estudio de respuesta armónica [Thomson, 2005]. Este estudio comprende dos etapas, la primera corresponde a un análisis modal que permite obtener las frecuencias y modos naturales del sistema, y la segunda es un análisis armónico que permitirá superponer el efecto de la carga de excitación armónica al efecto de las vibraciones naturales. MODELO GEOMÉTRICO DE LA ARTESA Se elaboró el modelo geométrico 3D de la artesa, considerando las dimensiones y espesores reales, así como todos los refuerzos y la mayoría de los detalles constructivos indicados en los planos obtenidos por el levantamiento de datos. Algunos detalles, tales como los agujeros para los tornillos de fijación de los soportes de las mallas, no han sido considerados por no ser relevantes en el análisis global. Para la simulación la artesa se ha considerado con una inclinación de 3.35°, que es lo que corresponde cuando el apoyo de la cabeza se coloca en su posición inferior, mientras que las caras inferiores de todos los apoyos se mantienen en un plano horizontal común. En la figura 2 se observa el modelo geométrico de la artesa.

Fig. 2. Modelo geométrico de la artesa del escurridor vibrante. Dado que el problema es simétrico, tanto desde el punto de vista geométrico como de las cargas, en el análisis se trabajará con la mitad de la estructura.

MODELO FÍSICO DEL ESCURRIDOR A continuación se describen todas las masas que se considerarán para el estudio dinámico del escurridor vibrante. Masa de la estructura de la artesa La masa de la estructura de la artesa se establece de forma automática por el software a partir del modelo geométrico. Para ello es necesario definir el material y su densidad, en este caso se trata del acero estructural ASTM A36, cuya densidad es 7850 kg/m3. Masa de los motovibradores El escurridor vibrante utiliza dos motovibradores que tienen una masa de 896 kg cada uno, según datos del fabricante. La geometría de los motovibradores se ha realizado de forma aproximada, de tal manera que se obtenga la masa indicada, éstos van unidos a la artesa a través de tornillos que se colocan en los 8 agujeros de la base de cada motovibrador. En la figura 3 se puede apreciar la ubicación de un motovibrador teniendo en cuenta la simetría del problema.

Fig. 3. Ubicación del motovibrador. Masas de la arena lavada, malla y accesorios El colchón de arena lavada no se tiene en cuenta de manera directa en el modelo analizado, su masa se considera concentrada en los puntos de las vigas de la artesa donde se apoya la malla. Para determinar la masa resultante de la arena lavada se requiere conocer su densidad, igual a 1500 kg/m3 (dato ofrecido por UNICON), así como la altura del colchón que se transporta, igual a 150 mm (dato ofrecido por UNICON), y el área de la malla sobre la que está distribuida la arena lavada, igual a 2,410 m x 4,795 m (dimensiones tomadas del modelo geométrico construido). Por tanto:

marena    V  1500  2,41  4,795  2600kg

(7)

Para la simulación a la masa de la arena deberá sumársele la masa de la malla y todos sus accesorios, que se ha estimado en 670 kg, de acuerdo con algunas mediciones realizadas por personal de UNICON. La masa total (3270 kg) se distribuye uniformemente sobre 9 puntos de las

5 vigas transversales de la artesa y los soportes delantero y trasero, lo que corresponde a los puntos de apoyo de la malla. En la figura 4 se puede apreciar el detalle de estas masas, en forma de pequeños bloques.

Fig. 4. Ubicación de las masas de la arena lavada, malla y accesorios. Cargas dinámicas de los motovibradores Los motovibradores giran en forma sincronizada y en sentidos contrarios, a una velocidad de 1200 r.p.m., de tal manera que las componentes horizontales de la fuerza centrífuga de los dos motovibradores son opuestas (se anulan entre sí). Esto significa que se puede realizar el análisis considerando solamente la componente del plano vertical, sobre todo porque la zona de interés (las vigas) se encuentra alejada del punto de aplicación de la carga (los motovibradores). La fuerza centrífuga generada por un motovibrador se encuentra en un plano perpendicular a su eje de giro, siendo su valor máximo igual a 20208 kg, según datos del fabricante. La componente del plano vertical varía en función del ángulo de giro, que a su vez es función de la velocidad angular, y se puede expresar como una función armónica de la siguiente forma:

FCY  20208  g  sin(  t )  9,8066  sin( FCY  198171,7728  sin( 40    t )

1200   t ) 30

(8) (9)

Se ha multiplicado por la gravedad para obtener la fuerza en Newton. En la figura 5 se puede apreciar el detalle de esta carga.

Fig. 5. Ubicación de la fuerza centrífuga de los motovibradores. Apoyos elásticos La artesa del escurridor vibrante está soportada, únicamente, por resortes helicoidales de compresión, distribuidos en 4 apoyos con 4 resortes cada uno. Para determinar las constantes de rigidez de los resortes en las direcciones axial y tangencial se procedió a modelarlos y simularlos en la computadora. Habría sido mejor realizar ensayos físicos para obtener estos parámetros pero no fue posible. Para la simulación se consideró un material típico para resortes, aunque en realidad las propiedades importantes (Módulo de elasticidad y coeficiente de Poisson) varían muy poco entre los aceros [Askeland, 2004]. El material elegido presenta un Módulo de elasticidad igual a 2,05105 MPa y un coeficiente de Poisson de 0,32. Para determinar la rigidez axial se aplicó una carga de 3000 N en esta misma dirección, obteniéndose un desplazamiento vertical del resorte igual a 27,76 mm, para una rigidez aproximada de 108103 N/m. De forma similar se procedió para determinar la rigidez tangencial, aplicando una carga de 3000 N en la dirección horizontal, lo que produjo un desplazamiento en esta dirección de 69,67 mm, para una rigidez aproximada de 43103 N/m. En la figura 6 se pueden apreciar los resultados de la simulación del resorte.

Fig. 6. Resultados de la simulación del resorte. En la figura 7 se puede apreciar la ubicación de los resortes para la simulación de todo el conjunto.

Fig. 7. Ubicación de los resortes. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Como resultado del análisis modal se pudo apreciar que la frecuencia natural en el cuarto modo de vibración tiene su valor más próximo a la frecuencia de la carga dinámica, este valor es de 24,785 Hz. Las deformaciones máximas en este caso se producen en las vigas intermedias por torsión, como se puede apreciar en la figura 8.

Fig. 8. Deformaciones máximas en el modo 4. El análisis de respuesta armónica arroja como resultado que, para la frecuencia de la carga de excitación (20 Hz), los esfuerzos máximos se producen también en las vigas intermedias, con un desfasaje de 70º (ver figura 9).

Fig. 9. Esfuerzos máximos para la frecuencia de excitación - Variante original. Es notorio que estos esfuerzos se producen debido a la baja rigidez torsional que tienen estas vigas, dada la forma en que están ensambladas con el resto de la estructura. En el ensamblaje real, con la colocación de la malla y sus soportes, esta rigidez aumentaría ligeramente, pero no lo suficiente para detener la falla. Si observamos los valores de los esfuerzos (valor máximo 65,376 MPa), apreciamos que no son muy elevados, sin embargo, se trata de una carga cíclica con esfuerzos alternantes, entonces la falla se produce por fatiga. Bajo el criterio de aumentar la rigidez torsional de las vigas se realizará la propuesta de solución al problema. PROPUESTA DE SOLUCIÓN AL PROBLEMA En la figura 10 se muestran los cambios propuestos a la geometría de artesa. Básicamente consiste en cambiar la distribución de los tubos que sirven como rigidizadores a las vigas, de tal manera que aumente su rigidez torsional y que se uniformice para todas las vigas. Se muestra la mitad de la artesa por ser simétrica, es decir, la colocación de los tubos sería igual del otro lado.

Fig. 10. Modelo geométrico de la artesa modificada. Al realizar un análisis similar al realizado para la variante original se notaron algunos cambios significativos. En el caso del análisis modal no se obtuvieron frecuencias naturales próximas a la frecuencia de la carga de excitación, alcanzando en el modo tres una frecuencia de 2,699 Hz y en el modo cuatro una frecuencia de 40,612 Hz. Los resultados del análisis de respuesta armónica se muestran en la figura 11, para los mismos parámetros que la variante original. Como se puede apreciar los esfuerzos en las vigas son muy bajos para estas condiciones.

Fig. 11. Esfuerzos máximos para la frecuencia de excitación - Propuesta de solución. CONCLUSIONES El análisis de la falla del escurridor vibrante es un problema bastante complejo. Se analizaron varios modelos y enfoques del problema, obteniéndose los resultados más próximos a lo que ocurre en la realidad con un modelo dinámico de respuesta armónica. Esto significa que los esfuerzos que originan la falla son producto de las vibraciones que se producen durante el funcionamiento normal del equipo y no por una sobrecarga de trabajo. De acuerdo con los resultados obtenidos la configuración (ensamblaje) actual de la artesa permite que las vigas principales vibren con una frecuencia natural muy próxima a la frecuencia de trabajo, produciéndose deformaciones torsionales a lo largo de las vigas. Estas deformaciones cíclicas generan esfuerzos cíclicos que producen la falla por fatiga en las uniones soldadas de las vigas con el cuerpo de la artesa. Se recomienda modificar la estructura de la artesa realizando una nueva distribución de los tubos rigidizadores, de manera tal que se aumente la rigidez torsional de todas las vigas uniformemente. El análisis de esta variante arrojó resultados satisfactorios.

REFERENCIAS Askeland, D.R., P. Phulé; Ciencia e Ingeniería de los materiales, Cengage Learning: 4, México D.F. (2004). Chandrupatla, T., A. Belegundu; Introducción al estudio del elemento finito en ingeniería, Prentice Hall Hispanoamericana: 2, México D.F. (1999). Thomson, W.T., M. Dillon; Theory of vibration with applications, Pearson Education Asia: 5, Beijing (2005).

Análisis por Elementos Finitos de Esfuerzos y Deformaciones de las Estructuras Principales de un Radiotelescopio de 20 Metros de Diámetro Rosendo Franco1, Jorge Heraud2, Herbert Yépez1, José C. Chambergo1, Cristian A. Carrasco1, José L. Coveñas1, Ernesto E. Verástegui1, Carla Arce2, Víctor Centa2, Felipe Carrero2 (1) Grupo INACOM, Sección Ing. Mecánica, Dpto. de Ingeniería. (2) INRAS, Pontificia Universidad Católica del Perú, Av. Universitaria 1801, Lima 32 (Perú) (rofranco@pucp.edu.pe) RESUMEN El Instituto de Radioastronomía (INRAS) de la Pontificia Universidad Católica del Perú se encuentra desarrollando un proyecto para la construcción de un radiotelescopio de veinte metros de diámetro (RT-20). El Grupo de Investigación Asistida por Computadora (INACOM) ha recibido el encargo de desarrollar el diseño de los componentes mecánicos del RT-20. En este trabajo se presentan los resultados fundamentales de la primera etapa que es el diseño y comprobación de los sistemas estructurales (estructura de la antena y estructura del soporte). Para los cálculos de comprobación se tuvieron en cuenta los principales tipos de carga que actúan sobre el RT-20, que son: peso propio, carga de viento y carga térmica por la variación de la temperatura ambiente. El modelo geométrico del RT-20 se desarrolló en el software Autodesk Inventor, generándose geometría tipo línea para los perfiles estructurales y sólidos para algunos elementos complementarios. Las simulaciones de los distintos casos de carga se realizaron en el software ANSYS Mechanical, obteniéndose los resultados de esfuerzos y deformaciones. Teniendo en cuenta la precisión que se desea alcanzar con el RT-20 puede afirmarse que los resultados obtenidos son satisfactorios. INTRODUCCIÓN En la definición de los diseños estructurales se han tenido en cuenta aspectos importantes recomendados para las construcciones en acero con perfiles estructurales de diferentes tipo [Packer, 1997; Ramaswamy, 2002]. Asimismo, se ha tenido siempre presente la finalidad y el funcionamiento del radiotelescopio como herramienta esencial para los estudios de radioastronomía, los componentes electrónicos involucrados para el control del sistema, etc. [Gawronski, 2008]. El radiotelescopio RT20 está diseñado con montura altazimutal, es decir, debe realizar un movimiento de elevación con respecto a un eje horizontal, y otro azimutal con respecto a un eje vertical. El movimiento azimutal se logra accionando motores en las ruedas que se encuentran en la base de todo el radiotelescopio. Esta base consiste en una estructura metálica denominada estructura del soporte. Durante el movimiento azimutal las ruedas se desplazan sobre un riel de forma circular fijo a la cimentación, moviendo así a la estructura soporte y a todo el radiotelescopio en un movimiento circular alrededor de un eje vertical. El movimiento de elevación se logra accionando otro motor instalado sobre la estructura del soporte que le transmite giro a la estructura de la antena. Sobre esta segunda estructura se coloca la superficie de la antena, que tiene forma de paraboloide y es la que recibe las ondas de radio

desde el espacio, concentrándolas en el foco, donde se ubica el alimentador de señales. La estructura de la antena se apoya sobre dos chumaceras ubicadas en la estructura del soporte, que le permiten el giro sobre un eje horizontal, es decir, el movimiento de elevación es un movimiento relativo entre la estructura de la antena y la estructura del soporte. A la estructura de la antena se añaden, además de los paneles que componen la superficie de trabajo, dos balastros con una cremallera para la transmisión del movimiento de elevación unidos a contrapesos para equilibrar la antena, un alimentador y un trípode para la sujeción del alimentador. Una herramienta importante, y podría decirse que imprescindible, para el análisis y comprobación de este tipo de estructuras es el uso de software basado en el Método de los Elemento Finitos. Específicamente el software ANSYS ha sido usado por otros autores para este fin [Yang, 2003, 2006]. ESTRUCTURA DE LA ANTENA La estructura de la antena consta del núcleo y las cuadernas. El núcleo es muy rígido y está hecho de perfiles rectangulares de 100×125×6 mm, exceptuando sus arriostres diagonales que son de perfiles de 50×50×2 mm. En la base posee un marco diseñado con tubos cuadrados de 8’’×8’’×5/16’’ que rigidiza el núcleo. Ver figura 1 a la izquierda. Las cuadernas del plato son 54 y poseen arriostres cruzados entre cuadernas por la parte exterior. Las cuadernas están íntegramente constituidas de perfiles de 50×50×2 mm. Ver figura 1 a la derecha.

Fig. 1. Vistas del núcleo y de una de las cuadernas. En la figura 2 se puede apreciar una vista de la estructura de la antena ensamblada con los paneles (no se muestra el trípode, el alimentador, ni el balastro). Ambas figuras han sido extraídas del modelo CAD del radiotelescopio desarrollado en el software Autodesk Inventor.

Fig. 2. Estructura de la antena. ESTRUCTURA DEL SOPORTE En el caso de la estructura del soporte se propuso obtener un diseño que permite hacer un uso más racional de los perfiles utilizados sin comprometer su integridad estructural. Durante el proceso de diseño se analizaron múltiples variantes hasta llegar a la propuesta que se muestra en la figura 3. En este modelo cuatro perfiles diagonales cruzados unen la base con la parte superior de la estructura. Toda la estructura está diseñada con tubos cuadrados de 8’’×8’’×5/16’’, asimismo, se incluyen planchas de 12 mm de espesor en las uniones con la finalidad de otorgar superficies planas que permiten cortes rectos de los perfiles cuadrados de los tubos.

Fig. 3. Estructura del soporte. ANÁLISIS ESTRUCTURAL POR ELEMENTOS FINITOS El presente análisis consiste en un estudio estático lineal que se desarrolló con la ayuda del software ANSYS Mechanical. El análisis estructural se realizó para las dos estructuras principales ya mencionadas y otros elementos mecánicos importantes para poder conectar las dos estructuras y representar lo mejor posible la situación real.

Marco teórico Para un análisis estructural estático lineal, los desplazamientos {x} de todos los nodos de un modelo se obtienen resolviendo la ecuación matricial (1) que se nuestra a continuación: (1) Condiciones que deben cumplirse para este tipo de análisis: [K] es constante. El material tiene un comportamiento elástico lineal. Se basa en la teoría de desplazamientos pequeños. {F} se aplica gradualmente hasta que alcanza su valor máximo y luego permanece constante. Los apoyos y condiciones de contorno no varían con el tiempo. Es importante tener en cuenta que estas condiciones, relacionadas con el análisis estático lineal, son igualmente consideradas en el software ANSYS Mechanical, utilizado para realizar la simulación.

Fig. 4. Ejemplos de elementos finitos. Para la discretoización del sistema el software ANSYS Mechanical cuenta con una amplia librería de elementos finitos unidimensionales 1D (barra, viga, tubería), bidimensionales 2D (cáscaras tipo triángulo y cuadrilátero) y tridimensionales 3D (tetraedros, hexaedros, entre otros). Los elementos unidimensionales viga y tubería pueden tener dos o tres nodos, es decir, pueden ser lineales o

parabólicos. Los elementos bidimensionales y tridimensionales pueden tener nodos solamente en los vértices y también en el medio de cada lado, los primeros son lineales y los segundos son parabólicos. En la figura 4 se pueden apreciar algunos de los elementos finitos con que cuenta la librería del software utilizado. Modelo geométrico El modelo para análisis por elementos finitos se simplificó en comparación al modelo 3D del proyecto de diseño. Las dos estructuras principales formadas por perfiles estructurales normalizados fueron discretizadas con elementos finitos tipo viga de tres nodos (parabólica), introduciendo los datos de las secciones transversales correspondientes. Sin embargo, en lo concerniente a otros componentes del RT20 como los apoyos, balastro, etc., se dejó un modelo sólido que fue discretizado con elementos tridimensionales hexaédricos y tetraédricos, igualmente. Restricciones Para las restricciones del modelo se definieron 4 apoyos con restricción de desplazamiento vertical, ubicados en las cuatro esquinas de la base de la estructura, donde estarán los carros de apoyo. Además, en el centro de la base se restringió el desplazamiento horizontal y la rotación, que es lugar donde se ubicará un eje vertical para centrar la estructura del soporte con respecto al riel circular. Cargas El radiotelescopio se verá afectado por varios tipos de carga como ya se mencionó, estas son: peso propio, carga de viento y carga térmica por la variación de la temperatura ambiente. Peso propio Comprende el peso de todos los elementos estructurales del radiotelescopio, y es determinado automáticamente por el software, ingresando la geometría y las propiedades mecánicas de los materiales. En el caso de los paneles de la superficie parabólica de trabajo, el peso se representó como una fuerza vertical distribuida sobre los perfiles que soportarían a dichos paneles. El valor de esta fuerza ha sido estimado a partir del diseño preliminar de los paneles, considerando además los elementos de sujeción, obteniendo un valor de 38000 N. Carga de viento La carga de viento se calculó según la norma de la American Society of Civil Engineers; Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE:5, 2006). El cálculo se realizó para diferentes ángulos de elevación, obteniéndose el caso más crítico para una inclinación de 50 grados con respecto al plano horizontal. Para esta posición se muestra el esquema de cálculo en la figura 5.

Fig. 5. Distribución de presiones dinámicas (qz). La carga de viento está definida por la ecuación (2):

F  qzGCfAf

(2)

Donde: F qz G Cf

: : : :

Carga de viento (N) Presión dinámica (Pa) Factor de ráfaga Factor de carga superficial

Área proyectada de incidencia (m2)

La presión dinámica según la ecuación (3): F  q  Gse C determina A z

f f

qz  0.613 Kz KztKd v  I Donde: Kz Kzt Kd v I

: : : : :

Factor dinámico Factor topográfico Factor de forma Velocidad de diseño (m/s) Factor de importancia

Para las condiciones de Lima, que es el lugar donde se instalará el RT-20, se tiene:

(3)

Kz v ariable en función de la altura Kzt  1 Kd  0.85 I  1 G  0.85 Cf  1.6 Siendo finalmente la fuerza del viento F= 78470 N, la cual se aplicó sobre los perfiles estructurales de la estructura de la antena según la distribución mostrada en la figura 5. Carga térmica Para la carga térmica se analizaron dos casos extremos, teniendo en cuenta las condiciones climáticas de Lima. En el primer caso se tomó una temperatura de referencia de 10 ºC que aumentó durante el funcionamiento hasta 35 ºC y el segundo caso fue lo contrario, es decir, una temperatura de referencia de 35 ºC que disminuyó hasta 10 ºC. El primer caso fue el más crítico. RESULTADOS DEL ANÁLISIS

Fig. 6. Desplazamientos verticales. Los resultados se analizaron para diferentes combinaciones de los tres tipos de carga considerados, siendo la combinación más crítica la superposición del peso propio con los casos

críticos de viento y temperatura. Para esta combinación se obtuvieron las deformaciones mostradas en la figura 6 y los esfuerzos equivalentes mostrados en la figura 7.

Fig. 7. Esfuerzos equivalentes. CONCLUSIONES El diseño y comprobación estructural de un radiotelescopio es una tarea muy especial, en la que se deben considerar muchos aspectos, tales como variedad de diseños y formas constructivas, distintos escenarios de comportamiento crítico, condiciones ambientales, etc. El trabajo mostrado aquí constituye un primer avance de este importante proyecto en el que deberán evaluarse otras alternativas de diseño y un mayor nivel de detalles constructivos. A partir del análisis realizado se ha podido constatar que la carga más importante es el peso propio de la estructura, siguiendo la carga de viento y luego la carga térmica. Si bien los valores de desplazamiento y esfuerzos obtenidos aún son considerables, puede afirmarse que el procedimiento aplicado permitirá llegar a una solución adecuada para la precisión que se desea alcanzar con el RT-20. Para la evaluación de otras alternativas de diseño y poner a punto las estructuras principales del RT-20 se recomienda, y así se tiene ya previsto, seguir el Método de Diseño de Homología descrito por Jacob W. M. Baars en su libro The paraboloidal reflector antenna in radio astronomy and communication [Baars, 2007].

REFERENCIAS Yang, De-Hua. “Structural Analysis of a 50-meter Pulsar Radio Telescope”, Proc. SPIE 4855, Millimeter and Submillimeter Detectors for Astronomy, 528 (2003). Yang, De-Hua. “Structural Design and Analysis of a 50 m Fully Steerable Pulsar Radio Telescope”, Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics, Supplement, Volume 6, Issue S2, Proceedings of the 2005 Lake Hanas International Pulsar Symposium (2006). Gawronski, Wodek; Modeling and Control of Science+Business Media, LLC: 1, New York (2008).

Antennas

and

Telescopes,

Springer

American Society of Civil Engineers; Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ASCE: 5, Virginia (2006). Ramaswamy G.S., et al.; Analysis, Design and Construction of Steel Space Frames, Thomas Telford Publishing: 1, London (2002). Packer, J. A., J. E. Henderson; Hollow Structural Section Connections and Trusses - A Design Guide, CISC: 2, Ontario (1997). Baars, J. W. M. The paraboloidal reflector antenna in radio astronomy and communication - Theory and Practice. Springer Science+Business Media, LLC, New York (2007).

Analysis and Design of the TMR technique on Soft-Processor Anthony De La Cruz

Jimmy Tarrillo

Carlos Silva

Faculty of Science and Engineering Pontificia Universidad Catolica del Peru Lima, Peru a.delacruz@pucp.edu.pe

Department of Electrical Engineering Universidad de Ingenieria y Tecnologia Lima, Peru jtarrillo@utec.edu.pe

Department of Engineering Telecommucations Engineering Section Pontificia Universidad Catolica del Peru Lima, Peru csilva@pucp.edu.pe

Abstract— This paper presents a description of fault-tolerant system design based on Triple Modular Redundancy (TMR) on SRAM–FPGA. SRAM-based FPGAs are highly sensitive to radiation effects. When a charged particle strikes a configuration memory cell, a Single Event Upset (SEU) may be produced and then, the functionality of the system designed may be lost. In order to protect the implemented system against the presence of SEUs, various fault tolerance techniques can be found in the literature. TMR is a fault-tolerant technique that employs redundant elements and a majority voter to mask the presence of any fault, increasing the reliability of the design. In this work, we implement a fault tolerant system, which consist on a PicoBlaze soft processor protected by TMR implemented on a Spartan 6 FPGA. We analyze the robustness of design through a fault injection simulation. Results show the level of reliability for a computing system simple and protected by TMR.

Keywords— SRAM-FPGA; TMR; soft-processor; PicoBlaze; SEU; fault-tolerant.

I. INTRODUCTION The increasing availability of embedded processors in SRAM-based FPGA have allowed these devices presented as an attractive solution in highly complex digital systems, such as critical applications. This is due to the various advantages of the FPGAs as their capability to parallelism, fast time to development, low cost for production, fast prototyping, and shorter development time compared to specific applications devices (ASIC) [1]. However, one disadvantage of SRAM-based FPGA is its high sensitivity to radiation effects, caused by charged particles from cosmic rays and solar flares, which may produce a SEU [2]. SEU generates bit flip in memory cells of the device, which may alter configuration memory bits thus causing an unexpected system functionality. There are fault tolerant techniques that allow a decrease the effects caused by SEU, to increase the reliability of systems design. One approach to fault tolerance is through use of redundant elements, where stands out triple modular redundancy (TMR), it improves the robustness of the designed circuit. This technique allows preserve the correct behavior of the system. TMR is composed of three redundant

modules and a majority voter for masking the presence of a fault in one of the replicas [2][3]. Many critical applications implemented in SRAM-based FPGA are comprised of complex computing system, which employ one or more embedded processors. PicoBlaze soft-core is a freely available embedded processor from Xilinx [1]. PicoBlaze is an 8-bit RISC microcontroller, one of its main advantages is the small amount of resources (26 logic slides) needed to be implemented [4]. In this work, we present the implementation in a Spartan 6 FPGA (Xilinx) of a PicoBlaze protected by TMR. The robustness of the system was evaluated by fault injections implemented by simulation at RTL level. This paper is organized as follows. Section II give an overview of fault-tolerant techniques employed for the protection of embedded processors and presents SRAM-based FPGA architecture; Section III presents the design of faulttolerant system proposed, which consist on TMR that protects a PicoBlaze soft processor. In Section IV includes analysis of the results obtained through simulation fault injector developed. Finally, conclusions are discussed in Section V. II. BACKGROUND This section presents a brief overview of the main approaches of fault-tolerant techniques applied to softprocessors in SRAM-based FPGA already developed (Section II-A), also briefly presents, in section II-B, the architecture of SRAM-based FPGA and as the SEU originate in this devices. A. Fault Tolerant System for soft processors Fault-tolerant system is a system that can continue its correct functioning in the presence of faults. There are several approaches of fault tolerant techniques applied to softprocessors on SRAM-based FPGA, in which stands out two different approaches, one employed scrubbing and other hardware redundancy [3]. TMR and DWC are two of the most used techniques of hardware redundancy [5]. TMR techniques with different voting schemes are analyzed with a fault injection commercial tool [1]. A comparison of result of fault injection and accelerated ground testing campaigns on Duplex and TMR techniques are shown in [6]. Other approaches employed schemes with Error-correcting code (ECC) to protected memory

of soft processor and TMR are presented in [7]. In addition, there are SEU mitigation techniques employing software and hardware redundancy. On-line checkers, based in parity predictor, and hardware redundancy [8]. In the other hand, configuration memory scrubbers approach provides repair and avoids accumulation of faults [9].

PROGRAM_ROM (program memory) and KCPSM6 processor core. This block diagram represented a general scheme of single computing system.

These approaches presented differ in the protected computing system and different fault injection techniques employed for the analysis of reliability of the developed designs. Our methodology proposed the design of computing system protected by TMR technique on soft processor and the analysis obtained through fault injection simulation. B. SRAM-based FPGA SRAM-FPGA devices are based on SRAM memory cells, allowing this device to be configured over and over again. This feature is the major advantage of this device, increasing their demand in the design of different kinds of applications also being considered for critical applications such as medicine, aircraft, spacecraft and industrial applications. SRAM-based FPGA architecture is composed of an array of programmable logic blocks, which are interconnected through configurable connections [10]; these configurations allow the devices performed a specific function. Each configurable logic blocks (CLBs) consist of several slides and each slide is composed of logic cell, this cell contains lookup table (LUT), multiplexor and register. CLBs can be configured for implemented sequential or logical circuit [9]. In addition, some devices contain special blocks such as DSP blocks, RAM blocks and processors cores (hard and soft). SRAM-based FPGA are sensitive to radiation effects, as charged particles from solar activity can induce transient faults or Single-event effects (SEE) in the design. A particular kind of SEE is Single-event upset (SEU). SEU is considered one of the most important transient faults that affect SRAM-based FPGA devices, because it can change bi-stable value of memory cells, thus affecting memory configuration of the device. This effect can cause malfunction of computation results of the system design. SEU is induced when charged particle with high energy, from sun radiation, strikes the silicon in memory cellÂ´s producing a transient current pulse in transistor causing charges or discharges of the transistor. This effect cause a state change in the memory cell [3][10]. III. DESIGN OF TMR FAULT TOLERANT SYSTEM The fault-tolerant technique proposed is based on TMR of a soft-processor. TMR technique is designed to protect the computing system implemented on PicoBlaze soft-processor. This computing system comprises a matrix multiplication algorithm. PicoBlaze is called soft-core, because it provides full description of HDL, so it can be modified. PicoBlaze soft-core is comprised of KCPSM6, soft macro, and program memory [4]. Program memory contains the algorithm that forms the computing system designed, which are stored in Block Memory (BRAM) of SRAM-based FPGA. On the other hand, KCPSM6 is the processor core, which is controlled by signals from the program memory. Figure 1 shows the internal connections of PicoBlaze softprocessor. These connections correspond to the blocks

Fig. 1. Block diagram of internal connections of PicoBlaze soft-proccesor.

A. TMR scheme TMR technique is comprised of three redundant modules that perform the same function in parallel. The outputs of each redundant module are connected to the majority voter. The majority voter mask presence of faults by comparing the outputs of each module, determining the correct value for democracy. Thus, TMR results an effective SEU mitigation technique increasing the reliability and availability of the system design.

Fig. 2. TMR scheme based on PicoBlaze soft-processor.

The scheme proposed is shown in Figure 2. In that figure, each redundant module represents a KCPSM6 processor core that perform the same task. The majority voter determines the correct output value of the designed system. It should be noted that input signal is the same of each module. The majority voter is constituted only of combinational logic. Majority voter is governed by Equation (1). Where A, B, C are the inputs of the circuit and F the output. This circuit employ four NAND gates and one AND gate. Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026; . đ??´đ??ś Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026; )đ??ľđ??ś Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026; đ??š = Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026;Ě&#x2026; (đ??´đ??ľ

(1)

The figure 3 shows the block diagram of TMR fault-tolerant technique proposed, where majority voter protects each output signals of PicoBlaze soft-core. This general scheme is composed by eight majority voters.

clk reset MODULE 1 KCPSM6 instruction

in_port

sleep

bram_en address out_port write_strobe

interrrupt k_write_strobe read_strobe rst port_id interrupt_ack

interrupt

PROGRAM_ROM

in_port sleep

bram_en address out_port write_strobe

interrrupt k_write_strobe read_strobe rst port_id interrupt_ack

sleep

address_voter

instruction

address

MODULE 2 KCPSM6 instruction

bram_en_voter

rdl

reset

Outputs signals module1 11

Outputs signals module2

Majority Voter

Voter outputs

Outputs signals module3

MODULE 3 KCPSM6 instruction in_port sleep

bram_en address out_port write_strobe

interrrupt k_write_strobe read_strobe rst port_id interrupt_ack

11 7

Fig. 3. Block diagram of TMR fault-tolerant system.

B. Resources utilization and overhead calculation The methodology design of the unprotected and TMR protected computing systems were performed through hardware description language VHDL on Spartan-6 XC6SLX45 FPGA. All systems were synthetized and implemented through Xilinx ISE Design Suite 14.4. The used resources by the device are shown in Table I.

TABLE I. Resources

commands of ISim simulation software. The fault injection technique employed allows modifying system signals values through simulation thus can emulate the presence of faults altering the logic value of affected signal without changing the system structure designed by VHDL. To emulate SEUs, it is considered making the logical change of signal affected only one clock period. This effect must be between the time range used by the soft-processor to receive the data and perform computationally.

SRAM-FPGA RECOURSES Single

TMR

Overhead

182

349

1.92

LUT’s

186

427

2.30

LUT’s as logic

149

339

2.28

LUT’s as memory

2.75

Slices

117

2.21 Fig. 4. Functional simulation of TMR scheme.

As expected, TMR design employs more resources compared with single computing system. Since, TMR contains two more replicas of PicoBlaze soft-processors than single scheme and the overhead shows that TMR schemes caused major impact in LUT’s as memory on the device. IV. SIMULATION RESULTS To evaluate the reliability of the unprotected and TMR schemes, fault injector based on the simulator ISim was used. This fault injector was developed through a script using

Figure 4 presents the correct functionality of TMR scheme proposed. The out_port signal in module 1 has an error value produced by fault injector. However, the majority voter of out_port signal masks the presence of this error in the computing system.

In Table II, it is shown the analysis of reliability for single computing system through from values obtained by fault injection. The number of failure represent the faults that affecting the correct functionality of system.

TABLE II.

devices. The robustness of these schemes are evaluated by simulation fault injection technique. This methodology used in this work allows to determinate the reliability level of both systems. The simulation results confirm the effectiveness of proposed TMR scheme, because it increases the reliability of the design.

FAULT INJECTION RESULTS FOR UNPROTECTED SCHEME Single Scheme

REFERENCES

No. of injected faults

1000

No. of failure

114

Reliability (%)

88.6

On the other hand, Table III shows the analysis of reliability for the TMR design. It is noted that errors represent the faults affecting only one PicoBlaze soft-processor module of this scheme, but not computing system.

TABLE III.

RESULT OF FAULT INJECTION ON TMR SCHEME TMR Scheme

No. of injected faults

1000

No. of failures

Reliability (%)

97.2

The number of faults injected is the same for both computing system. It can be noted that the number of failures in TMR design is lower than unprotected system. So that, the TMR system effectively mitigates the presence of SEU in the system designed.

V. CONCLUSION In this paper, we presented TMR fault-tolerant architecture on PicoBlaze soft-processor and analyze the reliability of single computing system and the protected by TMR in SRAM-based FPGA device, focusing on the effects of SEUs produced in this

[1]

A. Manuzzato, S. Gerardin, A. Paccagnella, L. Sterpone and M. Violante, “Effectiveness of TMR-Based Tecniques to Mitigate Alpha-Induced SEU Accumulation in Commercial SRAM-based FPGAs,” IEEE Transl. Nucl. Sci., Vol. 55, n°4, pp.1968-1973, 2008. [2] L. Miculka, M.Straka, Z. Kotasek, “Methodology for Fault Tolerant System Design Based on FPGA into Limited Redundant Area,”, Proc. of Digital System Design on Euromicro Conference, Vol., n°.,pp.227-234, 2013. [3] F. Lima, G. Neuberger, R. Hentschke, L. Carro and R. Reis, “Designing Fault-Tolerant Techniques for SRAM-Based FPGAs,” IEEE Transl. Design & Test of Computers, Vol. 21,n°6, pp.552-562, 2004. [4] “PicoBlaze 8-bit Embedder Microcontroller User Guide for Spartan-3, Spartan-6, Virtex-5, Virtex-6 and 7 Series FPGAs,”, Xilinx, User Guide UG129, 2011. [5] I. Safabulla and K. Manilal, “Design of Soft Tolerance Technique for FPGA Based Soft core Processors,”, Proc. of Avanced Comunnication Control and Computing Technologies (ICACCT), Vol., n°., pp.10361040, 2014. [6] G. Foucard, P. Peronnard and R. Velazo, “Reliability limits of TMR implemented in a SRAM-based FPGA: Heavy ions measures vs. fault injection predictions,” Proc. of Test Workshop (LATW) Conference, Vol., n°., pp. 1.5, 28-31, 2010. [7] C. Hong, K. Benkrid, X. Iturbe and A. Ebrahim, “Design and implementation of fault-tolerant soft processors on FPGAs,”, Proc. of field Programmable Logic and Applications Conference, Vol., n°., pp.683.686, 29-31, 2012. [8] M. Straka and Z. Kotasek, ”High Availability Fault Tolerant Architectures Implement into FPGAs,”, Proc. of Digital System Design, Architectures, Methods and Tools on Euromicro Conference, Vol., n°.,pp.108.115, 27-29, 2009. [9] I. Herrera and M. Lopez, “Design Techniques for Xilinx Virtex FPGA Configuration Memory Scrubbers,”, IEEE Transl. Nucl. Sci, Vol. 60,n°1, pp. 376-385, 2013 [10] C. Maxfield, “The Desing Warrior´s Guide to FPGAs,”, Elsevier, 1st ed.

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BEHAVIOR OF 100-MM SILICA LIME PARAPET WALLS UNDER OUT-OF-PLANE SEISMIC FORCES SAN BARTOLOMÉ, ANGEL1; QUIUN, DANIEL2; ICOCHEA ALONSO3, FERNÁNDEZ ALEJANDRO4 ABSTRACT: In recent years in Peru, many parapet walls or sills in buildings are built with silica lime masonry units of 100-mm thickness (called placa P-10 in Peru). Their behaviour under out-of-plane forces due to a severe earthquake is yet unknown, despite that the failure by overturning of the parapets could be extremely dangerous. This paper deals with the experimental behaviour of four different P-10 parapets under out-of-plane forces. The tests consisted in shaking table tests and static monotonic loads, performed at the Structures Laboratory of the Catholic University of Peru. The dimensions of the four walls were 1.53 m long, 0.9 m tall, and 100 mm thickness. They were constructed with different specifications, using the same construction materials and workmanship. After visiting several buildings under construction, we selected the worst and the best construction technique of P-10 parapets, in order to compare them with the producer’s specifications. Keywords: Parapets, silica-lime, out-of-plane, shaking table, tests, overturning

1 INTRODUCTION Silica lime units of 100mm thickness (called placa P-10 in Peru) are being used extensively in buildings in Peru, filled with grout, for sills and parapet walls (Figure 1). Such walls are not included in the Peruvian Masonry Code [1], and are built according to the producer specifications. The main purpose of this research paper is to show the seismic behaviour of P-10 parapet walls, when subjected to out-of-plane seismic forces. For this purpose, four small walls made of P-10, were built and subjected to shaking table tests. Each wall had a different construction technique. The first parapet wall was constructed following the specifications of the producer. The other three were built as they are constructed in actual buildings in Lima, Peru. One of the walls had a PVC pipe of 2” (51 mm) diameter in one of the cells (see Figure 1 right). After elastic behaviour was found in the shaking table tests, the walls were subjected to static tests, applying a monotonic lateral load in the upper border until collapse. Conclusions are then given regarding the load capacities obtained from the dynamic and the static tests, the calculations based in the Masonry Code [1] and Seismic Code [2] requirements and the overall behaviour.

Professor, Catholic University of Peru, Department of Engineering, asanbar@pucp.edu.pe [deceased Feb. 2014] Professor, Catholic University of Peru, Department of Engineering, dquiun@pucp.edu.pe 3 Civil Engineer, Catholic University of Peru, Faculty of Science and Engineering, alonso.icochea@pucp.pe 4 Civil Engineer, Catholic University of Peru, Faculty of Science and Engineering, afernandezl@pucp.pe 2)

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Figure 1. Reinforced concrete building with sills and parapet walls of P-10 silica lime units.

2 PRODUCER SPECIFICATIONS FOR P-10 PARAPET MASONRY WALLS The producer manual of construction [3] for these walls has a chapter 9.1 entitled “Alfeizares, parapetos y muros con ventana alta” (Sills, parapets and walls with tall windows), in which the following specifications are given: a. As a higher safety factor is required in the construction of sills, parapets and walls with tall windows, the use of P-7 walls is not permitted, due to their slenderness. At least, P-10 walls shall be used. Also P-12 and P-14 walls can be used. b. The vertical deformed steel bars shall be 8-mm and must be placed in the first and last cell of the wall, distributing the rest towards the wall centre every 510 mm. Also, the anchorage depth perforation must be 100 mm at least. The walls shall be constructed using the arrangement at half unit interval with the lesser dimension as wall thickness. c. The sills, parapets and walls with tall windows must be isolated with a ½” (12.7 mm) joint which shall be filled with a polystyrene plate installed before the first layer of masonry. d. In the walls with tall windows, located between concrete structural elements, a horizontal 8mm bar shall be placed in the last horizontal mortar joint in order to fix the wall. For this purpose, a hole must be drilled (50 mm depth, 12.7 mm diameter) into each of the structural elements to insert the reinforcing bar. For this case, the bar need not use epoxy. e. When the height of the sill or tall window is not an exact multiple of the masonry wall including its joints, the last layer shall be the one with fractioned units. f. The maximum parapet height shall be 1.25m. For larger heights up to 2.50m, P-10 walls can be used with a steel channel, and the wall steel reinforcement as well as the anchorages, must be designed by a structural engineer.

3 MATERIALS USED IN LABORATORY SPECIMEN WALLS 3.1. Masonry units Silica lime industrial units with four cells were used. This kind of units was conceived for use in non bearing walls. The unit block dimensions are 100x500x250mm. For architectural and finishing purposes, the walls built with these units can be easily covered without a previous mortar cover.

3.2. Mortar and Grout The producer of the units also provided the industrial bags of mortar (called Ultra Pega grueso) and grout for filling the cells (called Ultra Pega concreto). These products are specially prepared to be used in P-10 masonry walls.

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Behavior of 100-mm Silica Lime Parapet Walls under Out-of-Plane Seismic Forces

3.3. Steel for Reinforcement Deformed bars of grade 60 (yield stress of 420 MPa) were used; 8 mm diameter as vertical reinforcement, and 6mm diameter bars as horizontal reinforcement.

3.4. Epoxy It was a 2-component based on epoxy resins and inactive elements without solving components. The Sikadur 31 HI-MOD-GEL [4] was used, which follow ASTM C-881: Standard Specification for Epoxy-Resin-Base Bonding System for Concrete. The epoxy producer specifies that the perforation has to be not less then 15 times the diameter of the anchorage bar.

3.5. PVC Pipe in wall In specimen wall W3 a PVC pipe, 2” (51mm) diameter, was used to simulate the sanitary installations inside the walls, as it was observed in the visit to actual constructions (Figure 1).

4 ANCHORAGE TEST FOR VERTICAL REINFORCEMENT A pull-out test was used to verify the epoxy producer specifications mentioned in 3.4. The force required to pull out the steel bars embedded in concrete with the epoxy was obtained. For this purpose, three bars 8 mm diameter were anchored into a foundation beam (of f’c 20.6 MPa). According to the epoxy producer, the perforation depth was 120 mm (15 times the bar diameter) with a diameter of 10 mm. Other depths were not tested due to a limited budget. The perforation was cleaned with compressed air. The epoxy was then applied filling the complete void volume. Afterwards, the bars were inserted the full depth of 120 mm. A static pull-out test (Figure 2) gave as a result that the three bars had an anchorage failure for a force larger than the yield limit, which is their design stress.

Varilla 8 demm Ø 8mm bar

120 mm

300 mm

Pull-out test

10 mm

Viga de Cimentación

Foundation beam

M1, M2 y M3 Displacement (mm)

Figure 2. Pull out test and results.

5 CONSTRUCTION OF P-10 PARAPET WALLS Four small parapet walls of P-10 were constructed over a ring beam. Their overall dimensions were 0.9m tall and 1.53 m long. All walls had four layers of units. In the third layer the units were cut to have 90 mm tall. For wall W1, the P-10 producer specifications and the epoxy producer were followed. Wall W2 was built using the worst quality while wall W4 had the best quality of construction found in real visited buildings. Wall W3 featured a 2” diameter (51 mm) PVC pipe into one cell. In Table 1, the different characteristics of the walls are described. th

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Table 1. Specimen parapet P-10 wall characteristics Parameter Perforation depth

Wall W1 120 mm

Perforation diameter

Wall W2

Wall W3

50 mm

100 mm

Wall W4 100 mm

10 mm made with a driller

Cleaning the perforation

With compressed air machine

With an electric blower

With compressed air machine

Epoxy application

With a plastic bag to squeeze

Manually

With a plastic bag to squeeze

Using a rod

Epoxy application

Free hole and vertical bar end

Vertical bar spacer

None

Small wood tables

Horizontal joints

Mortar

Grout, placed in ribbons

Vertical joints

Mortar

Grout

Compacting and Fill of grout in cells

With a plain rod, fill every layer.

The vertical bar is shaken, fill every two layers.

The vertical bar is shaken, fill every layer.

No compacting, fill every layer.

Horizontal bars

1-6mm @ 2 layers, without anchoring in the cells.

2-6mm in the second layer, without anchoring.

1-6mm @ 2 layers, anchoring in both border cells.

Vertical bars Type of masonry

Notes

Free hole

Free hole and vertical bar end

None

Mortar

1-6mm @ 2 layers, single anchoring in one border cell.

1-8mm @ 510 and 370 mm (total 4-8mm) Fully grouted

Partially grouted

Ideal case according to technical specifications

Worst quality construction method observed in real buildings

Fully grouted

One PVC pipe, 2” (51 mm) diameter inserted vertically into the cells.

Best quality construction method observed in real buildings.

In Figure 3 through 6, some construction details are given for the four specimen walls. In wall W3, the space between the pipe and the block units was filled with grout.

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Behavior of 100-mm Silica Lime Parapet Walls under Out-of-Plane Seismic Forces

Figure 3. Wall W1: plan and elevation views, compressed air machine, plastic squeezer with epoxy, placement of block units and filling grout into cells.

Figure 4. Wall W2: plan view, epoxy filled manually, grout placed in ribbon lines over horizontal reinforcement bar, paper used in free cells, partially grouted cells. .24

.50

.07

.34

.24

Figure 5. Wall W3: plan and elevation view, PVC pipe inserted vertically into the cells.

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.05

.10

Perforaciones Ø10mm Profundidad 10cm

.07

.51

.37

.07

1.52

Figure 6. Wall W4: plan and elevation view, epoxy applied at bar ends and the anchorage.

6 SHAKING TABLE TESTS OF P-10 PARAPET WALLS The assembly of the four walls over the same foundation ring beam was subjected to a shaking table test in three steps, simulating mild, moderate and severe earthquakes. The record corresponds to a horizontal component of the Peruvian earthquake of May 1970 (Figure 7 for severe earthquake). In each wall two instruments were attached, an accelerometer located in the wall centre, and a LVDT in the middle of the upper border, to measure the acceleration A, and the topmost displacement D.

earthquake

Figure 7. Shaking Table test assemblage, Walls W1 to W4.

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Behavior of 100-mm Silica Lime Parapet Walls under Out-of-Plane Seismic Forces

6.1. Qualitative behaviour of P-10 walls under shaking table test During all the three steps of the test, all P-10 walls behaved elastically. Only very thin cracks appeared in steps 2 and 3 in wall W3, parallel to the axis of the vertical pipe.

6.2. Quantitative behaviour of P-10 walls under shaking table test The total seismic force acting perpendicular to the walls F, was calculated assuming that the total wall mass had the acceleration A recorded at its center of gravity. The unit mass weight of the walls was taken as 2000 kg/m3, which multiplied by length of 1.53m, height of 0.9m, and thickness of 0.1m, yields 275 kg. The surface seismic force, w, was obtained dividing F into the wall area (1.53m x 0.9m). Other loads, as the mass of the window for the sills were neglected. The displacement relative to the shaking table displacement, D, caused by the wall flexure, was obtained by subtracting the absolute displacement and the table displacement. In Table 2, the maximum calculated values of force F and measured displacement D for the three steps of the dynamic test are given. In Figure 8 these values are plotted. The Peruvian Masonry Code [1] and the Seismic Code [2] establish that for masonry structures the allowable drift is 0.005, so at the top of the 0.9m height the maximum allowable displacement is 0.005x900 = 4.5 mm. Table 2. Maximum values of seismic force F (N) and topmost displacement D (mm) Wall

Wall W1

Wall W2

Wall W3

Wall W4

Step

1 positive

1940

0.46

1960

2.72

1980

0.48

2009

3.08

1 negative

-2479

-0.96

-2538

-0.90

-2509

-0.61

-2587

-7.11

2 positive

2362

0.54

2410

3.18

2401

0.62

2381

3.30

2 negative

-3107

-1.27

-3165

-0.95

-3097

-0.68

-2979

-9.14

3 positive

3460

0.58

3371

4.49

3528

1.02

3450

4.10

3 negative

-4028

-1.49

-4038

-2.54

-4087

-1.31

-4263

-11.56

F (N)

D (mm)

Figure 8. Shaking table test maximum forces and displacements th

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Examining the values of Table 2 and Figure 8, for a single step of the test, the seismic force F is quite similar for all four parapet walls, it increases as the base acceleration increases, denoting an elastic behavior. However, in the displacements it may be seen that there is a similarity between pairs of walls W1 and W3, as well as walls W2 and W4 in the positive side, and also similarity between three walls (W1, W2, and W3) in the negative side. Wall W4 behaved different, with large displacements even larger than the Code allowable displacements, although, wall W4 had no cracks and behaved elastically, without rocking. It may be also observed that the displacement values for W1 and W3 are rather short, so a lack of precision of the instruments used (200 mm range LVDT) is possible. For the rest of the comparisons, mainly forces were compared.

6.3 Comparison between the Masonry Code requirements and experimental results The Peruvian Masonry Code [1] gives the elastic seismic out-of-plane load as a fraction of the total weight. Given a unit weight of P-10 masonry of 2000 kg/m3, the wall thickness of 0.10m gives a surface weight of 200 kg/m2. The seismic coefficient in the Peruvian Seismic Code [2] for the highest seismic region in Peru is 0.4 and the amplification for a parapet that can fall dangerously is 1.3. Therefore, the elastic coefficient becomes 0.8x0.4x1.3 = 0.416. Then, the seismic code out-of plane load is 0.416x200 = 83.2 kg/m2 = 815 N/m2. The Code total seismic force F(code) is obtained multiplying the surface load and the wall area, F(code) = 815x1.53x0.9 = 1123 N. The elastic Masonry Code seismic load obtained is much lower than the maximum loads reached during the shaking table tests in step 3 (more than 4000 N), which corresponds to severe earthquakes. It can be concluded that the walls were over reinforced. For a resistance design, an elastic force an amplification factor of 1.25 is used.

6.4 Comparison between the experimental results and steel yielding force The seismic out-of-plane force to produce the yielding of the vertical reinforcement in the P-10 parapet walls is deduced in this part. The seismic surface load wy can be obtained using standard beam theory assuming that the tension force associated to the yielding of the vertical reinforcement (T=As fy) is equal to the compression force of the masonry equivalent block (C=0.85 f’m L a), as shown in Figure 9, neglecting the weight of the masonry wall. In the force equilibrium equation: As = total area of vertical reinforcement (4-8mm diameter) fy = yield stress of steel (420 Mpa) f’m = compressive strength of masonry (11 MPa) L = length of the wall (1.53m) t = thickness of the wall (0.1m) h = height of the wall (0.9m) a = depth of compression area After calculating, distance a=5.9 mm is found. Then, by moment equilibium, M = As fy (t/2-a/2) = wy L h2/2 The seismic surface load wy can be obtained as wy=6282 N/m2, and a resultant horizontal force is Fh = wy L h = 8650 N. Figure 9. Forces involved in yield of Vertical reinforcement

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The obtained value of thorizontal force Fh is by far larger than the maximum seismic loads reached in the seismic shaking table test for severe earthquakes (step 3). It is again clear that the walls have an excess of capacity and reinforcement, and that the seismic behavior was elastic in the test.

7 STATIC MONOTONIC TESTS OF P-10 PARAPET WALLS In order to obtain the complete behaviour until failure of each wall, a static monotonic concentrated load was applied in the upper border of each wall. A load cell and a LVDT were used to register the corresponding lateral load Pst and top displacement Dst, as displayed in Figure 10.

Pst Dst

Figure 10. Static monotonic test of P-10 walls.

7.1. Wall behaviour under static test and results The four walls under the static monotonic test showed wall rocking around its base. Also, at the end of the test, the vertical reinforcements showed an anchorage failure. Figure 11 shows the complete history of the load-displacement curve for the 4 walls. In Table 3, the maximum load Pst reached for each of the walls is presented, together with the associated displacement Dst. The static test for walls W1 and W2 ended when the top displacement reached 50 mm, the instrument LVDT range. For walls W3 and W4 the LVDT instruments had a longer range. It is clearly observed that wall W3 had the best performance, even with the inserted pipe. Pst (kN) W3

Dst (mm)

Figure 11. Static monotonic test Pst-Dst th

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Table 3. Static test results of load and displacements. Wall

Pst (N)

1607

1725

2724

2117

Dst (mm)

24.20

14.38

27.84

14.10

7.2 Equivalent Force “Fe” for static test In order to obtain some equivalence force from the static test to compare it with the shaking table test and the Masonry Code design load, the following procedure was established. The use of elastic behavior due to flexure as a cantilever beam was discarded; instead, a rigid body model was preferred to obtain an equivalent force Fe, in the wall center of gravity which is at mid height. The equivalent horizontal force Fe, was defined in order to produce the same top displacement as shown in the test. Therefore, the equivalent force will be Fe = 2 Pst.

7.3 Comparison of seismic forces from test and calculations In Table 4 a comparison of all the set of resultant force values obtained from the tests and the calculations is given for the four walls presented in this paper. Table 4. Comparison between forces from tests and calculations Wall

Equivalent static force Fe (N)

3214

3450

5448

4234

Maximum seismic force, dynamic test step 3 (N)

4028

4038

4087

4263

Masonry Code design elastic force F(code)

1123

Force to produce yield of reinforcement Fh (N)

8650

The results in Table 4 are discussed here: neither of the two tests, dynamic nor static, produced the forces required to reach the yielding of the vertical reinforcement (Fh); also the forces from both tests are quite larger than the Masonry Code design force, even in ultimate resistance design (using the 1.25 factor). It can be concluded that the walls had an over design. The failure in the static test was due to the anchorage, and not due to the reinforcement yielding (because Fe is less than Fh). In the early pull-out test, there is a pure tension force applied to the bar, while the dynamic and static tests produced tension by flexure. Wall W3 had the highest resistance force. It looks as if the PVC pipe fixed at the foundation acted as an additional reinforcement. Perhaps this fact was favored due to the short height of the walls. Wall W4 which was the best constructed one, had a better behavior than walls W1 and W2.

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Behavior of 100-mm Silica Lime Parapet Walls under Out-of-Plane Seismic Forces

8 CONCLUSIONS The findings of this research are limited to the height of the walls tested, which was 0.9m. Such height is usual for a sill or for parapet walls in buildings in Peru. It is recommended that other heights should be investigated. It was found in the shaking table test an elastic behavior in the four walls. The horizontal reinforcement had no influence in this test, it only acts for temperature. The forces obtained in this dynamic test average 265% more than the elastic force calculated using the Masonry Code specifications. Also, the forces obtained in the static test were larger than the code requirements and could not yield the reinforcement. Therefore, it is concluded that the parapet walls are over reinforced, meaning that the bar reinforcement specified by the producer for these walls is larger than required. Although the tests showed that these walls were safe for severe earthquakes, a final compression failure could be expected. Finally, the depth of anchorage of the vertical reinforcement has to be further studied. Either the epoxy producer recommendation (15 times the bar diameter or 120 mm for W1) or lesser depths (100mm for W3 and W4, 50 mm for W2), produced the same kind of failure in the static test. In the meanwhile, we recommend that the manufacturer´s procedures should be used until more studies and research are done.

ACKNOWLEDGEMENTS Undergraduate students from the Catholic University of Peru, Mikhail Rivera and Aldo Diaz, collaborated in the first part of this project. Compañía Minera Luren S.A. donated the construction materials and provided the workmanship for the construction of the walls. The Laboratory of Structures at the Catholic University of Peru provided technical staff and equipment, so the authors are grateful to them.

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Twelfth LACCEI Latin American and Caribbean Conference for Engineering and Technology (LACCEI’2014) ”Excellence in Engineering To Enhance a Country’s Productivity” July 22 - 24, 2014 Guayaquil, Ecuador.

Biomass Residual Energy Potential in Peru Mg. Estela de la Gracia Assureira Espinoza Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima, Perú, eassure@pucp.edu.pe Ing. Marco Antonio Assureira Espinoza Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima, Perú, assureira.ma@pucp.edu.pe

ABSTRACT

BIOMAP PERU shows the energy supply at departmental and provincial levels of the most representative local residues species of agricultural sector and forest industry. It is a tool to analyze the technical, socio-economic and environmental aspects of the use of biomass resources as energy sources in the perspective of sustainability. In addition, BIOMAP PERU can be used to identify priority areas of action to develop and formulate strategies for the management of biomass resources for bio-energy production.

The objective of this research is to determine the energy potential of biomass residues of agriculture, agro-industry and the forest industry in Peru. The result of this work has been BIOMAP PERU or Biomass Energy Atlas of Peru that presents the biomass energy supply at provincial and departmental level in the country. Its development involved the selection of biomass residues with more energy potential, the analysis of national statistics of agricultural and forestry production from 2003 to 2011 year; waste field sampling and the physical chemical characterization of the residues.

2. METODOLOGY The process to develop BIOMAP PERU had six stages: selection of the sources of biomass residues, collection of information of biomass residual supply, selection of waste biomass with more energy potential, sampling and characterization of biomass residues, determination of the energy potential of biomass residues and processing the information and mapping.

A mathematical model was applied to determine the energy potential of each biomass residue. The information was processed by product and geographical location. The result is presented as tables and maps. The research work shows that Peru generates over 10’247,000 TM of waste material that represent 2'991,711 TEP that can be used as energy. These biomass waste are mainly integrated by crop residues from sugarcane (21%), corn stems, leaves and cobs (35%), bagasse (17%), rice husk (4%), rice straw (14%), asparagus straw (2%), cotton straw (6%), chip and sawdust (1%).

The selection of waste biomass material with more energy potential was performed by CAFRE-PUCP methodology that evaluates each residue by a set of criteria, giving a score to each one according to their support for energy use. A score from zero to four was assigned to each criterion depending of its level of compatibility with the possibility of implementation and use of the energy generated from the biomass residue.

The departments with more energy potential are La Libertad (26%), Lambayeque (16.7%), Lima (13%), San Martin (7.1%) and Piura (11.7%).

The residues that obtained the highest score are presented in BIOMAP-PERU. Rice husks, rice straw, asparagus straw, cotton straw, crop residues of sugar cane (leaves and buds), bagasse and corn leaves were selected. In the case of wood industry the residues of importance were the sawdust and shavings.

1. INTRODUCTION In Peru, agricultural and forestry residues are resources that are not currently commercially exploited despite their energy potential. Also they are not counted as commercial primary energy source in the National Energy Balance.

3. RESULTS

To promote the development of bioenergy in Peru it must be improved the knowledge of issues related to supply of biomass residues, their composition and technologies currently available for biomass energy use.

As a result of this research work has been developed the Peruvian supply of residual biomass by country departments and provinces. Figures 1, 2 and 3, show the result of the work.

12th Latin American and Caribbean Conference for Engineering and Technology Guayaquil, Ecuador

July 22-24, 2014

Figure 3: Energy Potential by Biomass Residue

4. CONCLUSIONS 1) Agricultural and forestry residues in Peru are resources not commercially exploited at present despite its high energy potential. To use this primary energy source is required to improve local knowledge in the field of supply of biomass residues, composition and technologies currently available for biomass energy use. 2) In Peru the agriculture, agribusiness and timber industry generates over 10’247,000 TM of biomass residues that represent 2'991,711 TEP of energy. The biomass residues are mainly integrated by crop residues of sugarcane (20 %), corn stems, leaves and cobs (35%), bagasse (17 %), rice husk (4 %), rice straw (14 %), asparagus straw (2 %), cotton straw (6 %), chips and sawdust ( 1 % ) .

Figure 1: Biomap Perú

c. The departments with the higher biomass residues energy potential are: La Libertad (26%), Lambayeque (16.7 %), Lima (13 %), San Martin (7.1 %), Piura (11.7 %) and Ica (6.23 %).

REFERENCES Castelles X. E., (2005). Tratamiento y valoriación energética de residuos. Ediciones Diaz de Santos, España. Demirbas A., (2004). “Combustion characteristics of different biomass fuels”. Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 30, No3, pp 219-230. Patel, B. and Gami, B. (2012). “Biomass Characterization and its use as solid fuel for combustion”. Irania Journal of Energy and Environment, Vol. 3, No2, pp 123-128. Vamvuka, D. and Zografos, D. (2004). “Predicting the behaviour of ash from agricultural wastes during combustion”. Fuel, Vol. 83, No 14), pp 2051-2057. Vassiler, S. and Baxter, D. (2010) “An overview of chemical composition of biomass”. Fuel, Vol. 89, No5, pp 913-933.

Figure 2: Ica residual energy potencial

12th Latin American and Caribbean Conference for Engineering and Technology Guayaquil, Ecuador

July 22-24, 2014

Author's personal copy Int J Life Cycle Assess DOI 10.1007/s11367-016-1046-4

LIFE CYCLE ASSESSMENT: A TOOL FOR INNOVATION IN LATIN AMERICA

Carbon footprint of pomegranate (Punica granatum) cultivation in a hyper-arid region in coastal Peru Ian Vázquez-Rowe 1,2 & Ramzy Kahhat 1 & Jair Santillán-Saldívar 1 & Isabel Quispe 1,3 & Miguel Bentín 4

Received: 2 October 2015 / Accepted: 19 January 2016 # Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016

Abstract Purpose The cultivation of pomegranate worldwide has increased sharply in the past few years, mainly due to the growing perception that this fruit has numerous medical benefits. Despite the proliferation of studies delving into the properties of pomegranate from a medical and dietary perspective, its analysis from an environmental perspective has yet to be carried out in depth. Hence, the present study aims at understanding the life cycle environmental impacts in terms of greenhouse gas (GHG) emissions derived from the cultivation, processing and distribution abroad of fresh pomegranate grown at an innovative farm in a hyper-arid area in the region of Ica (Peru). Methods The international standards for life cycle methodologies were considered in order to obtain the overall carbon Responsible editor: Alejandro Pablo Arena Electronic supplementary material The online version of this article (doi:10.1007/s11367-016-1046-4) contains supplementary material, which is available to authorized users. * Ian Vázquez-Rowe ian.vasquez@pucp.pe

Peruvian LCA Network, Department of Engineering, Pontificia Universidad Católica del Perú, 1801 Avenida Universitaria, San Miguel, Lima 32, Peru

Department of Chemical Engineering, Institute of Technology, University of Santiago de Compostela, 15782 Santiago de Compostela, Galicia, Spain

Department of Chemical Science and Natural Resources, Universidad de La Frontera, Avenida Francisco Salazar, 01145 Temuco, Chile Agroinversiones Valle y Pampa, Av. Mariscal La Mar 662 Oficina 203, Miraflores, Lima 18, Peru

footprint (CFP) of fresh pomegranate cultivation, processing and distribution. Data acquisition was performed at the cultivation site and supported by the ecoinvent® database, whereas GHG emissions were modelled using the IPCC 2007 method. In addition, biogenic carbon sequestration was included in the assessment, using two distinct models, a first one to model the aerial carbon sequestered by the pomegranate trees and a second, using the IPCC Soil Carbon Tool for soil storage. Results and discussion Annual results show that on-site GHG emissions can be mitigated to a great extent in the first years of production thanks to biogenic carbon sequestration. However, through time, this tendency is reverted, and in years of maximum pomegranate productivity, GHG emissions are estimated to outweigh those linked to sequestration, despite the relevant minimization of emissions when using innovative irrigation schemes as compared to the conventional flood irrigation in the region. Conclusions Despite the threat in terms of water depletion and security, the expansion of Peru’s agricultural frontier in hyper-arid areas appears to be a feasible strategy for carbon fixation, although current agricultural practices, such as the use of machinery or electricity, need to be optimized to make positive the carbon balance. Keywords Carbon footprint . GHG emissions . Horticultural products . Land use changes . Life cycle assessment . Pomegranate

1 Introduction The pomegranate tree (Punica granatum) is native to northern India and other areas bordering the Himalayas, although its presence throughout the Mediterranean has been notable for centuries (Chaudhari et al. 2014). The production of

Author's personal copy Int J Life Cycle Assess

pomegranate worldwide has risen sharply in the past decade related to the numerous medical and medicinal benefits that its consumption may entail with regard to cardiovascular diseases, diabetes or colitis (Jurenka 2008; Landete 2011). In fact, the high content of phytochemicals in pomegranates or pomegranate juice has been associated with reducing the risk of cancer (Lansky and Newman 2007; Faria and Calhau 2010; Rahimi et al. 2012). The Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) does not keep a detailed record of pomegranate production worldwide, so global statistics are difficult to retrieve (AgMRC 2012). However, India, China, Iran and other Asian nations appear as the main producers of pomegranates, although most of their production is for domestic use. In contrast, Spain, Azerbaijan or Israel, all three with more modest production rates, present higher export rates thanks to their geographical advantage with respect to the main importing nations: Germany, the Netherlands or France (AMPEX 2006), where, as a result of the health benefits abovementioned, present increasing consumption of pomegranate arils (IPD 2015). In addition, emerging pomegranate-producing nations in the Southern hemisphere, such as Chile, Peru or Madagascar, have started taking advantage of their capability to deliver off-season pomegranates to the Northern hemisphere from February to June (AMPEX 2006). Peruvian pomegranate production through the 1990s until 2010 remained low, with an average of approximately 1200 t cultivated annually, as shown in Fig. S1 in the Electronic Supplementary Material (SM) (INEI 2014). However, the increasing worldwide demand, the high shelf life of this fruit or the favourable climatic conditions for this crop along the hyper-arid Peruvian coast have led to an exponential rise in cultivation area, reaching a total of 1500 ha in early 2014 (López-Rubira et al. 2005; Rodolfo Pacheco Progranada, personal communication, May 2015). This growth in surface area has led to an increase in production from 1013 t in 2007 to 6677 t in 2013, 560 % more in less than a decade (INEI 2014). Despite the expansion of pomegranate production in Peru, most of this production (89 % in year 2013) is destined for export to European and Asian countries (SIICEX 2015). Pomegranate, like other food products, has been part of a debate developed in recent years by public opinion regarding long freighting distances. This discussion has emerged especially in the UK, under the belief that long transportation periods of perishable food products can create large GHG emissions through the supply chain of these products (Smith et al. 2005). This concept, commonly referred to as food miles, however, has been shown to be highly deceiving since it does not take into consideration the life cycle of these products (Edwards-Jones et al. 2008; Saunders et al. 2006; Weber and Matthews 2007), omitting important sources of GHG emissions,

such as fertilizer production and on-site emissions (Villanueva-Rey et al. 2015), use of machinery at the agricultural stage, packaging or other operational activities other than transport (Vázquez-Rowe et al. 2015a). In addition, another important source of GHG emissions related to agricultural products is land use changes (LUCs) (Milà i Canals et al. 2007; Searchinger et al. 2008; Giampietro and Mayumi 2009; Hertel et al. 2010). These impacts are only critical for agricultural sites that are a consequence of recent LUCs, since the carbon cycle of these areas may change abruptly. Thus, new crops may entail a net sequestration of carbon in the biosphere or liberation of carbon in the form of CO2 depending on what previous land use that they are substituting (Vázquez-Rowe et al. 2014). This issue is of special importance in many tropical regions of the world, since these LUCs usually entail the deforestation of areas with high ecological value and, in most cases, are also associated with an important loss of carbon sequestered in the forest canopy and in tropical soils (Bala et al. 2007). For instance, deforestation, in some South-East Asian countries, to cultivate palm oil has been shown to pose an important threat to climate change mitigation schemes (Reijnders and Huijbregts 2008). In fact, similar observations have been identified in other Latin American countries, such as Brazil, where the expansion of sugar cane and other biofuel crops, as well as cattle ranching and other activities constitute relevant net GHG emissions on an annual basis (Cederberg et al. 2011; Lapola et al. 2010; UNFCCC 2006). In the specific case of Peru, the recent agricultural boom throughout the hyper-arid coast has not implied a direct threat to forested lands (Oré and Damonte 2014). On the contrary, most of the surface area gained for agricultural purposes was previously either desert land or fallow land. This phenomenon is unlike that of other tropical countries, where agricultural expansion has been shown to be a direct threat to deforestation, reducing tree cover (Meyfroidt et al. 2010). Based on this background, the main objective of this study is to understand from a life cycle perspective the environmental impacts in terms of GHG emissions derived from the cultivation, processing and delivery to importing nations of fresh pomegranate in a hyper-arid area of the coastal region of Ica (Peru). More specifically, the computation of all operational activities undergone through the supply chain of pomegranate is performed using a single-issue life cycle method: carbon footprinting (CFP). Results derived from this study are expected to be of utility for stakeholders in the emerging Peruvian pomegranate sector, as well as in other parts of the world, since to the best of our knowledge, this is the first CFP study performed for this fruit. In addition, the inclusion of biogenic carbon allows determining the relevance of LUCs in this hyper-arid area in terms of GHG emissions.

Author's personal copy Int J Life Cycle Assess

2 Materials and methods 2.1 CFP: methodological context The current study is integrated in the frame of the ECOAGRO project, in which a series of iconic agricultural products of the region of Ica are being assessed using the life cycle assessment (LCA) methodology. The main objective of the entire project was to study current practices at an innovative agricultural site that has implemented a high-frequency intermittent drip irrigation system (HFDI system), in order to identify environmental hotspots and suggest potential improvement actions to reduce environmental impacts. The LCA methodology represents an integrated assessment method, allowing the computation of a variety of environmental dimensions, named impact categories, such as climate change, toxicity and acidification, among others (Baumann and Tillman 2004). For instance, in Vázquez-Rowe et al. (2015a), a total of 14 impact categories were computed for the production of fresh asparagus at this same site, including water and ozone depletion, which were deemed highly relevant throughout different phases of the production system. In the present study, one single impact category was computed in the analysis: climate change potential, commonly referred to as CFP when used independently (Weidema et al. 2008). The rationale behind this decision is linked to the fact that pomegranate production at this site was based on the change in land use of a desert area with essentially no carbon content in the soil to the creation of a certain degree of soil organic carbon and carbon sequestration in the planted pomegranate trees. Therefore, it is hypothesized that LUCs and carbon sequestration in the trees may counterbalance the GHG emissions linked to the life cycle of the operational activities of pomegranate production. The ISO standard 14067 for CFP was followed in this study (ISO 2013). ISO defines CFP as the modelled estimate of the overall amount of GHG emissions that can be directly or indirectly attributed to a product throughout its supply chain (i.e. its life cycle). Although, in many cases, CFP studies limit their computation to the inclusion of carbon from fossil sources, ISO 14067 and other standards, such as PAS 2050 (BSI 2011), also recommend the consideration of biogenic emissions and capture processes, including land use changes (LUCs), soil carbon storage, carbon storage in products (including biomass) and non-CO2 GHG emissions and removals from livestock, manure and soils (ISO 2013). 2.2 Goal and scope The main goal of this study is to determine the final GHG emissions engendered through the supply chain of pomegranate production, including biogenic carbon sequestered at the agricultural site. The function of the system, therefore, is the

delivery of fresh pomegranates to international markets. The functional unit selected was a 3.9-kg box of pomegranates ready for distribution in the country of destination. The selection of the functional unit (FU) was based on the standard package dimensions and content. The study was carried out in for different years of cultivation (2011–2014), corresponding to the first 4 years of occupation of a 51-ha area in the district of Paracas (13° 42′ S; 76° 12′ W), region of Ica, approximately 260 km South of Lima. Therefore, the environmental impact in each season is assessed paying special attention to the increase in crop yield. Primary data for pomegranate production were available starting in the first year of operation with a first harvest in March 2011, up to 2014 (Table 1). However, it should be noted that the site is not expected to reach maximum yield until 2017 (Bentín 2015). 2.3 System boundaries The production system under study was analyzed from the cultivation site of pomegranate through the delivery of the box of product to the different countries of destination, including the different storage stages of the product, packaging and distribution activities of the product. Upstream processes accounted for the production of raw materials, such as packaging materials, fertilizers or plant protection agents, whereas downstream processes included freight operations from the gate of the cultivation site to the port of Callao (12° 2′ S; 77° 8′ W), as well as transoceanic freighting to the importing countries (Table 2). 2.4 Data collection and quality and life cycle inventories Primary data were obtained through a questionnaire that was prepared by the LCA practitioners and submitted to the company for completion. The questionnaire covered all the main aspects linked to the production system, including the use of fertilizers, plant protection agents, machinery, energy or water use at the agricultural site (Table 3). In addition, characteristics of the packaging materials (Table 4) or the exact export routes followed by the final product to the different destinations were available (Table 5). In the first place, a series of general data regarding the site were reported, as previously shown in Tables 1 and 3, regarding surface area, machinery and infrastructure description or human labour. Secondly, annual values for crop yield were reported for the period 2011–2014, as well as a detailed description of operational inputs: organic and inorganic fertilizers, plant protection agents, electricity and water consumption, and the amount of diesel used to fuel the machinery. Production of inorganic fertilizers and most plant protection agents was modelled based on taking into account that Peru does not produce these products. Therefore, as described in Vázquez-Rowe et al. (2015a), inventories for these products were obtained from the import data available at the Peruvian

Author's personal copy Int J Life Cycle Assess Table 1 Operational characteristics of the cultivation site in the period 2011–2014

Unit Characteristics of the site Surface area

2011

2012

2013

2014

Number of trees per hectare

420

Commercial type of pomegranate Pomegranate yield

WONDERFUL t/ha 1.61

4.34

13.56

21.84

Total pomegranate production

82.0

221.1

691.6

1113.6

Marketable pomegranate production Pomegranate destined to local sales

t t

Water use Electricity consumption at cultivation site

m3/ha MWh

73.8 0.0 2456

199.0 2.2 3967

622.4 48.4 5958

1002.2 100.2 6259

137.69

133.16

201.65

256.02

ha hectare, p piece, t metric ton

Ministry of Agriculture (Ministerio de Agricultura 2011, 2012, 2013). Emissions from organic and inorganic fertilizers (i.e. dinitrogen monoxide (N2O)) were based specific values for tropical environments, as reported by Marquina et al. ( 2013). For the packaging phase (see Table 4), a description of the materials used was also available, as well as distances and transport mode to the processing plant. No energy consumption values were available for the cold storage and processing of the pomegranates. Therefore, data from the literature were used for this specific energy input. More specifically, data from the CO2OP project in Spain were adapted to the characteristics of the Peruvian agriculture processing sector (Cooperativas Agroalimentarias 2011), including the use of the Peruvian electricity mix for each year of assessment, which was obtained from Vázquez-Rowe et al. (2015b). Due to the lack of Peruvian data, three different horticultural packaging industry sizes were modelled in order to account partially in terms of sensitivity analysis for the uncertainties that this data gap engenders. Having said this, it is presumed that the Peruvian packaging sector is substantially less mechanized Table 2

Annual sales and destinations in the period 2011–2014

Total exports (t) The Netherlands UK Canada Russia Hong Kong Cyprus Greece Lithuania Amount of airfreighted exports Local sales (t) Total sales t metric ton

2011

2012

2013

2014

73.8 86 % 4% 10 % – – – – – 4% 0.0 73.8

196.8 40 % 30 % – 14 % – – 8% 8% 13 % 2.2 199.0

574.0 35 % 25 % 3% 28 % – 3% 3% 3% 10 % 48.4 622.4

902.0 32 % 25 % 2% 26 % 9% – 2% 4% 6% 100.2 1002.2

than the Spanish sector, a circumstance that may lead this study to inflate the environmental impacts from this stage. However, increased efficiency in the process in terms of productivity could minimize environmental burdens due to mechanization. Based on the data managed by the company, final results include pomegranate freighting to the final country of destination (see Table 5 and Fig. S2 in the SM). These were computed independently per country and transport mode (airfreight or marine freight). However, as shown in Table 5, it should be noted that approximately 10 % of the pomegranate production in years 2012–2014 was destined to local sales in the Peruvian market, whereas in 2011, no domestic sales were performed. Domestic transport to Lima or the port of Callao was modelled taking into consideration the Euro III Directive, which is the most advanced emissions standard currently in force in Peru. Moreover, cooling agent emissions were obtained from Stemmler et al. (2004). Background data were retrieved and then adapted from the ecoinvent® 3.01 database (Weidema et al. 2013). Table 6 details all those datasets that suffered some type of modification, such as electricity generation, inorganic fertilizer or plant protection agents’ production. Data quality was guaranteed following the ten requirements that are described in ISO/TS 14067:2013 and described in Table 7.

2.5 Aerial and soil biogenic carbon: estimation and allocation strategies Soil biogenic carbon was modelled using the IPCC Soil Carbon Tool (IPCC 2015) in order to determine the annual carbon stock change. For this purpose, a tropical dry climate was selected in the software, as well as a sandy soil. Thereafter, the land was assumed to shift from desert land to long-term cultivated. However, desert land was not available in the software, so soil organic carbon (SOC) values

Author's personal copy Int J Life Cycle Assess Table 3 Summary of the annual inventory data for subsystem I (data per metric ton of marketable pomegranate)

Unit

2011

2012

2013

2014

29.9

14.9

7.9

4.9

0.0

12.5

10.0

Ammonium nitrate

89.3

50.5

28.5

13.2

Phosphoric acid Potassium sulphate

kg kg

56.4 38.1

31.0 75.6

19.1 55.9

8.7 43.4

Magnesium sulphate Boric acid

kg kg

0.0 0.0

37.2 0.0

19.6 0.2

20.8 2.0

304.6

50.5

0.0

8.0

3.4

0.0

45.5 1865

50.3 669

15.3 324

11.6 255

Inputs Fossil fuels Diesel consumption Organic fertilizers Guano Other organic fertilizers Inorganic fertilizers

Potassium nitrate Calcium nitrate Irrigation

Water use m3 Electricity consumption for pumping kWh Plant protection agents (most used active ingredients) Mancozeb Methomyl Difenoconazole Spinosad Diflubenzuron

g g g g g

388.7 186.6 0.0 0.0 0.0

96.1 230.6 60.9 18.5 2.9

0.0 0.0 10.2 3.8 0.9

0.0 45.8 6.4 0.0 0.0

Benfuracarb

0.0

61.5

49.2

24.4

15,718

4020

1510

1287

Products Pomegranate

Emissions to air CO2 (fossil fuels) N2O (fertilization)

kg g

84.0 865.2

41.9 302.9

22.1 121.7

12.6 53.3

Other inputs Kraft paper Outputs

p piece, t metric ton

calculated by Zhang and Shao (2014) for desert soils in the Gobi desert were assumed for this case study. Aerial carbon retained by pomegranate trees was modelled based on a series of parameters that were obtained from several bibliographical sources (Clark et al. 1986; Myers and Goreau 1991; Birdsey 1992; DeWald et al. 2005). Therefore, the model described in Fig. 1 was built to calculate the aerial and root sequestration of the pomegranate trees, which can be divided into five differentiated steps: 1. Determination of the total (green) weight of the pomegranate tree. The algorithm used, obtained from Clark et al. (1986), calculates the aboveground total weight of the tree based on two parameters: the diameter of the tree

trunk (D) in inches, on the one hand, and the height of the tree (H) in feet, according to the following equation: (a) For trees with D below 11 inches→W ¼ 0:25D2 H

ð1Þ

For trees with D above 11 inches→W ¼ 0:15D2 H

ð2Þ

(b)

where W accounts for the aboveground weight of the tree in pounds. However, it is important to bear in mind that the pomegranate trees planted at the cultivation site were transported from the nursery stage

Author's personal copy Int J Life Cycle Assess Table 4 Summary of the annual inventory data for subsystem II— packaging stage (data per metric ton of packed pomegranate)

Unit

Inputs from the technosphere Lorry transport (20 t) Corrugated board Electricitya (packaging centre)b Diesel consumption (packaging centre) Inputs from nature Fresh pomegranate

Large packaging industry

Medium packaging industry

Small packaging industry

tkm

kg kWh

82.05 36.79

82.05 41.26

82.05 74.89

619.53

694.80

1261.11

256.4

Outputs Pomegranate box

p piece, tkm metric tons per kilometre, t metric ton a

The electricity grid that was taken into consideration was based on the mix from year 2011 according to Vázquez-Rowe et al. (2015a, b)

Diesel and electricity use for large, medium and small horticultural packaging industries were modelled from Cooperativas Agroalimentarias (2011) based on the data of ten Spanish firms

to on-site sequestration and other aspects of the nursery stage were not considered within the system boundaries. Finally, given that the root system of a tree tends to represent approximately 20 % of the

when their dimensions were 2 cm in terms of trunk diameter and 60 cm in height. Hence, in the present study, the carbon sequestered in the nursery stage was omitted since this growth did not correspond

Table 5 Summary of the annual inventory data for subsystem III—distribution to final destination (data per FU)

Inputs from the technosphere Diesel, lorry transport (Chincha-Callao) Transport distances Lorry (Chincha-Callao) a

Transoceanic freight—Liverpool (UK) Transoceanic freight—Rotterdam (The Netherlands) Transoceanic freight—Vancouver (Canada) Transoceanic freight—Piraeus (Greece) Transoceanic freight—Saint Petersburg (Russia) Transoceanic freight—Klaipeda (Lithuania) Transoceanic freight—Larnaca (Cyprus) Transoceanic freight—Hong Kong (Hong Kong) Transoceanic freight—Singapore (Singapore) Intercontinental aircraft—London (UK) Intercontinental aircraft—Amsterdam (The Netherlands) Domestic sales (Chincha—Lima) Outputs to the technosphere Final products Pomegranate box Emissions to air HFC-134a (cooling agent lorry) HCFC-22 (cooling agent lorry) CFC-12 (cooling agent lorry) p piece a

Maritime distances were obtained from www.sea-distances.org

Unit

Value

33.23

km km km km

215 10,962 11,445 8821

km km km km km km km km km

13,307 13,360 12,668 14,122 18,389 19,746 10,149 10,539 243

μg

8.17

μg μg

3.67 0.41

Author's personal copy Int J Life Cycle Assess Table 6 List and description of the main dataset modifications that were performed for the computation of the results

Dataset

Database

Action taken

Electricity, high voltage, production mix (Peru)

ecoinvent® 3

The electricity grid for Peru was adapted to that of year 2011 based on the mix reported by Vázquez-Rowe et al. (2015a, b).

Diesel, production

ecoinvent® 3

Ammonium nitrate, production

ecoinvent® 3

Diesel 2 is the main type of diesel used in Peru. This brand was modelled based on the data obtained from Avadí (2014). Ammonium nitrate used in Peru was adapted to Russian production conditions, since according to the Peruvian Ministry of Agriculture (2012), 99 % of this fertilizer is imported from Russia.a

Potassium sulphate, production

ecoinvent® 3

Magnesium sulphate, production

ecoinvent® 3

Urea

ecoinvent® 3

Poultry manure, production

ecoinvent® 3

The production of poultry manure was taken into consideration considering the average NPK concentration of guano based on the recommendation of the technicians at the cultivation site.

Freight transport, operation

ecoinvent® 3

Peru is currently using the Euro III emission standards for emissions of new vehicles sold in the country. Therefore, Euro III emissions were assumed for transport emissions.

Potassium sulphate used in Peru is imported mainly from Belgium, Chile, USA, Taiwan, Russia and South Korea. Based on the statistics managed by the Ministry of Agriculture (2012), an annual weighted production was created based on the proportion of imports from these countries. Magnesium sulphate used in Peru was adapted to US production conditions, since according to the Peruvian Ministry of Agriculture (2012), 99 % of this fertilizer is imported from the USA. Urea used in Peru is imported mainly from Russia, Latvia, Ukraine and China. Based on the statistics managed by the Ministry of Agriculture (2012,) an annual weighted production was created based on the proportion of imports from these countries.

Imports of inorganic fertilizers were only available for years 2011 and 2012. For years 2013 and 2014, the same import patterns were assumed as those observed in 2012

aboveground weight, the final weight of the trees at a given moment was assumed to be 120 % of that obtained in the abovementioned equations (Clark et al. 1986). The weight of the trees was calculated in three different time periods. Firstly, a measurement was considered at the moment of plantation in 2010 when they were transported from the nursery stage. A second measurement was performed in early 2015, weeks after the annual harvest. Finally, the third assessment was theoretical, based on the estimated maximum tree growth for pomegranate trees (Melgarejo et al. 1997; Bentín 2015). 2. Computation of the dry weight of the pomegranate tree. Based on a study by DeWald and colleagues (2005), the average dry matter content for a wide range of species monitored in this study was fixed at 72.5 %. However, it should be noted that this average did not include any trees

from the family of the pomegranate tree, adding a certain level of uncertainty to the study. 3. Estimation of the weight of carbon in the pomegranate tree. According to the data provided by Birdsey (1992), the average carbon content represents approximately 50 % of the total volume of any tree. Consequently, in this case study, the dry weight of pomegranate trees was multiplied by 0.5. 4. Carbon dioxide sequestration by the pomegranate tree. Based on the proportion between the molecular weight of CO2 and C, CO2 sequestration by the trees was assumed to be 3.67 times that of the weight of carbon contained in the tree. 5. Carbon dioxide sequestration assigned per FU. Once the total sequestration of the planted trees was modelled, three different allocation approaches were followed in order to be able to assign the numerical computation to the selected FU (see Fig. 1).

Author's personal copy Int J Life Cycle Assess Table 7 Description of the quantitative and qualitative aspects that were taken into consideration to guarantee data quality characterization, as recommended by ISO/TS 14067:2013

Aspect

How was it dealt with in the study?

Time-related coverage

Data were collected for 4 years of operation, above the recommendation for crops provided in PAS 2050-1:2012 for horticultural products. Primary data were mainly obtained from the agricultural site at Paracas (Ica, Peru), including exported products and destination. Technology at the cultivation site was implemented in the software based on local practices. The technology mix for electricity was based on Peruvian annual averages, as described in VĂĄzquez-Rowe et al. (2015a, b).

Geographical coverage

Technology coverage

Precision

Precision of the inventory data was not completely quantifiable due to the fact that one single dataset was included in the study. Having said this, lack of precision was counterbalanced through the computation of several years of activity, as well as with sensitivity analysis modelling.

Completeness

Completeness was high at the agricultural site, with a high proportion of primary data being used. Lack of completeness was only observed at the nursery stage, which was omitted from system boundaries of the assessment. Pomegranate production in Peru is an emerging subsector within the ever-growing agricultural sector. Although the 51 ha of production assessed only represents 3.4 % of the total Peruvian production, these represent the most innovative irrigation system available, with important water savings with respect to conventional drip irrigation systems. Consistency of the methodology and the results was attained by following the main recommendations of the ISO 14067 standard. From a computation perspective, consistency was attained by using standardized assessment methods (i.e. IPCC 2007).

Representativeness

Consistency

Reproducibility

Data sources

It is important to note that the biogenic carbon considered in this study refers exclusively to that occurring in the foreground system at the cultivation site. Therefore, other biogenic carbon processes that may occur in the production system, such as that linked to the production of Kraft paper, have been excluded from the system boundaries.

Reproducibility was attained by reporting the main primary data used at the agricultural site, as well as through the supply chain Data sources were varied but were specified in detail. Those provided by the company through the questionnaire were verified through different methods directly with their personnel

Joint Research Centre (JRC) of the European Commission (Hauschild et al. 2013). Its recommendations, which are in line with the current ISO standards used to perform the current study, are based on a series of criteria that include scientific aspects, stakeholder acceptability and extensive public and stakeholder consultations (Hauschild et al. 2013).

2.6 Assessment method

3 Results The assessment method used to compute the results in the SimaPro 8.01 software (PRĂŠ-Product Ecology 2015) was IPCC 2007 GWP (IPCC 2007). The selection of this assessment method, and not others that also include the computation of GHG emissions, is linked to the recommendations provided by the ILCD handbook developed by the Institute for Environment and Sustainability in the European Commission

3.1 Biogenic carbon results The perennial characteristics of pomegranate trees imply that production yield gradually augments through the development of the tree until a maximum value. For this case study, it was assumed that these trees will be maintained in the site

Author's personal copy Int J Life Cycle Assess Fig. 1 Schematic representation of three different aerial biogenic CO2 sequestration models built for pomegranate cultivation in hyper-arid areas in Peru

Fig. 2 Aerial carbon sequestration in a pomegranate cultivation site in coastal Peru per production year assuming three different allocation strategies

Author's personal copy Int J Life Cycle Assess

until they lose approximately 15–20 % of their maximum yield production, which confers them an estimated lifetime of 13 years (Bentín 2015). Thereafter, they would be uprooted to proceed to a new plantation of this crop. Carbon sequestration occurs mainly in the development stage of the pomegranate tree, in the first 5 years of growth, whereas its capability to continue this process tends to plateau during years of maximum yield potential. This circumstance opens the debate as to how this carbon should be computed when allocated to a box of marketable pomegranate. Therefore, three different perspectives were considered in the present study, as mentioned previously in Fig. 1. The first perspective (perspective A) considers two distinct growth rates for the pomegranate trees. On the one hand, an early stage in the first 6 years of growth (2010–2015) was identified, in which the lump sum of the period is allocated evenly across each year, corresponding to a total of 340 t CO2 per year for the 51 ha of production. On the other hand, the annual allocation for the second period (2016–2023) would correspond to 84.3 t of CO2 per year. Finally, the final allocation would be performed annually to each FU, ranging from 18.0 kg of CO2 in the first year of production to 204 g CO2 in years of maximum yield (see Fig. 2). The second approach (perspective B) computes the total CO2 sequestered during the plant growth process, which adds up to a total of 2374 t CO2 in the period under analysis (i.e. from 2011 to 2023) and is then assigned evenly through the 13 years of production (182.6 t CO2/year). Since the unit production increases over time, when allocated to the FU, the range of sequestered CO2 is reduced significantly as compared to the first approach from 9.7 kg of CO2 in 2010 to 443 g CO2 in years with maximum output (i.e. 2017–2021). Finally, the third approach (perspective C), which is recommended by the British Standards Institute (BSI) (BSI 2012), consists of assuming a steady-state situation by assigning the 2374 t of CO2 that is sequestered evenly for any box of pomegranates exported in the 13-year period. Hence, the total sequestration of CO2 considered per FU added up to 602 g CO2.

On the other hand, to account for soil carbon storage, the estimate provided by the IPCC Soil Carbon Tool corresponded to 788 kg CO2 per hectare and per year. The tool does not provide an annual storage potential, but an average over the years assessed. Hence, the first perspective used for aerial biogenic carbon was not applicable for this perspective. However, for the second perspective, the values of sequestered CO2 ranged from 1.91 kg CO2 per commercialized box in year 2011 to 87.8 g CO2 per box in years of maximum yields (i.e. 2017 to 2021). Finally, using the third perspective, a total of 132 g CO2 per box is obtained. 3.2 Carbon footprint of the agricultural operational activities The total CFP results for the production of pomegranate showed a sharp decrease through time (90 % from 2011 to 2014), which was attributable mainly to increasing yield and lower use of resources per harvested fruit. Therefore, GHG emissions per FU added up to 18.2 kg of CO2eq. in 2011, whereas by 2014, this value was down to 1.84 kg CO2eq (Fig. 3). The operational activity that tends to contribute the most to the CFP in the great majority of agricultural systems is the production of fertilizers, which, in 2014, represented 20.0 % of total impacts (368 g CO2eq.). Moreover, if the transport of fertilizers and their emission after fertigation are included, the contribution increases up to 23.5 % (431 g CO2eq.). More specifically, ammonium nitrate and potassium sulphate represent close to 80 % of the total impacts in terms of fertilizer production, whereas the production of organic fertilizers only represented 0.8 % of the total impacts. However, it is relevant to point out that for this particular production system, fertilization is not the main relative contributor. In fact, the production and market for Kraft paper constituted the single most relevant operational input with 25.1 % of the total impact. Kraft paper is used to cover the fruit of the pomegranate from sun exposure during the fruit growth, which can cause sunburn damage when sunshine hours are abundant and are combined with high temperatures. Furthermore, electricity consumption to pump water for irrigation represented 15 % of total impacts, whereas the infrastructure linked to water pumping and irrigation was 11.1 and 5.3 %, respectively. Consequently, the total impact directly attributable to irrigation represented 31.4 % of the total impact. Finally, the remaining environmental impacts were related to machinery use (18.6 %). 3.3 Carbon footprint of the packaging stage

Fig. 3 Annual non-biogenic GHG emissions in the agricultural stage of pomegranate production (data per FU = 3.9-kg box of fresh pomegranate)

The main environmental impacts identified in the packaging stage were linked to the production and transportation of corrugated board, which represented approximately 82 % of the

Author's personal copy Int J Life Cycle Assess Fig. 4 GHG emissions in the packaging stage of fresh pomegranate considering three different-sized processing factories (data per FU = 3.9-kg box of fresh pomegranate)

GHG emissions if a large processing plant is assumed, whereas this proportion is reduced to 75 % if a small plant is taken into consideration (see Fig. 4). This variation is due mainly to a factor of scale in terms of energy consumption at the plant, since the packaging material production and transportation system to the plant represents a fixed value of 433.2 g of CO2eq per box of pomegranates. Consequently, the amount of GHG emissions attributable to the factory would range from 98.2 g of CO2eq (17 %) to 48.2 g of CO2eq (9.2 %) depending on the assumed size of the plant. Finally, the transport of fresh pomegranates in boxes from the cultivation site to the factory represented a total of 44.9 g CO2eq per final processed box. 3.4 Carbon footprint of the distribution stage GHG emissions linked to the distribution stage were divided into three main activities when assuming a weighted average of the CFP for the different destinations and export transport modalities observed. Firstly, the road freight of pomegranates for export from the gate of the factory in Chincha to the port of Callao represented 147 g CO2eq per FU. Although 83 % of this value was linked to the production and combustion of diesel for this 250-km distance, impacts below 2 % were directly attributable to fugitive emissions from the cooling agents used to transport the pomegranates at 1 Â°C. Total GHG emissions for the distribution stage varied from 1.99 kg CO2eq in 2014 to 4.96 kg CO2eq in 2012 to the different destinations, including domestic sales in the city of Lima. Approximately 91.7 % of the GHG emissions in 2014 are linked to freighting the cargo abroad, whereas only 8.3 % is related to terrestrial freighting from Ica to Callao/Lima along the Pan-American Highway. The main factor influencing this final value, which represents a very high proportion of overall emissions in the years of highest yield, is airfreighting the final product to London or Amsterdam. For instance, distribution from the gate of the processing factory to the final destination in the UK varied from 46.9 kg CO2eq per FU if the cargo is airfreighted to 534 g CO2eq per FU if the carrier is a transoceanic freighter.

3.5 Overall carbon footprint computation The overall CFP excluding biogenic CO2 for one box of pomegranates was 4.35 kg CO2eq in year 2014 when assuming a weighted average in the distribution stage. If biogenic carbon is considered within the final computation (assuming perspective C), this number decreases considerably to 3.62 kg CO2eq (see Fig. 5). Hence, this implies that approximately 17 % of the GHG emissions engendered in the supply chain are mitigated through on-site direct carbon sequestration. However, the intensity of this decrease is strongly dependent on the allocation strategy for aerial and soil carbon described in section 3.1 as discussed in more detail below. Following this same sequestration perspective, which is considered conservative, the first years of production with low production yields show a much higher final CFP: 20.61 kg CO2eq per FU in 2011, 11.45 kg CO2eq in 2012 and 5.67 kg CO2eq in 2013. Perspectives A and B, however, are based on allocating biogenic sequestration from a temporal point of view, rather than from a lump sum of pomegranate production. Hence, as observed in Fig. 5, in the first years of production, the GHG emissions of the agricultural stage are practically neutralized by the potential sequestration of the cultivation site. Finally, Fig. 6 represents the GHG balance based on perspective C for each destination in year 2014, showing a marine freight range from 2.06 kg CO2eq for Canada to 2.55 kg CO2eq for the case of Hong Kong. However, if pomegranate is airfreighted to the Netherlands, this value rises up to 50.3 kg CO2eq per box of pomegranates.

4 Discussion 4.1 Environmental hotspots and improvement actions The production of pomegranate in this cultivation site on the Peruvian coast presented a considerable potential to mitigate the GHG emissions due to agricultural activities thanks to the sequestration of carbon by the trees and the soil in the 51 ha of

Author's personal copy Int J Life Cycle Assess Fig. 5 Overall annual carbon footprint of the supply chain of pomegranate production per biogenic carbon sequestration allocation perspective (data per FU = 3.9-kg box of fresh pomegranate)

cultivation. However, as depicted in Sect. 3.1 and Fig. 5, sequestration of carbon at the site is strongly dependent on how the allocation is done through the expected lifespan of the current pomegranate plantation. Similarly to what has been observed for green asparagus (Asparagus officinalis) at this cultivation site (Vรกzquez-Rowe et al. 2015b), the use of a HFDI system for irrigation implies that GHG emissions during the agricultural stage are reduced by approximately 15.6 %, using 2014 as the reference year. These reductions, which are linked to the minimization of water and fertilizer use that is attained through the irrigation system, are substantially lower than in the case of green asparagus (40 %). The reason behind this difference can be partially attributed to the variable mix of inorganic fertilizers used for each crop, although interannual variability within each crop is also relevant. However, the prime influencing factor was found to be the use of Kraft paper to cover the fruit from sun exposure, which represented up to 25 % of the GHG emissions in the agricultural stage. The use of cover to protect pomegranates is necessary to preserve their quality in warm areas with strong solar radiation, allowing higher revenues and, therefore, higher levels of return on investment (Ghorbani et al. 2015). A possible alternative would be to use recycled Kraft paper rather than the virgin paper that is

used currently, but certain studies suggest that the use of recycled paper implies a higher burden in terms of GHG emissions, unless the production process is based on renewable energy (Finkbeiner 2009). Hence, further reductions of GHG emissions in the agricultural stage are bound to the substitution of materials, including Kraft paper, by others with a lower environmental impact or to a higher penetration of renewable energy in the Peruvian grid (Ghorbani et al. 2015). A projection was also performed for 2017, the year when it is presumed that the cultivation site will reach its peak of productivity (i.e. 35 t per hectare), 1.19 kg CO2eq. However, this projection is strongly influenced by assuming current operational activities, ignoring exogenous and endogenous activities linked to the agricultural site (i.e. a change in the electricity mix in Peru and other nations involved in the production of materials such as inorganic fertilizers), as well as market constraints. From a sectorial perspective, it should be noted that, to the best of our knowledge, this cultivation site is the only one in Peru that uses HFDI for irrigation (Drechsel et al. 2015). The use of this technology not only helps to reduce the amount of water used in pomegranate cultivation by 60 % based on the regional benchmark, but also enables a reduction in the amount of energy, which is mainly used to pump water, by

Author's personal copy Int J Life Cycle Assess Fig. 6 Overall carbon footprint of the supply chain of pomegranate production per destination for year 2014 assuming perspective C for carbon sequestration (data per FU = 3.9-kg box of fresh pomegranate)

60 %, and the amount of nutrients needed to fertilize by approximately 59 %. Hence, if the HFDI irrigation system implemented is compared to the conventional dripping system for 2014, GHG emissions are reduced from 2.18 kg CO2eq to 1.84 CO2eq per box. Consequently, if the entire production of pomegranate in Peru was to shift to a HFDI system, not only would there be a reduction of approximately 0.16 Hm3 in the use of water, but the GHG emission mitigation could range from 650 to 800 t of CO2eq per year based on the current surface area destined to this crop. GHG emissions due to processing were mainly linked to the packaging and, to a lesser extent, to transport and energy use of the packaging plant. While we were not able to access local data regarding plant energy consumption, we presume that Peruvian factories in this sector tend to be less mechanized than Spanish processing plants, implying that the GHG emissions linked to energy use at the plant may be overrepresented (Ceddia et al. 2013; Cerutti et al. 2014). Unlike other Peruvian crops, such as green asparagus, the shelf life from harvesting to consumer for pomegranates can stretch up to 12 weeks if stored at what is considered the optimum storage temperature: 5 Â°C (ArtĂŠs et al. 2000). The substantial increase in CFP provoked by airfreighting, which

represents a tenfold increase in the total CFP, is linked to the marketing strategy of Peruvian fresh pomegranate sales (see Fig. 6). The Peruvian harvest of pomegranates usually starts toward late January and continues up to April. Interestingly, it is at the beginning of this period (i.e. late January and early February) when the demand for pomegranate outweighs supply. Hence, from a marketable perspective, wholesalers demand swift freighting methods, which companies make the most of to maximize benefits through airfreight (BentĂn 2015). Therefore, it does not seem plausible that airfreighting of pomegranate will disappear within the sectorial logistics strategies, unless governance enforces stricter environmental regulation through the complex supply chain partnerships that are constructed (Hagelaar and Van der Vorst 2002). 4.2 The importance of biogenic carbon computation in perennial crops Results obtained in this research show that the sequestration of carbon in the first years of growth of the pomegranate tree is substantially higher than when the tree reaches maturity. Interestingly, this tendency opposes the increasing productivity of the trees as they grow. The sequestration of carbon that

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occurs in the first phase of the tree growth allows, somehow, increasing productivity during tree maturity. This rationale immediately brings up the issue linked to temporal coverage in CFP and LCA studies, since allocating carbon removals per year appears to skew this sequestration to years in which pomegranate yield is low or only plant growth is occurring. Nevertheless, perennial crops are commonly replaced gradually, mitigating the impact on the production rate, i.e. ensuring a smooth production level along time. Hence, following the recommendations provided by the supplementary requirements for horticultural products in PAS2050, we consider that all perspectives used in this study are valid to report GHG emissions. However, the use of perspectives A and B may be misleading in studies in which only 1 year of operation is reported. In these cases, perspective C should be considered to monitor removal of biogenic carbon rather than perspectives A or B (see Fig. 1), in order to represent a steady-state situation where all the development stages of the pomegranate tree are proportionally represented (BSI 2012). It could be argued that perspective C should be assumed for non-biogenic GHG emissions, since the operational inputs (i.e. fertilizers, etc.) are much higher per unit of production (in this case, the FU) in the first years than in years of maturity (BSI 2012). However, this perspective was discarded due to the complex interaction of inventory items that are taken into consideration, since these emissions are linked not only to the yield obtained in a specific year, but also to a compound amalgam of changes that can occur due to direct changes in the production process (change in type of fertilizers) or indirect shifts in the upstream and downstream inventories considered in the computation of the results. An interesting point of discussion is linked to the residues derived from annual pruning operations. While the technicians at the cultivation site were not able to provide information regarding the exact amount of pruning residues produced, it is important to note that these are not burnt and only a minor proportion are left to decompose. Rather, they are used for preparing nursery specimens for transplanting, which are mainly sold to other cultivation sites in the region in which they are planted in new pomegranate tree sites. Hence, it should be noted that in this case, pruning does not imply a removal of sequestered carbon, but a potential increase in terms of carbon sequestration due to the plantation of new trees. In addition, given the tendency observed in the Ica Valley of extending the agricultural frontier for planting new pomegranate (or other perennials, mainly citric crops or green asparagus), the indirect consequences of these pruning residues exceed the limits of carbon storage beyond the system boundaries considered in the current study. Another matter of interest involves the encapsulation of the stored carbon once the trees are cut at the end of their productive cycle, avoiding the emission to the atmosphere (Johnson et al. 2007). On the one hand, if the biomass is burnt or decomposed,

the gain in agricultural land will imply that a new natural carbon cycle is created at the site, but with scarce sequestration potential once the first plantation is removed. On the other hand, if there is some sort of encapsulation, the occupied land will be ready for a new net sequestration of carbon beyond what has already been stored in the previous productive cycle. Pomegranate tree wood is known to be good for the production of walking sticks, and given its high content in tannin, it was traditionally used in Morocco for curing leather (Saad et al. 2015). However, its use for ornamentation or hedges has also become common. Hence, given the lack of landscaping at the cultivation site, an interesting option would be to combine different horticultural and design strategies in order to augment the carbon pool at the site (Golubiewski 2006; Marble et al. 2011).

5 Conclusions Pomegranate is slowly becoming an important agricultural product for the Peruvian economy, with substantial increases in the land area destined to its production in recent years. Most of its production occurs along the hyper-arid coastal strip, which implies a constant challenge in terms of water supply (World Bank 2008). However, unlike other tropical countries, Peru tends to expand its agricultural frontier in hyper-arid areas with barely any vegetation cover, reducing stress over the carbon stocks of tropical forest areas in other regions (Asner et al. 2010, 2012). A perennial tree like pomegranate provides an opportunity to store carbon in areas where natural conditions impeded any previous sequestration of CO2. However, further improvement actions need to be accomplished in order to attain net carbon fixation in these agricultural systems, since GHG emissions linked to operational activities still outweigh the carbon removal potential. Pomegranate production for this case study in Peru showed competitive CFP values in most of the value chains assessed as long as the fresh product was marine freighted abroad. However, it is important to bear in mind that pomegranate consumption worldwide is still disperse and producers have reported that sales in new markets are slow taking off, since consumers in many Western nations consider the fruit exotic and difficult to eat (MuĂąoz 2000). Further research should focus on how to extend GHG mitigation strategies through its supply chain, including logistics planning or freighting conditions. In addition, peel waste generated by fresh pomegranate consumption in households represents 50 % of the fruit by weight (Akhtar et al. 2015). Freighting this weight, which can be recovered for nutraceutical uses (Goula and Lazarides 2015), could be avoided through more intensive pomegranate processing, in the form of arils or juice. However, these products show a reduced shelf life as compared to fresh pomegranates, and their processing is more intensive in terms of energy and packaging. Consequently,

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an LCA analysis on the trade-offs that different products derived from pomegranate cultivation may cause appears as an interesting future research path to optimize the environmental profile of pomegranates through their supply chain. Acknowledgments The authors would like to thank Minela Chávarri and Juan Pablo Bentín for valuable scientific exchange, as well as SwissContact for valuable scientific support. In addition, the authors express their gratitude to the reviewers for their thoughtful and valuable comments. Authors with affiliation to the University of Santiago de Compostela (Spain) belong to the Galician Competitive Research Group GRC 2013-032. Dr. Ian Vázquez-Rowe wishes to thank the Galician Government for financial support (I2C Postdoctoral Student Grants Programme).

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Characterization of Dynamic Parameters of a Structure Made Of Spider Silk Dragline Jorge Alencastre Jorge Vera Mechan Pontificia Universidad Católica del Perú José Luis Muñoz Javier Echavarri ETSII-UPM -España

Abstract The aim of the research was to determine the dynamic parameters of the structure made of spider silk, addressing the topic from an analytical-experimental perspective. The physical structure made of spider silk is meant to copy an original and natural spider web as a special class of prestressed systems called equitensional structures. A conceptual model was developed, composed of silk threads which reach one each other and a point mass at that intersection, which analytically describes in a roughly way, the dynamic behavior of the structure made by the spiders silk gland producer “Major ampullate” (MA). Using free vibration techniques, two experiments were performed. Comparisons between analytical and experimental values obtained show a great coincidence in relation to the natural frequencies of the system, with minor errors than 2% for the fundamental frequency. Intrinsic damping capacities of the structure and silk’s viscosity were also determined. Based on the results, it is concluded that the main function of the spider web is to convert the kinetic energy deformation energy and especially dissipative energy, thanks to the silk’s viscoelastic properties.

1. Introduction The term Biomimetics (Agnarsson,I. 2010, Bath Friedrichr, 1988, Blackledge,T., 2009) has become common in scientific issues, and refers to the work of various scientists (engineers, chemist, physicists, biologists, etc.) who try to copy and apply biological processes in different technological and scientific areas. In this scientific field, one of the natural products that are the most striking is the web (Blamires, S. 2012, Cranford, S., 2012, Wu ChaoChia., 2013, Gosline, J., 1999).A silk fiber Is much stronger than a steel wire of similar thickness, and much more elastic. Simultaneously, the unique molecular structure of the silk fiber can stretch allows up to twenty times its length without breaking. All this in natural, biodegradable and harmless origin material (Gosline,J., 1999, Anita Hoffman. 1993, Ko, F.,2004). Not in vain, man has tried for decades to use this unique material for their technological purposes, attempts that were unsuccessful until recently. The closest artificial equivalent is the Kevlar, a synthetic fiber that its use in the bulletproof vest fabrication, is three times less resistant and much less elasticity than spider silk, it has a high production cost and its manufacturing involves the use of high pressures and temperatures, as well as acids, highly polluting organic solvents (Gosline,J., 1999). Some research that study the spider web as a special class of system called the equitensional are the pre-tensioned structures (Ko,F., 2004) which have a specific blend of geometry and mechanical properties, resulting in highly efficient structures, due to the optimal distribution of the structural mass. The geometry plays a major role in defending the existence and the rigidity of a structure type equitensional. The claim little changes the stiffness of the structure. However it plays an important role in delaying the onset of loose strings (Lin. Lorraine-. 1995, 1 Montenegro, R., 2005).A damped oscillating system of one freedom degree is propose, as an analytical conceptual model to represent the dynamic behavior of the equitensional structure made of spider silk . The description of the conceptual model generates a nonlinear differential equation of motion , as a result of the inclusion of the intrinsic strength of spider silk threads and the intrinsic damping of the structure made of silk MA (Montenegro , R. , 2005 Sensenig A. , 2013 , Tarakanova , A. , 2012) . 25

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To determine the natural frequencies and vibration diagrams of experimental structure were used free vibrations techniques; on the other hand, for the solution of the differential equation were employed numerical methods. The results obtained both analytically and experimentally agree qualitatively and quantitatively, thus validating the analytical model proposed to study the dynamic behavior of the structure made of spider silk.

2. Statement of the conceptual Model The physical system , which will be called ‘structure made of silk MA’ ( security threads ) used in the experimental part for determining dynamic parameters, comprises two pre- tensioned MA silks with an initial force " S "which perpendicularly intersect, in that intersecting it is tied to a point mass , formed by a reflective tape and fastened iron filings . The ends of both silks, individually, fixed to a support (pin). The experimental setup of the structure can be represented by a conceptual model as shown in Fig. 1.

Static Equilibrium Position

Fig. 1: Conceptual Model The following analytical model shown in Fig 2.was used to determine the differential equation of motion. Spider silk was considered as a viscoelastic Kelvin- Voigt model type, which shows elements for storing energy (represented by the springs) and the energy dissipation (represented by the dampers)

Fig. 2: Displacement "z" in the XZ and YZ planes. The differential equation describing the dynamic behavior of the system previously shown, under geometrically nonlinear initial conditions, it is described by:

  4EA  z2  z zL   2 2 z  4S     z  0 m z  4 C    2 2 2 2  L z  L  Inertial L  z L  z          Force Damping Force Or Dissipative Force

Restorative Force

(1)

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The equation of motion (1) can be replaced by a simplified McLaurin’s equation expanding in series.

m z  Inertial Force

4C 2 4S 2 EA z z  z  3 z3  0 2 L   L  L    Dissipativ e Force

(2)

Re storative Force

The equation (2) represents a dynamic system damped of free vibration in geometrically nonlinear displacement "z". In this equation the natural frequency depends not only on the parameters within the system but also on the initial conditions. In order to appreciate how to vary the frequency of the system and to apply the method of the disturbance for settlement will be neglected in (2) the term corresponding to the damping force; the result is an expression whose fourth frequency approximation is governed by the following expression: 2 1

  

3 z 2 4



3 2 z 4 128 2



9 3 z 6 512 4

(3)

In the previous expression it is observed that the frequency of the nonlinear system ( 1 ) varies with the amplitude ( z ), but to find its value,  y  are required, the latter being a parameter containing “ E ”, module that characterizes stiffness in uniaxial state, of any material and therefore to spider silk. The approximate solution of the differential equation of motion of the system ( 1) which considers only the damping of the structure made of silk MA ( C ),was obtained using numerical methods especially RungeKutta No. 4 for Systems ( RK4S ).

3. Static trials and vibration Static to silk and free to the structure made with silk MA (security thread) vibration tests were conducted. In order to limit the variability of the mechanical properties of the silk, the obtention of the MA silk was made during segregation of spider silk made while free climbing (security thread).The determination of the diameters of security threads were made using a Scanning Electron Microscope (SEM) with an average diameter of the wires of approximately 3.5 microns.Free vibration trial under environmental conditions, were performed using a laser speed and signals Multi-Analyser software system version 12.5.0 Press LabShop Brüel & Kjær. The excitation of the system is performed using an electromagnet. The configuration of the system consists of two silks MA with a length (2) of 10 cm in a position perpendicular (as shown in Fig.1) prestressed with a force "" of 0.0032 N. The value of the prestressing force is obtained after perform various tests that allow the system to be tight enough, besides offering ease of elongate up to the maximum of its elastic range without reaching the break. At the intersection of a point mass both threads of 2.10x10-5 kg comprised of a reflective tape and iron filings (Fig. 1) were placed. To start the free vibrations of the system switch adjustable source was operated, he began to energize the electromagnet creating a magnetic field, which served to attract iron filings from the static equilibrium position at a distance of 1.1 cm; plus the initial velocity was 0 m / s. These initial conditions vary silk made initial pretension force "" (0.0032 N) to a restricted its elastic limit, thereby causing the elastic material properties (modulus of elasticity E, silk section A) involved in characterizing the dynamic properties of the system. When displaced the system, the power supply to the electromagnet is interrupted, the system to oscillate freely to regain the position of static equilibrium. This movement was captured by the laser speed through the reflective tape, located on the reverse side of the iron filings. To carry out dynamic tests under vacuum conditions, he had to use a vacuum chamber and the same equipment as in tests at ambient conditions. The condition of vacuum was 1 mbar.

4. Results The following figures reveal the results obtained through out experimental and analytic ways. The graphics in figure 3 show the curve of Force-Deformation of one of the multiple trials in traction done to the spiders silk, the same way the trials of load and unload. .

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Samples

Frequency CURVA " FUERZA - DEFORMACIÓN"

CURVAS DE CARGA Y DESCARGA

0. 12

0.16 0.15

0.105

0.135 0. 09

0.12

Force (N) Force(N)

0.075

0.105

0.09 0. 06

0.075 0.045

0.06

0.045

0. 03

0.03 0.015

0.015 0

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70

Deformatio

20 22 24 26 DEFORMACIÓN (%)

44 45

Deformation

Fig. 3:a) Curve Force-Deformation b) Curve load-unload Figures 4 and 5 reveal the results of the experimental tests of free vibrations and the ones obtained in the solving of the equation of differential movement. Numerical solution with RK4S (C = 0.00045 Ns Numerical solution adjusted with RKAS (C = 0.00025 Ns / m C1 = 2.22x E-6 Ns / Vacuum conditions 18 ° C, 91%, 1

Displacement (m)

Time (s)

Fig. 4: Analytical and experimental solution

Fig. 5: a) Intensity of autospectrum

b) Evolution of the analytical frequency over time

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Taking in account that the values of evolution of the frequency tend to a lower value, table 1 is been made. Table 1: Comparison of the natural frequencies between the results obtained analytically and those obtained from the trials in vacuum condition. Trials Analytic Error Error (%)

First Harmonic 17.17 Hz 16.75 Hz 0.42 Hz 2.45

Second Harmonic 34.44 Hz 33.51 Hz 0.93 Hz 2.7

Third Harmonic 52.49 Hz 50. 29 Hz 2.2 Hz 4.2

5. Discussion Figure 3a shows that the elastic range is found approximately between 0% and 2% of deformity and between 0N and 0.016 N of force; the tendency of the curves is the same when the trials of load and unload are made (Fig. 3b). Additionally, from this curve we can close that when the silk is deformed and loaded farther that 2% and 0.016 N respectively, it shows a permanent deformation, and this behavior infers that the trial of the silk is found between the elastic ranges. From the same figure can be deduced that the silk have a viscoelastic behavior, for showing of hysteresis bonds. In figure 4 in can be observed the comparison of the results obtained experimentally in vacuum conditions (Blue curve) with the analytic solution with the intrinsic damping value of the structure C=0.00045 Ns/m (Black curve). It is clearly visible that the analytic solution don't retake the position of static equilibrium, leaving a remnant vibration; This behavior is justified, because after the no lineal initial stage, the analytic sister goes to the lineal range, where there is no term that dims the vibration and the system ranges like a pre tensed string with a punctual mass. In the same Figure its shown the analytic system vibrations adjusted with a member that represents the damping of the joints and the low vacuum (Orange curve) that tend rapidly to the experimental solution. The value of said damping is very small, representing 0.8% of the intrinsic damping of the structure, but it is important for the analytic solution to return to a static equilibrium position. Figure 5 shows that intensity of auto specter (Exe X: Frequency, Axis Y: Samples number, Color: Breadth) for the experimental trials in vacuum conditions and in the fig 5, is appreciable the evolution of the analytic frequency in the time. From table 1 it is deduced that the errors from the frequency are less than 4%. This indicates that the conceptual model that was proposed is adequate to represent correctly the dynamic behavior of the silk made structure MA.

6. Conclusions The investigation of the behavior of the spider silk made structure MA, turns itself in a first approximation to be able to understand and evaluate the dynamic behavior of a spiderâ&#x20AC;&#x2122;s web as a structure of equitensional type. The analysis techniques of free vibrations as a method to quantify the dynamic properties of the system have given satisfying results. The study of the free vibration of the structure made of silk MA in the nonlinear range has allowed, as a first approximation, determinate the dynamic parameters of the silk made structure MA, natural frequency and damping coefficient. The evaluations of the analytic and experimental results reflect clearly in the principal function of the spiders silk is to turn kinetic energy in deformity energy, and primarily in dissipation energy, fact that is affected because of the viscoelastic properties of the silk. Theintrinsic damping coefficient of the structure is very small, but the spiders apparently resorts to the help of the air (as dissipater element) for the good functioning of the spiders web at the moment of capturing their prey, dissipating the 99% of the total energy in the first three cycles of oscillation of the spiders silks at the impact of the prey. Using the conceptual model of a pre-tensed string with a punctual mass is adequate to represent correctly the dynamic behavior of the structure made in silk MA. To represent the silk MA like a mechanic model of KelvinVoigt, to evaluate its properties of storage and dissipation have been coherent and has allowed us said properties.

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CYCLIC RESPONSE OF TRADITIONAL AND CONFINED MASONRY HAITIAN WALLS 1 2

G.Villa Garcia1, M.Blondet2 and D. Quiun2 Associate Professor, Department of Civil Engineering, Catholic University of Peru, gvillag@pucp.edu.pe Principal Professors, Department of Civil Engineering, Catholic University of Peru, mblondet@pucp.pe , dquiun@pucp.edu.pe

ABSTRACT The 2010 Haiti earthquake caused more than 233 thousand deaths and around 1.2 million people lost their houses. Most of the collapsed or damaged structures were built informally with a traditional construction system consisting of reinforced concrete frames infilled with concrete block masonry. This paper presents preliminary results of a research project developed at the Catholic University of Peru, whose objective is to provide a safe construction technology for Haiti based on confined masonry built with local materials. In order to reproduce Haitian masonry, concrete blocks were fabricated with low strength concrete. Two full-scale masonry walls (3 m x 3 m x 0.25 m) were built and tested under cyclic lateral load. The first wall (W1) represented traditional Haitian construction: a concrete frame was built first and infilled with concrete blocks. The second wall (W2) was built with confined masonry: the wall was built first, then the confining reinforced concrete elements. Small constructive changes were also introduced in the stirrups and the wetting of the blocks prior to laying. Both walls were tested following the same pattern. Wall W1 developed large cracks which separated the masonry from the concrete frame. In a real earthquake, this wall would overturn out of plane. Wall W2 developed the typical shear diagonal cracks and the confining elements were able to maintain the wall integrity. Wall W2 was 15% stronger than wall W1 and its failure mode was much better. These results are encouraging and the work will continue by exploring other construction improvements. KEYWORDS: confined masonry, concrete blocks, cyclic load test INTRODUCTION The January 12, 2010 Haiti earthquake has been devastating in terms of human lives and material loss. This 7.0 magnitude event, with epicentre 25 km WSW of Port-au-Prince, caused more than 233000 deaths, 300000 injured and around 1200000 homeless [1]. No seismic detailing, informality and poor construction techniques were responsible for most of the damage on poorest people housing. Traditional construction consisted of small dimension, weakly reinforced concrete frames infilled with low quality, hand made, concrete block masonry units (CMU). This system, used in most houses and multi story buildings in Haiti, had undesirable seismic behaviour as can be appreciated in Figure 1 [2].

Figure 1: Earthquake destruction in masonry houses in Haiti [2]: a) Out of plane failure; b) Lack of column at corner A research project developed at the Catholic University of Peru attempts to provide a safe and low cost construction technology for Haiti, based on confined masonry built with local materials. It is well known that confined masonry is an economic construction system that has had excellent seismic performance [3] and is extensively used in countries like Mexico, Peru [4], and Chile, for buildings from one to five stories. This paper presents the results of the first stage which included reproducing traditional Haitian construction materials and system, determining its structural characteristics, and comparing the seismic behaviour of a full scale wall subjected to lateral cyclic load with a similar wall built with confined masonry. CONCRETE MASONRY UNIT PREPARATION The concrete masonry unit used in the project had the same dimensions as the typical Haitian CMU, 150 x 200 x 400 mm, with three square openings as shown in Figure 2. However, the openings did not pass through the other side, which finished in a continuous 25 mm thick layer. A metallic form was designed and fabricated with these specifications, and 800 blocks were hand made for the whole project. .

Figure 2: CMU preparation: a) Metallic form; b) Solid surface; c) Drying Materials used for the concrete mix of the units were Portland cement, coarse sand with F.M. 2.86 and tap water in a volume ratio of 1:9:2. This concrete mix gave 8.2 MPa concrete cylinder strength at 7 days. The compression strength of CMU was tested at 90 days giving a gross

characteristic strength of 5.79 MPa. This value exceeds slightly the minimum established by the Peruvian Masonry Code [5], which is 5.0 MPa to be considered a load bearing block unit. PROPERTIES OF CONCRETE MASONRY Natural suction of CMU gave 69 g/200cm2/min, a value which is too high, considering that Peruvian Masonry Code establishes a range at the time of placement of 10 to 20 g/200cm2/min. Wetting superficially the unit, suction was reduced to 45 g/200cm2/min. Thus, two sets of masonry specimens were tested, one without previous treatment (PS) and the other treated (PT) by wetting superficially the units immediately before laying. Small masonry specimens were constructed to determine the masonry properties. All prisms consisted of three units stacked vertically and joined with 15 mm layer of cement-sand mortar in volume proportion 1:8. Slenderness ratio of all prisms was 4.2. Compression strength of mortar cubes was 6.2 MPa at 28 days. The prisms were instrumented with two LVDT’s placed vertically on each side to determine Young’s Modulus. Figure 3 shows testing set up and Table 1 presents the results of tests at more than 28 days. Table 1: Axial Compression of Prisms Results Test ID Specimen

No wetting Wetting

PS-1 PS-2 PS-3 PT-1 PT-2 PT-3

Compression Strength – f’m Individual (MPa) 2.50 3.81 3.59 3.02 2.87 2.86

Average (MPa)

Standard Deviation

3.30

0.7

2.92

0.1

Young’s Modulus E Individual (MPa) 3778 3556 4133 3354 3785 2136

Average (MPa)

Standard Deviation

3822

291

3092

855

Figure 3: s) Axial compression of prism; b) Diagonal compression of wallet To determine the shear strength of masonry, almost square 820 mm side wallets were prepared and tested in diagonal compression. As can be appreciated in Figure 3, each wallet had two LVDT’s perpendicularly placed at the centre of the loaded span, to determine shear modulus G. Table 2 presents results of both sets of wallets: without treatment (MS) and with previous watering (MT).

Table 2: Diagonal compression of wallets Results

Shear Strength – v’m

Test Number

Individual (MPa) 0.48 0.40 0.41 0.34 0.47 0.29

Specimen

Not wetted Wetted

MS-1 MS-2 MS-3 MT-1 MT-2 MT-3

Shear Modulus G

Average (MPa)

Standard Deviation

0.43

0.04

0.37

0.09

Individual (MPa) 1462 985 1180 613 749 1108

Average (MPa)

Standard Deviation

1209

240

823

256

CONSTRUCTION OF WALLS Two masonry walls were built varying the construction sequence of RC columns and masonry wall. Each wall was built over a RC foundation beam of dimensions 300 x 400 x 3900 mm. Columns cross section was 150 x 250 mm. Reinforcement consisted of 4 Ф 9.5 mm (3/8”) bars for both walls. Stirrups of 6 mm with 90° hook were spaced uniformly every 250mm for Wall 1 (W1) and for Wall 2 the hook was 135° and they were spaced 1@50mm, 4@100mm and the rest @250mm. Crown beam cross section was 150 x 200 mm. It was reinforced with 4 Ф 9.5 mm (3/8”) bars and stirrups of 6 mm spaced uniformly every 250mm for both walls. Average concrete strength was 27.8 MPa for the foundation beams, 17.1 MPa for the columns and 15.2 MPa for the crown beams. The main difference between both walls was the construction process. W1 simulating Haitian construction was built with CMU laid without previous treatment. The concrete columns and the top beam were built first as a normal RC frame, and later, CMU were infilled to the frame. W2 was built with CMU wetted superficially prior to laying. The masonry wall was built first, leaving the ends toothed. After the masonry wall was finished, the end columns and crown beam concrete was poured producing a confined wall. Figure 4 shows the overall dimensions of the walls and the difference in the construction sequence of each wall. LATERAL CYCLIC LOAD TESTS The testing sequence was the same for both walls. Displacement controlled lateral cyclic load was applied in several steps. Each step was defined by its maximum horizontal displacement and consisted of a number of load cycles, each applied at a speed of 1 cycle every 4 minutes. Table 3 presents the testing sequence. Table 3: Testing sequence for walls Step D1 (mm) Cycles

1 0.5

2 1.5

3 2

4 3

5 4

6 5

7 7.5

8 10

9 12.5

10 15

11 20

12 40

13 80

Figure 4: Wall construction: a) Overall dimensions; b) Infilled masonry in RC frame; c) Confined masonry Instrumentation consisted of 10 LVDTâ&#x20AC;&#x2122;s as shown in Figure 5: D1 was used for test displacement control, D2 and D3 recorded the diagonal elongation at the centre of the wall, D4 and D5 recorded the vertical separation between column and foundation beam, D6 and D7 measured total diagonal elongation of the wall, D8 and D9 monitored horizontal separation between wall and columns and D10 monitored horizontal movement between the wall and the crown beam.

Figure 5: a) Wall instrumentation; b) Testing set up. Failure pattern was different in both walls. Wall W1 developed fine vertical separation cracks (0.15mm) between the masonry wall and RC columns in step 1. This separation process advanced to complete vertical separation from columns (step 2) and horizontal separation from both the foundation beam (step 3) and the top beam (step 4). At this point, average separation crack width was 0.5 mm. At step 6, separation cracks were 3 mm wide and during step 7, cracks passed through the wall. It was only in step 8 that diagonal shear cracks started to appear in W1.

Wall W2 had no visible cracks in step 1, and starting step 2, it developed tension flexure horizontal cracks in the columns which extended to the wall joints. Figure 6 shows crack detail of both walls at step 3, where the different behaviour is observed. At step 4 many diagonal cracks appeared, which developed in stairways through the joints. Neither vertical nor horizontal wall separation cracks appeared in W2 during the test.

Figure 6: Step 3 for: a) W1; b) W2. The Peruvian Seismic Code [6] establishes that the maximum drift for a masonry structure should be limited to 0.005 (1/200), which corresponds to step 9 of this test sequence. However, further steps were carried on to observe the final failure mode of each wall. Thus, Figure 7 shows the walls at the end of step 9 and Figure 8 presents the walls after step 13.

Figure 7: Step 9 for: a) W1 and hysteretic curves; b) W2 and hysteretic curves

Figure 8: Step 13 for: a) W1 and hysteretic curve; b) W2 and hysteretic curve Table 4 compares the peak values and Figure 9 shows the complete hysteretic loops of lateral force vs. lateral displacement for both walls. Table 4: Comparison of peak values between W1 and W2 Parameter First crack load Maximum horizontal load Initial stiffness % of initial stiffness at step 9 Maximum displacement between wall and crown beam

Unit kN kN kN/mm % Mm

W1 34.7 118.9 90.6 10.5 12.04

W2 91.36 141.6 88.6 14.1 1.37

Figure 9: Hysteretic loops for: a) W1; b) W2 As expected, initial stiffness of both walls is quite similar, because the difference between them is only in the constructive process. Average stiffness has been calculated from the first half cycle and the last half cycle of each step. Figure 10 compares average stiffness and stiffness loss in both walls. At step 3 traditional wall W1 has only 34% of initial stiffness, while confined wall W2 still has 52%.

Figure 10: Average stiffness loss in: a) W1; b) W2 The force â&#x20AC;&#x201C; displacement envelope curve is presented in Figure 11. For each wall it has been obtained with the maximum values of top displacement D1 and lateral load V for each step. According to the Peruvian Seismic Code [6], the limit of lateral displacement for masonry is 12.5mm (correspond to a drift of 1/200=0.005) in order to be economically repaired after a severe earthquake. It may be observed that the traditional wall W1 has a very short elastic range and a strong strength degradation before it reaches the code limit drift of 0.005, as compared to confined masonry wall W2.

160 Shear Force (kN)

140 120 100

60 40 20

0 0

Lateral Displacement D1 (mm)

Figure 11: Envelope lateral load-displacement curve for W1 and W2.

CONCLUSIONS It has been possible to reproduce the inadequate seismic behaviour of Haitian CMU and masonry construction quality with low cement content concrete for units and structural elements. Infilled wall W1 under the cyclic load test has separated almost immediately from the concrete frame, thus leaving the wall free to collapse by out-of-plane forces. On the other hand, confined masonry wall W2 has maintained the integrity between the wall and the columns, which enables the system to develop shear crack patterns. Wall W2 has resisted 15% more horizontal load than wall W1, which is not so relevant. The most important contribution of wall W2 lies in the fact that without much extra costs, wall capacity to support perpendicular forces once it is cracked has been notably increased. This is a first and very important recommendation for Haitian reconstruction which involves mostly hand labour and masons training. Fragility of CMU accounts for final crushing at the centre of the wall. This suggests that something has to be done to limit the crushing of these fragile units, such as the filling of the voids of the units or a complete change, such as the use of solid units. The overall results indicate that confined masonry is much better than the traditional RC frame system, and could be an alternative to increase safety at minimum cost. However, more research has to be done to provide an effective and cheap solution. ACKNOWLEDGEMENTS The authors recognize the help of the Structures Laboratory staff in the development of the experimental work.

REFERENCES 1. EERI (2010) “The Mw 7.0 Haiti Earthquake of January 12, 2010: Report #1”, EERI Special Earthquake Report – April 2010, in http://www.eeri.org/site/images/eeri_newsletter/2010_pdf/Haiti_Rpt_1.pdf 2. EERI (2010) “The Mw 7.0 Haiti Earthquake of January 12, 2010: Report #2”, EERI Special Earthquake Report – May 2010, in http://www.eeri.org/site/images/eeri_newsletter/2010_pdf/Haiti_Rpt_2.pdf 3. San Bartolome A., Quiun D, and Silva W. (2011) “Design and Construction of Seismic Resistant Masonry Structures”, Fondo Editorial PUCP, Lima, Perú (“Diseño y Construcción de Estructuras Sismorresistentes de albañilería” in Spanish). 4. San Bartolomé A. and Quiun D. (2007) “Design Proposal of Confined Masonry Buildings”, 10th North American Masonry Conference, St. Louis, Missouri. 5. SENCICO (2006) “Norma Técnica E 070 Albañilería”, Lima, Perù (in Spanish) 6. SENCICO (2006) “Norma E.030 Diseño Sismorrresistente”, Lima, Perú (in Spanish).

XXI Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Ramas Afines CONIMERA 24-26 Junio, 2015, San Isidro, Lima, Perú

IT-29-2015 DESARROLLO DE UN SISTEMA EOLICO DE 4 KW PARA BOMBEO UTILIZANDO GENERADORES DE IMANES PERMANENTES Y GRUPO SECUENCIAL DE ELECTROBOMBAS

Ing. Franco Canziani Amico Waira Energía SAC Lima, Lima, Perú franco@waira.com.pe

Ing. Oscar Melgarejo Ponte Pontificia Universidad Católica del Perú Lima, Lima, Perú omelgar@pucp.edu.pe

RESUMEN Waira Energía SAC, en colaboración con la empresa Funcición Ferrosa SRL, la PUCP y el apoyo de los fondos FIDECOM del FINCyT, ha desarrollado un sistema de electrobombeo directo eólico de 4 kW con el objetivo de reducir los costos de bombeo de agua en zonas remotas donde hay tierras eriazas aun por habilitar para uso agrícola. Para ello se ha diseñado y fabricado una nueva turbina eólica de 5 m de diámetro y 4 kW de potencia nominal a 10.5 m/s de velocidad de viento, provista de un generador eléctrico de imanes permanentes que es capaz de activar electrobombas trifásicas comerciales mediante un control especialmente desarrollado con un PLC que activa cada una de las 3 bombas de 1.1 kW de manera secuencial de acuerdo a la intensidad del viento. El sistema se ha instalado y probado en la localidad de Montegrande, distrito de Changuillo de la provincia de Nasca, Ica, demostrando su buen rendimiento y operatividad para bombear agua y también proveer de energía eléctrica a las viviendas. Palabras clave: Energía Eólica, Bombeo de Agua, Irrigación de tierras eriazas, Energía Renovable, Sostenibilidad, Ampliación de frontera agrícola. Generador de imanes permanentes, Electrificación Rural. Aerogenerador.

Dr. Rosendo Franco Rodríguez Pontificia Universidad Católica del Perú Lima, Lima, Perú rofranco@pucp.pe:

I. INTRODUCCIÓN En el año 2002 la PUCP junto Waira accedió a un fondo del CONCYTEC para el desarrollo de un generador de imanes permanentes de 1 kW de potencia para utilizarlo en un aerogenerador de la misma capacidad que se diseñó de manera específica para ello. El proyecto concluyo satisfactoriamente en el 2003 probándose el equipo y obteniendo las curvas de potencia en la estación de pruebas que se montó en la bahía de Paracas. Gracias a este proyecto se dio un paso muy importante en el desarrollo local de pequeñas turbinas eólicas: hasta entonces veníamos utilizando generadores automotrices comerciales (alternadores) que requieren de una transmisión multiplicadora y son muy ineficientes para la operación a bajas velocidades. Con los generadores de imanes permanentes se tiene una mucho mayor eficiencia, simplicidad en el diseño y confiabilidad. En esa ocasión se utilizó una configuración de generador radial con una armadura de poliuretano que, al no ser un material magnético, resultaba en una densidad de flujo reducida. En el año 2010 se mejoró el diseño incorporando una armadura laminada de acero silicio, lográndose mejoras en la densidad de flujo magnético de aproximadamente 300%. Ya desde el primer generador de imanes permanentes que desarrollamos con tecnología propia, nos dimos cuenta de las posibilidades que se abrían ante nosotros. Al tener la capacidad de diseñar nuestros propios generadores podíamos ajustar los niveles de voltaje y frecuencia para diferentes usos: entre ellos la de operar motores eléctricos trifásicos comerciales de manera directa, sin la intermediación de reguladores, baterías o inversores. En el año 2011 accedimos a un fondo FIDECOM del FINCyT que nos permitió tener la oportunidad de

materializar esta idea, mediante un proyecto PIPEI de 18 meses de duración, ahora concluido satisfactoriamente. Para este efecto la colaboración entre las empresas y la Universidad ha sido fundamental y muy productiva, Ferrosa aportó sus amplios conocimientos en el desarrollo de piezas fundidas especiales, Waira sus conocimientos de rotores aerodinámicos y generadores de imanes permanentes y la PUCP su conocimientos y capacidades en las áreas de electricidad, electrónica y análisis computacionales de elementos finitos. II. HIPÓTESIS: El proyecto se presentó con las siguientes hipótesis: a)

Es posible desarrollar una turbina eólica con generador de imanes permanentes que active de forma directa electrobombas comerciales, conduciendo la energía a distancia y aprovechando las mejores ubicaciones para captar el viento y el bombeo de agua. b) Es posible compatibilizar el funcionamiento de la turbina eólica con un grupo de electrobombas conectadas en secuencia de acuerdo a la potencia disponible. c) Es posible lograr una reducción substancial de los costos de bombeo de agua en ubicaciones con condiciones favorables III. CONCEPTO:

presenta juntas siendo un laminado envolvente. El procedimiento también asegura que el borde de salida es suficientemente fino, cosa que es muy importante para el rendimiento aerodinámico. Para verificar de primera mano las características mecánicas del material compuesto fibra de vidrio multi-axial y resina epóxica se diseño y fabrico un instrumento para ensayos de flexión de 3 puntos. Con la ayuda de este equipo se hicieron pruebas a una considerable cantidad de probetas para determinar el esfuerzo admisible del material y su módulo de elasticidad. B. Generador de imanes permanentes El generador de imanes permanentes se calculó y diseñó de manera precisa para que tuviera un adecuado acoplamiento y compatibilidad con el rotor aerodinámico así como que los niveles de voltaje y frecuencia generados fueran los apropiados para alimentar electrobombas trifásicas comerciales. Es decir que en condiciones nominales de funcionamiento el generador produzca aproximadamente 220Vac y 60 Hz. Con el objeto de trabajar con una geometría de mayor precisión, posibilidad de escalamiento y disipación de calor se escogió una configuración radial. Se diseñó un rotor de acero fundido para soportar las 3 palas en su cara frontal y en el interior los 24 imanes permanentes cerámicos de Neodimio-Hierro-Boro. El estator está compuesto por una armadura de láminas troqueladas de acero silicio de 0.5 mm de espesor con 72 ranuras que aloja las 12 bobinas en serie de cada fase.

Para poder probar estas hipótesis se diseñó de manera específica un sistema eólico de 4 kW para que genere energía eléctrica trifásica cercana a los 220Vac y 60 Hz con vientos de 6 a 12 m/s por medio de una turbina axial de 3 palas con 5 m de diámetro, un generador de imanes permanentes de 24 polos, un chasis y sistema de orientación, una torre pivotante de 13 m de altura, control electrónico programable y un banco de electrobombas. A. Turbina eólica Se ha prestado especial atención y cuidado al diseño de los álabes aerodinámicos que conforman el rotor de la turbina eólica ya que de su buen desempeño y durabilidad depende la viabilidad de todo el sistema. Habiéndose analizado diferentes posibilidades se seleccionó una configuración axial de tres palas conformando un rotor de 5m de diámetro un coeficiente de velocidad (Vpunta / Vviento) de 7 con perfiles aerodinámicos de la familia NACA 4412-4418. Los ángulos de posición cuerdas y perfiles para cada sección radial fueron establecidos siguiendo algoritmos ya utilizados con anterioridad. El siguiente reto fue diseñar el procedimiento para fabricar los álabes o palas aerodinámicas. Para ello se utilizó fibra de vidrio multi-axial, con orientaciones establecidas de acuerdo a los principales ejes de las cargas mecánicas, y resina epóxica. Para evitar posibles problemas en las juntas o líneas de pegado se desarrolló un novedoso sistema de laminado en secuencia, el resultado del cual es una construcción mono-casco que no

Figura 1: BANCO DE PRUEBAS PARA GENERADORES

Una vez construido el generador se montó sobre un banco de pruebas que fue diseñado para este propósito. Este equipo está provisto de un motor de inducción de 7.5 kW alimentado a través de un variador de frecuencia para poder ajustar la velocidad de giro a diferentes regímenes: desde 0 hasta 500 RPM, el soporte del generador está articulado para permitir la

medición del torque de reacción por medio de un brazo determinado y una balanza. Las pruebas que se realizaron incluyeron las mediciones de RPM, voltaje, amperaje, frecuencia, factor de potencia y forma de onda en vacío y con diferentes cargas: puramente resistivas y con motores de inducción. Con las mediciones de los parámetros eléctricos, el torque y la velocidad de giro se pudo determinar la eficiencia del generador: entre 95% para cargas pequeñas y 85% para plena carga (4 kW). Otra serie de verificaciones muy importantes que se realizaron fueron el funcionamiento del generador y el grupo de bombas por muchas horas para determinar la temperatura de estabilización de las máquinas eléctricas. Las electrobombas se hicieron trabajar en circuito cerrado ofreciendo una resistencia hidráulica regulable para simular la altura de bombeo deseada que se midió con un manómetro en la tubería de descarga. Se comprobó que los bobinados del generador de imanes permanentes no superaba los 50ºC luego de un tiempo suficiente de estabilización, asimismo las electrobombas no mostraron ninguna anomalía durante las pruebas. La estabilidad térmica del generador es de fundamental importancia para asegurar su durabilidad en condiciones de campo. Para verificar esto se instaló una termocupla en la armadura y un pirómetro en la base de la torre para monitorear la temperatura en condiciones reales de funcionamiento. Las mediciones que se realizaron con el sistema funcionando varias horas a plena carga mostraron que la temperatura se estabiliza por debajo de los 50º, en esto ayuda el flujo de aire que se introduce por la tapa posterior del generador con el propio giro.

Figura 2: VISTA POSTERIOR DEL GENERADOR DE IMANES PERMANENTES

C. Chasis y sistema de orientación El chasis tiene la función de soportar y conectar los componentes estructurales del conjunto turbina, generador, cola orientadora y torre. Se diseñó una configuración en forma de caja construida con planchas de acero que conecta en sus caras a la torre, el eje principal del generador y el soporte articulado de la cola orientadora. Es importante señalar que el diseño del chasis y la cola orientadora incorporan el mecanismo de

protección de la turbina por medio de la desviación progresiva del rotor de la dirección del viento, lo que se conoce como mecanismo de tornamesa excéntrica y cola articulada. La tornamesa del chasis sobre la cual gira todo el conjunto sobre el tope de la torre está desalineada 75 mm respecto del eje del generador y rotor, la cola orientadora está acoplada al chasis por medio de una bisagra con un ángulo determinado de modo que cuando el viento empieza a ser excesivo la presión generada en el rotor hace que la cola orientadora de pliegue sobre el eje de la bisagra y el rotor se desvíe de la dirección del viento. De esta manera el rotor presenta menos área expuesta, reduce su velocidad y estabiliza la potencia generada. Dada la complejidad y la incertidumbre de los cálculos para determinar el ángulo preciso para la bisagra de la cola orientadora, que tenga el comportamiento deseado, se adaptó un mecanismo de bisagra con ángulo regulable desde 0 a 8º lo que permitió realizar ajustes para lograr el efecto deseado de desviación dado un viento superior a un valor determinado. Haciendo algunas aproximaciones sucesivas se logró que la turbina se desviara a partir de los 12 m/s de viento de modo que se protegiera adecuadamente el sistema. Cabe señalar que consideramos que con un rotor de 5 m de diámetro se está cerca del límite de diseño de una turbina con tornamesa accionada por una cola orientadora, rotores de mayor diámetro estarían sujetos a momentos giroscópicos excesivos y hasta destructivos en caso de giros bruscos por cambios en la dirección del viento. D. Torre pivotante Con el diseño de la torre se busca que la turbina esté expuesta a un mejor viento a cierta altura, un viento más intenso y menos turbulento que el que fluye cerca de la superficie; tiene que ser económica, fácil de transportar, montar y permitir el acceso al cabezal para los trabajos de instalación y mantenimiento. Al mismo tiempo el diseño debe utilizar materiales que resistan la corrosión y la abrasión del viento que puede arrastra partículas. Basándonos en experiencia anteriores se ha trabajado con un poste tubular pivotante compuesto por 4 segmentos de 3.2 m de largo unidos por bridas y estabilizado por 8 cables o “vientos” de acero inoxidable: 4 altos y 4 bajos. No utilizamos templadores para ajustar los cables, preferimos tener una conexión directa entre los anclajes y la torre, sin la intermediación de los templadores roscados que no dan la adecuada seguridad. No vemos la necesidad de templar los cables en exceso, basta un templado firme manual, la torre misma se estabiliza con la fuerza del viento. La característica pivotante de la torre es muy conveniente para el montaje y mantenimiento de la turbina, con la ayuda de un malacate lineal (Tirfor), un polipasto y un puntal de 5 m se logra colocar la torre en posición horizontal para instalar el cabezal y todos los componentes trabajando a nivel del piso, luego se eleva todo el conjunto hasta que queda en posición vertical y estabilizada lateralmente por los cables de acero inoxidable. La torre demostró ser fácil de transportar, montar y erguir sin la ayuda de grúas o equipos cuyo traslado y operación en lugares remotos sería muy costoso.

Figura 4: CONTROL DE BOMBAS E INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

Figura 3: TORRE PIVOTANTE A NIVEL DEL PISO PARA ACOPLARSE AL CABEZAL

E. Control y banco de electrobombas El control que gestiona el funcionamiento del banco de 3 electrobombas se basa en una tarjeta transductora que mide el voltaje producido por el generador de imanes permanentes y establece rangos determinados para enviar señales a un PLC que de acuerdo a su programación activa los contactores que conectan las electrobombas al generador. En caso de vientos muy intensos que produzcan voltajes por encima de los 240V con las tres bombas activadas por un tiempo determinado se conecta el generador a una resistencia trifásica de 24 kW de capacidad para frenar la turbina de manera suave, quedando frenada hasta la intervención del operador. Esta resistencia también puede ser activada manualmente a discreción del operador. Fue bastante intenso el trabajo para llegar a tener una programación adecuada del PLC con la flexibilidad necesaria para establecer independientemente los tiempos de entrada y salida de la primera, segunda y tercera bomba. Encontramos que la forma más adecuada de trabajar es conectar la primera bomba muy rápido, digamos luego de 1.5 segundos después que el voltaje generado supera los 230Vac, más pausadamente la segunda (3.5 s) y bastante más lenta la tercera (8 s). Inversamente cuando el viento disminuye y el voltaje decae por debajo de los 200Vac se desconecta muy rápidamente la tercera bomba, menos rápido la segunda y muy lentamente la primera. De esta manera el sistema funciona de manera estable, manteniendo a la turbina con una carga creciente o decreciente en la medida que hay mayor o menos velocidad del viento. Con la idea de aprovechar la capacidad de la turbina cuando el viento está en el rango de 4.5 a 6 m/s, en el que no se llegan a activar las bombas, se diseño e instalo un cargador de baterías de 500W que se utiliza para la electrificación de las viviendas de los agricultores.

IV. ANÁLISIS AERODINAMICO Y ESTRUCTURAL POR MÉTODOS NUMERICOS COMPUTACIONALES: El cálculo y diseño original de la turbina, chasis y torre se realizó utilizando métodos de aerodinámica, mecánica y resistencia de materiales convencionales. Sin embargo, de manera independiente, el grupo de investigación INACOM de la sección de Ingeniería Mecánica de PUCP efectuó un estudio completo del diseño aerodinámico y estructural del rotor de la turbina y de la estructura integral del sistema. En primera instancia por métodos analíticos y luego mediante los programas computacionales de métodos numéricos y elementos finitos de los que disponen. Este trabajo ha sido de gran importancia ya que se contrastan, verifican y validan los cálculos originales por otros profesionales y por los avanzados software disponibles. La convergencia de los resultados en torno al diseño establecido nos dan la garantía de la estabilidad estructural de este sistema y nos permiten aspirar a realizar diseños de mayor envergadura. V. CONCLUSIONES El proyecto fue llevado a término exitosamente teniendo como resultado principal un nuevo sistema eólico completo para aplicaciones de bombeo de agua en zonas remotas. E irrigación de tierras eriazas. - Se demostró que es posible fabricar una turbina eólica y un generador de imanes permanentes que producen energía eléctrica compatible con los requerimientos de las electrobombas comerciales, de manera que se pueden distanciar los componentes eólicos y mecánicos para aprovechar de manera óptima el recurso eólico e hídrico. - El nuevo sistema eólico también ha sido utilizado para aplicaciones de electrificación rural, cargando baterías y operando inversores electrónicos. - El diseño validado por el INACOM y los métodos computacionales aseguran el buen rendimiento y estabilidad estructural del sistema, tal como se ha podido comprobar en las pruebas de campo.

Los costos de fabricación y operación del sistema lo hacen competitivo respecto a la alternativa de bombeo solar y muy ventajoso respecto a operaciones de bombeo que utilizan diesel o más aun gasolina. El presente proyecto ha tenido como entregables adicionales equipos que son de interés para futuros desarrollos como lo son el banco de pruebas para generadores de imanes permanentes y el instrumento para la determinación de la resistencia mecánica de los materiales compuestos.

AGRADECIMIENTOS Nuestro agradecimiento a Innovate Perú que apoya y permite que estos proyectos de innovación tecnológica se materialicen, a Fundición Ferrosa Srl como promotor del proyecto, a la Pontificia Universidad Católica del Perú, en especial a la Oficina de Innovación por la constante colaboración y coordinación a lo largo de la ejecución del proyecto. Nuestro especial agradecimiento al Sr. Claudio Soldi por permitirnos y facilitarnos las pruebas de campo en su fundo de Montegrande.

Franco Canziani Amico, nació en Lima en 1962, recibio el grado de Ingeniero Mecánico de la Pontificia Universidad Católica del Perú, ha realizado estudios de postgrado en Gestión de Empresas y Tecnología de Polímeros y Materiales Compuestos. Trabaja en el desarrollo de sistemas de Energía Renovable desde 1989, actualmente dirige Waira Energía SAC, empresa dedicada a ofrecer soluciones energéticas para el campo y la ciudad utilizando recursos renovables. Está a cargo de un proyecto FINCyT en curso sobre Micro-redes eléctricas para usos productivos y un premio BID Ideas para el desarrollo de la energía sostenible en el Perú. Recientemente ha incorporado el tema de Movilidad Eléctrica a su interés y campo de acción.

Oscar Antonio Melgarejo Ponte, nació en el departamento de Anchash, Perú en 1955. Recibió su grado de Ingeniero Electricista en la Universidad Nacional de Ingeniería,en el año 1985, adicionalmente realizo estudios de maestría en Bioingeniería concluidos el año 2004 en la Pontificia Universidad Católica del Perú..

REFERENCIAS [1] CAMPBELL, Peter. 1999 Permanent Magnet Materials and their Application. Segunda edición. Cambridge University Press. UK [2] HULL, Derek. 1981 An Introduction to Composite Materials. Segunda edición. Cambridge University Press. UK [3] FRERIS, LL. et al 1990 Wind Energy Conversion Systems. Prentice Hall International. UK [4] EGGLESTONE, David M- FORREST, Stoddart 1987 Wind Turbine Engineering Design Van Nostrand. New York [5] AVALONE, Eugene A. et al 1987 Standard Handbook for Mechanical Engineers Novena edición. McGraw-Hill New York [6] KARAS SIK, Igor et al. Pump Handbook tercera edición 2001 McGraw-Hill New York [7] SPERA, David A. 1994 Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts of Wind Turbine Engineering. Primera edición. New York: ASME [8] LYSEN E.H. 1983 Introduction to Wind Energy SWDWind Energy Developing Countries, Holanda

Actualmente es profesor en la Pontificia Universidad Católica del Perú Es Jefe del laboratorio de sistemas eléctricos y supervisor del taller de desarrollos especiales de la sección electricidad y electrónica de la PUCP. Tambien es director de la revista ElectroElectronica, publicación de la Pontificia Universiad Católica del Perú. Sus áreas de interés y especialización son: Accionamientos electricos, electronica de potencia, control de maquinas electricas, estudios y analisis de calidad y ahorro de energia.Diseño, estudio e implementación de SPT y dimensionado de Sistemas Renovables de Generación Eléctrica Rosendo Franco Rodríguez nació en Santa Clara, Cuba, en 1966. Realizó estudios de Mecánica Aplicada en la Universidad Técnica Checa, Praga, República Checa, desde 1985 hasta 1990. Es graduado de Ingeniero Mecánico y Master en Ingeniería Mecánica por la Universidad Central de Las Villas, Santa Clara, Cuba, en 1996. Es Doctor en Ciencias Técnicas por la Universidad Central de Las Villas, Santa Clara, Cuba, en 1998. Actualmente es Profesor Principal en la Pontificia Universidad Católica del Perú, en la Sección de Ingeniería Mecánica. Coordinador del Grupo de Investigación Asistida por Computadora (INACOM). Desarrolla soluciones de ingeniería

para la industria, tales como: diseños mecánicos, cálculos, análisis y simulaciones numéricas computacionales, software específico. Sus áreas de interés y especialización son: Mecánica Computacional, Simulación Numérica, Métodos Numéricos en Ingeniería (Elementos Finitos, Volúmenes Finitos), Diseño Mecánico, Cinemática y Dinámica de Mecanismos y Sistemas Mecánicos, Algoritmos y Programación para Ingeniería, Desarrollo de Software, Herramientas CAD-CAE.

Design and Deployment of a Multimedia Wireless Sensor Network for Wildlife Inventory in Western Amazon Rainforest Luis Camacho1, Reynaldo Baquerizo1, Joel Palomino1, Michel Zarzosa1, Giussepe Gagliardi2 1 Pontificia Universidad Católica del Perú, Perú 2 Instituto de Investigaciones de la Amazonía Peruana, Perú Presenting author’s email address: camacho.l@pucp.pe Biography of Presenting Author Luis Camacho is currently enrolled as a MSc. Candidate in Telecommunications Engineering School at San Marcos National University, Lima. He holds an Electronics Engineering BSc. from Catholic University of Peru, Lima. He is the founder of Climate Change Technology Transfer Center (CCTTC, 2012) and one of the founders of Rural Telecommunications Research Group (GTR, 1998) both at Catholic University of Peru. He has managed more than twenty large grant-funded projects related to the deployment of telecommunications infrastructure in extremely rural areas of Peru. Abstract – The use of multimedia wireless sensor networks [MWSN] has spread for many sensing applications. The energy consumption of devices has drastically reduced and new protocols for low power transmission have been developed. In this paper, a MWSN was applied for animal monitoring in the Amazon rainforest of Peru. Tapirduino, the developed trap camera, is composed by an Arduino-like SBC, a CMOS camera, IR flash, PIR sensor, a SD card and a 900 MHz radio. The challenges tackled in this project were to overcome the high attenuation of radio frequency in the middle of the jungle and reduce energy consumption until very low level. Keywords: Western Amazon, CMOS Camera, Arduino, MWSN, Wildlife Monitoring, Natural capital I. Introduction Zoologists have already used trap cameras (photographic cameras triggered by motion sensor) for inventories (Roland, et al., 2009). Those experiences partially met the requirements of relevance and sustainability. Compared to other sampling methods such as direct observation, capture, and finding signs; trap cameras are more effective for studying nocturnal, elusive or lonely terrestrial mammal species (those weighing more than 1 Kg). The trap cameras cause minimal disturbances in the studied species, are easy to deploy and provide additional information on the distribution and habitat use, population structure and behavior of species. Additionally, photographic records can be reviewed by other researchers. However, there are also some disadvantages: 1) High energy consumption, state-of-art rechargeable batteries can keep turned on the commercial trap cameras just for a short time, 2) Cost of each commercial trap camera is not negligible and in order to accumulate sufficient monitoring data within a reasonable period of time, a large number of traps cameras are required (inventory is acceptable if it accumulates data from a big area and for two months at least), 3) The lack of appropriate communication systems among the trap cameras, forcing biologists to walk several kilometers to gather information. Most of commercial trap cameras were not designed for wildlife inventory but for sport hunting in northern hemisphere forestlands or African savannah; since those devices have lots of disadvantages, it is necessary to develop an alternative system for inventorying and monitoring the wildlife in tropical rainforests. Currently, multimedia wireless sensors networks (MWSN) are used in different kinds of scenarios, characteristics such as low power consumption and wireless transmission make sensors suitable for many field applications that require sensing (Al Nuami et al. 2011) (Almalkawi et al. 2010) (Erol-Kantarci & Mouftah, 2011). In this context, the use of MWSN for animal monitoring has become a real option. The TAPIRnet project aims to build a complete system which can be divided into three parts: 1. The sensor nodes or trap cameras. 2. The access network that moves the data from the sensor nodes to one or more hub nodes. 3. The backbone or transport network that exports the data from the gateways to the Internet under a store and forward scheme. In this paper, the design and development of the two first goals of TAPIRnet project are described.

The use of non-commercial trap cameras have been reported previously in India to monitor tigerâ&#x20AC;&#x2122;s activity (Ravi et al. 2010), but they finished its work without in-field testing of their design. Concerning to data transmission, a research done in the cloud forest of Ecuador (Mateo, et al., 2010) with 2.4 Ghz motes revealed that the problems for data transmission in the forest are the thick vegetation and the high humidity, which results in communication limit between neighbor nodes working at 2.4 Ghz is 20 meters. Based on those experiences, a new trap camera was developed with the following characteristics: fast response time to take pictures, size and cost reduction of each unit, use of IR flash not to disturb the animals, automated operation, self-programing, status information and low energy consumption. Each trap regular node is composed by five parts: a microcontroller, a CMOS camera, a motion sensor (PIR), an IR flash and a Digi XBee radio. The contents of present work are divided as follows: section II) socio economic value of wildlife, section III) trap camera characteristics, section IV) hardware design, section V) description of the camera trap control program, section VI) laboratory results of the developed node, section VII) implementation in the amazon rainforests, section VIII) experimental results, section IX) conclusions and future work. II. Socio economic value of wildlife Plants, animals, people and the environment are all a biological community, an ecosystem, where each part depends on the other for survival. The wildlife is not only part of these ecosystems; it is a structural component of them. Biodiversity provides the basis for ecosystems and the services that they provide underpin human well-being. When a part of the biological community becomes unbalanced or deleted, the entire system suffers. If the above statements were not enough, there are economic reasons for the conservation of ecosystems: an assessment of the global ecosystem services calculated its value in 125 billion dollars per year, a much higher figure than GDP of any country in the world and even higher than the global GDP (72.6 billion dollars) (Costanza et al. 2014). From the point of view of the consumer market, in particular wildlife is monetary valued at least in three sectors: provision of food, medical research and tourism. Wildlife is seen as a source of protein for direct human consumption by small local villagers living in the neighborhood of wildlife habitat. Wildlife also has economic importance in medical research, specific cases are the development of pharmacological active ingredients, the study of pathogens and epidemiological studies involving wildlife as reservoirs or vectors. In addition, wildlife also has a spiritual value because its presence nourishes natural landscapes causing personal welfare benefit which may result in monetary income from tourism; this is known as aesthetic value and existence value. Finally, wildlife also has a high price set by the illegal market trade. (Ulloa G., 2012) However, biodiversity and ecosystem services are declining at an unprecedented rate; Amazonian biodiversity is suffering the wreckage of natural resources. It is necessary to demonstrate the economic value of the rainforest showing that preservation is not only environmentally but also economically profitable; if the forest is put in value, its destruction could be stopped. In order to address this challenge, local, national and international adequate policies need to be adopted and implemented; decision makers need scientifically credible and independent information that takes into account the complex relationships among biodiversity, ecosystem services and people. In this context, wildlife inventories help to increase the value of the forest by showing, especially to decision-makers, the rainforest biodiversity and warning about its preservation. The western Amazon is the biologically richest part of the Amazon basin, unlike the eastern (Brazilian) Amazon, it is still a largely intact ecosystem; however, deforestation is already a major issue for wilderness conservation. Despite the outstanding topic, very few wildlife inventories have been made in Loreto, the Amazonian region of Peru, most of them covering little territory. As said in the introduction, current level of open ICT gives option to a local development of more appropriate technology for wildlife monitoring in the Amazon rainforest. Fig. 1 shows how, ICT local development could cause positive impact on biodiversity preservation.

Fig. 1 Problem tree analysis of mammalsâ&#x20AC;&#x2122; inventory methodologies

III.

Trap camera characteristics

1. Quality of Pictures For transmission purposes the image size must be kept as low as possible since data loss in transmission is very likely to happen. But also the taken pictures must have a clearly visible image of the animal for the use of biologists. 2. Energy Consumption The main advantage of an ad hoc node is its low energy consumption, being able to work for months with a small energy source. The purpose of the device is working stand-alone for 3 months. To achieve this goal, the components and design must have a low power consumption mode when they are not used. 3. Disturbance to Animals For animal monitoring purposes the WSN node must not disturb the animalsâ&#x20AC;&#x2122; behavior when taking pictures. During nighttime the camera must use a flash unit to light up the target, an infrared LED is used instead of a bright LED to avoid scaring the animal. Additionally the camera must not make any noise while taking pictures, digital cameras are perfect because they donâ&#x20AC;&#x2122;t use mechanical components. 4. Device Status In addition to storing the pictures in the SD card, the developed WSN node must have a log file that reports its current status. This information is helpful for biologists to know the remaining battery charge and also know if a node has been damaged. 5. Automated Operation Since the WSN will work for 3 months, the devices must have certain autonomous level to recover from unexpected errors, especially during transmission where the communication can fail due to environmental conditions (such as rain).

6. Data transmission and storage In WSN, data can be transmitted, hop by hop, from a source node to a central node installed various meters away. Local storage is desirable as a backup for the captured data and also in case of communication failure.

IV. Hardware Design A central unit that controls all the functions is necessary. Due to previous experiences with Arduino Mega board, ATMEGA2560 was employed in this node. Fig. 2 shows the node components and their communication with the microprocessor. In the following lines, components are described in detail. Fig. 2 WSN node peripherals connection to the microcontroller

Li-ion Battery 3.7V

UART

XBee Radio 900 Mhz

SPI Micro SD Card

PIR Sensor

I/O

SPI

C329 SPI Camera + Lens

I2C Real Time Clock

1. CMOS Camera The selected one is a VGA module with JPEG compression (Electronics123.com Inc., 2015) and with option to choose between interfaces SPI or UART, the SPI version was selected because of its speed of operation: 5 Mbps vs. 330.4 Kbps. As the communication of SD card with the microprocessor also is done through the SPI bus, a tri-state buffer is used to avoid data collision. For the night pictures, lens without IR filter are employed to allow the IR light to be captured by the camera. Additionally the lens has an angle of 120Â° to take a wide view. There is a trade-off between image quality and multi-hop transmission option, and then the camera just boasts a resolution of 0.3 megapixels which is comparable with the quality of low-cost smartphone cameras. A dedicated library was created to manage the camera correctly, which allows configuring the camera parameters, taking pictures and storing them on the SD card. Additionally the picture timestamp is recorded from a real time clock (RTC). When the camera is not in use, an FET controlled by the microcontroller will shut down the power source in order to reduce cameraâ&#x20AC;&#x2122;s consumption to zero. When the microcontroller turns on the camera it will require 800 ms to configure the camera before taking pictures. 2. Camera Flash At night a flashlight is required to light up the target. Not to disturb the animal behavior an infrared flashlight, invisible to the mammal eyes, was employed. The infrared LED comes with 2 available frequencies 850nm and 950nm. To test the luminosity of each type of LED, a circuit was developed and tested in a dark room. The results are shown in Fig. 3, the 850 nm IR LEDs has better illumination than the 950 nm. Finally, the microprocessor controls the LED on-off switching through a FET and has a light sensor that indicates the absence of light. 3. Real Time Clock (RTC) The chip DS3231 (Maxim Integrated, 2015) has a precision of 3.5 ppm which means that the clock has a delay of 0.3 msec every day. The chip communicates with the microprocessor through the I2C bus. This chip is used to timestamp each picture taken and also to wake the microprocessor up from the sleep state to start transmitting pictures.

Fig. 3 From left to right picture using the 850 nm and 950 nm IR LED

4. SD Card The SD card serves as a local storage for the pictures taken; it additionally records a log file of the local events of the node. The SD card communicates to the microprocessor through the SPI bus and has a tristate buffer to separate the bus from the camera. The Arduino software provides a dedicated library for controlling the SD card. 5. Radio The 2.4 GHz band is known to be highly sensitive to foliage and water. For TAPIRnet project, it was expected to achieve higher distances; therefore, the 900 MHz band was chosen. The XBee Pro 900HP radio operates between 900-928 MHz, transmission power up to 24 dBm output and receiver sensitivity 101 dBm at 200 kbps. This radio communicates with the microprocessor through a UART interface at 230.4 kbps. According to (Congduc, 2015), the bottleneck is in the data reception process, this imposes to the sender, a minimum time between messages, which was found to be around 10ms The control of the XBee radio transmission and reception was built on top of the xbee-arduino library (supported by Andrew Rapp). For low-energy operation, asynchronous sleep of the radio module is used. The radio only wakes up at a specific time to transfer images. 6. Atmega2560 At the beginning, the Arduino Mega 2560 board was employed to control the regular nodeâ&#x20AC;&#x2122;s peripherals. The Arduino board uses the ATMEGA2560 processor and has 256kb memory, SPI, UART and I2C communication buses. The Arduino board is very easy to employ and all the components could easily be connected. The control program was made using the Arduino IDE. When performing the sleep mode routine with the processor, the current consumption reduces to 10 mA; however, according to the datasheet the microprocessor energy in sleep mode is only about 10 uA. While checking the Arduino board, the voltage regulator and the USB to serial convertor were consuming energy all the time. Under that circumstance, a new board without components except ports connection was developed. After testing the new board alone, the energy consumption dropped until 0.1 mA. After this test, a custom board named Tapirduino with ATMEGA2560 processor was developed. Tapirduino was developed in order to keep using the Arduino environment. In order to make the board voltage compatible with all the peripherals, the voltage was dropped to 3.3 volts and for this reason, the external oscillator was changed to 11.095 MHz. 7. Camera Case The case selected is an IP67 low-cost box. The box was modified to leave a hole covered with transparent glass. The border of the hole was covered with rubber, which fit exactly into the hole, and also covered with anti-rain silicone gel. Another hole was made to plug an antenna in; this hole was located on the bottom, instead of the top, of the case to avoid the entrance of water, as seen in fig. 4.

Fig. 4 Trap camera case, out and inside

V. Software Initial development was based on the Arduino IDE. Arduino is a prototyping platform, all kinds of peripherals are available to work with this platform; moreover, the platform and its libraries made it easy to load and run new software in a straightforward manner. The first version of the software ran over an Arduino Mega 2560. Later, the software was ported on board Tapirduino; changes were needed in the bootloader to work at 11 MHz, but no further modifications were made to run initial software over Tapirduino board. It is distinguished regular nodes and sink nodes, sink nodes receive and store pictures taken for regular nodes in a master-slave relationship. In figures 5 and 6, the diagram of operation of regular and sink nodes are shown, respectively. Fig. 7 shows the messages exchanged between a sink node and a trap regular node to start transferring images.

Fig. 5 Flowchart of operation of regular node

Fig. 6 Flowchart of operation of sink node

Fig. 7 Message exchange to establish connection and transfer images

VI. Laboratory Results Two tests were performed to evaluate the PIR response time and energy consumption. In the first test, a pendulum was balanced in front of the camera. The response time was calculated from the PIR detection until the picture was captured. Fig. 8 shows the experiment setup and the captured picture. Fig. 8 Pendulum test to obtain the response time

After repeating the test several times, the average capture time obtained was around 900 ms, according to guidelines of commercial cameras, average time must be no greater than one second, enough time to avoid picture loss. In the second experiment the energy consumption of each component was calculated separately. In regular nodes, PIR sensor and RTC are always active. It was assumed that 100 pictures of 48 kB each one will be taken in one day. For each picture, the camera requires 1 sec. to send the picture to the microprocessor, then in one day the camera will work for 100 seconds. Each time the PIR sensor detects an animal, it keeps active for 3 seconds and 2 pictures are taken per detection making a total of 150 seconds in one day. For the SD card the read and write time were estimated from a test on the Arduino board. To write 64 bytes 1 msec. is required and to read 100 bytes 0.9 msec. are needed. It takes 0.7 sec. to write and 0.4 sec. to read a picture of 48 kB, then in one single day the SD card will work for 76 sec. writing and 44 sec. reading. The flash is turn on for 500 msec. during each snapshot and in one day it will work for 17.5 sec. The next table summarizes the energy consumed by each component. Table 1 Typical energy consumption of peripheral except radio in a daily basis Current Time of Energy Consumed Component Mode Consumption (mA) Operation (sec) (mAh) Active 2.54 150 0.106 PIR Sensor Idle 0.1 86250 2.396 C329 Camera Active 88.2 100 2.450 IR Flash Active 750 50 10.417 Initialize 14 0.168 0.001 SD Card Write 15 76.8 0.320 Read 15 44.28 0.185 Real Time Active 0.2 86400 4.800 Clock Active 20 2230 12.389 Microcontroller Sleep 0.74 84170 17.302 50.364 Total Regular node and sink node have different radio energy consumption; while the regular node is transmitting the picture, the sink node is receiving it. To calculate the time for transmitting 100 bytes, a shunt resistor was connected to the power line on the radio. The obtained graph is shown in fig 9, the estimated time is 11 msec.

Fig. 9 Oscilloscope signal of the XBEE while transmitting 100 bytes

In regular nodes, the XBee radio transmits in packets of 100 bytes, i.e. for a picture of 48kB, 492 packets are employed. To transmit a picture, it takes 5 sec. and 541 sec. for 100 pics. When the radio is not transmitting, it is in receive mode. In the laboratory, the transmission speed was around 18 kbps for a 2hops-link, for instance a 48 kB picture spends 21.3 sec., the radio was 5 sec. in transmission mode and 16 sec. in receive mode. The energy consumption of the radio in the regular nodes is shown in table 2

Table 2 Detailed of daily energy consumption of the radio in the regular node Current Consumption Time of Operation Energy Consumed Component Mode (mA) (sec) (mAh) Reception 30 1588.8 13.240 Radio Transmission 215 541.2 32.322 Sleep 0.0025 60270 0.042 45.604 Total In the sink node, the radio will receive the pictures from 4 regular nodes. When a regular node sends a picture, during 21 sec. the sink node is in receive mode. Additionally regular node sends an acknowledge packet after transmitting 100 bytes; this set of data and control bytes takes 1.6 msec., 492 sets takes 787 msec. Finally, the reception time is reduced to 20.6 sec, but this time is multiplied by 4 (considering each regular node). The sink node radio consumption is shown in Table 3.

Table 3 Detailed of daily energy consumption of the radio in the sink node Current Time of Energy Consumed Component Mode Consumption (mA) Operation (sec) (mAh) Reception 30 7260.48 60.504 Radio Transmission 215 314.88 18.805 Sleep 0.0025 54824.64 0.038 79.347 Total From the above tables the total (peripherals and radio) energy that the regular node consumes in one day is 95.96 mAh and 129.71 mAh for the sink node. Then for 3 months, 11 Ah and 17 Ah batteries are required for simple nodes and sink nodes respectively. In the market there are available 10Ah and 20 Ah batteries, a pack of two batteries of 10 Ah was chosen because they take up less space and can fit easily into the node case.

The energy consumption of the rest of peripherals was reduced to let the camera trap work for around 3 months. While in some peripherals the energy was cut down (SD card, Camera and Flash), in others the sleep mode was employed (Microprocessor, Radio, PIR and RTC). Finally the use of a solar panel was discarded because of the high cost of the panel, the difficulty to install it in the rainforest and the available light was not enough to charge the battery.

VII. Deployment in the Jungle The Allpahuayo-Mishana nature reservation (RNAM) is one of the smallest Peruvian nature reservations, itâ&#x20AC;&#x2122;s just 577 km2 and is located 23 kilometers south west away from Iquitos city (reachable by highway Iquitos-Nauta) and was chosen to implement the pilot project. Reservation is part of the so-called "moist forests ecological region Napo"; which is considered one of the most outstanding regions of Amazonia because of its greatest diversity of species, both flora and fauna, and is classified with "the highest priority at regional level" for conservation (Jenkins et al. 2013) Two ecosystems in the reservation are remarkable: flooded forests by black waters of the Nanay River, locally known as tahuampas, and forests on white sand, locally known as varillales. The latter are special ecosystems having high heterogeneity and different soil drainage conditions. Both types of ecosystems home to numerous species, unique or with limited presence outside reserve; such as plants species as Aspidosperma excelsum, Macrolobium Sterigmapetalum obovatum, Zamia ulei, Humiria balsamifera and Doliocarpus dentatus. As for mammals, about 145 species have ever been recorded into the area, the largest group are bats, followed by marsupials, rodents and primates, to name a few have Callicebus lucifer, Pithecia aequatoriallis or Amphinectomys savamis. Also, the presence of Tapirus terrestris (locally named tapir), Panthera onca (otorongo), Cuniculus bale (majaz), Hidrochoerus hidrochoeris (ronsoco), Mazama sp. (deer) or Nasua nasua (achuni) was registered (only through indirect methods and could be not registrable through censuses). For fauna monitoring, various methods according to the taxonomic group are used; for the most species of mammals, according to (Voss & Emmons, 1996) the combination of multiple techniques such as registering of footprints or feces and capturing photos by trap cameras are recommended. In present research, 5 paths were chosen in reservation and in each path, 4 regular nodes and 1 sink node were installed. For test purposes, a linear architecture was chosen; the sink node, put in the middle of the line, collects the information from the regular nodes. In fig. 11 location of nodes is shown. Twenty five cameras were installed in the Amazon rainforests on July 6th 2015 and stopped working on August 10th 2015. After that, since humidity damaged some cameras and mainly for logistics issues, 20 cameras were removed and only 5 cameras kept working until December 10 th 2015. For installation, 900 Mhz, 3 dBi, 6.6 inches, whip antennas were used. When an antenna was attached very close to a tree, the signal degraded considerably; meanwhile the signal regained strength when the antenna was located a couple of centimeters away from the tree. As an attempt to obtain line of sight, the antennas were located at a height of 1.5 m, and in order lenses focused directly to animals, cases were located just 0.5 m over soil. Cases and antennas were connected through coax cable. In those cameras harmed by humidity; only batteries were affected, lost their high charge capacity. These cameras were damaged because of wrong installation. They were turned upside-down, so that antenna plug-in, despite being sealed, was directly exposed to rain, even worse, coax cable behaved as a rain water duct, as a consequence, water got into the case.

Fig. 10 Location of the National Reserve Allpahuayo-Mishana

Fig. 11 Location of nodes into Allpahuayo Mishana reservation

Figure 12 Node architecture and installation

Table 4 Location of nodes into Allpahuayo Mishana reservation Path

Fruit Trees

Border with Chicken Farm

Border with Agricultural Research Institute

Big Tree

Chamisal

Label

Latitude

Longitude

QA11 QA12 QA13 QA14 QA15 QA31 QA32 QA33 QA34 QA35 QA41 QA42 QA43 QA44 QA45 QA51 QA52 QA53 QA54 QA55 QB21 QB22 QB23 QB24 QB25

-3.95621899 -3.95509581 -3.95428168 -3.95447396 -3.95519673 -3.96399949 -3.96486685 -3.96581635 -3.96681706 -3.96766992 -3.94452439 -3.94553835 -3.94663101 -3.94746258 -3.94866371 -3.9657099 -3.96637157 -3.96687347 -3.9670365 -3.96724354 -3.94029739 -3.94122954 -3.94220981 -3.94317507 -3.94406213

-73.4217502 -73.4212017 -73.4220051 -73.4234884 -73.4249198 -73.4395357 -73.4388243 -73.4381545 -73.4374096 -73.436577 -73.4254499 -73.4246463 -73.4239262 -73.4231397 -73.4223655 -73.4316826 -73.43058 -73.4293979 -73.4280366 -73.4268928 -73.4402073 -73.4393072 -73.4388294 -73.4384074 -73.4378571

Elevation (meters) 121.251 141.919 131.104 136.151 145.284 115.003 132.066 144.323 146.485 145.284 127.74 138.314 139.997 146.005 140.958 122.453 121.372 126.538 133.267 139.756 135.671 136.392 143.842 145.044 145.284

VIII. Experimental Results Each month the nodes were revised to check the device state, collect logs and capture pictures. The obtained information is summarized in the following lines. From all the cameras, 2302 pictures were taken: 71.5 % were pictures without target, 26% contained pictures of people, 1.8% had pictures of insects and 0.6% contained the picture of animals. In the pictures without targets the PIR sensor could have probably been triggered by changes in the temperature. The camera A43 in the border with INIA had a malfunction and took 4166 pictures in two days. For this reason, these pictures were not part of this resume. The following metrics were collected from a network of 5 nodes; the analyzed information corresponds to a month of collected data. In each case, minimum, maximum, average and standard deviation are shown: 1. Throughput This parameter is measured as the number of bits per second of data transmission, its value changes with the number of hops: throughput decreases as the number of hops between a regular node and a sink node increases. Fig. 15 shows the throughput of these nodes. Left, two-hop away from sink node with average throughput between 18 and 19 kbps; right side shows the node one-hop away with average throughput between 28 and 32 kbps.

Fig. 13 Picture of an insect flying in front of a camera

Fig. 14 Picture of Sajinos (Pecari Tajacu)

Fig. 15 Throughput for nodes (left) one hop away and (right) two hops away from sink node

2. Link acknowledge delay For every MAC unicast packet sent by the radio, it expects an acknowledgement otherwise it tries sending it again. This is done at the XBee module level. As how throughput does, as the number of hops increases between regular node and sink node, its link acknowledgement delay increases. In fig. 16 left, the depicted node is two hops away and the average delay was between 40 and 60 ms, but we can see that there were cases when the delay was almost 100 ms, in the right side is showed case of one hop away, the average delay was between 18 and 20 ms, but as large as 700 ms in some cases. Fig. 16 Link ACK delay for nodes (left) two hops away and (right) one hop away from sink node

3. Send delay The send delay is the time it takes to transfer data between the microprocessor and the radio. The connection used is UART working at 230400 bps. For a 100 bytes packet we expect it to take 4.34027 ms. in fig. 17, the averages of send delay in the field deployment ranges from 0 to 4 milliseconds.

Fig. 17 Send delay

Fig. 18 SD card read delay

4. SD flash memory read operation Another source of delay in the regular node is reading data from flash memory. This is fairly constant and under 1 ms as is depicted in fig. 18.

IX. Conclusions and future work In this paper, the design and implementation of a wireless image sensing network to aid to wildlife inventory, focused on large mammals under harsh conditions of Amazon rainforest environment, were presented. The developed wireless sensor node consumes low energy and is able to work 3 months stand-alone. The wireless sensor node is composed by an Arduino-like SBC, XBee radio, CMOS camera, RTC, IR LEDs flash and a PIR sensor. The dedicated board, based on the Arduino Mega, was developed to achieve low energy consumption, a complete regular node consumes 95.96 mA-h/day and a complete sink node consumes 129.71 mA-h/day. The CMOS camera provides pictures that occupies little memory space (around 48 Kb) and has acceptable quality (0.3 Megapixels).The achieved communication speed between the microprocessor and the camera was 5Mbps. This allowed to store the picture in one second. Also, with this fast processing time, two pictures per shoot could be taken (useful to provide more information to the biologists). By using an RTC, the radio was able to turn on only once a day to transmit the captured pictures to the sink node. A wireless multi hop communication network was implemented in the Amazon rainforest. By using 900 MHz frequency band instead of 2.4 Ghz for transmission, distances ranging from 120 to 170 meters between neighbor nodes were achieved. The average throughput of a single hop link is 30 kbps and 18 for a two-hop links, i.e. 7.5 sec. and 12.5 sec. to transmit a 28 kB image, respectively. About link acknowledgement delay the average values are 20 y 40 ms for single and double hop, respectively. For a 100 bytes packet, the send delay takes approximately 4 ms; and reading SD card takes less than 1 ms. Research on reliable wireless transmission into rainforest will continue. After having a real view of implementing a wireless network in the jungle, a new version of the trap camera will be developed. The characteristics of the next trap camera will be: more control over the transmission program, size reduction of all components, more resolution of the pictures size and a more robust, compact and hermetic, box for high humidity. For the transmission program, RTOS offers an open platform to develop a transmission protocol for low energy devices. With the use of this software the node will have multitask processing and also a more reliable and low energy consuming protocol for transmission. Additionally, to obtain more processing power an ARM processor will be employed. By adding more speed and more memory for programming, additional applications can be implemented in the node, like gathering sounds from the environment Furthermore, the pictures quality will be increased by using a camera with a resolution of 5 Megapixels. This also requires changes in transmission protocol to regenerate images from data with losses. For inventory purposes, the nodes should be as far as 1Km. from each other. The problem here is high radio attenuation of forest. It is possible to overcome it by trying lower frequencies, better antennas but overall, thinking in new out-of-the-box ways. In this line, beyond the trap cameras, the use of drones with thermal cameras could be the ultimate solution for wildlife inventories. Recently, manufacturer DJI released their model Zenmuse XT, however, current capability of thermal cameras is far away of being able to pass through lushness of forest.

X. References

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Design and Implementation of a Wideband 8x8 Butler Matrix for AWS and PCS 1900 MHz Beamforming Networks Rafael D. Cerna and Manuel A. Yarlequé Sección de Ingeniería de Telecomunicaciones Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima, Lima, LIMA 32, Perú Email: cerna.rafael@pucp.pe Abstract—This paper describes the design and implementation process of a wideband 8x8 Butler Matrix for beamforming networks in the AWS and PCS 1900 MHZ bands. In order to obtain a system able to operate in the frequency range of 1710 MHz to 2155 MHz, compact wideband branch-line hybrids, Schiffman phase shifters, parallel Schiffman phase shifters and no crossovers were used to implement the wideband 8x8 Butler Matrix. The final operation range for the 8x8 Butler Matrix is 1.65 GHz to 2.3 GHz and 2.4 GHz to 2.6 GHz. Finally, an 8-element linear array of printed Quasi-Yagi antennas was introduced in the system to verify the beamforming functionality of the 8x8 Butler Matrix. Measured radiation patterns show that the 8x8 Butler Matrix is able to provide adequate phase difference and uniform amplitude to the antenna array in order to function as a beamforming network in the frequency range of interest. Index Terms — Butler Matrix beam-former, branch-line hybrid coupler, Schiffman phase shifter, Quasi-Yagi antenna, AWS, PCS 1900.

I. INTRODUCTION In present day wireless communication systems, due to the exponential increase of users, there is a need for greater uplink and downlink speed capacities. For that reason, repeater and base stations antennas are being designed with different configurations and techniques to provide greater bitrates. One of these techniques is the beamforming of the radiation patter of the antenna array in order to create a smart antenna capable of increasing the coverage area, SNR, capacity and provide spatial diversity while reducing interference [1]. Over the past years, beamforming systems have been designed for different bands such as LTE 2.3 GHz and 2.6 GHz [2], PCS 1900 MHz [3] and high frequency bands like the X-band [4]. However, as noticed in the cited references, the main challenge is achieving a small design while maintaining uniform behavior of the phase difference and power of the EM waves radiated by the phased array over a wideband of operation. One of the most used types of a beamforming network is the Butler Matrix due to its multiple advantages such as usage of only passive components (hybrid couplers and

phase shifters), minimum path length compared to other beamforming networks and continuous beam scanning without any mechanical motion [5]. Nevertheless, traditional design of a Butler Matrix often requires a large area of implementation; therefore, research has been performed in order to miniaturize its components [6], [7]. In this paper, a new design for a wideband 8x8 Butler Matrix is introduced featuring compact wideband branchline hybrids, Schiffman phase shifters and no crossovers to further reduce the area of implementation in microstrip lines. The target frequency range of design of the Butler Matrix is from 1710 MHz to 2155 MHz so as to cover the AWS and PCS 1900 MHz bands that are used in Peru to deploy 4G and 3G mobile communication networks. This paper is organized as follows: Section II describes the process of design of the 8x8 Butler Matrix. The performance of the 8x8 Butler Matrix is presented in Section III. Section IV shows the measured radiation patterns for each port of the 8x8 Butler Matrix as a beamforming network at 4 different frequencies. Finally, the conclusions are given in Section V. II. BUTLER MATRIX DESIGN The substrate used to implement the 8x8 Butler Matrix was chosen to be Rogers RO3003 (єr = 3.00, tanδ = 0.0013) with thickness of 1.52 mm in order to make feasible the implementation of high impedance transmission lines (minimum width of microstrip line possible to implement = 0.3 mm) To achieve broadband operation, the hybrid couplers and phase shifters had to be optimized for the entire target frequency range. First, each component of the Butler Matrix was designed, simulated, implemented and analyzed separately before merging them to form the 8x8 Butler Matrix. A. Compact Wideband Branch-line Hybrid One of the main limitations of the traditional design of a microstrip branch-line hybrid is its narrowband operation

range. To overcome this problem, one common method is to cascade branch-line hybrids [8] at the expense of a larger area of implementation. Research has been performed in [6], [7] to miniaturize this component and this method is the basis of the design of the compact wideband branch-line hybrid used in the 8x8 Butler Matrix. Design equations are presented in the cited documents as well. However, it was noticed that the prototypes had an amplitude imbalance of approximately 1 dB. In order to lower this imbalance, optimization was performed using the results of these previous works. Measurements of the implemented prototype are shown in Fig.1:

B. Schiffman Phase Shifters To implement the 8x8 Butler Matrix, 3 different phase shifters needed to be designed (22.5°, 45° and 67.5°). The method of design chosen is explained in [9]. For the 22.5° and 45° Schiffman phase shifters, a single section of coupled lines and a reference line were used. For the 67.5° Schiffman phase shifter, two parallel sections of coupled lines were used because, otherwise, the spacing between a single section of coupled lines would have been too small to implement. Measurements are shown in Fig.2:

Fig. 2: Measured phase shifts of the implemented Schiffman phase shifters (a)

Phase error for the three types of phase shifters in the frequency range of interest is ±2°. III. BUTLER MATRIX PERFORMANCE The 8x8 Butler Matrix was divided in 6 parts: a pair of wideband hybrids and 22.5° Schiffman phase sfhiters (size is 75x110 mm2), a pair of wideband hybrids and 67.5° Schiffman phase sfhiters (size is 110x120 mm2) and a pair of 4x4 Butler Matrixes (size is 150x220 mm2). Equal length coaxial cables were used to join the components and form the 8x8 Butler Matrix as Fig. 3 shows.

(b) Fig. 1: Measurements of the compact wideband branchline hybrid (a) return loss, isolation and insertion losses, (b) phase difference between output ports The coupling is 3.1±0.25dB, and the return loss and insolation are better than 20 dB over the target frequency range as shown in Fig. 2(b). There is a slight phase imbalance between the outputs (88°±0.5°) due to the transformation to the transmission lines with open circuit stubs of the compact wideband branch-line hybrid. Nevertheless, this phase imbalance can be corrected with additional length in the reference lines of the Schiffman phase shifters.

Fig. 3: Implementation of the wideband 8x8 Butler Matrix

Measurements were performed with a VNA Agilent 3277ET. The operation range of the wideband 8x8 Butler Matrix is from 1.65 GHz to 2.3 GHz and from 2.4 GHz to 2.6 GHz. The amplitude of the output port signals are centered around 10 dB±0.5 dB. Phase difference between output ports are centered around 22.5°±7.5° due to the use of coaxial cables to connect the parts of the 8x8 Butler Matrix. The results show that the 8x8 Butler Matrix is able to operate in the AWS and PCS 1900 MHz bands, as well as ISM 2.4 GHz WLAN band for an alternate future application. Results for port 1 are shown in Fig. 4:

the transmitter beamforming network as shown in Fig. 5 (Measurements were performed with steps of 2°).

Fig. 5: Method of measurement for the radiation patterns of the beamforming network

(a)

(b) Fig. 4: Measurements of (a) return loss, isolations and insertion losses, and (b) phase differences between output ports for input port 1

To corroborate the performance across the entire frequency range, 4 sample frequencies were chosen: 1.7325 GHz, 1.88 GHz, 1.96 GHz and 2.1325 GHz, which are the center frequencies for the uplinks and downlinks of the AWS and PCS 1900 MHz bands. Measured radiation patterns are shown in Fig. 6:

(a)

IV. BUTLER MATRIX AS BEAMFORMING NETWORK In order to verify the use of the wideband 8x8 Butler Matrix as a beamforming network, a 1x8 linear H-plane antenna array was used. The design of the printed QuasiYagi antenna was chosen and optimized from [10]. Due to the lack of an anechoic chamber at university facilities, to measure the radiation patterns for each of the 8 input ports of the Butler Matrix a signal generator was connected to the beamforming network and a single QuasiYagi antenna was connected to a spectrum analyzer to record the received power in different directions around

(b) (c)

(b)

V. CONCLUSION

(c)

Design and implementation of a wideband 8x8 Butler Matrix for AWS and PCS 1900 MHz beamforming networks has been demonstrated. The Butler Matrix possesses an operation range from 1.65 GHz to 2.3 GHz and from 2.4 GHz to 2.6 GHz. Measured radiation patterns of a linear 1x8 element H-plane antenna array driven by the wideband 8x8 Butler Matrix show uniform behavior of the beamforming functionality over the frequency range of interest as the main lobes scan a direction range from -64 to 66 degrees at 1.7325 GHz, from -58 to 60 degrees at 1.88 GHz, from -54 to 56 degrees at 1.96 GHz and from -48 to 48 degrees at 2.1325 GHz, keeps a HPBW under 20 degrees and maximum side lobe levels below -10 dB for every input port, except for input ports 2 and 7. ACKNOWLEDGMENT The author is grateful to his advisor, colleagues and partners that supported him during the time the presented project was researched. REFERENCES

(d) Fig. 6: Measured radiation patterns of the beamforming system at (a) 1.7325 GHz, (b) 1.88 GHz, (c), 1.96 GHz and (d) 2.1325 GHz From the results shown in Fig. 6, it is confirmed that, as the input signal switches between the input ports of the wideband 8x8 Butler Matrix, the main lobe direction scans a direction range from -64 to 66 degrees at 1.7325 GHz, from -58 to 60 degrees at 1.88 GHz, from -54 to 56 degrees at 1.96 GHz and from -48 to 48 degrees at 2.1325 GHz. Also, as the frequency increases, the Half Power Beam Width (HPBW) slightly narrows and maintains its levels under 20 degrees for every input port, except for port 2 and 7. The maximum side lobe levels for each of the radiation patterns are below -10 dB for every input port, except for ports 2 and 7 due the array factor generated by the phase difference that the 8x8 Butler Matrix feeds the antenna array. For these reasons, the use of input ports 2 and 7 is not recommended. Finally, with these results, the functionality of the wideband 8x8 Butler Matrix as a beamforming network for the AWS and PCS 1900 MHz bands is corroborated.

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Determinación de Tensiones Residuales en Tuberías Soldadas en Dirección Circunferencial Utilizando Simulación Numérica 1

Rosendo Franco , Quino M. Valverde , Herbert Yépez , Osmar G. Curi , Paul Lean (1) Grupo INACOM, Sección Ing. Mecánica, Dpto. de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica del Perú, Av. Universitaria 1801, Lima 32 (Perú) E-mail: rofranco@pucp.edu.pe Resumen Se desarrolló un procedimiento para simular el proceso de soldadura por arco en cordones circulares, para ser utilizado en la simulación del proceso de soldadura en tuberías. El proceso de soldadura fue simulado en dos etapas, resolviendo primero el problema térmico y luego el problema estructural, siendo ambos problemas transitorios y no lineales. El problema térmico permite obtener la distribución de temperaturas en función del tiempo, posteriormente utilizada en el problema estructural para determinar las tensiones y deformaciones residuales debidas al proceso de soldadura. Para simular el problema térmico se utilizó el modelo de doble elipsoide presentado por Goldak para la fuente de calor, se definieron las propiedades físicas del material en función de la temperatura y se utilizó un coeficiente combinado de convecciónradiación como condición de contorno. Para simular el problema estructural se utilizó un modelo de material termo-elasto-plástico, se definieron las propiedades mecánicas del material en función de la temperatura, se importaron las temperaturas del problema térmico y se utilizaron diferentes restricciones de desplazamientos como condición de contorno. En ambos problemas se utilizó la técnica “birth and death” para simular la deposición del material, la cual se encuentra implementada en el software ANSYS, utilizado en el presente estudio. El procedimiento desarrollado se validó comparando los resultados obtenidos con los resultados disponibles en publicaciones especializadas, avaladas por resultados experimentales, los cuales muestran una adecuada correspondencia.

Determination of Residual Stresses in Welded Pipes in circumferential direction Using Numerical Simulation Abstract A procedure was developed to simulate the arc welding process in circular beads, for use in simulating the welding process of pipelines. The welding process was simulated in two stages, solving the thermal problem first and then the structural problem, both transient and nonlinear problems. The thermal problem allows obtaining the temperature distribution versus time, subsequently used in structural problem to determine residual stresses and deformations due to the welding process. To simulate the thermal problem the double ellipsoid model presented by Goldak for heat source was used, the physical properties of material as a function of temperature were defined and combined radiation-convection coefficient as boundary condition was used. To simulate the structural problem a thermo-elasto-plastic material model was used, the mechanical properties of the material as a function of temperature were defined, the temperatures of the thermal problem were imported and different displacement constraints as boundary conditions were used. To simulate the material deposition the "birth and death" technique was used in both problems, which is implemented in the ANSYS software, used in this study. The developed method was validated by comparing the obtained results with the results available in recognized publications, supported by experimental results, which show an appropriate match. Keywords: finite elements, welding simulation, residual stresses, ANSYS

INTRODUCCIÓN El presente trabajo es parte de la investigación de los autores, cuyos primeros avances se presentaron en el 11° Congreso Interamericano de Computación Aplicada a la Industria de Procesos CAIP’2013, con el tema “Procedimiento para determinar los campos de temperaturas producidos por el proceso de soldadura en cordones rectilíneos mediante simulación numérica” (Franco et al., 2013). Aquí se presentan dos avances fundamentales respecto a esta primera publicación, en primer lugar el análisis no sólo aborda el campo térmico sino que alcanzan también el campo estructural, para obtener las tensiones y deformaciones residuales producidas por la soldadura; en segundo lugar la trayectoria del cordón de soldadura pasa de ser rectilínea a circular, lo que permite que el procedimiento se aplique a la soldadura de tuberías. La mayoría de autores que publica sobre el tema de la simulación del proceso de soldadura, como los citados en la bibliografía de este trabajo, no detalla con profundidad los procedimientos seguidos y las consideraciones hechas para llegar a los resultados que obtiene. En tal sentido la presente contribución pretende clarificar las consideraciones necesarias para realizar una simulación adecuada del proceso de soldadura, a través de una metodología que permite identificar los parámetros y variables involucrados en el proceso y establece sus interrelaciones. Finalmente, la metodología es implementada en un procedimiento sistematizado en el entorno del software ANSYS Mechanical APDL, y posteriormente aplicada en un caso de estudio de soldadura de una tubería. METODOLOGÍA La metodología utilizada para desarrollar el procedimiento de simulación del proceso de soldadura es la siguiente: 1- Selección del modelo de aporte (fuente) de calor para el problema térmico, en función del tiempo y del tipo de cordón (circular). 2- Identificación de las propiedades físicas del material que intervienen en el problema térmico y su dependencia de la temperatura. 3- Definición de las condiciones de contorno del problema térmico. 4- Selección del modelo de plasticidad del material para el problema estructural, que permita obtener las deformaciones y tensiones residuales. 5- Identificación de las propiedades mecánicas del material que intervienen en el problema estructural y su dependencia de la temperatura. 6- Importación de temperaturas del problema térmico, en función del tiempo. 7- Definición de las condiciones de contorno del problema estructural. 8- Consideraciones para simular la deposición del material en ambos problemas, mediante el uso de la técnica “birth and death”. 9- Consideraciones para la creación del modelo geométrico, mallado y paso de tiempo del problema transitorio.

Fig. 1: Diagrama de flujo para la simulación del proceso de soldadura.

En el diagrama mostrado en la figura 1 se puede apreciar cómo se interrelacionan los diferentes aspectos involucrados en la simulación del proceso de soldadura, descritos en la metodología propuesta, cuyos puntos se detallan a continuación. SELECCIÓN DEL MODELO DE LA FUENTE DE CALOR El aporte de calor durante el proceso de soldadura de una unión soldada es dependiente del tiempo, por lo que simular este proceso conduce a un problema térmico transitorio. El modelo de doble elipsoide mostrado en la figura 2, conocido como modelo de Goldak (Goldak y Akhlaghi, 2005), es el modelo más usado por los investigadores de esta temática y por tanto ha sido seleccionado también para este trabajo. En este caso el aporte de calor se define por separado en dos regiones, una región se encuentra en frente del centro del arco (x > 0) y la otra región es definida detrás del centro del arco. El modelo se define para un tiempo de inicio de arco t igual a cero, con movimiento a lo largo del eje x positivo (Malik, 2007).

Fig. 2: Modelo de la fuente de calor de doble elipsoide (Fuente: Malik, 2007). El calor de aporte q, en frente del centro del arco, se define como:

(1)

Y detrás del centro del arco, como:

(2)

Donde: af, ar, b, y c son los semiejes del elipsoide, asociados con las regiones sobre las que ocurre el aporte de calor; ff distribuye el calor delante del centro del arco; fr distribuye el calor detrás del centro del arco; Q calor total generado por el arco (Q = Voltaje × Intensidad de la corriente);  es la eficiencia de la fuente de calor. Las ecuaciones (1) y (2) expresan el calor de aporte con respecto a un sistema de coordenadas local que se mueve con la fuente. Para expresar el movimiento de la fuente en función del tiempo t, con respecto a un sistema global, es necesario sustituir la coordenada global x de las ecuaciones anteriores por la coordenada local  (Kamal, 2012; Pozo, 2011; Anca, 2008):  = x + v ·( − t) Donde: v es la velocidad de soldadura;  es el factor de retardo.

(3)

La mayoría de autores recomiendan que las dimensiones del elipsoide (af, ar, b, y c) sean calibrados de manera experimental, al igual que los parámetros ff y fr. Para éstos últimos se debe cumplir la condición ff + fr = 2 (Kamal, 2012; Pozo, 2011). Las ecuaciones (1) y (2) son válidas para un cordón lineal. Para el caso de un cordón circular, es necesario escribir estas ecuaciones en un sistema de coordenadas cilíndricas (Farfán, 2010):

(4)

(5)

Donde: r,  y z son las coordenadas cilíndricas; Ro es el radio máximo (superficie del cordón);  es la velocidad angular de la soldadura ( = v / Ro). Las ecuaciones (4) y (5) ya están expresadas en función del tiempo t, considerando un factor de retardo  igual a cero, que opcionalmente se podría incluir como ( − t) en lugar de t. PROPIEDADES FÍSICAS DEL MATERIAL PARA EL PROBLEMA TÉRMICO El problema térmico consiste en resolver la ecuación de conservación de energía, expresada en su forma diferencial en la ecuación (6) (Farfán, 2010).

(6) Donde: ρ(T) es la densidad del material, c(T) el calor específico, q el calor generado por unidad de volumen, Kx(T);Ky(T);Kz(T) los coeficientes de conductividad térmica en las tres direcciones (iguales en materiales isotrópico), T es la temperatura y t es el tiempo. Como se puede apreciar, las propiedades físicas requeridas para resolver el problema térmico son: la densidad del material, el calor específico y la conductividad térmica, todas las cuales son termodependientes, por lo que para un análisis exhaustivo sería necesario conocer sus valores en función de la temperatura. Debido a que las propiedades físicas son dependientes de la temperatura la ecuación diferencial (6), que gobierna el problema térmico, es no lineal. Algunos autores en lugar de trabajar con el calor específico y la densidad definen la entalpía como propiedad del material (Kamal, 2012; Pozo, 2011; Mahapatra, 2006). Otros autores toman constante la densidad del material, específicamente cuando se trata de aceros (Malik, 2007; Qureshi, 2009). Con vistas a elevar la precisión de los resultados también podría considerarse que el material base es diferente al material de aporte y en general no presentan las mismas propiedades físicas. DEFINICIÓN DE LAS CONDICIONES DE CONTORNO DEL PROBLEMA TÉRMICO Las condiciones de contorno en el problema térmico están referidas a los mecanismos mediante los cuales se disipa el calor generado durante la soldadura, éstos son la convección y la radiación (Awang, 2002; Malik, 2007 y 2008). Algunos autores prefieren usar el coeficiente de transferencia de calor combinado, expresado en función de la temperatura. A continuación se muestran algunas de las expresiones utilizadas con este fin. (Awang, 2002)



(Malik, 2007 y 2008; Kamal, 2012)



htotal = 24.1×10-4 ×  × T1.61 htotal = h +  × × (T2 + T2amb)×(T + Tamb)

(7) (8)

Donde: htotal es el coeficiente combinado; h es el coeficiente por convección;  es la emisividad del material;  es la constante de Stefan-Boltzmann (5.67 × 10-8 J m-2s-1K-4); T es la temperatura del material (variable) y Tamb es la temperatura ambiente (constante). Otros autores aplican solamente la condición de convección y plantean que es posible considerar las pérdidas de calor por radiación ajustando los valores de eficiencia de la fuente de calor  (Pozo, 2011). La tendencia actual es usar el coeficiente de transferencia de calor combinado, aplicado a todas las superficies expuestas, incluyendo la superficie del cordón de soldadura. Este coeficiente determinado por la ecuación (8) ofrece mejores resultados que los obtenidos por la ecuación (7), por lo que en el presente estudio se utilizará la ecuación (8). SELECCIÓN DEL MODELO DE PLASTICIDAD DEL MATERIAL El término inelasticidad se usa para describir cualquier comportamiento constitutivo diferente al comportamiento elástico. En general el comportamiento inelástico incluye a los comportamientos viscoelástico, visco-plástico y elasto-plástico. La teoría de la plasticidad se encarga de estudiar los sólidos que, al ser sometidos a un sistema de cargas, pueden mantener deformaciones permanentes cuando son completamente descargados. La suposición de que estas deformaciones permanentes (plásticas) no dependen de la tasa de aplicación de las cargas, conduce a la teoría de plasticidad independiente de la tasa (rate-independent plasticity). Los materiales que pueden ser descritos adecuadamente por esta teoría se denominan plásticos o plásticos independientes de la tasa (Manitaras, 2012). El comportamiento de los metales dúctiles, como los aceros, puede ser descrito adecuadamente por la teoría de los materiales plásticos indicada en el párrafo anterior. Al aplicar cargas sobre estos materiales se comienzan a deformar elásticamente, hasta que las tensiones alcanzan el valor de la tensión de fluencia, entonces también se deforman plásticamente (ver figura 3). El hecho de que la deformación puede tener una componente elástica (recuperable) y otra componente plástica (permanente) hace que a estos materiales se les denomine materiales eslasto-plásticos (Lubliner, 2005; Kelly, 2012).

Fig. 3: Componentes de deformación: elástica y plástica en un ciclo de carga y descarga (Fuente: Qi, 2006). Los modelos constitutivos para los materiales elasto-plásticos plantean una descomposición de la deformación en una parte elástica y otra parte plástica (Qi, 2006; Manitaras, 2012; Kelly, 2012). Para el caso uniaxial el modelo constitutivo quedaría dado por la ecuación (9) y el gráfico de la figura 3. (9) Donde: es la deformación total; es la deformación elástica; axial; es el módulo de elasticidad del material.

es la deformación plástica;

es la tensión

Como se puede apreciar la componente elástica de la deformación está definida por la ley de Hook, mientras que la componente plástica está caracterizada por tres aspectos (Kelly, 2012; Manitaras, 2012): 1- El criterio de fluencia (yield criterion): determina el nivel de tensiones necesario para que se produzca la deformación plástica, dando lugar en el espacio tridimensional a la superficie de fluencia. 2- La regla de flujo (flow rule): determina la dirección en que ocurre la deformación plástica. 3- La regla de endurecimiento (hardening rule): describe la evolución del criterio de fluencia, es decir, describe el cambio de la superficie de fluencia tras la ocurrencia de la deformación plástica. Criterio de fluencia El criterio de fluencia se define a partir de la función de fluencia, que depende de las tensiones actuantes y se puede interpretar como una tensión equivalente. La fluencia del material ocurre cuando la función de fluencia, evaluada en un punto, alcanza el valor del tensión de fluencia del material, lo que se puede expresar mediante la ecuación (10). ({ })

(10)

Donde: { } es el vector de tensiones actuantes (principales);

es la tensión de fluencia.

Los dos criterios de fluencia más usados en los metales dúctiles son el criterio de von Mises, expresado en la ecuación (11), y el criterio de Tresca, expresado en la ecuación (12). Las superficies de fluencia a que dan lugar estos dos criterios se aprecian en la figura 4, las cuales se pueden interpretar de la siguiente forma: cuando las tensiones actuantes sobre un punto del material lo ubican dentro de la superficie, se dice que tiene un comportamiento elástico, si se ubica sobre la superficie entonces tiene comportamiento plástico. √

(

)

(

)

(

)

(11)

(12)

Fig. 4: Superficies de fluencia de von Mises y Tresca (Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Teorías_de_fallo).

Regla de flujo La dirección del flujo plástico se determina como el gradiente de una función denominada potencial plástico. La regla de flujo puede ser asociada o no asociada, se considera asociada cuando la función de potencial plástico coincide con la función de fluencia, lo cual es aceptable para los metales y otros materiales isotrópicos. La regla de flujo asociada se define por la expresión (13). {

}

{

}

(13)

Donde: es el vector de deformación plástica; multiplicador plástico.

es la componente del vector tensiones;

es el

Regla de endurecimiento Como se puede apreciar en la figura 3, luego de un ciclo de trabajo (carga y descarga) la tensión de fluencia ha variado (en este caso ha aumentado), es decir ha ocurrido un endurecimiento. La regla de endurecimiento se puede expresar por la ecuación (14). ({ }

{ })

(14)

Donde: { } es el vector de tensiones; superficie de fluencia.

es el trabajo plástico; { } es el corrimiento o traslación de la

Existen dos reglas de endurecimiento principales: el endurecimiento isotrópico y el endurecimiento cinemático. Durante el endurecimiento isotrópico el centro de la superficie de fluencia se mantiene estacionario y la superficie crece mientras ocurre la deformación plástica (ver figura 5). Mientras que durante el endurecimiento cinemático el tamaña de la superficie de fluencia se mantiene constante y el centro de la superficie se desplaza mientras ocurre la deformación plástica (ver figura 6).

Fig. 5: Endurecimiento isotrópico (Fuente: ANSYS, Inc., 2010).

Fig. 6: Endurecimiento cinemático (Fuente: ANSYS, Inc., 2010).

El modelo de endurecimiento cinemático es más apropiado para metales, cuando en el material se producen tensiones de tracción y compresión que cambian con el tiempo, ya que permite captar mejor el efecto Bauschinger, que demuestra una asimetría en la evolución de las tensiones de fluencia a tracción y compresión (Lubliner, 2005; Kelly, 2012). Asimismo, el modelo de endurecimiento se expresa a través de las curvas tensión-deformación, que pueden ser bilineales o multilineales (ver figura 7).

Fig. 7: Curvas tensión-deformación (Fuente: ANSYS, Inc., 2010). En el presente estudio se utilizará el criterio de fluencia de von Mises, la regla de flujo asociada y la regla de endurecimiento cinemático bilineal. Efecto térmico Adicionalmente, el estudio del proceso de soldadura involucra un problema térmico que repercute en las deformaciones que ocurren en el material, modificando el modelo constitutivo descrito anteriormente (Mahapatra, 2006; Farfán, 2010; Asserin, 2011). En el caso uniaxial la ecuación (9) se verá afectada como se muestra en la ecuación (15), convirtiéndose en lo que sería un modelo termo-elasto-plástico. (15) Donde: es la deformación total; es la deformación elástica; es la deformación plástica; deformación por carga térmica, que se determina según la ecuación (16). (

)

Donde: es el coeficiente de expansión térmica; es la temperatura instantánea del material; temperatura de referencia, para la cual las deformaciones térmicas son nulas.

es la

(16) es la

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL MATERIAL PARA EL PROBLEMA ESTRUCTURAL Las propiedades mecánicas del material que deben conocerse para simular el problema mecánico están relacionadas con el modelo de comportamiento del material que se utilice, que para este estudio es un modelo termo-elasto-plástico, con criterio de fluencia de von Mises y endurecimiento cinemático bilineal. En este caso se requiere el módulo de elasticidad, el coeficiente de Poisson, la tensión de fluencia, el módulo tangente y el coeficiente de expansión térmica (Asserin, 2011). Todas estas propiedades, al igual que las propiedades térmicas, varían con la temperatura, por lo que se deben tener en cuenta las mismas consideraciones indicadas para el problema térmico si se desea realizar un análisis exhaustivo. IMPORTACIÓN DE TEMPERATURAS DEL PROBLEMA TÉRMICO Como se ha indicado antes, el campo de temperaturas es el resultado del problema térmico, el cual se guarda en un archivo para cada paso de tiempo. Luego estos resultados son leídos e importados como carga térmica en el problema estructural transitorio. Si bien es cierto que los resultados de temperatura podrían interpolarse en función del tiempo y de la geometría, lo más recomendado es utilizar los mismos pasos de tiempo en el problema térmico y en el problema mecánico, al igual que la misma malla de elementos finitos. DEFINICIÓN DE LAS CONDICIONES DE CONTORNO DEL PROBLEMA ESTRUCTURAL Las condiciones de contorno en el problema estructural básicamente están referidas a las restricciones en los desplazamientos de las piezas o estructura que se va a soldar, aspecto que es particular para cada caso. Adicionalmente, se pueden considerar cargas externas, como puede ser el peso propio de la estructura para obtener resultados más precisos en las deformaciones y tensiones residuales.

CONSIDERACIONES PARA SIMULAR LA DEPOSICIÓN DEL MATERIAL La simulación de la deposición del material de aporte se implementa mediante el uso de la técnica “birth and death”. Esta técnica consiste en generar toda la geometría, y malla correspondiente, desde el inicio, incluyendo la porción del cordón de soldadura. Antes del primer paso de tiempo, se desactivan todos los elementos finitos correspondientes al cordón de soldadura y luego se van reactivando a medida que son alcanzados por la fuente de calor. Para la desactivación de los elementos se utiliza un multiplicador con un -9 -18 valor muy pequeño (por defecto es 10 , pero para este estudio se tomó 10 ) por el que se multiplican todas las propiedades del material, de manera que su efecto en el sistema es insignificante. Luego, la reactivación consiste en asignar los valores reales de sus propiedades, en función de la temperatura, cuando pasa la fuente de calor. En el caso del problema térmico debe considerarse que se tiene un grado de libertad por nodo, que es la temperatura, la cual no se afecta por el multiplicador mencionado. Por este motivo es recomendable que a los nodos libres del cordón (nodos que no están en la interfaz dada entre el material del cordón y el material base) se les imponga, antes del primer paso de tiempo, la temperatura ambiente. Por defecto estos nodos tendrían temperatura cero y podrían distorsionar ligeramente los resultados. Es importante tener en cuenta que, al momento de reactivar los elementos, se debe eliminar esta temperatura impuesta y aplicar la carga térmica correspondiente, según el modelo de fuente calor seleccionado. En el caso del problema estructural debe tenerse en cuenta que éste es subsecuente al problema térmico y, por tanto, todos los elementos estarán reactivados, con lo cual se requiere desactivar nuevamente todos los elemento pertenecientes al cordón de soldadura antes del primer paso de tiempo. Por otro lado, en el problema estructural, utilizando elementos tridimensionales, se tienen tres grados de libertad por nodo, que son los desplazamientos (x, y, z). Al reactivar los elementos del cordón algunos nodos, compartidos con el material base, podrían haberse desplazado y generar deformaciones en los elementos del cordón, lo cual no se corresponde con la realidad, ya que en ese momento el material está fundido y no genera deformaciones ni tensiones. Por este motivo se recomienda imponer deformación cero a los elementos del cordón en el instante que son reactivados. Adicionalmente, algunos autores recomiendan reactivar los elementos cuando alcanzan la temperatura de solidificación y no exactamente en el instante que pasa la fuente de calor sobre ellos, pues es a partir de este momento que generan deformaciones y tensiones. La alternativa que se ha usado en el presente estudio es reactivar los elementos justo después de pasar toda la fuente de calor, con lo cual se garantiza, al menos, que hayan pasado su pico de temperatura y estén más próximos a la temperatura de solidificación. CONSIDERACIONES PARA CREAR EL MODELO GEOMÉTRICO, MALLADO Y PASO DE TIEMPO En el modelo geométrico, y el correspondiente mallado, se debe considerar desde el inicio tanto el material base como el material de aporte del cordón de soldadura. Es conveniente, siempre que sea posible, partir el material base en la zona aledaña al cordón de soldadura (zona fundida), de manera que la iteración para la reactivación de los elementos, imposición del potencial calórico y demás acciones que se realizan sobre estos elementos, genere un mínimo costo computacional. El paso de tiempo durante la soldadura se determina como el tiempo total de soldadura entre el número de elementos a lo largo del cordón, de manera que el aporte de calor de cada elemento sea gradual y uniforme. Luego de terminada la soldadura viene la etapa de enfriamiento, en la cual se pueden utilizar pasos de tiempo mayores. En todo caso se recomienda que el incremento del paso de tiempo en la etapa de enfriamiento sea gradual para evitar comportamientos incorrectos o falta de convergencia en los parámetros calculados. Como ya se indicó en el acápite de importación de temperaturas, es conveniente que la malla utilizada para el problema estructural y los pasos de tiempo sean los mismos que para el problema térmico, para minimizar igualmente el costo computacional y evitar errores de interpolación. PROCEDIMIENTO PARA SIMULAR EL PROCESO DE SOLDADURA La metodología descrita anteriormente fue implementada en un procedimiento sistematizado, a través de macros desarrolladas por los autores, en el entorno del software ANSYS Mechanical APDL. El procedimiento es general para simular la soldadura de una tubería, requiriéndose solamente los datos que definen la geometría de la tubería y de la junta soldada, las propiedades físicas y mecánicas de los materiales definidas en la metodología, así como las condiciones de contorno térmicas y estructurales. El alcance del procedimiento corresponde a soldadura de una sola pasada.

CASO DE ESTUDIO: SOLDADURA DE UNA TUBERÍA Para probar y validar el procedimiento se tomó como caso de estudio la tubería presentada por Malik (2008) en su publicación “Analysis of circumferentially arc welded thin-walled cylinders to investigate the residual stress fields”, cuyo trabajo cuenta con los datos necesarios para desarrollar la simulación y está respaldado por resultados experimentales. Geometría y mallado La geometría consiste en dos tubos de 300 mm de diámetro exterior, 3 mm de espesor y una longitud de 150 mm cada uno, tal como se indica en la figura 8.

Fig. 8: Geometría de la tubería caso de estudio (Fuente: Malik, 2008). El detalle de la junta soldada se presenta en la figura 9, en la que puede apreciarse un punto de soldadura que sobrepasa ligeramente la cara de raíz (con rayado contrario). En realidad de estos puntos se consideraron dos, ubicados a 180º entre sí, para el apuntalamiento inicial entre los dos tubos.

Fig. 9: Detalle de la junta. El mallado se realizó con elementos hexaédricos de 8 nodos, compatibles con el elemento térmico SOLID70 y con el elemento estructural SOLID45, ambos disponibles en la librería de ANSYS. De esta manera se puede utilizar la misma malla para el problema térmico y para el problema estructural. La malla se hizo más fina en la zona aledaña al cordón, para alcanzar mejores resultados, como se aprecia en la figura 10.

Fig. 10: Malla. Propiedades del material El material de la tubería del caso de estudio corresponde al acero ASTM A36, y los datos fueron obtenidos 3 del trabajo de Malik (2008). Se considera la densidad constante e igual a 7850 Kg/m . En las figuras 11 a la 17 se detallan las propiedades que se ingresarán, utilizando las mismas para el material de aporte. Como se ha indicado en puntos anteriores en este procedimiento se implementa un modelo de comportamiento del material termo-elasto-plástico, con criterio de fluencia de von Mises y endurecimiento cinemático bilineal. En el caso de estudio se considera un comportamiento perfectamente plástico, por lo que el módulo tangente tomará valor cero.

Fig. 11: Conductividad térmica.

Fig. 12: Calor específico.

Fig. 13: Coeficiente de convección.

Fig. 14: Módulo de elasticidad.

Fig. 15: Coeficiente de Poisson.

Fig. 16: Coeficiente de expansión térmica.

Fig. 17: Tensión de fluencia.

Parámetros del proceso de soldadura y de la fuente de calor Los parámetros del proceso de soldadura se presentan en la tabla 1. Tabla 1: Parámetros del proceso de soldadura. Parámetro Valor Unidad Voltaje

12.5

Voltios

Corriente

200

Amperios

Velocidad

mm/s

eficiencia

Los parámetros de la fuente de calor de Goldak se presentan en la tabla 2. Tabla 2: Parámetros del modelo de la fuente de calor de Goldak. Parámetro Valor Unidad Longitud del frente elipsoidal

Longitud posterior elipsoidal

Ancho de la fuente de calor

Profundidad de la fuente de calor

Fracción de calor en el frente elipsoidal

1.25

Fracción de calor el posterior elipsoidal

0.75

El tiempo total de soldadura es de 314.16 s y se consideró un enfriamiento de 1500 s. Condiciones de contorno térmicas y estructurales El coeficiente de transferencia de calor por convección (h) varía en función de la temperatura, los valores de este coeficiente se muestran en la figura 18.

Fig. 18: Coeficiente de convección. En el presente análisis se utilizará el coeficiente de transferencia de calor combinado, dado por la expresión (8). Los valores se detallan en la figura 19. Desde el punto de vista estructural se restringen axialmente las caras planas en los extremos de los tubos.

Fig. 19: Coeficiente de transferencia de calor combinado. Resultados tĂŠrmicos En la figura 20 se puede apreciar la distribuciĂłn de temperaturas, al finalizar el tiempo de soldadura, utilizando el procedimiento implementado, y en la figura 21 se aprecia un resultado similar obtenido por Malik (2008).

Fig. 20: DistribuciĂłn de temperaturas (Procedimiento desarrollado).

Fig. 21: DistribuciĂłn de temperaturas (Malik, 2008).

Resultados estructurales En la figura 22 se pueden apreciar las tensiones residuales axiales, utilizando el procedimiento implementado, y en la figura 23 se aprecian resultados similares obtenidos por Malik (2008).

Fig. 22: Tensiones residuales axiales (Procedimiento desarrollado).

Fig. 23: Tensiones residuales axiales (Malik, 2008). CONCLUSIONES El procedimiento desarrollado en el software ANSYS Mechanical APDL para simular el proceso de soldadura por arco en tuberías, contempla el modelo de doble elipsoide de Goldak para el aporte de calor en el problema térmico, la termo-dependencia de las propiedades físico-mecánicas del material y un modelo termo-elasto-plástico para resolver el problema estructural. Este procedimiento permite obtener los campos de temperatura, las deformaciones y las tensiones residuales en la tubería producto del proceso de soldadura. La simulación del proceso de soldadura es dividida en dos problemas semi-acoplados, primero se simula el problema térmico para obtener los campos de temperatura y luego el problema estructural para obtener las deformaciones y tensiones residuales, siendo el problema estructural dependiente del problema térmico. Para ambos casos se definieron con claridad los aspectos fundamentales que deben considerarse en la simulación. En general, para simular todo el proceso, debe definirse la fuente de calor en función del tiempo, las propiedades físico-mecánicas del material en función de la temperatura, el coeficiente de transferencia

de calor combinado en función de la temperatura, el modelo termo-elasto-plástico del material y las restricciones de desplazamiento del problema estructural. Para simular el aporte del material de soldadura en función del tiempo se implementó la técnica “birth and death”, es decir, la desactivación de todos los elementos del cordón al inicio de cada problema (térmico y estructural) y su posterior reactivación con el paso de la fuente de calor. Todos los elementos están creados desde el inicio, pero los elementos del cordón son desactivados multiplicando sus propiedades por un factor -9 -18 muy pequeño, por defecto 10 (10 en el presente estudio), de manera que su influencia es despreciable. Luego, la reactivación consiste en asignar los valores reales de sus propiedades cuando pasa la fuente de calor. Esta técnica tiene algunos inconvenientes en el problema estructural, generándose grandes deformaciones en el material del cordón, para lo cual algunos autores recomiendan reactivar los elementos cuando alcanzan la temperatura de solidificación y no exactamente cuando pasa la fuente, aspecto en el que se debe continuar investigando. La alternativa que se ha usado en el presente estudio es reactivar los elementos justo después de pasar toda la fuente de calor, con lo cual se garantiza, al menos, que hayan pasado su pico de temperatura y estén más próximos a la temperatura de solidificación. El ejemplo desarrollado demuestra la factibilidad del procedimiento implementado. Los resultados obtenidos se han podido comparar con resultados disponibles en una publicación especializada, respaldada por resultados experimentales, observándose una adecuada correspondencia en el caso estudiado. Sin embargo, es conveniente que el equipo investigador del presente trabajo realice sus propios experimentos, para tener acceso directo a dichos resultados, probar otras alternativas y calibrar mejor el modelo. REFERENCIAS Anca, A. et al. “Finite element modeling of welded joints”. Mecánica Computacional Vol XXVII, pp. 14451470. Argentina 2008. ANSYS, Inc. “Customer Training Material. Lecture 5-Rate Independent Plasticity”. ANSYS Mechanical Structural Nonlinearities. 2010. Asserin, O. et al. “Global sensitivity analysis in welding simulations - What are the material data you really need?” Finite Elements in Analysis and Design 47, pp. 1004-1016. 2011. Awang, M. “The Effects of Process Parameters on Steel Welding Response in Curved Plates”. Thesis Submitted to the College of Engineering and Mineral Resources at West Virginia University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Mechanical Engineering. Morgantown, West Virginia 2002. Farfán, N. A. “Modelación del proceso de soldadura por medio del método de elementos finitos”. Memoria para optar al título de ingeniero civil mecánico. Universidad de Chile. Santiago de Chile 2010. Franco, R. et al. “Procedimiento para Determinar los Campos de Temperaturas Producidos por el Proceso de Soldadura en Cordones Rectilíneos Mediante Simulación Numérica”. Memoria Congreso CAIP’2013, Lima 2013. Goldak, J. A., Akhlaghi, M. “Computational Welding Mechanics”. Springer Science+Business Media, Inc. New York, 2005. Kamal, R. et al. “Experimental and Finite Element Analysis of a T-Joint Welding”. Journal of Mechanics Engineering and Automation 2, pp. 411-421. 2012. Kelly, P. A. “Solid Mechanics Part II: Engineering Solid Mechanics - small strain. Chap. 8 – Plasticity”. Department of Engineering Science. University of Auckland. Last updated 2012. Resource: http://homepages.engineering.auckland.ac.nz/~pkel015/SolidMechanicsBooks/Part_II/. Lubliner, J. “Plasticity Theory”. Revised Edition (PDF). University of California at Berkeley. 2005. Mahapatra, M. M. et al. “Three-dimensional finite element analysis to predict the effects of SAW process parameters on temperature distribution and angular distortions in single-pass butt joints with top and bottom reinforcements”. International Journal of Pressure Vessels and Piping 83, pp. 721–729. 2006. Malik, A. M. et al. “Analysis of circumferentially arc welded thin-walled cylinders to investigate the residual stress fields”. Thin-Walled Structures, ELSEVIER, 2008. Malik, A. M. et al. “Numerical Simulation of Arc Welding Investigation of various Process and Heat Source Parameters”. Failure of Engineering Materials & Structures, Code 30, 2007.

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Determinación del Factor de Intensidad de Tensiones de Fisuras Semi-Elípticas en Tuberías Mediante Simulación por Elementos Finitos Herbert Yépez1, Rosendo Franco1, Quino M. Valverde1 (1) Grupo INACOM, Sección Ing. Mecánica, Dpto. de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica del Perú, Av. Universitaria 1801, Lima 32 (Perú) (hyepez@pucp.pe) RESUMEN Los derrames y roturas de ductos ocurridos en las líneas de transporte de líquido de gas natural (LGN) en Camisea – Perú dan evidencia de la alta susceptibilidad de estos componentes de presentar fallas mientras prestan servicio y han generado incertidumbre acerca de su integridad estructural. Se presume que una de las principales causas es el deslizamiento de tierra, la cual asociada a la presentación de discontinuidades (fisuras, falta de penetración, escorias, etc.) generadas durante la fabricación o en servicio, alterarían de forma negativa la resistencia mecánica del material de la tubería acortando su tiempo útil. Una tubería fisurada sometida a una sobrecarga por el deslizamiento de suelos generaría el incremento de las tensiones en la cabeza de la grieta, lo cual podría producir una propagación inevitable de la misma hasta la ruptura del componente. Por ello, disciplinas como la mecánica de la fractura ofrecen parámetros como el Factor de Intensidad de Tensiones (FIT) que cuantifica el estado tensional en las inmediaciones de la cabeza de una fisura. El presente estudio determina el FIT mediante la simulación numérica por el método de elementos finitos de tuberías API 5L X Grado 70. El análisis se realiza para fisuras semi-elípticas interiores y exteriores, en dirección axial y circunferencial. Los resultados de la simulación son comparados con valores obtenidos a partir de expresiones analíticas del API 579 “Fitness for Services”, que es un estándar que describe técnicas de evaluación para equipos a presión utilizados en la industria petroquímica, cuya finalidad es diagnosticar la integridad estructural de un componente cuando presenta algún tipo de defecto mientras está puesto en servicio. INTRODUCCIÓN En la actualidad el método de los elementos finitos aplicado en la mecánica de fractura es una herramienta bastante utilizada en investigaciones de alto nivel y problemas como la interpretación de la singularidad en la cabeza de la fisura fue resuelto con el desarrollo de elementos finitos especiales (Anderson, 2008). El FIT describe el estado tensional presente en la cabeza de la fisura en función de la carga aplicada, la configuración geométrica del modelo y el tamaño de la fisura; entonces se puede indicar que el FIT es una propiedad bajo ciertas condiciones. La influencia directa del tamaño de la discontinuidad sobre esta propiedad permite estudiar el comportamiento del estado tensional de la fisura cuando los frentes de propagación sufren cambios (Saxena, 1997). Con el propósito de determinar la factibilidad de uso del procedimiento de simulación desarrollado, los resultados obtenidos mediante ANSYS, software CAE especializado, son comparados con valores determinados a partir de expresiones analíticas de autores y estándares como Ted L. Anderson y API 579,

respectivamente. Ambas referencias bibliogrĂĄficas proponen soluciones analĂticas revisadas y con un fuerte respaldo de la comunidad cientĂfica. El Dr. Anderson es un experto de renombre mundial en la mecĂĄnica de la fractura y autor de â&#x20AC;&#x153;Fracture Mechanics: Fundamentals and Applicationsâ&#x20AC;? (Anderson, 2008), texto bibliogrĂĄfico que ha sido adoptado por innumerables universidades en el mundo. AsĂ mismo, American Petroleum Institute y ASME American Society of Mechanical Engineers presentaron el estĂĄndar â&#x20AC;&#x153;API 5791/ASME FFS-1: Fitness for Serviceâ&#x20AC;? (API, 2000), el cual constituye una guĂa que describe tĂŠcnicas para la evaluaciĂłn de la integridad de componentes presurizados que presentan alguna discontinuidad o daĂąo que comprometa su funcionamiento cuando prestan servicio. FISURA SEMI ELĂ?PTICA EN PLACA PLANA SimulaciĂłn La primera parte del estudio estĂĄ dirigido a la determinaciĂłn mediante simulaciĂłn por elementos finitos del FIT como principal parĂĄmetro para la caracterizaciĂłn de la tenacidad de la fractura elastolineal de una placa plana con una fisura semi-elĂptica central, cuya configuraciĂłn es muy conocida y tratada en el ĂĄmbito de la mecĂĄnica de la fractura. La plancha en estudio estĂĄ sometida a campos de esfuerzos de membrana y de flexiĂłn aplicados en los extremos de la misma (ver figura 1). La fisura estĂĄ localizada en la parte media de la plancha y posee dos frentes de propagaciĂłn ubicados en el extremo vertical y horizontal de la fisura. La figura 1a ilustra la plancha plana sometida a los campos de esfuerzo y la figura 1b ofrece una vista en secciĂłn, donde se pueden apreciar los puntos "đ??´" y "đ??ľ", los cuales representan los frentes de la grita en las dos direcciones de propagaciĂłn ya mencionados.

b) a) Fig. 1 a) Fisura superficial semi-elĂptica central sobre una plancha plana sometida cargas de flexiĂłn y membrana. b) Fisura semi-elĂptica con dos frentes de propagaciĂłn.

La evaluaciĂłn del comportamiento de la fisura comprende el anĂĄlisis de diferentes variantes que atienden a cambios geomĂŠtricos. El parĂĄmetro "đ?&#x2018;&#x17D;" que representa el semieje menor de la semi-elipse se ubica a lo largo del espesor de la plancha y varĂa de 2 hasta 20mm, mientras que el semieje mayor ubicado sobre la superficie libre es representado por "đ?&#x2018;?" y conjuntamente con las dimensiones de la placa se mantienen constantes, como se detalla en las Tablas 1 y 2. El material designado a los modelos es API 5L X70, un acero muy empleado en la industria petroquĂmica. Las propiedades mecĂĄnicas a considerar son el mĂłdulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson que son iguales a 0.21x012 N/m2 y 0.28, respectivamente. Sobre la plancha de acero se imponen esfuerzos de

membrana (đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;&#x161;) igual a 100 MPa y flexiĂłn (đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;? ) igual a 30 MPa, los cuales se mantienen constantes a lo largo del estudio de las variantes (R0.1-R1.0). Tabla 1. ParĂĄmetros geomĂŠtricos.

Tabla 2. Variantes geomĂŠtricas para el estudio

ParĂĄmetros

Medidas [mm]

Variante

a [mm]

c [mm]

a/c

a c t w h

2-20 10 25 50 100

R0.1 R0.2 R0.3 R0.4 R0.5 R0.6 R0.7 R0.8 R0.9 R1.0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00

Expresiones analĂticas para una fisura semi elĂptica central en placa de espesor infinito: Anderson [I] La expresiĂłn analitica numero uno (Ec. 1), colabora a determinar el FIT bajo esfuerzos de membrana Ăşnicamente y es vĂĄlida cuando las dimensiones de la fisura son considerablemente pequeĂąas comparadas con el tamaĂąo de la placa que la contiene. El presente trabajo ha denominado a esta expresiĂłn como â&#x20AC;&#x153;Anderson Iâ&#x20AC;? debido a que es obtenida de los primeros capĂtulo del texto del autor (Anderson, 2008). K :=

1.12â&#x2039;&#x2026; Ď&#x192;mâ&#x2039;&#x2026; Ď&#x20AC; â&#x2039;&#x2026; aâ&#x2039;&#x2026; Îž

Ec. 1

Ď&#x2C6;

Donde: 1 2 ďŁŽ 2ďŁš 2 a â&#x2039;&#x2026; ( cos ( Ď&#x2022; ) ) ďŁş Îž := ďŁŻ( sin ( Ď&#x2022; ) ) + ďŁŻ ďŁş 2 c ďŁ° ďŁť

Ď&#x2C6; :=

3Ď&#x20AC; 8

Ec. 2

Ď&#x20AC; a â&#x2039;&#x2026; 8 2 c

Ec. 3

La ecuaciĂłn 4 denominada como â&#x20AC;&#x153;Anderson IIâ&#x20AC;?, define el FIT bajo esfuerzos de membrana y flexiĂłn. Esta expresiĂłn estĂĄ dotada de factores que en tĂŠrminos del propio autor, ayudan a enriquecer los resultados haciendo de ellos valores mĂĄs precisos. FIT := ( Ď&#x192;m + Hâ&#x2039;&#x2026; Ď&#x192;b ) â&#x2039;&#x2026;

Donde

Ď&#x20AC; â&#x2039;&#x2026;a Q

â&#x2039;&#x2026;F

Ec. 4

Q := 1 + 1.464⋅ 



a

F := M1 + M2⋅ 



1.65

Ec. 5

 c

a

+ M3⋅ 

a

4

  ⋅ g ⋅ fω⋅ fϕ t a M1 := 1.13 − 0.09⋅   c  t

M2 :=

 0.89  a  0.2 + c 

Ec. 8

H := H1 + ( H2 − H1) ⋅ sin ( ϕ ) H1 := 1 − 0.34

Ec. 7

 − 0.54   

 + 14⋅  1 −  a   0.65 +  c 

M3 := 0.5 − 

Ec. 6

a

 c

Ec. 10

a a  − 0.11⋅  c  ⋅      t

a t

a + G2⋅    t t a a q := 0.2 +   + 0.6⋅   t c

H2 := 1 + G1⋅ 

Ec. 9

a

Ec. 11

Ec. 12 Ec. 13

El estándar API 579 a diferencia de la formulación de Anderson (Ec. 4), ofrece una expresión analítica (Ec. 14) que permite determinar el FIT incorporando coeficientes de corrección para ambos esfuerzos (membrana y flexión). Para conocer todas las expresiones de los coeficientes se recomienda acudir al propio estándar (API 579, 2000). A continuación se presenta las expresiones de FIT y de los coeficientes de corrección de los esfuerzos. π ⋅a

FIT := ( Mm⋅ σm + Mb ⋅ σb ) ⋅

Ec. 14

Donde:



Mm := Ms ⋅ M1 + M2⋅ 



Mb := Mm⋅ H⋅ fω

a

 t

+ M3⋅ 

a

4

  ⋅ g ⋅ fω⋅ fϕ t

Ec. 15 Ec. 16

Resultados de una fisura semi elíptica en placa plana La evaluación de cada una de las variantes geométricas, R0.1 a R1.0 (ver tabla 1), ha seguido el mismo procedimiento de durante la simulación. Primero, la fisura semi-elíptica fue discretizada en 10 partes (elementos finitos), lo cual permite evaluar 21 nodos distribuidos a lo largo del frente de la

fisura. Por otro lado, las expresiones analĂticas tienen la posibilidad de evaluar el frente de la fisura en funciĂłn del ĂĄngulo "đ?&#x153;&#x2018;" (ver figura 1b), permitiendo evaluar las mismas ubicaciones de los nodos durante la simulaciĂłn. La tabla 3 y la figura 2 representan los resultados comparativos de la variante R0.1, donde el semieje menor "đ?&#x2018;&#x17D;" es igual a 2mm y el semieje mayor "đ?&#x2018;?" es igual a 10mm. Los grĂĄficos de las figuras 3 y 4 muestran el comportamiento o la tendencia de que manifiesta el frente de la fisura. Dichas figuras integran los resultados de las diez variantes ensayadas, tanto de la parte analĂtica (API 579), como de la simulaciĂłn (ANSYS). Es posible apreciar que a medida que el semieje menor de la fisura crece, los valores de FIT en las inmediaciones de la superficie se incrementan hasta cuadriplicar su valor. Tabla 3. Resultados del Factor de Intensidad de Tensiones FIT R0.1 (a=2mm, c=10mm) Muestra

API

SimulaciĂłn ANSYS

deg

rad

0 21.39 33.57 43.00 51.09 58.39 65.19 71.64 77.88 83.97 90.00

0 0.37 0.59 0.75 0.89 1.02 1.14 1.25 1.36 1.47 1.57

171.00 228.80 265.72 288.76 305.10 317.27 326.41 333.13 337.74 340.45 341.35

105.17 150.50 178.72 196.40 208.78 217.84 224.53 229.36 232.64 234.54 235.17

170.92 228.71 265.61 288.64 304.97 317.13 326.27 332.99 337.60 340.31 341.20

162.98 208.43 258.43 271.95 294.15 307.55 318.19 325.27 329.21 330.89 332.00

180

3.14

171.00

105.17

170.92

162.32

400

FIT [MPammm^0.5]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 â&#x20AC;Ś 21

Ă ngulo

AnalĂtico Anderson [I] Anderson [II] MPa mm0.5

350 300

API

250

Anderson I

200

Anderson II

150

ANSYS 14.5

100 0

135

180

Ă ngulo Ď&#x2022; [ Â°]

Fig. 2. Resultados de la evaluaciĂłn de la variante R0.1(a=2mm, c=10mm)

800

FIT [MPammm^0.5]

R 0.1

API 579

700

R 0.2 R 0.3

600

R 0.4

500

R 0.5

400

R 0.6

300

R 0.7

200

R 0.8 R 0.9

100 0

Ă ngulo Ď&#x2022; [ Â°]

135

180

R 1.0

Fig. 3. IntegraciĂłn de los resultados analĂticos API 579 800

FIT [MPammm^0.5]

R 0.1

ANSYS

700

R 0.2 R 0.3

600

R 0.4

500

R 0.5

400

R 0.6

300

R 0.7

200

R 0.8 R 0.9

100 0

Ă ngulo Ď&#x2022; [ Â°]

135

180

R 1.0

Fig. 4. IntegraciĂłn de los resultados por simulaciĂłn con ANSYS

FISURA SUPERFICIAL SEMI ELĂ?PTICA EN UNA TUBERĂ?A SimulaciĂłn Mediante la simulaciĂłn numĂŠrica por elementos finitos se determina valores del FIT de fisuras semielĂpticas superficiales interiores y exteriores, en direcciĂłn axial y circunferencial de la tuberĂa sometida a presiĂłn interna y carga axial. Se considera que la fisura tiene una direcciĂłn axial cuando el semieje mayor de la grieta es paralelo al eje de la tuberĂa, y si el plano de propagaciĂłn de la fisura estĂĄ contenido en la secciĂłn transversal de la tuberĂa, se considera que la grieta posee una direcciĂłn circunferencial. De manera similar a los estudios previos en una plancha, la evaluaciĂłn del comportamiento de la fisura semi-elĂptica en una tuberĂa contempla el cambio de geometrĂa de la grieta. El parĂĄmetro "đ?&#x2018;&#x17D;" que representa el semieje menor de la semi elipse varĂa de 2 hasta 8mm, mientras que el semieje mayor "đ?&#x2018;?" se mantiene constante. La tabla 4 recopila informaciĂłn geomĂŠtrica de la tuberĂa, mientras que la tabla 5 da cuenta de las variantes geomĂŠtricas para el anĂĄlisis.

Tabla 4. Parámetros geométricos. Parámetros a c t Ro Ri

Medidas [mm] 2, 4 , 6 y 8 8 10 210 200

Tabla 5. Variantes geométricas para el estudio Variante V0.1 V0.2 V0.3 V0.4

a [mm] 2 4 6 8

c [mm] 8 8 8 8

c/a 4.00 2.00 1.33 1.00

Debido a la doble orientación que puede adoptar la fisura y dependiendo si se encuentra en el exterior o interior de la tubería, se ha considerado las siguientes configuraciones: Fisura semi-elíptica superficial interna y externa en dirección axial bajo presión interna y Fisura semi-elíptica superficial interna y externa en dirección circunferencial bajo carga axial. Las figuras que se presenta a continuación ilustran la configuración de una tubería sometida a presión interna contiendo una fisura semi-elíptica en dirección axial. La figura 5 muestra la fisura interna, mientras, que la figura 6, la externa. El valor de la presión interna considerada para el estudio es igual a 10MPa.

Fig. 5. Tubería con fisura superficial semi-elíptica interna (inside) en dirección axial sometida a presión interna.

Fig. 6. Tubería con fisura superficial semi-elíptica externa (outside) en dirección axial sometida a presión interna. Fisura semi-elíptica superficial en dirección circunferencial bajo carga axial (interna/externa). Las figuras 9 y 10 ilustran la configuración de una tubería sometida a esfuerzos axiales contiendo una fisura semi-elíptica en dirección circunferencial. La primera figura muestra la tubería con la grieta alojada en su cara interior de la tubería y la segunda, una grieta sobre la cara lateral exterior. El valor del esfuerzo axial utilizado durante el estudio es de 100MPa y es aplicado sobre los extremos de la tubería.

Fig. 9. TuberĂa con fisura superficial semi-elĂptica interna (inside) en direcciĂłn circunferencial sometida a esfuerzos axiales.

Fig. 10. TuberĂa con fisura superficial semi-elĂptica externa (outside) en direcciĂłn circunferencial sometida a esfuerzos axiales. Comparar los resultados obtenidos de la simulaciĂłn de una tuberĂa fisurada Cabe mencionar que en el caso de una fisura semi-elĂptica en una plancha, las expresiones analĂticas permiten obtener resultados a lo largo de todo el frente de la fisura, mientras que para el caso de una tuberĂa, Ăşnicamente evaluan dos puntos de propagaciĂłn, horizontal đ?&#x153;&#x2018; = 0Â° y vertical đ?&#x153;&#x2018; = 90Â°. AdemĂĄs, el cĂĄlculo analĂtico requiere que las dimensiones de la fisura y la tuberĂa cumplan ciertas relaciones numĂŠricas para hacer uso de coeficientes tabulados. Finalmente, la bibliografĂa del autor T.L. Anderson no posee expresiones para todos los casos estudiados en el presente trabajo. A continuaciĂłn se presentan graficas comparativas de los resultados obtenidos analĂticamente y por elementos finitos. SE Interna - DirecciĂłn Axial - PresiĂłn interna

SE Interna - DirecciĂłn Axial - PresiĂłn interna 800

Ď&#x2022;=0Â° Vertical

1000

FIT MPa [MPa mmm^0.5]

1200

800 API 579

600

ANSYS 14.5 400

Ď&#x2022;=90Â° Horizontal

750 700 650

API 579

600

Anderson ANSYS 14.5

550 500

200 2

a [mm]

Fig. 11. Resultados analĂticos y por EF de una fisura semi elĂptica interna en direcciĂłn axial bajo presiĂłn interna. a) PropagaciĂłn vertical Ď&#x2020; = 0Â°. b) PropagaciĂłn horizontal Ď&#x2020; = 90Â°

SE Externa - Dirección Axial - Presión interna

ϕ=0° Vertical

1000 800 600

API 579

400

ANSYS 14.5

200

SE Externa - Dirección Axial - Presión interna 800

FIT MPa [MPa mmm^0.5]

1200

ϕ=90° Horizontal

750 700 650

API 579

600

ANSYS 14.5

550 500

0 2

a [mm]

a) b) Fig. 12. Resultados analíticos y por EF de una fisura semi elíptica externa en dirección axial bajo presión interna. a) Propagación vertical φ = 0°. b) Propagación horizontal φ = 90° SE Interna - Dirección Circunf. - Esf. axial

SE Interna - Dirección Circunf. - Esf. axial

500

ϕ=0° Vertical

500 400 300

API 579 ANSYS 14.5

200 100

FIT MPa [MPa mmm^0.5]

600

0 2

a [mm]

ϕ=90° Horizontal

450 400

API 579

350

Anderson

300

ANSYS 14.5

250 200

a [mm]

a) b) Fig. 13. Resultados analíticos y por elementos finitos de una fisura semi elíptica interna en dirección circunferencial bajo esfuerzo axial. a) Propagación vertical φ = 0°. b) Propagación horizontal φ = 90° SE Externa - Dirección Circunf. - Esf. axial

SE Externa - Dirección Circunf. - Esf. axial

400

ϕ=0° Vertical

500 400 300

API 579 ANSYS 14.5

200 100 0 2

a [mm]

FIT MPa [MPa mmm^0.5]

600

ϕ=90° Horintal

375 350 325

API 579

300

ANSYS 14.5

275 250 2

a [mm]

a) b) Fig. 14. Resultados analíticos y por elementos finitos de una fisura semi-elíptica externa en dirección circunferencial bajo esfuerzo axial. a) Propagación vertical φ = 0°. b) Propagación horizontal φ = 90°

CONCLUSIONES

La diferencia entre los valores obtenidos a partir de la simulación por Elementos Finitos y métodos analíticos tradicionales resulta ser mínima. Tomando como referencia los valores obtenidos de las

expresiones de API579, el error promedio de las variantes geomĂŠtricas estudiadas para una fisura semi-elĂptica en una placa plana, es igual a -3.83%. La tuberĂa bajo presiĂłn con una fisura interna en direcciĂłn longitudinal alcanzo un error promedio de -8.02% en el punto medio de la grieta y -5.49% en los extremos de la misma. La evaluaciĂłn de la fisura externa bajo el mismo tipo de carga arrojo un error promedio de -4.27% en el frente de propagaciĂłn a travĂŠs de la pared de la tuberĂa y -1.19% en los puntos de propagaciĂłn superficial. Por otro lado, una tuberĂa con una fisura interior y circunferencial sometida a un campo de esfuerzos axiales alcanzo un error promedio de -2.80% cuando đ?&#x153;&#x2018; = 0Â° y de -1.03% cuando đ?&#x153;&#x2018; = 90Â°. DespuĂŠs de cuantificar la diferencia entre ambas alternativas, se afirma que es factible el anĂĄlisis de la mecĂĄnica de fractura elĂĄstico lineal mediante la la metodologĂa desarrollada en el presente trabajo, lo cual permitirĂĄ estudiar casos reales que requieran de un diagnĂłstico y colaborar a la toma de decisiones. Fisura axial con presiĂłn interna INSIDE OUTSIDE 0 90 0 90 -8.02% -5.49% -4.27% -1.19%

Fisura circunferencial con esfuerzos axiales INSIDE OUTSIDE 0 90 0 90 -2.80% -1.03% -7.86% -2.94%

Cabe mencionar que las limitaciones encontradas para determinar el FIT mediante expresiones analĂticas se deben de la infinidad de posibles configuraciones geomĂŠtricas que pueden darse, ademĂĄs las expresiones disponibles no son de fĂĄcil manejo, ya que se requiere de una serie de coeficientes que dependen de tablas diseĂąadas para ciertas relaciones geomĂŠtricas haciendo del cĂĄlculo una tarea pesada y lenta. La posibilidad de disponer de alternativas de evaluaciĂłn que sea de fĂĄcil integraciĂłn resulta interesante. REFERENCIAS API â&#x20AC;&#x153;Recommended practice 579 Fitness for serviceâ&#x20AC;?. Washington, D.C., 2000. Anderson, T. L. â&#x20AC;&#x153;Fracture Mechanics. Fundamentals and Applicationsâ&#x20AC;?. CRC Press. 2008. Chandrupatta, Tirupathi R. / Belengundu, Ashok D. â&#x20AC;&#x153;IntroducciĂłn al estudio del elemento finito en ingenierĂaâ&#x20AC;?. Segunda EdiciĂłn. Prentice Hall, MĂŠxico. 1999. Elices Calafat, Manuel. â&#x20AC;&#x153;MecĂĄnica de la fracturaâ&#x20AC;? Aplicada a sĂłlidos elĂĄsticos bidimensionales. Departamento de Ciencias de Materiales de la Escuela de Caminos de la Universidad PolitĂŠcnica de Madrid, Diciembre de 1995. Franco R. Rosendo. â&#x20AC;&#x153;AplicaciĂłn del mĂŠtodo de los elementos finitos en ingenierĂa mecĂĄnicaâ&#x20AC;?. Centro de EducaciĂłn Continua. PUCP. Lima. Marzo 2003. Saxena, Ashok. â&#x20AC;&#x153;Nonlinear fracture mechanics for engineersâ&#x20AC;?. July 1997. Tada, Hiroshi. â&#x20AC;&#x153;The stress analysis of cracks handbookâ&#x20AC;?. The American Society of Mechanical Engineers. 2000.

Revista de la Facultad de Ingeniería U.C.V., Vol. 30, N° 1, pp. 71-80, 2015

DISEÑO DE MALLAS ELECTROSOLDADAS PARA EL REFORZAMIENTO SÍSMICO DE VIVIENDAS DE ADOBE TÍPICAS DEL PERÚ ÁNGEL SAN BARTOLOMÉ (+) Y DANIEL QUIUN (1) 1

Cuadra 18, San Miguel, Lima, Perú. email: dquiun@pucp.edu.pe Recibido: septiembre 2013

RESUMEN Se trata de plantear una teoría simple que permita el diseño estructural del refuerzo sísmico a viviendas de adobe típicas del Perú y los países andinos. El refuerzo consiste en adicionar mallas de alambre electrosoldadas sobre los muros de viviendas existentes en 1998 en el Perú y luego en otros países andinos. Las viviendas de adobe reforzadas localizadas en las zonas afectadas por los terremotos de 2001 y 2007 ocurridos en Perú tuvieron un buen comportamiento estructural, mientras que viviendas vecinas sufrieron fuertes daños. Este trabajo muestra cómo las fuerzas sísmicas transversales al

Palabras clave: Adobe, Reforzamiento, Terremoto, Malla Electrosoldada, Diseño Estructural.

DESIGN OF WELDED MESHES FOR SEISMIC REINFORCEMENT OF ADOBE HOUSES TYPICAL OF PERU ABSTRACT A simple theory is proposed for the structural design of the seismic reinforcement for adobe houses, typical of Peru and other Andean countries. The reinforcement consists of welded meshes added over the adobe walls, in order to simulate other Andean countries. The reinforced adobe houses located in the areas affected by the earthquakes of 2001 and 2007 in Peru had a good structural behavior, while neighbor houses suffered heavy damage. This paper shows how the out-ofplane seismic forces in the adobe walls can be resisted by meshes located at the corners and longitudinal meshes. The hand

Keywords: Adobe, Reinforcement, Earthquake, Welded Mesh, Structural Design. INTRODUCCIÓN

Regional de Sismología para América del Sur (CERESIS)

En Perú, según el Censo de Población y Vivienda (INEI, 1994) existían más de 2 millones de viviendas de adobe donde vivían más de 9 millones de pobladores, la mitad de los cuales vive en áreas rurales, en condiciones de pobreza. El proyecto de investigación que se desarrolló entre 1994 y 1999 en el marco del Decenio Internacional para la Reducción de los Desastres Naturales de las Naciones Unidas, tuvo como objetivo buscar mecanismos para mejorar el comportamiento sísmico de viviendas de adobe existentes en los países andinos (Giesecke et al.,

(PUCP), por ello al proyecto se le conoce como GTZCERESIS-PUCP. Con el refuerzo a las viviendas de adobe tradicionales en áreas sísmicas, se lograría proteger la vida de millones de pobladores de escasos recursos, cuyas viviendas tienen una alta vulnerabilidad sísmica, debido al uso de materiales frágiles, un proceso constructivo

de cooperación técnica GTZ, administrado por el Centro

producen grietas verticales en las esquinas o encuentros

muros, falta de competencia de las cimentaciones, entre otras causas. Las fallas más peligrosas son causadas por los sismos que producen fuerzas perpendiculares al plano

entre muros perpendiculares, o en la zona central del muro, debido a la poca resistencia a la tracción de la albañilería de adobe (Tejada, 2001). Tras probar varios tipos de refuerzo, en el proyecto GTZCERESIS-PUCP se optó por aplicar como refuerzo sísmico franjas de mallas de alambre electrosoldado simulando adobe en proyectos pilotos en Perú y otros países andinos. El personal de la PUCP capacitó a obreros de las distintas localidades visitadas, mientras que los propietarios ayudaron del sur de Perú (M8.4), seis viviendas reforzadas soportaron el sismo sin daños (San Bartolomé et al. 2004), y en el terremoto de 2007 en la costa central de Perú (M8.0), otras cinco viviendas reforzadas también soportaron el sismo sin daños (San Bartolomé et al., 2008). En cambio, viviendas vecinas de adobe tradicional colapsaron o tuvieron daños severos.

separación de estos muros. El objetivo de este trabajo es mostrar un procedimiento de cálculo sencillo de las fuerzas que llegan a las mallas que permita su diseño, lo cual se puso a debate en el Comité Técnico Peruano de Adobe, a cargo de la actualización de la Norma E.080 (San Bartolomé, 2013). Las franjas de mallas se diseñan para soportar las acciones sísmicas transversales al plano de los muros de adobe “w”, en kg/m2. La carga de rotura “w” es proporcionada por la Norma E.030 de Diseño Sismorresistente de Perú (SENCICO, 2006), ésta depende de la zona sísmica (factor

peso del elemento (P). Las mallas electrosoldadas se comercializan en rollos de 0.9 m de ancho con 30 a 50 m de largo, éstas están formadas por alambres de 1 mm de diámetro con espaciamiento cada 19 mm o ¾” (cocada cuadrada), presentan una resistencia a la rotura de 220 kg/m (2.15 kN/m). Para su acabado y protección del medio ambiente, se recubren con mortero de

En vista del excelente resultado tras el terremoto de 2001, y promovió la construcción de unas 400 nuevas viviendas con este tipo de refuerzo en la zona alto andina de Arequipa, Perú afectada por el sismo (Castañeda et al., 2003). Además manuales de construcción mejorada con adobe (GTZcomunales y postas médicas (Chuquimia et al., 2005). Las dos experiencias sísmicas de 2001 y 2007, demuestran que es posible reforzar viviendas de adobe existentes para que resistan sismos fuertes sin daños. Cabe mencionar que la Norma E.080 de Adobe peruana (SENCICO, 2000) incluye como refuerzos especiales a cañas, maderas, mallas de alambre y columnas y vigas de concreto armado. La norma E.080 indica que la malla de alambre se puede usar como refuerzo exterior al muro, anclado adecuadamente a él, y protegido con una capa de mortero de cemento-arena. Las mallas en las dos caras del muro se unirán mediante elementos de conexión a través del muro. No se ofrecen procedimientos de análisis ni de diseño. Por ello, este trabajo contribuye a brindar un procedimiento sencillo de análisis y diseño estructural basado en las leyes de la mecánica. OBJETIVOS

Figura 1. Malla electrosoldada, instalación y recubrimiento Las mallas a diseñar son las esquineras (similares a “columnas”) y las longitudinales a colocar en los bordes superiores de los muros (similares a “vigas soleras”). Este diseño aplica para viviendas de adobe existentes y nuevas. Debe considerarse que si una capa de malla no fuese

DISEÑO DE MALLAS ESQUINERAS Estas mallas no necesitan anclar ni en la cimentación ni en el techo, por tanto, para reforzar viviendas existentes no se necesita desmontar el techo. Esto se debe a que los muros de adobe se deforman principalmente por fuerza cortante,

Las mallas electrosoldadas, que simulan vigas y columnas misión de integrar los muros de adobe transversales entre sí, de modo que ante las fuerzas de sismos, se evite la 72

Puesto que la falla por desgarramiento en el encuentro entre muros transversales se propaga desde arriba hacia abajo

entre muros, puede trabajarse con una altura efectiva h = ¾ H, donde “H” es la altura total del muro.

Figura 4. Diseño de Malla Esquinera Esta fuerza de tracción se reparte entre las 2 mallas fuerza de rotura actuante no sobrepase la resistencia de la malla a tracción (220 H, en kg). Figura 2. Propagación de la falla por desgarramiento entre muros perpendiculares Las mallas esquineras internas tendrán 0.9 m de ancho total (ancho del rollo comercial) y se extenderán verticalmente toda la altura del muro (H), doblando 0.45 m a 90º en cada

DISEÑO DE LAS MALLAS LONGITUDINALES Estas mallas se instalan en la parte interna y externa de los muros, cubriendo el borde superior de éstos, para unir las franjas de mallas verticales y simular una viga solera de

El ancho de estas mallas es 0.45 m (la mitad del ancho del rollo comercial) y su longitud se traslapa 0.30 m con las malla longitudinal debe ser continua.

Figura 3. Mallas esquineras y otras verticales Las mallas esquineras externas estarán compuestas por varias franjas continuas de altura 0.9 m, traslapadas verticalmente 0.1 m, hasta completar la altura total del muro. La longitud total de cada franja es igual a 2 t + 0.9 m, dónde “t” es el espesor del muro en metros.

Figura 5. Malla longitudinal y su traslape con la Malla Esquinera Las mallas se diseñan para controlar la grieta de tracción

entre los muros transversales, tal como se muestra en la superior del muro y nulo en la base, podrá trabajarse con un una distancia “L”) y por equilibrio se determinará la fuerza en tracción en cada extremo: T = ½ w L h (en kg).

(½ M). 73

suponiendo que la franja superior está biarticulada, con lo cual: M = 1/8 w a2. INTEGRACIÓN DE LAS MALLAS Y EL MURO

Figura 6. “M” en la altura Asimismo, podrá suponerse que el muro se encuentra arriostrado en 3 bordes, con el borde superior libre y con una longitud libre a = L – 2 t.

Para que las mallas funcionen integralmente con el muro, sin desprenderse durante el sismo, es necesario interconectarlas. En el Perú se emplea alambre delgado denominado #8 (cuyo diámetro es de 4.2 mm en promedio) el caso de la interconexión entre las mallas, se utiliza una porción de este alambre, a la que se denomina “conector”, pasando a través de perforaciones de 5x5 cm distanciadas

en la zona central superior, por unidad de altura, puede ser encontrado mediante la tabla 12 de la Norma E.070 (SENCICO 2006), ver Anexo.

Figura 8. Distribución de conectores cada 0.5 m Estas perforaciones deben rellenarse con mortero 1:5, y en Figura 7. Diseño de la Malla Longitudinal

través de perforaciones más pequeñas espaciadas cada 0.25 m.

Admitiéndose que el muro está arriostrado en 3 bordes, mediante la expresión 1:

M = m w a2

(1)

momentos; y la distancia “a”, longitud del borde libre se

Para el diseño de la malla se usará ½ M. Una vez que se calcula “½ M”, se le divide entre un brazo de palanca z, que se propone sea z = 0.9 t, para hallar la tracción promedio en la malla longitudinal, es decir: T = M / z. De este modo, la carga de rotura “T” deberá ser menor que la resistencia de la malla: 220 kg/m. En caso contrario, se agregará 1 o 2 capas de malla adicionales. Otra forma más conservadora de determinar “M” es 74

Figura 9. SECUENCIA EN LA INSTALACIÓN DE LAS MALLAS La secuencia ordenada que se debe seguir para instalar las mallas de refuerzo es la siguiente: a. Limpiar toda la zona donde irán las mallas. Para el caso 10), si es que existe.

con otras chapas o retazos de lata o madera, clavándolo con

Figura 10. Eliminación del tarrajeo existente b. Realizar las perforaciones de 5x5 cm cada 0.5 m donde Figura 14.

12).

lata

Figura 11. Perforaciones cada 0.50 m

Figura 12. Instalación del conector y taponado de la perforación Figura 15. retazos de madera o lata, clavándola al muro cada 0.25 m. Se evitará la formación de bolsones.

Figura 13. chapa

lata d. Proteger las mallas recubriéndolas con un tarrajeo

Figura 16. Tarrajeo de la malla con mortero 1:5 75

Para ilustración global del comportamiento y las variables del diseño estructural de la malla esquinera se puede

Diseño de la Malla Longitudinal Superior Se va a trabajar con los mismos datos empleados para el diseño de la malla esquinera.

18.

L = longitud total del muro = 4.5m t = espesor del muro = 0.3m 2

a = L – 2 t = 4.5 – 2x0.3 = 3.9m = longitud libre H = altura total = 3.0m

Figura 17. Diseño de la malla esquinera

Suponiendo que el muro está arriostrado en 3 bordes, e ingresando a la tabla 12 de la NORMA E.070 (Sencico 2006), ver Anexo, se obtiene: H / a = 3 / 3.9 = 0.77 M = m w a2 = 0.094 x 173 x 3.92 = 247 kg-m/m =

Asumiéndose que M = 0 en la base del muro, entonces el momento promedio a lo largo de la altura del muro será: M = ½ x 247 = 124 kg-m/m. Figura 18. Diseño de la malla longitudinal EJEMPLO NUMÉRICO DE DISEÑO Diseño de la Malla Esquinera Se va a suponer: L = longitud total del muro = 4.5m t = espesor del muro = 0.3m w = carga de rotura = Z U C1 P [NORMA E.030 (Sencico 2006)] Z = 0.4, factor de zona, costa del Perú U = 1, factor de uso (vivienda)

Para un brazo de palanca z = 0.9 t = 0.9x0.3 = 0.27m, la tracción T en la malla resulta: T = M/z = 124 / 0.27 = 459 kg/m. La tracción actuante (459 kg/m) resulta 2.09 veces mayor que la resistencia de la malla (220 kg/m), por lo que debe emplearse 2 capas de capa debe extenderse la mitad de la longitud libre, es decir

por las mallas) = peso volumétrico del adobe w = 0.4 x 1 x 0.9 x 1600 x 0.3 = 173 kg/m2 H = 3m = altura total h = ¾ H = 2.25m = altura efectiva para hallar la fuerza de tracción T T = ½ w L h = ½ x 173 x 4.5 x 2.25 = 876 kg

ANÁLISIS DEL EJEMPLO NUMÉRICO MEDIANTE EL SAP2000

Para cada malla: ½ T = 438 kg, repartida a lo largo de la altura H: 438 / 3 = 146 kg/m. La fuerza actuante (146 kg/m) es menor que la resistencia de la malla (220 kg/m), por lo que no se necesita colocar otra capa de malla.

análisis hecho manualmente en el acápite 6, se modeló al muro en diseño mediante el programa SAP2000 versión 15.0.0.

Figura 19. Doble malla longitudinal

Modelo matemático y datos para el SAP

20x16 = 320 elementos de adobe) 2

articulado (arriostres) el área (3x3.9 m2) para hallar la carga total, luego se dividió entre el número de nudos libres (19x16 = 304), para así obtener la carga concentrada sísmica en cada nudo: Fn = 6.66 kg.

Figura 21.

Para el caso del análisis con el SAP, esta tracción se obtiene los bordes verticales.

Figura 22. Reacciones “Rv” en uno de los bordes verticales Figura 20. arriostrado en 3 bordes Resultados del SAP Para el diseño de la malla longitudinal superior, se requiere En el ejemplo numérico manual se obtuvo M = 247 kgm/m = 247 kg-cm/cm. Aparte, se supuso que M variaba linealmente a lo largo de la altura y era nulo en la base, como se indicó en el acápite sobre el diseño de la malla longitudinal superior. Para el modelo en SAP, este momento es M11, y es máximo en el centro superior del muro: M11 21). En el centro el momento es la mitad y en la base es nulo. De este modo, se concluye que no hay mayor diferencia con el análisis manual.

Reacción Rv (kg) Figura 23. Variación de la reacción “Rv” en uno de los bordes verticales Estos resultados están tabulados desde arriba hacia abajo en la Tabla 1.

Para el diseño de la malla esquinera se requiere conocer la tracción en el encuentro entre los muros transversales. Esta tracción resultó T = 876 kg para el análisis manual. 77

Tabla 1. Variación de la reacción Rv (kg) en uno de los bordes verticales Altura (cm) 18.75 37.50 56.25 75.0 93.75 112.50 131.25 150.00 168.75 187.50 206.25 225.00 243.75 262.50 281.25 300.00

Reacción Rv (kg) 14.1 24.7 32.2 37.7 41.9 44.9 47.1 48.4 49.1 49.0 48.4 47.1 44.9 42.3 37.5 208.1

CONCLUSIONES a. En base al buen comportamiento observado del sistema de refuerzo de la malla electrosoldada en varias viviendas ha propuesto una metodología de diseño estructural, donde las fuerzas causadas por sismos, son resistidas Esta propuesta ha sido entregada al Comité de Adobe peruano para su discusión y revisión.

La suma total de las reacciones de la Tabla 1 es: T = 817 = 876 kg). Sin embargo, en la Tabla 1 se nota una gran reacción en el borde extremo superior (208 kg), para después mantenerse casi uniforme (46 kg en promedio), y en la cuarta parte inferior del muro, la reacción decrece

RECOMENDACIONES INVESTIGACIONES

PARA

NUEVAS

La metodología de refuerzo propuesta para construcciones de adobe se ha empleado experimentalmente en viviendas reales del Perú y otros países andinos, cuyos muros tienen un ancho de 0.25 a 0.30m, y alturas menores a 2.5m. Es por ello recomendable hacer más investigaciones para muros de mayor grosor y altura, tales como los empleados en escuelas, iglesias o ambientes de reuniones, donde quizás sea necesario usar otro tipo de mallas y conectores de mayor resistencia.

elementos de adobe, tales como vigas reforzadas con la malla electrosoldada y recubiertas con mortero, para así determinar el aporte del tarrajeo a la resistencia. En esos ensayos debe variarse la cantidad de capas de malla. Cabe señalar que en el ejemplo numérico resuelto en este artículo, por ello falta determinar el aporte del mortero. 78

Figura 24. Comportamiento de las viviendas reforzadas con la malla y sin reforzar ante los terremotos del 2001 y 2007 en Perú

coincidieron con la técnica manual de cálculo, en la tracción entre muros perpendiculares y en el momento

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Available online at www.sciencedirect.com

ScienceDirect journal homepage: www.elsevier.com/locate/watres

Eco-efficiency analysis of Spanish WWTPs using the LCA þ DEA method zquez-Rowe a,b, Sergio Chenel c, Yago Lorenzo-Toja a,*, Ian Va Desir ee Marı´n-Navarro c, Marı´a Teresa Moreira a, Gumersindo Feijoo a a

Department of Chemical Engineering, Institute of Technology, University of Santiago de Compostela, 15782 Santiago de Compostela, Galicia, Spain b Peruvian LCA Network, Department of Engineering, Pontificia Universidad Cat olica del Peru´, 1801 Avenida Universitaria, San Miguel, Lima 32, Peru c de Llobregat, Barcelona, Spain CETaqua, Water Technology Centre, 08940 Cornella

article info

abstract

Article history:

Wastewater treatment plants (WWTPs) are regarded as units designed for the efficient

Received 29 May 2014

removal of organic matter and nutrients from polluted wastewaters, avoiding their

Received in revised form

discharge into the environment. Despite these benefits, they have also been found to be

8 October 2014

highly energy intensive, with consequent increased emissions in terms of greenhouse

Accepted 12 October 2014

gases and other environmental impacts. Therefore, it has become imperative to monitor

Available online 29 October 2014

thoroughly the overall functioning of WWTPs from an integrated perspective with the aim of understanding how these can improve their eco-efficiency. In this case study, a group of

Keywords:

113 WWTPs located in regions across Spain were analysed using the methodology that

Data Envelopment Analysis

combines life cycle assessment (LCA) and data envelopment analysis (DEA). The aim of this

Eutrophication

work was to determine the operational efficiency of each unit in order to obtain environ-

Life Cycle Assessment

mental benchmarks for inefficient plants. Thereafter, the environmental gains linked with

Wastewater

the inputs reduction proposed for the DEA model for each unit were computed in order to verify eco-efficiency criteria. The operational complexity of WWTPs resulted in several identified factors affecting their efficiency which are discussed in depth, including the size of the facility, the climatic influence, the influent load and the over- or underuse of the plant. © 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Introduction

Conventional wastewater treatment processes have been applied since the early 20th century, when Ardent and Lockett first described the activated sludge process in the United Kingdom. For the past 100 years, wastewater treatment plants

(WWTPs) have been widespread all over the world in order to prevent human populations from disease, as well as avoiding ecosystems from degrading (Metcalf and Eddy, 2003). In fact, WWTPs have been increasingly designed to be very flexible within their operation (Hopkins et al., 2001). For instance, it is common for WWTPs to suffer important changes in the flow

* Corresponding author. E-mail addresses: yago.lorenzo@usc.es, yagolorenzotoja@gmail.com (Y. Lorenzo-Toja). http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2014.10.040 0043-1354/© 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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rate and wastewater composition entering the plant. Thus, the analysis of their efficiency can appear as a challenging task. Actually, previous studies dealing with efficiency analysis of WWTPs have been focused on economic and productivity aspects of the facilities (Sala-Garrido et al., 2012). For ndez-Sancho and Sala-Garrido (2009) worked instance, Herna on the assessment of the economic efficiency of several WWTPs along the Spanish Mediterranean coast. Their findings highlighted the usefulness of this type of analysis, since they offer a detailed overall picture of possible reductions in the use of operational inputs that are congruous with a certain output (effluent with fixed quality standards). Additional studies also analysed the changes in the productivity of WWTPs in urban environments (Marques and Monteiro, 2003; Byrnes et al., 2010), or the impact of privatisation and regulation processes in the water industry (Saal and Parker, 2000, 2001). A wide range of factors influence the performance of WWTPs. In fact, one of the most important driving forces affecting the efficiency of WWTPs has been shown to be the characteristics of the influent. Highly loaded influents usually imply satisfactory levels of pollutant removal. In contrast, diluted influents are prone to causing operational issues. Some additional factors affecting efficiency may not be so evident, such as seasonal variation due to tourism, which implies that WWTPs in tourist areas operate at full capacity during certain holiday periods throughout the year, but suffer ~ oz and underuse problems during the rest of the year (Mun Caus, 2005). Despite the obvious environmental benefits linked to the main purposes of WWTPs (Macleod and Haygarth, 2010; Gracia-Lor et al., 2012), including the removal of coarse solids and organic pollutants (e.g., dissolved organic matter, solids and nutrients), there are some important drawbacks linked to their operation in terms of sustainability (Molinos-Senante et al., 2011). These include aspects that affect environmental protection, as well as social and economic development (Balkema et al., 2002). In this sense, some studies have identified that certain operational inputs in WWTPs, such as the use of energy or chemicals, as well as the treatment of the wastes produced result in a rise of the total environmental impact linked to the treatment process (Hospido et al., 2004). An internationally standardised methodology to provide an integrated assessment of the environmental profile of products, named life cycle assessment (LCA), has been applied in wastewater treatment to identify the main environmental impacts from a life-cycle perspective (Emmerson et al., 1995; Hospido et al., 2004; Pasqualino et al., 2009; Rodrı´guez-Garcia et al., 2011a). Through time these studies have become increasingly specialised, dealing with the assessment of conventional active sludge technologies and non-conventional ones (Høibye et al., 2008), different sludge management strategies (Hospido et al., 2010) or the influence of system boundaries and scale (Lundin et al., 2000). Beyond the improvement actions that can be undertaken in individual WWTPs, such as the implementation of clean technologies or best available techniques (BATs), these strategies should be oriented towards a larger scope in which the use of resources and the subsequent reduction of environmental impacts should meet levels that are in accordance

with the Earth's carrying capacity (Schmidheiny, 1992; Schmidheiny and Stigson, 2000). Therefore, in the current study the analysis of the eco-efficiency of a large sample of WWTPs located throughout the Spanish geography is proposed. In order to fulfil this goal this research paper proposes the joint use of LCA with data envelopment analysis (DEA), a nonparametric method used for the estimation of production frontiers in operations research and economics (Cooper et al., zquez-Rowe et al., 2010; Va zquez-Rowe and Iribarren, 2007; Va 2014). This combined method allows the estimation of specific operational benchmarks to monitor the performance (i.e., ecoefficiency) of a wide range of comparable units (Iribarren et al., 2014). Once these are calculated through a DEA matrix that nourishes from life cycle inventory (LCI) data, the potential environmental gains for inefficient units (in this case WWTPs) are computed using LCA. The LCA þ DEA method has been applied to several production sectors in recent years, such as zquez-Rowe et al., 2011; Avadı´ et al., 2014), dairy fisheries (Va farms (Iribarren et al., 2011), energy (Iribarren et al., 2013) or zquez-Rowe et al., 2012; Mohammadi agri-food products (Va et al., 2013), proving to be a useful method in the field of eco-efficiency and industrial ecology in scenarios in which zquez-Rowe multiple inventory datasets are available (Va zquez-Rowe and Iribarren, 2014). et al., 2010; Va The present LCA þ DEA analysis is part of the European funded AQUAENVEC project, which delves into the energy and material flows in WWTPs in a large sample of Spanish WWTPs in order to improve the economic and environmental efficiency of these units (AQUAENVEC, 2012). Through the computation of the results, the main aim of the case study is to support decision-making when designing and managing WWTPs, by: i) providing a set of best practice target operational values, ii) estimating the environmental impact improvements linked to the target operational reductions, and iii) the identification of specific improvement actions at an operational level to attain, at least partially, the theoretical target operation points.

Materials and methods

2.1.

Definition of the case study

2.1.1.

Contextualisation of the study

WWTPs are complex systems with multiple operational inputs that are in constant change (Fig. 1). For instance, the load of the influent entering the plant presents high levels of variability, that is usually influenced by a wide range of local factors, such as precipitation or other climatic parameters, seasonal trends or the characteristics and proportion of the wastewater types that merge at the plant (Rodrı´guez-Garcia et al., 2011b). One of the main methodological issues is the definition of the function of the system as it serves as the basis to establish two key elements of a life-cycle assessment: the functional unit (FU) and the system boundaries. In fact, the consideration of the function of a WWTP as just the removal of pollutants from the influents leads to some limitations in the interpretation of the results obtained, since the quality of the effluent and the treatment efficiency are neglected (Silva et al., 2014). For

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653

Fig. 1 e Schematic representation of the system boundaries of the wastewater treatment (WWTP) system under assessment. Note that the figure is adapted to all the different WWTPs sizes.

instance, despite the removal of organic matter, solids and nutrients being the key objectives in the operation of a WWTP, the eutrophication potential linked to the discharge of the treated effluent corresponds to the main environmental impact in most plants (Rodrı´guez-Garcia et al., 2011a). Hence, based on a more accurate understanding of the efficiency of removal, Godin et al. (2012) developed a methodology that allows comparing a WWTP scenario and a null option scenario. This more WWT-oriented approach, named net environmental benefit (NEB) or Net Impact as in Igos et al. (2012), studies the difference between the direct discharge of wastewater to a water body considered as the null option and a wastewater alternative, as explained in more detail in Section 2.2.4 and in the Supplementary Information e SI (Godin et al., 2012). Furthermore, an important point when defining the function of the WWTP is the size of the facility in terms of design population equivalents (p.e), since it will influence the type of treatment and technology used (Gallego et al., 2008). In fact, a division in ranges WWTPs based on their p.e allows a better definition of the function of the system and comparing facilities with a common objective, as explained in further detail in Section 2.2.3 (Tillman et al., 1998; Lundin et al., 2000).

2.1.2.

Definition of the unit of assessment

A unit of assessment that will be used for computation in the DEA model has to be selected, which is named decision making unit e DMU (Cooper et al., 2007). Given the aims of the study, and in accordance with previous studies that have examined WWTPs using DEA methodology (Sala-Garrido et al., 2012), the unit of assessment (i.e., DMU) selected is the WWTP, since it constitutes the most reliable and homogeneous unit to which the results can be referred to (see Fig. 1). Each DMU will be then supported by a comprehensive inventory of the main inputs and outputs flows, which will be thereafter used in the DEA matrix to non-parametrically estimate their individual efficiency based on the DEA optimisation model described in Section 2.2.2. The model inserted in the matrix will then estimate a production efficient frontier, which is the aggregation of the best performing DMUs (Cooper et al., 2007). These are considered to be part of the reference set and are, therefore, efficient (F ¼ 1), while the remaining

units are located in the production possibility set (PPS) and present different levels of inefficiency with respect to the reference set. The final efficiency score, which aggregates the individual input/output ratios per DMU (Avadı´ et al., 2014), is accompanied by the computation of target operating values for improved efficiency (Cooper et al., 2007). A total of 470 WWTPs across the Spanish geography were inventoried in this case study to develop the LCA þ DEA assessment. However, the final number of DMUs actually assessed was reduced to 113 due to a series of data gaps and quality, on the one hand, and methodological issues, on the other, all of which are described and justified throughout the analysis.

2.2.

The LCþDEA framework

2.2.1.

The five-step LCA þ DEA method

LC (life-cycle) þDEA methods can be divided in two main zquez-Rowe groups: energy and environmental approaches (Va and Iribarren, 2014). In this particular study, an environmental LCþDEA method was selected for the computation of the results based on the objectives of the study: to understand the eco-efficiency of a wide range of WWTPs across Spain and to propose a series of benchmarks to improve their environmental profile. For this, a five-step LCA þ DEA method, as zquez-Rowe et al. (2010), was implemented that presented in Va allows the minimisation of operational inputs to guarantee a reduction in operational inefficiencies and, subsequently, environmental impacts throughout the sample assessed. The five-step LCA þ DEA method, as can be seen in the form of a schematic representation in the graphical abstract, is structured as follows: i) collection of data individually for each unit of assessment to build the LCI and organise the DEA matrices; ii) calculation of the current environmental profile of the DMUs through the computation of the life cycle impact assessment (LCIA); iii) implementation of the DEA model to obtain the efficiency scores and target reference values for each DMU; iv) estimation through a second LCIA stage of the target environmental impacts linked to inefficient entities based on the benchmarks obtained in step 3; and v) ecoefficiency verification through the interpretation of the

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results obtained, as well as analysis of feasible improvement actions to attain the target performance benchmarks zquez-Rowe et al., 2010). However, it (Iribarren et al., 2010; Va should be noted that in a similar way as in Avadı´ et al. (2014), it was necessary to provide a modification of the method in order to compute certain inputs in a homogeneous form. More specifically, the chemicals used in the different WWTPs are highly variable, with different characteristics and amounts being used. Nonetheless, the use of chemicals and their associated environmental impacts due to their transportation by road to the facility have shown to have a relevant impact on the overall environmental profile of WWTPs (Hospido et al., 2008). Therefore, with the aim of assuring a homogeneous quantification of these chemicals in the DEA matrix, the weighted ReCiPe endpoint LCIA method was used to attain a final single indicator value for the cluster of chemicals that are being used in the WWTPs assessed (Goedkoop et al., 2009). In other words, chemicals that are included in the chemical consumption input in the DEA matrix, as shown in Section 3, will suffer direct environmental benchmarking in step IIb (see graphical abstract), instead of a two-step environmental benchmarking observed for regular operational inputs (Avadı´ zquez-Rowe and Iribarren, 2014). et al., 2014; Va

2.2.2.

DEA model selection

A range of different models were tested for the DEA matrices that were built for this case study. The assessed models included variants of the Charnes-Cooper-Rhodes (CCR), the Banker-Charnes-Cooper (BCC) and the assurance region (AR) models (Cooper et al., 2007). However, the model that was finally selected to compute the results was the slacks-based measure of efficiency (SBM).1 This selection was done based on its elasticity regarding the calculation of the inefficiencies for the different entities (i.e., DMUs), since it performs the computation regardless the units of measure used for the different inputs and outputs (Cooper et al., 2007; Thrall, 1996). In a similar way, unlike CCR and BCC models, the SBM model considers non-radial characteristics of inputs and outputs, which makes it more appropriate for monitoring inputs with vague interconnections (Cooper et al., 2007). In addition, according to Tone (2001), the SBM model accounts for all inefficiencies, whereas other models (i.e., CCR) only take into consideration purely technical efficiency. Finally, the SBM model provides a series of target values for the minimised inputs and/or outputs that deliver appropriate benchmarks to calculate the target theoretical environmental profile of inefficient DMUs (Cooper et al., 2007). The SBM model allows assigning weights to the selection of inputs and outputs included in the DEA matrix (Cooper et al., 2007). While this feature may be useful in some LCþDEA approaches, such as CFP (carbon footprinting) þDEA, in which the main sources of environmental impact are easier to detect due to the single environmental dimension that is taken into consideration. However, in LCA þ DEA methods, given the inclusion of a wide range of environmental impact categories, weighting is not recommended due to the variable role of operational inputs in the final impacts per category. 1

Section S6 in the Supplementary Information (SI) provides the mathematical formulation of the SBM model.

An input-oriented approach was selected for this case study, in accordance with previous LCA þ DEA studies (Avadı´ et al., 2014). This perspective was chosen based on the main objective of minimising the use of resources and, therefore, an optimisation of operational inputs, while maintaining the zquez-Rowe et al., 2010; Va zquezquality of the effluent (Va Rowe and Iribarren, 2014). Finally, constant returns-to-scale (CRS) were assumed in the final selection of DEA matrices, since these were aggregated based on their operational size, limiting the effects of scale factors between WWTPs (Banker et al., 1984; Cooper et al., 2007).

2.2.3.

Selection of DEA matrices

A total of three different DEA matrices were selected to perform the assessment. This structure was based on the assumption that it was necessary to disaggregate the 113 WWTPs in order to perform an accurate assessment. A parallel study within the AQUAENVEC (2012) project that analysed approximately 80 WWTPs from Atlantic and Mediterranean regions in Spain determined that these plants could be aggregated into three main blocks linked to the p.e. they were designed to treat, since the technology used and the function of the WWTP in each of these groups is highly comparable, whereas important technological leaps were observed between the groups. Consequently, three different ranges were fixed, each of which represent three different DEA matrices with a variable number of DMUs, depending on the available data: i) WWTPs between 0 and 20,000 p.e. (Small WWTPs); ii) WWTPs between 20,001 and 50,000 p.e. (Medium WWTPs); and iii) WWTPs treating wastewater above 50,000 p.e. (Large WWTPs). Nevertheless, two important methodological assumptions should be noted. On the one hand, the p.e. calculated for the different WWTPs were based on actual operating capacity (considering 2011 operational data), rather than on the original design of each plant, since this allows to have a more realistic perspective of the plant. In addition, considering the real load of the plant allowed identifying facilities with over- or under-use concerns, and issue discussed in detail in section 4.2.2. On the other hand, despite the variable number of DMUs in each matrix, they all met the rule of thumb regarding the number of inputs and outputs required without affecting any statistical constraint (Cooper et al., 2007).2

2.2.4.

Input and output selection for the DEA matrices

Three different inputs were included in the DEA matrices: i) electricity use at the WWTPs; ii) chemical consumption; and iii) sludge production. Inputs 1 and 3 involved the direct computation of the inventory data for these items, which can be considered standard practice in most LCþDEA studies zquez-Rowe et al., 2010, 2011, 2012; Iribarren et al., 2011). (Va However, input 2 (i.e., production of chemicals), as described previously in Section 2.2.1 and in Avadı´ et al. (2014), did not refer to an individual inventory item, but to a series of

The rule of thumb which is used to determine the minimum sample size in a particular DEA matrix is: n max {m s, 3 (m þ s)} (Cooper et al., 2007), where m represents the number of inputs used in the DEA matrix and s is the number of outputs.

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chemicals with heterogeneous characteristics but one common function. The selected output used in the DEA matrices must summarise the function of the WWTP. As previously mentioned in Section 2.1, the definition of the function is a challenging and important task when analysing these units. Several commonly used FUs in LCA studies were tested as possible outputs including kg of suspended solids removed or cubic metre of treated water or kg of PO 3 4 removed. Finally, the NEB indicator was chosen since it provides the most accurate approach to the operational objective of a WWTP: eutrophication potential reduction. The NEB therefore results from the difference between the avoided and induced potential environmental impacts of the WWTP as represented in the SI. The selection of inputs and outputs, as shown in Fig. 2, allowed capturing to a great extent the depth of the LCI in the DEA matrix, encompassing all those inputs that have repeatedly shown to account for an overwhelming portion of the environmental impacts identified in previous LCA studies on WWTPs (Hospido et al., 2004; Rodrı´guez-Garcı´a et al., 2011a,b).

Results

3.1.

Inventory data

The collection of inventory data for the computation of lifecycle environmental management tools should be intensive and thorough (ISO, 2006a,b). Moreover, DEA allows the

655

individual assessment of homogeneous sets of entities (in this case WWTPs). This implies that the application of the LCA þ DEA method requires a meticulous and exhaustive data collection phase for each of the selected DMUs in order to guarantee the consideration of their particular characteristics and, subsequently, the feasibility and robustness of the final results (Iribarren et al., 2011). As previously mentioned, a total of 470 WWTPs were inventoried for their assessment. Data were provided mainly by the Water Technology Centre (CETAQUA) in the form of vast Excel sheets in which a range of operational inputs and outputs were included (see Table 1 for those relevant for the computation of an LCA þ DEA assessment). Regarding operational values like volume of treated water, chemical consumption or energy use among others, the record books of each plant were used as the primary source. Data were provided on an annual basis for years comprised between 2009 and 2012. However, the depth of data availability was substantially higher for year 2011, which led to the examination of this particular year. Despite the numerous data available, a wide range of plants were discarded for their final use in the LCA þ DEA assessment due to a series of determining factors. Firstly, those WWTPs that presented important data gaps, based on the selection of inputs and outputs discussed in Section 2.2.4, were discarded leaving the remaining WWTPs at 162. In a second phase, a set of meetings were held between the LCþDEA practitioners and WWTPs technicians to evaluate the quality of the data in the remaining WWTPs. In this stage, a

Fig. 2 e Life cycle inventory (LCI) and DEA items included for each DMU.

656

w a t e r r e s e a r c h 6 8 ( 2 0 1 5 ) 6 5 1 e6 6 6

Table 1 e Main average inventory data of the case study per WWTP size (with standard deviations in brackets; values per m3 of treated water). WWTP size based on the range population equivalent 0e20,000 Influent COD (g) TSS (g) TN (g) TP (g) Effluent COD (g) TSS (g) TN (g) TP (g) Wastes Sludge (kg) U.S.W (g) Grit (g) Grease (g) Electricity From the grid (kWh) Chemicals Polyelectrolite (g) FeCl3 (g) NaClO (g) Others (g)

20,000e50,000

>50,000

516 (±269) 238 (±125) 52.4 (±24.7) 7.02 (±4.25)

662 308 48.5 6.75

(±206) (±102) (±25.0) (±8.97)

666 308 53.8 8.55

(±291) (±117) (±24.9) (±6.02)

49.3 (±48.1) 15.1 (±15.0) 13.7 (±8.97) 2.41 (±1.37)

78.8 23.0 16.7 1.75

(±105) (±19.8) (±13.3) (±1.80)

56.50 16.2 26.6 2.05

(±36.3) (±17.1) (±16.2) (±1.29)

1.24 (±1.48) 29.1 (±61.5) 17.3 (±44.7) 5.70 (±27.6)

1.04 22.8 31.2 3.25

(±0.41) (±15.4) (±44.8) (±4.69)

0.93 27.9 26.7 3.76

(±0.52) (±23.5) (±29.8) (±9.36)

0.89 (±0.92)

0.45 (±0.13)

0.41 (±0.27)

1.98 (±1.94) 3.18 (±12.6) 18.9 (±148) 3.50 (±27.9)

2.10 2.65 0.03 3.60

2.50 19.5 1.24 10.8

(±1.31) (±5.97) (±0.12) (±9.63)

(±2.53) (±29.1) (±3.52) (±30.6)

COD ¼ chemical oxygen demand; TSS ¼ total suspended solids; TN ¼ total nitrogen; TP ¼ total phosphorus; U.S.W ¼ urban solid waste.

set of 19 WWTPs were discarded given the lack of reliable data, since they did not meet the established quality thresholds: daily samples for wastewater parameters, lack of important data regarding operational inputs, etc. More specifically, the shortage of data quality was mainly identified in Small WWTPs that lack continuous operational control. Finally, in a third stage the WWTPs were divided in two main blocks depending on whether their treatment chain presented an operating tertiary treatment system or not. The rationale behind this discrimination was based on the fact that the main objective of WWTPs is to reduce the amount of organic matter, suspended solids and nutrients that contributes to eutrophication potential in wastewater. While this target is common to all WWTP, those that operate some type of tertiary system (e.g., chlorination, active carbon, ozonisation, etc.) not only perform this goal, but also improve the quality of the water by reducing the content of other types of pollutants, such as pathogens, pharmaceuticals and personal ~ oz et al., 2009). Therefore, this freecare products (Mun microbial effluent can be used safely for water reuse purposes. Consequently, WWTPs with or without tertiary systems were not considered to conform similar entities. Thereafter, it was proposed to eliminate those operational inputs that affect WWTPs with tertiary treatment only, in order to make them directly comparable to WWTPs without these final treatments. However, the level of detail of the data provided by CETAQUA did not allow to follow this strategy. In

other words, plants with tertiary treatment would be penalised for increased energy and chemical use in the minimisation stage of the LCA þ DEA method, when these units are actually providing an improved final product (Ortiz et al., 2007). Unfortunately, the number of WWTPs available with operating tertiary systems were not sufficient to conduct independent DEA assessment for this group. Hence, the scope of the study was limited to those WWTPs with good data quality that lacked an operating tertiary treatment system in operation. The final sample size used in the case study comprised a total of 113 WWTPs spread out through most of Spain, as can be observed in Fig. 3. This sample represented 6.85% of the total amount of population equivalent treated in Spain in 2011 (Ministry of the Environment, 2014), which demonstrates the significance of these data. The electricity mix used for the study was modelled based on the ecoinvent® database, but updating the data for the average electricity production and import/export data for ctrica Espan ~ ola, 2011). The medium Spain in 2011 (Red Ele voltage electricity used in WWTPs was subsequently modelled by adding the transformation from high voltage, direct SF6 emissions to air and electricity losses due to transportation systems. Finally, data for background processes were taken from the ecoinvent® database (Frischknecht et al., 2007).

3.2. Life Cycle Impact Assessment (LCIA) of current DMUs The Life Cycle Inventory built for each individual WWTP (i.e., DMU) was implemented in SimaPro 8.0 with the aim of performing the Life Cycle Impact Assessment e LCIA (Goedkoop et al., 2010). The results were computed using the ReCiPe midpoint and endpoint hierarchist assessment methods. The main difference between the two methods is linked to the environmental perspective they assume. Midpoints are defined as a parameter in a cause-effect chain or network for a particular impact category that is between the inventory data and the category endpoints, whereas endpoints reflect differences between stressors at an endpoint in a cause-effect chain and may be of direct relevance to society's understanding of the final effect, such as measures of biodiversity changes (Bare et al., 2000). For the midpoint methodology, results were calculated for all the individual impact categories included in this method (see Table S1 in the Supplementary Information to see the entire list), whereas for the endpoint the results were reported using the single score weighted value3 with the aim of providing one single value of reference for each DMU. The FU, which is the unit selected to which the LCIA results are referred to (ISO, 2006a), was fixed as 1 m3 of wastewater treated by the WWTP in the year 2011. Fig. 4 illustrates the average single score endpoint value per each of the three WWTP segments (see Table S1 in the SI for the midpoint results per WWTP group). 3

The specific perspective that was selected in this study was the hierachist one, which considers a weighting of 40% for human health impact categories, 40% for ecosystem quality categories and 30% for resources categories.

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657

Fig. 3 e Location of the wastewater treatment plants assessed in Spain by size: <20,000 population equivalent (small dark blue dots), 20,000e50,000 population equivalent (medium blue dots) and >50,000 population equivalent (large clear blue dots). (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)

3.3.

DEA computation and efficiency scores

The DEA matrices were elaborated based on the available LCI and according to the discussion performed in section 2.2.4 concerning the inclusion and exclusion of inputs and/or outputs in the matrix. As mentioned in section 2.2.3, a total of three different matrices were structured based on the size of

the WWTPs (see Tables S2, S3 and S4 in the Supplementary Information - SI). These three matrices were introduced in the DEA-Solver Professional Release 10.0 software (Saitech, 2014) and ran under an input-oriented SBM (SBM-I) model as previously mentioned. The solution of a DEA optimization model leads to an efficiency score and to the definition of operational targets

Fig. 4 e Average single score (ReCiPe endpoint H) environmental impacts for each segment size.

658

w a t e r r e s e a r c h 6 8 ( 2 0 1 5 ) 6 5 1 e6 6 6

Table 2 e Target reduction percentages for operational inputs and efficiency scores (%) for small size (<20,000 population equivalent) wastewater treatment plants e WWTP. DMU

1 2 3 4 5 7 8 9 11 12 13 14 16 17 18 19 20 22 23 24 25 27 28 29 30 32 33 34 36 38 39 40 41 43 44 45 46 47 50 51 53 54 55 56 59 61 64 65 67 68 72 73 75 77 80 83 84 85

Inputs Electricity (%)

Chemical consumption (%)

Sludge production (%)

88.11 69.02 69.41 63.45 46.55 65.05 48.45 65.24 57.01 77.79 84.91 86.23 44.63 41.67 54.93 27.56 71.48 83.33 47.87 72.45 65.23 65.68 69.56 62.57 80.85 52.18 93.20 49.51 60.51 0.00 70.23 78.28 89.77 79.83 0.00 48.58 82.27 61.19 91.00 69.35 94.95 0.00 49.58 25.85 65.80 49.60 24.07 0.00 65.67 72.03 73.39 95.32 9.71 59.04 32.27 42.06 44.09 20.24

94.77 70.23 90.61 65.00 81.36 76.46 41.49 81.53 75.70 76.11 95.78 97.17 53.25 49.82 78.32 70.67 85.33 96.99 77.97 82.59 77.65 81.52 93.17 81.32 93.51 65.27 93.64 78.15 72.57 0.00 98.07 98.53 96.70 76.21 0.00 78.99 88.24 64.40 95.16 77.21 94.80 0.00 88.55 88.15 77.13 68.08 71.64 0.00 72.18 97.96 54.74 99.69 36.81 94.30 69.04 55.00 76.66 87.85

91.79 76.23 88.56 86.77 81.60 87.56 58.68 52.01 74.46 99.08 95.12 91.87 53.21 82.10 69.77 71.54 91.37 96.75 81.39 83.80 84.14 87.97 41.64 84.26 89.84 78.82 93.61 74.26 77.77 0.00 52.18 89.20 72.06 87.58 0.00 75.79 77.93 76.29 93.92 79.31 91.01 0.00 74.18 76.70 88.15 71.17 44.51 0.00 77.17 86.46 71.74 93.62 26.96 68.57 63.57 50.73 77.03 69.22

Table 2 e (continued ) DMU

Efficiency (%)

8.44 28.18 17.14 28.26 30.16 23.64 50.46 33.74 30.95 15.68 8.06 8.24 49.64 42.14 32.33 43.41 17.28 7.64 30.92 20.39 24.33 21.61 31.88 23.95 11.93 34.58 6.52 32.69 29.72 100.00 26.51 11.33 13.82 18.79 100.00 32.21 17.19 32.71 6.64 24.71 6.42 100.00 29.23 36.43 22.97 37.05 53.26 100.00 28.33 14.52 33.38 3.79 75.51 26.03 45.04 50.74 34.07 40.90

86 87 89 90 91 92 93 96 98 99 101 102 105 106 108 109 110 112 113

Inputs Electricity (%)

Chemical consumption (%)

Sludge production (%)

47.09 93.83 64.23 68.43 84.49 39.39 58.16 61.73 36.89 73.47 45.00 54.07 44.41 83.63 69.86 79.24 0.00 93.01 78.42

90.92 91.36 69.44 88.46 96.87 76.09 93.99 84.31 44.03 82.41 77.64 95.33 70.94 84.44 79.10 94.41 0.00 78.29 92.39

80.35 90.58 38.36 72.56 93.10 79.83 84.97 84.84 56.71 46.74 47.74 81.06 66.82 73.19 72.79 84.31 0.00 89.97 91.12

Efficiency (%)

27.22 8.07 42.66 23.52 8.51 34.90 20.96 23.04 54.13 32.46 43.21 23.18 39.28 19.58 26.08 14.01 100.00 12.91 12.69

DMU Âź decision making unit.

for the selected inputs and output; these results are presented in Tables 2e4. Only a total of 11 facilities were found fully efficient (i.e., efficiency score of 100%). Regarding the rest of WWTPs under assessment, 60% of the total ranges between 25% and 75% of efficiency. This allowed important input target reductions that are expected to generate notable minimisation opportunities in the environmental impacts. Non-efficient WWTPs were defined within each range of p.e.. The target reduction percentages proposed in Tables 2e4 for the operational values would potentially allow the

Table 3 e Target reduction percentages for operational inputs and efficiency scores (%) for medium size (20,000e50,000 population equivalent) wastewater treatment plants e WWTP. DMU

6 10 15 31 35 49 58 60 62 63 78 81 88 111

Inputs Electricity (%)

Chemical consumption (%)

Sludge production (%)

48.09 73.01 0.00 48.82 72.97 0.00 63.41 98.64 96.86 22.73 0.00 36.47 51.17 91.47

78.22 64.83 0.00 60.78 77.46 0.00 62.05 96.14 94.70 56.90 0.00 71.69 95.05 75.90

27.56 59.73 0.00 0.00 55.24 0.00 43.22 98.45 94.43 69.88 0.00 28.93 25.97 88.44

DMU Âź decision making unit.

Efficiency (%)

48.71 34.14 100.00 63.47 31.44 100.00 43.77 2.26 4.67 50.17 100.00 54.30 42.60 14.73

w a t e r r e s e a r c h 6 8 ( 2 0 1 5 ) 6 5 1 e6 6 6

Table 4 e Target reduction percentages for operational inputs and efficiency scores (%) for large size (>50,000 population equivalent) wastewater treatment plants e WWTP. DMU

21 26 37 42 48 52 57 66 69 70 71 74 76 79 82 94 95 97 100 103 104 107

Inputs Electricity (%)

Chemical consumption (%)

Sludge production (%)

0.25 0.00 43.78 80.96 14.08 39.07 63.43 0.00 16.19 67.14 8.89 48.03 59.14 61.05 0.00 0.00 47.51 0.00 24.06 49.20 56.15 23.26

82.37 67.36 37.79 58.30 49.04 20.97 86.19 0.00 72.28 96.67 72.74 86.62 91.04 96.94 0.00 94.29 81.11 0.00 35.12 93.02 57.86 91.78

67.43 44.94 50.14 83.24 52.63 42.29 3.49 0.00 39.74 82.58 23.58 57.11 80.60 77.44 0.00 30.41 77.37 0.00 65.27 45.67 70.28 62.60

Efficiency (%)

49.98 62.57 56.10 25.83 61.42 65.89 48.96 100.00 57.26 17.87 64.93 36.08 23.07 21.53 100.00 58.43 31.34 100.00 58.52 37.37 38.57 40.79

DMU ¼ decision making unit.

inefficient WWTPs to operate under fully efficient conditions without hampering their output production. Obviously, efficient DMUs did not experiment any changes, thus their operational target match with their actual operating point.

3.4.

LCIA of target DMUs

Once the target values were obtained through DEA for the inefficient WWTPs, a new environmental impact assessment with LCA was performed. As in the previous environmental characterisation (Section 3.2), ReCiPe midpoint and endpoint hierarchist assessment methods were used. This new iteration allowed the quantification of the environmental burdens of inefficient plants if they were operated in an efficient way. Finally, it should be noted that even though the target DMUs are all under efficient conditions, the environmental performance of each unit is not the same due to differences in the target input inventories. The final stage of the five-step LCA þ DEA methodology consisted in the comparison between the environmental loads calculated for the current DMUs and those calculated for the virtual ones. In other words, the goal of this final stage is to prove that reductions in environmental impacts are directly related with increased eco-efficiency due to operational zquez-Rowe et al., 2010). As plotted in Fig. 5, benchmarking (Va the single score endpoint environmental impact per cubic meter of treated water (i.e. per FU) for the original WWTPs (dark tone) was compared to the one associated with the virtual WWTPs (light tone). As expected, the environmental impacts in

659

the virtual targets were lower than the ones of the original DMUs due to the minimisation of resource consumption.

Discussion

4.1. Environmental and operational performance of Spanish WWTPs The results obtained were in accordance with previous results reported in LCA studies dealing with WWTPs performance, at least in terms of eutrophication potential (EP) and climate change (CC). In the case of the CC category, the average impact resulted in 4.5E-01 kg CO2 eq/m3; similar results were found in Rodrı´guez-Garcia et al. (2011a), with values for the global warming potential (GWP) category ranging from 2.0E-01 to 4.5E-01 kg CO2 eq/m3 or in the studies conducted by Pasqualino et al. (2009, 2011). Although the outcome of the present work matches the upper limit of the cited study it should be noted that the results were obtained throughout different assessment methodologies. Hence, even though they are not fully comparable, they can be used as a reference. Regarding Freshwater EP, the average outcome for this category was 2.16E-03 kg P eq/m3, while in Rodrı´guez-Garcia et al. 3 3 (2011a) was 1.42E-2 kg PO 3 4 eq/m (4.63E-03 kg P eq/m ). As previously mentioned in Section 3.1, the range of Small WWTPs presented a higher variability in the LCI values due to its heterogeneity and, to a certain extent, due to lack of quality as compared to the other two groups within its data. As expected, the results of the LCIA showed similar levels of uncertainty, suggesting that small WWTPs are going to be strongly influenced by a series of operational factors. In contrast, the two other ranges appeared to have more consistent results, although standard deviations remained relatively high. As highlighted in previous studies, the LCA þ DEA combined methodology allows dealing with this type of heterogeneous datasets, allowing an analysis that goes zquez-Rowe et al., beyond the use of average inventories (Va 2012). Despite the single score perspective presented in Fig. 4, and taking into consideration the discussion highlighted in Section 2.1, the EP impact avoided by treating the wastewater is the main function of a WWTP in an LCA study. Therefore, it was important to consider the NEB index in terms of EP as the output for the DEA matrix. The NEB average results for the three different ranges were: 3.86E-2 (±2.21E-2) kg N eq/m3 for Small WWTPs, 3.17E-2 (±2.16E-2) kg N eq/m3 for Medium WWTPs and 2.76E-2 (±2.26E-2) kg N eq/m3 for Large WWTPs. No negative results were observed, thus in terms of eutrophication potential the treatment hypothesis is always better than discharging the influent without any treatment for all DMUs. However, in terms of efficiency, the results computed in the DEA study showed that most of the DMUs under assessment ranged between 25% and 75%. In fact, only 11 DMUs of the 113 evaluated were found fully efficient (see Section 3.3), which represents a relatively low number in comparison with zquez-Rowe et al., 2012). previous LCA þ DEA studies (Va Nevertheless, it should be noted that previous studies did not focus on WWTPs, but have dealt with other production

660

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Fig. 5 e Single score endpoint environmental impact (ReCiPe endpoint H) for original DMUs (dark tone) and virtual targets (light tone) per DMU for small (red) medium (blue) and large (green) wastewater treatment plants e WWTPs. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)

systems with their particular characteristics. In fact, it must be noted that WWTPs constitute complex systems influenced by several underlying factors that are analysed in depth in the following subsection. For instance, the size of the plant, the characteristics of the influent, climate region, type of technology, age of the facility and operational practices are some of the main driving forces influencing the efficiency of a WWTP. Some important differences were found between the three operational size ranges under study. The matrix for small WWTPs was composed of a total of 77 DMUs. The average efficiency of these units was 31.6%, the lowest of the three different clusters considered. Moreover, only five of these entities were operating at full efficiency. Interestingly, three of these units were designed only for carbon removal, while the other two operated with a technology allowing carbon and nitrogen removal. Regarding the medium WWTPs, the DEA matrix computed data from 14 DMUs, with the average efficiency calculated at 49.3%. In this case, three plants were deemed efficient, all of which were equipped with carbon and nitrogen removal technologies. Finally, in the large WWTPs range the average efficiency of the 22 DMUs assessed was 51.6%, the highest of the three groups assessed. Once again,

three WWTPs achieved full efficiency, two of them with carbon and nitrogen removal and the third with carbon removal technologies. In order to establish a possible benchmark for each range of p.e, the average of the inputs and output for the efficient WWTPs (i.e. F Âź 100%) were calculated as shown in Table 5.

4.2.

Underlying factors

4.2.1.

Characteristics of the influent

It is well known that the influent composition is a strong driving force, influencing the performance of WWTPs (Pai et al., 2011). Furthermore, the organic load of the wastewater entering the plant constitutes a key parameter for its operation (Garnier et al., 2013). Highly loaded organic wastewater will ultimately lead to higher energy consumption due to increased aeration needs and higher sludge production rates. Similarly, diluted influents also constitute a potential cause of operational problems such as low sludge settling index (causing washout of biomass from the biological reactor) or low organic removal rates. In order to study the influence of the influent load on the eco-efficiency of the WWTPs, the range of Large WWTPs was

Table 5 e WWTPs benchmarking. Average inputs and output values for efficient DMUs. Range of WWTP

Small Medium Large

Inputs

Output

Electricity (kWh/m3)

Chemical consumption (Pt/m3)

Sludge production (kg sludge/m3)

NEB (kg N eq/m3)

8.97E-1 3.59E-1 2.81E-1

8.79E-4 5.96E-4 2.62E-3

5.76E-1 9.28E-1 4.43E-1

5.48E-2 4.69E-2 2.80E-2

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selected due to the consistency and trustworthiness of its data. The average of BOD5 for the three fully efficient DMUs (Numbers: 66, 82 and 97) within this range was 314.8 g O2/m3. If we take a look at the DMUs with the highest loaded influents (i.e., DMUs 52, 70 and 107), their BOD5 averages 669.6 g O2/m3, while their efficiencies are 65.9%, 17.9% and 40.8%, respectively. In contrast, the DMUs with lowest influent load (i.e., DMUs 57, 74 and 94) averaged 156. 5 g O2/m3. These resulted in efficiencies of 49.0%, 36.1% and 58.4%, respectively. When analysing these figures, it was not possible to identify a clear tendency relating the WWTP efficiency with the influent load. Nevertheless, Fig. 6 shows the relation between the influent EP and the eco-efficiency score for all the DMUs. Again, no obvious trend is observed, but it seems that the most ecoefficient WWTPs are comprised within a range (4E-02 and 9E-02 kg N eq/m3). Beyond this range, the scores obtained tend to be poor. Consequently, as expected, the environmental performance of a WWTP is probably not influenced by just one factor, but by a complex set of underlying parameters. For instance, DMU 70 presented low removal efficiency, which combined with a high loaded influent, resulted in a poor environmental performance.

Oversized plants normally will lead to unnecessary investment and operational costs, while undersized ones will require costly upgrades in order to fulfil environmental standards that also tend to vary through time. Regarding the 113 plants under assessment, the availability of the p.e design numbers and the calculated real p.e based on the 2011 data allowed the estimation of the deviation between these two parameters. As a result, an important amount of oversized and, to a lesser extent, undersized plants, were identified. In fact, 71 out of the 113 (63%) plants were found to be operating below 50% of their design capacity and, therefore, were deemed oversized. These figures resulted much more higher than the expected due to the normal design oversizing practiced by the engineers (seasonal population variations, climatic conditions, population growth, etc.). In the case of undersized facilities, only 8 operated above 120% of their design capacity. Nevertheless, as plotted in Fig. 6, no clear correlations between the overcapacity of the plants and their efficiency can be extracted. Only in the more-extreme cases (overcapacity > 300%) a clear tendency of low efficiency scores can be observed.

4.2.3. 4.2.2.

Characteristics of over and undersized WWTPs

WWTPs are usually built to have a long lifespan and, therefore, are considered rather static systems. Thus, when planning and designing these facilities, future uncertainty are usually not taken into consideration (Domı´nguez and Gujer, 2006). As a consequence of these bad practices when constructing WWTPs, many of these units tend to become in some cases over or undersized within a short period of time.

661

Type of technology

Concerning the type of technology installed in each of the 113 WWTPs, no detailed data were available. Thus, a classification based on the secondary treatment technology, as provided in Rodrı´guez-Garcia et al. (2011a), was not possible. Nevertheless, the information available in the LCI of each DMU allowed dividing them in four main groups: i) plants designed only for carbon removal (C); ii) plants designed for carbon and nitrogen removal (CþN); iii) plants designed for carbon and

Fig. 6 e Influent eutrophication potential, population equivalent and overcapacity as compared to the eco-efficiency for Small WWTPs (blue diamonds), Medium WWTPs (red squares) and Large WWTPs (green triangles). (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)

662

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phosphorous removal (CþP); and iv) plants with carbon, nitrogen and phosphorous removal (CþNþP). Finally, the carbon and phosphorous (CþP) group was neglected due to the low number (3 units) of facilities with this type of configuration. The aforementioned groups were analysed in the frame of the three WWTPs division previously set for this study (i.e., Small, Medium and Large WWTPs). The average efficiencies found after the analysis are the following: i) Small WWTPs: (C) ¼ 36.01%, (CþN) ¼ 29.88% and (CþNþP) ¼ 27.61%; ii) Medium WWTPs: (C) ¼ 31.0%, (CþN) ¼ 43.80% and (CþNþP) ¼ 69.40%; and, iii) Large WWTPs: (C) ¼ 51.0%, (CþN) ¼ 47.05% and (CþNþP) ¼ 58.75%. Taking into consideration these figures, it appears that simpler technologies/configurations tend to be more efficient for small WWTPs, despite the fact that the overall efficiencies achieved for this group are low in all cases. For medium and large WWTPs, efficiency was found to increase with more complex treatments. Therefore, in the latter, plants with nutrient removal perform better than plants with carbon removal technologies exclusively. The results for medium and large WWTPs were expected, as the chosen output in the DEA matrices focuses on eutrophication impact reduction, being the discharge of nutrients in the effluent the main contributors to this impact category. On the contrary, while the causes behind the inverted tendency in small WWTPs may be multiple, the operational management of these units, which is usually highly constrained due to lack of continuous supervision, could be an important factor to be taken into account.

4.2.4.

Climate region

An additional underlying factor worth analysing in detail is the climatic conditions that affect the different WWTPs. Therefore, four main climate regions were defined in Spain: Atlantic (>1000 mm and 14 C), Mediterranean (400e700 mm and 16 C), continental Mediterranean (400e600 mm and 15 C) and dry Mediterranean (<300 mm and 17 C). Rainfall and average temperature (in brackets) are considered the factors with greatest impact on the performance of a WWTP. For this specific parameter, a study relating efficiency and climate was only feasible for Small WWTPs, since a larger sample size allowed extracting some results. Thus, when efficiency was assessed, the facilities located in the Atlantic climate (11 DMUs) presented the highest efficiency average (47.6%), followed by continental Mediterranean (19 DMUs and an average efficiency of 33.6%) and Mediterranean ones (41 DMUs and 28.3%). Finally, dry Mediterranean ones, for which only 6 DMUs were available, showed a mean efficiency of 15.5%. Despite the difficulty to extract clear conclusions from these results, the fact that the Atlantic region resulted as the most favourable in terms of eco-efficiency, appears to be linked to the combination of mild temperatures and low loaded influents prone to less sludge production and reduced energy consumption due to low dissolved oxygen requirements.

4.3.

including WWTPs with tertiary treatment for disinfection purposes within the DEA matrices. In fact, a first iteration of the results was performed with this perspective, as shown in Table 6, demonstrating that the efficiency as defined in this study does not allow integrating these WWTPs with those that limit their treatment to the removal of organic matter and nutrients. Consequently, a significant difference was observed between the two types of treatment plants, regardless of the size of the plants. The main reason for this is linked to the use of energy and chemicals in the tertiary treatment stage, a process that despite its advantages in terms of disinfection and elimination of pathogens and microorganisms, does not contribute to a further reduction of eutrophication impacts, the output to which all the operational inputs are referred to in this study. In other words, the final water quality provided by the two types of WWTPs was not found to be comparable under the parameters that were taken into account in the assessment. Once this loophole in the interpretation of results was identified, a disaggregation of energy and chemical use inputs per treatment was suggested, in order to limit the system boundaries of all WWTPs to the effluent of the secondary treatment. However, while this approach was feasible for the use of chemicals, the energy consumption per plant was not possible to be disaggregated per treatment phase in most WWTPs. In addition, given the lower number of WWTPs applying a tertiary treatment within the entire sample, it was not feasible to run a separate LCA þ DEA simulation for these plants since the final number of DMUs was below the recommended levels in DEA studies (Cooper et al., 2007).

Inclusion of tertiary treatment in the matrices

4.4.

A series of statistical analysis were performed on the LCA þ DEA results obtained in the current study. In the first place, it is important to take into consideration the fact that a high level of uncertainty should be assumed linked to the selection of the assessment method. On the one hand, the mathematical assumptions of the ReCiPe assessment method lead to final characterization values with variable ranges of uncertainty, depending on the impact categories (Hauschild et al., 2013). Having said this, currently, ReCiPe constitutes one of the most up to date assessment methods, with a comprehensive selection of impact categories linked to the three damage categories commonly used in LCA studies:

Table 6 e Average efficiency values and standard deviation per WWTP group size when including WWTPs with tertiary treatment in the DEA matrices. Parameters

Small WWTPs

Medium WWTPs

Large WWTPs

TERa No TER TER No TER TER No TER Sample size (#) Efficiency (%) Standard deviation a

An important source of analysis and discussion was done within the scope of the study linked to the appropriateness of

Statistical and sensitivity analysis

19 25.3 15.1

77 31.6 22.6

5 20.0 11.1

14 49.3 32.8

6 39.4 34.3

22 51.6 24.7

TER, refers to facilities with tertiary treatment step (disinfection) in their water line.

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human health (HH), ecosystem quality (Ec) and resources (Re). On the other hand, the choice of weighting for the different damage categories (i.e., 40% for Ec; 30% for HH and 30% for Re), also creates a set of uncertainties that deserve further attention. Consequently, the MIXTRI 2.0 model, developed by Doka (2011), was used to illustrate how different weighting combinations can steer the final single score results used in the current study (Hofstetter et al., 1999). More specifically, the average unweighted scores per damage category for each matrix were modelled for the current and target average DMUs, in order to detect the best weighting zones between the three WWTPs groups. The results of conducting the MIXTRI assessment are depicted in Fig. 7. Fig. 7 confirms the improved average performance of large WWTPs in their current operating behaviour, regardless of the weighting of the different damage categories, although these results are not significant with a level of significance set at 35%. However, when the same computation is carried out for the target average operating values of the three matrices, the results indicate that when all entities are operating at full efficiency, there is an insignificant dominance of medium and small entities in different zones of the mixing triangle. Therefore, it is feasible to assume that if medium and small WWTPs were to be operated under similar management conditions as larger WWTPs, the optimization of inputs would lead to reduced environmental impacts and higher eco-efficiency levels. However, this conclusion should be managed with care, not only due to the uncertainties underlying these results, but also due to a series of social and economic factors. For instance, steering policy support to design smaller WWTPs could increase investment costs substantially and increase social unrest in areas where these plants are intended to be located (Molinos-Senante et al., 2013). Therefore, the interpretation of these results should be limited to efforts of improving the eco-efficiency of existing WWTPs. Finally, and in addition to the Mixing Triangle analysis, parametric analysis was performed in order to determine whether the average efficiency values for the three DEA matrices were significantly different. For this, an analysis of

663

variance (ANOVA) test was carried out for three-sample comparison. The one-way ANOVA showed that the values obtained for the three matrices were significantly different (ANOVA; p Âź 0.001). Moreover, and for the sake of completeness, an additional ANOVA test was carried out including the samples for WWTPs with tertiary treatment (excluded from the main flow of the paper but discussed in detail in Section 4.3). In this case, the results between WWTPs with and without tertiary treatment also showed to be significantly different, which further encourages future studies to understand the eco-efficiency implications of disinfecting wastewater.

Conclusions

An extensive analysis regarding the eco-efficiency of WWTPs throughout Spain has been performed in the current study. The results obtained present a scenario in which large inefficiencies are observed in the sample throughout different operational sizes, although higher efficiency levels were attained with increasing operational size. The reasons behind the poor efficiency levels are multiple, including climatic characteristics, the load of the influent or the level of complexity of the treatment technology. Interestingly, large WWTPs, despite their higher efficiency levels, which derived in lower minimisation potential opportunities, presented a poorer environmental profile than small or medium WWTPs when benchmarked. This behaviour suggests that smaller WWTPs, which unlike large WWTPs, lack continuous monitoring, have a relevant potential for improving their environmental profile if they were to benefit from stricter supervision. Despite the relevance of the results in terms of understanding differences between WWTPs or their potential for increasing their eco-efficiency and, therefore, their environmental profile from an integrated perspective, future research should focus on the interannual behaviour of the individual WWTPs, in order to determine if the yearly performance of these facilities follow a regular pattern or whether this variability is just as high as any of the parameters monitored in

Fig. 7 e Weighting triangle matrix for areas of environmental dominance for current (left figure) and target (right figure) average DMUs per WWTP size.

664

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the current study. For instance, the use of a Windows analysis model in DEA (Charnes et al., 1985; Asmild et al., 2004), in a zquez-Rowe and similar way to the one performed by Va Tyedmers (2013), could provide important new inputs regarding the eco-efficiency of WWTPs.

Acknowledgements zquez-Rowe wishes to thank the Galician GovernDr. Ian Va ment for financial support (I2C postdoctoral student grants programme). The authors acknowledge the financial support of the AQUAENVEC project (LIFE10 ENV/ES/000520). The authors from the University of Santiago de Compostela belong to the Galician Competitive Research Group GRC 2013-032, programme co-funded by FEDER.

Appendix A. Supplementary data Supplementary data related to this article can be found at http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2014.10.040.

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ENFOQUE SOCIO TÉCNICO EN EMPRESAS DE SERVICIOS TECNOLÓGICOS DEL PERÚ KATY MANRIQUE VALENZUELA Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima, Perú katy.manrique@pucp.pe

DOMINGO GONZALEZ ALVAREZ Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima, Perú dgonzal@pucp.edu.pe

RESUMEN La innovación organizacional es uno de los tipos de innovación cuya definición se ajusta a los conceptos de los sistemas socio técnicos (SST) que al ser aplicados en las empresas consideran modificaciones importantes en la organización del trabajo. Por otro lado, la literatura y la revisión de casos de empresas innovadoras, indican que la innovación exitosa comprende de manera interrelacionada innovaciones organizacionales, de producto, de proceso y de comercialización. En este contexto, la innovación organizacional es de gran importancia debido a que puede constituirse en una plataforma que favorece el surgimiento de los otros tipos de innovación. En este sentido, la presente investigación tiene como objetivo analizar si las empresas de servicios tecnológicos del Perú, desarrollan innovaciones organizacionales basadas en la aplicación implícita o explícita de los principios de los sistemas socio técnicos. Con esta finalidad, se realiza una investigación cualitativa, al nivel descriptivo, basada en estudios de caso de empresas peruanas pertenecientes a este sector empresarial. Las empresas en estudio han sido seleccionadas por su inclusión en el ranking peruano Great Place to Work de los años 2011 al 2014, en el cual aparecen las empresas que presentan el mejor clima laboral en el país. Las empresas seleccionadas en ese ranking pertenecen a los sectores denominados tecnología de la información, telecomunicaciones y servicios profesionales. La proposición principal de la investigación es que las empresas incluidas en este ranking presentan rasgos característicos de los sistemas socio técnicos. Los resultados de la investigación indican que las empresas en estudio presentan en la práctica varios rasgos de los sistemas socios técnicos.

INTRODUCCIÓN En nuestros días se coincide en afirmar que una empresa innovadora es aquella que cambia, evoluciona, hace cosas nuevas, ofrece nuevos productos y adopta, o pone a punto, nuevos proyectos. En el Perú, las empresas de servicios tecnológicos seleccionadas en el ranking Great Place to Work de los años 2011 al 2014, presentan el mejor clima laboral en el país. Las empresas incluidas en este ranking de este sector pertenecen a los subsectores denominados tecnología de información, telecomunicaciones y servicios profesionales.

Este estudio profundiza en la relación entre la aplicación de los principios de los sistemas socio técnicos y los criterios de selección del ranking Great Place to Work en Perú en empresas del sector mencionado. Inicialmente, este artículo presenta un marco teórico sobre sistemas socio técnicos (SST), innovación organizacional y las relaciones entre estos conceptos. Luego, se desarrolla un estudio de caso múltiple para establecer el ajuste de los criterios de este ranking y los principios socio técnicos.

1. MARCO TEÓRICO 1.1. La Innovación organizacional y los sistemas socio técnicos Los sistemas socio técnicos (SST) se desarrollan en el Instituto Tavistock con los trabajos de Trist y Bamforth (1951), Emery (1959); Trist (1981) y posteriormente contribuyeron al desarrollo de estos sistemas autores tales como Ropohl (1999), Cummings y Worley (1993), Badham, Clegg y Wall (2000) y Geels (2004), entre otros. Para Trist y Bamforth (1951), un sistema socio técnico, es un intento teórico de equilibrar las necesidades socio-psicológicas humanas con las metas organizacionales. Para ello los autores plantean los siguientes dos supuestos: a) la producción orgánica se desarrolla a través de la optimización de los sistemas sociales y técnicos y; b) existe un intercambio constante entre el sistema de trabajo y el medio ambiente en general. Para Emery (1959), un sistema socio técnico es un sistema abierto, que implica trabajar en un nivel de “estado estable” en el que a pesar de la complejidad y heterogeneidad, el sistema se reorganiza espontáneamente. Tiene como características que son selectivos, y se autorregulan. Además el autor considera que el componente tecnológico, es un factor de autorregulación para las empresas el cual funciona como una limitante entre los bordes del sistema de una empresa y el entorno externo. Por otro lado, Trist (1981), identificó que los trabajadores tienen mejores rendimientos cuando hay autonomía para hacer su trabajo y cuando tienen participación directa dentro de las decisiones de la empresa. También, el autor plantea que los sistemas socio técnicos tienen varios niveles. Los dos primeros niveles se refieren a la empresa y a su sistema interno de trabajo, denominados nivel de sistema primario de trabajo y nivel organizacional. Adicionalmente, el tercer nivel del sistema socio técnico se enfoca en la empresa y su entorno macro social. Para Cummings y Worley (1993, 126 p.), la teoría de los sistemas socio técnicos tiene dos premisas básicas. Una de ellas es que "los sistemas de trabajo efectivos deben perfeccionar conjuntamente las relaciones entre sus partes sociales y técnicas". La segunda premisa es que "dichos sistemas deben administrar de una manera efectiva la frontera que los separa y los relaciona con el ambiente", de tal manera que haya intercambios efectivos con el ambiente, junto con una protección de las perturbaciones externas. Además, la puesta en práctica de los SST se considera como "altamente participativa", ya que involucra a todos los interesados pertinentes, incluyendo empleados, ingenieros, expertos del personal y gerentes. Para Ropohl (1999) el modelo de sistema socio técnico es una herramienta para hacer frente a los problemas teóricos y prácticos de las condiciones de trabajo en la industria.

Para Badham et alii (2000) las tareas técnicas se combinan con trabajos de personas y responsabilidades asignadas a grupos. Cualquier análisis o rediseño del subsistema social implica revisar los trabajos y sus correspondientes roles sociales, ya que los cambios tendrán gran impacto en el subsistema técnico y a su vez, importantes repercusiones que en el aumento o reducción de la calidad de vida en el trabajo. Para Geels (2004) los sistemas socio técnicos resaltan la importancia del pasaje del análisis artefacto/organización al de sistemas/redes, y de la creación, difusión, utilización de las tecnologías y la red de agentes. De esta forma incorpora el componente social como elemento del sistema, fijando una posición ontológica que distingue entre el sistema comprendido como recurso, aspecto material, los actores implicados en el mantenimiento y cambio del sistema y las reglas e instituciones que orientan las percepciones de los actores y las actividades. Cabe señalar que antes de acuñarse el término de sistema socio técnico, en sus antecedentes académicos (Trist y Bamforth, 1951) se definen las características de estos sistemas como “innovación en la organización social” o “innovación en la organización del trabajo”. De este modo se observa que desde el origen de los conceptos de sistemas socio técnicos se establece un vínculo estrecho con la innovación en el campo organizacional. Actualmente, las innovaciones organizativas están definidas por la OCDE (2005) en la categoría de innovaciones no tecnológicas que incluyen: a) cambios en las prácticas de negocios; b) cambios en la organización del trabajo y; c) cambios en las relaciones exteriores de la empresa. En este sentido, la innovación organizacional incluye un amplio rango de cambios en la empresa enfocados en los procesos de negocios, en aspectos específicos de la gestión empresarial como la calidad o el conocimiento, en la estructura organizacional, en las características de los puestos de trabajo y las relaciones de autoridad, así como cambios en la gestión de la cadena de suministro, entre otros. En este sentido, la innovación organizacional es definida por Del Río (2003) como una nueva técnica de división del trabajo a nivel intra o interempresarial, que permite ahorrar en el uso de los recursos o una mejor adaptación de los productos a las necesidades del consumidor y a las variaciones en el mercado. Se basan en métodos originales y eficientes de gestión de la información. La característica esencial de una innovación organizacional es que se centra en formas nuevas y más eficientes de gestionar las relaciones entre tareas y funciones a lo largo de la cadena de producción Por otro lado, la Comisión Europea, (1995), describe a la innovación organizacional como “mecanismo de las interacciones internas en la empresa (colaboración entre las diferentes unidades, asociación y participación de los diferentes asalariados) y a las redes con las que las empresas se asocian en su entorno”. Sobre el papel de la innovación organizacional Lam (2004) indica que es “una influencia considerable en los resultados de las empresas. Puede mejorar la calidad y la eficiencia del trabajo, favorece el intercambio de información y dota a las empresas con una mayor capacidad de aprendizaje y de utilización de nuevos conocimientos y tecnologías”. Existe una relación directa en el desarrollo de un sistema socio técnico y la innovación organizacional, debido a que posibilitan el crecimiento y el desarrollo por medio de un efecto de retroalimentación y origina un círculo virtuoso de nuevo conocimiento. Así el empleo de

sistemas socio técnicos da lugar a la creación de nuevos bienes y servicios, al mismo tiempo que mejorando la calidad de vida de los trabajadores y se buscan soluciones tecnológicas. 1.1.1 Niveles de los sistemas socio técnicos Los sistemas socio técnicos presentan varios niveles los cuales están vinculados. continuación se presenta una descripción de cada uno de estos niveles.

Nivel del sistema primario de trabajo. Trist (1981) analiza el enfoque socio técnico desde la perspectiva del sistema primario de trabajo considerándolo como factor primario para entender el sistema socio técnico. Los sistemas primarios de trabajo autónomos en los que se mezclan las habilidades del grupo de personas y se establecen redes de conocimientos especializados constituyen un eje eficaz para el desarrollo de organizaciones socio técnicas. En este tipo de organizaciones se crean unidades de trabajo sólidas y como unidades independientes tienen relaciones intragrupales, intergrupales y relaciones globales con su tarea operativa asignada. Nivel del sistema organizacional. Emery (1973) indica que las organizaciones se diferencian en dos principios básicos de diseño. En el primero de ellos existe una redundancia de partes y es mecanicista. En este diseño las partes se descomponen hasta la última tarea (incluyendo en la descomposición el trabajo del empleado) y se basa la burocracia tecnocrática. En el segundo diseño, correspondiente a un sistema socio técnico, se da la redundancia de funciones y es un enfoque orgánico en el cual cualquier componente del sistema puede ser usado de intercambio en muchas tareas, incrementando la flexibilidad. Nivel del sistema macro social. Trist (1981) desarrolló el concepto de “dominios” dónde se incluyen a los sistemas, a las comunidades, a los sectores industriales y a las instituciones que operan en el nivel macro de una sociedad. También los medios de comunicación que se consideran por sus efectos de largo alcance sobre los usuarios. También, las formas arquitectónicas y la infraestructura son incorporadas como medio ambiente. Nivel interorganizacional. Melo (1986) desarrolla el nivel interorganizacional del sistema socio técnico. La autora propone una metodología para la articulación entre varios actores involucrados en una problemática de planificación de un sistema socio técnico. 1.1.2 Los principios socio técnicos Los sistemas socio técnicos se basan en un conjunto de principios que Cherns (1973) sintetiza en los siguientes: a) Compatibilidad: El proceso de diseño de una organización debe ser compatible con sus objetivos. Si el objetivo del diseño de un sistema es ser capaz de adaptarse al cambio y aprovechar al máximo las capacidades creativas de sus trabajadores, entonces se dará una organización participativa y constructiva. b) Especificación Mínima Crítica: Es de amplia aplicación e implica la especificación mínima crítica de tareas, la asignación mínima crítica de tareas a puestos de trabajo o puestos de trabajo a los roles y la especificación de objetivos con especificación mínima crítica de los métodos de obtención. En síntesis, el diseño del trabajo debe especificar lo esencial (lo qué se debe hacer y no cómo hacerlo).

c) Criterio Socio Técnico: Establece que las variaciones, si no pueden ser eliminadas, deben ser controladas lo más cerca de su punto de origen como sea posible. La varianza es cualquier evento no programado; una variación clave es uno que afecta críticamente el resultado. d) Multifuncionalidad, organismo y mecanismo: La misma función puede realizarse de diferentes maneras mediante el uso de diferentes combinaciones de los elementos. Hay varias rutas para el mismo objetivo, el principio se describe a veces como equifinalidad. Bajo este principio el diseño del trabajo debe evitar la alta especialización, los individuos deben ser entrenados para desempeñar un rango de tareas. e) Especificación de límites: En cualquier organización tienen que establecerse límites departamentales para grupo de personas y actividades sobre la base de uno o más de tres criterios: la tecnología, el territorio y el tiempo. En un sistema socio técnico los límites departamentales deben definirse para incluir tareas que son relacionadas secuencialmente y no por similitud técnica. f) Flujo de información: Este principio establece que los sistemas de información deben diseñarse para proporcionar información hasta el punto donde se necesitarán medidas en base al mismo. Un sistema de información correctamente dirigido puede suministrar al equipo de trabajo, con exactamente el tipo y la cantidad de retroalimentación que les permita aprender a controlar las varianzas que se producen en el marco de sus esferas de responsabilidad y de competencia y anticiparse a eventos que puedan incidir en su rendimiento. Así, la información relacionada al trabajo debe fluir oportunamente para el lugar donde ella es necesaria y la categoría básica de información es la retroalimentación sobre el desempeño sobre la varianza. g) Congruencia de apoyo: Establece que los sistemas de apoyo social deben ser diseñados para reforzar los comportamientos de la estructura de organización. Es decir que la filosofía de gestión debe ser coherente y que las acciones de gestión deben ser coherentes con su filosofía expresada. Las estructuras de apoyo social tales como sistemas de recompensa, proceso de selección, políticas de entrenamiento, mecanismos de resolución de conflictos, entre otros, deben ser consistentes con los objetivos que gobiernan el diseño del sistema del trabajo. h) Diseño y los valores humanos: Establece que debe ser un objetivo de diseño organizacional proporcionar una alta calidad de trabajo. i) Diseño incompleto: El diseño es un proceso reiterativo. El cierre de opciones abre otros nuevos. Tan pronto como se implementa el diseño, sus consecuencias indican la necesidad de rediseño. Así, el proceso de diseñar la organización nunca termina, es un proceso continuo. En particular, Hyer, Brown y Zimmerman (1999) emplean estos principios para el diseño de células de manufactura y Niepce y Molleman (2011) se basan en estos principios para estudiar la relación entre los sistemas socio técnicos y la manufactura esbelta. Cabe adicionar que Emery (1978) considera como principios socio técnicos para el diseño del trabajo a los siguientes:

1. Variedad óptima de tareas en el trabajo. 2. Un patrón significativo de las tareas que se le da a cada trabajo, un semi-balance de una sola tarea o en general. 3. Margen para el establecimiento de normas de calidad y cantidad de la producción y un retorno adecuado de conocimiento de los resultados. 4. La inclusión en el trabajo de algunas de las tareas auxiliares y preparatorias. 5. La inclusión de un cierto grado de atención, habilidad, conocimiento o esfuerzo que es digno de respeto en la comunidad. 6. La inclusión de alguna contribución perceptible a la utilidad del producto para el consumidor. Estos principios son compatibles con aquellos presentados por Cherns (1973). 1.2. El ranking Great Place to Work Great Place to Work Institute (GPTW) es una empresa global de investigación, asesoría y capacitación que ofrece asistencia a empresas, agencias sin fines de lucro y organizaciones gubernamentales en 45 países en los cinco continentes. En el Perú, la empresa inicia operaciones el año 2002 y publica la primera lista de las Mejores Empresas para Trabajar en enero del 2003 en el diario “El Comercio”, lista que se ha venido publicando anualmente entre los meses de noviembre y diciembre. La medición que la empresa realiza se basa en el análisis del Índice de Confianza y la Auditoria a la Cultura, detallados a continuación. Índice de Confianza: Este mecanismo se construye a partir de una encuesta anónima con preguntas que ofrecen cinco opciones de respuesta. Esta encuesta se aplica a todos los trabajadores de la empresa sin excepción, incluyendo a la planta directiva, o también a una muestra representativa. Si se trata del segundo caso, el tamaño y la selección de la muestra la realiza el Instituto. Adicionalmente, se toma en cuenta y se evalúan los comentarios voluntarios que los miembros de la empresa proporcionan en las encuestas. Auditoría a la Cultura: Consiste en un cuestionario de 60 preguntas sobre prácticas y políticas de recursos humanos que aplican las organizaciones participantes en la medición del clima laboral. En la Tabla 1, se visualiza el grado de participación de los trabajadores en la medición realizada por Great Place to Work (GPTW) en Perú del 2011 al 2014. En la Figura 1, se aprecia que en el ranking correspondiente al año 2011 en el sector de empresas de servicios tecnológicos son el 13%, incluyendo los rubros de Servicios Profesionales (5%), Tecnología e Informática (2%), Telecomunicaciones (6%). Este porcentaje se mantiene con pequeñas variaciones en el total y en la composición interna de la participación de las empresas tecnológicas para los años 2012 (15%), 2013 (12%) y 2014 (14%). De manera específica en las Tablas 2 a 4 se presentan las empresas tecnológicas que participan en el sector Tecnología e Informática, Servicios Profesionales y Telecomunicaciones, en los años 2011 al 2014 del Ranking Great Place to Work Perú.

Tabla 1: Grado de participación en la metodología GPTW FICHA TÉCNICA EMPRESAS Y TRABAJADORES ENCUESTADOS Nº de trabajadores que recibieron las encuestas Nº de trabajadores que contestaron las encuestas Índice de respuesta Nº de empresas que participaron en el estudio POBLACIÓN A ENCUESTAR % de empresas que aplicó la encuesta al 100% de su personal % de empresas que aplicó la encuesta a una muestra representativa MODALIDAD UTILIZADA Papel Online Mixto CONFIABILIDAD Índice de Confianza Margen de error Fuente: El Comercio (2011; 2012; 2013 y 2014).

2011

2012

2013

2014

144,814 119,182 82.3% 160

179,280 144,296 80.5% 175

175,997 143,483 81% 161

174,782 143,857 82% 183

93%

92%

88%

90%

12%

10%

56% 25% 19%

55% 27% 18%

54% 24% 22%

44% 36% 20%

95% +-0.14

95% +-0.11

95% +- 0.11

En la Figura 1, se presentan los datos estadísticos de las empresas seleccionadas en este ranking en los años 2011 al 2014. Figura 1: Ranking Great Place to Work Perú

Fuente: El Comercio (2011; 2012; 2013; 2014).

En la Tabla 2, se observa que las empresas IBM, SAP y ORACLE se han posicionado en el ranking en el sector Tecnología Informática, teniendo como pilares el desarrollo tecnológico.

En la Tabla 3, se observa que las empresas ATENTO, TELEFONICA SERVICIOS COMERCIALES, y TGESTIONA se han posicionado en el ranking en el periodo 2011 al 2014, teniendo como pilares la atención al cliente y la calidad en el servicio. En la Tabla 4, se observa que las empresas TELEFÓNICA y TELEFÓNICA GLOBAL SOLUTIONS se han posicionado en el ranking en el periodo 2011 al 2014, lo cual ha ido de la mano con su crecimiento corporativo. Tabla 1: Resultados del Ranking GPTW Sector Tecnología e Informática

AÑO

EMPRESAS

2011

IBM IBM 2012 SAP MICROSOFT 2013 ORACLE IBM MICROSOFT SAP 2014 ORACLE IBM GMD Fuente: El Comercio (2011; 2012; 2013 y 2014).

NÚMERO DE EMPLEADOS

PORCENTAJE DEL TOTAL DE EMPRESAS

503 810 55 63 42 1404 81 60 58 1908 1920

2% 2% 3%

Tabla 2: Resultado Ranking GPTW Sector Servicios Profesionales

AÑO

EMPRESAS

J&V RESGUARDO ATENTO PERÚ 2011 TELEFÓNICA GESTIÓN DE SERVICIOS GMI LIMA TOURS ATENTO PERÚ TELEFÓNICA GESTIÓN DE SERVICIOS COMPARTIDOS PERÚ - TGESTIONA 2012 TELEFÓNICA SERVICIOS COMERCIALES GOLDER ASSOCIATES APOYO CONSULTORÍA LIMA TOURS APOYO CONSULTORIA ARELLANO MARKETING TELEFÓNICA SERVICIOS COMERCIALES 2013 LIDERMAN ATENTO TGESTIONA EY APOYO CONSULTORÍA ARELLANO MARKETING 2014 ATENTO TGESTIONA Fuente: El Comercio (2011; 2012; 2013 y 2014).

NÚMERO DE EMPLEADOS 7519 9254 1936 741 98 10224

PORCENTAJE

3546 604 360 115 132 101 149 560 10055 1569 2812 1021 148 150 12320 3054

Tabla 3: Resultado Ranking GPTW Sector Telecomunicaciones

AÑO

TIPO EMPRESA

NEXTEL TELEFÓNICA TELEFÓNICA SERVICIOS COMERCIALES 2011 MEDIA METWORKS CORPORACIÓN RADIAL DEL PERÚ TERRA NETWORKS PERÚ NEXTEL TELFÓNICA 2012 CORPORACIÓN RADIAL DEL PERÚ TELEFONICA GLOBAL SOLUTIONS TELEFÓNICA GLOBAL SOLUTIONS GILAT 2013 CISCO TELEFÓNICA CISCO GILAT 2014 TELEFONICA GLOBAL SOLUTIONS TELEFÓNICA Fuente: El Comercio (2011; 2012; 2013 y 2014).

NÚMERO DE EMPLEADOS 1517 5253 534 424 197 60 1562 5737 211 64 39 126 38 5518 50 123 50 6425

PORCENTAJE

2. ESTUDIO DE CASO Un estudio de caso es según Yin (1994, p. 13), “una investigación empírica que estudia un fenómeno contemporáneo dentro de su contexto de la vida real, especialmente cuando los límites entre el fenómeno y su contexto no son claramente evidentes”. Para Martinez (2011, p.147) “un estudio de caso es una estrategia de investigación dirigida a comprender las dinámicas presentes en contextos singulares, la cual podría tratarse del estudio de un único caso o de varios casos, combinando distintos métodos para la recogida de evidencia cualitativa y/o cuantitativa con el fin de describir, verificar o generar teoría”. Para Chetty (1996) “un estudio de caso es una metodología rigurosa que es adecuada para investigar fenómenos en los que se busca dar respuesta a cómo y por qué ocurren”. Debido a las características y objetivos de la presente investigación se selecciona el estudio de caso como método adecuado de investigación. 2.1 Metodología La metodología empleada para el desarrollo del presente trabajo corresponde a un estudio de caso múltiple (Yin, 2009), siendo una investigación descriptiva de enfoque cualitativo (Hernández et alii, 2010) que está centrada en el estudio de los sistemas socio técnicos y su relación con la innovación organizacional. Para el diseño de la investigación, el estudio de caso considera los componentes propuestos por Yin (2009). En primer lugar, la pregunta central del estudio es indagar si las empresas de servicios tecnológicos en el Perú desarrollan innovaciones organizacionales basadas en la aplicación implícita o explícita de los principios de los sistemas socio técnicos. La investigación se realiza sobre 6 casos de empresas tecnológicas que aparecen en el ranking Great Place to Work (GPTW) de los años 2011 a 2014 y las fuentes de información para el estudio son los reportes de este ranking que

describen las prácticas organizacionales de estas empresas, complementando con información de los sitios web corporativos y de los criterios generales que usa el ranking para calificar a las empresas. En este estudio de casos la unidad de análisis es la innovación organizacional y los sistemas socio técnicos en las empresas de servicios tecnológicos peruanas y las proposiciones que se busca validar son las siguientes: 1) Las empresas tecnológicas incluidas en el ranking GPTW presentan rasgos característicos de los sistemas socio técnicos. 2) Las empresas tecnológicas incluidas en el ranking GPTW presentan intensidades diferentes en la aplicación de los sistemas socio técnicos. El estudio se ha realizado empleando la estrategia analítica basada en las proposiciones teóricas, la descripción de casos, el uso de información cualitativa y el análisis cruzado de casos. Así, la literatura general de sistemas socio técnicos y de innovación organizacional, permitieron la definición de la estructura del estudio de caso. Por otro lado, la descripción de los casos utilizando información cualitativa permite aproximarse a la pregunta de investigación, a las proposiciones, a la unidad de análisis y a la lógica analítica. En esta investigación se emplean los principios socio técnicos propuestos por Cherns (1973) descritos en el marco teórico y usado en otras investigaciones de sistemas socio técnicos por Hyer et alii (1999); Niepce y Molleman (2011) para caracterizar si las empresas en estudio presentan rasgos de estos sistemas. Los resultados de este proceso, permiten profundizar en el conocimiento de la innovación organizacional en empresas de servicios tecnológicos de distintos tamaños que operan en Perú, empleando como referencia a los sistemas socios técnicos. 2.2. Los criterios generales el ranking Great Place to Work y los principios socio técnicos Para que una empresa califique para ingresar en el ranking Great Place to Work debe cumplir con un conjunto de criterios de calificación1. En la Tabla 5 estos criterios y su relación con los principios de los sistemas socio técnicos, a fin de conocer el ajuste general del ranking a los principios socio técnicos, lo cual indica de manera indirecta el ajuste de las empresas en estudio a estos principios. 2.3 Presentación de los Casos A continuación se presentan el proceso de selección de los casos en estudio y la descripción de cada uno de los casos incluidos en la investigación. a)

Selección de las empresas

Para la selección de las empresas se considera a aquellas empresas de servicios tecnológicos que se mantengan en el ranking durante varios años a fin de asegurar la consistencia de sus prácticas organizacionales a lo largo del tiempo. En la Tabla 6, se presenta el listado de empresas tecnológicas pertenecientes a los sectores de tecnología e informática, telecomunicaciones y servicios profesionales que aparecieron en los rankings de GPTW de los años 2011 al 2014. 1

http://www.greatplacetowork.com.pe/

Tabla 5: Criterios de calificación del ranking GPTW y su relación con los principios socio técnicos

Criterio del ranking GPTW Apoyo continuo de la Dirección con los procesos innovadores y el fomento de los procesos creativos asumiendo los riesgos que conllevan. Motivar el pensamiento independiente, creativo y los espacios para sumar los conocimientos y las ideas de toda la organización. Generar un espacio de confianza donde todo el equipo de la empresa pueda compartir sus ideas con libertad, donde se premie la iniciativa y no se penalice el error. Dotar de recursos suficientes el proceso de innovación, tanto humanos como tecnológicos, financieros y de tiempo. Disponer de un sistema de evaluación y estar dispuesto a asumir los resultados. Conducir el proceso de cambio organizativo. Generar un sistema de incentivos que premien la iniciativa en la organización. Definir caminos para abandonar las viejas estructuras y superar las resistencias de la actual organización. Introducir nuevos conocimientos en la organización, cambiar las reglas de comunicación, redefinir los criterios de autoridad, cambiar las relaciones en el trabajo y asumir nuevos roles. Todos los criterios del ranking GPTW.

Principios socio técnicos asociados Compatibilidad

Especificación de límites Especificación crítica mínima Especificación de límites Congruencia de apoyo

Congruencia de apoyo

Congruencia de apoyo Diseño incompleto Congruencia de apoyo

Diseño incompleto Multifunción Especificación crítica mínima Flujo de información Diseño y valores humanos

Descripción Las empresas que participan en este ranking suelen ser innovadoras, ofreciendo productos o servicios innovadores y para ello, de manera compatible, el diseño organizacional promueve la innovación entre los miembros de la organización Indica apertura a las iniciativas de los colaboradores y a la creatividad, lo cual puede fluir entre diferentes áreas Promueve el pensamiento independiente y la libertad de acción Indica que se busca compartir ideas, lo cual puede implicar el atravesar áreas funcionales. Define un premio la iniciativa Indica implícitamente que debe haber sistemas de apoyo social para dotar de recursos al proceso de innovación. Dispone de un sistema de evaluación como mecanismo de apoyo social. Considera implícitamente que el cambio organizativo es permanente. Dispone de un sistema de incentivos como mecanismo de apoyo social. Considera que debe haber cambios en la estructura de la empresa. Busca que el trabajador asuma nuevos roles Busca redefinir los criterios de autoridad Busca modificar las reglas de comunicación. El conjunto de criterios está asociado a las características de la calidad de vida en el trabajo.

En la Tabla 6, se observa un posicionamiento permanente entre el 2011 y 2014 en el ranking GPTW de las empresas TELEFONICA, IBM DEL PERÚ, ATENTO PERÚ, TGESTIONA, TELEFÓNICA SERVICIOS COMERCIALES y TELEFÓNICA GLOBAL SOLUTIONS. Dado este desempeño, se escoge a estas seis empresas para el estudio de casos.

Tabla 6: Empresas tecnológicas incluidas en el ranking GPTW

2011

2012

2013

2014

Número de años incluida en el ranking GPTW

TELEFÓNICA

IBM DEL PERÚ

ATENTO PERÚ

------

TGESTIONA

------

TELEFÓNICA SERVICIOS COMERCIALES

------

TELEFONICA GLOBAL SOLUTIONS

TELEFÓNICA GLOBAL SOLUTIONS

-----NEXTEL ----------CORPORACIÓN RADIAL DEL PERÚ --------------------TERRA NETWORKS PERÚ -----J&V RESGUARDO GMI ------

NEXTEL ----------CORPORACIÓN RADIAL DEL PERÚ ----------APOYO CONSULTORÍA SAP

TELEFÓNICA GLOBAL SOLUTIONS

------

-----CISCO GILAT

2 2 2

------

MICROSOFT

MICROSFT

ORACLE

CISCO GILAT

APOYO CONSULTORÍA

-----GOLDER ASSOCIATES ----------------

MEDIA -----METWORKS ------------------------------Fuente: El Comercio (2011; 2012; 2013; 2014).

-----SAP

2 2

------

----------ARELLANO MARKETING

-----------

1 1

------

----------EY

PFIZER GMD ------

1 1 1

b) Presentación y análisis de los casos A continuación se presenta una breve descripción de las seis empresas seleccionadas para los estudios de caso. • TELEFÓNICA: Es una empresa que trabaja bajo la visión de acercar más a las personas, a la sociedad, a sus clientes y a su gente. La empresa está orientada hacia una gestión que potencie el capital humano y permita atraer, desarrollar y fidelizar el mejor talento del mercado.

Aspectos Organizacionales Misión: Todo el mundo debería tener a su alcance la tecnología para poder ser más. Esta misión se relaciona con al principio flujo de información de los SST, pues la empresa siempre está actualizando las tecnologías. Valores: Respeto, justicia y equidad, la humildad y autocrítica, y la veracidad. Lema para la institución en el GPTW: Creciendo juntos. Este lema se relaciona al principio de diseño y valores humanos de los SST, pues fomenta la calidad de vida en el trabajo, así como el principio de multifuncionalidad en las tareas que desarrollan sus colaboradores. Cifras: 6,425 es el número de colaboradores en la actualidad. Prácticas Positivas - Proyectos Especiales: Se identifican talentos propios que puedan ser responsables de actividades de valor que estaban siendo realizados por terceros. Esta práctica se relaciona a congruencia de apoyo de los SST, pues fomenta la motivación en el trabajo. - Prácticas de verano: Programa dirigido a estudiantes universitarios de los últimos ciclos, quienes podrán aportar en los proyectos. Esta práctica se relaciona a congruencia de apoyo de los SST, pues fomenta la motivación en el trabajo. A través de la página web de la empresa se aprecia que promueve la formación de grupos de investigación de Telefónica I+D para la investigación de nuevos productos, lo cual es característico de los principios socio técnicos de compatibilidad, especificación crítica mínima y diseño incompleto, pues promueve el cambio y la innovación. • IBM: El crecimiento organizacional de esta empresa está basado en la valoración del espíritu creativo y diferente de sus trabajadores, con las prácticas de THINK40, iniciativa que impulsa la capacitación o aprendizaje en los trabajadores por un mínimo de 40 horas, a fin de fomentar la construcción de conocimientos entre todo el equipo. Aspectos Organizacionales Misión: Ayudar a nuestros clientes a alcanzar sus metas de negocio proveyéndoles servicios y soluciones innovadoras. Esta misión indica que los objetivos de la organización son brindar soluciones innovadoras y para ello promueve la innovación entre sus colaboradores y clientes, lo cual es característico del principio socio técnico de compatibilidad. Valores: Dedicación para el éxito de cada cliente, innovación que importa para nuestra compañía y para el mundo, confianza y responsabilidad personal en todas las relaciones. Lema para la institución en el GPTW: Innovación para los nuevos tiempos. El lema se relaciona al principio socio técnico de diseño incompleto pues la empresa siempre está buscando el cambio y la innovación en los clientes y en su organización. Cifras: 1 908 es el número de colaboradores en la actualidad.

Prácticas Positivas -

Reembolso: Se reembolsa al colaborador el 75% de los gastos si toma cursos de inglés, por un monto de hasta US$ 700 por año, por un máximo de 2 años. Esta práctica está relacionada al principio de congruencia de apoyo de los SST, pues fomenta la capacitación de los empleados. Smarter Games: Olimpiadas que además de competencias deportivas incluye un sistema de puntuación por horas de voluntariado y de capacitaciones, entre otros rubros. Esta práctica está relacionada al principio de congruencia de apoyo de los SST, pues fomenta la capacitación de los empleados y la motivación en el trabajo. 3 Minute Manager: Directivos de distintas unidades de negocio y áreas geográficas comparten experiencias con todos los gerentes de IBM en el mundo. Esta práctica está relacionada al principio de especificación de límites pues genera flujos de información a través de distintos países y áreas de negocios. Talent Show: Fiesta anual en la que los trabajadores preparan coreografías y números que presentan antes toda la compañía. Esta práctica está relacionada al principio de congruencia de apoyo de los SST, pues fomenta la motivación en el trabajo

A través del sitio web de la empresa se puede observar que se busca que los empleados se sientan confortables en el trabajo y que alcancen su mayor potencial. Esta práctica está relacionada al principio de diseño y valores humanos de los SST, pues fomenta la calidad de vida en el trabajo. También la empresa promueve el trabajo en equipo, lo cual implica emplear el principio socio técnico de la especificación crítica mínima. Así como el principio de multifuncionalidad en las tareas que desarrollan sus colaboradores. La empresa dispone de manera intensiva de mecanismos actualizados de tecnologías de información por lo que cumple con el principio de flujo de información oportuna en la organización. • ATENTO: Es una empresa multinacional de Customer Relationship Management (CRM) en el sector de Business Process Outsourcing (BPO). Está dedicada a la prestación de servicios de atención entre las empresas y sus clientes a través de centro de contacto o plataformas multicanal. Aspectos Organizacionales Misión: Contribuimos al éxito de las empresas garantizando la mejor experiencia para sus clientes. Valores: Compromiso, pasión, integridad, confianza. Lema para la institución en el GPTW: Prestigio que trasciende las fronteras. Este lema cumple con el principio de flujo de información, pues fomenta la transferencia de información entre varios lugares. Cifra: 14 000 es el número de colaboradores en la actualidad. 16 son los países en los que ATENTO está presente. Prácticas Positivas - Proyecto cultura y valores: Este proyecto busca potenciar las fortalezas de los líderes mediante una cultura de reconocimiento que incentive el uso de buenas prácticas

diarias. Se trabaja bajo la línea cultural de la filosofía organizacional de la empresa. Esta práctica está relacionada al principio de congruencia de apoyo de los SST, pues fomenta la capacitación de los empleados y la motivación en el trabajo. - Charlas de beneficios laborales: Orienta a los colaboradores sobre todos los temas relacionados con remuneraciones, variables por comisiones, utilidades, compensación por tiempo de servicios (CTS), gratificaciones, descuentos y otros factores vinculados con sus pagos y boletas. Esta práctica está relacionada al principio de congruencia de apoyo de los SST, pues promueve el reconocimiento del valor del trabajo. A través de la página web de la empresa se puede observar que promueve la innovación en sus servicios a través de alianzas estratégicas, lo cual es característico del principio socio técnico de compatibilidad y diseño incompleto, pues busca el cambio y la innovación en los clientes y en su organización. Así como el principio de multifuncionalidad en las tareas que desarrollan sus colaboradores. • TGESTIONA: Es una organización que brinda servicios de Business Process Outsourcing (BPO) que permite a sus clientes concentrarse en las actividades que les generan mayor valor. Tiene como visión ser una organización que contribuya al desarrollo sostenible y rentable de sus clientes, colaboradores, accionistas y de la sociedad. Aspectos Organizacionales Misión: Somos una organización internacional que brinda servicios de BPO que permite a nuestros clientes concentrarse en las actividades que les generan mayor valor. Esto se adecuada al principio de compatibilidad. Valores: Cumplimiento, innovación, respeto, credibilidad e imparcialidad. Lema para la institución en el GPTW: Compromiso que se transmite. Este lema se relaciona con el principio de flujo de información. Cifra: 3 054 es el número de colaboradores en la actualidad. Prácticas Positivas - Reportero Tgestiona: Colaborador de provincia que envía información a la sede central y mantiene una comunicación constante y cercana con el área de Recursos Humanos. Se relaciona con el principio de flujo de información a toda la organización. - Concurso de postres, cócteles y piqueos: Reúne a representantes de distintas zonas del país en una feria donde los trabajadores exponen diversos platillos para delicia de los asistentes. Esta práctica está relacionada al principio de congruencia de apoyo de los SST, pues fomenta la motivación en el trabajo. - Voluntariado: Visita a colegios para refaccionar su infraestructura, además de equiparlos con libros, cercos, aulas, etc. Esta práctica está relacionada al principio de congruencia de apoyo de los SST, pues fomenta la motivación en el trabajo y la identificación con la sociedad y la empresa. - Charlas de RSE: Charlas dictadas por Perú 2021 para promover, entre líderes y colaboradores, diversos temas de responsabilidad social empresarial. Esta práctica está relacionada al principio de congruencia de apoyo de los SST, pues fomenta la capacitación y la motivación en el trabajo.

A través del sitio web de la empresa se puede observar que la organización busca que los empleados encuentren un ambiente de trabajo confortable y recursos necesarios para su óptimo rendimiento. Esta práctica está relacionada al principio de diseño y valores humanos de los SST, pues fomenta la calidad de vida en el trabajo. Aplica el principio de multifuncionalidad en las tareas que desarrollan sus colaboradores. También la empresa promueve el trabajo en equipo, lo cual implica emplear el principio socio técnico de la especificación crítica mínima. • TELEFÓNICA SERVICIOS COMERCIALES: Empresa dedicada a la comercialización, a través de la atención de los clientes en los servicios de Venta y Post venta, de los productos y servicios de Telefónica. La empresa consolida una cultura de cercanía y confianza con sus trabajadores. Aspectos Organizacionales Misión: Mejorar la vida de las personas, facilitar el desarrollo de los negocios y contribuir al progreso de las comunidades donde operamos, proporcionando servicios innovadores basados en las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones. Esta misión se adecua a los principios de socio técnicos de compatibilidad y diseño incompleto, pues promueve la innovación y el cambio. Valores: Ilusión, pasión y compromiso Lema para la institución en el GPTW: Motivando para crear éxito. Este lema está relacionado al principio de diseño y valores humanos de los SST, pues fomenta motivación que es parte de la calidad de vida en el trabajo. Cifra: 560 es el número de colaboradores en la actualidad. Prácticas Positivas - Hermano mayor: Cuando ingresa un nuevo colaborador, se acoge a un trabajador, quien se encarga de hacerle la presentación frente al resto de sus compañeros y lo guía por la empresa. Esta práctica está relacionada al principio de congruencia de apoyo de los SST, pues fomenta la motivación en el trabajo. - Programa Pivot: A los colaboradores más destacados, se les invita a pasar un tiempo en tiendas de provincia. Esta práctica está relacionada al principio de especificación de límites pues genera flujos de información entre diversas localidades. - Becas: El programa de las Becas PADI consta de 150 becas anuales que dan una cobertura de hasta 505 de los pagos anuales por estudios universitarios. Esta práctica está relacionada al principio de congruencia de apoyo de los SST, pues fomenta la motivación en el trabajo. A través del sitio web de la empresa se puede observar que la empresa promueve el trabajo en equipo, lo cual implica emplear el principio socio técnico de la especificación crítica mínima. Por sus mecanismos de comunicación, se adecuada al principio flujo de información. También aplica el principio de multifuncionalidad en las tareas que desarrollan sus colaboradores.

• TELEFÓNICA GLOBAL SOLUTIONS: Es una empresa española Telefónica encargada de suministrar servicios Mayoristas de Voz, Datos, Imagen a operadores de voz fijos, móviles, ISPs y proveedores de contenido, tanto del Grupo Telefónica como de operadores regionales y locales. Aspectos Organizacionales Misión: Desarrollar de buenas prácticas y mejoras operativas basadas en estándares internacionales de seguridad de la información. Esta misión se adecuada al principio de criterio socio técnico, pues aplica un control oportuno en sus operaciones. Valores: Honestidad, confianza, respeto por la ley, integridad y respeto por los derechos humanos. Lema para la institución en el GPTW: Ejemplo que se repite. Este lema se adecuada al principio de diseño incompleto, pues promueve la innovación y el cambio. Cifra: 50 es el número de colaboradores en la actualidad. Prácticas Positivas - Call for ideas: Herramienta para compartir y gestionar ideas innovadoras. Todos pueden participar con sugerencias y mejoras. Luego de ser evaluadas por un comité, son implementadas con éxito. Esta práctica está relacionada al principio de congruencia de apoyo de los SST, pues fomenta la capacitación de los empleados y la motivación en el trabajo. - Match: Programa para dedicar hasta un 20% de la jornada laboral a colaborar en proyectos de otras áreas de la compañía. Pueden participar todos los colaboradores y el periodo máximo es de 6 meses. Esta práctica está relacionada al principio de especificación mínima crítica de los SST, pues fomenta la libertad de creación a sus empleados y la motivación en el trabajo y la multifuncionalidad pues hay rotación en el trabajo. En el sitio web de la empresa se observa que la empresa dispone de tecnologías de información por lo que cumple con el principio de flujo de información oportuna en la organización. También aplica el principio de multifuncionalidad en las tareas que desarrollan sus colaboradores.

3. ANÁLISIS COMPARADO Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS A partir de la comparación de los criterios de calificación del ranking GPTW y los principios socio técnicos mostrados en la Tabla 5 y sintetizados en la última columna de la Tabla 7 se observa que, de forma general, existe un gran ajuste de estos criterios y principios. Solo no fue posible inferir si estos criterios incluyen al principio del criterio socio técnico, el cual se refiere a la detección rápida y oportuna de las variaciones en los procesos de la empresa. Esto puede deberse a que es un principio muy específico que se refleja directamente en la organización del trabajo y no en criterios propuestos de manera general en ese ranking. Por otro lado, de la presentación y análisis de los casos realizada anteriormente, se observa en la misma Tabla 7 que las empresas en su conjunto tienen un gran ajuste a los principios socio técnicos. Este hallazgo es congruente con el análisis anterior pues estas empresas califican

según los criterios del ranking que son muy cercanos a los principios socio técnicos. De esta manera, se considera que los estudios de caso verifican la primera proposición de la presente investigación de que las empresas de servicios tecnológicos presentan rasgos generales característicos de los sistemas socio técnicos. Por otro lado, en la Tabla 7 se observa que los resultados encontrados en cada una de las empresas presentan diferencias en la aplicación de los principios socio técnicos. Por un lado, se observa que existen principios socio técnicos que se aplican en todas las empresas tales como especificación crítica mínima, multifunción y flujo de información. También se observa que los principios de compatibilidad, congruencia de apoyo y diseño incompleto presentan gran aplicación en casi todas las empresas estudiadas. Por otro lado, de manera opuesta, se observa en la misma tabla que los principios de criterio socio técnico y especificación de límites solo los aplica una empresa en cada caso. De acuerdo a ello se considera que se verifica la segunda proposición de que las empresas tecnológicas presentan intensidades diferentes en la aplicación de los principios sistemas socio técnicos. Cabe observar, que no fue posible encontrar relación entre los criterios del ranking y el principio de criterio socio técnico en los estudios de caso. De manera congruente, este principio es el de menos aplicación en las empresas en estudio, lo que indicaría que este principio podría no haber sido documentado por las publicaciones del ranking GPTW. Del mismo modo, hay poca información disponible en las fuentes secundarias empleadas en la investigación sobre la aplicación del principio de especificación de límites que se refiere a la definición de los límites de los departamentos y sus funciones en la organización. Tabla 7: Análisis de los Principios Sistemas Socio Técnicos en las empresas GPTW Principios socio técnicos

TELEFONICA

IBM

ATENTO

TGESTIONA

TELEFONICA SERVICIOS COMERCIALES

TELEFONICA GLOBAL SOLUTIONS

Compatibilidad Especificación mínima crítica Criterio socio técnico Multifunción Especificación de límites Flujo de información Congruencia de apoyo Diseño y valores humanos Diseño incompleto

√ √

√

√ √

√

Ajuste de criterios GPTW a principios socio técnicos

√ √

√

√ √

√

√ √

√

√ √

√

√ √

√

√ √

√

4. CONCLUSIONES La aplicabilidad de los Principios Socio Técnicos en las empresas de servicios pertenecientes al ranking Great Place to Work en Perú de los años 2011 al 2014, ha dependido del involucramiento de la alta dirección en la definición de metas alineadas al diseño de un sistema de innovación organizacional que busca integrar todas las áreas. La investigación realizada evidencia que el ranking Great Place to Work Perú no contempla en sus criterios de medición aspectos de carácter más operativo como el control de las varianzas en los procesos asociado al principio de criterio socio técnico. Sin embargo, el estudio concluye que los criterios de selección del ranking presentan un gran ajuste con los principios socio técnicos y que de manera específica al analizar las seis empresas de servicios tecnológicos estudiadas se observa un ajuste general pero con algunas diferencias de énfasis en la aplicación de estos principios. Para un estudio más detallado sería conveniente realizar algunos estudios de caso en profundidad que además de verificar de manera específica las mismas proposiciones de este estudio permitan explorar nuevas direcciones de investigación. En particular, sería relevante explorar en estudios de caso en profundidad la relación de la aplicación de estos sistemas socio técnicos que son innovaciones organizacionales, con los otros tipos de innovación de carácter tecnológico, tales como innovaciones de producto y de proceso. Del mismo modo, sería conveniente ampliar la investigación a empresas incluidas en este ranking pero que son de otros sectores económicos a fin de establecer en que medida la aplicación y características de los sistemas socio técnicos difieren entre sectores. De esta manera, se podría indagar con mayor profundidad sobre las particularidades de la innovación organizacional en empresas que presentan buen clima laboral y como esto se relaciona con otros tipos de innovación.

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Journal of Cleaner Production journal homepage: www.elsevier.com/locate/jclepro

Environmental profile of green asparagus production in a hyper-arid zone in coastal Peru zquez-Rowe a, b, *, Ramzy Kahhat a, Isabel Quispe a, d, Miguel Bentín c Ian Va lica del Perú, 1801 Avenida Universitaria, San Miguel, Lima 32, Peru Peruvian LCA Network, Department of Engineering, Pontificia Universidad Cato Institute of Technology, Department of Chemical Engineering, University of Santiago de Compostela, 15782 Santiago de Compostela, Galicia, Spain c Agroinversiones Valle y Pampa, Av. Mariscal La Mar 662 Oficina 203, Miraflores, Lima 18, Peru d Scientific and Technological Bioresources Nucleus, University of La Frontera, P.O. Box 54-D, Temuco, Chile a

a r t i c l e i n f o

a b s t r a c t

Article history: Received 28 May 2015 Received in revised form 17 September 2015 Accepted 18 September 2015 Available online 9 October 2015

The Peruvian coast has developed a robust agricultural sector despite the low average rainfall thanks to the availability of water resources from rivers and groundwater. In fact, this area has become one of the main producers of green asparagus worldwide due to the availability of water and the high yield rates that can be reached. However, irrigation and intensive agriculture constitute a significant threat to water depletion in the region, as well as to important changes in land use. In addition, the intensive use of fertilizers and plant protection agents can increase the amount of nutrients and/or toxic agents in river and in the soil. Hence, a Life Cycle Assessment study was conducted for an agricultural farm in Paracas that cultivates green asparagus for export to North America or Europe. The aim of the study was to understand the potential environmental impacts associated with the cultivation of this product in a hyper-arid area. Results showed a considerably lower water use in the cultivation site when compared to business-as-usual values for the region, due to the advanced irrigation system applied. Environmental impacts were strongly influenced by the high energy intensity linked to the production of inorganic fertilizers used on-site and, to a lesser extent, plant protection agents. Transport environmental burdens were also identified as important sources of environmental impact throughout the impact categories monitored, especially when airfreighted to the final country of destination. Finally, the use of methyl bromide to fumigate green asparagus at US customs implied a high burden in terms of ozone depletion. The results in this study intend to be a proxy to understand the specific hotspots linked to the production of green asparagus in Peru, as well as a way forward for local small- and medium-scale companies to get involved in the improvement of their ecological marketing strategies. © 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Keywords: Cleaner production Green asparagus Irrigation Life cycle assessment Peru Water use

1. Introduction Despite an important urbanization process in Peru in the past couple of decades, the agricultural and ﬁshing sectors still represent 5.8% of Peruvian exports, and 24.2% of the active population was employed in the primary sector in 2012 (INEI, 2013, 2014a, 2014b). In fact, Peru has an important role worldwide in the production of agricultural products, not only in terms of bulk production, but also regarding the variety of products that grow in this

* Corresponding author. Peruvian LCA Network, Department of Engineering, lica del Perú, 1801 Avenida Universitaria, San Miguel, Pontiﬁcia Universidad Cato Lima 32, Peru. Tel.: þ51 626 2000 4636. E-mail address: ian.vasquez@pucp.pe (I. V azquez-Rowe). http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.09.076 0959-6526/© 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

multi-climate tropical nation. Given the existence of this climatic variability, agricultural landscapes can vary from endemic potato crops in the Andean highlands to irrigated agricultural farms along the arid Peruvian coast. For instance, the provinces of Ica and Pisco (both in the region of Ica), 250 km South of Lima, have developed a robust agricultural sector despite the low average rainfall thanks to the availability of rdenas, 2012; Ore water resources from rivers and groundwater (Ca and Damonte, 2014). However, irrigation and intensive agriculture constitute a signiﬁcant threat to water depletion in the region, as well as engendering important changes in land use (Wiegers et al., 1999; Meyfroidt et al., 2010). In addition, the intensive use of fertilizers and plant protection agents can increase the amount of nutrients and/or toxic agents in rivers and in the soil (Huijbregts et al., 2000).

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Peru's agricultural sector is moderately to highly vulnerable, ~ o phenomenon, which depending on the region, to the El Nin periodically affects the country causing important disruptions in the countries otherwise fairly predictable climate (Hesse and Baade, 2009; Goldstein and Magilligan, 2011). In addition, Peru is listed as one of the countries with highest risks in terms of vulnerability to the effects of global warming according to the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). While many people may associate this vulnerability with greenhouse gas (GHG) emissions exclusively, the problem is more complex, since the consequences may also appear in the form of water scarcity, depletion of natural resources (e.g. anchoveta stocks) or land use changes (IPCC, 2007). Consequently, Peruvian producers are increasingly aware of the need to understand the environmental conditions they work in, including the environmental impacts that arise from their own local practices and production systems. In this context, Life Cycle Assessment (LCA) has become one of the most important environmental assessment methodologies available in the literature to evaluate the life-cycle environmental impacts linked with a certain service, product or service (ISO, 2006a). Moreover, LCA can quantify environmental impacts for a wide range of environmental dimensions, including global warming, toxicity, use of resources or acidification, among others i Canals, 2014). Once focussed on industrial (Hellweg and Mila processes, it soon developed as an interesting tool to determine the environmental profile of agricultural products (Poritosh et al., 2009). Hence, numerous studies across the world have been published dealing with a variety of environmentally-relevant information. For instance, the most recurrent studies deal with the environmental monitoring of a certain agricultural product in order to understand the main energy or material flows responsible of the environmental impact, as a way to suggest improvement actions (Rugani et al., 2013). However, most studies have focused on agricultural production systems in temperate areas of the world, namely Europe and North America, whereas the analysis of the environmental profile of agricultural crops in Latin America is currently underrepresented in the literature available (Reap et al., 2008). In this study, a green asparagus production site in the abovementioned province of Pisco (13 420 S; 76 120 W) was analyzed with the aim of understanding the environmental impacts of the cultivation of this crop under extreme climatic conditions. The study is justified in terms of the weight of Peruvian green asparagus production (i.e., 374,000 metric tons in 2013), being the second producer worldwide after China (INEI, 2014a). Moreover, green asparagus has shown to have a high nutrient/calorie ratio, and can help prevent cancer, ageing or cardiovascular diseases due to its high content in antioxidants, such as ascorbic acid or glutathione (Sun et al., 2007; Kim et al., 2009; Wang et al., 2011). Its healthful food characteristics imply that its cultivation and consumption will continue to increase in years to come. Hence, the identification of the environmental impacts linked to the cultivation of this vegetable is an important milestone in terms of sustainable production and consumption. Finally, beyond the nutritional and health benefits of this vegetable, the producer expressed interest in understanding the equilibrium between GHG emissions and water use at the site, without disregarding the impacts in other environmental aspects from a lifecycle perspective. 2. Materials and methods 2.1. Goal and scope As previously mentioned, the main objective of this research was to evaluate the environmental profile related to the production

of green asparagus in Ica (Peru). The aim of the study was oriented mainly towards the identification of the environmental hotspots throughout the production system, as well as suggesting a series of improvement measures to reduce the environmental burdens of the product under analysis. The study was carried out for four different years of cultivation (2010e2013), which represent the first four years of farming. This fact is of special interest considering that the crop yield curve will show an increasing trend throughout the years assessed. Consequently, the analysis of how this yield curve affects the environmental profile of the final product delivered will also be a matter of discussion. Nevertheless, results also present an estimation of selected environmental impacts in 2014, for which partial primary data regarding water and electricity use, as well as harvest yield were available, and 2015, which was based on current practices in years 2013 and 2014 and on the aid of the agronomic engineers working at the site (J.P.B., personal communication, January 2015). For this case study the ISO standards specified in ISO 14040 and 14044 for LCA studies were followed (ISO, 2006a, 2006b). The function of the system was the delivery of green asparagus cultivated at the site to the main export destinations ready to supply the wholesalers. Hence, the selected functional unit (FU), which is the reference to which the material and energy flows are referred to (ISO, 2006b), was a 5 kg box of fresh green asparagus exported to the United Kingdom (UK) or the United States (US) by plane or transoceanic cargo at the port or airport of Callao e 12 20 S; 77 80 W (Peru), showing the function of delivering green asparagus ready for distribution to wholesalers in European and North American countries. The selection of the FU was based on the standard package dimensions and content, as described in the Peruvian technical specification for fresh asparagus packaging (NTP, 2013). 2.2. System boundaries The production system analyzed included all the processes linked to the production of green asparagus in the cultivation site, such as field operations, soil management, fertilization or harvest operations, as well as post-harvest activities (i.e., storage and packaging). In addition, upstream processes were followed to account for the extraction of raw materials, production and distribution of a variety of materials used at the cultivation site, such as inorganic fertilizers, plant protection agents, packaging materials or diesel, among other inputs. Downstream processes included the freight operations from the gate of the cultivation site to the port of Callao. The system boundaries were not only limited to green asparagus freighting on Peruvian soil, but the impact of oceanic or airfreight to the final nations of destination were modelled considering the different modes of transport. Therefore, the analyzed system represents a cradle-to-gate approach in which the products are followed up to their departure from Peruvian soil and, in an extended manner, to their arrival in customs at the country of destination. Post-export operations, such as wholesaling, retailing or consumption were excluded from the system boundaries (see Fig. S1 in the Supplementary material for a graphical representation of the flow diagram for the modelled production system). 2.3. Data acquisition and quality Primary data obtained for this study were acquired mainly from the producer (Table 1). In the first place, a questionnaire was developed by the LCA practitioners in order to obtain data regarding the main material and energy flows occurring at the cultivation site. Secondly, in several meetings with the technical staff from the agricultural company, the questionnaire was

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Table 1 Operational characteristics of the cultivation site in the period 2010e2013.

Surface area Green asparagus yield Total green asparagus production Economic value Total green asparagus exports a

Unit

2010

2011

2012

2013

2014

ha t/ha t $/kg t

120 ea ea ea ea

120 3.6 456 1.44 365

120 6.0 720 1.61 576

120 8.0 960 1.42 768

120 10.0 1200 N/Av 960

2010 was the seedling year. Therefore, no commercial harvest was performed in this ﬁrst year of operation.

amended and, thereafter, the questionnaire was submitted for completion. Regarding primary data, annual values in the period 2010e2013 were reported for crop yield, human labour, cultivated area, as well as a series of operational inputs, such as the amount of organic and inorganic fertilizers, plant protection agents, water use and the electricity required to pump water. In addition, field machinery, infrastructure of the cultivation site (i.e., irrigation system), as well as the packaging and distribution processes within Peruvian soil were also provided. Background data were adapted from the available ecoinvent® 3.01 database (Weidema et al., 2013). For instance, in the case of electricity, the electricity production mix available in ecoinvent® for Peru was adapted to years 2010 and 2011 based on available data from the Ministry of Energy (V azquez-Rowe et al., 2015). For years 2012 and 2013 the electricity mix was not available at the time of the study, so the last available year was assumed (2011). However, the observed tendency in the past decade is that the additional demand for electricity, which is currently growing at an average rate of approximately 4% per year, is met by an increase in the use of fossil fuels, mainly domestic gas. Hence, environmental impacts due to electricity consumption may be slightly underrepresented. Peru does not produce inorganic fertilizers and most plant protection agents are imported from abroad. However, the producing country was known for all pesticides, thanks to the national inventory obtained from the Ministry of Agriculture (SENASA, 2014). Therefore, the ecoinvent® datasets per pesticide type were adapted to the specific energy characteristics of each country of production, as well as the freighting to Peru. Regarding inorganic fertilizers, the exact country of origin was unknown. However, a mass allocation per exporting nation was performed based on the data obtained from the Peruvian Ministry of Agriculture, as shown in Tables S1eS4 of the SM (Ministerio de Agricultura, 2011, 2012, 2013). This allowed modelling the fertilizer production system, which is highly energy-intensive, for each of these nations, rather than just using global data, by modifying and adapting energy and heat characteristics to national benchmarks. Organic fertilizers, in contrast, were included in the study based on local characteristics. On the one hand, the NPK content of guano was modelled considering the official characteristics of the Peruvian government, in charge of its commercialization. Hence, a 12% content of N, 11% for P2O5 and 2.5% K2O were taken into consideration, as well as the content of other nutrients such as CaO, MgO or S (Ministerio de Agricultura, 2015). On the other hand, a soil conditioner named Avibiol, which is of common use in Peru, was modelled following producer guidelines (Avibiol®, 2015). Emissions linked to fertilization were adapted from a variety of bibliographical sources. In the first place, the emission factors considered in the ecoinvent® guidelines were taken into account €gi, 2007). for phosphorus emissions and for NOx (Nemecek and Ka However, specific emission factors for tropical areas were taken into consideration for dinitrogen oxide (N2O), NH3 volatilization and NO3 leaching (Bouwman et al., 2001; Marquina et al., 2013).

Firstly, for N2O an emission factor of 0.0078 (i.e., 0.78% of applied nitrogen is emitted as N2OeN) was assumed based on the sandy characteristics of the cultivation site (Marquina et al., 2013). Secondly, for NH3 the emission factors that were considered were 0.15 for synthetic fertilizers and 0.30 for organic N fertilizer based on the data provided by Bouwman et al. (2001). Finally, for NO3 a leaching value of 0.30 was taken into account, since this is the default value for irrigated crops. Regarding transport, trucks transporting the cargo to the port of Callao were modelled in terms of diesel consumption and emissions. It was assumed that the freight was transported in trucks that comply with the Euro III Directive, which happens to be the most advanced emission limit standard currently regulated in Peru. In addition, cooling agent emissions in these trucks was assumed to follow a similar pattern to those reported by Stemmler et al. (2004). The quality of data was guaranteed by following the requirements fixed in the technical specification ISO/TS 14048/2002 (ISO, 2002). Consequently, the identification of temporal, spatial and technological issues has been described in previous sections. Similarly, completeness was attained through the compliance of the inventories with the Peruvian technical specifications for asparagus cultivation (NTP, 2003), processing (NTP, 2013) and transport (NTP, 2014). Consistency of the results was met, as aforementioned, in compliance with ISO 14040 and 14044 (ISO, 2006a, 2006b). The reproducibility of the study should be accomplished based on the description of the inventories in Section 2.4, as well as the modelling and computing guidance provided in Sections 2.5 and 2.6. Finally, precision of the inventory data, i.e., the degree of variability of data values, was not quantifiable due to the fact that one single dataset was included in the study. Having said this, lack of precision was counterbalanced through the computation of several years of activity, as well as with sensitivity analysis modelling. 2.4. Life cycle inventory The Life Cycle Inventory (LCI) stage assembles data to cover the necessary inputs and outputs of a production system, including the use of resources and emissions (ISO, 2006b). The LCI was divided into 3 subsystems in order to provide a clear representation of the system assessed: i) cultivation and harvesting; ii) storage and packaging; and iii) national and international freight. Therefore, Tables 2e4 present the main inputs and outputs occurring in the different phases as referred to the FU. 2.5. Allocation and other assumptions The only marketable product that was analyzed in the cultivation site is green asparagus intended for exportation. However, it should be noted that only 80% of the total harvest is finally destined to exports. In fact, 5% of the harvest yield corresponds to asparagus stumps that are collected at no cost for farmers to use as fodder. Moreover, an additional 15% of the harvest yield is constituted of green asparagus that due to its lower quality is sold to third parties

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2508

Table 2 Summary of the annual inventory data for subsystem I e agricultural stage (data per metric ton of harvested green asparagus). Unit

2011

2012

2013

2014

Inputs from the technosphere Fossil fuels Diesel consumption kg 12.3 12.5 9.1 7.3 Organic fertilizers Guano kg 43.9 0.0 0.0 0.0 Other organic fertilizer L 0.0 0.0 12.5 10.0 Inorganic fertilizers Ammonium nitrate kg 74.9 72.6 1.5 1.2 Phosphoric acid kg 58.7 36.4 33.7 27.0 Potassium sulphate kg 0.0 46.1 52.0 41.6 Magnesium sulphate kg 20.4 45.6 12.7 10.2 Calcium nitrate kg 15.2 11.3 4.5 3.6 Boric acid kg 3.9 1.6 0.0 0.0 Urea e ammonium nitrate L 0.0 0.0 80.3 64.3 Potassium nitrate kg 160.4 10.6 0.0 0.0 Irrigation Water use m3 21.2 12.4 12.2 12.2 Electricity consumption for pumping kWh 713.0 419.2 499.3 529.2 Plant protection agents (selection of most used) Chlorpyrifos kg 2.2 0.9 1.2 1.0 Methomyl kg 0.5 0.1 0.2 0.2 Sulphur g 34.4 7.9 0.0 0.0 Tebuconazole g 78.9 22.9 15.6 12.5 Outputs Products Green asparagus t 1 1 1 1 Emissions to air CO2 (diesel) kg 39.0 39.5 28.6 22.9 CO2 (fertilization) kg 0.0 0.0 49.2 39.4 NH3 (fertilization) kg 1.18 0.66 3.07 2.46 N2O (fertilization) kg 0.60 0.33 0.01 0.01 NOx (fertilization) kg 2.71 1.51 1.81 1.45 Emissions to water NO3 (fertilization) kg 64.3 36.0 1.6 1.3

Table 3 Summary of the annual inventory data for subsystem II e processing stage (data per functional unit).

Inputs from the technosphere Polypropylene HDPE Electricity (storage prior transport) Electricity (asparagus processing) Inputs from nature Fresh asparagus Outputs Asparagus box

Unit

2010

2011

2012

2013

g g MJ MJ

e e e e

225.0 29.70 0.40 0.39

225.0 29.70 0.41 0.39

225.0 29.70 0.42 0.41

5.0

Table 4 Summary of the annual inventory data for subsystem III e distribution stage (data per functional unit).

Inputs from the technosphere Lorry (to Callao) Transoceanic freight e Miami Transoceanic freight e Los Angeles Intercontinental aircraft e London Intercontinental aircraft e Los Angeles Intercontinental aircraft e Miami Methyl bromide fumigation (US only) Outputs to the technosphere Products Asparagus box Emissions to air from lorry cooling agents HFC-134a CFC-12 HCFC-22

Unit

Value

km km km km km km g

260 4776 6767 10,149 6717 4128 1.80

mg mg mg

1 10.47 0.53 4.71

for use in industrial processes for canning or other nonconventional presentations of green asparagus. On the basis of these conditions a mass allocation perspective was followed since the economic value of some of the co-products was unknown. Consequently, 80% of operational activities from the cultivation site were assigned to the exported product. The cultivation site is also comprised of 51 ha destined to the production of pomegranates and 6 ha of blueberries. Hence, a series of inputs that were common to the entire production area were allocated based on different criteria. In the first place, in the case of electricity it was determined that water pumping for irrigation was responsible for roughly 98% of electricity consumption. This led to an allocation strategy based on the proportional amount of water used for each crop, which is described in Table 5. Secondly, machinery was in most cases used transversally among the three different crops, as shown in Table 6. However, while in the case of electricity, the water use was obtained in the form of primary data for each crop, in the case of machinery, the company did not have quantified the historic data for each crop. Therefore, the indications in Table 6 correspond to educated estimations by the company's workers, rather than quantified data. It should also be noted that no harvest was performed in year 2010, since this was the seedling and first year of plantation. Therefore, the impacts of this year of operation were assigned proportionally throughout the estimated duration of the current plantation until a new seedling process is initiated (12 years). In addition, year 2010 includes, as can be observed in Table 7, the inventories of producing and transporting the seeds in California, as well as a nursery stage in Lima. The irrigation infrastructure, as well as the use of high density polyethylene boxes for harvest, was assumed to be used over a period of 15 years prior to replacement. Therefore, in a similar way as for seedling, the environmental impacts were allocated proportionally throughout the 15 year window. Finally, the transport of fresh asparagus abroad was modelled based on the export destinations reported by the company. We assumed direct marine or airfreight from Callao to the city of destination, although it should be highlighted that in many cases logistics are more complex, including several intermediate destinations, an issue that could potentially increase the environmental impacts reported in this case study and constitutes a relevant source of uncertainty. For US exports, it is important to note that US customs currently require fresh green asparagus from Peru to be fumigated with methyl bromide. Therefore, based on the fumigation guidelines provided by the Plant Protection and Quarantine (PPQ) division of the United States Department of Agriculture's Animal and Plant Health Inspection Service (USDA APHIS), approximately 1.8 kg of methyl bromide were considered to be fumigated per 28 m3 of fresh green asparagus (USDA, 2015). 2.6. Life cycle impact assessment and assessment methods The Life Cycle Impact Assessment (LCIA) stage, in which the material and energy flows are converted into environmental impacts through the use of characterization factors, was computed in -Product Ecology Consultants, the software SimaPro 8.01 (PRe 2014). One single assessment method was selected: ReCiPe midpoint. Midpoint perspectives in LCA quantify the potential impact of a specific environmental dimension (Goedkoop et al., 2009), enabling the identification of key inputs and emissions responsible for environmental impacts, whereas endpoint perspectives quantify the potential damage that a specific impact category, or cluster of categories can pose in terms of human health, ecosystems or resource depletion (Hauschild et al., 2013). While the endpoint perspective is highly useful in terms of public policies, its

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2509

Table 5 Allocated electricity values in MWh for the different crops in the cultivation site based on water pumping for irrigation. Crop

Green asparagus Pomegranate Blueberries Total

2010

2011

2012

Irrigation (m3/ha)

Electricity (MWh)

3357

188.19

9685

325.11

2456 0 5813

137.69 0.00

3967 7524 21,176

133.16 252.57

Irrigation (m3/ha)

Electricity (MWh)

Irrigation (m3/ha)

2013 Electricity (MWh)

Irrigation (m3/ha)

Electricity (MWh)

8917

301.79

11,719

479.35

5958 6411 21,286

201.65 216.98

6259 7842 25,820

256.02 320.77

Table 6 Machinery allocation per crop (based on educated estimations by site workers). Crop

Tractor 1 (John Deere) Tractor 2 (John Deere) Tractor 3 (Ferrari) Tractor 4 (Massey Ferguson) Straddle tractor (John Deere)

2010

2011e2014

Green asparagus

Pomegranate

Green asparagus

Pomegranate

Blueberry

0.25 0.25 e 0.50 0.80

0.75 0.75 e 0.50 0.20

0.25 0.25 0.00 0.35 0.60

0.75 0.75 1.00 0.35 0.10

0.00 0.00 0.00 0.30 0.30

uncertainties are rather large. In addition, in this assessment the toxicity impact categories included in ReCiPe were excluded due to the lack of emission factor computation for plant protection agents. Therefore, based on these two limitations, the assessment focused on the midpoint impact categories listed in Table S5 in the SM. The selection of impact categories was based on an integrated assessment in which the stakeholders were interested in evaluating the widest available number of environmental dimensions. This strategy allows considering trade-offs when interpreting the results and suggesting improvement actions. Nevertheless, the main interests of the stakeholders from a dissemination perspective were climate change and water use. On the one hand, the Peruvian agricultural sector and land use changes linked to its expansion represent a considerable amount of overall national GHG emissions. Given the recent compromise reached at the COP20 summit in Lima (Peru), in which emerging nations committed to develop domestic strategies for GHG emissions reduction (UNFCCC, 2014). In the case of Peru it seems plausible that many of these strategies will be linked to the agricultural sector, given the high potential for

Table 7 Inventory data per hectare of cultivation for the seedling year (2010). Unit Inputs from the technosphere Fossil fuels Diesel consumption Organic fertilizers Guano Inorganic fertilizers Ammonium nitrate Phosphoric acid Potassium sulphate Magnesium sulphate Calcium nitrate Potassium nitrate Irrigation Water use Electricity consumption for pumping Plant protection agents (selection of most used) Imidacloprid Methomyl Sulphur Difenoconazol Deltamethrin

2010

20.6

40.0

kg kg kg kg kg kg m3 MWh g g g g g

248.2 109.7 106.6 12.1 11.5 216.4 3357 1.6 84.4 540.0 19.0 120.0 75.0

GHG-related emissions due to land use changes (Pielke et al., 2002; Wassenaar et al., 2007). On the other hand, water use and management, since water is a key resource in a desert area in which the only existing water source is an aquifer (Prinz, 2002; Budds and Hinojosa-Valencia, 2012).

3. Results 3.1. Environmental assessment of the agricultural phase Environmental impacts across impact categories were dominated by the production of inorganic (and to some extent organic) fertilizers in most impact categories, especially for metal depletion (66%), ionizing radiation (62%) or ozone depletion (60%), as shown in Fig. 1 (results for year 2013). On field emissions due to fertilization were also an important source of impact in terms of terrestrial acidification (64%), eutrophication, and to a lesser extent particulate matter formation (47%) and photochemical oxidant formation (40%). Therefore, the production, transport and use of fertilizers were identified as the main contributor to environmental impacts in 12 out of 14 impact categories assessed (see Table S5 in the SM), including climate change (CC). Concerning CC, 47% of the total impacts in the cultivation phase in 2013 were linked directly to fertilization activities (mainly production: 41% of total impacts). Nevertheless, irrigation activities represented 41% of the GHG emissions, of which 16% were directly attributable to electricity use at the site, 13% to the infrastructure beyond the site and 13% to on-site infrastructure. These relative values for CC translate into a total of 4.37 kg of CO2 eq. per FU in 2013, 11% lower than for 2012 (4.91 kg CO2 eq.) and 51% for 2011 (8.86 kg CO2 eq.), but substantially higher for the estimations performed in 2014, 24% (3.53 kg CO2 eq.) and 2015, 50% (2.92 kg CO2 eq.). The main operation responsible for water depletion (WD) was direct irrigation of the fields, representing roughly 63% of the environmental impacts. In addition, electricity production and distribution for water pumping was responsible for an additional 10% of environmental burdens. Despite the elevated irrigation needs in this extremely arid location, 26% of WD was attributable to other uses, such as the production of fertilizers (19%) or machinery (ca. 3%).

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2510 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% CC

OD FerƟlizaƟon

IrrigaƟon

POF

PMF

Plant protecƟon agents

Machinery

ALO

ULO

Direct Land Use

NLT

AllocaƟon seedling year

Fig. 1. Relative contribution of operational activities to the environmental proﬁle of the impact categories selected in the agricultural stage (reference year: 2013). NOTE: CC ¼ climate change; OD ¼ ozone depletion; TA ¼ terrestrial acidiﬁcation; FE ¼ freshwater eutrophication; ME ¼ marine eutrophication; POF ¼ photochemical oxidant formation; PMF ¼ particulate matter formation; IR ¼ ionizing radiation; ALO ¼ agricultural land occupation; ULO ¼ urban land occupation; NLT ¼ natural land transformation; WD ¼ water depletion; MD ¼ metal depletion; FD ¼ fossil depletion.

the environmental impacts linked to fossil depletion in this stage and 84% for CC were associated with the supply of the polypropylene box to the packaging plant. Freighting of the harvested asparagus was considered in this stage up to the packaging point. This truck transport represented up to 55% of the impacts for urban land occupation or 45% for ozone depletion and ALO, whereas contributions were negligible for CC (4%) and fossil depletion (2%). Finally, electricity use in the storage and packaging stages only represented substantial burdens in terms of WD (20%) and natural land transformation (11%).

Regarding agricultural land occupation (ALO), the main contributor was the total surface destined to the production of the green asparagus (95%), whereas 4% was attributable to irrigation activities and a negligible 1% to the production of fertilizers. Other operational inputs, such as the use of machinery appeared to have surprisingly low impacts considering the use of fossil fuels for their use. In fact, only 11% for ozone depletion, 8% of the impacts of metal depletion and 6% for CC were attributable to mechanical activities on site. Finally, the environmental impacts considered for the seedling year (i.e., 2010), represented impacts below 5% for all impact categories, except for marine eutrophication, that accounted for 30% of total impact due to the increased emission of nitrates and ammonia from the use of inorganic and organic fertilizers.

3.3. Environmental assessment of the distribution stage The distribution stage was considered from the gate of the packaging centre. Therefore, two were the main operations taken into account: transportation by truck to the port of Callao and exportation abroad. However, exports were highly conditioned depending on the freight mode and distance. In other words, when green asparagus is exported by boat to Miami (US), the environmental impacts of road transportation in Peru represent 62% of impacts within this subsystem for metal depletion, 31% for FD and 28% for CC, whereas marine freighting to Miami represented up to 88% of the impacts in particulate matter formation or 72% in the case of CC (see Fig. 4). Interestingly, ozone depletion impacts were identiﬁed as being crucial in this stage whenever the exported products enter US customs for commercialization. The reason behind this circumstance is linked to the fumigation process that occurs at customs, representing 99.9% of total environmental

3.2. Environmental assessment of the packaging phase The packaging phase represented the lowest environmental impacts in all impact categories, due to the lack of complex processing mechanisms in the production system. Therefore, the packaging process of 1 box of asparagus represented the emission of 558 g CO2 eq. to the atmosphere. The main environmental impact identiﬁed in this stage was the production and delivery of plastic materials. On the one hand, environmental impacts ranging from 5% to 11% of the total for this subsystem were identiﬁed linked to the use of harvesting boxes (high density polyethylene) at the cultivation site, while the most relevant impacts were attributable to the use of the polypropylene boxes to pack the 5 kg of fresh green asparagus ready for exporting abroad (see Fig. 2). Therefore, 86% of 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% CC

HarvesƟng box

POF

Transport to packaging

PMF

Storage

ALO

ULO

Packaging process

NLT

Packaging box

Fig. 2. Relative contribution of operational activities to the environmental proﬁle of the impact categories selected in the packaging stage (reference year: 2013). NOTE: CC ¼ climate change; OD ¼ ozone depletion; TA ¼ terrestrial acidiﬁcation; FE ¼ freshwater eutrophication; ME ¼ marine eutrophication; POF ¼ photochemical oxidant formation; PMF ¼ particulate matter formation; IR ¼ ionizing radiation; ALO ¼ agricultural land occupation; ULO ¼ urban land occupation; NLT ¼ natural land transformation; WD ¼ water depletion; MD ¼ metal depletion; FD ¼ fossil depletion.

zquez-Rowe et al. / Journal of Cleaner Production 112 (2016) 2505e2517 I. Va

impacts. However, it is interesting to point out that when the cargo is airfreighted to London (UK), and therefore no fumigation with methyl bromide is necessary on arrival, the environmental impacts of intercontinental freighting represent at least 90% of the environmental load for all impacts categories (Fig. 3). 3.4. Overall environmental profile of asparagus The overall environmental profile of asparagus production showed a gradual improvement from the first harvest in 2011 to the fourth harvest in 2014, which to a great extent can be linked to the asparagus yield curve, as can be observed in Fig. 4. For instance, the GHG emissions in the CC impact category decreased from 29.0 kg CO2 eq in 2011 to 19.9 kg CO2 eq in 2014. In addition, Fig. 4 also shows the estimated GHG emissions for future years of production based on the producers estimates regarding the yield curve for asparagus, and maintaining the same energy and material flows as in year 2014. Hence, in 2015 considering the same technology and operational inputs as in 2014, as well as reaching a peak yield value of 12.0 t/ha, the CC impacts would add up to 16.6 kg CO2 eq. Finally,

Climate Change environmental impact with respect to weighted average

the evolution through time of the environmental impacts in selected categories is depicted. While in most impact categories the burdens per FU tend to decrease with increasing yields, this was not the case for ozone depletion given that the most hazardous compounds for the ozone layer are emitted in the distribution subsystem. However, the fact that impacts per FU in years 2012 and 2013 were remarkably similar, despite an increase in green asparagus yield of 33%, was linked mainly to the change in fertilization practices, due to the use of urea rather than ammonium nitrate. This change is most visible for the particulate matter formation category, since NH3 and NOx (emissions of NH3 and NOx were considerably higher in 2013 as compared to 2012 e see Table 2) have a relatively high characterization factor in this impact category (Goedkoop et al., 2009). Nevertheless, it should be taken into account that the overall life-cycle results presented above consider a weighted average of the export routes from Peru to the two importing nations. When the different exporting routes are independently assessed, the differences are noticeable when discriminating between marine and airfreighting, as can be seen in Fig. 5. Consequently, the

DesƟnaƟon: London (airfreight) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

350% 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0%

CC Weighted average

London (Air)

Miami (Air)

Los Angeles (Air)

Miami (MariƟme)

2511

Los Angeles (MariƟme)

POF PMF

TerresƟal transportaƟon (Peru)

DesƟnaƟon: Miami (airfreight)

ALO

ULO

NLT

Air freight (to London)

DesƟnaƟon: Miami (marine freight)

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% CC

POF PMF

TerresƟal transportaƟon (Peru)

ALO

ULO

NLT

Air freight (to Miami)

POF PMF

TerresƟal transportaƟon (Peru)

DesƟnaƟon: Los Angeles (airfreight)

ALO

ULO

NLT

Marine freight (to Miami)

DesƟnaƟon: Los Angeles (marine freight)

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% CC

POF PMF

TerresƟal transportaƟon (Peru)

ALO

ULO

NLT

Air freight (to LA)

POF PMF

TerresƟal transportaƟon (Peru)

ALO

ULO

NLT

Air freight (to LA)

Fig. 3. Graphical representation of the comparison between weighted average destinations and individual destinations in terms of GHG emissions for the distribution stage. Relative contribution of operational activities to the environmental profile of the impact categories selected in the distribution stage, including transoceanic freighting (air and maritime) to final destination (reference year for all graphs: 2013). NOTE: fugitive emissions due to fumigation at US customs were excluded; CC ¼ climate change; OD ¼ ozone depletion; TA ¼ terrestrial acidification; FE ¼ freshwater eutrophication; ME ¼ marine eutrophication; POF ¼ photochemical oxidant formation; PMF ¼ particulate matter formation; IR ¼ ionizing radiation; ALO ¼ agricultural land occupation; ULO ¼ urban land occupation; NLT ¼ natural land transformation; WD ¼ water depletion; MD ¼ metal depletion; FD ¼ fossil depletion.

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2512

Climate Change 35

kg CO eq/FU

metric tons/ha

Yield 14

8 6

20 15

0 2011

2012

2013

2014

2015

2011

700

600

500 400 300 200

2014

2015

30 25 20 15 10

100

0 2011

2012

2013

2014

2015

2011

Water DepleƟon

2012

2013

2014

2015

2014

2015

Fossil DepleƟon 12

kg oil eq/FU

m /FU

2013

ParƟculate MaƩer FormaƟon

800

g PM eq/FU

mg CFC-11 eq/FU

Ozone DepleƟon

2012

15 10 5

8 6 4 2

0 2011

2012

2013

2014

2015

2011

2012

2013

Fig. 4. Total environmental impacts for selected impact categories in the period 2011e2015 per functional unit (5 kg box of green asparagus), as well as average yield (tonnes per hectare) in the analyzed period.

Weighted average Ln-A Mi-A Mi-M LA-A LA-M 0

20 Agricultural phase

Packaging phase

DistribuƟon phase

Fig. 5. Total environmental impacts for the climate change (CC) impact category in 2013 depending on the ﬁnal destination and transport mode. Weighted average for all ﬁve scenarios is also provided. Results are expressed in kg CO2 eq. per functional unit (5 kg box of green asparagus). NOTE: Ln-A ¼ airfreight to London; Mi-A ¼ airfreight to Miami; MiM ¼ marine freight to Miami; LA-A ¼ airfreight to Los Angeles; LA-M ¼ marine freight to Los Angeles.

shipment of a box of fresh green asparagus to the US by sea can show environmental impacts up to 92% lower than airfreighting them to the UK. 4. Discussion 4.1. Environmental hotspots and improvement actions The main environmental hotspots identiﬁed in the production and supply chain of green asparagus production for this company were linked mainly to the production of raw material outside Peruvian borders. In fact, it is somewhat stunning to ﬁnd that a nation that destines 33,000 km2 to agricultural production has to import close to 100% of key raw materials in the industry, such as

inorganic fertilizers or plant protection agents (INEI, 2014b). Therefore, in many cases the environmental proﬁle of Peruvian agricultural products will be penalized by the use of inorganic fertilizers produced in countries such as Belgium, China or Russia (Ministerio de Agricultura, 2011, 2012, 2013). Beyond the environmental impacts linked to freighting these products, which are not excessive since the freight is mostly maritime and slow, the production of inorganic fertilizers is highly energy intensive. This circumstance is aggravated by the fact that Peru imports some of these products from nations (e.g., China or Russia) whose electricity mix is still based to a great extent on fossil fuels. Consequently, beyond the actual decision-making that can be displayed at a company level, it would be desirable that public policies in Peru, taking advantage of the beneﬁcial position of the country in terms

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of access to many raw materials and low carbon electricity production (V azquez-Rowe et al., 2015), were driven to close the production cycle of resources used in the agricultural sector, such as plant protection agents or inorganic fertilizers. In addition to this important constraint that affects most agricultural products in Peru, changes in the energy matrix in Peru are also expected to imply future changes in the environmental impacts of this type of products. For instance, the electricity grid in Peru, while strongly based on hydroelectric power, has steadily zquez-Rowe changed to meet increasing electricity demands (Va et al., 2015). This has created a situation in which the additional demand of electricity production has been supplied by the use of fossil fuels, although the investments planned for the period 2015e2018 suggest that this situation would shift to an integrated use of different energy sources, including wind, solar and new hydropower installations (OSEC, 2010; UK Trade & Investment, 2010). Similarly, the expected development of new infrastructure in the Ica region in the period 2015e2020, with the opening of a new international port at the city of Pisco (13 420 3600 S; 76 1201200 W), would reduce considerably the terrestrial freighting within Peruvian borders of raw materials and ﬁnal products ready for exportation, since these would not be centralized any longer in the port of Callao. In fact, a scenario for green asparagus production in 2013 was modelled based on changes in freight distances, assuming a ceteris paribus situation for all other practices in terms of operational inputs. The results, which are visible in Table 8, demonstrate that the opening of an international port in Pisco would imply a slight reduction in environmental impacts: 6% for urban land occupation, 4% for ionizing radiation or 2% for CC, assuming that the cargo was marine-freighted to Los Angeles (US). In addition, this infrastructure would reduce considerably the amount of agricultural cargo being transported to LimaeCallao along the Pan-American Highway through the most densely-populated area of the country (APN, 2015). Besides the environmental impacts of green asparagus production modelled in this scenario, and despite it being beyond the scope of this study, it is worth mentioning that the development of this type of infrastructure in the Ica region would probably be accompanied by a proliferation of land use changes (LUCs) in the area in terms of agricultural land expansion due to the lower freight costs. From a company level the main observations in the timeframe analyzed can be linked to two main factors. On the one hand, increasing yield from the ﬁrst year of production onwards had an

2513

important effect on lowering the environmental profile of green asparagus. Surprisingly, when consulting the LCA literature available for this type of crops, there is little reference to the effect of the yield curve on the environmental impacts, and in a majority of studies the environmental data are referred to one single year of operation without any reference to the stage of development of the zquez-Rowe et al., 2012). Therefore, it would be permanent crop (Va desirable that future studies in the agricultural sector were more explicit when reporting environmental results, since the yield curve of permanent crops, as well as other temporal factors, can have an important influence on these. In other words, as observed previously by Brentrup (2003), perennial crop systems tend to show a non-monotonic curve due to the fact that the systems are predominantly output-oriented, since many inputs respond to cycles that go beyond the annual harvest. This relationship, as represented in Fig. 6, tends to translate into a U-shaped curve, in which the lowest environmental impacts are attained once the crops achieve the highest level of yield per unit of land (Brentrup et al., 2004). Furthermore, it should be noted that the identification of the life-cycle impact of decreasing yields due to the end of peak yield performance by perennial crops may be a way forward to better understand when farmers should replace their crops to maintain low impacts at high yields. Finally, it should be noted that the described behaviour contrasts with that of annual crops (e.g., cereals, corn, etc.), which tend to be more prone to annually-based inputs, such as nitrogen fertilization. When analyzing in depth some of the impact categories assessed, it is important to highlight how different activities have an uneven effect on the final environmental profile. For instance, ozone depletion impacts showed a very high prevalence of the distribution stage due to a legal requirement of the Plant Protection and Quarantine (PPQ) service of the US Department of Agriculture at US customs to use methyl bromide fumigation for a series of agricultural products, including most vegetables such as asparagus (Baca, 2014). In fact, in 2013 a total of 545,000 lbs of methyl bromide were used by the US for import fumigations. Approximately 15% of this fumigation was attributable to asparagus (Baca, 2014). Its use is justified on the basis that it is an effective chemical to prevent agricultural products from propagating invasive plant pests or noxious weeds. Interestingly, methyl bromide presents a relatively high characterization factor for ozone depletion (characterization factor e CF ¼ 0.38), although lower than CFC-11 (CF ¼ 1) (ReCiPe, 2015). While its use other than for fumigation purposes has been cut by approximately 82% in the period 1995e2012, in

Table 8 Environmental impacts per functional unit in 2013 assuming current conditions as compared to the export of green asparagus from the projected port of Pisco. Results are expressed per functional unit (5 kg box of green asparagus). Both systems consider that the green asparagus is exported through marine freight to the US. Impact category

Climate change Ozone depletion Terrestrial acidiﬁcation Freshwater eutrophication Marine eutrophication Photochemical oxidant formation Particulate matter formation Ionizing radiation Agricultural land occupation Urban land occupation Natural land transformation Water depletion Metal depletion Fossil depletion

Unit

kg CO2 eq. mg CFC-11 eq. g SO2 eq. g P eq. g N eq. g NMVOC g PM10 eq. kBq 235 eq. m2 a m2 a m2 m3 kg Fe eq. kg oil eq.

2013

% Improvement

Current system

Production system assuming that the port of Pisco was already in operation

5.34 685.3 76.13 1.08 6.88 31.11 17.96 0.256 6.60 0.221 9.64E 4 13.15 0.286 2.25

5.25 685.3 76.01 1.06 6.87 30.78 17.81 0.246 6.59 0.208 9.35E 4 13.05 0.275 2.22

1.70 0.00 0.16 1.38 0.16 1.05 0.82 3.91 0.06 6.21 2.95 0.74 3.84 1.50

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Fig. 6. Graphical representation of the relationship between the yield curve and environmental impacts per functional unit through the life cycle of green asparagus cultivation.

2012 the use of methyl bromide for quarantine and pre-shipment (QPS) in the US represented over 60% of global emissions of this substance. Nevertheless, the Montreal Protocol exempts QPS activities from the phase-out of this chemical, although certain nations are starting to demand that the QPS exemption should be revised (Butler and Montzka, 2014), although the PPQ and the Environmental Protection Agency (EPA) in the US are already working on implementing alternative feasible procedures. For example, the use of phosphine, which has no effect on the ozone layer, has been tested positively for different crops including asparagus (Liu, 2008), although its high human toxicity potential implies that further research should be performed in terms of phosphine residues in these products to avoid risks to human health (Brautbar and Howard, 2002; Liu, 2008). Another option suggested by the UNEP in a recent report in 2014 is the use of sulfuryl fluoride (SO2F2). This chemical has no effect on ozone depletion, but poses an important problem in terms of global warming potential (GWP). In fact, its environmental impact is yet to be included in the IPCC characterization factors for direct GHGs, although some studies suggest that its characterization factor could be as high as 8000 (Dillon et al., 2008). Therefore, although the two alternatives presented imply a complete eradication of ozone depletion impacts in the fumigation phase, their trade-offs in other environmental dimensions, such as CC or toxicity, may be an important issue of concern. Another impact category of interest, particulate matter formation (PMF), was found to be driven by particles emitted in the spreading of fertilizing agents (47% in 2013). Therefore, seeking certain equilibrium between agronomic choices to boost productivity and the environmental impacts that different fertilizing agents engender may provide a successful management strategy to reduce environmental impacts. Nevertheless, it should be noted that the site is located in a low population density area, which implies that the importance of PMF may not be as relevant as in other areas along the Peruvian coast. In addition, other impact categories, such as marine eutrophication or terrestrial acidification, would also benefit from this management strategy. The use of water is always a controversial issue in hyper-arid areas of the planet like this region in Peru. However, at the cultivation site a High Frequency Intermittent Drip Irrigation System (HFDI System) has been in operation ever since the first year of operation in order to minimize water use (approximately 45%), as well as associated energy (45%) and fertilizer use, such as ammonium nitrate (52%), potassium sulphate (50%) or phosphoric acid (10%). This infrastructure implies that the average direct water use per hectare in this cultivation site is below 11,800 m3/ha/year, substantially lower than the 14,000e17,000 m3/ha/year reported as industry benchmark in the area (Hepworth et al., 2010). These important savings in water use imply a lower impact on the already

overexploited aquifers in the region of Ica (World Bank, 2008), as well as substantial improvements in terms of eutrophication potential due to lower fertilizer use or lower electricity use, as can be observed in Table 9. This table compares the performance of on-site asparagus production using the HFDI system to the conventional flood irrigation system used in most of the Ica Valley. Results show that disregarding ALO, all other impact categories have improved performance of 40e50% when the HFDI system used at the cultivation site rather than the regional benchmark. All these advantages linked to the HDFI system confirm the statements that were previously suggested regarding the good performance of operational activities at the cultivation site. The difficulty to further reduce water consumption on site, therefore, redound in the struggle to further benchmark electricity and fertilizer use at the agricultural site. Therefore, improvement actions in a wide range of environmental impact categories will be linked more to the outsourced impacts linked to the production of the energy and material flows needed at the site, rather than on the actual way in which operational activities are performed locally. Finally, regarding the use of plant protection agents, it should be noted that in March 2015 the World Health Organization (WHO), through its International Agency for Research on Cancer (IARC), has classified the herbicide glyphosate as probably carcinogenic to humans (IARC, 2015). Glyphosate is the most used organophosphorus herbicide worldwide, although the cultivation site analyzed only used this product in the 2012 campaign. Therefore, based on the low reliance on glyphosate, it is feasible to state that this cultivation site should not suffer the potential phase out of this herbicide. 4.2. Comparison with other asparagus production systems Several studies have delved into analyzing the life-cycle of green asparagus production and processing, although to the best of our knowledge most of these were limited to the quantification of the GHG emissions (Bartl et al., 2012; Stoessel et al., 2012; Zafiriou et al., 2012). For instance, Soode et al. (2015) performed the carbon footprint of green asparagus cultivation in Germany. The results, while in line with those obtained in the current study in terms of the cultivation phase, were slightly higher in terms of GHG emissions due to the existence of a heating system for the soil where these green asparagus were cultivated. A similar study was conducted by Morgan et al. (2007) for green asparagus consumption in Seattle. More specifically, they compared the production and freight of green asparagus from two different locations: Yakima (WA, US) and Ica (Peru). While the authors admit that some vague assumptions were made in terms of diesel and fertilizer use in the cultivation of green asparagus, they point out that marine freighted asparagus from Peru emits a considerably lower amount of GHG

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Table 9 Environmental impacts per functional unit in 2013 comparing the High Frequency Intermittent Drip Irrigation System (HFDI) to conventional drip irrigation. Results are expressed per functional unit (5 kg box of green asparagus). Both systems consider only the agricultural stage up to the gate of the farm. Impact category

Unit

kg CO2 eq. mg CFC-11 eq. g SO2 eq. g P eq. g N eq. g NMVOC g PM10 eq. kBq 235 eq. m2 a m2 a m2 m3 kg Fe eq. kg oil eq.

emissions in the cultivation phase (approximately 50% less). However, these lower emissions are then neutralized due to the fact that the distance to transport asparagus from Peru to Seattle is considerably larger than from Washington State, even though marine freight is less intensive in terms of emissions than transport with light trucks. Having said this, it should be noted that the season for green asparagus production in Washington states spans from April to June (Sun et al., 2007), whereas the climatic conditions in Peru allow harvesting throughout the year. Therefore, competition between fresh asparagus from either destination only occurs on a seasonal basis. A report conducted by ClimaTop (2009) compared asparagus from different parts of the world being consumed in Switzerland. The results presented a similar scenario to that depicted in the current study: GHG emissions relating to asparagus produced in Peru, Hungary or Germany presented a similar range as long as they were not airfreighted to Switzerland, whereas a strong correlation between airfreighted distance and ﬁnal carbon footprint value was observed for Peruvian (12.2 kg CO2 eq./kg of asparagus) and Mexican asparagus (10.8 kg CO2/kg). Nevertheless, despite this resembling trend, the results in the current study demonstrate that the ﬁnal GHG emissions reported per unit of mass in the production of green asparagus in Peru appear to be substantially lower than those reported in the literature, provided that the years of peak yield are considered in the assessment. Therefore, for the case of green asparagus it appears evident, at least when analyzing the GHG emissions, that the concept of food miles can be extremely deceiving, since the main emissions linked to transport are going to depend on the type of freight (Webber and Matthews, 2009). Hence, exporting green asparagus by ship to the US appears to compete with the production of locally-grown asparagus in the US. Regarding airfreighting, it should be noted that producers on average have approximately 28 shelf days for fresh green asparagus to arrive to the consumer's refrigerator. While this allows Peruvian companies to export asparagus by ship to North America, this is not the case for Europe, where all the cargo is airfreighted. Consequently, the development of technology that would allow a longer lifespan for green asparagus would most likely allow considerable reductions in environmental impacts in the distribution stage. Nevertheless, it should also be considered that green asparagus cultivation in Peru allows considerably higher yields than their production in European nations. Hence, it seems plausible that land in European countries may be more appropriate for other crops rather than green asparagus, especially considering that additional cropland in Peru for green asparagus does not imply deforestation

2013

% Improvement

HFDI

Flood irrigation

4.25 13.78 66.22 0.99 6.59 22.07 14.63 0.199 6.59 0.20 7.97E 4 12.53 0.26 1.66

7.13 25.09 132.00 1.84 11.26 38.67 28.33 0.379 6.91 0.40 1.56E 3 24.58 0.51 2.42

40.41 45.07 49.83 46.08 41.47 42.93 48.37 47.54 4.59 49.84 48.77 49.04 48.58 31.36

or any other land use change that translates into liberation of biogenic carbon into the atmosphere (Meyfroidt et al., 2010). Unfortunately, as abovementioned, it was not possible to compare other impact categories since these have not been previously assessed in the literature for green asparagus. Consequently, the assessment of numerous impact categories, as well as understanding the trade-offs between them reinforces the novelty of the present case study. 5. Conclusions and perspectives This study has calculated the environmental impacts of exporting, to the UK and the US, green asparagus produced in Peru. Given that the results presented correspond to one single company, these do not intend to represent the state-of-the-art of asparagus production in Peru. Having said this, the completeness and depth of the inventory, as well as the relevance of the results may be of utility in terms of benchmarking purposes for other green asparagus producers and wholesalers across the nation. Policy-makers in Peru may also find these results of interest in the constant effort to maintain export products in an increasingly environmentallyfriendly demanding sector competitive in northern hemisphere markets. Previous studies had focused mainly on identifying the GHG emissions linked to the life-cycle of green asparagus production and distribution. However, the results presented in this study have highlighted additional environmental impacts that should be taken into consideration when assessing this agricultural product, delving into how the system process can be improved in terms of cleaner production. Consequently, the importance of minimizing the use of water or attaining an environmentally-friendly balance of fertilizing agents were identified as key issues to be considered at the cultivation site. Nevertheless, an interesting aspect that was also highlighted was the reliance of the Peruvian agricultural sector on imports of fertilizing and plant protection agents, implying that agricultural production systems depend to a great extent on the energy matrix of foreign nations. In contrast, this issue is minimized thanks to the relatively clean domestic electricity production system. Finally, improvements in food technology to extend the shelf time of green asparagus would be a desirable short-term target to allow a lower dependence of airfreighting to final consumption destinations. An additional aspect presented in this study was the influence of the yield curve on the environmental profile of the product assessed. While this has shown to be an important source of variability in terms of environmental impact on a year to year basis in

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this perennial crop, it also appears to be an issue that is repeatedly ignored in case studies analyzing perennial crops. Finally, a future line of study in this production system for Peru would be to evaluate the dynamic changes that the expansion of these crops is generating throughout the Peruvian hyper-arid coastal, since many of the cultivations sites have been gained from land that had no previous use or vegetation cover. Acknowledgements varri, Juan Pablo Bentín and The authors also thank Minela Cha zquez-Rowe SwissContact for valuable scientific support. Dr. Ian Va wishes to thank the Galician Government for financial support (I2C postdoctoral student grants programme). Authors with affiliation to the University of Santiago de Compostela (Spain) belong to the Galician Competitive Research Group GRC 2013-032. Appendix A. Supplementary data Supplementary data related to this article can be found at http:// dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.09.076. References Avibiol, 2015. Soil conditioners. Retrieved from: http://avibiol.com/ (in Spanish). APN, 2015. Plan Nacional de Desarrollo Portuario. Autoridad Portuaria Nacional e APN. Retrieved from: http://www.apn.gob.pe/c/document_library/get_file?p_l_ id¼58646&folderId¼2039362&name¼DLFE-9796.pdf (in Spanish). Baca, R., 2014. United States quarantine and pre-shipment use of methyl bromide. In: 2014 Annual International Research Conference on Methyl Bromide Alternatives and Emissions Reductions. MBAO. Orlando, Florida, United States. November 4e6, 2014. Bartl, K., Verones, F., Hellweg, S., 2012. Life cycle assessment based evaluation of regional impacts from agricultural production at the Peruvian coast. Environ. Sci. Technol. 46, 9872e9880. Bouwman, A., Boumans, L., Batjes, N., 2001. Global Estimates of Gaseous Emissions of NH3, NO and N2O from Agricultural Land. International Fertilizer Industry Association and Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, 106 pp. Brautbar, N., Howard, J., 2002. Phosphine toxicity: report of two cases and review of the literature. Toxicol. Ind. Health 18, 71e75. Brentrup, F., 2003. Life cycle assessment to evaluate the environmental impact of arable crop production. Int. J. Life Cycle Assess 8, 156. Brentrup, F., Küsters, J., Kuhlmann, H., Lammel, J., 2004. Environmental impact assessment of agricultural production systems using the life cycle assessment methodology: I. Theoretical concept of a LCA method tailored to crop production. Eur. J. Agron 20, 247e264. Budds, J., Hinojosa-Valencia, L., 2012. Restructuring and rescaling water governance in mining contexts: the co-production of waterscapes in Peru. Water Altern. 5 (1), 119e137. Butler, J., Montzka, S., 2014. Methyl bromide in the atmosphere e a scientific overview and update. In: 2014 Annual International Research Conference on Methyl Bromide Alternatives and Emissions Reductions. MBAO. Orlando, Florida, United States. November 4e6, 2014. rdenas, A., 2012. La Carrera hacia el fondo. Acumulacio n de agua subterr Ca anea por empresas agro-exportadoras en el Valle de Ica, Perú. Thesis at Wageningen University. Climatop, 2009. Klimabilanz: Frische Spargeln. Retrieved from. http://www.migros. ch/mediaObject/migros_ch/Download-Dokumente/de/Factsheet-Spargeln-d/ original/FactsheetþSpargelnþd.pdf (last accessed 10.09.15.). Dillon, T., Horowitz, A., Crowley, J., 2008. The atmospheric chemistry of sulfuryl fluoride, SO2F2. Atmos. Chem. Phys. 8, 1547e1557. Goedkoop, M., Heijungs, R., Huijbregts, M., de Schryver, A., Struijs, J., van Zelm, R., 2009. ReCiPe 2008. A Life Cycle Impact Assessment Method Which Comprises Harmonised Category Indicators at the Midpoint and the Endpoint Level. Report I: Characterisation. Ministry of Housing, Spatial Planning and Environment (VROM). Retrieved from: www.lcia-recipe.info (last accessed: 19.05.15.). Goldstein, P.S., Magilligan, F.J., 2011. Hazard, risk and agrarian adaptations in a ~ o floods, streambank erosion, and the cultural hyperarid watershed: El Nin bounds of vulnerability in the Andean Middle Horizon. CATENA 85, 155e167. e, J., et al., 2013. Identifying best existing Hauschild, M.Z., Goedkoop, M., Guine practice for characterization modeling in life cycle impact assessment. Int. J. Life Cycle Assess. 18, 683e697. Heese, Baade, 2009. Irrigation agriculture and the sedimentary record in the Palpa Valley, southern Peru. CATENA 77, 119e129. i Canals, L.L., 2014. Emerging approaches, challenges and opporHellweg, S., Mila tunities in life cycle assessment. Science 344, 1109e1113.

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ESTUDIO DE CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA DE INNOVACIÓN DEL PERÚ

Estudio financiado por el Proyecto de Innovacion para la Competitividad, Contrato de Prestamo No. 2963 Peru-BID, a pedido del Ministerio de la Produccion.

Por: Eduardo Ismodes, con la colaboración de Katy Manrique

Febrero del 2016

Caracterización del Sistema de Innovación del Perú. Produce.

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Contenido

La Necesidad de Innovar en los Países de la Alianza del Pacífico .............................4

2. ¿Por qué es importante impulsar la innovación en un país o en una región? ¿A quiénes les compete impulsarla? ..........................................................................................11 2.1 El gran objetivo: El Desarrollo Humano ....................................................................11 2.2 Los sectores principales en la generación de innovaciones ...................................13 2.3 Evolución de diversos Marcos de Referencia relacionados con la Innovación .....14 3.

¿Dónde se realiza la innovación? La Innovación Tecnológica y la Innovación Social 17

Los Sistemas de Innovación ............................................................................................23 4.1 Evolución del Concepto ...............................................................................................23 4.2

Componentes de un Sistema de Innovación ........................................................27

4.3 Medición y evaluación de Sistemas Nacionales de Innovación ..............................29 4.4 Enfoques para el estudio de Sistemas Nacionales de Innovación ..........................33 4.5 Principales Modelos de Sistemas de Innovación.......................................................34 4.6 Los Sistemas de Innovación identificados en los países miembros que acompañan al Perú en la Alianza del Pacífico ................................................................42 5. El Sistema de Innovación del Perú ...................................................................................53 5.1 El Sistema de Ciencia y Tecnología del Perú (1968 - 2001) ...................................53 5.2 Evolución del Sistema de Innovación del Perú. Problemas en la Articulación y Desarrollo del Sistema y propuestas para su mejora. ...................................................58 5.3 Mapeos previos sobre el Sistema Nacional de Ciencia, Tecnologías e Innovación del Perú (SINACYT) ..............................................................................................................67 6. Mapeo de los actuales actores del Sistema de Innovación del Perú. Hacia una propuesta de Modelo Estructurado del Sistema de Innovación del Perú ........................79 6.1 Un Sistema con tres niveles ........................................................................................79 6.2 Entidades a Nivel Político............................................................................................83 6.3

Entidades a Nivel Operacional .............................................................................101

6.4

A nivel de Generadores de I+D+i+e .....................................................................122

6.5 Otros Actores del Sistema Nacional de Innovación ...............................................134 7.

Diagnóstico, Barreras, Logros, Fortalezas del Sistema de Innovación del Perú ..136 7.1 Recolección de información ......................................................................................136 7.2 Aspectos más destacados sobre las barreras, logros y fortalezas .......................139

Conclusiones...........................................................................................................................151

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Recomendaciones para el desarrollo y la articulación del Sistema de Innovación del Perú .........................................................................................................................................157 Propuesta para la articulación del “Sistema de Innovación de la Alianza del Pacífico (SI-AP)” ...................................................................................................................................163 Bibliografía .............................................................................................................................167 Anexo1: Indice General de Innovación...............................................................................174 Anexo2: Esquemas de Otros Modelos de Sistema de Innovación Nacional ...................175 Anexo 3: Detalle de componentes de un sistema de innovación ...................................183 Anexo 4: Encuestas ...............................................................................................................185 Anexo 5: Entrevistas .............................................................................................................186 Anexo 6: Discusiones Grupales ............................................................................................187 Anexo 7: Ejercicio basado en la técnica de Despliegue de la Función de Calidad para detectar en qué temas enfocarse para impulsar la I+D+i+e en el Perú ........................188

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1. La Necesidad de Innovar en los Países de la Alianza del Pacífico A lo largo de los últimos siglos y en especial, como consecuencia de la revolución industrial, ha sido cada vez más evidente, la conveniencia de incentivar la generación de conocimiento útil para el desarrollo y la mejora de la calidad de vida de las personas. Una muestra de este beneficio, desde el punto de vista económico, se expone en la siguiente figura, en la que se observa cómo ha evolucionado, en dólares constantes y desde el siglo XVI, el PBI/cap del Reino Unido, cuna de la Revolución Industrial, y el PBI/cap de los Estados Unidos de América, uno de los países más destacados en el campo de la innovación.

Evolución del PBI/cap (1600-2010) 35,000

US $ Geary-Kamis de 1990

30,000 25,000 20,000

USA Reino Unido

15,000 10,000 5,000 0

Figura 1: Evolución del PBI/cap del Reino Unido y de los Estados Unidos de América entre 1600 y 2010. Datos en dólares Geary Khamis constantes de 1990. Referencia: Angus Maddison (2015). Elaboración Propia.

El gráfico mostrado se ha preparado en base a los estudios del Historiador de la Economía Angus Maddison. El valor del PBI está calculado en un tipo de dólar de poder de paridad adquisitiva (PPP) denominado dólar Geary-Khamis y los valores de las series han sido referidos al año 1990, para eliminar el efecto de la inflación. De acuerdo a los estudios de Maddison, se puede encontrar que durante siglos, el hombre era capaz de producir alrededor de US $ 400 por habitante al año (dólares Geary-Khamis de 1990). Durante la revolución industrial, en la que destaca la invención de la máquina de vapor, se multiplicó por cientos la capacidad de Caracterización del Sistema de Innovación del Perú. Produce.

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producción del ser humano. Luego, gracias a posteriores descubrimientos científicos y al desarrollo y comercialización de nuevas tecnologías que fueron adoptadas por las personas, se consiguió cada vez una mayor capacidad de producción que se evidencia en crecimiento exponencial mostrado en la figura anterior. ¿Qué ocurrió en los países de la Alianza del Pacífico en períodos similares? En la siguiente figura se muestra lo sucedido en Colombia, Chile, México y Perú en relación con los Estados Unidos. En este caso las gráficas muestran datos a partir de 1870, ya que no hay registros suficientes de fechas anteriores.

Evolución del PBI/cap (1870-2010) 35,000

US $ Geary-Kamis de 1990

30,000

25,000

20,000

15,000

USA Chile Mexico Colombia Perú

10,000

5,000

Figura 2: Evolución del PBI/cap de los Estados Unidos de América y de los países de la Alianza del Pacífico entre 1870 y 2010. Datos en dólares Geary Khamis constantes de 1990. Referencia: Angus Maddison (2015). Elaboración Propia.

Se observa con claridad que el crecimiento económico por habitante de los Estados Unidos es muy superior a cualquiera de los países de la Alianza del Pacífico. Por su parte, Chile desde finales del siglo XX, ha estado creciendo a una velocidad que le permitiría llegar al nivel de país desarrollado en la próxima década. En lo que corresponde a Colombia, México y Perú, hasta el año 2010, el crecimiento por habitante no tomó una pendiente positiva lo suficientemente destacada. Podría suponerse que en los países de la Alianza del Pacífico, en el largo plazo se sumarán a los procesos que han generado el éxito en los países desarrollados y que para ello hay que proceder con orden y paciencia, ya que no es posible acelerar demasiado el crecimiento económico. Sin embargo, algunos países han demostrado Caracterización del Sistema de Innovación del Perú. Produce.

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que sí es posible generar grandes cambios en pocas décadas y un caso emblemático, aunque no el único, es el de Corea del Sur, país cuya evolución económica se contrasta con la de los países de la Alianza del Pacífico como se muestra en la siguiente figura:

Evolución del PBI/cap (1870-2010) 25,000

US $ Geary-Kamis de 1990

20,000

15,000

10,000

Corea del Sur Chile Mexico Colombia Perú

5,000

Figura 3: Evolución del PBI/cap de la República de Corea y de los países de la Alianza del Pacífico entre 1870 y 2010. Datos en dólares Geary Khamis constantes de 1990. Referencia: Angus Maddison (2015). Elaboración Propia.

Los datos de Maddison terminan el año 2010, fecha de su fallecimiento y por tanto es pertinente examinar otras fuentes de información para descubrir si posteriormente ha habido cambios en las tendencias. Por ello, se ha recurrido al World Economic Outlook Database del Fondo Monetario Internacional (2015), Base de datos en la cual se puede encontrar un variado número de indicadores económicos que se inician el año 1980 y que proyectan las tendencias hasta cinco años después del año en curso. Dado que el registro consultado lo ha sido en el año 2015, ha sido posible obtener datos reales desde 1980 y con proyección al año 2020. Seguidamente se mostrará, para el caso de los países anteriormente mencionados, la información registrada sobre la evolución del Producto Bruto Interno por habitante (PBI/cap), en dólares de paridad de poder adquisitivo (PPP). No se tomará en cuenta la inflación del dólar (a diferencia de los datos de Maddison, en los que los dólares estaban referidos al año 1990).

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A continuación se muestra la evolución económica mencionada, para los casos de Estados Unidos, Corea del Sur, Chile, Colombia, México y Perú.

Evolución del PBI/cap (1980-2020) 80,000 70,000 60,000

US $ PPP

50,000 40,000

USA Corea del Sur Chile México Colombia Perú

30,000 20,000 10,000 0

Figura 4: Evolución del PBI/cap de los Estados Unidos de América, de la República de Corea y de los países de la Alianza del Pacífico entre 1980 y el 2020. Datos en dólares de paridad de poder adquisitiva (PPP). Referencia: Fondo Monetario Internacional (World Economic Outlook Database, 2015) Elaboración Propia.

Se observa meridianamente que los Estados Unidos siguen creciendo a una velocidad mayor que la de los países de la alianza del Pacífico y se nota que Corea del Sur, luego de haber estado en valores de PBI/cap muy similares a los de Chile, Colombia y Perú y en valores inferiores a los de México por los años 80, luego ha estado creciendo de manera acelerada e incluso con una mejor pendiente que la de los Estados Unidos. En la siguiente figura se repite la comparación pero sólo para los países de la Alianza del Pacífico:

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Evolución del PBI/cap (1980-2020) 35,000

30,000

25,000

Chile México

US $ PPP

Colombia 20,000

Perú

15,000

10,000

5,000

Figura 5: Evolución del PBI/cap de los países de la Alianza del Pacífico entre 1980 y el 2020. Datos en dólares de paridad de poder adquisitiva (PPP). Referencia: Fondo Monetario Internacional (World Economic Outlook Database, 2015) Elaboración Propia.

En la gráfica destaca ahora con mayor claridad, que Chile sigue creciendo a una mayor velocidad que los demás países miembros de la Alianza y que Colombia y Perú están creciendo también, pero con una tendencia que no les permitirá alcanzar ni a México ni a Chile. ¿Cuál es la explicación para estas diferencias? De acuerdo con Maddison (1998, pág. 15), el PBI/cap de un país depende de los siguientes factores:       

Instituciones nacionales, ideologías, presiones de grupos de intereses socioeconómicos, accidentes históricos y política económica nacional. Naturaleza del orden económico internacional, ideologías exógenas, presiones o perturbaciones de vecinos amistosos u hostiles. Los recursos naturales aumentados por el progreso técnico; Capital humano, es decir, input de trabajo aumentado por la inversión en educación y formación La existencia de capital fijo aumentado por el progreso técnico; La eficiencia de la asignación de recursos; El flujo neto de bienes, servicios, factores de producción y tecnología del extranjero.

En la siguiente figura se muestra un esquema sobre los factores que, según Maddison, explican el PBI/cap de los países:

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Figura 6: Factores que explican el PBI/cap de los países (Ismodes, 2006, pág. 44)

Puede notarse que términos como el progreso técnico, capital humano, inversión en educación y formación, eficiencia en la asignación de recursos, factores de producción y tecnología del extranjero corresponden a conceptos propios de la ciencia, la tecnología y la innovación y por tanto resulta importante para un país descubrir cómo funcionan en su territorio y cómo gestionarla para el beneficio de sus habitantes. Desde los primero estudios de Solow en los años 50 hasta la fecha y a través de diferentes métodos de investigación, se ha demostrado claramente la importancia de invertir en investigación y desarrollo. Gracias a ello se genera conocimiento, se generan mejoras tecnológicas y se ayuda a generar innovaciones. Existe abundante literatura al respecto. Con el tiempo se ha afirmado la idea de que es importante impulsar, en general, la investigación, el desarrollo, la innovación y el emprendimiento (I+D+i+e). Al respecto puede mencionarse un reciente estudio publicado por la OECD en el que se destaca que, en los países: “los componentes relacionados con la innovación, a menudo representan al menos el 50% del crecimiento económico. De hecho, en el largo plazo, es difícil imaginar un crecimiento sin innovación” (OECD, 2015, pág. 19). Si es tan contundente la importancia de fomentar la innovación en los países, una pregunta fundamental es sobre cómo hacerlo, que estrategia seguir y para ello, en el mismo estudio se indica que desde los gobiernos las: “políticas de innovación deben centrarse en mejorar el rendimiento del sistema en su conjunto, en detectar los eslabones débiles que obstaculizan su rendimiento. La prioridad asignada a los Caracterización del Sistema de Innovación del Perú. Produce.

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diferentes elementos dependerá de la naturaleza y del estado de su sistema de innovación: un mismo modelo no sirve para todos” (OECD, 2015, págs. 11,12). Tomando en cuenta lo descrito líneas arriba, el presente trabajo pretende estudiar las distintas ideas que han dado lugar al concepto de Sistemas de Innovación, revisar los modelos de sistemas de innovación más destacados en el mundo y en los países miembros de la Alianza del Pacífico. Luego de esta revisión, se propondrá un modelo de sistema de innovación para el Perú y con la ayuda de expertos en el tema, se detectarán las barreras, logros y fortalezas del sistema. Finalmente, se presentarán las conclusiones del trabajo y se hará una serie de propuestas que puedan servir para desarrollar políticas comunes en los cuatro países de la Alianza del Pacífico.

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Conclusiones 1. Los países de la Alianza del Pacífico no están creciendo, desde el punto de vista económico, a la misma velocidad a la que crecen los países desarrollados. Para cerrar esta brecha creciente y para contribuir al mejor desarrollo humano de los habitantes de la Alianza, es necesario articular y desarrollar sus sistemas de innovación con una visión de largo plazo. 2. El objeto inmediato de cualquier sistema de innovación, nacional o regional, es conseguir que las empresas y las organizaciones que atienden directamente los requerimientos, las necesidades y las demandas de la sociedad, ofrezcan de manera regular y sostenida, bienes y servicios cada vez mejores y que contribuyan el progreso y desarrollo de la sociedad en general y sin generar efectos colaterales perjudiciales para la propia sociedad. 3. El gran objetivo detrás de cualquier sistema de innovación, nacional o regional, debe ser el desarrollo humano de sus habitantes. Para lograr este objetivo se ha encontrado que es necesario generar conocimiento propio o endógeno y ello sucede cuando: a. El sistema educativo está orientado a formar líderes, creadores, investigadores, inventores, innovadores o emprendedores. b. El estado y la empresa invierten de manera destacada en impulsar la Investigación, Desarrollo, Innovación Emprendimiento. 4. En el Perú, el Sistema Nacional de Innovación está en proceso de proceso de ordenamiento y articulación. Si bien la articulación es baja, se cuenta con todos los componentes del sistema. El proceso de articulación puede tomar varios lustros y puede ser acelerado o ralentizado, dependiendo en especial de los siguientes factores: a. Involucramiento generalizado de los dueños y gestores de las empresas y organizaciones de la sociedad civil en la práctica sistemática de acciones que generen innovaciones. b. Fuerte y eficaz involucramiento de los principales líderes del estado (nacional y regional), en la promoción de actividades que generen Investigación, Desarrollo, Innovación y Emprendimiento (I+D+i+e). Caracterización del Sistema de Innovación del Perú. Produce.

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c. Participación del sector educativo en general y de la academia y sus líderes en particular, por conseguir que sus comunidades académicas generen conocimiento y cooperen con el estado y las empresas en el desarrollo del país. d. Refuerzo y apoyo a la implantación de sistemas de gestión de la calidad en las instituciones del estado, la empresa y la academia, así como reforzamiento de los mecanismos de protección de la propiedad intelectual. e. Existencia de personas expertas en la gestión y en la promoción de la innovación y el emprendimiento. f. Existencia de investigadores y expertos en el desarrollo de tecnología. g. Existencia de personas y agencias de vinculación y redes que faciliten la interacción entre estado, empresa y academia. 5. Se ha encontrado que las principales barreras que demoran el desarrollo y articulación del sistema de innovación del Perú son: a. Hay poco interés de los líderes de las empresas por generar conocimiento propio. Es más seguro adquirirlo del exterior de la empresa (o de la región o del país). Se considera que destinar recursos a la I+D+i es un gasto y no una inversión rentable. b. No hay mucha vocación en las empresas y organizaciones, ni en sus líderes, por trabajar con un enfoque de calidad basado en la mejora continua. Por ende, no se hace ni se estimula la innovación a gran escala. c. La población en general, con un bajo a mediano nivel de ingresos, valora más un bien o servicio de bajo precio, que uno de mejor calidad pero mayor costo. d. Varias décadas de inestabilidad política y económica y de inseguridad jurídica inducen al empresario a enfocarse en objetivos de corto plazo. e. En las empresas no se conocen ni utilizan las herramientas que permiten generar o provocar las innovaciones de manera sistemática. Tampoco se tiene el hábito de hacer proyectos de I+D+i+e.

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f. Aún no hay una masa crítica de líderes del aparato político que estén fuertemente comprometidos con el impulso de las actividades de I+D+i+e. g. Se carece de suficientes expertos en la teoría y en la práctica de la innovación y del emprendimiento. h. La academia en general, vive encerrada en su torre de marfil y toma poco contacto con las empresas y con el estado. i. Se carece de un cuerpo consolidado de investigadores y desarrolladores de tecnología. Se investiga y se publica muy poco en comparación con los países desarrollados j. Se carece de información que sea regularmente actualizada y que permita evaluar la evolución del sistema. k. Los vínculos entre instituciones, entre sectores, entre empresas, estado y academia son muy pobres y no hay redes consolidadas alrededor de las cuales cooperen la empresa, el estado, la academia y las organizaciones de la sociedad civil en temas de I+D+i+e. l. El sector informal, que ocupa al 61% de la PEA, no puede acceder a los fondos que ofrece el estado para la I+D+i+e. 6.

En relación con lo anterior, hay avances positivos que es justo resaltar. En los últimos ocho años y en especial en los últimos tres, el estado ha mostrado una voluntad muy importante por mejorar. Desde el Ministerio de Educación, se han creado y aumentado los instrumentos y los montos para financiar y apoyar a estudiantes a nivel escolar, y a nivel de la educación superior. Con el respaldo de la PCM, de Economía, de Produce y Agricultura, se han aumentado notablemente los fondos del estado para impulsar actividades de I+D+i+e. Asimismo se han promulgado o están en discusión en el Congreso de la República, leyes, normas y reglamentos para mejorar la educación en las universidades y en los institutos tecnológicos y para promover la calidad y la inversión en I+D+i por parte de las empresas.

7. El estado es una institución que puede cumplir una labor clave en la articulación de un sistema nacional o regional de innovación, sin embargo, existen barreras internas que impiden el que esto suceda y entre las que destacan: a. El estado debe tener claro que no pueden imponerse a toda la población, los “órganos rectores” de un sistema de innovación. La Caracterización del Sistema de Innovación del Perú. Produce.

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innovación se realiza y se hace efectiva en la relación entre las empresas y organizaciones en la medida en la que se atiende los requerimientos y necesidades de la sociedad. Esa compleja relación no la puede dirigir ni controlar ninguna institución. El problema de considerarse el centro y el responsable de un sistema de innovación lleva a una equivocada aplicación de instrumentos. Sin embargo, a nivel estatal, sí es necesario un órgano responsable de la aplicación de las políticas y de la generación de propuestas de articulación y promoción de la innovación. En este caso debería redefinirse la función del CONCYTEC como el “órgano rector de la actividad del estado en temas de CTI” y debería dársele el peso político correspondiente. b. Desde el punto de vista del sector empresarial, el proceso que se debe seguir para conseguir el financiamiento estatal en I+D+i+e, puede ser una barrera. También es una traba el que los proyectos dependan de determinadas fechas de convocatoria. Una crítica es que en general, los procesos administrativos del estado no entienden lo que es la CTI. c. Todavía no existe un real y sostenido liderazgo a nivel político ni a nivel nacional, regional o local. Sin ese liderazgo, la parte que le compete al estado como articulador del sistema y promotor de la innovación, poco pueden hacer sus instituciones de nivel operativo. d. La función articuladora y promotora del estado choca con la mentalidad sectorial de los ministerios e incluso dentro de cada sector estatal. Esto genera duplicidad de esfuerzos, ineficiencia y mensajes confusos para las instituciones y organizaciones generadoras de I+D+i+e. e. Un componente esencial en cualquier sistema de innovación, son los mecanismos de vinculación entre instituciones (del estado, la universidad, y la empresa). En el Perú casi no existen los instrumentos de vinculación, como por ejemplo las oficinas de vinculación y transferencia de tecnología o conocimiento. El estado está invirtiendo desde el año 2015 en el apoyo a Oficinas de Transferencia de Tecnología o Conocimiento, pero primero se necesita que haya interés en el propio sector académico por crear este tipo de oficinas de vinculación.

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f. Desde el estado se ha apoyado la formación de expertos en gestión y políticas en CTI, pero todavía no se ha apoyado la formación de expertos en vinculación y tampoco se ha apoyado la formación de expertos en herramientas que incentivan o provocan la innovación. Esa función difícilmente la va a realizar el sector privado. 8. Por parte del estado se han conseguido logros y se han generado fortalezas entre las que destacan: a. Establecimiento de fondos concursables como los de: i. Incagro en la primera década del siglo 21. ii. Programa FINCYT (ahora PNICP) iii. Apoyo sin precedentes al CONCYTEC (y al FONDECYT) iv. El apoyo al INIA y la creación del PNIA. b. El reciente establecimiento de un sistema a favor de las empresas para la reducción del pago del impuesto a la renta por inversión en I+D. c. La creación del INACAL, independizándolo del INDECOPI y dándole una mayor capacidad de influencia sobre los sectores productivos. d. Actividades variadas del CONCYTEC y de Innóvate Perú en favor de la I+D+i+e. e. Fondos del Ministerio de Educación, del CONCYTEC y de Innóvate Perú para apoyar la formación de estudiantes de educación superior y para que desarrollen emprendimientos. 9. Por parte de la Academia se encuentran de manera general, los siguientes obstáculos: a. La mayor parte de sus líderes (Rectores, Decanos, Directores), no están impulsando en sus instituciones las actividades de Investigación, Desarrollo, Innovación y Emprendimiento. b. La mayoría de los docentes universitarios están enfocados en la enseñanza y no en el aprendizaje ni en la formación en competencias y habilidades blandas. Esta forma de educar se transmite a alumnos que luego, como egresados, serán los funcionarios del estado y los responsables de gestión de las grandes y medianas empresas. Con ello se genera un círculo vicioso que la academia, por sí sola no va a cambiar.

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c. Desde la Academia se observa con recelo al empresario, al cual no se le ve como un socio potencial, sino como una persona que busca aprovecharse de los demás sin reconocer cualquier tipo de apoyo recibido. Desde la academia será difícil formar empresarios emprendedores si los profesores no miran con simpatía al sector empresarial. 10. Un problema para poder establecer una línea de base sobre el estado del sistema de innovación del país, es la dispersión de información sobre los actores y la falta de registro e información sobre las actividades realizadas en I+D+i+e. Sería muy conveniente para el desarrollo del sistema, el que sus actores registren y publique información que se pueda agregar y así medir el desarrollo del sistema, mejorar estrategias y corregir las fallas que pudieran presentarse.

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Recomendaciones para el desarrollo y la articulación del Sistema de Innovación del Perú 1. Si el propietario de una empresa no tiene interés en promover las actividades de I+D+i en su empresa, poco podrá hacer su personal por innovar. Por ello se recomienda realizar un trabajo de marketing para incorporar de manera masiva a los empresarios en actividades de I+D+i+e. Sería conveniente estimular que las empresas incorporen entres sus estrategias, aquellas que ayuden a la gestión de la I+D+i. Una referencia que se puede tomar en consideración es la familia de normas UNE 166000 que brinda las orientaciones básicas para crear un sistema de gestión de la I+D+i en cualquier tipo de empresa y sin importar su tamaño. Se recomienda conseguir la colaboración de los medios y hacer uso masivo de las TICs para involucrar a los empresarios en impulsar la gestión de la innovación en sus empresas. 2. Según sea el tamaño de las empresas, estas necesitan distintos tipos de apoyo para fomentar las actividades de I+D+i. En el caso de las grandes empresas en el Perú, el principal estímulo puede provenir por la reducción de impuestos y del mejor funcionamiento de las universidades, de los institutos tecnológicos y de los institutos de investigación. Las medianas y pequeñas empresas pueden aprovechar mejor los diversos fondos concursables que actualmente ya se ofrecen. Las pequeñas y las micro empresas necesitan prioritariamente, apoyo en temas de organización, gestión y comercialización. Además de lo anterior, sería conveniente segmentar los estímulos según el rubro al que se dedique la empresa. 3. En el Anexo 7 se presenta un ejercicio de aplicación de la Matriz de Despliegue de la Función de Calidad simplificada (QFD) para detectar los indicadores estratégicos en los cuales enfocarse para desarrollar el sistema de innovación del Perú. A partir de los pilares estratégicos definidos por el GTI de la Alianza del Pacífico y del sistema europeo para medir el estado de la innovación de cada país, se recomienda enfocarse en mejorar los siguientes indicadores: a) b) c) d)

Inversión en I+D del sector Privado PYMES con innovaciones de producto o proceso PYMES que innovan internamente PYMES con innovaciones organizacionales o en marketing

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e) f) g) h) i) j) k)

PYMES que innovan en colaboración con externos Exportaciones en servicios con uso intensivo de tecnología Ventas de innovaciones Exportaciones en productos de media y alta tecnología Empleo en actividades de uso intensivo de conocimiento Inversiones de Capital de Aventura Inversión del Sector Público en I+D

Aunque el ejercicio realizado es una primera aproximación, queda un mensaje importante y es que el actor principal al que hay que incorporar en el impulso de la I+D+i+e es el sector empresarial y en especial las PYMES. 4. En el caso de las empresas del estado se observa una oportunidad muy promisoria para estimular las actividades de I+D+i. La mayoría de ellas pertenecen al holding estatal FONAFE. Por tanto, se pueden generar directivas generales que promuevan la gestión de la I+D+i de manera sistemática. Hasta el momento y salvo el caso del CONCYTEC, los fondos de apoyo a la innovación no han tomado en cuenta a las empresas públicas. 5. En un sistema de innovación, una parte esencial del mismo lo constituyen los mecanismos de vinculación y de interacción entre instituciones. En el caso de las empresas, los apoyos que les ofrece el estado precisan de la preparación de proyectos y de llenado de formatos que agotan al empresario por la falta de práctica y costumbre en la preparación de los proyectos. Por ello se considera recomendable estimular la aparición de agencias o instituciones de vinculación que ayuden a la preparación y al seguimiento en la ejecución de los proyectos. Además se necesita de mecanismos que ayuden a los empresarios a conectarse con otras instituciones de la academia con las que sea conveniente cooperar. 6. Además de los apoyos del estado a la I+D+i, en los últimos años se está estimulando de manera progresiva y creciente, los emprendimientos de base tecnológico y en particular las incubadoras y aceleradoras de empresas y los emprendimientos del tipo “start up”. Estos estímulos se basan en concursos en los que participan en su mayoría gente joven y en temas relacionados con las TICs. En estos concursos participan muchos y ganan pocos. Una materia pendiente es cómo seguir trabajando con aquellos que no ganan los concursos y que sin embargo tienen ideas y propuestas valiosas. Además, otro tema es cómo atraer propuestas basadas en temas más allá de las TICs y relacionadas Caracterización del Sistema de Innovación del Perú. Produce.

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con la base productiva y las ventajas comparativas del país. Lamentablemente se observa que los estilos de formación y la poca actividad de investigación en las universidades no ayudan a generar investigadores ni emprendedores. Se recomienda promover acciones de capacitación y entrenamiento en innovación y emprendimiento en favor de los participantes en los concursos que no hayan ganado un financiamiento, pero que tengan deseos de continuar trabajando en la mejora de sus propuestas. 7. En lo que toca a las regiones y los gobiernos locales, se ha mencionado ya la clamorosa falta de interés por parte de los gobernadores regionales y de los alcaldes por impulsar actividades de I+D+i+e. Entre algunos entrevistados se destaca el interés de los gobiernos regionales de Arequipa y Piura, así como la preocupación del CONCYTEC por crear nodos en las regiones. Se recomienda trabajar este tema con prioridad, ya que el progreso y desarrollo del Perú quedará mermado si en los gobiernos regionales no se genera un conocimiento e innovaciones propias. Además se recomienda propiciar que los nodos impulsados por el CONCYTEC también alojen a otros programas o instituciones que promueven la I+D+i+e. A la larga, estos nodos regionales deben generar la aparición de nodos locales, en especial en los lugares en los que existan clústeres industriales. 8. Una preocupación por una parte importante de los entrevistados fue la de no saber si los programas y acciones impulsadas por el actual gobierno se mantendrán luego de las elecciones de abril. Si la articulación y desarrollo de un sistema de innovación toma varios lustros, es necesario asegurar políticas de estado que trasciendan los gobiernos. De acuerdo con ello, el Centro Nacional de Planeamiento Estratégico (CEPLAN), debería dar los lineamientos de largo plazo que tendrían que ser respetados a lo largo de sucesivos gobiernos. Se necesita definir desde CEPLAN, los lineamientos estratégicos a seguir en temas de I+D+i+e. Estos lineamientos deben ser vinculantes entre los diversos sectores del estado. La Alianza del Pacífico y los acuerdo que de ella deriven en materia de I+D+i+e deben ayudar también a institucionalizar las estrategias y las acciones que contribuyan al desarrollo y la articulación del sistema nacional de innovación. El Acuerdo Nacional también debería ser un factor que contribuya a la institucionalización del sistema de innovación del Perú.

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9. A nivel político se observa notoriamente la ausencia de un organismo o institución que coordine y estimule la cooperación y la coordinación de actividades entre sectores. El Consejo Nacional de Competitividad (CNC) cumple una labor importante fomentando el que se suscriban compromisos entre algunas entidades del sistema de innovación como CONCYTEC, Produce, Economía y Educación, pero carece de un mandato y del apoyo suficiente como para convocar y comprometer a todos los sectores del estado, la academia y la empresa que deberían participar en el desarrollo y articulación del sistema de innovación. Es de resaltar, como ya se mencionó anteriormente, que una “Comisión Consultiva de Expertos” formada por el actual gobierno recomendó a inicios del 2012, crear un Ministerio de CTI o en todo caso, crear una “Secretaría Técnica de CTI” en la PCM. Ninguna de estas dos alternativas se ha cumplido. Debe insistirse en el tema. 10. El CONCYTEC, de acuerdo a ley, es el ente rector del Sistema Nacional de Ciencia y Tecnología e Innovación Tecnológica (SINACYT). Sin embargo, en los hechos, no tiene el peso y poder político que por la ley, supuestamente le correspondería tener. La mejor muestra de ello es que PRODUCE desarrolla y define acciones para promover la innovación y el emprendimiento sin necesidad de sujetarse a las directivas del CONCYTEC. De manera similar, el MINAGRI impulsa y apoya al INIA y al PNIA de acuerdo con sus propias directivas y con el amparo de que el INIA, por ley, es el ente rector del Sistema Nacional de Innovación Agraria. Se recomienda una revisión y ordenamiento de todas las leyes relacionadas con la CTI en el Perú.

11. Al comparar las estructuras de los sistemas de innovación en diferentes países, se plantea un tema a revisar: ¿es conveniente que una sola institución esté a cargo de orientar y dirigir las políticas y las acciones del estado en materia de ciencia, tecnología e innovación? ¿No sería mejor que las actividades de ciencia y tecnología estén definidas y apoyadas desde algunos sectores y las actividades de innovación y emprendimiento desde otros? Los intereses de los investigadores y de los académicos en general son diferentes a los de los innovadores y los empresarios y esto genera desencuentros y presiones por imponer los propios puntos de vista. Sea como fuere, al ordenar y reestructurar las leyes y normas que tienen relación con la CTI en el Perú, Caracterización del Sistema de Innovación del Perú. Produce.

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se recomienda asegurar que exista una entidad con autoridad y responsabilidad a nivel político y que no haya desequilibrios o sesgos en favor sólo de la Ciencia y la Tecnología o sólo de la Innovación y el Emprendimiento. 12. De manera generalizada, en el estudio realizado los encuestados y entrevistados destacaron los grandes avances en los últimos ocho años en el impulso de la I+D+i+e desde el estado. En particular se resalta el apoyo del actual gobierno y los fondos de estímulos de CONCYTEC y FONDECYT, de Innóvate Perú, del INIA y el PNIA y del PRONABEC. Se reconoce también un cambio importante por parte del sector economía (MEF) y la recomendación es que deben seguir aumentando los recursos de estímulo a la I+D+i+e y que debe aumentar la coordinación entre las instituciones mencionadas para no duplicar esfuerzos inútilmente. 13. Se ha mencionado líneas arriba que todavía son pocos los sectores del estado involucrados en la promoción de actividades de I+D+i+e. Sin embargo, esta limitada participación no sugiere que cada ministerio organice su propio programa de estímulos. Más importante sería fortalecer a las instituciones o programas ya existentes y crear líneas de financiamiento y mecanismos de apoyo con ciertas directivas de acuerdo al interés de cada sector. 14. De acuerdo con el reconocimiento general a la labor realizada por los CITEs, se recomienda continuar con las actividades de creación de nuevos CITES y promover un mayor acercamiento entre los CITES y la academia. 15. A nivel de generadores de I+D+i+e, un tema que llama la atención es que la mayoría de institutos de investigación adscritos a diversos sectores del estado no han recibido el apoyo suficiente como para mejorar notablemente en el desarrollo de sus actividades. Se necesita atender este tema y para ello se cuenta con las recomendaciones presentadas al FINCYT por la consultora ADVANSIS (2012). 16. En lo que se refiere a las universidades e institutos tecnológicos se ha observado preocupación porque son muy pocas las instituciones de educación superior que impulsan o realizan actividades de I+D+i+e. Se recomienda crear nuevas líneas que estimulen una mayor participación de las universidades e Caracterización del Sistema de Innovación del Perú. Produce.

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institutos tecnológicos, en especial en las organizaciones públicas y en las regiones. Se sugiere promover el que las universidades que actualmente destacan por sus logros en el desarrollo de actividades de I+D+i+e cooperen con las universidades que lo requieran y les transfieran capacidades para presentarse, ganar y ejecutar proyectos de I+D+i+e con fondos del estado. 17. El sector académico es conservador por naturaleza. Esta característica permite contar con instituciones sólidas y de larga vida. Sin embargo, el mundo está cambiando a gran velocidad y entonces se genera una brecha entre la realidad y la vida interna de las instituciones académicas. Por medio de una nueva ley se ha tratado de mejorar el sistema universitario y en la actualidad se está revisando en el Congreso de la República, una ley para los Institutos Tecnológicos. El efecto de estas leyes será lento y posiblemente no se consiga generar las mejoras deseadas. Para contrarrestar esta lentitud natural, se recomienda que el estado genere nuevos programas de apoyo que vayan directamente a los estudiantes y a los académicos interesados en realizar actividades de I+D+i+e. La burocracia interna propia de las instituciones académicas frena iniciativas importantes y esta situación es mucho más crítica en las universidades públicas que en las privadas. Además de los estímulos para start ups y para la incubación y la aceleración de empresas, pueden apoyarse actividades de ramas estudiantiles que sean parte de sociedades científicas o tecnológicas internacionales; se puede apoyar directamente cursos que promueven la innovación y el emprendimiento y puede estimularse la creación de redes de grupos que realicen actividades de I+D+i+e. Se recomienda asimismo impulsar la formación dual a nivel universitario y propiciar el que académicos trabajen por temporadas en las empresas y el estado y generen vínculos que serán la semilla de futuras colaboraciones en I+D+i+e. En este aspecto, se recomienda también apoyar a los estudiantes interesados en viajes de intercambio y en la realización de prácticas de trabajo fuera de su región o del país.

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ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO FLUIDO-DINÁMICO DE UN AGITADOR A ESCALA REDUCIDA MEDIANTE SIMULACIÓN NUMÉRICA José Chambergo, Quino Valverde, Rosendo Franco, Herbert Yépez Grupo de Investigación Asistida por Computadora INACOM, Pontificia Universidad Católica del Perú PUCP, Lima-Perú (e-mail: jcchambergo@pucp.edu.pe) RESUMEN Se presenta el comportamiento de un agitador representado por la Curva de potencia (Número de potencia, Np respecto del Número de Reynolds, Re) a partir de la curva de Torque en función de la velocidad angular del impulsor mediante simulación numérica. El agitador simulado tiene un impulsor hidrofoil, usado para mezclas de líquido con partículas polimetálicas en la minería. El fluido simulado (Mezcla) tiene una densidad 3 de 1,623 kg/m , viscosidad aparente de 0.065 kg/m.s y de comportamiento no newtoniano. La mezcla es modelada como líquido no newtoniano homogéneo considerando valores promedio, la simulación resuelve el modelo de Euler-Euler para flujo bifásico con superficie libre y modelo de turbulencia SST k-ω (Shear Stress Transport k-ω). Se obtienen valores de torque para diferentes velocidades angulares de operación, lo que permite graficar la Curva de potencia (Np vs Re), encontrándose valores asintóticos convergentes del Np a 0.32. Estos resultados son coherentes con los resultados experimentales disponibles. Palabras clave: agitador, número de Potencia, número de Reynolds, CFD, mezcladores.

STUDY OF THE FLUID-DYNAMIC BEHAVIOUR OF A REDUCED SCALE MIXER BY MEANS OF NUMERICAL SIMULATION ABSTRACT The behaviour of a mixer represented by the Power curve (Power number, Np regarding the Reynolds number, Re) from the curve of the torque in function of angular velocity by means of numerical simulation is presented. The simulated mixer has a hydrofoil impeller, it is used for mixture of liquid with polymetallic 3 particles in mining. The simulated fluid (Mixture) has a density of 1,623 kg / m , apparent viscosity of 0.065 kg / m.s. and non-newtonian behaviour. The mixture is modeled such as non-newtonian homogeneous liquid with average values, the simulation solves the two-phase Euler-Euler model with free surface and turbulence model SST k-ω (Shear Stress Transport k-ω). Torque values for different angular operating velocities are obtained, it allows to draw the Power Curve, (Np vs Re), it reaches asymptotic values of the Np converging to 0.32. These results are in line with the available experimental results. Keywords: agitators, Power number, Reynolds number, CFD, mixers.

INTRODUCCIÓN Los tanques agitadores son comunes e importantes para diferentes aplicaciones industriales tales como: petroquímica, farmacéutica, biotecnología, metalúrgica entre otros (Yapici, et al., 2008). Por otra parte, un proceso de agitación se refiere a forzar el fluido por medios mecánicos (eje e impulsor) a moverse de forma circulatoria desde el centro del tanque. El movimiento circulatorio del fluido impacta sobre los deflectores que están dentro del tanque generando una disminución del tamaño del remolino y mejorando la eficiencia en la mezcla del flujo (Raxón, 2013). Los cambios de la dimensión del remolino dentro del tanque agitador generan fluctuaciones de presión y gradientes de velocidad. Según Fernández y Gonzáles (2014), de forma general en máquinas hidráulicas, dichas fluctuaciones son descritas en tres categorías típicas: no – uniformidades, cuya escala es del orden del propio diámetro de máquina (por ejemplo, la falta de axisimetría impuesta por la voluta a la salida de la bomba centrífuga), fluctuaciones periódicas asociadas al paso de álabe (por ejemplo, estructuras chorroestela por el paso entre los canales de los álabes en una hélice axial) y finalmente, perturbaciones de pequeña escala, asociadas con las estructuras turbulentas del flujo existentes en cualquier máquina de fluidos Para el desarrollo de tanques agitadores, se han establecido técnicas experimentales con el propósito de conocer parámetros de funcionamiento, el consumo de potencia, homogeneidad de fluidos, entre otros (Zwietering, 1958; Wu et al., 2006; Wu et al., 2010a; Wu et al., 2010b; Ibrahim, 2012). Además, a partir de las pruebas de experimentación se logra obtener correlaciones empíricas mediante la relación entre variables y parámetros de funcionamiento. Unas de las medidas a considerar son la velocidad fluctuante, el índice de turbulencia y el índice de bombeo, que son factores que valoran la cantidad de flujo convectivo y la demanda de potencia del tanque (García y Jáuregui, 2006). Sin embargo, la complejidad y diversidad de los fenómenos de fluctuaciones de presión y gradientes de velocidad en un análisis experimental conlleva algunas incertidumbres en los resultados. Por tanto, el obtener buenos resultados requiere de buenos equipos o instrumentos que pueden resultar costosos e incluso impracticables. Desde la década de los 70, el uso de herramientas computacionales para el desarrollo del análisis de flujo de fluidos y sus fenómenos, se ha ido incrementando gracias al mejoramiento de la tecnología computacional y de técnicas numéricas (Fernández, 2012). La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD del inglés Computational Fluid Dynamics) es una herramienta muy útil para analizar en detalle el fenómeno de la turbulencia en tanques agitadores, los cuales son comúnmente usados en procesos industriales (Gelves, Benavides y Quintero, 2013). Actualmente, una de las herramientas computacionales más utilizas es el software comercial ANSYS – CFX. Para algunos investigadores, esta herramienta es utilizada para análisis y en menor medida para el diseño de máquinas de fluidos (Fernández y Gonzáles, 2014; Shah et al., 2013). Las técnicas de CFD, permiten predecir el desarrollo del flujo de fluido en el tanque agitador para diferentes escalas (sea de prototipo como de escala industrial), visualizando parámetros de interés sea en régimen estacionario o transitorio. Además, mediante estas técnicas se pueden estudiar nuevos diseños de agitadores en diversos escenarios de operación a un costo relativamente bajo. No obstante, siempre es necesario validar la simulación numérica mediante datos experimentales (Kehn, 2013). En el presente trabajo se estudia la influencia que tiene la velocidad angular en el torque, y se evalúa la tendencia de la Curva de potencia de un agitador con impulsor hidrofoil, con el objetivo de determinar el comportamiento asintótico del Número de potencia (Np) respecto del Número de Reynolds (Re) en régimen turbulento. MODELOS MATEMÁTICOS UTILIZADOS EN LA SIMULACIÓN Para la simulación del agitador se usa un modelo de flujo bifásico en estado estacionario, puesto que en el proceso están presentes dos fluidos: mezcla y aire (flujo bifásico). El mezclado de estos se da en un nivel macroscópico obteniéndose una interface entre fluidos bastante diferenciada. Por esta razón, se usa el modelo Euler-Euler para las simulaciones. El modelo Euler-Euler es una descripción espacial del movimiento que tiene la ventaja de ofrecer la información global completa disponible para las fases de las partículas de estudio, siendo también adaptable a un rango de fracciones de volumen y que permite incluir automáticamente el modelo de turbulencia que se requiera para la simulación. Además, este modelo deja configurar cada fluido del sistema con su propio campo de parámetros, es decir, cada fase es modelada con su propia velocidad y coeficiente de arrastre, sin limitar la posibilidad de penetración en su medio continuo, de ser necesario. Por otra parte, las condiciones de transferencia de masa y calor no se consideran, porque no hay cambio de fase en la mezcla durante el proceso. Puede representarse adecuadamente el proceso de mezcla dentro del agitador, porque al evaluar el comportamiento de un volumen de control global se obtienen rápidamente los patrones de flujo formados sin necesidad de hacer un seguimiento a todas las partículas de todo ese volumen de control. 2

Por otro lado, el modelo de turbulencia usado, Shear Stress Transport k-ω, permite representar de manera adecuada la turbulencia generada por la transferencia de energía cinética del impulsor a la mezcla. Se considera, asimismo, un flujo de superficie libre y homogéneo para la mezcla. El modelo de flujo de superficie libre posibilita la separación apreciable de los dos fluidos usados en el agitador (mezcla y aire) y el modelo homogéneo asume que la velocidad de transferencia entre fluidos es muy grande, por consiguiente, no se produce transferencia de masa ni un cambio apreciable de temperatura. Modelo de Flujo bifásico Euler-Euler La fase liquida es un fluido homogéneo que representa, como simplificación, a la mezcla de agua y material sólido particulado. Este fluido tiene la densidad promedio y la viscosidad aparente de la mezcla. La fase gas es el aire sobre la superficie líquida. Se considera un modelo homogéneo de tipo continuo-continuo, que no impide a ambos fluidos compartir la región del volumen del agitador, permite intercambiar masa e impulso a través de las interfaces de contacto. La ventaja del modelo bifásico Euler-Euler es que asume simultáneamente la existencia de la mezcla y del aire, además, las ecuaciones de conservación para cada fase contienen términos de fase única (gradiente de presión, conducción térmica, etc.) y contienen términos de interface (arrastre, sustentación, transferencia de masa, etc.), siendo la ecuación de momento 1 (Gidaspow, 1994): (

)

(

) ))

(1)

están definidas por la ecuación 2 y 3: ∑

(2)

∑

(3)

donde: fase ,

densidad, : vector velocidad, : fuente de momento, : presión, : densidad de la fase , : viscosidad de la fase .

: fracción de volumen de la

La condición de continuidad se expresa mediante la ecuación 4: (Gidaspow, 1994) (

)

(

)

∑

donde: : vector velocidad de la fase , unidad de volumen de la fase a la fase .

(4)

: fuente de masa de la fase ,

: razón de flujo de masa por

Modelo de Flujo de superficie libre Este modelo permite simular una interface macroscópica bien marcada entre mezcla y aire, con valores de fracción de volumen variable en esta zona. El modelo homogéneo permite compartir los mismos campos de velocidad, turbulencia y de presiones para ambas fases. Asimismo, el flujo de superficie libre considerando la flotabilidad, que incluye entre otros aspectos la diferencia de densidades entre las fases, dando lugar a la fuerza de flotabilidad, representa adecuadamente el mezclado de los dos fluidos en el agitador. Las condiciones mencionadas conforman el Modelo de superficie continua, basado en el modelo de Brackbill (Brackbill, 1992), el cual simula la fuerza de tensión superficial como un volumen de fuerza concentrada en la interface más que como una fuerza superficial fundamentándose en la ecuación 5. (5) de donde fαβ está en función de la ecuación 6, (6) δαβ se define en la ecuación 7, 3

(7)

y καβ se expresa en la ecuación 8, καβ = .nαβ

(8)

donde: Fαβ : tensión superficial, fαβ: fuerza de α hacia β, δαβ: función de interface delta (es cero lejos de la interface, asegurando que la tensión superficial está activa solo cerca de la interface), -σαβ: esfuerzo de α hacia β, καβ: curvatura de la superficie, nαβ: vector normal de interface de α hacia β, s: operador gradiente sobre la interface, σ: coeficiente de tensión superficial, rαβ: vector de posición de α hacia β. Modelo no newtoniano de Bingham En la mayoría de casos los fluidos están sujetos a condiciones de variación rápida de presión o temperatura o rápidos cambios de movimientos, por tal motivo, estos no describen exactamente un comportamiento de fluido newtoniano, debido a la complejidad de su comportamiento pudiendo variar notablemente (Constantinescu, 1995). En el presente trabajo se emplea el modelo de Bingham para caracterizar el comportamiento no newtoniano de la mezcla. Este modelo para fluido viscoplástico se define mediante la ecuación para viscosidad dinámica aparente (9). ( ⁄ ̇)

(9)

donde: : viscosidad dinámica o viscosidad aparente, : esfuerzo de fluencia, ̇ : velocidad mínima de deformación cortante, : consistencia de viscosidad. La mezcla tiene los siguientes valores = 1.75 Pa, = 0.065 kg/m.s. Efectivamente, el modelo presenta un esfuerzo cortante de fluencia, una vez vencido este esfuerzo cortante el comportamiento es lineal con respecto a la velocidad de deformación cortante. Modelo de turbulencia SST k-ω Experimentos y análisis matemáticos han demostrado que en regiones cercanas a la pared se distinguen dos subcapas: la subcapa viscosa y la subcapa logarítmica. En la primera subcapa el flujo es de comportamiento laminar y la viscosidad tiene un rol importante en la transferencia de calor y momento, por otra parte, en la segunda subcapa, el proceso de mezcla es dominado por la turbulencia. También, se considera en la simulación una capa intermedia donde los dos efectos mencionados son igual de importantes. El número Low-Reynolds o low-Re resuelve el perfil de capa límite usando mallas de longitud muy pequeña en dirección normal a las paredes, priorizando los elementos de la subcapa viscosa. Además, el cálculo del low-Re facilita la estimación de la turbulencia mediante el método Shear Strees Transport k-ω, SST k-ω (Menter, 2009). El tratamiento de la capa límite fue abordado según el modelo usado por el programa ANSYS CFX denominado Near-Wall Treatment, previamente mencionado. Este modelo puede aplicarse tan solo cuando hay un refinamiento de capas cerca a las paredes entre 10 ó 15. Esta discretización es imprescindible + puesto que el orden del y ~1. (Fernández, 2012) Por otra parte, el modelo SST k-ω se usa para simular coherentemente la turbulencia en el agitador para todo el rango de velocidades angulares, puesto que tiene una predicción de alta exactitud para la aparición y la cantidad de separación de flujo bajo gradientes de presión desfavorables. En definitiva, este modelo es recomendado por obtener exactitud en la simulación de capa límite, a condición de una buena calidad de malla en la capa límite (Kim, 1995). El modelo de turbulencia SST k-ω usa automáticamente el modelo Near-Wall Treatment. Modelo del dominio rotativo Se emplea el modelo Frozen Rotor del programa ANSYS CFX, que considera un marco de referencia fijo al impulsor, manteniendo la orientación relativa de las interfaces fijas (Luo, 1994). Además, para acoplar los dominios rotativo y estacionario se usa el modelo de General Connection del programa ANSYS CFX, que conecta estos dos dominios de manera apropiada en sus tres interfaces, a pesar de que los nodos en las respectivas mallas no coincidan.

PROCEDIMIENTO PARA LA SIMULACIÓN NUMÉRICA Modelamiento del agitador a escala reducida El modelo geométrico del impulsor tripala de flujo axial se genera de manera que se obtenga, principalmente, el valor indicado del ángulo de ataque. La influencia del ángulo de ataque es muy determinante en los resultados de la simulación, la diferencia de su valor incrementa o disminuye en proporción directa los resultados obtenidos en la simulación del torque del agitador a escala reducida. El valor del ángulo de ataque, α´, es de 15º y se muestra en la Fig. 1.

Fig. 1. Ángulo de ataque de los álabes del impulsor Además, el modelo de agitador construido con el programa Inventor debe considerar dos dominios, uno rotativo y uno estacionario. El dominio rotativo corresponde al volumen alrededor del impulsor, encerrado en una superficie cilíndrica, designado como I en la Fig. 2. El dominio estacionario, designado como T, corresponde al volumen del tanque, excluyendo el árbol, los deflectores y el dominio del impulsor. La condición de independencia de dominios se debe a que el impulsor, de dominio rotativo, y el tanque, de dominio estacionario, tienen distintas propiedades para sus condiciones de operación iniciales.

Fig. 2. Modelo geométrico del agitador a escala reducida I: impulsor, D: deflectores, A: árbol y T: tanque Para las simulaciones se usan las dimensiones mostradas en la Fig. 3, C= 114 mm (holgura, distancia de la superficie inferior del impulsor al fondo del tanque del agitador), H=600 mm (altura de la mezcla en el agitador), D= 190 mm (diámetro del impulsor tripala) y ɸ= 610 mm (diámetro del tanque del agitador). Estas medidas corresponden a un prototipo fabricado a escala reducida 1:4 de un agitador industrial. Con la finalidad de contrastar los resultados numéricos obtenidos se realizaron ensayos experimentales en este prototipo, cuyos resultados están registrados en la Figura 7.

Fig. 3. Parámetros geométricos del agitador a escala reducida Consideraciones para la discretización La malla del agitador, discretizado en el programa Ansys Meshing, debe ser uniforme en todo el volumen de control (gráfica izquierda, Fig. 4), además, debe conseguirse elementos de longitud bastante pequeña y normales cerca a las superficies de los sólidos (árbol, impulsor, deflectores y tanque) de manera que su tamaño garantice captar el comportamiento del fluido en la capa límite, requerimiento necesario para la estimación de turbulencia con el Método SST k-ω. En general, los elementos impuestos para la malla del volumen de control son tetraedros y piramidales, también, se garantiza un tamaño de elementos promedio de 20 mm en el dominio estacionario y un tamaño promedio en el dominio rotativo de 7.5 mm. Además, para asegurar la condición de malla fina y normal en las superficies de los volúmenes sólidos se aplica una capa de prismas refinada a lo largo de las paredes de los sólidos (gráfica derecha Fig. 4); con este método de mallado es posible una buena resolución de las ecuaciones de gobierno del proceso de mezclado. Al implementarlo, se considera el uso de 15 capas con un espesor de cada capa de 0.1 mm. Con estos parámetros de mallado del volumen de control se obtienen 1’395,185 elementos y 403,349 nodos en el dominio estacionario y 107,460 elementos y 31,337 nodos en el dominio rotativo haciendo un total de 1’502,645 elementos y 434,686 nodos, alcanzando una calidad de mallado de 78.58% y un valor de calidad ortogonal de los elementos de 0.851 sobre un valor recomendado de 1 (ANSYS, 2013). Con los parámetros mencionados se obtiene independencia de malla, los resultados no varían más si el tamaño de elementos decrece.

Fig. 4. Discretización de los dos dominios del agitador modelado

RESULTADOS Fracción volumétrica y distribución de velocidades En las dos gráficas superiores de la Fig. 5 se observa la fracción de volumen y patrones de velocidad para un plano de corte longitudinal en el agitador modelado. Respecto de la fracción de volumen puede diferenciarse claramente la mezcla del aire; en los patrones de velocidad es notoria la tendencia axial del flujo, favorecida por el impulsor tripala de flujo axial y la velocidad angular, las tres gráficas de la Fig. 5 corresponden a 700 rpm, cuando la mezcla tiene un comportamiento turbulento.

Fig. 5. (a) Fracción volumétrica, (b) líneas de corriente y (c) distribución de velocidades del agitador simulado En la gráfica inferior de la Fig. 5 se muestran las velocidades del tanque, en un plano de corte transversal, a una distancia de 200 mm desde el fondo del tanque hacia arriba. En esta imagen se observa la tendencia radial marcada de la mezcla en zonas cercanas al impulsor y en zonas próximas a los deflectores. Los deflectores evitan el flujo circulatorio y favorecen el flujo axial. +

El valor del y promedio obtenido de la simulación es 0.4874 en las paredes del impulsor para las catorce + simulaciones, este valor sigue la recomendación para un modelo de turbulencia SST k-ω, y ≈ 1 (ANSYS, 2013). Curva de torque en función de la velocidad angular En la Figura 6 se grafica la tendencia del torque con respecto a la velocidad angular, obtenida mediante simulación. Como puede apreciarse, el torque tiene un comportamiento creciente con respecto a la velocidad angular. Los valores de torque en función de las velocidades angulares pueden observarse en la Tabla 1. En esta tabla se aprecia que a 50 y 100 rpm el torque no tiene una variación significativa, los valores están entre 0.131 y 0.144 N-m, sin embargo, a valores superiores a los 150 rpm el aumento de la magnitud del torque es de tendencia exponencial. Por esta razón, en un proceso real es conveniente considerar un valor de velocidad angular que permita una suficiente homogeneidad de la mezcla. Más allá de esta condición, el aumento de velocidad angular se traduce en un excesivo incremento del torque, y por tanto del consumo de potencia, sin mejora significativa del proceso 7

Fig. 6. Torque en función de la velocidad angular Curva de potencia La Curva de potencia para el agitador a escala reducida está en función del Re y Np; a mayor Re disminuye el Np, esto puede ser comparado según los datos de la Tabla 1, donde aparecen las cantidades, sus unidades y expresiones respectivas. De los catorce puntos de simulación analizados se cumple que el régimen laminar se mantiene hasta velocidades angulares inferiores a los 150 rpm (Re<2,100), el régimen transitorio hasta velocidades menores a los 300 rpm (Re<4,000) y régimen turbulento desde los 300 rpm hasta los 700 rpm (Re>4,000), cuando se tiene una viscosidad aparente de 0.065 kg/m.s. La discrepancia al comparar los resultados obtenidos por simulación y experimentos no pasa el 11%.

Tabla 1: Re y Np para distintas velocidades angulares en la mezcla N [

⁄

Tsimulación ] 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 560 600 650 700

[

] 0.1311 0.1443 0.1946 0.2953 0.4042 0.5628 0.7507 0.9736 1.2234 1.4801 1.8393 2.0895 2.4264 2.7969

Texperimental [

] 0.1006 0.1541 0.1957 0.2693 0.4238 0.6180 0.8167 1.1080 1.3994 1.7040 2.0925 2.4103 2.8032 3.1520

Re [

⁄ ]

751.2965 1502.5931 2253.8896 3005.1862 3756.4827 4507.7792 5259.0758 6010.3723 6761.6688 7512.9654 8414.5212 9015.5585 9766.8550 10518.1515

Npsimulación

Npexperimental

[ ⁄

] 2.9499 0.8120 0.4866 0.4155 0.3640 0.3519 0.3448 0.3424 0.3400 0.3332 0.3301 0.3266 0.3232 0.3212

] 3.1565 0.9276 0.4507 0.4188 0.3616 0.3864 0.3752 0.3897 0.3889 0.3736 0.3755 0.3768 0.3734 0.3620

Con los resultados obtenidos se grafica la Curva de potencia en función de los dos valores mencionados, Re y Np, como puede observarse en la Fig. 7. La tendencia de esta curva es asintótica respecto de 0.32 para el Np, haciéndose más evidente este comportamiento asintótico desde velocidades angulares superiores a los 250 rpm, donde el régimen empieza a cambiar de transitorio a turbulento.

Fig. 7. Curva de potencia para las catorce simulaciones del agitador a escala reducida CONCLUSIONES El estudio realizado por simulación numérica del comportamiento del impulsor tripala de flujo axial presenta muy buena concordancia con los resultados experimentales. Se concluye que el valor del Número de potencia (Np) hacia el cual converge, superados los 250 rpm de velocidad angular, es 0.32. Además, esta convergencia se da cuando el Re supera el valor de 3756 (régimen transitorio próximo a un régimen turbulento). Por otra parte, el comportamiento asintótico de la curva de potencia es más evidente a velocidades angulares mayores a los 250 rpm. A esa velocidad angular se hace más claro el comportamiento turbulento de la mezcla, sin embargo, a velocidades angulares mayores a 300 rpm el régimen de la mezcla se vuelve notoriamente turbulento, esto indica que la homogeneidad de la mezcla puede ser alcanzada a estos valores de velocidad angular. AGRADECIMIENTOS Este artículo reporta resultados de los trabajos preliminares para abordar la investigación en el diseño de agitadores. Los autores expresan su agradecimiento al FINCyT por el financiamiento del proyecto de investigación desarrollado por el grupo INACOM de la PUCP en colaboración con la empresa FabTech, mediante el Convenio Nº 104-FINCyT-FIDECOM-PIPEA_2011 y un agradecimiento muy especial al Dr. Elder Mendoza Orbegoso y al MSc. Alex Pachas Napa, quienes con su amplio conocimiento y experiencia apoyaron el presente trabajo. REFERENCIAS Brackbill J. U., Kothe D. B. & Zemach C., A Continuum Method for Modelling Surface Tension, Journal of Computational Physics (1992). Chemineer TM, Liquid Agitation, Mc Graw Hill Inc., Reprinted with special permission from Chemical Engineering, New York (1985). Constantinescu V. N., Laminar Viscous Flow, Springer-Verlag, New York (1995). Fernández, J. M., Técnicas Numéricas en Ingeniería de Fluidos, Departamento de Energía, Mecánica de Fluidos, Universidad de Oviedo, Editorial Reverté (2012). 9

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ESTUDIO DEL ECOSISTEMA DE EMPRENDIMIENTO TECNOLÓGICO EN LIMA: ESTUDIO COLECTIVO DE CASOS CARLOS HERNÁNDEZ CENZANO Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima, Perú carlos.hernandez@pucp.edu.pe DOMINGO GONZÁLEZ ÁLVAREZ Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima, Perú dgonzal@pucp.edu.pe

RESUMEN En el contexto a nivel mundial, de acuerdo a la literatura, el emprendimiento es responsable de impulsar la economía y el desarrollo, pues al formar nuevas empresas generan empleos e impuestos y desde la última crisis financiera, los emprendedores y la innovación se han vuelto más necesarios para poder enfrentar los nuevos retos de los países, para facilitar que se dé el fenómeno del emprendimiento son necesarias ciertas condiciones en el ecosistema. Las startups son una manera de innovar logrando resultados en lapsos de tiempo menor y a bajo costo, pero deben estar integradas por emprendedores con una gran iniciativa para lograr acelerar el proceso de la formación de las nuevas empresas de base tecnológica. De acuerdo a la literatura detrás de las startups existe un ecosistema que les da soporte formado principalmente por la comunidad de emprendedores, los mentores, las incubadoras, aceleradoras, proveedores de servicios comunes, los inversionistas ángeles, los inversionistas de capital de riesgo, las universidades, las entidades públicas de apoyo y la vinculación con otros ecosistemas. De este modo, este trabajo se enfoca en el ecosistema de emprendimiento tecnológico. El objetivo del trabajo es proporcionar una comprensión del estado del ecosistema de emprendimiento tecnológico en Lima en base a estudios de caso de startups, mediante la identificación de los elementos presentes en su proceso de desarrollo de cada una de las startups estudiadas. Inicialmente se exponen y se definen los diferentes elementos que podrían estar presentes en el ecosistema de emprendimiento tecnológico así como el proceso de emprendimiento. También se expone la metodología de estudios de caso así como el correspondiente proceso de la misma, cuyos principales objetivos son aplicados en el presente trabajo; el exploratorio, nos permite diseñar una futura investigación más profunda y más amplia y el descriptivo, nos permite identificar lo que sucede en cada startup en particular, estableciendo los elementos presentes del ecosistema de emprendimiento tecnológico que se vincularon, así como las características de cada uno de los casos, como el modelo de negocio y el sector al que pertenecen. Finalmente, se presentan las semejanzas y diferencias que se encuentren entre las startups estudiadas y las conclusiones correspondientes al trabajo. Palabras clave: ecosistemas de emprendimiento, emprendimiento tecnológico, startups

1. INTRODUCCIÓN A nivel mundial, la creación de nuevas empresas a través del emprendimiento es la forma de impulsar el desarrollo económico de los países, puesto que así se garantizan los empleos y los impuestos del futuro. Por ello es que ante la necesidad de afrontar nuevos retos desde la última crisis financiera, tanto los emprendedores como las condiciones que permiten se dé el fenómeno del emprendimiento, es decir, el ecosistema, se han vuelto más importantes que nunca, cobrando importancia a nivel académico, empresarial y gubernamental (WEF, 2009; Schumpeter, 1911; Serida, Morales y Nakamatsu, 2012; OECD, 2009a) Según el WEF (2009) es sumamente deseable conocer el ecosistema en el que se da el emprendimiento, cuáles son sus componentes, cómo se comportan y cómo interactúan entre sí ya que este entendimiento permite sugerir mejores prácticas y condiciones para el proceso e inclusive poder planificar alternativas a mediano y largo plazo para estimular el emprendimiento a nivel de países, regiones, ciudades y grupos económicos para así habilitar a los líderes el poder manejar el desarrollo de sus sectores en el futuro a través del camino de la innovación. Saxena y Sethi (2006) mencionan que el emprendimiento es un proceso, no ocurre como la combinación de incidentes, sino que se persigue de manera organizada la búsqueda y análisis de oportunidades en un entorno en el que previamente deben existir diferentes condiciones como posibilidades de negocio, dominio de campos de la ciencia o tecnología, necesidades insatisfechas, entre otras. Sin embargo debe tenerse en cuenta que el proceso del emprendimiento es dinámico y toda la teoría desarrollada es solamente una guía, por lo que aplicar los conceptos abstractos de mejores prácticas y modelos para facilitar el emprendimiento no garantizan lograr el éxito (Dehter, 2013). Sobre el ecosistema peruano en emprendimiento tecnológico hay antecedentes en la literatura desde el 2001, cuando se hace referencia al interés creciente de la incubación de empresas en el Perú, además de plantear una metodología que permitiría guiar el desarrollo del emprendimiento desde las universidades (Gonzalez, Vela y Ochoa, 2001). Para el 2003 se ha evaluado a diferentes niveles el potencial emprendedor universitario de base tecnológica: las capacidades como emprendedores, la promoción del emprendimiento, el networking de la universidad y el entorno, habiéndose encontrado el potencial emprendedor en los alumnos de los primeros semestres que posiblemente disminuye al transcurrir su paso por la universidad, planes de estudio no orientados al emprendimiento, posibles resultados limitados en las unidades relacionadas al emprendimiento tecnológico y posibilidad del apoyo de la universidad en las redes organizacionales (González, Vela y Ochoa, 2003). En el 2004 se analiza al proyecto PERUINCUBA (Asociación Peruana de Incubadoras de Empresas) que fue financiado por el programa InfoDev-Incubator (González y Campelo, 2004). Para el 2005 se presenta el caso del concurso de perfiles de negocio desarrollado de 1997 al 2001 auspiciado por Motorola Foundation, donde un 42% de los equipos finalistas y ganadores del concurso generaron negocios que estaban en operación en la fecha del estudio (González, Zapata, e Ismodes, 2005). Del 2008 al 2010 se desarrollaron innovaciones tecnológicas dando origen a pequeñas empresas de base tecnológica con el objetivo de mejorar la calidad de vida de la población vulnerable en el interior del país en los sectores agroindustrial, energía, salud, agua, agropecuario, textil, agricultura, cerámica y metalurgia dentro de los “Programas de Fortalecimiento y Acompañamiento a Creadores de Tecnología para el Desarrollo” del proyecto RAMP Perú (Baca e Ismodes, 2011) gracias a una serie de estrategias de comunicación para promover el emprendimiento tecnológico (Alayza e Ismodes, 2011) (Vásquez e Ismodes, 2011). Particularmente, los estudios de Serida, Nakamatsu, Borda y Morales (2013) en el GEM Perú 2012 determinaron que el país tuvo un alto índice de

emprendimiento, el 20.2%, pero este estuvo basado en un alto porcentaje de empresas unipersonales, el 51%, en su mayoría para el autoempleo. Se desprende a partir de este estudio y los otros antecedentes que el emprendimiento en el país no estuvo basado en patentes, ni en secretos industriales o desarrollo de alta tecnología y que además el ecosistema de emprendimiento no está siendo liderado ni estimulado lo suficiente para ser efectivo y de alto impacto en la economía y el desarrollo del Perú. Desde el Gobierno han existido programas como INCAGRO, Programa de inversión Pública del Ministerio de Agricultura y el Instituto Nacional de Innovación Agraria, creado por el gobierno peruano, a través del Convenio de préstamo Nº 7285-PE con el Banco Mundial con el objetivo de financiar la investigación, la extensión y la innovación agraria a través de la modalidad de concursos para cofinanciamiento de proyectos de ciencia, tecnología e innovación, que culmino en diciembre de 2010 (PCM, 2015) con esta misma dinámica también se han creado instrumentos en base a otros programas y fondos del Ministerio de la producción (2015) y FONDECYT (2015). La experiencia de financiamiento a emprendedores más resaltante es la de COFIDE que ha apoyado al emprendimiento de las PYMES, es un banco de segundo piso que canaliza recursos financieros al mercado a través de otras instituciones financieras intermediarias, complementando de esta forma la oferta de recursos que se pone a disposición del sector empresarial (COFIDE, 2015), pero es importante indicar que pertenece al sistema del crédito tradicional. La comunidad de emprendedores se ve reflejada en las cámaras de comercio, estas se remontan a 1880 con la fundación de La Cámara de Comercio de Lima, que fue fundada para contribuir a la reconstrucción nacional, la defensa de la iniciativa privada y de libre empresa, del equilibrio fiscal, del manejo transparente de los recursos públicos, de la seguridad jurídica, de la inversión y del ahorro, así como su adhesión a la democracia y al respeto de los derechos humanos (CCL, 2015). En este proyecto se definirá inicialmente el estado del arte de los conceptos del ecosistema, el proceso del emprendimiento, la evolución conceptual del emprendimiento y la metodología de investigación para luego aplicar esta teoría en el estudio de los elementos presentes en el ecosistema de emprendimiento tecnológico de Lima por medio de un grupo de casos. Para ello, la estrategia que se plantea es la revisión de investigaciones y bibliografía existente que definan marcos de referencia de los elementos presentes en el ecosistema de emprendimiento y luego explorar la información a través de un estudio exploratorio de casos colectivos. 2. EL EMPRENDEDOR Y EL EMPRENDIMIENTO 2.1 Definiciones La revisión de diferentes fuentes bibliográficas donde se mencionan a los elementos que conforman el ecosistema de emprendimiento tecnológico permitirá la identificación de los mismos: comunidad de emprendedores, los mentores, las incubadoras, aceleradoras, proveedores de servicios comunes, los inversionistas ángeles, los inversionistas de capital de riesgo, las universidades, las entidades públicas de apoyo y la vinculación con otros ecosistemas. La palabra emprendedor tiene una amplia definición, dependiendo de la bibliografía y el contexto, pero básicamente tiene como raíz el vocablo francés “entrependre” que significa “que emprende” o “que es un intermediario”. Apoyándose en las definiciones existentes, para efectos de este estudio un emprendedor se definirá como alguien que innova, un agente económico de cambio, con alta necesidad de logro, que explota las oportunidades y que une

recursos existentes para producir o crear algo. No debe confundirse con un gerente ya que usualmente éstos sólo se encargan de gestionar iniciativas ya existentes, de acuerdo a reglas y parámetros predefinidos y desde una posición de riesgos a nivel personal muy controlado y bajo (Saxena y Sethi, 2006). El emprendedor es un personaje importante en el cambio económico y la transformación de diversos cargos gerenciales. Éste aplica técnicas como la autogestión para lograr sus objetivos empresariales de creación de riqueza, generación de empleos y fomento del espíritu empresarial (Esuh Ossai-Igwe y Mohd Sobri, 2011). De la literatura se ha recogido dos tipos de emprendedores los de negocios y los tecnológicos. Los emprendedores de negocios que son pioneros impulsados por el afán de lucro y buscan el crecimiento y las ganancias en el mundo de los negocios a través de la innovación constante y la captación de un sector cada vez mayor del mercado (Zahra y Nambisan, 2012). También están los emprendedores tecnológicos que dependen de otras personas que conocen acerca de la tecnología de baterías, cristales líquidos, diseño de microprocesadores, desarrollo de software, la metalurgia, la molienda, la manufactura y la gestión de recursos humanos, entre otras muchas habilidades (Hausmann y otros, 2011). 2.2 El proceso emprendedor El proceso de creación de una nueva empresa es parte del proceso emprendedor, que implica más que sólo gestionar. Un emprendedor debe encontrar, evaluar y desarrollar una oportunidad mediante la creación de algo nuevo. El fenómeno del emprendimiento cuenta con un marco conceptual basado en diferentes áreas (Shane y Venkataraman, 2000), motivo por el cuál debe ser analizado desde diferentes aspectos: tecnológicos, sociales, psicológicos, legales, etc. Según lo mencionado en la literatura (Hisrich, Peters y Shepherd, 2012; Leyden, Link y Siegel, 2014), el proceso emprendedor tiene cuatro etapas distintas que no son secuenciales, sino que avanzan progresivamente y las mismas son: 

La identificación y evaluación de la oportunidad: Una buena ocasión de negocio no aparece generalmente de forma espontánea, por lo que hallar la misma es más bien es el resultado de la vigilancia de posibilidades o el establecimiento de mecanismos que identifiquen oportunidades potenciales que respondan a las siguientes preguntas:  ¿En qué mercado hay necesidades insatisfechas?  ¿Qué observaciones personales has experimentado de las necesidades del mercado?  ¿Qué condición social se relaciona con esta necesidad del mercado?  ¿Qué datos de la investigación de mercado se pueden calcular para describir esta necesidad?  ¿Qué patentes podrían estar disponibles para satisfacer esta necesidad?  ¿Qué competencia existe en este mercado?  ¿Cómo describiría el comportamiento de esta competencia?  ¿Cómo se ve el mercado internacional?  ¿Qué hace la competencia internacional?  ¿Dónde está el dinero que se genera en esta actividad?



La planificación de negocios: Es un paso crucial para poder aprovechar adecuadamente la oportunidad a definir. Esta etapa requiere mucho tiempo del proceso emprendedor ya que un empresario por lo general no tiene preparado un plan de negocios y no tiene los recursos disponibles para prepararlo completamente. Sin embargo, esta tarea es importante para la determinación de los recursos requeridos, la obtención de esos recursos y gestionar con éxito la empresa resultante.



La determinación de los recursos necesarios: Se deben determinar los recursos necesarios para hacer frente a la oportunidad así como también se debe determinar si este proceso se inicia con una evaluación de los recursos actuales del empresario. Todos los recursos que son fundamentales deben diferenciarse de los que son simplemente útiles, pero además se debe tener cuidado de no subestimar la cantidad de variedad de recursos necesarios. Los riesgos relacionados con recursos insuficientes o inadecuados también deben ser evaluados. Y en este punto cabe mencionar que un empresario debe esforzarse por mantener la posición de propietario tanto como se pueda, sobre todo en las etapas iníciales; y luego, a medida que se desarrolle el negocio, de ser requerido, se puede tomar más financiamiento de inversionistas a cambio de parte de la propiedad de la empresa. La gestión de la empresa resultante: Después de captar los recursos económicos, el empresario debe utilizarlos para poner en práctica el plan de negocios. Los problemas operativos de la empresa en crecimiento también deben ser examinados, lo cual implica la aplicación de un estilo de gestión y estructura, así como la determinación de las variables clave para el éxito. Un sistema de control debe ser establecido para poder identificar y resolver en el menor tiempo posible las áreas problemáticas.



2.3 El proceso emprendedor aplicado a las startups Esta investigación se enfocó únicamente en las startups, las cuales se definirán más adelante, pero considerando el punto anterior se debe acotar que en el caso de las startups, el proceso emprendedor se ha separado en las etapas que se muestran en la Tabla 1: Tabla 1: Etapas del proceso emprendedor para las startup Descripción

Etapa

III

Etapa de definición

Desarrollo de la idea, En esta etapa la financiación no es un obstáculo destacado en el camino, puesto que no se necesitan grandes cantidades de dinero para completarla. Se suele completar con las aportaciones de los propios fundadores o de familiares y amigos. Sin embargo, también existen inversionistas ángeles que aportan en esta etapa.

Etapa de validación

Lanzamiento de la mínima versión y Selección de equipo. En este punto, se necesita un nuevo impulso financiero que suele venir de fondos e inversores especializados en esta etapa de la startup.

Negocio lanzado y Canales de venta definidos, Se ha consolidado el proyecto y también los beneficios. En esta etapa, Etapa de eficiencia la financiación externa es importante, pero el flujo de caja propio solventa mucha de las necesidades del día a día.

Etapa de crecimiento

Aquí el apoyo de financiación externo es fundamental, pese a la importancia de las alianzas con otras compañías para hacer más sencilla esta expansión. El capital de riesgo adquiere aquí un papel muy importante.

Fuente: Elaboración propia en base a Startup Commons (2015) y Churchill y Lewis (1983)

3. LAS STARTUPS Y EL ECOSISTEMA DE EMPRENDIMIENTO TECNOLÓGICO Primeramente el ecosistema de emprendimiento es el conjunto de emprendedores que tienen diferentes relaciones complejas en sus entornos empresariales, académicos, sociales, políticos y económicos con el fin de generar el proceso de emprendimiento de nuevas empresas (Fetters, Greene, Rice y Butler, 2010) Además, por las recientes teorías la innovación emprendedora es un proceso en el que los actores y contextos son co-creados (Garud, Gehman y Giuliani, 2014) y con un alcance país, el sistema nacional de emprendimiento es la interacción dinámica, institucionalmente incrustado entre las actitudes, capacidad y aspiraciones de emprendimiento, por parte de individuos, que impulsa la asignación de recursos a través de la creación y operación de nuevas empresas (Ács, Autio, Szerb y László, 2014). Una startup es una empresa emergente que busca emprender un negocio nuevo y se apoya en la tecnología, tienen ideas que innovan el mercado y buscan simplificar procesos complicados para sus clientes; y un ecosistema de emprendimiento es el ambiente en el que se desarrolla una nueva startup o una nueva iniciativa y que sirve para dar soporte al fenómeno del emprendimiento en general. De acuerdo con Feld (2012) este ecosistema está integrado por tres elementos, que son una comunidad de emprendedores altamente concentrada, líderes que dirigen a esta comunidad según los diferentes grupos de interés de la misma y facilitadores que apoyan a la comunidad y que pueden ser las universidades, el gobierno, los inversionistas, empresas y otros actores, se presenta un diagrama en la Figura 1. Figura 1: Participantes del ecosistema de emprendimiento

Facilitadores

Comunidad Emprendedora

Líderes

Fuente: Elaboración propia en base a lo descrito por Feld (2012) En los diferentes marcos de referencia se consideran tres grupos de elementos importantes del ecosistema emprendedor (ANDE, 2013): 

Determinantes: se refiere a los diversos factores que afectan el espíritu empresarial: a. Financiamiento: acceso a préstamos, Acceso a Venture Capital, Acceso a Premios, Acceso a inversionistas ángeles, Acceso a un mercado de acciones. b. Soporte de Negocios: Redes de empresas, Incubadoras y Aceleradoras, Servicios Contables y financieros. c. Políticas: Tasas de impuestos, Incentivos de impuestos, Costos de iniciar un negocio. d. Mercados: Ventas locales, Ventas Internacionales, Tamaño del mercado objetivo. e. Capital Humano: Número de egresados, Calidad de la educación. f. Infraestructura: Acceso a las telecomunicaciones, Acceso a Electricidad, Acceso a Infraestructura. g. Investigación y Desarrollo: Patentamiento.

h. Cultura: Motivación emprendedora. 

Rendimiento empresarial: se refiere a las actividades específicas que los empresarios realizan: a. El número de empresas de alto crecimiento b. Las tasa de empleo c. La supervivencia de las empresas.



El impacto: se refiere al valor creado por los empresarios y el espíritu empresarial:: a. Crecimiento económico. b. Reducción de la pobreza c. Crecimiento del empleo d. Coeficientes de distribución del ingreso e. El tamaño del sector formal versus el sector informal.

Otros términos que se deben definir en este punto son: 

Incubadora: Estas suelen ser espacios físicos conectados a un centro de conocimiento (universidades, instituto de investigación, escuelas de negocios, etc.) para ayudar a comercializar sus propios spinouts e ideas de negocio a cambio de una cuota mensual de alquiler. Sus principales características son: la provisión de espacio de oficina física, red de mentores, programas de eventos informales, servicios de consultoría, la exposición de los inversores y los vínculos de financiación pública (Salido, Sabás, & Freixas, 2013).



Aceleradora: Este modelo, que se hizo mundialmente famoso con “Y-Combinator” en los EE.UU., se ha extendido a muchos centros europeos. Sus principales características son: un proceso de aplicación abierto a todos y que no tiende a ser una disposición de las inversiones pre-semilla a cambio de una participación minoritaria en el arranque. El soporte está limitado en el tiempo y comprende los acontecimientos y la tutoría intensiva y el programa en sí tiende a organizarse en grupos de nuevas empresas que comienzan al mismo tiempo (Salido, Sabás, & Freixas, 2013).



Los inversionistas ángeles y Los inversionistas de riesgo: Los inversionistas ángeles son personas o entidades que tienen experiencia en negocios y tienen interés en los emprendimientos y participación de los mismos. Su mecanismo consiste en aportar capital en empresas en etapa de formación o consolidación para apoyar a los fundadores. La diferencia principal de los ángeles con los inversionistas de riesgo se centra en que los primeros utilizan fondos propios y no de terceros para realizar las inversiones. Adicionalmente, su decisión de participar se define por los planes de negocio de las nacientes empresas (Ayala & González, 2010).

3.1 Fundamentos de un ecosistema de emprendimiento Para que un ecosistema emprendedor se fomente y pueda sostenerse deben cumplirse una serie de fundamentos básicos, como por ejemplo que los mismos emprendedores deben liderar la comunidad emprendedora, en especial los de empresas pequeñas bien establecidas ya que estos emprendedores tienen más experiencia y son los auténticos pilares del ecosistema. Esto debe mantenerse bien claro pues ocasionalmente pueden darse situaciones donde los facilitadores, especialmente las instituciones, deseen liderar el emprendimiento cuando realmente estos están para apoyar al ecosistema de emprendimiento y no para crearlo ni liderarlo (Feld, 2012)

Los líderes de la comunidad deben tener un compromiso de largo plazo (en el caso de ecosistemas de emprendimiento se trata de un mínimo de 20 años) y debe existir y ser aprovechado el impulso de la mentoría y la participación colaborativa. La comunidad de emprendedores debe tener continuamente actividades que permita participar a toda la comunidad (el “networking” es realmente importante a todos los niveles y la participación en la comunidad genera sentimiento de pertenencia). Debe además estar dispuesta a experimentar y el fallar rápidamente, pues estos factores permiten impulsar el emprendimiento (Feld, 2012). Además, esta comunidad de emprendedores debe incluir a cualquiera que quiera participar en ella, independientemente sea o no de la misma área geográfica, pues la proximidad geográfica no necesariamente implica proximidad social, especialmente en contextos de gran rivalidad donde existen grupos institucionalizados formales que impiden la espontánea proximidad social (Letaifa & Rabeau, 2013). Las actividades de la pasión empresarial y de las redes y el incremento de recursos pueden ser influenciadas por un programa de capacitación estructurado que incluya el trabajo en las universidades, la tutoría y el compromiso. Al respecto, la formación empresarial es crítica para proporcionar las habilidades necesarias para poner en marcha un negocio exitoso, pero igual de importante es alentar la interacción con la comunidad empresarial y el fomento de las interacciones frecuentes en redes (Kerrick, Cumberland, Church-Nally, & Kemelgor, 2014). También, las políticas para la protección de la propiedad intelectual constituyen también otro aspecto fundamental al que los gobiernos deben dar especial atención para incentivar el uso de nuevas tecnologías en los emprendimientos (Laplume, Pathak, & Xavier-Oliveira, 2014). De forma que para que exista un ecosistema de emprendimiento se requiere como mínimo una alta densidad emprendedora y oportunidades de calidad de vida, empresas que recurran al “bootstrapping” en las primeras etapas del ecosistema, en los casos en los que existe una gran división entre los emprendedores y los inversores. Además debe haber una actitud generosa de los integrantes de la comunidad de intentar ayudar sin esperar nada a cambio y una comunidad inclusiva (Feld, 2012). 3.2 Problemas Fundamentales y las soluciones Los problemas fundamentales que se presentan al construir el ecosistema de emprendimiento son los siguientes (Feld, 2012):  Problema del patriarcado, que ocurre cuando se opera jerárquicamente y se le da importancia a factores como quien fuiste, a que universidad fuiste, donde trabajaste y a quien conoces. La solución es operar como una red donde sólo importa que hiciste.  Restricciones del capital, el desbalance desbalance entre el capital que puede captarse y el que se necesita puede solventarse al incrementar el capital necesario o enfocarse en crear el negocio por sí mismo.  Ser demasiado dependiente del gobierno es algo que ocurre cuando éste lidera el emprendimiento, siendo el resultado un ecosistema débil. Una vez más, los emprendedores son quienes deben liderar.  Hacer compromisos a corto plazo. Dado que construir una comunidad de emprendedores toma un largo plazo y mucho esfuerzo para tener una comunidad trabajando de manera sostenida, debe existir compromiso con la construcción de las empresas.  Tener prejuicios contra los recién llegados. Muchas ciudades son jerárquicas, los foráneos tienen que esperar a ingresar a esa jerarquía, así que la solución es dar la bienvenida a los extranjeros e invitarlos a unirse a las actividades que deseen involucrarse.

 

Tener una cultura de aversión al riesgo. La solución es tomar más oportunidades y dar a sus límites de tiempo esfuerzo. Si falla se debe hacer cambios o finalizar. Evitar a las personas a causa de su fracaso en el pasado. Se debe apoyar a los emprendedores que fracasaron anteriormente y cambiar la cultura para ver como algo positivo el fracaso

3.3 Actividades y Eventos de la Comunidad La comunidad emprendedora debe estar envuelta en las siguientes actividades y eventos frecuentes para fomentar así el ecosistema de crecimiento.  Organización: Es importante y responsabilidad de la comunidad y sus grupos organizarse (Feld, 2012).  TechMeet-up: El objetivo de las reuniones es ayudar a construir una industria de tecnología sostenible que impulse el crecimiento económico, la innovación (Heiferman, 2013).  Open Coffee Club es un concepto que se originó en Londres por Saul Klein, uno de los fundadores de Skype, donde el objetivo es promover que los empresarios, promotores e inversores se conozcan en reuniones informales para fomentar el espíritu empresarial (Lenehan, 2007).  Start Up Weekend: Es un evento de un fin de semana de acción pura en el que emprendedores con perfil técnico, creativo y de negocios trabajan en crear una startup en 54 horas, con apoyo de líderes y especialistas (Startup Weekend, 2013).  Ignite: son dos horas de charlas ultrarrápidas de 5 minutos exactos, apoyadas por 20 transparencias programadas para avanzar cada 15 segundos. Están presentadas por gente que tiene una idea, una historia, o una visión y el valor de subirse al escenario para compartirlo con su comunidad (Ignite, 2013). 4. METODOLOGÍA En este estudio se utiliza un diseño de investigación cualitativo, de tipo exploratorio, a través de casos de estudio (Hernández, Fernández, & Baptista, 2010), en el que se entrevistaron y analizaron cinco startups de Lima para reunir información acerca del estado y características del ecosistema de emprendimiento en la ciudad. Las entrevistas a una muestra prototipo de startups indagará la situación a través de un cuestionario lo suficientemente profundo para reducir vulnerabilidades del método. Haciendo uso de la metodología de estudio de caso se explorarán la presencia o ausencia de los elementos del ecosistema de emprendimiento tecnológico en Lima: la comunidad de emprendedores, los mentores, las incubadoras, aceleradoras, proveedores de servicios comunes, los inversionistas ángeles, los inversionistas de capital de riesgo, las universidades, las entidades públicas de apoyo y la vinculación con otros ecosistemas. También se indagará sobre las tecnologías que están usando las startups. 4.1 Estudio de Caso De acuerdo a Castro (2010) el estudio de caso tiene como objetivo encontrar nuevas evidencias o situaciones de un fenómeno, formular nuevas teorías, encontrar respuestas a preguntas en un escenario y momento dado, por lo que no son formulaciones de verdades universales. De acuerdo a Merrian (1998) y Yin (2009) con una investigación de estudio de caso se pueden lograr diferentes objetivos: Hacer una descripción, Explicar o interpretar el fenómeno investigado, Explorar características y funcionamiento, Hacer una evaluación, Formular soluciones provisionales. El estudio puede ser de un único caso, cuando se requiere desafiar o ampliar una determinada teoría o de varios casos, cuando se hacen las mismas preguntas a los

distintos casos, pero realizando una comparación de las respuestas para llegar a conclusiones importantes. Para este estudio el más adecuado es el estudio múltiple porque todas las startups no necesariamente han interactuado con los diferentes actores del ecosistema, mencionados en la literatura. También se han tomado en cuenta las técnicas recomendadas para el análisis de casos cruzado de Miles, Huberman y Saldaña (2014):  Clasificación de la información por tablas o matrices.  Creación de gráficos con la evidencia encontrada.  Tabular la información encontrada por frecuencias.  Clasificación de la información en orden cronológico. 4.2 Diseño del caso de estudio Yin (2009) indica que el diseño de la investigación consiste en enlazar los datos a ser recolectados con las preguntas iniciales del estudio y los cinco componentes del diseño de la investigación son: Preguntas de estudio El tipo de preguntas de investigación utilizadas en este estudio son generalmente ¿qué? o ¿cuáles? La pregunta que se busca resolver en esta investigación de manera general es: ¿Qué elementos están presentes en el ecosistema de emprendimiento tecnológico de Lima? En detalle las preguntas son: ¿Cuál es el rol en la comunidad de emprendedores? ¿En qué fase se encuentran las startups? ¿Qué venden? ¿Producto o servicio? ¿En qué consiste el producto o servicio? ¿Qué tipo de tecnologías utilizan? ¿Cuál es el tipo de cliente de las startups? ¿En qué sector están las startups? ¿Qué tipo de financiamiento utilizaron en cada etapa? ¿Qué otros tipos de financiamiento para startups existen en el sistema? ¿Usan o usaron servicios comunes para emprendedores? ¿Tuvieron el apoyo de mentores? ¿Existió apoyo de alguna incubadora o aceleradora? ¿Existió vinculación con la universidad? ¿Recibieron apoyo de alguna entidad gubernamental? ¿A qué eventos de emprendimiento asisten? ¿Con qué otros ecosistemas diferentes al de Lima se vinculan? ¿Tienen planes de migrar las operaciones principales de las startups a otro país? Proposiciones Cada proposición dirige su atención a algo que debe ser examinado dentro del alcance del estudio (Yin, 2009), en este etapa se busca obtener información sobre la presencia de los elementos en el ecosistema. La proposición principal del presente estudio es que en el ecosistema de emprendimiento tecnológico de Lima están presentes los elementos necesarios.

Unidades de análisis La unidad de análisis de este proyecto es el ecosistema de emprendimiento tecnológico de Lima. La información que se recoja será desde el punto de vista de los fundadores de startups que se han identificado, están en actividad y pertenecen a este ecosistema. Relación lógica entre las preguntas y las proposiciones De lo antes mencionado, al ser este un estudio exploratorio, no se busca explicar un acontecimiento o fenómeno, por lo que la relación entre las preguntas y la proposición es directa. Criterios para interpretar resultados En este caso se verificará la presencia o ausencia de los elementos del ecosistema de emprendimiento que se describen en la literatura revisada. 4.3 Muestra Esta investigación consideró cinco startups ubicadas en Lima que se encuentran en la etapa de validación o posterior. Con el fin de reducir la variabilidad y error típico de los casos de estudio cualitativo y que podría influir en los resultados, se seleccionaron de forma consciente startups que fuesen lo más similares posible en términos de tecnología, con modelo de negocio implementado o en validación, contasen con clientes identificados y cuyos fundadores tuvieran experiencia en emprendimientos anteriores. La muestra es de tipo homogéneo y representativa a nivel de prototipo ya que todas las startups poseen el mismo perfil, lo cual ayudó a centrarse en el objetivo de la investigación y resaltar los aspectos del grupo de emprendedores de Lima. La información recogida a través del aporte de la muestra fue de gran profundidad y calidad para la recolección de datos, su análisis, el estudio del ecosistema de emprendimiento y la resolución de las preguntas planteadas en este estudio. 4.4 Proceso de recolección de información La información fue recolectada a través de entrevistas semi-estructuradas. Se realizaron tres entrevistas cara a cara y dos entrevistas por medio de formulario enviado por correo electrónico con los líderes y fundadores de las startups. En la medida de la disponibilidad también se reunió información de fuentes secundarias para complementar la información recogida durante el estudio. 4.5 Entrevista Se utilizó un esquema de entrevista basado en las preguntas que se habían planteado para el estudio, las entrevistas cara a cara tuvieron en promedio cuarenta y cinco minutos de duración. En todos los casos, el objetivo de estas entrevistas fue identificar cuáles de los elementos ideales de un ecosistema saludable de emprendimiento estaban presentes en cada caso, la forma en la que las startups se estaban beneficiando de los mismos y las fortalezas y oportunidades del ecosistema de emprendimiento. Todas las entrevistas fueron transcritas y agregadas a la base de datos de la investigación. Además se complementaron las entrevistas con información secundaria y las observaciones realizadas durante las entrevistas.

5. RESULTADOS, ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS |En la Tabla 2, se presentan las 5 startups, la cronología de sus etapas y presencia o ausencia de los elementos del ecosistema en estas; en base a este cuadro y otros se desarrolla el análisis. Todas las entrevistas se realizaron con éxito, los roles que han desempeñado los entrevistados no son únicos, los 5 son emprendedores, 1 de ellos es inversionista, 2 de ellos son asesores, 2 de ellos vinculan a otras startups con inversionistas, 1 de ellos provee servicios para emprendedores y 1 de ellos es formador de emprendedores Tal como se ve en la Tabla 2. Tabla 2: Matriz de comparación entre las Startups

Roles de los fundadores

Año en que se dio la Etapa I Año en que se dio la Etapa II Año en que se dio la Etapa III Año en que se dio la Etapa IV Producto/Servicio Descripción del producto o servicio Tecnologías que utilizan Tipo de clientes Sector que atienden Forma de financiamiento Usaron servicios comunes para emprendedores Apoyo de mentores Vinculación con aceleradoras Vinculación con la universidad e incubadoras Apoyo de alguna entidad gubernamental Asisten a eventos de emprendimiento Vinculación con otros ecosistemas Existe planes de emigrar

Startup A Emprendedor, Asesor, Conectar Start Ups con Inversionistas, Proveedor de servicios para emprendedores, Formador

Startup B

Startup C

Startup D

Startup E

Emprendedor

Emprendedor, Conectar Start Ups con Inversionistas

Emprendedor, Inversionista

Emprendedor

2014

2011

2012

2015

2013

2012

2013

2015

Pendiente

2014

2013

2014

Pendiente

Servicio

Servicio Educación a distancia vivencial Portal Web, Realidad Virtual

Producto-Servicio Regalos personalizados

Producto

Portal Web, Georeferencia Turistas, Hoteles, Agencias (B2C, B2B) Turismo Auto financiamiento

Servicio Clases Particulares en línea Portal Web, Video IP Padres de Familia e Instituciones (B2C, B2B) Educación Auto financiamiento

Portal Web

Instituciones

Usuarios finales (B2C)

Educación Auto financiamiento

Regalos Auto financiamiento

Ropa Auto financiamiento

Guía de viajes

Retailer

Fuente: Elaboración propia Las startups del estudio ya han pasado la etapa de definición, 1 de ellas se encuentra en la etapa de validación y 3 de ellas se encuentran en la etapa de eficiencia, como se aprecia en la Tabla 2. Todavía ninguna puede ser definida como de crecimiento y la mayoría de sus líderes tenían experiencia en emprendimientos anteriores. Productos y Servicios De la startups del estudio 4 ofrecen servicios y 1 ofrece productos; más específicamente, 2 de ellas ofrecen servicios educativos, 1 de ellas ofrece servicio de personalización de productos, 1 de ellas ofrece servicios a hoteles y 1 de ellas venta al por menor de productos.

Las compañías tienen en promedio 2.5 años de antigüedad al inicio de la investigación, fueron fundadas por emprendedores con carrera universitaria o técnica concluida, laborando de forma dependiente o independientemente, de ambos sexos y con edades que oscilan entre los 25 y los 40 años. Tecnología, modelo de negocio y mercado Todas las startups utilizan aplicaciones web para llegar a los usuarios finales, como se encuentran en etapas intermedias, aún están en desarrollando y haciendo cambios frecuentes en la programación para adaptar el servicio al mercado, 4 de ellas se orientan a usuarios finales, 1 de ellas aún trabajará solo con clientes corporativos. Solo una de ellas ofrece servicio freemium para captar nuevos usuarios además de la suscripción, 1 de ellas solo ofrece el servicio por subscripción, 2 de ellas venden productos y la que trabaja con clientes corporativos está redefiniendo el modelo de negocio. Actualmente están trabajando con el mercado local peruano, pero tienen expectativas y están explorando otros mercados fuera del país. Los inversionistas ángeles y los de capital de riesgo Los entrevistados financiaron sus proyectos con recursos propios, pero hacen referencia a inversionistas que ya los han identificado como una opción para presentar sus iniciativas, en la Tabla 3 se muestran estos. Tabla 3: Redes de inversionistas de Perú Inversionista o Red de inversionistas Descripción Representa a una red de inversionistas ángeles y mentores, a la aceleradora de startups y fondo de Angel VenturesPeru capital de riesgo, con sedes en México y Estados http://angelventures.vc/peru Unidos. Alta el Dorado Emprendimiento Es una compañía de asesoría en inversiones que está y el fondo Kickstart Perú https://www.facebook.com/altaeldoradoe gestionando el fondo de inversión Kickstart Perú, con el objetivo de financiar las ideas de negocios mprendimiento https://gust.com/organizations/kickstart- innovadores y escalables que surjan en el Perú. peru-lp Fuente: Páginas Web indicadas. Proveedores de servicios comunes Los entrevistados mencionan a los siguientes proveedores de servicios que se indican en la Tabla 4. Tabla 4: Proveedores de servicios comunes de la muestra Proveedor de Servicio Descripción Es una agencia de alquiler de espacios para oficinas, Stars Camp se comparten espacios con otros emprendedores. http://starscamp.net Es un nuevo concepto de espacios compartidos para Comunal Coworking trabajar (co-working) al lado de otros emprendedores http://comunalcoworking.com relacionados con la creatividad y la cultura. Fuente: Páginas Web indicadas.

Se mencionó también en las entrevistas que entre las startups se están produciendo sinergias para prestarse servicios entre ellas a bajos costos. Mentores Los entrevistados hacen referencia a que los emprendedores de Perú con experiencia y éxito están desarrollando el papel de mentores de los nuevos empresarios tecnológicos. Adicionalmente mencionan la intervención de mentores extranjeros en el ecosistema de emprendimiento de Lima, todos ellos han recibido el apoyo de mentores como se puede apreciar en la Tabla 2. Las Incubadoras y las Universidades También hacen referencia a las incubadoras, las cuales se encuentran representadas en Perú por La Asociación Peruana de Incubadoras de Empresas PERUINCUBA, de universidades e institutos superiores, a nivel nacional, ubicadas en Arequipa, Huancayo, Lima, Piura y Trujillo. Actualmente son 18 instituciones asociadas (PERUINCUBA, 2015) pero ninguna se ha vinculado con las universidades ni con las incubadoras como se indica en la Tabla 2. Preaceleradoras y Aceleradoras Los entrevistados mencionaron a los programas de aceleramiento, ver la Tabla 5, las preaceleradoras y aceleradoras son impulsadas por organizaciones internacionales que promueven la formación de startups y tienen metodologías que se desarrollan en días semanas o meses, dependiendo de cada una de ellas. Además participan emprendedores con su equipo ya formado o emprendedores en busca de socios, todos los entrevistados indicaron que habían participado de estos programas, ver la Tabla 2. Las entidades públicas de apoyo: Los entrevistados han mencionado a las entidades públicas de apoyo, en un caso se presentaron en dos oportunidades a los concursos correspondientes pero no llegaron a ser ganadores. Se ha identificado los instrumentos de las instituciones, programas y fondos de la información provista en sus páginas Web y se presentan en la Tabla 6, pero los entrevistados solo mencionaron su participación en los concurso de START PERU y PIPEI. Tabla 5: Programas aceleradores de emprendimiento en Perú Programas de preaceleramiento y aceleramento Startup Weekend Lima http://lima.startupweekend.org

Startup Pirates Lima http://lima.startuppirates.org Startup Academy Lima http://startupacademy.la StartupTechX https://es-la.facebook.com/startuptechx Founder Institute http://fi.co Wayra http://wayra.co/pe

Descripción Startup Weekend Lima es un evento de 3 para crear una startup. Inicia un viernes con la exposición de ideas, formando equipos de trabajo, el sábado es el día del desarrollo de ideas, de un modelo de negocios, una demo y el domingo se afinan los puntos finales y para a dar un pitch de negocios, un elegido del equipo presentará la idea ante un jurado experimentado y se establecen a los ganadores. Startup Pirates Lima forma parte de una red global de iniciativas que están en plena expansión en diferentes países y que aplican su metodología y herramientas. Startup Academy ofrece un programa intensivo de formación en modelamiento de negocios de base tecnológica, mentoría con profesionales del sector y exposición ante el mercado. StartUpTech X es una pre-aceleradora que se enfoca en impulsar al emprendedor en su primera etapa. El Founder Institute es un programa de formación de emprendedores y puesta en marcha de lanzamiento más importante del mundo, ayudando fundadores aspirantes de todo el mundo construcción duradera empresas de tecnología. Wayra es una aceleradora de startups que se inició en América Latina y España en el año 2011 como una iniciativa de Telefónica

Fuente: Páginas Web indicadas.

Tabla 6: Entidades públicas de apoyo para emprendimiento disponibles en Perú Institución, Programa o Fondo FONDECYT

PNICP

FIDECOM

STARTUP PERU

Instrumentos I+D+i con participación internacional Ideas Audaces Proyectos de Innovación de Empresas Individuales (PITEI) Proyectos de Innovación de Alto Impacto Concurso de Proyectos de Fortalecimiento de Incubadoras de Negocios Asesorías Tecnológica Proyectos de Innovación Productiva en Empresas Asociadas (PIPEA) Proyectos de Innovación Productiva para Empresas Individuales (PIPEI) Proyectos Menores de Innovación Productiva (PIMEN) Proyectos Asociativos de Transferencia Tecnológica para Microempresa (PATTEM) Mejora de la calidad Emprendedores Innovadores Emprendimientos dinámicos y de alto impacto

Fuente: FONDECYT (2015) y PRODUCE (2015) Comunidad de emprendedores: Todos los entrevistados mencionaron que participan en la comunidad, ver la Tabla 2, señalaron comunidades, grupos y actividades y se presentan en la Tabla 7. Tabla 7: Principales comunidades, gruposy eventos de emprendedores en Perú Comunidad, grupo o actividad GoStartup https:// fb.co /GOstartups.org 3990 miembros en Facebook Social StartUp https:// fb.co /groups/social.startups 3274 miembros en Facebook Women in Technology – Perú https:// fb.co /groups/agilegirlsperu 1697 miembros en Facebook Portal Emprendedores Perú http://fb.co/groups/portalemprendedoresperu 17 674 miembros en Facebook Peru Lean Startup Group http://www.meetup.com/es/Peru-Lean-Startup-Group 117 miembros en meetup StartupFounder 101 501 miembros en meetup Startup Grind Lima http://www.meetup.com/es/Startup-Grind-Lima 363 miembros en meetup

Lima Valley http://lima-valley.com/ 12246 seguidores en Facebook

Descripción Comunidad de startups en el Perú. Aquí se comparte información sobre las startups, tecnología y emprendimiento web. Su objetivo es lograr que la mayor cantidad de startups salgan adelante y fortalecer el ecosistema emprendedor peruano. El Social Start-up Meeting es un encuentro de un fin de semana en el que intervienen personas con diferentes perfiles profesionales (programación, diseño, marketing, desarrollo de productos, etc.), emprendedores con inquietudes sociales. Difunden la presencia de mujeres en el sector tecnológico, así como el emprendimiento tecnológico. Comparten historias de éxito de peruanos de espíritu emprendedor y artículos de apoyo para desarrollar negocios y empresas. El Peru Lean Startup Group es un grupo para aprender, compartir y descubrir cómo construir nuevos productos y servicios basados en la metodología Lean. Grupo formado por aspirantes y fundadores de startups en fase inicial, se reúnen frecuentemente para escuchar conversaciones de empresarios locales exitosos, para aprender de las prácticas, estrategias y errores. También comparten sus ideas y planes para obtener retroalimentación. Startup Grind Lima es una serie de eventos diseñados para ayudar a educar, inspirar y conectar a los empresarios locales. Periódicamente comparten una historia con su comunidad indicando que funcionó, lo que no hizo y lo que van a hacer diferente la próxima vez. Es una forma de aprender de los éxitos, ampliar el networking y las posibilidades. Lima Valley es una asociación sin fines de lucro que reúne a profesionales de distintos ámbitos que, sin buscar algún tipo de beneficio a cambio, dedican su tiempo para reunir y dinamizar a la comunidad peruana de emprendedores tecnológicos, organizando conferencias, programas de formación, charlas casuales (meetups), realizando investigaciones, generando alianzas y convenios y promoviendo otras iniciativas y actividades que agreguen valor al ecosistema local. El objetivo que persigue Lima Valley es promover el desarrollo de proyectos de emprendimiento tecnológico (startups) y servir de facilitador y nexo entre todos los actores del ecosistema startup peruano, priorizando las conexiones y el networking que puedan generar valor dentro de la comunidad.

Fuente: Páginas Web indicadas. La vinculación con otros ecosistemas Durante las entrevistas se mencionó la vinculación con los otros ecosistemas para buscar financiamiento semilla, de inversión y de mentores. Se hicieron referencias de los ecosistemas de Chile, Sillicon Valley, Puerto Rico, Colombia y México, no todos ellos han establecido esta vinculación como se indica en la Tabla 2.

Planes de migrar las operaciones principales de las startups Como se aprecia en la Tabla 2, cabe destacar que 3 de los fundadores entrevistados tienen intenciones de migrar las operaciones de sus startups al extranjero por los clientes institucionales, los fondos concursables, los beneficios fiscales y los inversionistas de otros ecosistemas. Principales carencias del ecosistema de emprendimiento tecnológico en Lima Se ha encontrado que los entrevistados perciben las siguientes carencias en el ecosistema:  Falta asesoría y capacitación para el modelo de negocio  Falta de materialización de las ideas de negocio  Necesidad de un mayor número de eventos de emprendimiento  Necesidad de recursos humanos especializados  Falta de institucionalidad del ecosistema  Falta de la madurez de los diferentes actores  Falta de participación desinteresada en favor del ecosistema  Falta de celeridad en los mecanismos de apoyo por parte de las instituciones En la Tabla 8 se presenta el resumen de los elementos que estuvieron presentes en cada una de las etapas de las startups objeto del estudio, Para la etapa IV se ha asumido que continúan las mismas condiciones de la etapa III.

Comunidad de emprendedores

Mentores

Aceleradora

Otros servicios comunes

Inversionista Ángel

Inversionistas de capital de riesgo

Universidad

Entidades pública de apoyo (concursantes)

Vinculación con otros ecosistema

Tabla 8: Elementos presentes en cada etapa de las startups estudiadas

I Etapa de definición - Desarrollo de la idea

60%

20%

80%

40%

20%

40%

II Etapa de validación - Lanzamiento del MVP y Selección de equipo

80%

40%

80%

20%

60%

III Etapa de eficiencia - Negocio lanzado y Canales de venta definidos

60%

20%

40%

IV Etapa de crecimiento

60%

20%

40%

Fuente: Elaboración propia Siguen además la síntesis de los elementos cuya presencia se identificó en las startups en estudio en el transcurso de los años 2011 al 2015 y se presenta en la Tabla 9. De aquí se desprende que se debe impulsar y reforzar la vinculación con los inversionistas ángel, los inversionistas de capital de riesgo las universidades y las incubadoras.

2011

√

2012

√

2013

√

2014

√

2015

√

Vinculación con otros ecosistema

Entidades pública de apoyo (concursantes)

Incubadora/Universidad

Inversionistas de capital de riesgo

Inversionista Ángel

Otros servicios comunes

Aceleradora

Mentores

Comunidad de emprendedores

Tabla 9: Elementos identificados en las startup entrevistadas

√ √ √

√

√ √

Fuente: Elaboración propia

6. CONCLUSIONES Tal como se había planteado, durante el estudio los entrevistados mencionaron a los diferentes elementos del sistema de emprendimiento que ellos han identificado. A su vez, se ha incluido para cada elemento información ampliada y complementada con investigación en las páginas Web, para así poder tener mayor claridad y detalles acerca de estos elementos para futuras referencias. Desde las perspectiva de los emprendedores de startups se concluye que existe presencia de los diferentes elementos en el ecosistema de emprendimiento tecnológico en Lima: la comunidad de emprendedores, los mentores, las incubadoras, aceleradoras, proveedores de servicios comunes, los inversionistas ángeles, los inversionistas de capital de riesgo, las universidades, las entidades públicas de apoyo y la vinculación con otros ecosistemas. Sin embargo no existe la presencia de todos elementos en los diferentes casos estudiados, los fundadores conocen de su existencia pero aún no se ha dado la vinculación correspondiente con sus empresas. Hay una tendencia en que participen más de estos elementos en las diferentes startups estudiadas en los últimos años. De extender el presente estudio encontraríamos la participación de todos los elementos del ecosistema en otras startups del ecosistema de Lima, debido a que los diferentes fundadores entrevistados mencionan la existencia de la mayoría o todos estos elementos, el estudio se ha centrado en empresas en el sector de las TIC principalmente, por lo que sería importante ampliar la investigación a otros sectores. Como se indicó se debe impulsar y reforzar la vinculación con los inversionistas ángel, los inversionistas de capital de riesgo las universidades y las incubadoras, sin descuidar las vinculaciones avanzadas. Tras haber realizado este estudio exploratorio, para poder profundizar el conocimiento del ecosistema de emprendimiento tecnológico de Lima se podría ampliar el estudio a otros actores que han desempeñado diferentes roles para recoger también su percepción del ecosistema. Por supuesto que sería útil aplicar encuestas a una muestra representativa de a los integrantes de la comunidad de emprendedores una vez definido el universo, así como se podría incluir otras herramientas de economía, sociología u otra rama de las ciencias para analizar el ecosistema, sus determinantes y su impacto.

7. REFERENCIAS

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9th International Masonry Conference 2014 in Guimarães

EXPERIMENTAL BEHAVIOR OF PARAPET MASONRY WALLS BRACED UNDER OUT-OF-PLANE SEISMIC FORCES SAN BARTOLOMÉ, ANGEL1; QUIUN, DANIEL2; SIANCAS, REYMUNDO3 MANRIQUE, ALAN4 ABSTRACT: In Peru, many parapet walls in medium or tall buildings are built without care of their behavior under out-of-plane seismic forces. This paper deals with the experimental out-of-plane seismic tests on four different parapet brick masonry walls, performed at the Structures Laboratory of the Catholic University of Peru, with different bracing conditions. The clay brick wall parapets were constructed of 1.2 m long, 1m high and 120mm thickness over an RC foundation. Two RC square columns (120 mm side) were later added as lateral braces in three of the specimens, using a toothed connection, simulating the retrofit to an existing parapet wall. The variations were in the reinforcement bars and the anchorage into the bottom beam. The four parapet walls were constructed using the same construction materials and workmanship. The experimental results of shaking table tests and static test are discussed, giving warnings to unbraced masonry walls which collapsed under a moderate earthquake. . Keywords: Parapets, out-of-plane, braces, shaking table, tests, overturning.

NOTATION Ai Di wfm wfc

wall top acceleration in the shaking table test; wall top displacement in the shaking table test; surface seismic load for masonry capacity; surface seismic load for concrete column´s capacity

1 INTRODUCTION The country of Peru is located in the seismic area of South America in which the Nazca plate interacts by subduction under the South American plate. Despite this hazard, many buildings feature in their facades unbraced masonry parapets, which could fail by overturning under out-of-plane seismic forces. Such failure is very dangerous for the people in the nearby and also for those who go out of the building during an earthquake [1]. This paper deals with an experimental research analyzing three types of braces to avoid the collapse of such parapet walls. Figure 1 shows a sample of such unbraced masonry parapets in existing buildings and their collapse by overturning during the moderate Nazca 1996 earthquake (M7.5).

Professor, Catholic University of Peru, Department of Engineering, asanbar@pucp.edu.pe Professor, Catholic University of Peru, Department of Engineering, dquiun@pucp.edu.pe 3) Civil Engineer, Catholic University of Peru, Department of Engineering, reymundo.siancas@pucp.pe 4) Civil Engineer, Catholic University of Peru, Department of Engineering, alan.manrique@pucp.pe 2)

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Figure 1. The unbraced parapet walls in facades can collapse by overturning.

2 SPECIMEN CHARACTERISTICS 2.1. Masonry parapet walls Four clay masonry parapet walls were studied (Figure 2), each had 1.2m length, 1.0m height and 0.12m thickness. One remained unbraced while the other three were braced with RC square columns of 0.12 m at both borders. The difference was the position of the vertical bars and the anchorage of the vertical bars into the foundation. In the reinforced parapets the masonry was built first letting a toothed connection with the RC columns constructed later. In case of a wall in a real building, the border bricks should be removed leaving a tooth end to allow the connection with the columns.

Figure 2. The four parapet brick walls under construction. The fired clay brick units featured 18 holes in the bed surface. Due to their high natural absorption, they were treated by watering the bricks for half an hour, about 10 hours prior to the wall construction. The reinforcing bars were of steel grade 60 (yield stress of 420 MPa). The mortar was made of cement-sand in a 1:5 proportion in volume. The concrete for the bracing columns had a nominal compression strength of 20.6 MPa. One parapet remained unbraced for comparison purposes, and it was named W2 (Figure 3). The other three parapet walls were braced with two border columns varying the reinforcement details. In wall W1 each column was reinforced with a single 8 mm diameter bar in the centre of the column, anchored in the foundation with a chemical epoxy into a drilled hole of 10 mm diameter and a depth of 150 mm. Parapet wall W3 columns had two 6 mm (1/4 inch) bars in the central axis of the column around the weakest direction; with 6mm bars bent with 180° hooks, the anchor to the foundation was a chemical epoxy into a drilled hole of 50x100 mm and a depth of 100 mm (Figure 4). Parapet walls 2

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W4 and W3 were similar, except by the anchorage of the vertical bars, which in W4 were anchored into 2 drilled holes 10 mm diameter and a depth of 150 mm (Figure 5).

1 hole 10 mm diameter In foundation

Figure 3. Parapet brick wall W1 reinforcement.

1 hole 50mm x 100 mm In foundation

Figure 4. Parapet brick wall W3 reinforcement.

holes

diameter In foundation

Figure 5. Parapet brick wall W4 reinforcement. 9th International Masonry Conference, GuimarĂŁes 2014

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2.2. Epoxy (Euco #452 gel) The epoxy Euco #452 gel [2] was used to make a chemical anchorage of the reinforcing bars of the columns into the foundation ring beam. This epoxy is an adhesive for hardened elements, insensible to humidity and able to bond either dry or wet surfaces. Previously, compressed air should be applied into the holes drilled in the foundation. The factory specifications were followed in the application of the epoxy into the holes.

3. SEISMIC EVALUATION OF THE PARAPET WALLS 3.1. Code out-of plane seismic load and stresses The Peruvian Masonry Code [3] gives the elastic seismic out-of-plane load as a fraction of the total weight. Given a unit weight of masonry of 1800 kg/m3, the wall thickness of 0.12m gives a surface weight of 216 kg/m2. The seismic coefficient in the Peruvian Seismic Code [2] for the highest seismic region in Peru is 0.4 and the amplification for a parapet that can fell dangerously is 1.3. Therefore, the elastic coefficient becomes 0.8x0.4x1.3 = 0.416. Then, the seismic code out-of plane load is 0.416x216 = 90 kg/m2 = 882 N/m2. For the unbraced parapet wall, the code load produces a total flexural moment like a cantilever of 882x1.2x12/2 = 529.2 N-m. The flexural tension stress calculated at the border of the 120 mm thickness gives: 6x529200/(1200x1202) = 0.184 MPa, which exceeds the Code tension limit of masonry which is 0.147 MPa [3]. It can be concluded that this wall needs braces to prevent cracking due to seismic forces.

3.2. Code evaluation of masonry and columns of braced walls load In the braced walls, after both columns are built, the masonry behaves as a slab supported in three borders (Figure 6 left). It was verified that the masonry free upper border does not crack due to flexure nor do the columns’ base. The flexural moment in the masonry can be found as 91.1 N-m/m, which produces a flexural tension stress in the masonry of 0.04 MPa, less than the tension capacity indicated in the Masonry Code (0.147 MPa). Therefore, the masonry would crack in the free upper border if the equivalent seismic surface load is greater than wfm = 882x0.147/0.04 = 3240 N/m2. The concrete columns receive the masonry loads as given by the envelope rule, and also its own seismic load (figure 6 right).

Figure 6. Seismic load distribution in masonry and loads in the bracing columns 4

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Calculation of the resulting flexural moment at the column base gives 266 N-m. The elastic flexural tension stress results in 0.92 MPa, which is less than the concrete tension flexural stress, about 2.84 MPa. This means that the concrete of the columns base would crack for an equivalent surface load of wfc= 882x2.84/0.92 = 2723 N/m2. As this load is lower than the previous (wfc<wfm), it is concluded that the base of the columns would crack firstly and later the masonry upper free border would crack.

3.3. Capacity of braced masonry walls load After the first cracking of the concrete column base due to flexure, the parapet walls behave as cantilevers in which the flexural resistance capacity is given by the vertical reinforcements. The equivalent load capacity “w” depends on the steel area and its anchorage. It is assumed that the vertical reinforcement yields (stress equal to fy). Using standard concrete beam theory, the reinforced concrete column section can be analyzed to obtain the nominal moment capacity Mn. Then by equilibrium of the acting moment (w L h2/2 ) and the nominal resisting moment (Mn) considering the two columns, the nominal seismic load capacity “w” can be obtained. In table 1 the values of nominal moment Mn and load capacity w for the braced parapets are given. As wall W2 does not have braces, it should collapse. Regarding the three braced parapet walls, very similar load capacities were found. Table 1.

Load capacity for parapets

Parapet Wall

Vertical reinforcement

1 – 8 mm

1137 N-m

3793 N/m2

W3 and W4

2 – 6 mm

1147 N-m

3822 N/m2

4. SEISMIC SIMULATION TESTS All parapet walls were subjected simultaneously to a shaking table test, using a seismic record obtained in the 1970 Peru earthquake. It has 30 seconds duration of with frequency content mainly between 2.5 and 3.5 Hz. The seismic test had 3 steps with increased acceleration, simulating a mild, moderate and severe earthquake. In each wall an accelerometer was installed at the center (Ai) and a displacement transducer LVDT at the middle of the upper border (Di), see Figure 7.

W3 W3

Figure 7. Parapet walls instrumentation and position in the shaking table. 9th International Masonry Conference, Guimarães 2014

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4.1. Calculation Procedure for dynamic test The displacements on the walls were obtained relatively to the shaking table displacement. The seismic out-of-plane force, Fi, was obtained multiplying the parapet weight, Pi, times the recorded acceleration, Ai, in fraction of the gravity acceleration, Fi = Pi Ai. This total force was divided into the parapet wall area (1.2 x 1 m2) to obtain the surface force per unit area. For the unbraced parapet wall W2, the calculated weight is 2540 N, and for the three other parapet walls it is 2710 N, including the bracing columns of reinforced concrete. To determine the instant of failure, the displacement history and video were observed. The time when the displacement strongly increased was taken as failure, the rest of data was considered irrelevant. Parapet wall W2 displacement history is shown in Figure 8, it failed after few seconds in the first step of the seismic simulation test, which corresponds to the mild earthquake, as predicted.

Figure 8. Parapet wall W2 collapsed in step 1 of the test.

4.2. Qualitative behavior Figure 9 (left) shows the unbraced parapet wall W2 failed by overturning during step 1 of the test. During step 2, the braced wall W4 had a flexure crack at its base (Figure 9, right) and fell down during step 3 (Figure 10) due to the anchorage failure of the vertical reinforcement. Walls W1 and W3 remained undamaged after step 3 (severe earthquake).

Figure 9. Collapse of wall W2 in step 1 (left), and base crack in wall W4 in step 2 of the test (right).

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Figure 10. Collapse of wall W4 in step 3 due to failure of the bar anchorage.

4.3. Quantitative behavior Hysteretic curves of surface load w vs. top displacements were obtained for the parapets and are shown in Figure 11 (step 1), Figure 12 (step 2), and Figure 13 (step 3). In step 1 it may be observed that the braced parapet walls W1, W3 and W4 had very similar response, while the unbraced W2 ended with a complete overturning failure. In step 2 (moderate earthquake) walls W1 and W3 had very similar response. On the other hand, wall W4 started to fail at its base with large displacements. The LVDT D4 was then taken out to prevent instrument damage. In step 3 (severe earthquake) walls W1 and W3 had again similar behavior, while wall W4 collapsed.

Figure 11. Step 1 (mild earthquake) hysteretic curves. Observe W2 failure in this step.

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Figure 12. Step 2 (moderate earthquake) hysteretic curves for remaining walls.

Figure 13. Step 3 (severe earthquake) hysteretic curves for walls W1 and W3. In Table 2 the maximum surface load “w” are given for each step and parapet wall. Also, in Figure 14 the envelope curves of maximum surface load are plotted against the base acceleration. It is clear that walls W1 and W3 behaved similarly and almost elastic in the shaking table test, so their load capacity had to be obtained by a monotonic static load test for these walls.

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Table 2.

Step

Surface load w from shaking table test (N/m2) Base acceleration

0.64 g

1480

470

1450

1539

1.05 g

2499

---

2440

1637

1.47 g

3214

---

3361

---

Figure 14. Surface load w (N/m2) for each wall

5 STATIC LOAD TEST FOR WALLS W1 AND W3 The monotonic static load test for walls W1 and W3 consisted in the application of a concentrated load (F) with a jack in the upper border. The force F was recorded with a load cell and the corresponding lateral top displacement (D) was recorded with a LVDT, as displayed in Figure 15.

Figure 15. Static load test for walls W1 and W3. 9th International Masonry Conference, GuimarÃ£es 2014

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Both parapet walls failed by flexure, they collapsed turning respect to their base. In both cases, the vertical reinforcement bars showed a failure of anchorage, as displayed in Figure 16.

Figure 16. Walls W1 (left) and W3 (right) anchorage failure. Figure 16 shows for both walls the load-displacement curve, wall W1 reached a maximum load of 5.06 kN while wall W3 only resisted 2.27 kN. The flexural moment at the base for the static test due to the applied concentrated load F was equalled to the moment caused by an equivalent lateral surface load w, in order to compare the failure surface loads obtained in the shaking table test and the static test. For wall W1 the equivalent seismic load “w” was 8467 N/m2 while for wall W3, it was 3793 N/m2.

W1 W3

Figure 17. Walls W1 and W3 load-displacement curve.

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6 COMPARISON OF MAXIMUM SURFACE LOADS For comparison purposes, it has to be recalled that the elastic design seismic load for the Peruvian Masonry Code was w(Code) = 90 kg/m2 = 882 N/m2. For ultimate load conditions, an amplification factor of 1.25 is used in the Peruvian Seismic Code, leading to a collapse load of 1102 N/m2. Also, the theoretical resistance values obtained previously were obtained assuming that the vertical bar yields, however in the case of very large displacements the strain hardening can increase the steel resistance by a factor of 1.5. Finally, a comparison of the different surface load values is given in Table 3. Table 3. Parapet

Maximum Surface load w (N/m2) W1

Theoretical (yield)

3793

Unreinforced

3822

Theoretical (hardening)

5694

Unreinforced

5733

Shaking Table test

3214

470

3361

1637

8467

---

3793

----

Static test

Several comments can be given regarding the values of Table 3. Firstly, an unbraced wall such as W2 has a very little capacity, less than the required by the Code, so it needs to have braces in order to resist adequately seismic out-of-plane forces. Secondly, even though walls W3 and W4 had the same vertical reinforcement, wall W4 had an anchorage failure in the first place, for a load larger than the Code value. Later, wall W3 also had an anchorage failure for a load 2.3 times larger than the load of wall W4. Finally, wall W1 had the largest resistance of all four walls, even larger than the load corresponding to the strain hardening and more than twice the failure load for wall W3. Such fact is difficult to explain, given that the final failure also was by anchorage.

7 CONCLUSIONS Plain masonry wall parapets have very poor seismic resistance, and usually they need braces to withstand the seismic forces. This research showed that a 1m tall parapet brick masonry wall without braces collapses in a mild earthquake and requires braces. For existing unbraced masonry parapet walls or new ones, the braces of concrete columns with vertical bars chemically anchored with epoxy, are quite simple to build. The columns used in wall W1 with a single bar 8-mm diameter in a single hole was the most simple and also gave the maximum seismic resistance for out-of-plane forces. All the reinforced parapets in this research had a failure due to the anchorage of the bars, with a load larger than the Code value. A research is needed to understand what happened with wall W1, whose resistance exceeded the bar capacity even with strain hardening. Also taller parapet masonry walls could be studied.

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ACKNOWLEDGEMENTS The staff of the Laboratory of Structures at the Catholic University of Peru helped a lot in this research, so the authors are grateful to them. Undergraduate students Karen Loo and Helmo Rodas, collaborated in the first part of this project.

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12th North American Masonry Conference Masonry: Science • Craft • Art Denver, Colorado May 17 – 20, 2015 EXPERIMENTAL SEISMIC BEHAVIOR OF A REINFORCED MASONRY WALL OF STACKED UNITS WITHOUT MORTAR IN THE JOINTS Daniel Quiun1 , Omar Chávez2 and Francisco Seminario3

Abstract The possibility of using mortarless reinforced masonry walls made of concrete units in seismic regions of Peru is examined through an experimental project. The absence of mortar in the joints of the wall made of stacked units could reduce the seismic capacity; however, such wall is built in less time than traditional walls. A comparison is done between two reinforced walls, subjected to in plane cyclic lateral load tests. One wall was built in the traditional way, while the second wall was built of stacked units without using mortar in the joints. Control tests were also performed on the concrete block units and on masonry prisms. All the construction and tests were done in the Catholic University of Peru. The comparison also took into account the construction process, the construction time, as well as the cost of the walls, in order to evaluate if the mortarless wall is economically and structurally worth. The results indicate a similar behavior between the two types of masonry (traditional and stacked units without mortar); only the cracks developed under very high loads were different. Therefore, the mortarless masonry walls with stacked units could be acceptable for seismic purposes. Keywords: Stacked units, mortarless, block units, cyclic load, experimental, construction

Introduction The reinforced masonry walls made of stacked units without mortar in the joints can be built very quickly. A previous work has been reported on the possibility of using this kind of masonry in Peru [Casabonne 2007]. However, the absence of mortar in the joints could

Professor, Department of Engineering, Pontificia Universidad Catolica del Peru, Av Universitaria 1801, Lima 32, PERU, dquiun@pucp.edu.pe 2 Civil Engineer, ochavezl@pucp.pe 3 Civil Engineer, fseminario90@gmail.com

produce a lower seismic lateral load capacity of the mortarless wall. Most design Codes, including the Peruvian Masonry Code [Sencico 2006], do not include such kind of masonry. For the purpose of this research, two masonry walls were built and tested under cyclic lateral loads. The same materials, hand labor, dimensions and reinforcement were used in the construction. Wall W1 was mortarless, with only a thin cement paste to fill up the small irregularities in the bed surface of the blocks; wall W2 used common mortar between masonry blocks. In this way, only the effect of the mortar between the units in the seismic behavior is compared. Also, complementary tests were performed on the block units, masonry prisms and wallets.

Masonry Concrete Blocks The producer of the concrete blocks gives the block property values of Table 1. A set of tests were done on a sample of 5 units for verification. According to the Peruvian Masonry Code [Sencico 2006], these blocks are suitable for bearing walls. In Figure 1 the block dimensions and their placement within a wall is displayed.

Table 1.- Masonry block properties Property

Producer Value

Dimensions Void percentage on bed area Mass Dimensional Variation Compressive strength

140x190x390 mm 46.5% 12.3 kg less than 2.0 mm 7.0 MPa

Tested value ---------Less than 2% 7.35 MPa

Peruvian Masonry Code ---------Less than 2% 4.9 MPa minimum .

Figure 1. Concrete Masonry block dimensions and placement.

Masonry Prisms and Wallets The masonry properties were obtained from the tests on 3 prisms and 3 wallets, for each kind of joint used. For the mortarless masonry, a very thin cement paste was used for placement, while the conventional masonry had 10 mm mortar joints. The prisms had 3 layers and a height of 600 mm, while the wallets were square with 800 mm side (Figure 2). The block voids were filled with grout and after 28 days, the prisms were tested under axial compression and the wallets were tested under diagonal compression.

Figure 2. Masonry prisms and wallets construction The characteristic strength was obtained by the average less one standard deviation. Regarding the axial compression test results, the mortarless masonry gave f’m=8.6 MPa, and the traditional masonry gave f’m=9.0 MPa. Regarding the diagonal compression test results, the mortarless masonry gave v’m=0.4 MPa, while the traditional masonry gave v’m=0.8 MPa. It must be mentioned that the mortarless masonry wallets had a stepwise failure and a relatively low shear resistance. The Peruvian Masonry Code specifies that usual values of axial compression strength and shear strength are f’m (Code) = 9.3 MPa, and v’m (Code) = 0.95 MPa. The experimental results attained in this research are quite similar for axial compression f’m than the Code values, but for the shear strength v´m, the mortarless masonry result (0.4 MPa) is quite lower than the Code recommendation of 0.95 MPa.

Masonry Walls Construction The masonry walls were designed and constructed according to the Peruvian Masonry Code provisions, so that they had a flexure failure, avoiding the shear failure and sliding failure. Steel dowels were therefore added into the beam foundations to prevent sliding failure [San Bartolome et.al. 2009]. The rest of the reinforcement was the same for both walls, as shown in Figure 3. The thickness of the walls was set to 140 mm, the mortarless wall W1 was 2.32m tall and 2.34m long; and the traditional wall W2 was 2.4m tall and 2.4 m long.

Figure 3. Masonry traditional wall W2 dimensions and reinforcement

The collar beam had 140x200 mm cross section, with 4-95mm diameter longitudinal bars, with 6mm stirrups, 1@50, 4 @100, and rest 200 mm. The nominal concrete strength was specified as fâ&#x20AC;&#x2122;c=17.15 MPa (2.5 ksi). Other construction features that were followed include the following, as shown in Figure 4. The blocks were used in their dried condition; for the blocks that would have the horizontal bars, their lateral borders were opened with a cutting machine. The placement of the mortarless blocks was done with a thin cement paste as a ribbon, only to cover the block irregularities in the bed face. For the traditional wall, cleaning window openings were opened for the blocks of the first layer, to take away the mortar debris. The blocks were placed in two days so that the mortar joints could achieve resistance. Both walls were wetted with a hose the day after their finishing. After the walls reached 28 days old, they were moved from the construction yard to the test area as shown in Figure 5 (left).

Figure 4. Masonry blocks placement and curing of the walls.

Cyclic Lateral Load Tests A set of seven displacement transducers LVDTâ&#x20AC;&#x2122;s were used to record different displacements within the walls (Figure 5, right). These included the following: D1, is the topmost lateral displacement; D2 is the relative lateral displacement between the foundation beam and the wall; D3 and D4 are the vertical displacement at the bottom borders; D5 and D6 are the central diagonal displacements and D7 is the mid center horizontal displacement. The test was conducted in steps, increasing the topmost displacement, D1. Each step had three cycles of loading and unloading, as shown in Table 2.

Figure 5. Masonry wall moved to the testing area and instruments used.

Table 2.- Cyclic lateral load steps Step D1 (mm)

0.5

1.5

2.5

7.5

12.5

17.5

The wallâ&#x20AC;&#x2122;s structural behavior is described as follows. In step 1, wall W1 did not have cracks, while for Wall W2, horizontal flexural cracks started to appear. In Steps 2 and 3, cracks started at the base of wall W1 and some other cracks in a stepwise pattern along the joints from the wall base to mid height; wall W2 also had stepwise cracks and the horizontal cracks at the wall base joined but no sliding occurred. In step 4, wider cracks in wall W1 and wall W2 go through a few blocks and the joints, which could mean the shear failure. In steps 5, 6 and 7, the diagonal cracks cut the blocks and joints in both walls and the horizontal base cracks has a width of 2mm, but still without sliding. In step 8, wall W1 was cracked in all of its height with some sliding; wall W2 had a similar behavior without sliding. In step 9 the sliding failure could be seen in both walls, as well as the crushing of one border of wall W2. In step 10, both walls had a sliding failure but the load remained without significant reduction from the maximum. Step 11 for wall W1 featured a large crack at one border with block crushing; wall W2 had a sliding failure with crushing of the borders.

Cyclic Lateral Load Tests Results The load-displacement hysteretic loops for both walls are shown in Figure 6, in which the topmost displacement D1 was plotted against the lateral load. It may be observed how both walls look to have similar structural behavior.

Figure 6. Mortarless wall W1 and traditional wall W2 load-displacement relations

The experimental initial stiffness K of each wall was calculated using the lateral loaddisplacement relation. Figure 7 shows plots of both walls data, using the load and top displacement D1, in the first cycle of step 1 of the tests. The linear relation was established between the displacements of 0.05 and 0.25 mm for which the corresponding loads and lateral stiffness is presented in Table 3. It may be observed that both walls have a similar initial lateral stiffness, in which the traditional wall W2 value is 13.5% larger than the mortarless wall W1.

Figure 7. Initial stiffness calculation for mortarless wall W1 and traditional wall W2. Table 3. Experimental lateral stiffness K Wall W1 W2

D (mm) 0.05 0.25 0.05 0.25

F (kN) 10.84 28.47 9.26 29.645

K (kN/m) 88150 101920

The first cracks due to tension by flexure caused by the applied lateral load, occur at the wall borders. These cracks were obtained analyzing the plots of the load displacement relation for each wall. For the mortarless wall W1, the tension crack appeared in the first cycle of step 2, for a lateral load of 61.7 kN. For the traditional wall W2, even though some thin cracks appeared in the first cycle of step 1, the cracks were better defined in step 2, for a lateral load of 58.8 kN. When the following load steps are applied, diagonal cracks appeared in the walls, due to shear failure. There is a slight decay in resistance, because after the cracks occur, the horizontal reinforcement in the walls start to deform and they take part of the load. The instruments LVDT D5 and D6 were useful to determine the moment when these diagonal cracks develop, and therefore find the corresponding loads. In both walls, these diagonal shear cracks started in the first cycle of step 4 and became visible at eyesight during step 5. The diagonal cracking load was found to be 112.7 kN for wall W1 and 137.2 kN for wall W2. Afterwards, these cracks increased in width and length as the load-displacements steps were increased, as it is displayed in Figure 8.

Figure 8. Load-displacement LVDT D5 for mortarless wall W1 and traditional wall W2. Both walls were tested up to a lateral displacement of 25 mm, equivalent to a lateral drift of 0.01. To compare the overall structural behavior, an envelope of the lateral load vs. displacement was prepared using the maximum values reached at each step in the third cycle, in which the performance become stable (Figure 9).

Figure 9. Lateral load-displacement envelope The Peruvian Seismic Code [Sencico 2003] establishes a maximum drift of 1/200=0.005 for buildings made of masonry walls. In the present research, this limit drift corresponds to a

lateral displacement of 12.5 mm (step 7 of the test). It could be obtained that the maximum load was reached for a lateral displacement of 12.5 mm or 15 mm, which correspond to drifts slightly larger than 0.005. The maximum loads reached were 157 kN for wall W1 and 186 kN for wall W2, a difference of 18%. However, this difference is relatively small, and we feel that the mortarless wall with stacked units is viable for seismic purposes, given that the differences occurred for a drift larger than the maximum allowed by the Code. On the other hand, the faster speed for construction could be an important issue to be considered in accepting this kind of masonry walls.

Economic comparison between walls The economic comparison that follows takes into account the differences between both kinds of wall construction. This means that the construction steps that are different are emphasized, like the placing of the blocks and grout filling for each wall. On the other hand, the placement of steel bars for reinforcement was the same for both walls and need not be considered in the economic comparison. We recall that the mortarless masonry wall uses a thin cement paste in each joint, and that the blocks used in wall W1 were not the proper blocks for stacked masonry. Therefore, a third case was added, assuming that the proper blocks were used (with a better finishing detail, a bit more expensive), and that no cement paste need to be used in the joints between block units. The costs were obtained in Peruvian currency and the current exchange rate was used to obtain US dollars, see Table 4 in US dollars per m2 of masonry wall. Table 4. Economic comparison, US$ per m2 Description Traditional reinforced masonry Mortarless reinforced masonry Used in Wall W1 in this paper Reinforced masonry using special blocks

Placing Cost

Grout Cost

Total Cost

24.37

12.64

37.01

18.81

12.64

31.46

10.57

10.93

21.50

In Table 4 it can be observed that the mortarless masonry is cheaper than the traditional masonry, even with the use of the cement paste between the joints. The voids of the blocks in the bed area make that part of the mortar fells and get loss; this amount has been estimated in 5%, but can even be larger depending on the construction site conditions and the skill of the mason worker. Traditional reinforced masonry requires a form for block placement and an architectural way to cover the area of cleaning windows of the first layer. This is a reason that increases the cost of traditional masonry respect to mortarless masonry with stacked units.

Conclusions The concrete blocks used in this research satisfied the Peruvian Masonry Code requirements for bearing walls. In the case of the mortarless masonry, it would be helpful if the units had some type of tooth for a better connection between the blocks during the stacking process. The masonry prisms results for axial compression were similar to the values indicated in the Code. Regarding the diagonal compression, the shear resistance was quite low in the mortarless masonry due to a low bond between the units. The cyclic lateral load tests showed a series of cracks along the joints in the mortarless masonry wall (stepwise failure), and a rather mixed failure in the traditional masonry wall. In a quantitative way, the maximum load for the mortarless wall was only 18% less than the traditional wall. At the end of the test, some sliding was observed, with crushing of the wall borders without the buckling of the reinforcing vertical bars, but this effect happened after surpassing the limiting drift of the Seismic Code. It can be concluded that the mortarless masonry wall with stacked units fulfilled the purpose of this research in terms of structural behavior. The system could be used with a lowered wall resistance, but it is has the advantage of the easiness of construction and the lower cost as compared to the traditional masonry wall.

Acknowledgements This research was conducted mainly by professor Angel San Bartolomé, who passed away in February 2014. This paper is dedicated to his hard work and research in the field of masonry [San Bartolomé 2013]. The construction and the tests explained in this paper were done in the Structures Laboratory of the Pontificia Universidad Catolica del Peru (PUCP). They provided technical staff and equipment, so the authors are grateful to them.

References Casabonne 2007: “Ductile Reinforced Masonry Walls Built With Mortarless Blocks,” Proceedings of the 10th North American Masonry Conference. St. Louis, Missouri, 2007. San Bartolomé 2009: San Bartolomé A., W. Silva, E. Melendez, G. Castro, D. Quiun Experimental study to avoid the sliding failure in Reinforced masonry walls under lateral loads,” Proceedings of the 11th Canadian Masonry Symposium. Toronto, Ontario, 2009. San Bartolomé 2013: San Bartolomé A. blog.pucp.edu.pe/albanileria (in Spanish). Sencico 2006: “Norma E.070 Albañilería” (Peruvian Masonry Code, in Spanish) Lima, Perú, 2006. Sencico 2003: “Norma E.030 Diseño Sismorresistente” (Peruvian Seismic Code, in Spanish) Lima, Perú, 2003.

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Applied Energy journal homepage: www.elsevier.com/locate/apenergy

Is climate change-centrism an optimal policy making strategy to set national electricity mixes? Ian VĂĄzquez-Rowe a,b, Janet L. Reyna c, Samy GarcĂa-Torres a, Ramzy Kahhat a,â&#x2021;&#x2018; a

Peruvian LCA Network, Department of Engineering, Pontificia Universidad CatĂłlica del PerĂş, 1801 Avenida Universitaria, San Miguel, Lima 32, Peru Department of Chemical Engineering, University of Santiago de Compsostela, RĂşa Lope GĂłmez de Marzoa s/n, 15782 Santiago de Compostela, Spain c School of Sustainable Engineering and the Built Environment, Civil, Environmental and Sustainable Engineering, College Avenue Commons, Arizona State University, Tempe, AZ, USA b

h i g h l i g h t s The impact of climate-centric policies on other environmental impacts is uncertain. Analysis of changing electricity grids of Peru and Spain in the period 1989â&#x20AC;&#x201C;2013. Life Cycle Assessment was the selected sustainability method to conduct the study. Policies targeting GHG reductions also reduce air pollution and toxicity. Resource usage, especially water, does not show the same trends as GHG emissions.

a r t i c l e

i n f o

Article history: Received 22 April 2015 Received in revised form 12 August 2015 Accepted 27 August 2015

Keywords: Electricity production GHG emissions Life Cycle Assessment Peru Spain

a b s t r a c t In order to combat the threat of climate change, countries have begun to implement policies which restrict GHG emissions in the electricity sector. However, the development of national electricity mixes should also be sensitive to resource availability, geo-political forces, human health impacts, and social equity concerns. Policy focused on GHG goals could potentially lead to adverse consequences in other areas. To explore the impact of â&#x20AC;&#x2DC;â&#x20AC;&#x2DC;climate-centricâ&#x20AC;? policy making on long-term electricity mix changes, we develop two cases for Peru and Spain analyzing their changing electricity grids in the period 1989â&#x20AC;&#x201C;2013. We perform a Life Cycle Assessment of annual electricity production to catalogue the improvements in GHG emissions relative to other environmental impacts. We conclude that policies targeting GHG reductions might have the co-benefit of also reducing air pollution and toxicity at the expense of other important environmental performance indicators such as water depletion. Moreover, as of 2013, both countries generate approximately equal GHG emissions per kWh, and relatively low emission rates of other pollutants compared to nations of similar development levels. Although climate-centric policy can lead to some positive environmental outcomes in certain areas, energy policy-making should be holistic and include other aspects of sustainability and vulnerability. Ă&#x201C; 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

1. Introduction Climate change constitutes a major threat to the stability and existence of both anthropogenic and ecological systems, and necessarily, countries have shaped a wide range of policies focused on reducing greenhouse gas (GHG) emissions [1,2]. Beyond GHG emissions, however, there are many other significant goals that should not be ignored in energy decision-making. Foremost of these is human health and safety concerns, such as exposure to pollutants during energy production [3]. Other important concerns â&#x2021;&#x2018; Corresponding author. E-mail address: ramzy.kahhat@pucp.pe (R. Kahhat). http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.08.121 0306-2619/Ă&#x201C; 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

include environmental degradation, negative social impacts, energy security, and economic stability. Laurent and colleagues discuss the limitations of carbon footprint as an indicator for decision-making since decreasing GHG emissions could lead to negative consequences in other important areas such as impacts related to toxic emissions [4]. On the other hand, reductions in GHG emissions have been shown to have environmental co-benefits [5,6], such as reducing ocean acidification [7], and may even increase energy security [8]. A central question to be explored in this article is whether these â&#x20AC;&#x2DC;â&#x20AC;&#x2DC;climate-centricâ&#x20AC;? policy decisions in the energy sector lead to adverse outcomes in other realms, or whether there are substantial co-benefits.

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GHG emissions are closely linked to the production and use of energy, and changing primary sources of energy will be critical to the decarbonization of modern economies [9]. Energy consumption worldwide is a leading driver of climate change through heavy reliance on fossil fuels. The energy sector contributed over 31 million tonnes of CO2 in 2011 alone, with 18% of total world energy being used to produce electricity [10]. Therefore, electricity decarbonization has been cited as being a major key to stabilizing GHG emissions [11,12]. As part of this, most countries will need extensive modifications to their existing electricity mixes. Multiple studies have explored decarbonization of the electricity sector as a potential path toward climate change mitigation with varying conclusions on the feasibility and cost. Studies in California and Germany show that electricity decarbonization will have to occur if policy goals of 80% reduction below 1990 GHG emission levels are to be met [10,13,14]. From an energy return on investment (EROI) standpoint, renewable energy sources fall much lower than traditional petroleum-based sources. For example, corn ethanol hovers around an EROI of 1:1 or potentially even negative (indicating energy loss from using this source) [15]. EROI is a fundamental metric for evaluating the feasibility of renewable energy sources, as sources with lower EROI consume a higher percentage of energy in the production phase. Investing in these sources could mean potentially increasing GHG emissions or other negative environmental impacts above alternate source scenarios, especially given that energy policy decisions have far-reaching and long-term impacts. A minimum EROI of 3:1 for sustainable development has even been suggested [16]. Some policies have already began to subsidize renewable technologies, such as wind and solar power, which show higher mean EROI values than other renewable sources of energy [15,17]. Nevertheless, countries such as New Zealand, which plan to expand their electricity system by 100% in 2050 using renewables exclusively, plan a reduction in EROI of nearly 45% [18]. National electricity mixes obtain unique characteristics in response to resource availability, geo-political conditions, and long-term resiliency of the supply within each country-context. The specific definition of energy security has many interpretations [19], but generally it can be thought of as retaining or quickly restoring essential system functionality during perturbations such as disruptions in primary energy supply. As part of this, previous studies have stressed the importance of system diversity, both in origin and type of supply [12,20,21]. Japan presents an interesting case study of energy system resiliency, given its extreme scarcity of natural resources and dependence on foreign imports [22]. This has led to a high reliance on nuclear power as well as government incentives to invest in solar power [23]. Across the world, concerns have been raised about the long-term availability of petroleum supply [24], and there is speculation as to whether oil production has ‘‘peaked” [25]. These supply concerns have also led countries to diversify electricity production beyond conventional fossil fuel sources. Much of the world’s oil supply comes from regions that are politically unstable, creating vulnerability for countries that use petroleum from these areas as the majority of their supply. Diversifying countries of origin is one strategy for mitigating the impact of prospective political disruptions to oil supply. Becoming self-sufficient in energy production is an alternate route toward energy stability [26]. The primary goal of this study is to analyze the evolution of national electricity mixes in response to resource availability, renewable energy goals, and other political considerations, with the secondary goal of cataloguing improvements (or digressions) in GHG emissions compared to other environmental impacts, such as human respiratory impacts, typically ignored in policy-making. We do this via two case studies with differing levels of resource abundance, commitment to renewable energy, as well as unique

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energy resiliency strategies. We study the changes in electricity mixes of Spain and Peru between 1989 and 2013 in order to quantify mix sensitivity to policy and market pressures as well as to look at the environmental consequences of mix changes from a life-cycle perspective. While previous studies have included time-series environmental analyses of electricity production, most lack a holistic perspective by focusing on a limited number of environmental dimensions. A series of studies by Greening et al. in the late 1990s analyzed long-term electricity mix trends with a focus on the carbon-intensity of the manufacturing sector [27]. Additionally, Steenhof & Fulton [28] investigate the drivers of electricity mix change in the provinces of the People’s Republic of China, lining up changes with political and economic conditions, with a focus on developing future scenarios. There are multiple reasons that our chosen case studies provide a unique prospective to climate policy and electricity mix change. Peru and Spain, in many ways are stark contrasts, providing diverse examples of system complexity, timing of economic development, resource availability, energy independence, and Kyoto compliance stipulations. The two countries also have distinct energy development goals and policies which reflect their unique circumstances. Altogether, this allows us to cover an important knowledge gap when it comes to understanding the evolution of electricity production in these two countries from an environmental perspective, as well as draw extrapolate recommendations for a wide-range of countries under varying conditions. 2. Materials and methods 2.1. Methodology and scope A life cycle perspective was selected in this study to monitor the inter-annual change in the environmental profile of the electricity sector at a national level. Therefore, Life Cycle Assessment (LCA), an internationally standardized environmental assessment methodology was selected to study the changes in the environmental performance of the electricity grids in Peru and Spain [29,30]. The functional unit (FU), which is the mathematical quantification of the service delivered by the production system [29], was fixed as 1 kWh produced in one year of operation based on the electricity mix of the specific year under analysis. The system boundaries for both case studies include the production and delivery of high voltage electricity to the grid, including the extraction of fuels and raw materials, the processing and transportation of these fuels/materials, the operation of power plants and wind/solar farms, the construction/decommissioning of power plants and supporting infrastructure, and waste disposal. In addition, it is important to recognize that the energy production technologies and fuels varied considerably in the analyzed period, so some technologies have been newly implemented through time while others have been phased out. 2.2. Selection of case studies Peru and Spain were selected as case studies based on criteria which make them sufficiently distinct for a comparative environmental and policy assessment. First, Peru and Spain have had similar economic growth patterns, but occurring nearly two decades apart (see Fig. S1 in the Supplementary Material – SM). For instance, Spain’s economic expansion and corresponding demand for electricity occurred in two stages, first during the 1980s when it entered the European Union, and second in the period 1996– 2008, ending with the World Financial Crisis (WFC) which plunged Spain into a deep recession that is still on-going. Peru experienced a similar economic expansion at the turn of the millennia, and the

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hydroelectric power system was insufficient to meet the growing electricity demand. Secondly, while Spain depends on foreign countries for over 70% of its energy supply, Peru has an energy grid with a low dependence on external energy sources [31,32]. Although Spain has mitigated its divestment in fossil fuel electricity production through strong investments in the renewable energy sector, its performance in other energy-intensive sectors, such as transport, still depends heavily on petroleum-sources. Finally, Spain, as a developed country, has been obliged to comply with the Kyoto Protocol since the mid-1990s, whereas Peru, an emerging nation, still has a flexible roadmap in terms of GHG emissions mitigation [31].

ecosystems (Ec) and resources (Re). Both midpoint and endpoint impact categories were used and the hierachist perspective was used for both [40]. The selection of the hierarchist method was used to provide weighted single score environmental values for each year of assessment, thereby identifying their overall environmental profile. Moreover, this perspective considers the main policy approaches linked to time horizons (e.g. 100-year horizon for climate change – CC), which appears to be suitable for the purpose of the current study. Therefore, it is based on consensus, and is foreseen in many environmental standards, such as ISO 14040. A list of all impact categories included in the assessment can be viewed in Table S3 of the SM.

2.3. Data collection

2.6. Assumptions and limitations

Primary data regarding the composition of the electricity mix in Spain were obtained from the annual report published by the Ministry of Industry1 and Red Eléctrica Española (Fig. 1) [33,34]. In the case of Peru, the data were retrieved from the Ministry of Energy and Mining and from the US Energy Information Administration [35,36]. In both cases, the electricity mix was analyzed between 1989 and 2013. This time period was selected based on the fact that it was the longest timeframe for which the two nations had a comparable high level of data quality and availability. In addition, for the case of Peru, the production of electricity in thermal plants did not specify the source fuel in the national statistics (see Fig. 1). Hence, the proportion of electricity production from natural gas, coal and diesel was estimated based on the installed power across the country. Regardless, natural gas is by far the main driver of thermal electricity in the entire nation. Finally, it should be noted that the energy mix for France and Portugal were also modelled due to the importexport exchanges between Spain and these neighboring countries [34].

The individual electricity mixes per nation for each year of the assessment were obtained from governmental agencies. However, it was not possible to obtain this level of resolution for the changes in electricity-production technology throughout the period analyzed. Therefore, technological improvement and improvements in efficiency were not accounted for in this study, a limitation that is further deliberated in the discussion section. In fact, all the electricity production technology is referred to those provided by the ecoinventÒ datasets, and is thus more reflective of current production technologies. This limitation is expected to be the main source of uncertainty in the study and may affect different energy sources in a heterogeneous manner. For instance, this issue could affect results for photovoltaics, a sector that has seen an important technological race in the past few years. Beyond the limitations linked to not accounting for technological improvements in the analyzed period, we are aware of numerous additional sources of random and epistemic uncertainties that may skew to some extent the accurateness of the results presented in this study. For instance, the uncertainties underlying the LCA assessment method (i.e., ReCiPe), as well as those linked to the quality and depth of the inventory should all be considered. However, given the policy-making orientation of this study, we focus in this dissertation on offering alternative scenarios for decarbonizing the electricity sector in these two nations based on the current and future energy potentials observed as a way to push forward policy formulation. Nevertheless, we do acknowledge that delving further into the uncertainties of the gathered data would constitute valuable future research as a stimulus to improve the sustainability of the electricity sector and promote continuous evaluation and improvement of the methods proposed.

2.4. Life cycle Inventory The overall electricity production for both nations is depicted in Fig. 2 for the period analyzed. In addition, the main energy and material inputs in terms of variable energy sources are shown in Table S1 in the SM, referred to the selected FU. Moreover, Table S2 in the SM refers to the specific unit processes used from the ecoinventÒ database to model the different energy sources. Medium voltage electricity used in the electric system was modelled as proposed by Dones and colleagues by adding the following processes: transformation from high voltage, direct SF6 emissions to air and electricity losses due to transportation [37]. Background data were used mainly from ecoinvent 3.01 [38].

3. Results 2.5. Life cycle impact assessment 3.1. Comparative electricity mix changes This research intentionally includes multiple environmental indicators beyond climate change in order to offer an integrated perspective on the changing environmental impacts of electricity mixes, and thus utilized ReCiPe, an assessment method which supported this goal. ReCiPe was the chosen assessment method based on the Joint Research Centre of the European Commission (JRC) criteria to assess best practices in individual impact categories in terms of characterization modelling [39]. While its overall scoring was not significantly higher than other assessment methods, it presented a solid rating throughout impact categories, as well as a comprehensive inclusion of major environmental dimensions through the use of three damage categories: human health (HH), 1 It should be noted that the Ministry of Industry in Spain has changed name several times since the beginning of the time period assessed in this study. Its current name translates to ‘‘Ministry of Industry, Energy and Tourism”.

Electricity production for Spain has gained complexity throughout the timeframe analyzed, responding to the demands of an expanding economy through most of the period. In the 1980s Spain met marginal energy demand through the construction of nuclear power stations, to complement an essentially coal-based sector; the 1990s were characterized by stronger European Union (EU) limitations on the use of lignite and hard coal, prompting a rapid increase in the use of natural gas. This strategy was structured based on the necessity of providing a quick response to increases in electricity demand, while maintaining energy security despite external dependence [41]. Consequently, throughout the period 1996–2006, Spain consistently decreased the use of coal, maintained production in the nuclear sector, and increased thermal power through natural gas as the main carrier. However, EU and national policy-making on renewable

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320000

7000

GWh

5000 4000

160000 3000

kWh per capita

6000 240000

2000

80000

1000 0

Peru

Spain

Peru (per capita use)

Spain (per capita use)

Fig. 1. Annual electricity production per country and per capita use (1989–2013).

Spain 50%

40%

30%

20%

10%

Coal

Oil and Natural Gas

Hydropower

Photovoltaic

Wind power

Other

Nuclear

Peru 100% 80% 60% 40% 20% 0%

Fig. 2. Relative contribution of different energy sources to annual electricity production in Spain and Peru (1989–2013).

energy, energy independence and GHG emissions mitigation, in combination with the vast availability of land in Spain, fostered a large-scale expansion of certain renewable energies, namely wind power and, to a lesser extent, photovoltaics, in the past decade [42]. Peru in the late 1980s was a nation with low household income and electricity use per capita nearly 10 times lower than in Spain, although climatic differences via increased heating/cooling loads partially account for the gap [35]. Internal violence and economic fragility in the region contributed to a period of stunted economic growth until the late 1990s. During this time, electricity demand was mostly met through the extensive hydropower system that

had been developed throughout the 20th century [43]. In 2001, Peru entered a period of strong economic growth, resembling, in certain aspects, the economic growth of Spain in the 1980s and 1990s, with an expanding domestic market, growing population and a boom in the construction sector. These circumstances, which are still applicable as of today, have led to an electricity grid that is currently supplying 300% of the levels in 1990 and 200% of those in 2000. Interestingly, the same energy carrier, i.e., natural gas, has been the energy source used in the Peruvian context to supply increasing energy demand, to the point that by 2013 natural gas was supplying 47% of the total electricity consumed in the nation [44].

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3.2. Environmental profile of the Spanish electricity sector (1989– 2013) Despite the substantial shift in the portfolio of the electricity mix during the 1990s, the environmental impacts linked to the production of 1 kWh remained fairly constant until 2005 (Fig. 3), with main variations attributable to changes in contribution from the different energy sources. The reductions in environmental impacts linked to a lower reliance on coal were off-set by an increase in production from natural gas. However, starting in 2006 a steady and intense reduction in most environmental impacts began which can be linked to multiple factors. First, the increase in wind power to comprise close to 20% of total electricity production (from 0% in 1996) has contributed to a substantial reduction in GHG emissions, water use and all the impacts linked to air pollution, such as photochemical oxidant formation (POF) and particulate matter formation (PMF). Secondly, a series of policies at a European and national level have restricted the type and quality of coal that can be used in power plants, especially in terms of sulfur content, which has significantly reduced emissions linked to POF and PMF. The steady growth of other renewable sources, mainly photovoltaics, has created a solid network of decarbonized energy sources that also contribute modestly to a lower aggregate environmental impact. Finally, it should be noted that the World Financial Crisis (WFC), which hit Spain considerably in the period 2008–2014, also allowed shifts in energy production sources to be more noticeable thanks to dwindling electricity demand [33,34]. The combination of these factors lead to a reduction of the environmental profile from 53.4 mPt in 2005 to 33.9 mPt in 2013 (a 37% decrease), which is most noticeable in impact categories such as terrestrial acidification ( 43%) or PMF ( 42%), while climate change ( 39%) figures in a mid-range. Conversely, as discussed in more detail in the discussion, the use of resources, especially water (+66%) and metals (+59%), does not display this decreasing trend (see Fig. 4). From a global environmental perspective, the combination of stagnant electricity demand, as well as the higher presence of renewables in the grid, has managed to actually reduce the overall environmental impacts of electricity generation. For instance, in 2013, 55.2 millions t of CO2 eq. were avoided with respect to 2007, despite the fact that overall electricity consumption was approximately 275.000 GWh in both years. While the scope of this study was limited up to 2013, the evolution of the electricity grid in 2014 suggests that avoided emissions would be even higher in the latter period [34]. 3.3. Environmental profile of the Peruvian electricity sector (1989– 2013) Peruvian electricity production in the 1990s was characterized by an extremely low normalized environmental impact per kWh produced. For example, in years of heavy rainfall, such as 1994 or 2001, in which hydropower accounted for over 85% of the total electricity produced, the single score endpoint impacts were 13.2 and 15.8 mPt per 1 kWh produced, respectively. However, around the turn of the millennia, in line with strong economic growth, the environmental profile of the electricity mix started to increase rapidly until a value of 39.7 mPt was reached in 2013, mainly due to a higher use of fossil fuels (i.e., natural gas), which have higher impacts in terms of resource use (except water) and emissions in terms of climate change (CC), POF or PMF. For instance, GHG emissions per kWh were up to 331 g CO2 eq. by 2013 compared to 183 g CO2 eq. in 1989, whereas the water depletion (WD) impact category decreased from 0.023 m3 in 1989 to 0.016 m3 in 2013. When evaluating the total impacts of the electricity production sector in Peru, the shifts in the environmental profile imply that

GHG emissions suffered a fivefold increase in the period analyzed, which translates into 11.9 million t of additional CO2 eq. emissions per year. Most of the remaining impact categories, except for WD, also experience an increasing trend during the time period analyzed. However, only the depletion of fossil fuels has an increase comparable to that of CC.

4. Discussion This comparative study presents two distinct approaches taken by nations with different overall political, economic and energy characteristics. Peru, an emerging economy with an abundant hydropower potential and domestic natural gas reserves, virtually unexploited new-generation renewable resources (i.e., solar and wind power), and no binding international commitments on GHG emissions mitigation, has elected to use fossil fuels to support growing domestic demand of electricity. Overall, this current scenario results in increasing environmental consequences in a wide range of impact categories, although still somewhat mitigated by the carbon-free hydropower sector. On the other hand, Spain, a developed country with compulsory GHG emission commitments in international treaties, and with primary energy deficit and insecurity, has lowered its overall electricity environmental profile in the past decade through the diversification of its energy matrix and primary energy importations. The advancement of Spain toward a more environmentally sustainable electricity mix has been achieved through numerous policies in the late-1980s and mid-1990s. These policies expanded the sources, reduced energy insecurity and, ultimately, complied with current Kyoto and EU GHG emission thresholds [45]. Nevertheless, these substantial changes in the way Spain meets electricity demand have taken several decades to materialize and have been accompanied by higher electricity tariffs and customer prices [33]. Despite the strong improvement in the environmental profile of electricity generation in Spain, there are still important questions on future production scenarios. A potential period of renewed economic expansion as well as recent policies limiting the subsidies that should be injected into the renewable energy sector are just some of the variables that create uncertainty in the future improvement of the environmental performance of Spanish electricity production [42]. In contrast to the long-term Spanish energy plan, Peruvian energy governance has been highly dependent on changing political views and interests, rather than on a long term national strategy [46]. This is visible in Fig. 5, where a comparison between the two countries is provided based on the sustainability of the marginal increase in electricity production/demand. While Spain has managed to reduce the carbon emissions of additional electricity production into the grid in the past decade, Peru has met increased demand through the proliferation of fossil fuels. In addition, Peruvian public policies have tended to emphasize, in a disjointed manner aspects related to energy equity, security, and profitability rather than environmental performance. Nevertheless, in 2010 the Peruvian government voluntarily signed onto the Copenhagen Accord in order to commit to take action in three specific issues of Annex B of the Kyoto Protocol: zero deforestation by 2021, one third of total energy arriving from renewable sources in 2020 and to lower GHG emissions from solid waste [47]. While only one of these commitments is directly related to the energy sector, this portfolio coincides with national legislation that intends to set the general structure to ‘‘satisfy the national [energy] demand in a trustful, regular, continuous and efficient manner, promoting sustainable development” [48]. However, bearing in mind that renewable energy currently represents approximately 25–28% of the energy matrix, reaching one third of total energy

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Endpoint Score (mpt)

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Fig. 3. ReCiPe endpoint single score results per damage category and nation for annual electricity production (1989–2013). Data referred to the functional unit: 1 kWh.

(a) Climate Change (CC) 1.8E+08

700

1.6E+08

600

1.4E+08

500

g CO2 eq

t CO2 eq

1.2E+08 1.0E+08 8.0E+07

400 300

6.0E+07

200

4.0E+07

100

2.0E+07

1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

0.0E+00 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 Peru (total impact)

Peru (per FU)

Spain (total impact)

Spain (per FU)

(b) Water Deple on (WD) 0.03

1.0E+04

0.03 1.0E+03

hm3

0.02 1.0E+02

0.02 0.01

1.0E+01

0.01

1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 Peru (total impact)

Spain (total impact)

1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

0.00

1.0E+00

Peru (per FU)

Spain (per FU)

Fig. 4. Comparative environmental impacts between countries for selected impact categories (1989–2013): (a) climate change; (b) water depletion. Data referred to the functional unit: 1 kWh.

arriving from renewables (including hydropower) does not appear as a very ambitious target [49]. In addition, the Peruvian case also underlines the importance of social consensus in defining a sustainable energy matrix [50]. For instance, the development of Peru’s hydropower potential has been weakened, in a similar way to mining, by an increasing social concern on the environmental and socio-cultural impacts associated with hydropower construction and operation such as the displacement of people, difficulties in river navigation, and alteration of traditional customs [51]. Interestingly, the increase of natural gas-fired power plants has not shown comparable level of social opposition. Despite the distinct development paths and generation profiles of Peru and Spain’s respective electricity grids, both systems have a relatively low environmental impact per unit of electricity produced. The GHG emissions in the final years of the time period

analyzed for both nations is better than in other countries with similar income or human development profiles. In the case of Spain, CO2 eq. emissions per FU were found to be considerably lower than those for Portugal (611 g CO2 eq.) or Italy (634 g CO2 eq.), which demonstrates essentially a higher level of decarbonization in the sector. The Peruvian electricity mix, on the other hand, shows a better environmental profile than that of Mexico (571 g CO2 eq. per kWh), which is mainly attributable to the high fossil-dependence in Mexico [52]. Paradoxically, the Energy Sustainability Index (ESI) developed by the World Energy Council ranks the environmental sustainability (one of the three assessed dimensions leading to ESI) of the Peruvian energy sector 43rd globally, while Spain sits slightly higher at 23rd, but still behind countries that have higher GHG emissions per unit of electricity produced, such as Portugal or Brazil [53]. This raises the question of whether the index is sufficient to understand the state of

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1000 500 0

Δ g CO2 eq./ΔkWh

1989-2013

1989-1995

1996-2003

2004-2013

1996-2003

2004-2013

-500 -1000 -1500 -2000 -2500 -3000 Spain

Peru

250 200

Δ g CO2 eq./Δ $ GDP

150 100 50 0 1989-2013

1989-1995

-50 -100 -150 -200

Fig. 5. Average change in environmental impact per (a) additional unit of electric energy produced (i.e., 1 kWh) and (b) additional monetary unit in terms of GDP, in different time frames for climate change. Please note that in this case, 1 kWh of increase in production is not equivalent to the production of 1 kWh, which is the FU in the current study.

environmental sustainability within a nation and motivate advancing energy efficiency measures and the implementation of best practices, or whether a life-cycle quantitative perspective would actually provide the index with a more holistic picture of the environmental sustainability of energy in each country and information on which environmental consequences are the most severe. Although a climate change-oriented approach offers many benefits, it may be fair to state that it could be myopic for disregarding other important environmental dimensions. To address this, our LCA demonstrates that climate-centrism is also useful in lowering the impacts of other dimensions; mainly those related to air quality and toxicity (see Fig. S2 in the SM). In contrast, other impact categories, mainly linked to land use or resources other than fossil fuels (i.e. water and metals), have shown slight increases under climate-centric policy. Water, a resource that is usually underrepresented in many LCA studies [54], is one of the major concerns for international energy authorities or observers, such as the WEC, the International Energy Association (IEA) or the World Bank [55–57]. In the case of Latin America, for instance, the IEA forecasts a fivefold increase in energy consumption in the region, which would translate into three times as much water needed, increasing pressure on water resources [55,56]. In addition, most countries worldwide are expected to suffer the consequences from changes in rainfall patterns, adding to water insecurity through prolonged droughts, reduced potential of water transport and desalination plants and increased average temperatures, which implies an augmentation in the amount of energy needed to meet energy demand for cooling. Reliance upon water for electricity generation in hydroelectric or steam-turbine systems introduces an inherent vulnerability to water scarcity. While water is an essential resource in most energy generation processes, wind power and photovoltaics present minimal impacts in terms of the energy–water conundrum. Although wind and solar irradiation are bound to suffer the consequences

of CC, these changes are expected to be minor as compared to water scarcity and insecurity. This situation suggests that countries such as Peru (important risks have also been identified in Brazil, Sri Lanka or China), in a similar way to the infrastructure developed by Spain in the past decade (and recently implemented by other nations, such as Germany or the United States), should benefit from available land space to develop an electricity production infrastructure based on diversification, as well as on low-carbon and low-water use in order to maintain its high energy security figures [58]. Furthermore, Spain’s wind power potential is yet to be fully developed, although over 23.000 MW is currently in use across the country (REE, 2014). Despite Peru’s lack of investment in wind power, its total potential is estimated in 22.000 MW, which could potentially meet the majority of the current electricity demand in the nation [35]. Current hydropower installations in Peru already account for an important source of electricity generation, which may constitute to a certain extent a barrier, together with the abundance of natural gas yet to be exploited, in the definition of new energy sources for which technology and in situ qualified labor are still lacking. However, according to the Stern Review [59], Peru’s climate is classified as one of the most vulnerable across the globe, an issue that could affect the energy security that the hydropower sector had provided for decades, based on forecasts for more erratic and dwindling rainfall. Furthermore, besides climatic vulnerability, strategic vulnerability of gas supply from the Amazon remains an unattended issue, since the existence of one single pipeline toward the populated and productive areas of the country implies elevated risks in terms of energy security [60]. Regardless of the specific level of advancement in different nations, society as a whole is currently facing a transition in its energy matrix. While reducing reliance on fossil fuels is desirable for many countries, there are still technological, economic, and social barriers to overcome. A clear example has been the expansion of biofuels in many nations, which were initially expected to translate into GHG emission savings, but subsequent research proved through time that the indirect land use changes of these new systems were actually worsening GHG emissions and causing food-scarcity issue in most cases [61–64]. The implications on all dimensions of energy and electricity-related shifts, which have only been discussed marginally in this article, should be analyzed in depth to evaluate the risks in terms of energy equity and increasing electricity rates. For instance, a recent Intergovernmental Panel on Climate Change report showed that global atmospheric carbon dioxide emissions experienced a major increase in 2013, forecasting a rapid growth to the 450 ppm threshold by 2030 [65,66]. This result intensifies the pressure on society to lower its carbon emissions. In fact, practically all nations of the world have committed by signing the Lima Call for Climate Action in late 2014 to mitigate their GHG emissions through intended nationally determined contributions (iNCDs) which will be presented at the COP21 in Paris. The intended future enforcement of these iNCDs is expected to become an important milestone in the battle against global warming, by engaging a wide majority of nations in examining the most appropriate opportunities to generate changes in human society that may trigger high GHG emissions mitigation potential [67]. However, future applications of geoengineering2 or climate engineering are stimulating academic and policy discussions, a situation that could trigger what is known as ‘‘carbon lock-in”, reducing the relative importance of the balance of carbon emissions [68]. 2 Geo-engineering was defined by the United Kingdom Royal Society in 2009 as the ‘‘deliberate large-scale manipulation of the planetary environment to counteract anthropogenic climate change” [69,70].

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5. Conclusions This study concludes that climate-centric policy-making for national electricity mixes can lead to substantial environmental co-benefits, but it is not sufficient on its own to ensure environmental or social sustainability. In the cases of Peru and Spain, decreases in GHG emissions from the electricity sector corresponded to positive improvements in toxicity, fossil fuel use, and air quality. However, several indicators in this study actually increased in response to declining GHG emissions; of particular concern are water resources, because of the strong co-dependence of energy and water systems (i.e. the waterenergy nexus). For Latin America in particular, this could also introduce vulnerability into the energy supply as climate change could lead to reduced water availability, exacerbating water demand issues for energy production. This study indicates that Peru could mitigate some of this water availability vulnerability by further exploiting the available wind and solar generation potential. Beyond Peru and Spain, countries incorporating climate change mitigation targets into policy should be cognizant of other environmental and social impacts from electricity production and seek to develop policies that balance a wide array of human health and equity concerns. Although GHG targets are vitally important to mitigating potentially devastating climate change impacts on human and environmental health, these must be appropriately weighed against other impacts, and a nuanced understanding of local resources and constraints must be incorporated for each context. For the most recent years, Peru and Spain both have relatively low GHG emissions per unit of generation compared to other countries of similar development levels, so there is potential to apply some of the ‘‘lessons learned” on energy stability and de-carbonization to other nation’s contexts. Moving forward, finding more effective ways to communicate these complexities and trade-offs in energy technology beyond a single environmental objective will become an imperative area of research to support this level of informed decision-making. Acknowledgements The authors would like to thank M.S. Pedro Villanueva-Rey, M.S. Yago Lorenzo-Toja, M.S.E. Andrew Fraser, and Óscar Ysla for valuable scientific exchange, as well as SwissContact for valuable scientific support. Dr. Ian Vázquez-Rowe would like to thank the Galician Government for financial support (I2C postdoctoral student grants program). This material is based upon work supported by the National Science Foundation Graduate Research Fellowship under Grant No. DGE-1311230. Any opinion, findings, and conclusions or recommendations expressed in this material are those of the authors and do not necessarily reflect the views of the National Science Foundation. Appendix A. Supplementary material Supplementary data associated with this article can be found, in the online version, at http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2015. 08.121. References [1] Foidart F, Oliver-Solá J, Gasol C, Gabarrell X, Rieradevall J. How important are current energy mix choices on future sustainability? Case study: Belgium and Spain—projections towards 2020–2030. Energy Policy 2010;38(9):5028–37. [2] IEA, I. E. A. Energy balances of OECD countries; 1960–2005. [3] Treyer K, Bauer C, Simons A. Human health impacts in the life cycle of future European electricity generation. Energy Policy 2014;74(S1):S31–44.

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Medición de la resiliencia en la cadena de suministros, en una nueva teoría del negocio Vargas Florez, Jorge, Dr.1, González Álvarez, Domingo, Dr.2, Cornejo Sánchez, Christian, Ing.3 1

Pontificia Universidad Católica del Perú, Perú, jorge.vargas@pucp.edu.pe 2 Pontificia Universidad Católica del Perú, Perú, dgonzal@pucp.edu.pe 3 Pontificia Universidad Católica del Perú, Perú, cscornejo@pucp.edu.pe

Resumen- La incertidumbre de la economía global, la inestabilidad política y social, la proliferación del uso de nuevas tecnologías, el cambio climático y la escasez de recursos, entre otras crisis actuales, generan un panorama complejo en el desempeño de los negocios, los modelos tradicionales son obsoletos y no son capaces de asegurar una sostenibilidad ni competitividad a las organizaciones. La resiliencia definida como la capacidad de recuperación de un sistema luego de haber estado expuesto a un evento perturbador (por ejemplo la exposición a un desastre natural o ataque terrorista, la falta de abastecimiento de las materias primas o el incremento del precio de los recursos en forma inesperada, entre otros), se propone como una capacidad en la cadena de abastecimiento que permita enfrentar mejor el ambiente inestable actual de los negocios. Se plantea dos categorías de indicadores para asegurar el control del estado de la capacidad de resiliencia en la cadena de suministro; aquellas de valor exógeno (reactividad, flexibilidad, agilidad, eficiencia y eficacia) y aquellas de valor endógeno a las operaciones (calidad de la cultura organizacional). Palabras claves- Resiliencia, incertidumbre, crisis, cadena de suministro, modelo de negocios.

y [4] señalan que los seres humanos, las sociedades y el medio ambiente (sean locales o globales) actualmente influyen entre sí y la magnitud de esta influencia es incierta lo cual pone a prueba las capacidades de adaptación y el diseño tradicional de sus estructuras y organización. Por esto es necesario que las cadenas de suministro actuales sean resilientes, proponiéndose para esto que existan instrumentos de medición consecuentes con el desarrollo del estudio de la cadena de suministro [5]. El articulo está organizado de la siguiente manera, inicialmente se desarrollan las principales definiciones a ser abordadas en el artículo, luego se presenta el resultado del análisis del trabajo de P. Drucker sobre la teoría de negocio, proponiendo una clasificación sobre su evolución y nuevo estadio del mismo. En la siguiente sección se introduce la importancia de la resiliencia como capacidad en las organizaciones, y luego se presenta los indicadores para su medición y control. Finalmente se presenta las principales conclusiones del estudio. II. DEFINICIONES

I. INTRODUCCIÓN La exposición a una variedad de riesgos a los que están expuestos los negocios han creado un estado desorientador para la toma de decisiones, algunos llaman a esto “The New World Disorder” [1]. Antecedentes a este estado son las sucesivas crisis económicas en Argentina (1991), Brasil (1994), Tailandia y Corea (1997), Rusia (1998) y recientemente USA (2010) y Europa (2011). Esto sumado a las diversas fuentes de inestabilidad como el terrorismo globalizado, guerras regionales, extremismo religioso, cambios demográficos (minorías que pasan a ser nuevas mayorías), uso intensivo de nuevas tecnologías para la comunicación, uso de las redes sociales, el cambio climático, incremento de la magnitud de los eventos fenomenológicos, entre otros hacen que la vulnerabilidad y exposición a las disrupciones sean más frecuentes en la cadena de suministro. Esta realidad ha determinado que la gestión de la incertidumbre, los riesgos, los peligros, la seguridad, la vulnerabilidad y exposición sean los nuevos elementos clave en la definición de una nueva teoría del negocio moderna, la cual tiene en la resiliencia el factor determinante de la gestión del cambio necesario para asegurar la agilidad, robustez, flexibilidad, adaptabilidad, reactividad, visibilidad y fiabilidad en los negocios, tal como lo predijera P. Drucker, “…el cambio es la norma” [2]. Las referencias [3]

A. La Resiliencia El origen del término proviene de la ciencia de los materiales y describe la capacidad de un material a recuperar su estado inicial, luego pasó al psicoanálisis donde fue definido como “la capacidad de resistir a un trauma y de reconstruirse después de él”. Estas son acepciones que se ha extendido a diversos dominios y ciencias como la geografía, la gestión, la economía entre otras [6]. Las referencias [7] y [8] definen la resiliencia como la capacidad de un sistema de conservar su funcionamiento a pesar de una perturbación grande o como la capacidad de recuperar su estado de funcionamiento después de un estado de alteración mayor. La referencia [9] se dice que en la resiliencia coexisten dos nociones, aquella de la resistencia (saber soportar el choque) y aquella de la persistencia (continuar en un estado poco alterado). Estas dos nociones van a ser recogidas para el análisis del desempeño y gestión de las empresas. B. La Teoría del Negocio La referencia [10] define la teoría del negocio como el marco de referencia y lógica para la toma de decisiones en los negocios. Dicho concepto está basado en una lista de “supuestos” que son consideradas como verdades, las mismas que nos llevan a pensar que aquello que se está haciendo, es lo

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“correcto” y no lo “erróneo” para cumplir los objetivos y obtener los resultados que busca la organización. Esos supuestos requieren que se cumplan los siguientes principios: 1) Las suposiciones acerca del “Medio Ambiente”, la “Misión” y las “Competencias” de la organización deben estar alineadas con la realidad. 2) Las suposiciones en los tres aspectos antes mencionados deben estar alineados entre ellas. 3) La teoría del negocio debe ser conocida y entendida a través de toda la organización. 4) La teoría del negocio debe ser validada de manera constante. La importancia de la definición de la teoría del negocio radica en que orienta la reflexión para la toma de decisiones dentro de la organización y se refleja en los Procedimientos, Normas, Protocolos, Métodos de Ensayo, entre otros, todo lo que conforma el plano formal del accionar en la organización. Sin embargo siendo la “cara” de la misma moneda debe confrontarse a otro plano existente con el cual convive en la organización, el plano informal, este último tiene como principal sustrato a la cultura organizacional. C. La Cultura Organizacional La referencia [11] dice que los estudios sobre la cultura organizacional buscan comprender cómo las organizaciones adoptan preferencias colectivas para alcanzar la misión y los objetivos de la organización, esto se resume con el dicho que la cultura organizacional expresa “la manera de hacer los negocios”, y cuyo resultado permite alcanzar “la confianza”, en palabras de F. Fukuyama "...surge cuando una comunidad comparte una serie de valores morales, de modo tal que se espera un comportamiento regular y honesto..., de modo que los actores económicos se apoyen mutuamente, pues consideran que forman una comunidad basada en la confianza mutua,.., así pues una sociedad civil depende de los hábitos, las costumbres y el carácter distintivo de un grupo humano, todos ellos atributos que solo pueden ser conformados de manera indirecta a través de la acción política ya que, básicamente, deben ser nutridos a través de la creciente conciencia y el respeto por la cultura que comparten" [12]. II. EVOLUCIÓN DE LA TEORÍA DEL NEGOCIO La teoría del negocio no es inmutable, todo lo contrario ha evolucionado en la “corta” historia de los negocios. La referencia [13] menciona que la concepción de la empresa moderna comienza a configurarse después de la Guerra Civil Norteamericana en 1865 y después de la guerra FrancoPrusiana en 1871, en Europa. P. Drucker caracteriza esta evolución de la teoría del negocio, en la siguiente clasificación [14]:

1) Antes de 1895, las primeras organizaciones económicas como las instituciones religiosas, artesanos, comerciantes, señores feudales, entre otros estaban basadas en un modelo de búsqueda del beneficio del “estado-nación”, quien emprendía proyectos unificadores como; guerras, independencias, colonizaciones, etc. Este modelo de negocios era centralizado y vertical alrededor de la autoridad del “propietario” [15]. 2) Entre 1895-1925: los negocios se agrupan, organizan y profesionalizan las tareas con base en la definición de funciones. La referencia [9] menciona que este periodo se inicia con los trabajos de Georg Siemens en las empresas de su familia en Europa, así como J.P. Morgan, Andrew Carnegie y D. Rockefeller que reestructuraron sus empresas principalmente relacionadas al sector de transporte, minería y banca en Norteamérica. 3) Entre 1925-1950: los principios de la gobernanza corporativa moderna son desarrolladas por Pierre S. du Pont, al restructurar la compañía de su familia y por Alfred Sloan en el rediseño de la General Motors. Estas consistieron en definir el comando de control de la organización, centralización de los servicios tipo “staff”, la gestión del personal, el control de los presupuestos y la distinción entre políticas y operaciones. Este modelo terminó con la reorganización masiva de la General Electric a inicios de 1950 [13]. 4) Entre 1950-2000: se definen las funciones y alcances de los departamentos y divisiones, se sienta las bases de la gestión de la información y se privilegia la conformación de especialistas del saber. La gestión se orientó a asegurar el liderazgo, la innovación y el uso de las nuevas tecnologías de la información. Este periodo marcó la decadencia del “estadoadministrador” y el auge de mercado libre y la globalización, lo cual le dio un periodo temporal de prosperidad a las empresas; sin embargo las crisis observadas en la económica global han provocado el deslucimiento de tales paradigmas, P. Drucker lo había predicho, afirmando que todo equilibrio económico debe buscar el bienestar del largo plazo, lo cual es el resultado de la adaptaciones del corto plazo, y las señales del mercado son exclusivamente de corto plazo, así que gestionar la economía exclusivamente por sus resultados es inútil [15]. 5) 2000-actualidad: la exposición a los riesgos, sean estos de origen natural, económico, social y político han hecho que la gestión preste atención a la incertidumbre, los riesgos, los peligros y la seguridad; es decir, que la teoría del negocio moderna consista en la “gestión del cambio”. En esta coyuntura la agilidad, robustez, resiliencia, eficiencia, adaptabilidad, entre otros, son las nuevas capacidades que se demanda del modelo de los negocios de las empresas de hoy. P. Drucker lo predijo, “…el cambio es la norma” [2]. III. LA NUEVA TEORÍA DEL NEGOCIO Con base en los resultados de entrevistas tomadas a profesionales y responsables de la administración de la cadena

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de suministro de varias corporaciones, que pertenecen a distintos sectores, tales como consultoría, gran distribución, automotriz, alimentos entre otros acerca de los nuevos desafíos de las cadena de suministros un entorno de alto riesgo como el actual [16]. Así mismo considerando los resultados de los estudios sobre la exposición a los riesgos en la cadena de suministro en entornos de crisis derivados de desastres naturales [17,18], permitieron proponer las principales características de la nueva teoría del negocio (ver Tabla I), con base en las respuestas a tres preguntas principales: (i) ¿Cuáles son las prioridades en una cadena logística hoy día?, (ii) ¿Qué tipo de capacidades son necesarias en la cadena logística hoy día? y (iii) ¿Cuáles son los obstáculos para una cadena logística hoy día?. TABLA I REQUERIMIENTOS DE LAS CADENAS DE SUMINISTRO EN LA NUEVA TEORÍA DEL NEGOCIO Dar seguridad a la cadena. Usar una estrategia adaptable.

Prioridades

Capacidades

Barreras

Capaz de repetir y adaptar su cadena de suministro post perturbación. Gestionar la transición. Gestionar la cadena de suministro base. Aprovisionamiento e integración de la proveeduría. Atención de la planeación a la ejecución y alinear el abastecimiento y la demanda. Solucionar desfase entre; tecnología de los materiales y el tiempo de ciclo de vida de los productos. Establecer y mantener la confianza entre los subcontratistas de fabricación y sus clientes. Lograr la seguridad integral, buscando adaptación a las nuevas regulaciones impuestas por los gobiernos. Usar herramientas y dispositivos para lograr una cadena reactiva y adaptativa; RFID, WMS y MES (Manufacturing Execution Systems). Modelar la cadena de suministro y planear con base en el análisis de escenarios. Trabajar de manera efectiva y transversal a las actividades funciones. Alcanzar la triple-A de la cadena de suministro: agilidad, adaptabilidad y alineamiento. Institucionaliza la búsqueda de confianza entre proveedor y cliente. Despreocuparse acerca de la función en la cadena de cada organización. Incapacidad para crear alianzas internas. Incapacidad para manejar de manera efectiva un tablero de control para monitorear la performance.

Las conclusiones mostradas en la tabla precedente resumen las siguientes características que describen la nueva teoría del negocio, es decir, un marco de reflexión para la toma de decisiones que la coyuntura actual exige a las organizaciones empresariales; las empresas para ser competitivas deben ser capaces de dominar las siguientes capacidades: eficacia, eficiencia, adaptabilidad, agilidad, robustez y resiliencia. Para a un entorno que es cambiante, inesperado, inconmensurable e impredecible.

IV. ORGANIZACIONES RESILIENTES La preocupación por el estudio de la capacidad de las empresas a ser resilientes ha tomado la atención de los investigadores. Así por ejemplo, en Scopus, se registraron en el año 2000, la cantidad de 27 artículos con las palabras “resilient management”, mientras que el 2014 el registro es de 365 artículos (análisis hecho el 11 de febrero de 2015). En resumen, dentro de una organización, la resiliencia es vista como la capacidad a resistir las perturbaciones o impactos, a continuar su actividad y adaptarse a los riesgos a los cuales está expuesto. La referencia [9] menciona que actualmente el número de perturbaciones a los cuales está expuesto una empresa, y a las que debe hacer frente, es tan grande que la resiliencia exige lograr un estado de preparación permanente que le permita, llegado el momento, hacer frente a situaciones extremas de perturbación o impacto. Por otro lado una empresa resiliente estaría mejor preparada para hacer frente a las condiciones de incertidumbre, riesgo, vulnerabilidad y exposición provenientes, por ejemplo, de las condiciones hostiles del mercado, las fallas de los proveedores de partes o materiales críticos, nuevas pandemias, crisis financiera global, ataque a los sistemas, etc. Es decir una multitud de eventos que constituyen por su rapidez, su novedad, su magnitud o su complejidad fuera del rango de manejo de los protocolos, procesos y sistemas de respuesta tradicionales que las organizaciones del pasado siglo XX utilizaban. A. Perturbaciones en la cadena de suministro. El desempeño deficiente de la cadena de suministro comercial en diversos casos se han debido a importantes desastres naturales, distintos autores como [19], [20], [21], [22], [23] y [24] han investigado al respecto logrando establecer la vulnerabilidad en que muchas empresas se encuentran a eventos perturbadores de las operaciones para los cuales el diseño del sistema de trabajo no estaba preparado. Varias categorías de riesgos para la cadena de suministro son presentadas en [25], [26], [27] y [28]. Finalmente [23] propone una extensa lista de elementos que catalizan el riesgo en la cadena de suministro. Las referencias [29], [25] y [30] investigaron la vulnerabilidad de las cadenas de suministro a los eventos imprevistos como los desastres naturales y las huelgas. Mientras que en [24] se revisó muchos casos de compañías que sufrieron los estragos de incendios, terremotos, inundaciones, ataques intencionales entre otros. Por otro lado las referencias [31] y [32] estudiaron el impacto y severidad de estos eventos catastróficos. Anexo se presenta una lista de las principales causas de perturbaciones en la cadena de suministro: 1) Por los desastres naturales, las cadenas de suministro geográficamente dispersas son vulnerables, dado que el suministro no puede ser restablecido de manera ágil y reactiva. Por ejemplo el terremoto más fuerte registrado en Japón de 9,0

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M, el 11 de Marzo del 2011, tuvo un importante impacto en la industria automotriz global, muchos componentes electrónicos fabricados en Japón son utilizados por distintas empresas distribuidas en el planeta, esto causo desabastecimiento y paradas en una línea de ensamblaje acostumbrados a las políticas y trabajo del abastecimiento justo a tiempo en la manufactura esbelta. Otros sectores como el de la fabricación de teléfonos móviles, equipos de refrigeración, producción del acero y químicos entre otros, sufrieron escasez de piezas de recambio electrónicos para el control y seguridad utilizados en sus líneas de fabricación [33, 34, 35]. Lo que revela problemas de flexibilidad y agilidad de la cadena de suministro. 2) Por el desabastecimiento de partes, lo cual genera rotura de stock. Por ejemplo en Marzo del 2000, un incendio de 10 minutos en la planta de fabricación de microprocesadores para teléfonos móviles, de Royal Philips Electronics ubicada en Los Alamos, New México (USA) la cual inhabilito las instalaciones de fabricación del tipo “sala blanca” (llamadas así por el extremo control del ingreso de impurezas a los ambientes de manufactura). Paralizando las líneas de producción de sus cliente Nokia y Ericsson. Mientras Nokia asumió un control de daños en su cadena de abastecimiento dada su política multi-proveedor que le permitieron reactivar en algunas semanas sus actividades. Las acciones de Ericsson fueron pasivas dada su política monoproveedor que mantenía con Phillips, esto no le permitió recobrarse de las pérdidas financieras derivadas de la ausencia de producción de los teléfonos móviles, estimándose solo en el segundo trimestre del 2000 perdidas por $ 220 millones [36]. En Abril del 2005, el constructor ingles de automóviles MG Rover se vio obligado suspender sus operaciones en su planta de Longbridge (UK) debido a la carencia de piezas de ensamblaje, lo que a la larga significo el inicio del colapso de la compañía [37]. Todo lo cual expresa problemas de fiabilidad, exhaustividad, reactividad y agilidad. 3) Por huelgas, los cuales no aparecen sino luego del fracaso de las negociaciones por parte de las partes, paralizando o recortando las actividades de fabricación. Por ejemplo en 1997 los trabajadores paralizaron por 15 días las actividades de despacho en United Parcel Service (UPS), el cual controlaba el 80 % de toda la paquetería en USA. Así mismo fueron dañadas las actividades logísticas de muchas empresas norteamericanas que tercerizaban sus actividades a través del proveedor logístico mencionado [38]. Cierre de los Puertos en la Costa Este de USA, debido a la huelga de los trabajadores portuarios incremento el uso de los trabajadores temporales, los cuales no evitaron el desabastecimiento de los productos en espera de ser transportados [39]. Esto evidencia problemas de flexibilidad, velocidad y visibilidad. 4) Por atentados terroristas, luego del atentado a las torres gemelas en New York, en el 2001, se desencadeno una serie de acciones de incremento en la seguridad de las aduanas tanto en el transporte aéreo como terrestre, este último tuvo un impacto significativo en el abastecimiento de partes al sector

automotriz, acostumbrado al sistema de abastecimiento de partes justo a tiempo, dejándolo expuesto a retrasos de abastecimiento de partes de hasta 3 horas. Incluso General Motors Corp. y Ford Motor Co. Ford, se vieron obligadas a detener las líneas de fabricación tanto en USA como Canadá el 11 de setiembre, día del atentado [40]. 5) Por cambios imprevistos en la demanda, revela una pobre integración y reactividad en las operaciones de los actores de la cadena vulnerable. Por ejemplo, en el 2001 la así llamada “the dot-com crash” (quiebra de empresas virtuales que ofrecían servicios a través de internet) y el deterioro de la economía global, causo que los fabricantes de productos, proveedores de estas empresas virtuales, vieran incrementado su stock de productos en proceso, por ejemplo Cisco acumulo un valor de inventario de $ 2,3 billones [41]. Esto revela problemas en la reactividad, velocidad, visibilidad y flexibilidad. 6) Por fallas en el servicio de soporte, aun cuando estas actividades no están relacionadas directamente con la manufactura su desempeño contribuye al pilotaje, control, gestión, administración y monitoreo de las operaciones. Por ejemplo una falla en el software para planeación de la demanda en Nike, a inicios del verano del año 2000, causo el desabastecimiento del modelo Air Jordans, como resultado Nike perdió $ 100 millones en sus canales de ventas [42]. 7) Por actividades ilícitas (secuestro de locales, atentados terroristas, pirateo de los sistemas información, sabotaje de las instalaciones, entre otros), dichas acciones pueden dejar inoperativa operaciones o servicio de soporte que afecta a la manufactura. Una encuesta a 300 empresas en el 2003, seleccionadas al azar llevada a cabo en USA, revelo que aproximadamente un tercio de ellas habían reportado mayores incidentes con el control y eliminación de virus informáticos dedicados al robo, sabotaje o pirateo de la información. Se encontró también que cada incidente tenía un costo global aproximado de $ 100 mil [43]. Lo cual se debe a ausencia de seguridad, reactividad, fiabilidad y exhaustividad. 8) Por fallas tecnológicas, siendo está un aliado de la industria moderna, su dependencia hace que las operaciones sea vulnerable a su desempeño. Por ejemplo el 14 de agosto del 2003, un corte en el fluido eléctrico en el Nor-Este de los Estados Unidos, debido al mal funcionamiento de los equipos eléctricos y Sistema de control de fallas [44], origino la pérdida del servicio para 50 millones de personas en los estados de Ohio, Pennsylvania y New Jersey, así como a poblaciones del Norte del Ontario en Canadá, por alrededor de 30 minutos, los servicios esenciales de la ciudad se vieron paralizados sino reducidos drásticamente, como es el caso del transporte público y privado, uso y servicio de los aeropuertos entre otros [45]. 9) Por quiebra o mal estado de las finanzas de los socios, un respaldo importante son las solvencia de las actividades como las compras, el crédito y el financiamiento sin ellas las actividades desde las diarias hasta de largo plazo no pueden

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ser llevadas a cabo. Por ejemplo el colapso financiero en la UPF Thompson causo que Land Rover suspendiera la producción del modelo Discovery, debido a que UPF Thompson era el único proveedor del chasis del modelo mencionado, una disputa posterior determinó que la dependencia de UPF Thompson a Land Rover era tal que representaba el 65% del negocio de la compañía en quiebra y en el fondo era la causa de la vulnerabilidad que los obligaba a prácticas riesgosas [46]. III. LA RESILIENCIA Y LA CADENA DE SUMINISTRO El punto de partida para conocer el desempeño de la cadena de suministro en el ámbito de su resiliencia, es analizar los impactos en el lugar de perturbación al cual es expuesto el desempeño de la cadena de suministro. Esta perturbación que va crear una inestabilidad potencial al sistema o la organización en análisis, puede ir desde una pequeña perturbación (incidente anómalo) o una gran perturbación (crisis que pone en peligro el sistema). La referencia [9] menciona que aun cuando la noción de resiliencia está identificada con un estado posterior a la perturbación, los mecanismos y elementos que dan origen y pilotean el desempeño del nivel de dicha capacidad están presentes mucho antes de la presencia del evento perturbador.

La búsqueda del equilibrio constante entre la resiliencia de la logística de ingreso, de procesos y de salida es una preocupación permanente para las organizaciones. Que no se alcanzan a entender que persiste una paradoja en la búsqueda de este equilibrio. Mientras la logística de ingreso se alimenta de la formalización, de la sensibilización, de la preparación, de la anticipación, del rigor, del control, es decir se desarrolla en un marco establecido. La logística de procesos y salida necesita de la agilidad, la flexibilidad, la adaptabilidad y la creatividad, es decir aparecen cuando el marco establecido está amenazado a desaparecer o desapareció. En las organizaciones donde esta paradoja no destaque de modo positivo y significativo, está pendiente la construcción y fortalecimiento de la capacidad de resiliencia. V. INDICADORES PARA MEDIR LA RESILIENCIA EN LA CADENA DE SUMINISTRO

Habiendo sido explicado que la construcción de una cultura organizacional de calidad y el poseer una cadena de suministros ágil determinan la capacidad de respuesta frente a perturbaciones mayores, se integran estas estas dos condiciones, para determinar el logro de poseer un nivel de resiliencia determinado (ver Fig. 1).

A. Resiliencia en la logística de ingreso: resistencia. Sabiendo que podrán existir eventos de perturbación en la logística de ingreso, la capacidad de resiliencia vendrá expresada por acciones que aseguren el desempeño de la organización en su cadena de suministro, en aspectos como los abajo señalados [9]: (i) aumentar la capacidad de anticipación, (ii) perfeccionar y fiabilizar los dispositivos de vigilancia, (iii) reducir la exposición, (iv) fortalecerse frente al choque, (v) planear los medios de protección y de preservación y (vi) mejorar la capacidad del sistema de evitar las perturbaciones, redirigiendo su presencia, etc. B. Resiliencia en la logística del proceso: continuidad. En el ámbito de los procesos de manufactura, la capacidad de recuperación se ve expresada a menudo por la flexibilidad, manejo de modos alternativos para gestión del aprovisionamiento a través de la redundancia, control diferenciado de los tiempos de respuesta y el multiaprovisionamiento, todo lo cual es parte implícita del Plan de Continuidad del Negocio [47]. C. Resiliencia en la logística de salida: persistencia. Para la logística de salida, la cadena de suministro deberá entre otras tomar acciones para ser capaz de lo siguiente: (i) aumentar la capacidad de detectar, adaptarse y reaccionar eficazmente para enfrentar a la perturbación y (ii) aumentar la capacidad a organizarse y optimizar la respuesta y retomar su estado nominal de operación rápidamente, etc.

Fig. 1 Casa de la Resiliencia. La medición de la resiliencia antes mencionada se basa en la “construcción de la agilidad”, donde se establece que dicha medición se logra con el uso de una batería de indicadores (ver Tabla II) que nos permitiran conocer el nivel de agilidad de la cadena de suministro [48, 49]. TABLA II INDICADORES PARA CONOCER EL NIVEL DE LA RESILIENCIA (PARTE 1) Grupo Mediciones Definiciones Flexibilidad Capacidad para cambiar el nivel de la volumen producción total. Flexibilidad Capacidad para cambiar las fechas de entrega entrega planificadas o previstas. Flexibilidad Capacidad para cambiar la gama de Flexibilidad productos por entregar en un tiempo mix productos determinado. Flexibilidad Capacidad de introductir nuevos

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productos Reactividad Capacidad de respuesta

Velocidad

Visibilidad

Eficacidad

Fiabilidad (hacerlo bien) Exhaustividad (hacer todo)

productos o modificar los existentes. Capacidad para rápidamente identificar y evaluar las necesidades. Capacidad para atender rápidamente las necesidades. Capacidad para conocer la naturaleza, la localización y el estado actual y futuro de las entidades en tránsito en la cadena logística. Capacidad para entregar la cantidad completa del producto correcto, en el lugar correcto, en el momento correcto, en buen estado, con la documentación correcta, a la persona correcta. Capacidad para cumplir los objetivos.

Para la medición de la cultura organizacional en términos de su capacidad de resiliencia, se propone usar 24 factores genéricos (ver Tabla III) que caracterizan la capacidad de recuperación de una población expuesta a una crisis mayor como son por ejemplo los desastres naturales. Estos factores incluyen datos demográficos, económicos, ambientales, de salud y los indicadores de accesibilidad de la comunidad que forman los miembros de la organización [50, 51, 52, 53].

Se debe señalar que todos los indicadores antes mostrados no se pueden aplicar a todo tipo de eventos de perturbación, por lo que deben ser seleccionados considerando los tipos de crisis frecuentes a las que están expuestas la cadenas de suministro y la organización. VI. CASO DE APLICACIÓN Para evaluar la herramienta se ha aplicado encuestas a 7 empresas peruanas de diversos sectores (ver Tabla IV) operando en Lima: Empresa A B C D E

TABLA III INDICADORES PARA CONOCER EL NIVEL DE LA RESILIENCIA (PARTE 2) Grupo Mediciones Promedio del ingreso per-cápita Promedio de gasto per-cápita Ingresos y Puntuación en la seguridad alimenticia familiar alimentaPuntuación de la diversidad y frecuencia en la ción alimentación Consumo de la dieta calórica (kcal/persona/día) Acceso físico a los servicios de salud Acceso a Puntuación de la calidad de los servicios de salud los Calidad del sistema educativo servicios Percepción de la seguridad básicos Restricciones de la mobilidad y el transporte Agua, electricidad y redes de teléfonos Cantidad de dinero líquido para asistencia día per-capita Calidad de la evaluación de la asistencia Beneficios sociales Trabajo de asistencia Frequencia de la asistencia Opinión general de los objetivos de la asistencia Cantidad de cuartos por casa Índice de equipamiento familiar (TV, auto, etc...) Activos Unidad Ganadera Tropical (UGT) equivalente a 250 KG Propiedad de la tierra (en hectáreas) Diversidad de los recursos para obtener ingresos Nivel de educación (promedio familiar) Capacidad Ratio del empleo (número de empleados por familia) de Diferentes estrategias de involucramiento social adaptación Ratio consumo de alimentos (gasto en alimentos/total gastos) Número de miembros de la familia sin empleo % Cambio en los ingresos % Cambio en los gastos Estabilidad % Cambio en los ahorros Dependencia financiera Estabilidad del Sistema educativo

F G

TABLA IV EMPRESAS ENCUESTADAS Descripción Pequeña empresa. Venta de productos (pollos) e insumos (recipientes temporales) a restaurantes, 7 empleados. Mediana empresa. Fabricantes de productos plásticos, 15 empleados. Gran empresa. Fabricantes de alimentos procesados, + 5000 empleados. Gran empresa. Supermercado de productos de consumo masivo, + 1000 empleados. Mediana empresa. Fábrica de tejidos y fibras textil, 856 empleados. Mediana empresa. Fábrica de productos plásticos, + 100 empleados. Mediana empresa. Fábrica de alimentos procesados, 850 empleados.

Como ejemplo, se muestra la tabla de tabulación para los resultados hallados en la medición de los indicadores que miden la Velocidad de respuesta de la cadena de suministro (ver Tabla V) usando la puntación asignada. Siguiendo la metodología descrita como referencia para determinar la agilidad de la cadena de suministro [49]. TABLA IV PUNTUACIÓN PARA LA VALORACIÓN DE LA VELOCIDAD DE RESPUESTA Puntuación 3 2 1 0 % Efectivos autogestionados Número de niveles jerrquicos

+ 80%

Entre 60 % y 80 %

Entre 20 % y 60 %

- 20%

- 3 niveles

3a4

5a6

+6 niveles

Poder decisional para cambios

Puede reaccionar en caso de necesidad

Solo algunos cambios

Responsable directo decide

Ninguna autoridad al nivel de terreno

Tipo del Plan de emergencia

Exhaustivo

Detallado

Resumido

No existe

Suficiente

Pueden responder de 50 a 90 % de las emergencias

Pueden responder a 50% de las emergencias

Ninguno

Número de equipos de emergencia

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De este modo se puede evaluar los resultados según los valores que se muestra en la Tabla V.

gastos

TABLA V NIVEL DE LA VELOCIDAD DE RESPUESTA Nivel de Velocidad

Velocidad

Nivel 3 ∑ Resultados >13

Nivel 2 ∑ Resultados entre 10 y 13

Nivel 1

Nivel 0

∑ Resultados entre 5 y 9

∑ Resultados tabla de velocidad < 5

Acceso a servicios básicos

En la tabla siguiente se presentan los resultados encontrados para la Velocidad de respuesta, en la última línea se presenta los resultados totales para determinar el nivel de Velocidad de Respuesta, ver Tabla VI.

Beneficios sociales

TABLA V NIVEL DE LA VELOCIDAD DE RESPUESTA DE LAS EMPRESAS ENCUESTADAS

Capacidad de adaptación

Empresa

Promedio de gasto per-cápita($)

3/7

Acceso físico a los servicios de salud (gastos de salud per capita) ($)

2/7

Percepción de la seguridad ( % del PBI)

2/3

Restricciones de la mobilidad y el transporte

5/6

Agua, electricidad y redes de teléfonos(electricidad)

6/7

Acceso a servicio de agua

8/9

Telefonía móvil(por cada 100 habitantes)

5/7

Cantidad de dinero líquido para asistencia día per-capita (gasto per capita en salud) Calidad de la evaluación de la asistencia (en educacion, posicion según PISA) Índice de equipamiento familiar ( un automóvil por personas) Diversidad de los recursos para obtener (número de turistas, en miles) Diversidad de los recursos para obtener (divisas, en millones de $) Número de miembros de la familia sin empleo (% desempleo)

3/8 9/7 23/6 5/7 11/8 2/3

% Cambio en los ingresos (en % de crecimiento)

2/5

Estabilidad P2

% Cambio en los gastos (en $)

5/3

% Cambio en los ahorros (ahorro nacional neto, en $)

-1/2

Totales

Nivel de Velocidad

Para la evaluación de los indicadores de la medición de la calidad de la cultura organizacional en términos de la resilencia, se ha comparado el valor de los indicadores mostrados en la Tabla VI respecto a Chile un país que por las similitudes de las actividades industriales se puede considerar contrastables para conocer el desempeño logrado. No se realizó una encuesta sobre los trabajadores de las empresas en estudio dado la falta de tiempo para la realización de la misma. La base de datos tomadas son todas de acceso público de los ministerios de gobierno de los países mencionados y corresponden a los años 2013-2014 [54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67]. TABLA V NIVEL DE LA RESILENCIA DE LOS TRABAJADORES PERUANOS VERSUS LOS CHILENOS. Perú/ Grupo Mediciones Chile Ingresos y

Promedio del ingreso per-cápita ($)

3/7

Los resultados encontrados se muestran en la Fig. 2, el nivel de resiliencia para cada empresa considerando la medición de sus dos características principales la agilidad de la cadena de suministro y la calidad de la cultura organizacional, en este caso relativa según lo explicado.

Fig. 2 Medición de la Resiliencia de la Cadena de Suministro de las empresas encuestadas. El desempeño de las empresas, indican un bajo nivel de resiliencia con fuerte sesgo hacia responder frente a las crisis mayores exclusivamente con la velocidad de respuesta, dejando de lado los costos asociados a la eficacia de sus acciones, así mismo existe una baja visibilidad y flexibilidad en el ámbito de la cultura organizacional el desfase es grande llegando a establecerse en algunos criterios de medición una

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diferencia de hasta 2,6 (cantidad de dinero para asistencia diaria) el valor de calidad del bienestar en los trabajadores chilenos en frente al que reciben los peruanos. VI. CONCLUSIONES Las empresas, el mercado, la sociedad y el medio ambiente están en un estadio distinto de su evolución, transformadas hoy por las nuevas tecnologías, la nueva configuración socio-demográfica, los cambios políticos, entre otros que han piloteado y llevado a requerir en las organizaciones nuevas capacidades para hacerlas competitivas, la capacidad de ser resiliente en la cadena de suministro, se presenta como la configuración más adecuada para hacer de las operaciones sostenibles en el tiempo frente a este nuevo entorno caracterizado por la incertidumbre, inestabilidad, inconmensurabilidad, multi-relacional y global. Las mediciones aquí propuestas para el control del desempeño de la resiliencia están basados en una investigación extensa de la literatura sobre el estudio de casos, la opinión de expertos y un estudio sobre el terreno, de las organizaciones y comunidades expuestas a crisis. El enfoque de dichos estudios son del tipo multidisciplinario, ellos han sido referenciados en cada sección. La propuesta presentada en este artículo plantea dos grandes grupos de factores para la medición, uno relacionado al desempeño de la agilidad en las operaciones de la cadena de suministro, a través del control del nivel de Flexibilidad, Eficacidad y Capacidad de Respuesta. Mientras el otro está relacionado al logro de una cultura organizacional de calidad, expresado por la medición del nivel de las características co-relacionadas con el logro de la resiliencia en los individuos que hacen parte de una organización. REFERENCIAS [1] N. Checa, J. Maguire y J. Barney J., “The New World Disorder”, Harvard Business Review, August, 2003. [2] P.F. Drucker, “Management Challenges for the 21st Century”, Harper Collins Publisher, New York, 1999. [3] C.S. Holling, “An Ecologist’s View of the Malthusian Conflict”, en K. Lindahl-Kiessling y H. Landberg (eds), Population, Economic Development and the Environment, New York: Oxford University Press, 1994, pp. 79-103. [4] A. Oliver-Smith, “What is a Disaster?”, en A. Oliver-Smith y S. Hoffman (eds), The Angry Earth: Disasters in Anthropological Perspective, New York: Routledge, 1999, pp. 18-34. [5] I.J. Chen, y A. Paulraj, “Towards a theory of supply chain management: the constructs and measurements”, Journal of Operations Management, Vol. 22, 2004, pp. 119-150. [6] B. Cyrulnik, “Resilience: How Your Inner Strength Can Set You Free from the Past Paperback”, Tarcher: New York, 2011. [7] C.S. Tang, “Perspectives in Supply Chain Risk Management”, International Journal of Production Economics, volume 103, número 1, 2006, pp. 451-488. [8] G.A. Zsidisin y R. Bob, “Supply Chain Risk”, International Series en Operations Research & Management Science, volumen 124, New York: Springer, 2008. [9] M. Bennasar y R. Vuitton, “Livre Blanc, Résilience des organisations : pourquoi certains survivent et d’autres pas”, Lexsi Press, https://www.lexsi.com/sites/default/files/publications/livre_blanc__resilience.pdf, 2011.

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2014, disponible sur http://www.ft.com/cms/s/0/17b7835c-5fa6-11e0a718-00144feab49a.html#axzz2xyEuylZN, 2011. [35] M. Fujita y H. Nobuaki, “Japan and Economic Integration in East Asia: Post-Disaster Scenario”, the Annals of Regional Science, 48 (2), 2012, pp. 485-500. [36] A. Latour, “Trial by fire: a blaze in Albuquerque sets off major crisis for cellphone giants Nokia handles supply shock with Aplomb as Ericsson of Sweden gets burned; Was Sisu the difference?”, The Wall Street Journal, page A1, publicado el 29 Enero 2001, disponible el 8 Abril 2014, disponible en http://web.mit.edu/course/15/15.795/WSJ_Nokia%20HandlesSupplyChai nShock.pdf, 2001. [37] J.B. Rice, “MG rover's supply chain disruption”, Supply Chain Strategy, 2005, July. [38] J.B. Treece, “Fire will slow Toyota exports to U.S.”, Automotive News, publicado el 10 Febrero del 1997, revisado el 8 de Abril del 2014, disponible en http://www.autonews.com/article/19970210/ANA/702100812/fire-willslow-toyota-exports-to-u.s., 1997. [39] K. Pender, “Lockout's effect on stocks”, San Francisco Chronicle, page B1, publicado el 3 Octubre del 2002, revisado el 8 Abril 2014, disponible en http://www.sfgate.com/business/networth/article/Lockout-s-effect-onstocks-2789546.php, 2002. [40] S. Thurm, R. Brooks y J. Ball, “La paralización del tráfico aéreo pone en peligro toda la estratégica empresarial justo a tiempo”, The Wall Street Journal Americas, publicado el 13 de setiembre del 2001. [41] L. Barrett L., “Cisco's $ 2,25 billion mea culpa”, CNET news, publicado el 9 Mayo 2001, accédé le 8 Abril 2014, disponible sur http://news.cnet.com/2100-1033-257278.html, 2001. [42] C. Koch, “Nike rebounds: How (and Why) Nike recovered from its supply chain disaster”, publicado el 15 Junio del 2004, revisado el 8 Abril del 2014, disponible en http://www.cio.com/article/32334/Nike_Rebounds_How_and_Why_Nike _Recovered_from_Its_Supply_Chain_Disaster, 2004. [43] R. Lemos, “Report: rise in virus attacks costs firms dearly”, CNET News, publicado el 19 Marzo del 2004, revisado el 8 de Abril del 2014, disponible sur http://news.cnet.com/Report-Rise-in-virus-attacks-costsfirms-dearly/2100-7349_3-5176420.html, 2004. [44] P.R. Kleindorfer y H. Saad, “Managing Disruption Risks in Supply Chains”, Production and Operations Management, 14(1), 2005, pp. 5368. [45] D.L. Olson, “Supply Chain Risk Management: Tools for Analysis”, Business Expert Press, 2011. [46] T. Macalister, “Land rover settles parts squabble”, The Guardian, publicado el 19 de Febrero del 2002, revisado el 8 de Abril del 2014, disponible en http://www.theguardian.com/business/2002/feb/19/carindustry.motoring, 2002. [47] A&T, “ Best Practices : Achieving Resilience – Best Practices in Business Continuity”, publicado el 04 de Mayo del 2004, revisado el 21 de Mayo del 2015, disponible en http://www.bankofengland.co.uk/financialstability/fsc/Documents/ATTB estPractice.pdf [48] A. Charles, M. Lauras y et al., “A Model to Define and Assess the Agility of Supply Chains: Building on Humanitarian Experience”, International Journal of Physical Distribution & Logistics Management, volume 40, numero 8/9, 2010, pp. 722-741. [49] A. Charles, Tesis doctoral, “Improving the Design and Management of Agile Supply Chain: Feedback and Application in the Context of Humanitarian Aid”, Ecole des Mines d’Albi, Université de Toulouse, 2010. [50] UNDP, “United Nations Development Programme. Reducing disaster risk: a challenge for development. A global Report”, UN Press: New York, 2004, pp. 146. [51] R. D'Ercole y P. Metzger, “La vulnérabilité territoriale : une nouvelle approche des risques en milieu urbain”, European Journal of Geography, 447s paper, 2009.

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Dr Jorge Vargas Florez Doctor en Sistemas Industriales por la Universidad de Toulouse (Francia) el 2014. Tesis: “Ayuda a la decisión del diseño de cadenas logísticas humanitarias eficientes y resilientes: aplicación de las crisis recurrentes peruanas”. MSc Industrial Engineering, Management of Logistic and Production Systems por la l’École des Mines de Nantes (Francia) el 2007. Proyecto de fin de master: “Puesta en marcha de herramientas y prácticas para el incremento de la productividad en los servicios de un Centro de Distribución”. Ingeniero Industrial por la Pontificia Universidad Católica del Perú en 1995. Actualmente Docente e Investigador. Coordinador y docente en los cursos de Logística Industrial, Planeamiento & Control de Operaciones, Elaboración de Tesis en la Facultad de Ciencias e Ingeniería. Coordinador y docente en los cursos Cortos de Especialización y el Diplomado de Asistentes en Logística del Centro de Educación Continua de la PUCP. Coordinador e investigador del grupo de investigación Grupo para el Manejo de Crisis y Desastres, CID.

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Documents d’Anàlisi Geogràfica 2014, vol. 60/2 419-433

Notas en torno a la seguridad vial. Una revisión desde las ciencias sociales Juan Carlos Dextre Pontificia Universidad Católica del Perú. Departamento Académico de Ingeniería jdextre@pucp.edu.pe

Àngel Cebollada Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Geografia angel.cebollada@uab.cat

Recepción: mayo de 2013 Aceptación: enero de 2014

Resumen En este artículo, se propone una reflexión en torno al concepto de la seguridad vial. La (in) seguridad vial supone un problema de salud pública de primera magnitud a nivel mundial y afecta de forma distinta a territorios y a grupos sociales. A pesar de los esfuerzos de las autoridades locales, nacionales e internacionales para erradicarla, el problema no desaparece y la brecha se agranda. La no-solución no se encuentra sólo en la falta de recursos, sino también en un mal planteamiento del significado del término seguridad vial, en un marco teórico y analítico incompleto y en unas soluciones que no van a los orígenes de los problemas, sino que sólo se quedan en los síntomas. El artículo justifica la necesidad de realizar un cambio conceptual en el análisis y en el tratamiento de la seguridad vial con la incorporación de las ciencias sociales y en donde es fundamental llevar a cabo un análisis sistémico. Palabras clave: seguridad vial; movilidad cotidiana; equidad, ciencias sociales. Resum. Notes entorn de la seguretat viària: Una revisió des de les ciències socials En aquest article es proposa una reflexió al voltant del concepte de la seguretat viària. La (in)seguretat viària suposa un problema de salut pública de primera magnitud a nivell mundial i afecta territoris i grups socials de manera diferent. Malgrat els esforços de les autoritats locals, nacionals i internacionals per eliminar-la, el problema no desapareix i la bretxa es va engrandint. La no-solució no es troba només en la manca de recursos, sinó també en un mal plantejament del significat del terme seguretat viària, en un marc teòric i analític incomplet i en unes solucions que no van als orígens dels problemes, sinó que només es queden en els símptomes. L’article justifica la necessitat de realitzar un canvi conceptual en l’anàlisi i el tractament de la seguretat viària amb la incorporació de les ciències socials, on és fonamental dur a terme una anàlisi sistèmica. Paraules clau: seguretat viària; mobilitat quotidiana; equitat; ciències socials. http://dx.doi.org/10.5565/rev/dag.103

ISSN 0212-1573 (imprès), ISSN 2014-4512 (en línia)

Juan Carlos Dextre; Àngel Cebollada

Notas en torno a la seguridad vial. Una revisión desde las ciencias sociales

Résumé. Notes sur la sécurité routière: Une révision de point de vue des sciences sociales Cet article propose une réflexion sur le concept de la sécurité routière. La sécurité routière ou insécurité routière est un problème de santé publique de première importance dans le monde et est fortement liée aux inégalités entre pays et entre groupes sociaux. Malgré les efforts des autorités locales, nationales et internationales pour éradiquer l’insécurité routière, le problème demeure et l’écart se creuse. La difficulté à trouver des solutions viables ne vient pas seulement du manque de ressources mais aussi de la façon dont le cadre analytique est généralement formulé. De plus, les solutions ne s’adressent pas à la racine des problèmes mais elles traitent les symptômes. Cet article justifie la nécessité d’un changement conceptuel dans l’analyse et le traitement de la sécurité routière avec l’incorporation des sciences sociales, où une analyse systémique est essentielle. Mots-clés: sécurité routière; mobilité quotidienne; équité; sciences sociales. Abstract. Notes about road safety: A review from the social sciences This article aims to suggest a critical approach to the concept of road safety. The lack of road safety is a serious public health problem in the world. It is also a cause of inequality between countries and between social groups. Despite the efforts of local, national and international authorities to eradicate traffic accidents, the problem persists and the gaps are growing. The lack of solutions is not only due to the scarcity of resources. Moreover, theoretical and analytical approaches are wrong; thus, solutions are not going to the roots of the problem, and are only pointing to the symptoms. The article justifies the need for a conceptual shift in the analysis and treatment of road safety, by including a social sciences perspective, where systemic analysis is essential. Keywords: road safety; daily mobility; equality; social sciences. Sumario 1. Seguridad vial y equidad social 2. Aproximación al tratamiento de la seguridad vial. ¿En la buena vía?

3. El cambio del marco conceptual en la seguridad vial. El reto pendiente Referencias bibliográficas

1. Seguridad vial y equidad social La seguridad vial es una de las externalidades negativas de la movilidad contemporánea y tiene un impacto importante en el cumplimiento del derecho a la movilidad de la ciudadanía. La capacidad de moverse para acceder a bienes y a servicios urbanos se ve afectada por la seguridad vial (o, mejor, por la falta de ésta). Esta inseguridad se refiere, en primer lugar (y de la que se hablará en los próximos párrafos), a las víctimas directas de los siniestros, pero también implica la expulsión de usuarios de la vía pública por la percepción de inseguridad que tienen los colectivos más vulnerables de la sociedad (un ejemplo de ello es la (in)capacidad de los niños de desplazarse autónomamente por la ciudad). La seguridad vial, pues, también es una cuestión urbana, de uso del 420 Documents d’Anàlisi Geogràfica 2014, vol. 60/2

Notas en torno a la seguridad vial. Una revisión desde las ciencias sociales

Juan Carlos Dextre; Àngel Cebollada

espacio público y de conflicto entre colectivos, y no se circunscribe únicamente a un tema de red viaria interurbana (con todos los matices sobre este término) y de accidentes entre vehículos motorizados. Además, evidentemente, la seguridad vial implica también modelos de movilidad que, a su vez, muestran una relación directa con la forma de desarrollo del territorio y de los medios de transporte que se generan. Por eso, las ciudades con un desarrollo urbano más compacto y de mayor densidad tienen sistemas masivos de transporte público con mayor cobertura y más seguros. Por otro lado, aquellas ciudades que se desarrollan con baja densidad tienen un uso intensivo del auto, si es que son comunidades de altos ingresos, mientras que las comunidades de bajos ingresos y de baja densidad muestran un uso intensivo de medios de transporte público pequeños, que producen, en los centros urbanos, congestión y competencia agresiva por los pasajeros, lo que finalmente se traduce en inseguridad vial. Si nos fijamos exclusivamente en las víctimas directas afectadas por los siniestros (muertos y heridos —algunos con lesiones permanentes para el resto de sus vidas—), encontramos que, ya en 1974, la Organización Mundial de la Salud (OMS) declaró a los accidentes de tránsito como un problema de salud pública. Desde esa fecha hasta la actualidad, y a pesar de algunos esfuerzos realizados para revertir el problema, éste se ha venido agravando con el tiempo. Desde entonces, los informes de la OMS indican un aumento de muertes (hasta llegar a 1,27 millones) y heridos graves (en torno a los 50 millones de personas) por este motivo (OMS, 2004; OMS, 2009). Pero la inseguridad vial afecta de una forma claramente distinta a los países según sus indicadores de renta y, por ende, su «nivel» de desarrollo humano. Kopits y Cropper (2005) ya señalaron una relación asimétrica positiva entre crecimiento económico y accidentes de tránsito. Söderlund y Zwi (1995) muestran que, teniendo en cuenta el número de vehículos a motor, los países más pobres registran una mayor tasa de mortalidad por accidentes de tránsito. Es, por tanto, también una cuestión de desigualdad entre el Norte y el Sur, si se mira el problema a nivel global. Se puede observar, en general, una relación inversa entre renta per cápita y mortalidad por accidentes de tránsito (véase el gráfico 1). De media, en los países de ingresos altos, se producen 10,3 muertos por accidente de tránsito por cada 100.000 habitantes; en los países con ingresos medianos, 19,5, y en los países con ingresos bajos, 21,5. Así pues, el 91% de las muertes por dicho motivo se producen, aproximadamente, en los países de ingresos bajos y medios. Este problema de equidad se ha incrementado en la primera década del siglo xxi (en 2004, el porcentaje de muertos por accidente de tránsito en los países de ingresos bajos y medios era del 85%) y esta desigualdad no parece que vaya a disminuir en los próximos años, puesto que las proyecciones de la OMS (2004) indican que, a pesar de la reducción del 30% en los países de ingresos altos en el número de muertos, las cifras aumentarán significativamente en los países con ingresos bajos y medios. Las desigualdades existentes entre países desarrollados y países en vías de desarrollo pueden darse dentro de una misma ciudad, como en el caso de Lima, donde la Secretaría Técnica de Lima y Callao (MTC, 2008) reporta Documents d’Anàlisi Geogràfica 2014, vol. 60/2 421

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INB por hab. en US$

100.000

10.000

1.000

100 10,00

1,00

n.º fallecimientos por 100.000 hab.

Figura 1. Mortalidad estimada por accidente de tránsito por 100.000 hab. Fuente: elaboración propia a partir de OMS, 2009.

38 muertos en un pequeño tramo de la carretera central (distrito de Ate Vitarte), mientras que, en el mismo estudio, reporta cero muertes para la totalidad de los distritos de San Isidro (93.000 habitantes) y Miraflores (70.000 habitantes). En este caso, se puede observar que el espacio público y la movilidad en el distrito de Ate es similar a la de un país subdesarrollado, mientras que el espacio público y la movilidad en los distritos de San Isidro y Miraflores son similares a los de un país del Primer Mundo. De todas formas, según indican distintos informes, estas cifras están especialmente subestimadas en el caso de los países de ingresos bajos y medios, debido a que hay una diferencia significativa entre las cifras oficiales reportadas (por la policía) y las estimadas mediante el uso de otras fuentes (sistema de salud, compañías de seguros, etc.). Una de las razones principales de esta discrepancia se explica por el hecho de que, en estos países, no se consideran todas las personas que mueren en los primeros 30 días después de ocurrido el accidente. Distintos estudios se han hecho eco de este desajuste. A pesar de que la World Road Association (2003) recomienda utilizar un factor de ajuste que está en el rango de 1,15 a 1,5 (de un 15% a un 50% de incremento), otros trabajos calculan desajustes más elevados. Lu et al. (2000), para Taiwán, reportan un 130% más de muertos que la policía. La misma OMS (2009) muestra que las diferencias pueden ser más elevadas, especialmente para la mayor parte de países africanos (en el caso del Congo, la cifra puede multiplicarse por 55). Sea lo que fuere, y a partir de los datos de la OMS (2009), se puede apreciar que las variaciones entre las cifras oficiales y las estimadas se incrementan cuando el nivel de ingresos disminuye. Asimismo, las víctimas de los accidentes de tránsito pueden afectar al conjunto de la población, con independencia de la relación que cada individuo mantenga con los medios de transporte. Así, los peatones y los ciclistas suponen, según la OMS (2009), el 46% de las víctimas mortales de accidentes 422 Documents d’Anàlisi Geogràfica 2014, vol. 60/2

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de tránsito del mundo. Estos usuarios vulnerables de las vías de comunicación corren riesgos adicionales cuando sus necesidades no se tienen en cuenta durante la planificación del territorio y la construcción o transformación de la ciudad se hace priorizando el uso del automóvil privado. Si lo observamos por zonas, los porcentajes más elevados de peatones víctimas de accidentes de tránsito se dan en los países en desarrollo, mientras que la mayoría de los países desarrollados presentan porcentajes inferiores. 2. Aproximación al tratamiento de la seguridad vial. ¿En la buena vía? El objetivo de este apartado es conocer las formas en que se aborda el tratamiento de la seguridad vial. Para ello, se analizan los distintos tipos que existen de ésta, algunas visiones en relación con la seguridad vial, los enfoques metodológicos para el tratamiento de los problemas que crea y, finalmente, qué tipo de actuaciones se están realizando para atajar dichos problemas. 2.1. Los tres tipos de seguridad vial Existen tres tipos de seguridad vial: la nominal o normativa; la sustantiva o real, y la percepción de seguridad. Seguridad nominal. Se relaciona con los textos normativos que indican las características de diseño de las vías, por este motivo, también se denomina seguridad legal o normativa (Hauer, 1999), puesto que se considera que una vía es segura si cumple con los requisitos indicados en la normativa. Así, si ocurre un accidente de tránsito en una vía en la que no se ha respetado la norma de diseño, esto trae consecuencias legales, puesto que se puede denunciar al responsable de la vía por daños y perjuicios. Sin embargo, Hauer afirma que esa vía ni es segura ni deja de serlo y que su seguridad es ampliamente impremeditada1. La seguridad vial no es un elemento que ocurra al azar, sino que hay que provocarla, debe ser premeditada2. Seguridad sustantiva. La seguridad sustantiva, también conocida como seguridad objetiva o estadística, está relacionada con los registros de la cantidad y la severidad de los accidentes (Sorensen y Mosslemi, 2009). La relación que existe entre el diseño de una vía y la cantidad de accidentes que ocurrirán en ella ha sido poco investigada, por lo que es una práctica común en el mundo diseñar según los principios de la seguridad nominal, a pesar de que estos no aseguran un nivel apropiado de seguridad sustantiva. 1. Se suele recurrir a la anécdota del «perro muerto» para mostrar la «impremeditación» de la seguridad normativa. Esta anécdota hace referencia a cómo las diferentes normas de diseños de los países prescriben, con criterios distintos, para las curvas verticales, el uso de una parábola suficientemente plana para que, si en la trayectoria de un vehículo hay un objeto de una cierta altura, la persona conductora lo pueda ver desde una distancia suficiente para detenerse con seguridad. Para ampliar la información, puede consultarse Dextre (2010b: 77-78). 2. Muestra de ello es el eslogan de la Organización Mundial de la Salud del año 2004: «La seguridad vial no es accidental». Documents d’Anàlisi Geogràfica 2014, vol. 60/2 423

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Para el correcto conocimiento de la seguridad sustantiva, es preciso tener la información relacionada con los accidentes, así como contar con una metodología que permita estimar la seguridad vial de manera cuantitativa (Zegeer et al., 2010). A pesar de que la publicación del Highway Safety Manual (AASHTO, 2010) establece la metodología para contabilizar la cantidad de accidentes y su evolución para períodos largos, este documento se basa únicamente en los casos de EEUU y Canadá, por lo que es difícil su aplicación a terceros países. Percepción de seguridad. Según Elvik et al. (2008), la seguridad subjetiva tiene dos dimensiones: a) Qué nivel de riesgo perciben las personas acerca del tráfico. b) Qué nivel de disconformidad sienten las personas en referencia a ese nivel de riesgo. La primera componente es la parte cognitiva, mientras que la segunda es la parte emocional y se relaciona con la inseguridad, el miedo o la ansiedad (Sjoberg, 1993). La seguridad subjetiva no sólo afecta a una persona como usuaria de la vía, sino que puede tener afectaciones sobre otros colectivos. Una vez más, el caso de padres y madres, hijos e hijas sirve de ejemplo. La ausencia de más niños en las calles se debe a la percepción de inseguridad por parte de sus progenitores (Elvik et al., 1999): ven una misma calle peligrosa para sus hijos, no para ellos mismos. Por otro lado, también puede darse una sobrevaloración de la seguridad, elemento que permite entender algunas conductas imprudentes adoptadas por personas adultas (Elvik y Bjornskau, 2005). La percepción de seguridad, pues, se perfila como un instrumento que puede empeorar la que es considerada sustantiva si hay una subvaloración del riesgo, pero también puede favorecer la expulsión de usuarios del espacio público si se sobreestima el riesgo (Dextre, 2010a). 2.2. Las visiones de seguridad más importantes Los países que consideran la seguridad vial una política de estado cuentan con alguna organización responsable de definir las estrategias de intervención, que, además, está dotada con recursos financieros que le permiten ejecutar las acciones propuestas. Una de las principales tareas de la organización responsable de la seguridad vial es definir qué se busca para el futuro, lo cual constituye la visión de la seguridad vial del país y cuáles son los beneficios que brinda esta visión (Loo et al., 2005). La visión permite generar y justificar el cambio de actitudes y de comportamientos necesarios para lograr una mejora significativa en la seguridad vial (Monclús, 2007). Dentro de las visiones de seguridad vial que existen en el mundo, destacan la Visión Cero de Suecia y la Seguridad Sostenible de los Países Bajos. La Visión Cero de Suecia ha constituido un cambio de paradigma en la forma en que tradicionalmente se trabaja la seguridad vial. Referente a este cambio de paradigma, es importante resaltar los aspectos siguientes: 424 Documents d’Anàlisi Geogràfica 2014, vol. 60/2

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1. Se fundamenta en el principio ético de que nadie debería morir ni sufrir lesiones para toda la vida como consecuencia de un accidente de tránsito (Tingvall y Haworth, 1999). De este principio, nace la definición principal: «El único número aceptable de muertos o heridos graves en las carreteras es cero». 2. En la manera tradicional de trabajar la seguridad vial, la responsabilidad por la seguridad recae en el usuario individual de las vías, y no en el que diseña el sistema. Bajo la Visión Cero, la responsabilidad recae, principalmente, sobre los que configuran el sistema de carreteras y transporte (Vargverket, 2006). Dejar de culpar al usuario individual y preguntarse en qué está fallando el sistema es fundamental para poder mejorar significativamente la seguridad vial. 3. La velocidad debe subordinarse al objetivo de la Visión Cero, por lo tanto, el sistema de carreteras y transporte debe adecuarse a la violencia externa que tolera biológicamente el ser humano (Wadhwa, 2001). 4. Esta nueva visión de seguridad vial requiere que todos los involucrados en ella entiendan que los seres humanos cometen errores y no es posible evitarlo del todo, porque no existe el ser humano perfecto. En este sentido, se acepta que ocurran accidentes, pero no que de ellos se deriven lesiones serias o la muerte. La implementación de alguna medida de seguridad vial podría tener como resultado un incremento en la cantidad de accidentes, lo cual sería positivo si, en lugar de un muerto, se produjeran, por ejemplo, tres heridos leves; esto significa que el objetivo no es disminuir los accidentes, sino evitar los accidentes fatales y los que producen discapacidades permanentes. La estrategia operacional de la Visión Cero considera, además de la propia vía, su entorno y los elementos de seguridad del propio automóvil, una visión más amplia de la seguridad vial. Estimula que los usuarios utilicen el sistema de una manera segura (Wegman, 2007). En este sentido, es importante contar, por ejemplo, con servicios de transporte alternativo nocturno, para evitar que las personas estén obligadas a llevar sus coches. La Seguridad Sostenible de los Países Bajos especifica que, en el diseño de las carreteras, se deben usar los mismos requerimientos que cuando se diseña una planta de energía nuclear, una refinería, el transporte aéreo o el transporte por ferrocarril (Wegman y Aarts, 2006). El objetivo de la seguridad sostenible es prevenir los accidentes y, cuando esto no sea posible, reducir sus consecuencias al mínimo. Para lograr esta finalidad, se utiliza un enfoque que tiene en cuenta la vulnerabilidad física de las personas, así como las capacidades cognitivas y las limitaciones de los humanos (Rasmussen, 1983; Reason, 1990). Esta filosofía, que se resume en la expresión «prevenir es mejor que curar», se basa en cinco principios básicos: a) Funcionalidad (las vías deben tener una sola función, por lo que deben ser diseñadas según este uso: vías de conexión, vías distribuidoras y vías de acceso) (Dextre, 2008a). Documents d’Anàlisi Geogràfica 2014, vol. 60/2 425

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b) Homogeneidad, o sea, que, para las vías de velocidades medias y altas, exista homogeneidad en masa, velocidad y dirección (por ejemplo: que las bicicletas no puedan ingresar en vías rápidas). c) Previsibilidad, lo cual requiere un diseño coherente y una continuidad o uniformidad de la vía (Dextre, 2008b). d) Indulgencia, según la cual el sistema debe ser indulgente con las personas que cometen errores (Wegman, 2007). Así, la responsabilidad de la seguridad recae, principalmente, sobre los que configuran el sistema de carreteras y transporte; por lo tanto, dejar de culpar al usuario individual y preguntarse en qué está fallando el sistema es fundamental para poder mejorar (en este sentido, coincide con la Visión Cero de Suecia). e) Autoconocimiento, el cual está relacionado con el nivel de sensibilización de los usuarios y con su capacidad de estimar correctamente su habilidad para conducir. 2.3. Los marcos analíticos más utilizados Existen varios marcos analíticos que son utilizados con la finalidad de identificar los factores de riesgo que intervienen en la ocurrencia de los accidentes de tránsito. El objetivo es tratar la accidentalidad vial de una manera sistemática, en lugar de asumir que los accidentes sólo tienen una causa. Enfoque de salud pública. Desde el 2004, la OMS adopta el enfoque de salud pública, que es un marco analítico que permite responder a una serie de problemas de salud y enfermedades, basándose en pruebas científicas y nutriéndose de los conocimientos de la medicina, la biomecánica, la epidemiología, la sociología, la psicología, la criminología, la educación, la economía, la ingeniería y otras disciplinas (OMS, 2004). El enfoque de salud pública se organiza mediante cuatro pasos interrelacionados: a) Vigilancia. Conocer el problema constituye la única manera de tomar decisiones. Por esto, no basta con saber la cantidad de accidentes, muertos y heridos, sino que lo más importante es conocer quiénes son los afectados (nivel socioeconómico, género y grupo etario), dónde ocurren estos accidentes, cuándo ocurren (características temporales), cómo ocurren y cuáles son las consecuencias del accidente (severidad). A menudo, esta información no existe o no está recogida de una forma sistemática, sobre todo en países en desarrollo. b) Identificación de factores de riesgo. El segundo paso es identificar el porqué. Cuáles son los factores que aumentan el riesgo de ocurrencia de accidentes de tránsito, para analizar qué factores son potencialmente modificables. c) Desarrollo y evaluación de las intervenciones. En este paso, se determinan las medidas que pueden ser adoptadas para prevenir el problema o reducir sus consecuencias. Este desarrollo y esta evaluación deben ser multidisciplinarios, de tal manera que cada disciplina pueda aportar sus fortalezas en la prevención de los accidentes (Monclús, 2007; OPS, 2008). 426 Documents d’Anàlisi Geogràfica 2014, vol. 60/2

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d) Ejecución. Es el último paso, que consiste en ejecutar las intervenciones que han demostrado ser las más eficaces o que tienen muchas probabilidades de serlo. Matriz de Haddon. Se trata de una matriz bidimensional (véase la tabla 1), elaborada en 1980, que permite identificar los factores de riesgo antes del choque, durante el choque y después del choque, en relación con la persona, el vehículo y el entorno (Bermúdez, 2008; OPS, 2008). La utilidad de dicha matriz se da cuando se interviene globalmente, interrelacionando las nueve celdas que componen la matriz y no cuando se trabaja cada celda como un compartimento estanco. Asimismo, la matriz de Haddon debe contextualizarse en cada entorno concreto, para garantizar el éxito de la implementación de las medidas que se quieran implementar. Tabla 1. La matriz de Haddon Factores Fase

Humano

Vehículo

Entorno

Antes del choque Prevención de los choques.

Información. Actitudes. Aplicación de la ley.

Choque Prevención de traumatismos durante el choque.

Uso de dispositivos de Sistemas de seguridad seguridad. Disminución pasiva. Contención de de las facultades. la carga.

Elementos protectores a los lados del camino.

Después del choque Preservación de la vida.

Nociones de primeros auxilios. Acceso a la atención médica.

Equipamientos de socorro. Atención prehospitalaria.

Sistemas de seguridad Diseño y trazado activa. de la vía. Control de la velocidad. Límites de velocidad. Señalización.

Facilidad de acceso. Integridad del sistema de combustible.

Fuente: OPS, 2008.

Enfoque sistémico. Trata de evitar que el factor humano, el vehículo y el entorno sean estudiados de manera separada, que es lo que normalmente ocurre cuando se considera que un accidente tiene una sola causa. Además, incorpora, a los factores básicos antes mencionados, el papel que desempeñan los distintos organismos y actores en materia de prevención. Se reconoce, de esta manera, que los traumatismos causados por el tránsito constituyen un problema que requiere un enfoque integral de los factores determinantes, las consecuencias y las soluciones (OPS, 2008). En este enfoque, es necesario analizar el accidente como un hecho complejo que establece muchas interrelaciones entre sus factores básicos (humano, vehículo y entorno) y los organismos y los actores del sistema de prevención. La ocurrencia de un accidente y su severidad pueden ser explicadas como una cadena de eventos, donde la ausencia de uno de los Documents d’Anàlisi Geogràfica 2014, vol. 60/2 427

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eslabones podría haber sido suficiente para que el accidente no hubiera ocurrido o, en todo caso, para que hubiera sido leve o moderado. En la implementación de medidas de seguridad vial que han tenido éxito, lo fundamental ha sido la identificación de las variables que más influyen en la falla del sistema, de esta manera, al realizar el análisis sistémico, se han considerado las principales variables que influyen en el comportamiento del sistema. Si una experiencia exitosa se implementara en otra ciudad o en otro país considerando estas mismas variables, se estaría realizando un análisis sistémico cerrado, mientras que si nuevamente se identifican las variables que más influyen en la zona de estudio, se trataría de un análisis sistémico abierto (Dextre, 2012). Este es uno de los principales errores en la aplicación de las medidas exitosas de países en desarrollo en ciudades que tienen características diferentes y donde la participación de expertos locales es fundamental para entender cómo es que falla el sistema y cómo esta falla del sistema produce accidentes con muertos, heridos y daños materiales. 2.4. Las soluciones de final de tubería Las soluciones utilizadas para reducir el problema de los accidentes son, mayoritariamente, soluciones de final de tubería3. El tratamiento de puntos negros, las auditorías de seguridad vial (ASV) y la evaluación del impacto en la seguridad vial (EISV) son soluciones de final de tubería. El término punto negro se refiere al lugar o a la zona de una vía donde ha ocurrido una cantidad anormalmente alta de accidentes en comparación con otros lugares de la red vial, por lo que se trata de un factor que puede ser usado para identificar dónde y cuándo es necesario intervenir. Las ASV nacen en el momento en que se reconoce que «prevenir es mejor que remediar», o sea, en lugar de investigar y evaluar los puntos negros con la finalidad de proponer medidas correctivas, la ASV se utiliza para identificar y corregir las deficiencias de los proyectos antes que ocurran los accidentes (Belcher et al., 2008; Proctor et al., 2003). La ventaja de la ASV sobre el tratamiento de los puntos negros es que no es necesario que haya víctimas para tratar de intervenir en el problema. Sin embargo, las ASV se ejecutan sobre proyectos que ya han sido seleccionados, lo cual limita el trabajo del auditor. Se trata de hacer la autopista más segura, no de descartar su construcción por otras alternativas mejores (probablemente, su construcción incentivará el uso del coche en detrimento del transporte público, considerado más seguro). Finalmente, la EISV constituye el procedimiento formal realizado por un equipo independiente para evaluar el comportamiento de un proyecto vial 3. El concepto de «solución de final de tubería» es una adaptación del concepto utilizado por la United Nations Environment Program, según el cual la manera tradicional de combatir la contaminación es tratando los desechos contaminantes al final del proceso (tubería), en vez de actuar en origen (o sea, combatir la generación de contaminantes) para reducir al mínimo las necesidades de tratamiento (Dextre, 2010b). 428 Documents d’Anàlisi Geogràfica 2014, vol. 60/2

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o de tránsito con respecto a la seguridad vial del proyecto a realizar (European Transport Safety Council, 1997). La diferencia con respecto a la ASV se encuentra en el alcance y en el momento en que se realiza: la EISV se utiliza para comparar proyectos alternativos y para analizar su efecto, no sólo en el proyecto específico, sino también en toda la red vial donde el proyecto tendrá influencia. A pesar que un EISV puede ser considerado una solución más cerca del inicio de la tubería (dentro de lo que se considera una solución de final de tubería), en muchas ocasiones, y en especial en países en vías de desarrollo, ninguna de las alternativas consideradas podría tener relación con un modelo de ciudad sostenible y segura. 3. El cambio del marco conceptual en la seguridad vial. El reto pendiente A pesar de los esfuerzos que se realizan desde distintos niveles para erradicar a las víctimas de la inseguridad vial, su número no disminuye a un nivel global. Si bien es cierto que puede distinguirse entre los países desarrollados y los países en desarrollo, dicho problema persiste y continúa estando en las agendas de las instituciones de distinto nivel. Y es que, al contrario de lo acontecido en el campo de la movilidad, donde se ha producido una evolución conceptual de los sujetos de estudio, el necesario cambio conceptual en la seguridad vial no se ha producido todavía. En este último apartado, se explica, brevemente, en qué han consistido estos cambios conceptuales en términos de transporte y se propone una reflexión sobre la necesidad de establecer un nuevo marco teórico, donde el tratamiento sistémico y la intervención multidisciplinaria serían fundamentales. 3.1. Del transporte a la movilidad sostenible En la evolución conceptual acontecida en las últimas décadas del siglo xx, se distinguen tres etapas que han marcado dicha evolución. En este proceso, el concepto de movilidad ha reemplazado al de transporte. En un primer momento, el transporte era el elemento hacia el cual se enfocaba el análisis, la planificación y la gestión. Este enfoque, que cuenta con más de cincuenta años de implementación y que sigue siendo utilizado en la mayoría de países en vías de desarrollo, ha dado origen a una rama disciplinaria dentro de la ingeniería civil, conocida bajo el nombre de ingeniería de tráfico o ingeniería de transporte. Este enfoque ha desarrollado modelos con el objetivo de predecir la cantidad de viajes futuros, dónde se producirán estos viajes, cómo se repartirán modalmente y cuáles serán las rutas de estos desplazamientos. De esta manera, se estima la cantidad de flujos de la red vial y se planifica la construcción de la infraestructura necesaria para acomodar estos viajes futuros (Herce, 2009; Ortuzar y Willumsen, 2001). , Bajo su aparente rigurosidad matemática y su carácter irrefutable, este enfoque sólo tiene en cuenta los vehículos motorizados, y son obviados en el modelo las necesidades de los peatones (con toda su diversidad de individuos) y las de los ciclistas. Además, este enfoque ha propiciado la Documents d’Anàlisi Geogràfica 2014, vol. 60/2 429

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construcción de infraestructura viaria bajo la creencia que era la mejor para combatir la congestión. Sin embargo, los estudios niegan esta aparente relación (Dextre, 2007; Jara, 2003; Estevan y Sanz, 1996; Buchanan, 1964). Posteriormente, el enfoque orientado a la movilidad centra el objeto de estudio en el movimiento de personas y mercancías, sin que sea imprescindible el vehículo motorizado (Sanz, 2008). En este nuevo enfoque, ya no es posible considerar como patrón de análisis al conductor (y mucho menos al automóvil), sino que será necesario tener en cuenta las diferentes necesidades que tienen las personas y que serán distintas por grupo etario, género, grupo social, condición física y psíquica, etc., por lo que se ha cambiado el sujeto de estudio. Este enfoque se nutre de varias disciplinas, como la psicología, la sociología, la geografía, la filosofía, la antropología, el urbanismo, así como la ingeniería vial y la ingeniería de transporte. Es mediante estos aportes que se mejora la movilidad de los diferentes usuarios y se incorporan nuevas metodologías que contrastan con los estudios convencionales de tráfico. En este enfoque, la geografía aporta una reflexión importante sobre cómo la organización de un sistema urbano afecta al comportamiento de la movilidad, donde las redes de infraestructuras influyen en la morfología del territorio (Herce, 2009) y donde la fricción de la distancia ha pasado a ser dominada por los adelantos tecnológicos que permitieron un aumento de la velocidad (Miralles, 2002). Como señalaba Whitelegg (1987: 174): «space has functioned as a filter of this risk and imposes its own logic on exposure, susceptibility and infection». El enfoque orientado a la movilidad sostenible se relaciona con el marco conceptual del desarrollo sostenible, el cual marca los criterios de cualquier actividad de las personas que demande la utilización de recursos naturales y humanos (Miralles, 2002). La incorporación de la sostenibilidad en el estudio de la movilidad requiere relacionar los desplazamientos con sus consecuencias ambientales (Sanz, 2008). La movilidad sostenible, por lo tanto, requiere del uso de los medios de transporte más eficientes desde el punto de vista del impacto ambiental y social (el transporte público masivo en todas sus modalidades); mientras que la accesibilidad sostenible se relaciona con el diseño compacto del territorio, para tratar de conseguir que las personas tengan más cerca los servicios y, de esta manera, puedan acceder a ellos caminando, en bicicleta o mediante viajes más cortos de transporte público. 3.2. Apuntes finales: hacia una nueva conceptualización de la seguridad vial El proceso de cambio conceptual acontecido en el tratamiento de la movilidad cotidiana no ha tenido su reflejo en el trabajo de la seguridad vial. Pese a innovaciones interesantes, como son la Visión Cero de Suecia y la Seguridad Sostenible de los Países Bajos, el tratamiento de la seguridad vial está muy enfocado a la construcción y a la mejora de las vías, con el objetivo de que éstas sean «indulgentes» con las personas que cometen errores al volante de un coche 430 Documents d’Anàlisi Geogràfica 2014, vol. 60/2

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y de mejorar la seguridad activa y pasiva en los coches4. Sin embargo, en el caso de los atropellos, el énfasis está dirigido a cambiar el comportamiento de los peatones, aduciendo que son la causa de muchos accidentes y, por ello, deben ser educados y disciplinados (Short y Pinet-Peralta, 2010), lo cual pone a este colectivo en desventaja con respecto a los usuarios de vehículos motorizados. Además, las actuaciones de los organismos internacionales que prestan ayudas a los países en desarrollo a fin de que mejoren su seguridad vial se realizan a través de las dependencias de los gobiernos centrales, y basan su atención en medidas para bajar la accidentabilidad en las carreteras y no en zonas urbanas. En la seguridad vial, pues, es necesario desarrollar un análisis de tipo sistémico abierto, en donde se traten de establecer todas las interrelaciones que influyen en la ocurrencia de accidentes, así como todas las disciplinas que deban estar involucradas para evitarlos. Todo ello integrando los tres tipos de seguridad existentes. Referencias bibliográficas AASHTO (2010). Highway Safety Manual. Washington DC: American Association of State Highway and Transportation Officials. Bermúdez, J. (2008). «Lesionología del trauma por hechos de tránsito». En: Dextre, J. C. (coord.). Vías Humanas: Un enfoque multidisciplinario y humano de la seguridad vial. Lima: Fondo Editorial de la Pontificia Universidad Católica del Perú, 109-148. Belcher, M.; Proctor, S. y Cook, P. (2008). Practical road safety auditing. 2a ed. Londres: Thomas Telford. <http://dx.doi.org/10.1680/prsa.35157> Buchanan, C. (1964). Traffic in Towns. Londres: Penguin Books. Dextre, J. C. (2007). «Por qué al aumentar la infraestructura vial aparecen más coches». En: Libro de ponencias. XVI Congreso Nacional de Ingeniería Civil – CONIC. Arequipa (Perú): CONIC. — (2008a). «Señalización vial: de la teoría a la pràctica». En: Libro de Ponencias. Primer Congreso Iberoamericano de Seguridad Vial (I CISEV). Mayo 2008. San José (Costa Rica): Instituto Vial Ibero-Americano (IVIA). — (coord.) (2008b). Vías Humanas: Un enfoque multidisciplinario y humano de la seguridad vial. Lima: Fondo Editorial de la Pontificia Universidad Católica del Perú. — (2010a). «El libre mercado del transporte en el Perú y los problemas del medio ambiente». En: Libro de Ponencias de la Convención Internacional de Transporte 2001. Cuba. — (2010b). «Nuevos paradigmas en la seguridad vial». En: XVI Congreso Panamericano de Ingeniería de Tránsito y Transporte y Logística. Lisboa. — (2012). «Los tres tipos de seguridad vial y su comportamiento sistémico». En: Congreso Latinoamericano de Accidentología Vial, Criminalistica y Prevención. Mendoza, Argentina. 4. Los Países Bajos, por ejemplo, con unos índices de muertos por accidente de tránsito de los más bajos del mundo (4,8 por cien mil habitantes), presentan un porcentaje alto en mortalidad de ciclistas (el 24% del total de fallecidos por este motivo). Documents d’Anàlisi Geogràfica 2014, vol. 60/2 431

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12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015

OBTENCIÓN DE FACTOR GEOMÉTRICO ÚNICO PARA CÁLCULO DE CONTACTO Y FLEXIÓN EN ENGRANAJES CILÍNDRICOS MEDIANTE SIMULACIÓN CON FEM Franco Rodríguez R., Infanzón García H. L., Díaz Velazco I. Grupo INACOM, Sección Ing. Mecánica, Dpto. de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica del Perú, Av. Universitaria 1801, Lima 32 (Perú) e-mail: rofranco@pucp.pe

RESUMEN Las principales fallas que se producen en los engranajes son: la picadura en el flanco del diente, generada por las tensiones de contacto, y la rotura en la raíz del diente, generada por las tensiones de flexión. Las normas técnicas utilizadas para el diseño de estos elementos de máquina, tales como ISO 6336 y DIN 3990, emplean un conjunto de factores en las expresiones de cálculo de las tensiones de contacto y de flexión actuantes, los cuales tienen por objetivo compensar los errores que se introducen por la aproximación de la geometría del engranaje. En el presente trabajo se propone obtener un factor geométrico único para el cálculo de las tensiones de contacto y otro para el cálculo de las tensiones de flexión en engranajes cilíndricos de ejes paralelos y perfil evolvente. Para alcanzar este propósito se elaboró un modelo de elementos finitos en el software ANSYS, considerando la geometría real de los engranajes. A partir del modelo de elementos finitos utilizado se obtuvieron las tensiones de contacto y de flexión en función de la posición de los engranajes, lo que permitió determinar la posición crítica en cada caso y obtener el factor geométrico único.

PALABRAS CLAVE: Engranaje, Contacto, Flexión, FEM

INTRODUCCIĂ&#x201C;N Algunos investigadores han demostrado que los cĂĄlculos de engranajes, segĂşn las normas tĂŠcnicas especializadas, traen consigo ciertas imprecisiones en el diseĂąo de estos elementos de mĂĄquina. Una de las causas fundamentales de estas imprecisiones radica en que las normas utilizan una geometrĂa aproximada del engranaje para realizar los cĂĄlculos, lo cual se compensa con el uso de varios factores. Investigadores de la Pontificia Universidad CatĂłlica del PerĂş han desarrollado algunos trabajos encaminados a clarificar esta problemĂĄtica. Dentro de los principales trabajos realizados se encuentra â&#x20AC;&#x153;Perfeccionamiento del diseĂąo de los engranajes cilĂndricos de dientes rectos exteriores mediante el mĂŠtodo de los elementos finitosâ&#x20AC;?, el cual estĂĄ relacionado con la obtenciĂłn de ecuaciones paramĂŠtricas que definen la geometrĂa del engranaje y con el cĂĄlculo de tensiones de flexiĂłn en engranajes cilĂndricos de dientes rectos [1]. Otro trabajo importante es â&#x20AC;&#x153;AnĂĄlisis del esfuerzo de contacto en engranajes cilĂndricos de ejes paralelos de perfil evolvente mediante el mĂŠtodo de los elementos finitosâ&#x20AC;?, en el cual se obtienen ecuaciones paramĂŠtricas generalizadas para definir la geometrĂa de engranajes cilĂndricos de dientes rectos y helicoidales, y se calculan las tensiones de contacto en estos engranajes [2]. Internacionalmente tambiĂŠn se ha mostrado gran interĂŠs por este tema, tal como consta en el trabajo de Z. Wei [3], relacionado con la determinaciĂłn de tensiones y deformaciones en engranajes de dientes rectos. Este investigador destaca la necesidad de realizar estudios tridimensionales, entre otros, en engranajes cilĂndricos de dientes helicoidales. J. I. Pedrero et al [4], describe un modelo analĂtico para determinar la distribuciĂłn de carga no uniforme a lo largo de la lĂnea de contacto en engranajes rectos y helicoidales de alto grado de recubrimiento transversal. El autor propone que los resultados obtenidos sean objeto de una revisiĂłn de la norma ISO 6336. AĂąos mĂĄs tarde el mismo autor publica un trabajo relacionado con la determinaciĂłn de las condiciones de carga y tensiones de contacto crĂticas en engranajes rectos y helicoidales estĂĄndar [5]. En sus trabajos de investigaciĂłn M. B. SĂĄnchez et al [6,7], plantea un modelo de cĂĄlculo resistente de engranajes cilĂndricos de alto grado de recubrimiento. En estos trabajos la autora destaca varios aspectos de los engranajes que se deberĂan seguir investigando, dentro de los cuales se encuentran los factores de distribuciĂłn de carga, para realizar un mejor diseĂąo de los engranajes. Un aspecto interesante de sus trabajos radica en que utiliza anĂĄlisis por elementos finitos para validar los resultados analĂticos del modelo propuesto. MĂĄs reciente es el trabajo de T. Jabbour y G. Asmar [8], relacionado con el cĂĄlculo de tensiones en engranajes metĂĄlicos rectos y helicoidales. En esta investigaciĂłn tambiĂŠn se proponen procedimientos analĂticos para determinar las tensiones de contacto y de flexiĂłn, utilizando como medio de validaciĂłn los anĂĄlisis por elementos finitos. En el presente trabajo se pretende generalizar el anĂĄlisis de flexiĂłn y de contacto a los engranajes cilĂndricos, rectos y helicoidales, determinando los factores geomĂŠtricos involucrados en los cĂĄlculos de las tensiones actuantes mediante simulaciĂłn numĂŠrica utilizando modelos de elementos finitos (FEM). A partir de los resultados de estos anĂĄlisis se propone un factor geomĂŠtrico Ăşnico para el cĂĄlculo de las tensiones de flexiĂłn y otro para el cĂĄlculo de las tensiones de contacto. IDENTIFICACIĂ&#x201C;N DE LOS FACTORES GEOMĂ&#x2030;TRICOS INVOLUCRADOS Para lograr el propĂłsito establecido es necesario identificar cuĂĄles son los factores utilizados por las normas tĂŠcnicas de engranajes, relacionados con la geometrĂa del engranaje, que podrĂan ser sustituidos por un factor geomĂŠtrico Ăşnico en base a resultados obtenidos por simulaciĂłn numĂŠrica. En esta tarea es necesario reconocer los dos tipos de comprobaciĂłn principales que se establecen en dichas normas, que son la comprobaciĂłn de tensiones de flexiĂłn en la raĂz del diente y la comprobaciĂłn de tensiones de contacto en el flanco del diente. En los siguientes acĂĄpites se realiza un anĂĄlisis detallado de las expresiones utilizadas, identificando los factores geomĂŠtricos introducidos para compensar la aproximaciĂłn de la geometrĂa del diente en cada caso. ComprobaciĂłn de tensiones de flexiĂłn en la raĂz del diente La norma ISO 6336-3: Calculation of load capacity of spur and helical gears- Part 3: Calculation of tooth bending strength [9], establece las expresiones de cĂĄlculo necesarias para verificar el diseĂąo del engranaje en base a las tensiones de flexiĂłn que se producen en la raĂz del diente. Para ello se determina una tensiĂłn actuante đ?&#x153;&#x17D;đ??š , que luego se compara con una tensiĂłn permisible đ?&#x153;&#x17D;đ??šđ?&#x2018;&#x192; , debiendo cumplirse que la tensiĂłn actuante sea menor o igual que la tensiĂłn permisible, como se aprecia en la expresiĂłn (1).

đ?&#x153;&#x17D;đ??š =

đ??šđ?&#x2018;Ą â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;&#x152; â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;&#x152; â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;&#x152; â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;&#x152; â&#x2C6;&#x2122; đ??ž â&#x2C6;&#x2122; đ??ž â&#x2C6;&#x2122; đ??ž â&#x2C6;&#x2122; đ??ž â&#x2030;¤ đ?&#x153;&#x17D;đ??šđ?&#x2018;&#x192; đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x203A; đ??šđ?&#x2018;&#x17D; đ?&#x2018;&#x2020;đ?&#x2018;&#x17D; đ?&#x153;&#x20AC; đ?&#x203A;˝ đ??´ đ?&#x2018;&#x2030; đ??šđ?&#x203A;˝ đ??šđ?&#x203A;ź

(1)

En el presente trabajo sĂłlo se aborda la tensiĂłn actuante y es en esta expresiĂłn que se identifican los factores utilizados para compensar las aproximaciones de la geometrĂa del engranaje, que son: đ?&#x2018;&#x152;đ??šđ?&#x2018;&#x17D; , đ?&#x2018;&#x152;đ?&#x2018;&#x2020;đ?&#x2018;&#x17D; , đ?&#x2018;&#x152;đ?&#x153;&#x20AC; , đ?&#x2018;&#x152;đ?&#x203A;˝ . La propuesta que se plantea en el cĂĄlculo de tensiones de flexiĂłn es sustituir estos cuatro factores por un Ăşnico factor geomĂŠtrico đ?&#x2018;&#x152;đ?&#x2018;&#x2C6; . ComprobaciĂłn de tensiones de contacto en el flanco del diente La norma ISO 6336-2: Calculation of load capacity of spur and helical gears- Part 2: Calculation of surface durability (pitting) [10], establece las expresiones de cĂĄlculo necesarias para verificar el diseĂąo del engranaje en base a las tensiones de contacto que se producen en el flanco del diente. Para ello se determina una tensiĂłn actuante đ?&#x153;&#x17D;đ??ť , que luego se compara con una tensiĂłn permisible đ?&#x153;&#x17D;đ??ťđ?&#x2018;&#x192; , debiendo cumplirse que la tensiĂłn actuante sea menor o igual que la tensiĂłn permisible, como se aprecia en las expresiones (2) y (3). En estas expresiones los subĂndices 1 y 2 se refieren al piĂąĂłn y a la rueda respectivamente, y de igual manera los subĂndices B y D. đ?&#x153;&#x17D;đ??ť1,2 = đ?&#x2018;?đ??ľ,đ??ˇ â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x153;&#x17D;đ??ť0 â&#x2C6;&#x2122; â&#x2C6;&#x161;đ??žđ??´ â&#x2C6;&#x2122; đ??žđ?&#x2018;&#x2030; â&#x2C6;&#x2122; đ??žđ??ťđ?&#x203A;˝ â&#x2C6;&#x2122; đ??žđ??ťđ?&#x203A;ź â&#x2030;¤ đ?&#x153;&#x17D;đ??ťđ?&#x2018;&#x192;1,2

đ?&#x153;&#x17D;đ??ť0 = đ?&#x2018;?đ??ť â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;?đ??¸ â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;?đ?&#x153;&#x20AC; â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;?đ?&#x203A;˝ â&#x2C6;&#x2122; â&#x2C6;&#x161;

đ??šđ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;˘ + 1 â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;&#x2018;1 â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;? đ?&#x2018;˘

(2)

(3)

Al igual que en el cĂĄlculo de flexiĂłn en el cĂĄlculo de contacto sĂłlo se abordarĂĄ la tensiĂłn actuante, siendo los factores geomĂŠtricos: đ?&#x2018;?đ??ľ,đ??ˇ , đ?&#x2018;?đ??ť , đ?&#x2018;?đ?&#x153;&#x20AC; , đ?&#x2018;?đ?&#x203A;˝ . La propuesta que se plantea en el cĂĄlculo de tensiones de contacto es sustituir estos cuatro factores por un Ăşnico factor geomĂŠtrico Zđ?&#x2018;&#x2C6; . MODELO GEOMĂ&#x2030;TRICO DEL ENGRANAJE Si se desea sustituir los factores utilizados en las normas tĂŠcnicas para compensar las aproximaciones de la geometrĂa de los dientes del engranaje, entonces se debe partir de un modelo geomĂŠtrico que represente realmente al engranaje. El uso de software CAD comercial estĂĄndar, tal como SolidWorks o Inventor, no es apropiado para este fin, ya que los modelos que se pueden diseĂąar con los mismos no representan la geometrĂa real del engranaje. Por este motivo se desarrollaron las ecuaciones paramĂŠtricas que permiten definir las curvas evolvente y trocoide que determinan el perfil del diente, para el caso en que el engranaje es fabricado por un mĂŠtodo de generaciĂłn. Luego se desarrollĂł una aplicaciĂłn CAD para obtener el modelo geomĂŠtrico. Ecuaciones paramĂŠtricas de las curvas que definen el perfil del diente En la figura 1 se pueden apreciar las curvas evolvente y trocoide que delimitan el perfil del diente en el plano transversal del piĂąĂłn o rueda. A continuaciĂłn se plantean las ecuaciones paramĂŠtricas de estas dos curvas [2], correspondientes al primer cuadrante del sistema de coordenadas mostrado en la figura. Las coordenadas đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2019; , đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2019; de la curva evolvente se definen por las ecuaciones (4) y (5) en funciĂłn del parĂĄmetro (ĂĄngulo) đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019; . La ecuaciĂłn (6) se utiliza para obtener el ĂĄngulo que permite ubicar la porciĂłn evolvente del perfil del diente simĂŠtricamente respecto al eje đ?&#x2018;Ś, tal como se aprecia en la figura 2-a). đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2019;(đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019;) =

1 â&#x2C6;&#x2122; [(â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2122; sin đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019; + đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019; â&#x2C6;&#x2122; cos đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019; ) â&#x2C6;&#x2122; cos đ?&#x203A;žđ?&#x2018;&#x2019; + (đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2122; cos đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019; + đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019; â&#x2C6;&#x2122; sin đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019; ) â&#x2C6;&#x2122; sin đ?&#x203A;žđ?&#x2018;&#x2019; ] 2

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1 â&#x2C6;&#x2122; [(đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2122; sin đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019; â&#x2C6;&#x2122; cos đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019; ) â&#x2C6;&#x2122; sin đ?&#x203A;žđ?&#x2018;&#x2019; + (đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2122; cos đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019; + đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019; â&#x2C6;&#x2122; sin đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019; ) â&#x2C6;&#x2122; cos đ?&#x203A;žđ?&#x2018;&#x2019; ] 2

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đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2019;(đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019;) =

đ?&#x203A;žđ?&#x2018;&#x2019; =

đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x153;&#x2039; â&#x2C6;&#x2122; ( + 2 â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;Ľ â&#x2C6;&#x2122; tan đ?&#x203A;ź) + inv(đ?&#x203A;źđ?&#x2018;Ą ) đ?&#x2018;&#x2018; â&#x2C6;&#x2122; cos đ?&#x203A;˝ 2

(6)

Fig. 1: Curvas que delimitan el perfil del diente.

Fig. 2: UbicaciĂłn de las curvas. a) Evolvente; b) Trocoide. Las coordenadas đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;Ą , đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;Ą de la curva trocoide se definen por las ecuaciones (7) y (8) en funciĂłn del parĂĄmetro (ĂĄngulo) đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą . Las ecuaciones (9), (10), (11), (12), (13), (14) y (15) complementan los cĂĄlculos de las coordenadas, y la ecuaciĂłn (16) se utiliza para obtener el ĂĄngulo que permite ubicar la porciĂłn trocoide del perfil del diente simĂŠtricamente respecto al eje đ?&#x2018;Ś, tal como se aprecia en la figura 2-b). đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;Ą(đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą) = (đ?&#x2018;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x17D;(đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą) + đ?&#x2018;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;(đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą) ) â&#x2C6;&#x2122; cos đ?&#x203A;žđ?&#x2018;Ą + (đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x17D;(đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą) + đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;(đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą) ) â&#x2C6;&#x2122; sin đ?&#x203A;žđ?&#x2018;Ą

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đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;Ą(đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą) = â&#x2C6;&#x2019;(đ?&#x2018;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x17D;(đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą) + đ?&#x2018;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;(đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą) ) â&#x2C6;&#x2122; sin đ?&#x203A;žđ?&#x2018;Ą + (đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x17D;(đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą) + đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;(đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą) ) â&#x2C6;&#x2122; cos đ?&#x203A;žđ?&#x2018;Ą

(8)

đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x17D;(đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą) = [ â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x203A; â&#x2C6;&#x2122; (â&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x17D; + đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x201C; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x153;&#x152;đ?&#x2018;&#x201C; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ľ)] â&#x2C6;&#x2122; sin đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą â&#x2C6;&#x2019; â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą â&#x2C6;&#x2122; cos đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;Ą 2 2

(9)

𝑑 𝑑 𝑉𝑒𝑎(𝜃𝑡) = [ − 𝑚𝑛 ∙ (ℎ𝑎 + 𝑐𝑓 − 𝜌𝑓 − 𝑥)] ∙ cos 𝜃𝑡 + ∙ 𝜃𝑡 ∙ sin 𝜃𝑡 2 2

(10)

𝑣𝑒𝑙 )| − 𝜃𝑡 ) 𝑢𝑒𝑙

(11)

𝑣𝑒𝑙 𝑉𝑟𝑒𝑙(𝜃𝑡) = √𝑢𝑒𝑙 2 + 𝑣𝑒𝑙 2 ∙ sin (𝜋 + |tan−1 ( )| − 𝜃𝑡 ) 𝑢𝑒𝑙

(12)

𝑚𝑛 ∙ 𝜌𝑓 2 𝑣𝑒𝑙 = cos 𝛽 ∙ √( ) − 𝑢𝑒𝑙 2 cos 𝛽

(13)

𝑈𝑟𝑒𝑙(𝜃𝑡) = √𝑢𝑒𝑙 2 + 𝑣𝑒𝑙 2 ∙ cos (𝜋 + |tan−1 (

𝑢𝑒𝑙 =

𝜑 = tan

−1

tan(𝜑 + 𝜃𝑡 ) ∙

𝑚𝑛 ∙ 𝜌𝑓 cos 𝛽

(14)

√cos 2 𝛽 + tan2 (𝜑 + 𝜃𝑡 )

𝑑 ∙ 𝜃 ∙ cos 𝜃𝑡 2 𝑡 [ ] 𝑑 −𝑚𝑛 ∙ (ℎ𝑎 + 𝑐𝑓 − 𝜌𝑓 − 𝑥) ∙ cos 𝜃𝑡 + ∙ 𝜃𝑡 ∙ sin 𝜃𝑡 2 𝑚𝑛 ∙ (ℎ𝑎 + 𝑐𝑓 − 𝜌𝑓 − 𝑥) ∙ sin 𝜃𝑡 +

𝜌𝑓 𝑚𝑛 𝜋 ∙ [ + (ℎ𝑎 + 𝑐𝑓 − 𝜌𝑓 ) ∙ tan 𝛼𝑛 + ] cos 𝛽 4 cos 𝛼𝑛 𝛾𝑡 = 𝑑 2 Aplicación CAD para el modelamiento 3D de los engranajes

Fig. 3: Ventana de la aplicación CAD desarrollada.

(15)

(16)

Las ecuaciones paramétricas desarrolladas fueron utilizadas para implementar una aplicación CAD (macro) en el entorno del software SolidWorks, de manera que se pudiera obtener un modelo geométrico que represente la geometría real de los dientes del engranaje. La aplicación permite obtener la geometría real de engranajes cilíndricos de ejes paralelos y perfil evolvente que son fabricados por un método de generación, considerando cualquier número de dientes, factores de corrección y parámetros de la herramienta de corte. Los datos requeridos por la aplicación para generar el modelo geométrico de los engranajes comprende los parámetros del perfil de la herramienta de corte, el número de dientes del piñón y de la rueda, el factor de corrección del piñón y de la rueda, el ancho del piñón y de la rueda, el ángulo de la hélice y su dirección (izquierda o derecha). También se requiere definir el número de puntos que se utilizarán para trazar las splines, que sustituirán las respectivas curvas evolvente y trocoide. Cabe señalar que, según las pruebas realizadas, con 20 puntos se logra un ajuste de alta precisión, con un error menor a 10 -4 veces el módulo. En la figura 3 se puede apreciar la ventana principal de la aplicación desarrollada. MODELO DE ELEMENTOS FINITOS PARA LOS ANÁLISIS Una vez obtenido el modelo geométrico del engranaje es necesario definir el tipo de análisis que se desea realizar para obtener las tensiones de contacto y de flexión. En este trabajo se optó por un análisis estático estructural, elección similar a la de otros autores, en el que juega un papel decisivo las condiciones bajo las cuales se simule el contacto entre los dientes de los engranajes. Además, la malla de elementos finitos, las restricciones de desplazamientos y la forma de aplicación de la carga, son aspectos muy influyentes en los resultados finales. Condiciones de contacto El tipo de contacto entre las superficies de los dientes del piñón y de la rueda se definió como contacto sin fricción (Frictionless), utilizando elementos de contacto CONTA174 y TARGE170. Se definió un comportamiento simétrico del contacto (Symmetric), de manera que los resultados de una sola simulación estuvieran disponibles tanto para el piñón como para la rueda. La formulación seleccionada para el cálculo del contacto fue Augmented Lagrange, la cual asegura un buen comportamiento del par de contacto y es menos sensible a la variación del factor de rigidez normal. El método de detección seleccionado fue en los puntos de Gauss (On Gauss Point), que se considera más preciso que la detección en los nodos. Un aspecto clave para evitar las fallas de no convergencia en el problema de contacto no lineal es el tratamiento de interface, seleccionado en este caso como Adjust to Touch, con lo que se garantiza el contacto inicial entre las dos superficies de contacto cuando existe alguna holgura en el modelo. Por último, se tomó un valor de 0.1 para el factor de rigidez normal. Esta configuración de las condiciones de contacto es similar a la utilizada por J. Zhan et al en su trabajo realizado para estimar la capacidad de carga de los engranajes [11]. Mallado y condiciones de contorno Para los análisis solamente se utiliza una porción del piñón y de la rueda, considerando un número de dientes que depende del grado de recubrimiento de la transmisión, el número de dientes será como mínimo el número entero inmediato superior al grado de recubrimiento. Los sólidos formados son discretizados con elementos 3D tetraédricos de segundo orden SOLID187, de 10 nodos. Estos elementos tienen un comportamiento cuadrático de los desplazamientos y son apropiados para modelar mallas irregulares. Un detalle de la malla generada se puede apreciar en la parte izquierda de la figura 4, en el que se puede notar un refinamiento en las regiones de contacto y en la raíz del diente. Las condiciones de contorno aplicadas consisten en fijar la cara cilíndrica del cubo y las caras laterales que delimitan la porción analizada de la rueda. En el piñón la cara cilíndrica del cubo y las caras laterales que delimitan la porción analizada se fijan de manera rígida a un punto remoto que se ubica sobre el eje del piñón, dejando como único grado de libertad la rotación sobre dicho eje. Por último, se aplica el momento torsor sobre el punto remoto que se encuentra en el eje del piñón. Esta configuración es muy similar a la recomendada por F. L. Litvin y A. Fuentes, en su libro Gear Geometry and Applied Theory [12]. En la parte derecha de la figura 4 se puede apreciar las condiciones de contorno aplicadas.

Fig. 4: Malla de elementos finitos y condiciones de contorno impuestas. RESULTADOS OBTENIDOS Los resultados directos de la simulación son las tensiones máximas de contacto en el flanco del diente y las tensiones máximas de flexión en la raíz del diente. Después de obtener estos resultados se procede a establecer un factor geométrico único para las tensiones de contacto y otro para las tensiones de flexión. Tensiones máximas de contacto y de flexión Las tensiones de contacto máxima para una posición relativa determinada entre el piñón y la rueda se encuentran en un punto intermedio del diente que presenta mayor rigidez en ese instante. De forma similar se obtiene un punto de mayor tensión en la raíz del diente. Para buscar los máximos absolutos de ambas tensiones, las cuales se necesitan para los cálculos, se analizaron 20 puntos distribuidos desde el inicio hasta el final del contacto de una pareja de dientes para cada variante analizada.

Fig. 5: Tensiones de contacto y de flexión en los dientes del engranaje.

Factor geomĂŠtrico Ăşnico El factor geomĂŠtrico Ăşnico para calcular las tensiones de flexiĂłn en la raĂz del diente se obtiene por la expresiĂłn (17), deducida al igualar la tensiĂłn actuante de la expresiĂłn (1) a la tensiĂłn de flexiĂłn mĂĄxima calculada por simulaciĂłn. đ?&#x2018;&#x152;đ?&#x2018;&#x2C6; = đ?&#x2018;&#x152;đ??šđ?&#x2018;&#x17D; â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;&#x152;đ?&#x2018;&#x2020;đ?&#x2018;&#x17D; â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;&#x152;đ?&#x153;&#x20AC; â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;&#x152;đ?&#x203A;˝ = đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;&#x20AC;đ??¸đ??šâ&#x2C6;&#x2019;đ??š â&#x2C6;&#x2122;

đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x203A; đ??šđ?&#x2018;Ą

(17)

De forma similar se obtiene el factor geomĂŠtrico Ăşnico para calcular las tensiones de contacto por la expresiĂłn (18), deducida al igualar la tensiĂłn actuante de la expresiĂłn (2) a la tensiĂłn de contacto mĂĄxima calculada por simulaciĂłn. En este caso el factor de elasticidad đ?&#x2018;?đ??¸ no es propiamente geomĂŠtrico, pero su efecto estĂĄ tambiĂŠn involucrado en el modelo de elementos finitos, por lo que puede considerarse incluido dentro del factor Ăşnico. đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2C6; = đ?&#x2018;?đ??ľ,đ??ˇ â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;?đ??ť â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;?đ??¸ â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;?đ?&#x153;&#x20AC; â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;?đ?&#x203A;˝ = đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;&#x20AC;đ??¸đ??šâ&#x2C6;&#x2019;đ??ś â&#x2C6;&#x2122; â&#x2C6;&#x161;

đ?&#x2018;&#x2018;1 â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x2018;? đ?&#x2018;˘ â&#x2C6;&#x2122; đ??šđ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;˘ + 1

(18)

CONCLUSIONES Dado que el cĂĄlculo de tensiones actuantes de contacto y de flexiĂłn es factible mediante simulaciĂłn numĂŠrica con FEM, hipĂłtesis confirmada por varios autores que utilizan esta herramienta para validar sus modelos analĂticos, entonces las expresiones (17) y (18) permitirĂĄn obtener factores geomĂŠtricos Ăşnicos adecuados para efectuar los cĂĄlculos segĂşn las normas ISO 6336-3 e ISO 6336-2. Para su aplicaciĂłn prĂĄctica estas expresiones podrĂan ser utilizadas para desarrollar nomogramas o ecuaciones de regresiĂłn, a partir de una baterĂa de simulaciones que tendrĂan como variables el nĂşmero de dientes del piĂąĂłn y de la rueda, el factor de correcciĂłn del piĂąĂłn y de la rueda y el ĂĄngulo de hĂŠlice, manteniendo constante los parĂĄmetros de la herramienta de corte. AGRADECIMIENTOS Un especial agradecimiento al Vicerrectorado de InvestigaciĂłn de la Pontificia Universidad CatĂłlica del PerĂş, que a travĂŠs de la DirecciĂłn de GestiĂłn de la InvestigaciĂłn (DGI), apoyĂł el proyecto 2015-4-0004: â&#x20AC;&#x153;Desarrollo de un sistema inteligente de diseĂąo mecĂĄnico para mejorar la competitividad de la empresa metalmecĂĄnica nacional aplicado a cajas reductoras de engranajes cilĂndricos con carcasa soldada de uso en la industria mineraâ&#x20AC;?, del cual forma parte la presente investigaciĂłn. REFERENCIAS 1.

3. 4.

5. 6. 7.

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Fuerza tangencial nominal (N). Esfuerzo de flexión actuante (MPa). Esfuerzo de flexión permisible (MPa). Esfuerzo de contacto actuante (MPa). Esfuerzo de contacto nominal en el punto de paso (MPa). Esfuerzo de contacto permisible (MPa). Factor de forma. Factor de concentración de tensión. Factor de relación de contacto. Factor de ángulo de hélice. Factor de servicio por aplicación de carga. Factor dinámico. Factor de carga a lo ancho para el esfuerzo en el fondo del diente. Factor de carga transversal para el esfuerzo en el fondo del diente. Factor de carga longitudinal para esfuerzo de contacto. Factor de carga transversal para esfuerzo de contacto. Factor de contacto del piñón. Factor de zona. Factor de elasticidad (√MPa). Factor de relación de contacto. Factor de ángulo de hélice. Relación de transmisión. Número de dientes. Factor de corrección. Ángulo de la hélice (°). Ángulo de la herramienta (°). Ángulo de presión en el plano transversal del piñón o rueda (°). Ángulo de presión en el plano normal del piñón o rueda (°). Ancho del engranaje (mm). Módulo normal (mm). Diámetro primitivo del piñón (mm). Diámetro primitivo del piñón o rueda (mm). Diámetro básico del piñón o rueda (mm). Diámetro de fondo del piñón o rueda (mm). Diámetro exterior del piñón o rueda (mm). Factor de altura de la cabeza del diente. Factor de altura de la raíz del diente. Factor de holgura radial. Factor de redondeo de la raíz del diente. Tensión de flexión máxima en la raíz del diente obtenida por simulación (MPa) Tensión de contacto máxima en el flanco del diente obtenida por simulación (MPa)

12th North American Masonry Conference Masonry: Science • Craft • Art Denver, Colorado May 17 – 20, 2015 OUT-OF-PLANE SEISMIC BEHAVIOR OF PARTITION WALLS MADE OF SILICA LIME P-7 UNITS Daniel Quiun1 , Diana Sulca2

Abstract Many housing buildings in Peru are being constructed using partition walls made of silica lime (calcium silicate or sand lime) units, called “Placa P-7” or “Placa P-10” in Peru, of 70 or 100 mm thickness, filled with grout. In the beginning years, when the P-7 walls were introduced in buildings, the units were placed stack bonded with continuous vertical joints, as pillars. Lately, these walls are being built with the units overlapping at half blocks [CML Lacasa, 2014]. The paper presents an experimental test series, using a RC frame with two P-7 partition walls, one with the stacked bonded units, and the other with overlapping units. The vertical reinforcement in both walls consisted in overlapping vertical bars anchored into the bottom and upper beams. The frame with the two partition walls was subjected to out-ofplane seismic simulation tests in the shaking table of the Structures Laboratory of the Pontificia Universidad Catolica del Perú. Both walls resisted all the shakings with large lateral displacements. It is recommended that a drift limit should be established to avoid panic. Afterwards, a static test was performed, rotating the walls 90° to a horizontal plane, and subjecting them to vertical loads. The chemical anchorage of the vertical reinforcement bars worked well, the failure occurred at the mid zone of the partition wall. Keywords: Partitions, out-of-plane, silica lime, earthquakes, shaking table, overlaps

Introduction Many housing buildings in Peru are being constructed using partition walls made of silica lime (calcium silicate or sand lime) units, called “Placa P-7” in Peru. The block dimensions are 70 mm thickness, 500 mm length and 250 mm height, later filled with grout (Figure 1). The producer specifies that the reinforcement bars of 6 mm diameter are placed in two parts, overlapping at two-thirds of the height [CML Lacasa, 2014]. Holes are drilled in the base and upper beams to anchor the bars with epoxy. Such construction system is not included in the 1

Professor, Department of Engineering Pontificia Universidad Catolica del Peru, Av Universitaria 1801, Lima 32, PERU, dquiun@pucp.edu.pe 2 Civil Engineer, Pontificia Universidad Catolica del Peru, dcarolinasulca@gmail.com

Peruvian Masonry Code [Sencico 2006] (Norma E.070 in Spanish) and has not yet been subjected to severe earthquakes. Only a few cracks occurred in P-7 walls in buildings during the 2007 earthquake in Lima, about 200 km far from the epicenter (0.07g ground acceleration); the cracks were vertical in the joint between pillars [San Bartolome 2011].

Figure 1. P-7 Block and typical partition wall [CML Lacasa, 2014]

The research objectives were to study the seismic behavior of two kinds of partition walls of P-7 units: one wall with the units placed stack bonded with continuous vertical joints, used in the beginning years (as pillars), and the other wall with overlapping units at half blocks, used in more recent years and currently used in actual buildings. A concrete frame with the two partition walls was subjected to out-of-plane seismic simulation tests in the shaking table of the Structures Laboratory of the Pontificia Universidad CatĂłlica del PerĂş. Also, the experimental program included the evaluation of the effectiveness of the chemical anchorage with epoxy when subjected to out-of-plane forces.

Specimen Characteristics The concrete frame used to construct the two partition walls, was made of two columns of 0.25 x 0.25 x 2.40 m and a beam of 0.25 x 0.25 x 4.20 m. The foundation beam was 0.30 x 0.30 x 4.50 m. Both partition walls of reinforced masonry were made of P-7 silica lime blocks of dimensions 1.25 m length, 2.40 m height and 0.07 m thickness. Partition wall W1 masonry had the overlapping units and wall W2 had the stacked bonded units (as pillars). The vertical reinforcement was of 6 mm diameter; wall W1 had 3 bars, and wall W2 only 2 bars (Figure 2). The different amount of reinforcement bars was caused by the different alignment between consecutive layers of the unit cells within the walls, so that the vertical bars could pass. In both walls, the vertical bars were anchored with epoxy to the frame beams, with 300 mm overlap at almost two thirds of the height. The horizontal reinforcement consisted in 6 mm diameter bars, placed without any anchor at the borders, every 2 layers, making a total of 4 bars per wall. The unit weight of the grouted reinforced masonry was considered to be 19.6 kN/m3. The total weight of each partition wall was then 19.6x1.25x2.4x0.07 = 41.16 kN.

0.25m 0.05m

0.3m

2.40 m

0.5m

0.30 m 1.25m

1.25m

Figure 2. Wall dimensions and reinforcement.

Theoretical Seismic Behavior of the Specimens The structural behavior of the walls of height h, when subjected to seismic out-of-plane forces (distributed uniform force w) can be modeled as a beam fixed at both end borders (Figure 3). The maximum flexural moments (wh2/12) occur at both borders, so at these line borders, the flexural cracks and plastic hinges should develop firstly. Afterwards, the walls behave as a simply supported beam in which the maximum moment occurs at mid span (mid height, near where the vertical bars overlap), equal to (wh2/8). If the third hinge develops in this central part, the wall would break and collapse.

Figure 3. Wall model and initial bending moments.

Parameters and list of symbols The following list indicates the parameter and values used in the analysis. L = 1250 mm = Wall length h = 2400 mm = Wall height t = 70 mm = Wall thickness A = cross section area = t L = 87500 mm2 I = moment of inertia in the flexural (weak) direction = L t3 /12 = 35.73x106 mm4 y = distance from the center to the tension border = Â˝ t = 35 mm As = area of a 6 mm reinforcing bar = 28.3 mm2 fy = 420 MPa = yield stress of Steel bars fÂ´m = 10.78 MPa = compression strength of the P-7 masonry ď § = 19.6 kN/m3 = volumetric weight of masonry Seismic design load The Peruvian Masonry Code [Sencico, 2006], establishes an elastic design load, w, given by equation [1]. Ultimate load, w u, is given by amplifying w by a 1.25 factor. đ?&#x2018;¤ = 0.8 đ?&#x2018;? đ?&#x2018;&#x2C6; đ??ś1 đ?&#x203A;ž đ?&#x2018;Ą

[1]

In which parameters Z, U, C1 are given by the Peruvian Seismic Code [Sencico, 2003]; that is Z = seismic zone factor (Zone 3 for the coast, maximum seismicity Z = 0.4); U = importance factor (U = 1, for housing buildings); and C1 = seismic coefficient (partition at a building border that may fall down, C1=1.3). Replacing values: w= 568.4 N/m2; the ultimate load is then wu=710.5 N/m2. Seismic load for tension strength of masonry According to the Peruvian Masonry Code, the allowable tension by flexure for masonry filled with grout, is fâ&#x20AC;&#x2122;t=0.294 MPa (3 kg/cm2). Such stress would be reached in the masonry when the flexural moment wh2/12 produces a normal stress at the border given by Equation [2]. ď ł = M y / I = (w L h2 /12) y /(I)

[2]

From the former paragraph, an allowable load w=500 N/m2 can be obtained. This allowable load is less than the design Code load. Therefore, vertical reinforcement is required. Resistant Flexural Moment (MR) The possibility of yielding of the vertical reinforcement is examined. If the steel undergoes the strain hardening, the flexural resistance could be even larger than calculated. As the walls W1 and W2 had different vertical reinforcement, their resistant flexural moment, MR, will be different. The free body diagram is shown in Figure 4, and the tension and compression forces (T and C) are given in equations [3].

T = As fy, located at t/2. C = 0.85 f´m L a MR (Wall W1 or W2) = As fy (t – a) / 2

[3]

For wall W1 with 3 bars, As = 3x28.3 = 84.9 mm2. The equilibrium of vertical forces requires that tension and compression forces (T and C) are the same, and we can obtain a distance a=3 mm. By equation [3] the wall W1 give a resistant moment MR (W1) = 1156.4 N-m. For wall W2 with 2 bars, As = 2x28.3 = 56.6 mm2. The distance a was found as 2 mm, and the resistant moment MR (W2) = 784 N-m.

t/2

Figure 4. Wall model for finding the load required to develop plastic hinge at borders.

Load required to plastic hinges at borders (wy) According to the fix-end model, at both borders of the walls the plastic hinges should develop for a load wy. The acting moment due to a load wy would be wy L h2 /12. The resistant flexural moment, MR, was calculated in the previous section using the data of both walls. Equating the acting moment and the resistant moment we can obtain load wy. For wall W1 we get wy (W1) = 1931 N/m2 , and for wall W2 we may find wy (W2) = 1303 N/m2. In both walls, these loads exceed the design load wu. This means that the provided reinforcement is larger than needed. On the other hand, the acting moment at mid height is obtained as w L h2 /24. For wall W1, this center moment is 578.2 N-m, and for wall W2, it is 392 N-m. So, to produce a three hinge mechanism, these moments should increase to reach the MR value for each wall. In wall W1, M (W1) = 1156.4– 578.2= 578.2 N-m, and for wall W2, M (W2) = 784 - 392 = 392 N-m.

Load required to collapse with three-hinges mechanism (wc) According to the fix-end model, at both borders of the walls the plastic hinges should develop. Then, the load increase w, produces an increase in the center moment of w L h2 / 8. If we equal this moment increase to the ones from the previous paragraph, we can obtain the load

increase to get a three-hinge mechanism. In wall W1, w (W1) = 647 N/m2, and for wall W2, w (W2) = 431 N/m2. The collapse load, wc, is given by adding the load wy to this load increase w. For wall W1, wc (W1) = 1931 + 647 = 2578 N/m2 ; and for wall W2, wc (W2) = 1303 + 431 = 1734 N/m2. Given the larger amount of reinforcement provided in wall W1 than wall W2, it is expected a better seismic behavior in wall W1.

Construction of the Partition Walls The construction of the partition walls started by marking in the foundation and top beams the location of the vertical reinforcing bars. For wall W1, three holes were drilled and for wall W2 two holes, each had 6mm diameter and 25 mm depth. The epoxy mixture was then prepared and poured into the holes (Figure 5). The process was repeated for the upper beam . The vertical bars were inserted taking care of the 300 mm overlap, which was wrapped with masking tape.

Figure 5. Holes filled with epoxy and bar insertion. Mortar and grout were prepared in separated plastic tubs. All block units P-7 were cleaned with a dry brush before being placed. A layer of mortar of 10 mm was used for the first layer, and after finishing it, the block voids were filled up with grout. This process was continued for the next layers, grouting the voids of the laid blocks. Every two layers, the horizontal bars were placed in the mortar joints (Figure 6, left). During all the partition wall construction, the blocks were kept in their alignment using fixed steel rulers as references. Figure 6, right, shows both walls already built.

Figure 6. Horizontal bars (left) and full walls (right).

Shaking Table Test of the Partition Walls The concrete frame with the two partition walls was placed on the shaking table of the Structures Laboratory of the Pontificia Universidad Catolica del Peru. The test was divided in three steps of increasing acceleration, simulating mild, medium and severe earthquakes as defined in the Peruvian Seismic Code [Sencico 2003]. The Lima record acceleration from the May 31, 1970 earthquake in Peru was used, with 30 seconds duration. The upper beam was braced using steel elements (Figure 7, left). Four accelerometers and one displacement transducer were employed in each wall, in order to calculate the distributed out-of-plane load â&#x20AC;&#x153;wâ&#x20AC;?. The LVDT was placed at the center of the wall, for further obtaining the w-d relations (see Figure 7, right, and Figure 8).

W1 W2

Figure 7. Frame fixed to the shaking table and steel braces with the partition walls.

Figure 8. Accelerometers and LVDTâ&#x20AC;&#x2122;s placed on both walls. In Step1 corresponding to a mild earthquake (no damage should occur), both walls remained in the elastic range, without any cracks. Step 2 corresponds to a medium earthquake (minor damage in structural elements is expected); both walls started to crack at the borders indicating a behavior as fixed ends. The units themselves had no cracks. For Step 3 that simulates a severe earthquake (damage is expected in structural elements, but preventing their collapse), large lateral displacements were clearly observed, that in a real building could produce panic in the people. Therefore, it is proposed that the displacement at mid height should be limited to a 1% drift, which means a maximum displacement of 12 mm. The cracks at the borders increased in width, and two horizontal cracks appeared at mid height (Figure 9). Some of the P-7 blocks had small cracks and broke at their corners.

Figure 9. Horizontal cracks in the joints of W1 (left) and W2 (right), appeared for the severe simulated earthquake.

To calculate the horizontal forces, each wall was divided into three horizontal strips of 800mm height. The upper and middle strips had two accelerometers each, so the average of the two records was multiplied by the corresponding wall mass. For the lower strip, the average between the table acceleration and the middle strip acceleration was obtained. The total forces in the three strips were calculated in terms of the recorded accelerations. The total force was divided into the wall area to give the experimental distributed load â&#x20AC;&#x153;wâ&#x20AC;?. Table 1 has the maximum values for the displacement and distributed loads for walls W1 and W2.

Table 1. Maximum table accelerations, displacements and distributed loads. Ao (g)

d1 (mm)

d2 (mm)

w1 (N/m2)

w2 (N/m2)

Step 1

0.261

0.976

0.858

464

459

Mild earthquake

-0.309

-1.114

-1.073

-568

-563

Step 2

0.667

6.44

2.798

2527

1709

Medium earthquake

-0.890

-5.64

-3.108

-2311

-1597

Step 3

1.267

11.43

6.52

3290

1998

Severe earthquake

-1.63

-11.45

-11.80

-3676

-1356

Figure 10 displays the relations between the experimental distributed load w and the central displacement for both walls and experimental step 3 in the strongest part of the shakings. The envelope curve w-d shown in Figure 11, show us the overall behavior of both walls in the shaking table tests. As expected, partition wall W1 (with 3 rebars) has more resistance than wall W2 (with 2 rebars), but in the steps 1 and 2 (mild and moderate earthquakes) the behavior of the walls are quite similar.

Figure 10. Shaking table test, step 3 for wall W1 (left) and wall W2 (right)

Figure 11. Shaking table test w-d envelope. Table 2 compares the experimental load w and the theoretical w values obtained earlier. It can be noted that the experimental resistance of the partition walls from the severe earthquake (step 3) are larger by far than the ultimate design load, more than 5 times for W1 and 2.8 times for W2. The resistance associated to the yield of the rebars was also less than the experimental loads, 1.4 times for W1 and 1.15 times for W2. It might have happened that the steel had entered the strain hardening behavior in step 3, because of the extremely large displacements observed in the center part during the tests.

Table 2. Comparison of loads Ultimate design load (Masonry Code) Theoretical collapse load Wall W1 Theoretical collapse load Wall W2 Experimental load step 3 wall W1 Experimental load step 3 wall W2

w (N/m2) 715 2577 1735 3675 1999

Static Test on the Partition Walls The purpose of the static test was to find out the collapse load and mechanism of final failure. It consisted in rotating 90Â° the specimen and loading the walls with the weight of a set of bricks. Each added brick has a mass of 3.82 kg so its weight is 37.4 N. During the rotation, wall W2 collapsed (Figure 12), due to the higher degree of cracks after the shaking table test. It can be concluded that it could not resist its own weight (1 g acceleration). The loading operation on the static test was then only applied to wall W1. It collapsed after 111 bricks were placed, or 4155 N; the distributed load was 4155/(2.4x1.25)=1385 N/m2. The

self weight of the wall is 19600 N/m2 x 0.07m = 1372 N/m2. So, the total collapse load was 2757 N/m2. The theoretical collapse load that was obtained earlier was 2578 N/m2, the difference between the two values is only 7%.

Figure 12. Collapse of wall W2 under rotation.

Conclusions Two different non-structural walls made of silica lime units, were tested under out-of-plane seismic forces; the walls had different arrangements and amounts of reinforcement. In Peru, walls like W1 with stack bonded units were used in the early years, and had some cracks in the 2007 earthquake; walls like W2 with overlapping units are currently in use. The shaking table test revealed that for a severe earthquake, the vibration and large displacements in both walls can produce panic in the people, so a drift limit of 1% in the mid height is recommended to be established. The model of the walls was verified experimentally as fixed at the bottom and top ends. After the hinges appeared at both ends, despite the different amount of reinforcement, the failure in both walls started (without collapse) when the third hinge developed, near the mid height, for the severe simulated earthquake. The static test demonstrated that the epoxy anchorages employed at both borders for the vertical bars worked well. The final failure occurred in the mid region of the walls, near the overlapping of the bars, so it is recommended that the overlap should be around two-thirds of the wall height. The calculations for the Code design load and the experimental loads in the seismic simulation tests indicate that the reinforcement specified by the producer is excessive. Given the amount of these partition walls in the buildings in Peru, the research on the partition walls should continue.

Acknowledgements This research was conducted mainly by professor Angel San Bartolomé, who passed away in February 2014. This paper is dedicated to his hard work and research in the field of masonry; [San Bartolomé 2007], [San Bartolomé 2011], [San Bartolomé 2014], give some examples of his researches. The construction and the tests shown in this paper were done in the Structures Laboratory of the Pontificia Universidad Catolica del Peru (PUCP). They provided technical staff and equipment, so the authors are grateful to them.

References CML Compañía Minera Luren (Lacasa), “Manual de Instalación para Muros No Portantes con Placas P-7, P-10, P-12 y P14” Decimo cuarta versión (Installation Manual for Non Bearing Walls with Placas P-7, P-10, P-12 y P14, 14th edition, in Spanish), Lima, Perú, 2014. San Bartolomé, 2007: San Bartolomé, A., D. Quiun, “Design Proposal of Confined Masonry Buildings” Tenth North American Masonry Conference, St. Louis, 2007. San Bartolomé, 2011: San Bartolomé, A., D. Quiun, “Performance of Masonry Constructions in the Peru Earthquake of August 15, 2007”, Eleventh North American Masonry Conference. Minneapolis, 2011. San Bartolomé, 2014: San Bartolomé, A., D. Quiun, Icochea A., Fernandez A., “Behavior of 100-mm Silica Lime Parapet Walls under Out-of-Plane Seismic Forces”. 9th International Masonry Conference, Guimaraes, Portugal, 2014. Sencico 2006: “Norma E.070 Albañilería” (Peruvian Masonry Code, in Spanish) Lima, Perú, 2006. Sencico 2003: “Norma E.030 Diseño Sismorresistente” (Peruvian Seismic Code, in Spanish) Lima, Perú, 2003. Sencico 2006: “Norma E.070 Albañilería” (Peruvian Masonry Code, in Spanish) Lima, Perú, 2006.

PERSPECTIVAS DE LOS SISTEMAS DE INNOVACIÓN EN LA AMAZONÍA PERUANA: UN ESTUDIO DE CASO DOMINGO GONZALEZ ALVAREZ Pontificia Universidad Católica del Perú – Departamento de Ingeniería dgonzal@pucp.edu.pel

EMILIO DIAZ MORI Pontificia Universidad Católica del Perú ediazm@pucp.edu.pe BERNARDO ALAYZA Pontificia Universidad Católica del Perú b.alayza@pucp.pe EMA RAQUEL MOSCOSO LUPPI Universidad Nacional de la Amazonía Peruana raquelml21@hotmail.com

RESUMEN Esta investigación emplea los conceptos de sistemas de innovación en los niveles nacional, regional, sectorial y local para estudiar el desarrollo de los sistemas de innovación vinculados a la biodiversidad en la Amazonía peruana. En el año 2011 en Perú se realizaron estudios sobre los sistemas de innovación en Perú por organismos internacionales, además de otros estudios nacionales, los cuales han tenido un carácter preparatorio para fundamentar la inversión pública en ciencia, tecnología e innovación en el Perú que se ha se ha fortalecido sustancialmente en los últimos años. En consecuencia, actualmente se dispone en el país de un número importante de programas de fomento a disposición de los actores del sistema de innovación. Sin embargo, hay muy poco conocimiento sobre lo que ocurre con los sistemas de innovación al interior del país, particularmente, en la Amazonía peruana En este sentido, el objetivo de esta investigación es estudiar las perspectivas que se presentan para el desarrollo de los sistemas de innovación desde el punto de vista de la biodiversidad en la Amazonía peruana, en sus niveles regional, sectorial y local. Se trata de un estudio de caso descriptivo que abarca cinco regiones de la Amazonía peruana que establece que el nivel de desarrollo de los sistemas de innovación en esta zona es incipiente y heterogéneo en sus diferentes niveles y cuyo desarrollo está estrechamente vinculado al manejo de la biodiversidad de la zona. Los resultados del estudio indican que en la Amazonía peruana se encuentra un mayor avance en la configuración de los sistemas nacional y sectorial de innovación y un retraso en el desarrollo de los sistemas regional y local de innovación. INTRODUCCIÓN La perspectiva de los sistemas de innovación introducida por Freeman (1987), Dosi et al. (1988), Nelson (1993) y Lundvall (1993) permite la revisión y planteamiento de la política pública en esta temática de manera interactiva, considerando los elementos de estos sistemas y sus interacciones. Particularmente, en los últimos años en Perú se han desarrollado un conjunto de políticas que han dinamizado la ciencia, la tecnología y la innovación en el país

desde una perspectiva sistémica y nacional. Así, el Estado viene aportando recursos financieros a través de programas de fomento específicos, los cuales convocan a las empresas, las universidades y los centros de investigación para que de manera individual o conjunta presenten proyectos para desarrollar diversas actividades de investigación, desarrollo e innovación. Estas convocatorias se iniciaron con un primer programa de ciencia y tecnología a través de un préstamo del Banco Interamericano de Desarrollo (BID), el cual estuvo enfocado en la promoción de actividades básicas del sistema de ciencia y tecnología, tales como proyectos de investigación básica y aplicada, desarrollo experimental y proyectos de innovación en las empresas. Posteriormente, a partir del éxito en este primer programa, surgió un nuevo programa de financiamiento de la innovación para las empresas con fondos del Estado peruano. Luego, se han implementado otras generaciones de programas abarcando nuevas áreas tales como financiamiento de las incubadoras de empresas y start ups, programas de posgrado nacionales y becas de posgrado a nivel internacional, entre otras. Sin embargo, hasta el momento la perspectiva regional, sectorial y local en la orientación de estos fondos públicos ha estado ausente y, en este sentido, esta investigación indaga sobre el estado de estos sistemas en el conjunto de regiones que conforman la Amazonía peruana. Así, el estudio se enfoca en las regiones que pertenecen al Consejo Interregional Amazónico (CIAM), las cuales son Amazonas, Loreto, Madre de Dios, San Martín y Ucayali que juntas conservan en sus territorios más del 85% de los bosques del Perú. Dada el carácter amazónico de estas regiones, el estudio se centra en los sistemas de innovación vinculados a la biodiversidad. La investigación fue realizada por iniciativa de la cooperación alemana Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit –GIZ, la cual en el marco de sus actividades estuvo interesada en analizar el potencial de demanda de innovación en biodiversidad en la Amazonía Peruana. El artículo presenta inicialmente el marco teórico de los sistemas de innovación en sus niveles nacional, regional, sectorial y local y revisa los estudios sobre el nivel nacional realizados sobre la realidad peruana. Luego, se presenta la metodología de la investigación centrada en un estudio de caso descriptivo sobre estos sistemas en la Amazonía peruana y se procede en seguida a presentar los resultados, caracterizando estos sistemas. 1.

MARCO TEORICO

1.1. Sistemas nacionales de innovación Durante la década de los años ochenta se acuñó el concepto de sistemas nacionales de innovación (SNI) a partir de los trabajos de Freeman (1987), Dosi et al. (1988), Nelson (1993) y Lundvall (1993), entre otros economistas de la corriente denominada teoría evolucionista o neo schumpeteriana, la cual al estudiar la innovación enfatiza los procesos, el aprendizaje y las dimensiones cooperativas y competitivas de las relaciones entre empresas. Así, en la base del concepto de SNI está la acumulación de estudios empíricos en diferentes niveles de agregación que muestran que la innovación es un proceso interactivo. De este modo, el SNI se constituye en un marco alternativo para analizar la competitividad y la ciencia, tecnología e innovación (CTI) desde un enfoque dinámico y sistémico cuando se estudia el crecimiento y el desarrollo económico. Como indica Lundvall et al. (2002), la amplia difusión del concepto

fue inesperada y ya para inicios del presente siglo la Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD), la Comisión Europea y la United Nations Conference on Trade and Development (UNCTAD) ya habían absorbido el concepto como parte integral de su perspectiva. El término “sistema” del concepto alude a una red de relaciones entre los actores involucrados en la innovación: las empresas, las organizaciones de investigación y desarrollo y el Estado. De esta forma, la innovación se sustenta en un proceso acumulativo, interactivo y social entre estos actores, el cual presenta un carácter sistémico. En esta interacción, se generan efectos positivos y negativos, así como círculos virtuosos y viciosos; además, los actores desarrollan, gestionan, difunden nuevas tecnologías y cumplen un rol complementario en la introducción del avance del conocimiento. En la interacción de los diferentes actores del SNI, el Estado debe cumplir un rol articulador a través de un conjunto de políticas públicas que permitan superar las fallas sistémicas y de mercado, y que vinculen de modo coherente, coordinado y estructurado a los actores. Por otro lado, se incluye el término “nacional” como unidad de observación (Nelson, 1993) y para incorporar al espacio en el que se formulan e implementan las políticas económicas. Finalmente, el término “innovación” se refiere a nuevas combinaciones o formas de hacer productos y procesos en la empresa, pero considera de manera conjunta e inseparable a los cambios técnico y organizacional, destacando que la base de la innovación técnica (de productos y procesos) es el entrenamiento y la innovación organizacional (Lundvall, 2005). De acuerdo con Lundvall (2005) el concepto de SNI ha tenido un efecto importante en la visión sobre la competitividad internacional y el autor considera que el enfoque de sistemas ha logrado cambiar la orientación lineal de la innovación hacia un enfoque interactivo donde el aprendizaje y la construcción de capacidades desempeñan un rol central en la innovación. El trabajo de Nelson (1993) ha sido un hito importante en el desarrollo del concepto de SNI al presentar de forma inédita para la época un estudio comparado de sistemas nacionales de innovación de 15 países analizados en los tres grupos siguientes: a) países grandes de altos ingresos (USA, Gran Bretaña, Francia, Italia y Japón); b) países pequeños de altos ingresos (Suecia, Dinamarca, Canadá y Australia) y; c) países de bajos ingresos (Taiwan, Corea, Israel, Brasil Argentina). Los estudios de cada país incluyen un análisis histórico de los actores del SNI y de sus interacciones relacionadas a la CTI, enfocando también en sectores industriales específicos que son relevantes a cada país. Este modo de análisis indica la importancia de la revisión de las interacciones pasadas en el SNI para comprender las características del sistema en la actualidad y sus perspectivas futuras. De manera general, el autor encuentra que hay grandes similitudes entre los países integrantes de uno de los tres grupos y grandes diferencias entre países de grupos diferentes. Con respecto a los modos de innovación en estos sistemas Lundvall (2005) define dos tipos. El primero se le denomina “modo de innovación CTI” y está basado en la promoción de la I+D, el acceso y generación de conocimiento codificado explícitamente. El segundo modo de innovación está basado en el aprendizaje por la experiencia, por el uso y por la interacción (learning by doing, using and interacting) y se le denomina “modo de innovación DUI”. Así el primer modo está basado en la ciencia y el segundo en la experiencia. Al combinar estos modos con sectores de alta y baja tecnología se desprenden las dimensiones del sistema de innovación mostradas en la Tabla 1.

Tabla 1: Dimensiones del sistema de innovación

Modo de innovación DUI Modo de innovación CTI Fuente: Lundvall (2005)

Sectores de baja tecnología 1 3

Sectores de alta tecnología 2 4

De esta manera, son relevantes todas las dimensiones y los modos DUI y CTI son complementarios en un sistema de innovación. Así, los conceptos de este sistema recogen la esencia de que la innovación no se restringe a sectores de alta tecnología y que hay modos distintos de innovar (Lundvall et al, 2002; Lundvall, 2005). 1.2. Sistemas regionales, sectoriales y locales de innovación Luego de introducido el concepto de sistema nacional de innovación, en la década siguiente de los años noventa se introdujeron de manera análoga los conceptos de sistemas regionales y sectoriales de innovación (Lundvall, 2005), siendo, en consecuencia, más reciente su empleo en el diseño de políticas de innovación. En el caso de los sistemas regionales de innovación (SRI), la introducción del concepto fue realizada por Cooke (1996) y Maskell y Malmberg (1997) y en el caso de los sistemas sectoriales de innovación (SSI) el concepto fue desarrollado por Breschi y Malerba (1997). Como indica Lundvall et al. (2002) estos niveles de sistemas de innovación son legítimos y útiles para indagar en la comprensión de la dinámica en esos niveles. Según Cooke et al. (1997) el concepto de sistema regional de innovación (SRI) surge de la constatación de que existen procesos de innovación que ocurren independientemente de los denominados SNI, en espacios tales como los cluster italianos, donde hay una gran interacción entre las empresas al margen de los SNI. Algunos conceptos involucrados en la definición de SNI también están presentes en el SRI y otros requieren precisión para este nivel de enfoque. En el caso del término “innovación” la aproximación en los SRI es similar a los SNI, es decir, la innovación no solo es introducción de nuevos procesos o productos o abrir nuevos mercados, sino también incluye los cambios organizacionales, en este caso asociados a la institucionalidad del espacio regional. Del mismo modo, en los SRI se destaca el rol del aprendizaje en el proceso innovador que ocurre en el marco de una institucionalidad adecuada que permite orientar políticas activas en este ámbito. . Sin embargo, en la identificación del significado de los componentes “regional” y “sistema” en el contexto de SRI, se requiere hacer más precisiones. En el nivel regional es necesario establecer los alcances de estos términos. Así, Cooke et al (1997) indica que las regiones pueden ser espacios “administrativos” con gobierno a ese nivel o también espacios “culturales”, asociados ambos a los conceptos de regionalización y regionalismo, respectivamente. En cualquiera de los casos, se trataría de espacios donde existe institucionalidad y un orden social colectivo que ha evolucionado, existen rutinas institucionales, normas y valores en los cuales los actores confían. Este capital social es el que determina la postura y la dirección de la acción práctica y por consiguiente del proceso evolutivo de la región. Para identificar una región Cooke y Memedovic (2003) consideran que el término es un concepto intelectual que solo existe en la medida de los criterios con los cuales se le defina.

Sin embargo, los autores proponen los siguientes cuatro criterios usados comúnmente para delimitar una región:  No debe tener un tamaño fijo, puede cambiar en el tiempo.  Es homogénea en algún criterio específico, como elementos culturales por ejemplo.  Es distinguible de otras regiones cuando se le asocian algunas características particulares.  Posee algún tipo de cohesión interna. Otro aspecto importante de la dimensión regional es la disponibilidad y control de presupuestos regionales y las posibilidades de que la región pueda financiar infraestructura, así como otras competencias generales en las cuales la región pueda ser más autónoma con respecto a gobiernos centrales. Finalmente, para considerar el concepto integral de SRI se requiere además que existan las interacciones en el sistema. En un ambiente innovador regional las empresas están relacionadas con otras, sea como socios, clientes o proveedores, operando en redes formales o informales, y deben existir universidades, institutos de investigación, agencias de vinculación y de transferencia de tecnología, gremios empresariales, asociaciones privadas, entidades del gobierno y agencias de promoción, entre otros. Si estas condiciones existen, la región se aproxima al concepto de SRI. Sin embargo, cabe destacar que no existe una única configuración de SRI, pues, tal como señalan Cooke y Memedovic (2003) en su estudio de diferentes SRI en el mundo, se constata que existen diferentes tipos de sistemas regionales con trayectorias y orientaciones diversas. Por otro lado, los sistemas sectoriales de innovación (SSI) estudiados por Breschi y Malerba (1997) y Malerba (2002) se definen como un conjunto de productos específicos y agentes que interactúan para la creación, producción y venta de esos productos. Un SSI tiene una base de conocimiento, un conjunto de tecnologías y una demanda con características particulares del sector. Los agentes que interactúan en el sistema pueden ser organizaciones (empresas de la cadena de suministro, universidades, instituciones financieras, agencias de gobierno, gremios empresariales, asociaciones técnicas, subunidades de grandes organizaciones) e individuos (consumidores, emprendedores, científicos). De manera análoga al enfoque evolucionista de los SRI y los SNI, estos agentes están caracterizados por procesos de aprendizaje específicos, competencias, creencias, objetivos, comportamientos y estructuras organizacionales. La interacción entre ellos se realiza a través de procesos de comunicación, intercambio, cooperación y competencia, en el contexto de determinadas reglas, estándares y regulaciones institucionales. Con el tiempo ocurren procesos de cambio y transformación del SSI a través de la evolución simultánea de sus elementos. De esta manera, el concepto de SSI brinda una perspectiva multidimensional, integrada y dinámica que va más allá del concepto de sector empleado normalmente en la economía y del concepto de cadena de suministro que se usa en la ingeniería industrial y la administración de operaciones. La principal ventaja de este enfoque es que permite una mejor comprensión de la estructura y límites del sector, los agentes y sus interacciones, los procesos de producción, aprendizaje e innovación, la transformación de los sectores y los factores de base que inciden en las diferencias de desempeño de empresas y países en determinados sectores. Como indica Malerba (2002), para caracterizar los SSI se puede optar por diferentes niveles de agregación. En el caso de los agentes diferentes a las empresas puede ser conveniente incluirlos de manera agregada o desagregada para representar mejor el rol que desempeñan en

el sistema. Del mismo modo, el análisis de un sector puede realizarse de manera conjunta o separada de los sistemas de innovación, producción y distribución. También, en el SSI se puede optar por varios niveles de agregación de productos, con enfoques más amplios o estrechos según sea el caso. Finalmente, se debe considerar que no siempre los límites nacionales son la forma más apropiada de observar la estructura, los agentes y la dinámica del SSI. Algunas veces, los SSI son muy especializados y localizados en áreas geográficas delimitadas y en otros casos se requiere un enfoque internacional. Como indica Cooke et al. (1997) los diferentes niveles de sistemas nacional, regional, sectorial o local pueden ser complementarios y objeto de estudio desde diferentes enfoques que enriquecen la comprensión del fenómeno abordado. En el ámbito de localidades geográficas específicas los agrupamientos de empresas en los denominados clusters (Porter, 1990) son representativos del nivel de un sistema local de innovación (SLI) (Cassiolato et al., 2005), aunque no todos los clusters presentan un grado de dinamismo en innovación para que se les pueda considerar un sistema de innovación. Del mismo modo, incubadoras y parques científicos y tecnológicos y otros centros de innovación pueden entrar en esta categoría de SLI. 1.3. Sistemas de innovación en el Perú En el caso peruano, los últimos años han sido prolíficos en estudios sobre el sistema nacional de innovación, a propósito del inicio de programas públicos de cierta envergadura para el financiamiento de la investigación, el desarrollo y la innovación que han permitido desarrollar interacciones importantes en el sistema. En particular, el gobierno del Perú solicitó a los organismos internacionales UNCTAD y OECD la revisión de las políticas de CTI, indicando una disposición para atender las necesidades de contar con políticas adecuadas en este campo. El resultado de esta solicitud han sido los estudios OECD (2011) y UNCTAD (2011), los cuales contaron como informes de base a los trabajos de Diaz y Kuramoto (2010) y de Villarán y Golup (2010), respectivamente. Diaz y Kuramoto (2010) hacen una evaluación de las políticas de innovación en Perú concluyendo que el Perú cuenta con un sistema nacional de innovación completo en cuanto a instituciones. Sin embargo, el sistema se encuentra desarticulado, es ineficaz, cuenta con limitados recursos y con un marco legal inadecuado y presenta dificultades para generar conocimiento. En consecuencia, se encuentran indicadores de CTI muy bajos en relación al nivel de desarrollo económico del país y ubica al Perú a la saga del ranking a nivel de la región latinoamericana. En el ámbito empresarial, los autores encuentran un sector con micro y pequeñas empresas con capacidades tecnológicas limitadas. La actividad innovadora se encuentra más en empresas de mayor tamaño, exportadoras, con aplicación de normas técnicas y que participan de programas públicos de apoyo al desarrollo empresarial. Por otro lado, los autores indican que las universidades e institutos de investigación se encuentran desarticulados del sector empresarial y presentan gran heterogeneidad. Finalmente, en el caso del gobierno se observa la falta de un marco legal adecuado y de políticas de innovación consistentes, reduciéndose a la implementación de un fondo de innovación y a la operación de los Centros de Innovación Tecnológica (CITEs). En el mismo año Villarán y Golup (2010) realizan un estudio de la situación de la CTI en el Perú en el contexto económico actual, sustentando que el crecimiento económico del país requiere de manera urgente inversiones en CTI para que éste sea sostenible a largo plazo. Así, los autores indican que en la actualidad no hay ninguna correspondencia entre los logros

macroeconómicos recientes en el país con los deficientes resultados e indicadores de CTI, los cuales muestran un desfase muy grande en relación a la economía peruana y a la región latinoamericana. En este sentido, los autores indagan en las razones por la cuales la CTI es permanentemente postergada en el país por los políticos y ministros de economía en los últimos años, encontrando argumentos que revelan un desconocimiento en esta materia en estas altas autoridades. Por consiguiente, este hecho sustenta el hallazgo de Díaz y Kuramoto (2010) que encuentran una ausencia de política de innovación del gobierno en los últimos años. Villarán y Golup (2010) proponen una agenda de corto plazo para dinamizar la CTI que incluye acciones para lograr una masa crítica de investigadores; incentivos a los investigadores; incentivos tributarios a las empresas que realizan gastos de I+D; incremento de las inversiones en CTI; mantener y fortalecer los fondos públicos concursables de I+D+i; fortalecer la institucionalidad de CTI y; crear un Foro de CTI que incida en las políticas públicas. La OECD (2013) ha realizado numerosos estudios sobre política de innovación en diferentes países desde el año 2006, siendo el estudio sobre el Perú (OECD, 2011) uno de los últimos. En el estudio del caso peruano se presenta una evaluación del sistema nacional de innovación, enfocándose en el rol del gobierno y brindando recomendaciones e identificando buenas prácticas de políticas que afectan el desempeño de la innovación, incluyendo políticas de I+D. Al igual que en el informe base de Diaz y Kuramoto (2010) y otros estudios previos (Villarán y Golup, 2010; Sagasti, 2011), el reporte de la OECD (2011) encuentra que el sistema nacional de innovación el Perú presenta una débil interacción entre sus actores que además requieren fortalecerse. También, las conclusiones del estudio apuntan en la misma dirección de estudios anteriores indicando que en el largo plazo es necesaria para la economía del país la diversificación hacia sectores de mayor valor agregado a partir de ventajas comparativas actuales, creando nuevas ventajas en áreas en las cuales las fortalezas de las capacidades nacionales puedan alinearse a nuevas oportunidades en mercados domésticos e internacionales. Las principales debilidades del sistema nacional de innovación peruano indicado por OECD (2011) son las siguientes:  Recursos insuficientes para CTI como explicación parcial de los bajos indicadores en innovación.  Positivos pero limitados resultados de las políticas de innovación recientes en un entorno institucional fragmentado.  Deficiencias en el desarrollo de instituciones de educación superior y recursos humanos.  Heterogeneidad y bajo desempeño de institutos de investigación públicos.  Baja inversión en innovación por parte de las empresas.  Insuficiente difusión y transferencia de tecnología.  Obstáculos legales a la innovación.  Deficiencias en la infraestructura científica y tecnológica.  Débiles vínculos de ciencia y tecnología entre instituciones.  Necesidad de una política de CTI comprensiva y una gobernanza efectiva. De este modo el reporte de la OECD (2011) propone el desarrollo en el país de estrategias más orientadas a la innovación para todos los actores del sistema, cuyas interacciones determinan la dirección y el ritmo del desarrollo socioeconómico. En este sentido, se propone

como prioridad acelerar la madurez del naciente y débilmente articulado sistema nacional de innovación peruano. La UNCTAD (2013) también ha realizado numerosos estudios sobre política de innovación en diferentes países desde el año 2005 y el Perú (UNCTAD, 2011) no ha sido la excepción. Al igual que Villarán y Golup (2010) el informe indica el desempeño peruano en materia de CTI no corresponde con el nivel de desarrollo macroeconómico y comercial del país y que el sistema de innovación peruano es débil y poco integrado. Entre las limitaciones encontradas por la UNCTAD (2011) se encuentran el bajo nivel de inversión pública y privada en I+D y como consecuencia un pobre desempeño educativo en todos los niveles. También el estudio indica que es necesaria una estrategia de innovación que genere sinergias entre los actores. En este sentido, la UNCTAD (2011) recomienda impulsar el desarrollo de la CTI en el país estableciendo una institucionalidad y una estructura organizativa, humana y financiera capaz de liderar el desarrollo de la ciencia, la tecnología y la innovación en el Perú. A partir de ello, se propone que se diseñen políticas y programas de CTI que funcionen eficientemente, que se invierta en mayor medida en el capital humano peruano, que promueva la participación del sector privado en CTI y que se refuerce la capacidad nacional en materia de propiedad intelectual y calidad. Desde que se publicaron los estudios señalados anteriormente ha habido en el país una confluencia entre la voluntad política al más alto nivel del gobierno hacia el desarrollo de la CTI y la disponibilidad de recursos financieros para invertir en este campo. Al respecto cabe resaltar que se han realizado acciones importantes para promover el desarrollo de los recursos humanos; la realización de proyectos de I+D y de innovación que articulan a las universidades y al sector productivo, la inversión privada en I+D e innovación, la transferencia de tecnología y la institucionalidad en CTI.

Finalmente, cabe destacar que al nivel de regiones y sectores en el país hay numerosos estudios desde una óptica económica, empresarial, de gestión pública, entre otras. Sin embargo, considerando el foco en la innovación a través de sistemas regionales, sectoriales o locales, la literatura disponible es casi inexistente. En la sección siguiente se realizará una aproximación a estos sistemas desde la perspectiva de la biodiversidad de la Amazonía Peruana. 2. METODOLOGIA La metodología empleada para el desarrollo del presente trabajo corresponde a un estudio de caso (Yin, 2009), siendo una investigación descriptiva de enfoque cualitativo (Hernández et al., 2010) que está centrada en el estudio de los sistemas de innovación em la Amazonía peruana conformada por las regiones de Loreto, San Martín, Ucayali, Madre de Dios y Amazonas. Con respecto al diseño de la investigación, el estudio de caso considera los componentes propuestos por Yin (2009). En primer lugar, la pregunta central del estudio es indagar sobre las perspectivas que presenta el desarrollo de los sistemas de innovación vinculados a la biodiversidad en la Amazonía peruana en los niveles regional, sectorial y local. En este sentido, se busca indagar sobre las relaciones de los diversos agentes de la Amazonía, identificar sus características y explorar el estado actual y la dinámica de los sistemas de producción e innovación en la región. La investigación está basada en fuentes de información

secundaria, así como en observación directa, entrevistas en profundidad y encuestas a los actores representativos de los sistemas de innovación de esa región del campo empresarial, estatal y académico. En este estudio de caso la unidad de análisis son los sistemas de innovación en la Amazonía peruana y las proposiciones que se busca validar son las siguientes: 1) El nivel de desarrollo de los sistemas de innovación en la Amazonía peruana es incipiente y heterogéneo en sus diferentes niveles regional, sectorial y local. 2) Los sistemas de innovación en la Amazonía peruana están estrechamente vinculados al manejo de la biodiversidad de la zona. El estudio se ha realizado empleando estrategias analíticas basadas en las proposiciones teóricas, la descripción de caso y el uso de información cualitativa y cuantitativa. Así, la literatura general de sistemas de innovación y publicaciones especializadas de entidades públicas nacionales y estudios de la Amazonía, permitieron la definición de la estructura del estudio de caso basada en la caracterización de los tres actores más importantes del sistema de innovación y sus interacciones. Por otro lado, la descripción del caso utilizando información cualitativa y cuantitativa permite aproximarse a la pregunta de investigación y a las proposiciones. La obtención de la información primaria se realizó en el marco de la feria Expoamazónica del año 2013 en la ciudad de Iquitos (EXPOAMAZONICA, 2013), la cual un contexto adecuado para el estudio de los sistemas de innovación en la región de la Amazonía peruana porque congrega anualmente a los actores de estos sistemas. Así, al evento asisten empresas y productores de las regiones amazónicas, compradores nacionales e internacionales que realizan transacciones en una rueda de negocios. Adicionalmente, las autoridades regionales se hacen presentes en la feria y representantes de los gobiernos y municipalidades asisten también al evento. Un conjunto de entidades del Estado confluyen al evento, así como entidades de cooperación internacional. Además, durante el evento se realizan conferencias de interés regional y se cuenta con la participación de representantes del nivel más alto del país, encabezados por el presidente de la nación. En esta feria se realizó por primera vez un encuentro denominado Rueda Tecnológica en el cual se vincularon empresarios y universidades e institutos de investigación de estas regiones. De esta forma, en esta feria se pudo observar directamente la oferta de investigación de las principales universidades de la región Loreto, se realizó una encuesta a empresarios de todas las regiones amazónicas y entrevistas en profundidad a cada uno de los Gerentes de Desarrollo Económico de los gobiernos de las regiones de Loreto, San Martín, Ucayali, Madre de Dios y Amazonas. Con respecto a los empresarios, durante el evento se realizaron 30 encuestas a empresas y asociaciones de productores de productos de la biodiversidad amazónica. Dado que 8 de las entidades encuestadas eran asociaciones de empresarios o productores, la encuesta explora la realidad de 1050 unidades productivas. Esta información primaria fue complementada con información secundaria proveniente de la Superintendencia Nacional de Aduanas y de Administración Tributaria (SUNAT, 2012), del Instituto Nacional de Estadística e Informática (INEI, 2011 y 2013) y del Sistema Integrado de Información de Comercio Exterior (SIIECEX, 2013). A partir de estas fuentes se dispone de información de la clasificación sectorial, el tipo de razón social, la dirección, el número de trabajadores y la actividad de comercio exterior.

2. ESTUDIO DE CASO Desde la independencia del Perú en 1821, la república estuvo dividida en departamentos con una administración central desde la capital de la nación. En los últimos 30 años se comenzó a cuestionar esta estructura que produjo a lo largo de dos siglos un país altamente centralizado en la capital. Así, en el año 2002, se realizó un cambio por el cual los antiguos departamentos se transformaron en las actuales 24 regiones que conforman el país. El presente estudio de caso está enfocado en las cinco regiones del país que abarcan el 85% del territorio amazónico nacional. El estudio trata inicialmente de manera analítica y descriptiva a cada uno de los actores principales de los sistemas de innovación y luego se realiza una síntesis para establecer el estado de estos sistemas en las regiones en estudio. 2.1. El Estado en la Amazonía peruana Lo que se conoce de la Amazonía peruana antes de la llegada de los españoles y durante gran parte del periodo colonial, es casi nada. Se sabe que vivían allí numerosos grupos indígenas que tuvieron muy poco contacto con las culturas más desarrolladas de la sierra. Durante la colonia española los misioneros jesuitas, dominicos y franciscanos fueron los que formaron los pueblos y organizaron la evangelización de los indígenas a partir de Quito o desde Moyobamba fundada en 1540 y que fue la primera ciudad de lo que es hoy la Amazonía peruana. Antes de la independencia, desde 1802 la Amazonía peruana formaba parte de la Comandancia General de Maynas y Quixos. Luego de la independencia en el siglo XIX la Amazonía peruana fue constituyéndose en tres departamentos: Amazonas, Loreto y San Martín conectados al norte del país. A inicios del siglo XX se formó el departamento de Madre de Dios como desmembramiento de los departamentos de Cusco y Puno al sur del Perú. Finalmente, en 1980 con el desmembramiento de Ucayali del departamento de Loreto, quedaron constituidas las cinco regiones netamente amazónicas que existen en el país. El Perú tiene en la actualidad 25 regiones, de las cuales las cinco regiones mencionadas están en la Amazonía y otras cuatro tienen también una parte minoritaria de su territorio en esta zona. En el siglo XX hubo varias iniciativas que buscaron la descentralización del país y finalmente las regiones se incluyeron en la Constitución de 1979, fueron creadas en 1987 mediante Ley 24650 y disueltas en 1992. En 2002, se volvió a añadir las regiones al texto constitucional y se crearon Gobiernos Regionales con la aprobación de la Ley Orgánica de Gobiernos Regionales, Ley N° 27867. Solo a partir de la creación de los gobiernos regionales es que se otorga competencias que promueven la autonomía de las regiones y se realizan importantes transferencias de recursos económicos desde la administración central (Zambrano et al., 2013). Cabe destacar que las competencias regionales expresadas en la ley de creación de los gobiernos regionales, indican la responsabilidad sobre la planificación y ejecución del desarrollo regional en el ámbito social y económico incluyendo la infraestructura, el desarrollo productivo y la promoción de mercados, la modernización empresarial de la pequeña y mediana empresa, el ordenamiento territorial y la promoción del desarrollo sostenible, entre otras. En ese sentido, está expresada implícitamente la responsabilidad de los gobiernos regionales sobre la promoción de la innovación en sus territorios.

Sin embargo como señala Alvarez (2011), en la actualidad al Estado le falta presencia en la Amazonía peruana dado que el no cubre con los servicios básicos todo ese territorio, agudizándose esta situación en las zonas de frontera. Por otro lado, el Estado no ha podido integrar las diferentes actividades o programas del sector público que se localizan en la Amazonía y mucho menos articular las políticas con los proyectos privados, principalmente los vinculados con los recursos. Al nivel del Gobierno Regional las principales dificultades están relacionadas a la oferta de opciones y productos viables, a los conflictos por acceso a recursos naturales, a la amenaza o pérdida de recursos naturales, el deterioro ambiental, y el poder de decisión. Así, la visión del desarrollo en estas regiones presenta opciones en conflicto contraponiendo el manejo y conservación de la biodiversidad a la explotación intensiva de los recursos naturales. En el caso de los Gobiernos Locales, estos tienen como funciones el abastecimiento de bienes y servicios, el ornato, manejo de residuos urbanos y la conservación de paisaje para turismo. Los problemas que se observan se centran en los deficientes mecanismos de gestión del ambiente y de la administración de recursos naturales y respecto al deterioro ambiental en general, además de la inaccesibilidad tecnológica de manejo, especialmente de los residuos y por la deficiente infraestructura de saneamiento (IIAP, 2009). En los últimos años se observa en las regiones un avance en sus visiones sobre el manejo de la biodiversidad en la Amazonía. Por ejemplo, el Gobierno Regional de Loreto (GOREL, 2008) en su plan de desarrollo al 2021 resalta la visión de esta región claramente orientada al desarrollo sostenible, el ecoturismo y los bionegocios en el contexto de una infraestructura competitiva y servicios sociales básicos de calidad. En esta misma perspectiva se inscribe el Programa Nacional de Promoción del Biocomercio que se inicia en el 2003 y que genera posteriormente la Comisión Nacional de Promoción del Biocomercio, la cual es un espacio participativo de trabajo intersectorial, público y privado y que opera hasta la actualidad en el marco del Convenio de Diversidad Biológica (PROMPERU, 2013). Los enfoques básicos del biocomercio son las cadenas de valor como herramienta que permite establecer una visión conjunta e identificar necesidades comunes para desarrollar estrategias de intervención; la gestión adaptativa para el monitoreo de los efectos (ambientales, sociales y económicos) del uso de los recursos biológicos sobre el estado de los ecosistemas y poblaciones intervenidas. y; el enfoque por ecosistemas que garantice la conservación y uso sostenible de la biodiversidad de acuerdo con las posibilidades y visión de las poblaciones humanas involucradas. En el marco de la feria Expoamazónica 2013 se realizaron entrevistas a profundidad a los Gerentes de Desarrollo Económico de los gobiernos regionales de la Amazonía los cuales expresaron que consideran que hay demanda por innovación en las empresas de la Amazonía pero que hay debilidades de parte de las mismas empresas y también en el apoyo de las universidades y centros de innovación tecnológica. Con respecto a la contribución de las instituciones académicas consideran que las universidades de la región no disponen de las capacidades para la interacción, salvo el Instituto de Investigaciones de la Amazonía Peruana y que se requiere que ellas estén más orientadas a las demandas de empleo y formación de las regiones. Por otro lado, con respecto a los instrumentos de promoción de la ciencia, la tecnología y la innovación que se emplean en las regiones, se indicaron que hay iniciativas de parques industriales, formalización de la minería, financiamiento de las empresas y esfuerzos locales y regionales para implementar programas para el financiamiento a la innovación en las pequeñas y micro empresas. Finalmente, los entrevistados manifestaron la necesidad de usar

los fondos públicos concursables que existen a nivel nacional actualmente, mediante convenios con las universidades de Lima, así como potenciar el financiamiento a las empresas, promover el emprendedorismo y la asistencia técnica a las regiones amazónicas. 2.2. La actividad académica y científica en la Amazonía La actividad académica y científica en la Amazonía ha pasado por varias etapas en su historia (IIAP, 2010). En el siglo XVIII se realizan los primeros estudios y trabajos científicos sobre la Amazonía a partir de expediciones de grandes científicos auspiciados por los gobiernos europeos, tal como Alexander von Humbolt. En el siglo XIX el gobierno peruano en 1857 asigna fondos para el reconocimiento y exploración de esta región y se plantea la necesidad de crear organismos permanentes en la Amazonía para estudiar e investigar las potencialidades de la región. En los años 30 y 40 del siglo XX se instalan las primeras entidades de investigación en la Amazonía para estudiar la piscicultura y la introducción de cultivos y ganadería. Posteriormente, en la década de 1960 se crean las primeras universidades entre estas la Universidad Nacional de la Amazonía Peruana (UNAP) en Iquitos en 1963; la Universidad Agraria de la Selva (UNAS) en Tingo María en 1964; el Centro de Investigación y Promoción Agraria de El Porvenir en Tarapoto en 1966. En la siguiente década se crean más entidades de investigación y se crean universidades en las actuales regiones de San Martín y Ucayali. En 1982 se funda el Instituto de Investigaciones de la Amazonía Peruana (IIAP) que en la actualidad tiene sedes en todas las regiones amazónicas del Perú, como consecuencia de largos años de intentos de establecer actividades de investigación en la Amazonía por parte del Estado. Posteriormente, ya en el presente siglo se funda la Universidad Nacional Intercultural de la Amazonia (UNIA) en el año 2000, la Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza (UNTRM) en el año 2001 y la Universidad Nacional Amazónica de Madre de Dios (UNAMAD) en el 2000. Estas últimas universidades están en fase de formación y tienen poca proyección de investigación en la actualidad. El panorama de las universidades de la Amazonía peruana muestra que al nivel de pregrado estas universidades ofrecen algunas carreras relacionadas a la biodiversidad y en el posgrado se observa una oferta de maestrías e incluso de doctorados. También se observa un grado de organización de la investigación en la universidad aun en etapa incipiente y con ausencia de unidades de vinculación entre la universidad y la empresa o la sociedad en su conjunto. En particular, entre las universidades de la Amazonía peruana destaca la UNAP y entre los institutos de investigación el IIAP desarrolla una actividad de investigación interesante y diversificada en todas las regiones de la Amazonía y es en la actualidad una de las más prestigiosas organizaciones en esta zona. Un factor positivo es que estas universidades han estado asociadas desde hace más de 20 años en la Asociación de Universidades Amazónicas (UNAMAZ), que agrupa a las universidades e institutos de investigación de los 8 países que integran la Amazonía continental y que son miembros de la Organización del Tratado de Cooperación Amazónica (OTCA). En el marco del inicial desarrollo del sistema nacional innovación en el Perú cabe destacar para la Amazonía la realización el Programa Perubiodiverso. Este programa se inicia en el 2007, como resultado de un co-financiamiento entre instituciones nacionales peruanas, la Secretaría de Estado de Economía Suiza (SECO) y la Cooperación Técnica Alemana (GTZ).

El programa tiene como una de sus líneas de acción priorizadas la promoción de la investigación aplicada y la innovación tecnológica para impulsar una oferta competitiva del biocomercio. Por ello, impulsa desde el año 2007 la creación y consolidación del Grupo de Investigación e Innovación en Biocomercio (GIIB). El GIIB ha sido constituido como una red de instituciones que facilita la colaboración y la comunicación entre empresas, productores, universidades, institutos de investigación e instituciones de apoyo para promover la investigación e innovación. El objetivo es superar las brechas del conocimiento y del acceso a la tecnología para poder desarrollar productos con mayor valor agregado, lo que permitirá fomentar la competitividad de las cadenas de valor de productos de la biodiversidad nativa del Perú. Desde su creación, Perubiodiverso ha financiado por lo menos 28 proyectos de investigación relacionados a productos como Sacha Inchi, Camu Camu, Tara, Yacón y Maca (Perubiodiverso, 2013). Finalmente, cabe mencionar que ha sido pequeña la participación de entidades de la Amazonía en proyectos de los programas públicos de financiamiento de ciencia, tecnología e innovación que han sido implementados en los últimos años en el Perú. 2.3. Las actividades económicas y el sector empresarial La actividad económica de envergadura en la Amazonía se inicia a fines del siglo XIX e inicios del siglo XX con la explotación del caucho, como materia prima asociada al surgimiento de la industria automovilística y de la producción en masa. Posteriormente, en el siglo XX se realizaron descubrimientos importantes de petróleo que es una actividad importante en la región hasta la actualidad. Del mismo modo, la producción maderera y la extracción de productos de la biodiversidad siempre ha sido una actividad importante en esta región, enfocada en diferentes momentos en productos específicos, en función de la demanda internacional y del descubrimiento de sus propiedades a partir de la investigación nacional o internacional (Santos y Barclay, 2002; Dourojeanni et al., 2009; Dourojeanni, 2011). En la actualidad, de acuerdo a la información obtenida de las entidades nacionales (SUNAT, 2012; INEI, 2011 y 2013; SIIECEX, 2013; PRODUCE, 2011), la actividad empresarial de las regiones de la Amazonía presenta las siguientes características:  Las empresas de la Amazonía representan un porcentaje pequeño del 6.3% con respecto al total de empresas del país y son de menor tamaño que el promedio nacional. Existe una altísima concentración en micro y pequeñas empresas en esas regiones, correspondiente al 99%.  Las empresas en los sectores ligados a la biodiversidad tales como, agricultura, pesca y parte de la industria manufacturera representan el 14% de las empresas de las regiones y en hoteles y restaurantes son más del 10% de las empresas. Actualmente, predomina el comercio y los servicios como mayoritaria actividad empresarial en la Amazonía, medida por el número de empresas.  Generalmente, la actividad empresarial es sustancialmente mayor en las provincias donde están ubicadas las capitales de las regiones. Así, las provincias con actividad empresarial más destacada son Maynas (Iquitos), Moyobamba (Moyobamba) y San Martín (Tarapoto) y Coronel Portillo (Pucallpa). La actividad empresarial es menos significativa en las provincias de Amazonas y Madre de Dios.  Existen concentraciones empresariales importantes en sectores específicos en las provincias de las regiones amazónicas, que pueden servir de base para promover el desarrollo económico sostenible en base a la biodiversidad. Estas concentraciones se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2: Sectores con concentración empresarial en regiones y provincias de la Amazonía. Región Amazonas Loreto

Provincia Bagua Chachapoyas Maynas

Madre de Dios San Martín

Alto Amazonas Tambopata San Martín

Ucayali

Coronel Portillo

Padre Abad

Sector de concentración empresarial Cultivo de cereales Turismo Crianza de animales Industria alimenticia Cultivo de peces Hotelería y turismo Transporte fluvial Explotación y procesamiento de la madera Explotación y procesamiento de la madera Industria alimenticia Crianza de animales Industria alimenticia Cultivo de cereales Hotelería y turismo Ganadería Transporte Explotación de la madera Industria alimentícia Pesca Crianza de animales Ganadería Cultivo de frutas y cereales Hotelería y turismo Extracción y procesamiento de madera Extracción y procesamiento de madera

El número de empresas registradas como exportadoras es relativamente bajo. Tomando como base 15402 empresas de las cinco regiones registradas en la SUNAT (2012), se tiene de acuerdo a SIIECEX (2013) que el 1.83% son exportadoras. Si se toma el registro de las empresas exportadoras de SUNAT (2012) sobre la misma base se tiene 2.53% de empresas exportadoras. Por otro lado, la encuesta realizada en la presente investigación a empresas y productores vinculados a la diversidad de las regiones amazónicas indica que estas organizaciones realizan desde el año 2010 innovaciones de producto y de proceso basadas principalmente en la experiencia y está asociada a innovaciones organizacionales, pero en menor intensidad. En general, estas innovaciones no son inéditas, existiendo similares en el Perú y el mundo. Con respecto a las diferencias entre empresas exportadoras y no exportadores, se aprecia que las primeras son más dinámicas pues realizan más proyectos de I+D como fuente de innovación, tienen más certificaciones internacionales y perciben que requieren más de la colaboración de los actores del sistema de innovación, de las universidades y del Estado. Con respecto al tamaño, también se observa más dinamismo en la innovación en las pequeñas que en las microempresas. 3. DISCUSION DE RESULTADOS Tomando como referencia el marco conceptual desarrollado y la información del estudio de caso se realiza a continuación una aproximación a los sistemas de innovación en la Amazonía y a la discusión de las preguntas de investigación y proposiciones. Desde un enfoque de SNI la innovación relacionada a la biodiversidad comparte las posibilidades y deficiencias indicadas en los estudios realizados por la OECD (2011) y UNCTAD (2011). Sin embargo, a este nivel hay una intervención en política nacional multisectorial que incide en la biodiversidad y para este caso los Ministerio de Comercio Exterior y Turismo (MINCETUR) y el Ministerio del Ambiente (MINAM) desempeñan un rol importante, disponiendo de planes, estrategias y acciones para este sector. En este

contexto, el programa Perubiodiverso ha desempeñado un rol importante en la promoción de las interacciones del sistema de innovación. Desde un enfoque de sistema regional de innovación, la Amazonía está delimitada administrativamente en varias regiones, las cuales tienen muchos aspectos en común, a pesar de las diferencias entre ellas que son menores. En este sentido, de manera general la Tabla 3 muestra los perfiles de Sistema Regional de innovación (SRI) propuestos por Cooke et al. (1997) aplicados a las regiones de la Amazonía. En esa tabla las celdas sombreadas indican el componente del perfil típico encontrado en una región de la Amazonía. Esta caracterización muestra que las regiones tienen potencial para desarrollar sistemas regionales de innovación pues existen administrativamente regiones, empresas y entidades de investigación como el IIAP y hay instrumentos . Sin embargo, en la actualidad el perfil del sistema es más próximo al “perfil regional 2” que implica no contar con un sistema regional de innovación desarrollado. En otro nivel de análisis, desde el punto de vista de los Sistemas Locales de Innovación (SLI) las regiones de la Amazonía presentan actualmente algunos conglomerados empresariales, a partir de los cuales se puede dinamizar la innovación, que están ubicados principalmente en las provincias donde están las capitales de las regiones. Estos agrupamientos han sido indicados en la Tabla 2. Sin embargo, se considera que el aprovechamiento con mayor valor agregado de la biodiversidad requiere el concurso de las entidades donde se genera el conocimiento y la creación de nuevas empresas que completen eslabones de la cadena de la biodiversidad. Finalmente, desde un enfoque de Sistema Sectorial de Innovación (SSI), se emplean a continuación los elementos básicos indicados por Malerba (2002) para caracterizar a la biodiversidad de la Amazonía como sector.  Productos: Se trata de los productos de la biodiversidad con distintos niveles de valor agregado y con aplicaciones a diferentes sectores como el alimenticio, el farmacéutico, el cosmético, el turismo.  Agentes: Empresas, asociaciones y productores: Constituidos por productores agrícolas y forestales; empresas o asociaciones de transformación de los productos de la biodiversidad; acopiadores e intermediarios comercializadores nacionales e internacionales; empresas de los sectores alimenticio, farmacéutico y cosmético nacional o internacional. Universidades e institutos de investigación: Son las universidades de la Amazonía peruana, IIAP, universidades de investigación de Lima, universidades e institutos de investigación de los países amazónicos. Gobierno: Incluye a los gobiernos municipales de las capitales de las principales provincias de las regiones Amazónicas; gobiernos regionales; ministerios del país, particularmente en los ámbitos del comercio exterior, el medio ambiente y la producción; el CONCYTEC y las unidades ejecutoras de los programas de financiamiento de la CTI; agencias de promoción de los mercados internacionales. Cooperación internacional: Incluye a la cooperación alemana y suiza. Organismos No Gubernamentales diversos.  Conocimiento y procesos de aprendizaje: La biodiversidad requiere una aproximación integral desde una perspectiva del desarrollo sustentable, en la cual la innovación es solo un aspecto.

Tabla 3: Perfil de Sistema Regional de Innovación en las regiones de la Amazonía. Categoría Capacidad de gasto publico regional Capacidad de imposición de impuestos Financiamiento para empresas

Perfil regional 1 Autónoma

Intermediarios financieros Políticas de promoción e información Control sobre la infraestructura estratégica Densidad y calidad de la infraestructura para la innovación Categoría

Alto nivel y control regional Desarrollo regional propio Regional

Sistema educativo y de entrenamiento Universidades Laboratorios de investigación en la región Gobierno regional Compras públicas Política industrial y tecnológica Programas de ciencia y tecnología

Perfil intermedio

Regional

Existente y suficiente en la región

Oportunidad en programas de innovación para micro y pequeñas empresas

Perfil regional 2 Descentralizada en cierto grado Limitada

No perteneciente a la región

Bajo nivel y poco control regional Poco desarrollo regional Hay atribuciones pero hay dificultades para realizar proyectos

Difusión amplia en el espacio regional

Poca incidencia en la gestión Poco densa y de baja calidad

Perfil regional 1 Perfil intermedio Competencias generales de la región Regional

Perfil regional 2 Nacional No relacionadas a la región

Relacionadas a la región Existentes

No existentes

Existente Regional Diseñada y ejecutada por gobierno regional Regionales

Regional y nacional

No existente Nacional Sin política regional Sin programas regionales

Fuente: Adaptado de Cooke et al. (1997) donde las partes sombreadas caracterizan a las regiones de la Amazonía peruana.



Tecnologías básicas, inputs, demanda, complementariedades y vínculos relacionados: Desde el punto de vista vertical se requiere integrar productores agrícolas con intermediarios comerciales, industria manufacturera e industria de alimentos, farmacéutica o cosmética. De manera horizontal se requiere interacción con turismo, transporte y el sector académico de investigación.  Mecanismos de interacción entre empresas y otros agentes: La interacción ocurre sobre la base de los planes nacionales de promoción de la biodiversidad y las intervenciones de agentes como Perubiodiverso, la Corporación Andina de Fomento, la Agenda de Investigación de CONCYTEC y las relaciones con las empresas. La planificación nacional interministerial y su relación con la cooperación internacional ha mostrado cierta efectividad pero la inversión en el proceso es pequeña.  Procesos de competencia y selección: En el mercado la competencia principalmente es entre productores que comercializan productos de la biodiversidad con bajo valor agregado, en mercados regionales. En el mercado internacional, la competencia es con productos de otras regiones del mundo que pueden presentar las mismas propiedades que los productos de la biodiversidad de la Amazonía peruana.  Instituciones: El mercado de la biodiversidad es altamente regulado y sujeto a la necesidad de múltiples certificaciones internacionales.

En síntesis, en los sistemas de innovación hay avances al nivel de SSI y de SIN, pero aún resta mucho por hacer para que existan más vinculaciones entre los elementos del sistema. Desde el punto de vista regional, se requiere mucho mayor atención, al igual que desde el punto de vista del sistema local. En este sentido se verifica la proposición del estudio que indica que el desarrollo de los sistemas de innovación en la Amazonía peruana es incipiente y heterogéneo en sus diferentes niveles regional, sectorial y local. Por otro lado, la investigación encuentra que las regiones de Loreto, San Martín y Ucayali presentan un desarrollo ligeramente más avanzado de sus sistemas de innovación. Con respecto a la segunda proposición se observa que el desarrollo de los sistemas de innovación en la Amazonía peruana están efectivamente muy vinculados al manejo de la biodiversidad de la zona. En el ámbito de la investigación, se observa que los programas de fomento específicos y los proyectos realizados más importantes se concentran alrededor de esta temática. Por otro lado, desde entidades del Estado nacional y regional se observa que hay orientaciones de planificación del desarrollo que son explícitas en favor de la biodiversidad. Del mismo modo, la feria Expoamazónica es una muestra de la creciente actividad empresarial de la Amazonía peruana en actividades vinculadas al biocomercio. En este sentido, se considera que las oportunidades mayores para el desarrollo de los sistemas de innovación en la Amazonía peruana están estrechamente vinculadas a la biodiversidad y el biocomercio. 4. CONCLUSIONES La perspectiva del manejo sostenible de la biodiversidad que se vislumbra por el crecimiento y diversificación de los negocios con los productos de la Amazonía, permitiría desarrollar un modelo económico distinto a los del pasado, los cuales han estado basados principalmente en la extracción de uno o pocos productos y su comercialización con bajo valor agregado. En esta nueva forma de desarrollo el desafío es la explotación de una variedad grande de productos de la biodiversidad con alto valor agregado. En este contexto, los volúmenes de producción suelen ser pequeños por producto, lo cual resta competitividad internacional en términos de precios y exige diferenciación y la generación de valor agregado. En este sentido, para la Amazonía es de gran importancia la ciencia, la tecnología y la innovación para permitir que los productos de la biodiversidad sean competitivos. Por otro lado, el presente estudio ha empleado el marco de los sistemas de innovación en sus niveles nacional, regional, sectorial y local para lograr el objetivo de evaluar las condiciones del entorno que favorecen y/o limitan las actividades de investigación, desarrollo e innovación para el aprovechamiento sostenible de la biodiversidad a nivel nacional. La primera conclusión es que los enfoques del biocomercio y de los sistemas de innovación son complementarios, pues ambos son sistémicos e interactivos. Por consiguiente, el desarrollo de sistemas de innovación en varios niveles (nacional, regional, sectorial y local) de manera complementaria es posible y necesario como soporte al desarrollo del biocomercio. Específicamente, en este estudio se encuentra un mayor avance en la configuración de los sistemas nacional y sectorial de innovación y un retraso en el desarrollo de los sistemas regional y local de innovación. En este marco es de gran relevancia que las políticas de manejo de la biodiversidad y de desarrollo de los sistemas de innovación sean elaboradas e implementadas considerando la alta complementariedad entre ellas. En particular, desde el punto de vista del sistema nacional de innovación, la Amazonía comparte las debilidades del país como un todo encontradas en los estudios realizados recientemente de este sistema por organismos internacionales. Sin embargo, los recientes

instrumentos del FINCyT, FIDECOM y CONCYTEC están permitiendo un cambio positivo en el sistema y es oportuno promover su aprovechamiento desde las regiones de la Amazonía. La realización de proyectos auspiciados por estos fondos públicos normalmente involucran relaciones colaborativas entre empresas y con universidades e institutos de investigación, generando así un proceso de aprendizaje valioso para el desarrollo del sistema de innovación, permitiendo la construcción de capacidades en los actores e interacciones entre ellos. Así, se requiere crear o apoyar el desarrollo de las unidades de vinculación en las universidades e institutos de investigación de la Amazonía y para ello se recomienda transferir el conocimiento institucional logrado en universidades de Lima hacia las universidades de la Amazonía. Desde la perspectiva de sistema regional está todo por hacer. Se recomienda estimular el uso de instrumentos de promoción del desarrollo empresarial que están disponibles para los gobiernos regionales y locales y el desarrollo de agencias regionales de innovación, en las cuales confluyan los actores del sistema regional de innovación. En este enfoque es necesario desarrollar capacidades en instancias públicas, empresariales y académicas regionales, por lo que se recomienda realizar también actividades de capacitación y transferencia de conocimientos en temas vinculados a la biodiversidad y la gestión de la innovación. Desde el punto de vista del sistema sectorial de innovación, hay un mayor avance en su desarrollo, pues ha habido una confluencia positiva entre el proceso de planificación interministerial y la intervención de la cooperación internacional a través del programa Perubiodiverso. Este proceso ha generado vínculos importantes entre los agentes del sistema y les ha permitido desarrollar capacidades. Sin embargo, estos logros requieren expansión y consolidación, requiriéndose mayor inversión en el proceso. Desde la perspectiva de los sistemas locales de innovación, en función de cada sector se debe buscar desarrollar interfaces en esos conglomerados que cumplan la función de vinculación entre los actores del sistema de innovación. Este rol puede ser desempeñado por los gremios empresariales, los centros de innovación o entidades similares. Estas interfaces facilitarían la articulación del SLI con los sistemas de innovación en otros niveles y con la cadena de la biodiversidad. El estudio encuentra un grupo de sectores en provincias seleccionadas donde la actividad empresarial es de mayor intensidad, los cuales pueden servir de base para el desarrollo de estos sistemas. REFERENCIAS

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Domingo González Alvarez Ingeniero Industrial, PUCP. Mestre y Doutor en Ingeniería de Producción, Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro. Profesor principal del Departamento de Ingeniería en la PUCP en la sección Ingeniería Industrial. Realiza labores de investigación, consultoría y enseñanza en pregrado y posgrado en temas de gestión de las operaciones e innovación. Ha sido Jefe del Departamento de Ingeniería y coordinador de la Sección y de la Especialidad de Ingeniería Industrial de la PUCP. Ha sido Director Ejecutivo del Centro de Innovación y Desarrollo Emprendedor (CIDE-PUCP). Ha sido Presidente de la Asociación Latino-Iberoamericana de Gestión Tecnológica (ALTEC) y de la Asociación Peruana de Incubadoras de Empresas (PERUINCUBA). Actualmente, es director de la Maestría en Gestión y Política de la Innovación y la Tecnología de la PUCP y presidente del Comité Directivo del CIDEPUCP. También, es miembro de la Comisión de Invenciones y Nuevas Tecnologías del Indecopi y ha sido miembro del Directorio del Instituto Tecnológico de la Producción (ITP). Profesor invitado en programas de posgrado de universidades peruanas. Emilio Díaz Mori Ingeniero Industrial de la PUCP, con Diploma de Estudios en Dirección de Proyectos – PMBOK por el Instituto para la Calidad de la PUCP. Experiencia en el sector académico, actualmente se desempeña como gestor de la Maestría en Gestión y Política de la Innovación y la Tecnología y, durante el período 2011 – 2015, se desempeñó como Coordinador del Área de Competitividad y Desarrollo Regional de la Oficina de Gestión de Proyectos Internacionales de la PUCP y como Coordinador de Proyectos de INNOVAPUCP. Ha sido Director Regional de Comercio Exterior y Turismo del Gobierno Regional de Lima, durante el período 2008-2010, a cargo de la planificación y gestión del destino turístico de la Región Lima. Se desempeñó como Jefe de la Oficina de Proyectos y Cooperación del Proyecto Arqueológico Caral – Supe, durante el período 2004 – 2008, y tuvo a su cargo de la promoción y desarrollo del producto turístico Caral de la implementación del Plan Maestro del Valle de Supe. Con experiencia y formación empresarial en el sector turismo. Consultor en materia de turismo, cultura y desarrollo. Bernardo Alayza Solís Licenciado em Comunicaciones PUCP. Magíster en Gestión y Política de la Innovación y la Tecnología, PUCP. Há sido coordinador del proyecto Casa Caliente Limpia del GRUPO-PUCP. Ema Raquel Moscoso Luppi Licenciado em Educación, Universidad Nacional de la Amazonía Peruana (UNAP). Estudios de maestria en Gestión y Política de la Innovación y la Tecnología, PUCP. Docente de la UNAP

Propuesta de una arquitectura para una red neuronal artificial RBF sobre un FPGA Niels Prieto Bejar, Carlos Silva Cárdenas Departamento de Ingenier´ıa Grupo de Microelectrónica Pontificia Universidad Católica del Perú Lima, Perú j.prieto@pucp.pe, csilva@pucp.edu.pe Abstract—The usage of the FPGA (Field Programmable Gate Array) for neural network implementation provides flexibility in programmable systems. In addition, artificial neural network based on FPGAs has fairly achieved classifying application. Thus, this paper presents the design of Radial Basis Function (RBF) neural network for cardiac signal classification. The digital system architecture was designed using Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language (VHDL) and following a modular and generic description. First, cardics signal are chosen from MIT-BIH Arrhythmia Database Directory and off-line training is carried out using MATLAB to obtain the parameters of RBF architecture. Then, these parameters are used to design the final architecture. Finally, simulations using ModelSim of Altera are performed to verify and evaluate the system classification for diferent cardiac signals.First, a signal cardics is chosen and off-line training is carried out using MATLAB to obtain the parameters of RBF architecture. Then, these parameters are converted to a binary floating-point representation and are insert to design the final architecture. Finally, simulations using ModelSim of Altera are performed to verify and evaluate the system classification for different cardiac signals.

Por ese motivo el presente trabajo propone el diseño de una arquitectura de una red neuronal de base radial descrita en VHDL aplicada a la clasificación de señales cardiacas. La red propuesta utilizó la base de datos del Massachusetts Institute of Technology/Beth Israel Hospital (MIT-BIH) ya que contiene una amplia y variada cantidad de las señales cardiacas, factor fundamental en la etapa de entrenamiento de la red. En la siguiente sección, se presenta una breve descripción de la arquitectura RBF. En la sección III, se presenta el diseño propuesto de una arquitectura RBF descrita en VHDL, mientras que en la sección IV se detalla la clasificación de señales cardiacas mediante la red propuesta. La sección V, contiene las pruebas y resultados del sistema en la clasificación de señales cardiacas y finalmente, la seccin VI presenta las conclusiones. II.

´ D ESCRIPCI ON

DE LA ARQUITECTURA

RBF

Index Terms —RBF, VHDL, FPGA, Neural Network

´ I NTRODUCCI ON

A medida que la ciencia y la tecnolog´ıa han ido avanzando, el objetivo de entender y emular el comportamiento del cerebro humano se ha incrementado considerablemente. Esto ha dado lugar al desarrollo de diversos sistemas, dentro de los cuales las redes neuronales artificiales (RNA) destacan. El objetivo de una RNA es llegar a diseñar máquinas con elementos neuronales de procesamiento paralelo, de modo que el comportamiento global de la red emule el sistema neuronal. Estos sistemas se han utilizado en aplicaciones de la vida diaria as´ı como para resolver problemas complejos de procesamiento de imágenes, diagnósticos médicos, reconocimiento facial, etc. Dentro de la variedad de clases de RNA que exist´ıan, en 1988, Broomhead y Lowe describieron las redes de Funciones Bases Radiales (RBF) como alternativa a los perceptrones multicapa [1]. Las redes de neuronas de base radial son redes multicapa con conexiones hacia adelante y se caracterizan por estar formadas por una u´ nica capa oculta, donde las neuronas dentro de esta capa poseen un carácter local, es decir, cada una de ellas se activa en una región diferente del espacio de vectores de entrada, lo cual se debe al uso de las llamadas funciones de base radial como funciones de activación [2]. Esta caracter´ıstica convierte a la red RBF en un sistema no lineal con un gran potencial para aplicaciones de clasificac´ıon.

Fig. 1.

Red de funci´on de base radial.

La arquitectura de una red RBF se conforma por tres capas de neuronas, la capa de entrada, una u´ nica capa oculta y una capa de salida, como se muestra en la figura 1. La capa de entrada la componen un conjunto de neuronas que reciben las señales del exterior, transmitiéndolas a la siguiente capa sin realizar ningún procesado sobre dichas señales. Las neuronas de la capa oculta reciben las señales de la capa de entrada y realizan una transformación local y no lineal sobre dichas señales.

Fig. 2.

Dise˜no propuesto de la arquitectura de una red RBF.

Esta capa es la u´ nica que incluye componentes no lineales, denominadas neuronas RBF. Y, finalmente, la capa de salida que realiza una combinaci´on lineal de las actividades de las neuronas RBF. La salida de la red RBF es calculada como [3]

m X

Wij .φ(x, cj ) =

m X

Wij .φ(kx − cj k)

(1)

j=1

donde x es el vector de entrada, W es el peso entre la capa oculta y la capa de salida, m es el número de neuronas RBF, c es el centro de la neurona RBF, φ es la función de activación aplicada a la norma eucl´ıdea, kk, de la diferencia entre x y c. La función de activación, φ, es definida como una función gaussiana.

φ(x, cj ) = e

−1 2.σ2

kx−cj k

(2)

El parámetro σ controla el ancho de función de activación. III.

las operaciones de suma, resta y multiplicación se realizan en coma flotante binaria de simple precisión con el fin de incrementar la precisión de la salida de la neurona RBF. Para la realización de dichas operaciones se usaron bloques genéricos de elaboración propia con el objetivo de modificar la cantidad de bits en el exponente y mantisa para medir el performance de la red con diferente cantidades de bits en la etapa de pruebas.

A RQUITECTURA

PROPUESTA DE UNA RED

Diagrama de bloques de la neurona RBF.

Asimismo, la figura 3 nos muestra un bloque definido como la función exponencial, la cual implementa la función exponente que recibe la distancia eucl´ıdea entre el vector de entrada y el centro de la neurona RBF. La función exponencial se realiza mediante la expansión de Taylor definida como:

RBF

La figura 2 muestra el diagrama de bloques de la arquitectura propuesta para una red RBF genérica, es decir, con un número de neuronas modificables en cada capa, dependiendo de la aplicación. En primer lugar, la capa de entrada esta conformada por un registro de desplazamiento circular, el cual se encarga de la distribución de los elementos del vector de entrada en cada uno de las neuronas de la capa oculta. Seguidamente se encuentra la capa oculta, la cual esta conformada por un conjunto de neuronas RBF. Para la arquitectura de la neurona RBF, de la ecuación 1 2 reemplazamos la expresión 2.σ ermino β, el cual 2 por el t´ controla el ancho de la función gaussiana. Esta modificación simplifica la ecuación 2 a la siguiente expresión:

φ(x) = e−βkx−cj k

Fig. 3.

(3)

Entonces siguiendo el comportamiento de la ecuación 3 se realizó el diseño de la neurona RBF. La figura 3 muestra el diagrama de bloques de la neurona RBF propuesta donde

ed = 1 +

d d2 ds + + ... + 1! 2! s!

(4)

donde s es el orden de la función y d es la entrada a la función. Para la presente propuesta de la neurona RBF se uso la expansión de Taylor de orden 4 (s = 4), un valor alto de s mejora la precisión de la salida, sin embargo el incremento de s supone el uso de más recursos lógicos lo cual hace inviable la implementación de la red sobre un FPGA. Adicionalmente, para el rango de valores que toma d el error porcentual es de 0.0121%, lo cual nos indica que la precisión de la salida no se ve altamente afectada por el valor de s elegido. La figura 4 muestra el diagrama de bloques de la expansión de Taylor de orden 4 y adicionalmente a las operaciones de suma, resta y multiplicación del diagrama de bloques de la figura 3, en este bloque se usa la operacion de división de coma flotante binaria de simple precisión con las mismas caracter´ısticas de los anteriores bloques. Continuando con la arquitectura propuesta de la red RBF se encuentra la capa de salida, la cual esta conformada por un conjunto de neuronas que reciben como entrada las salidas de

TABLE I.

´ DE ARCHIVOS PARA LA ETAPA DE D ISTRIBUCI ON ENTRENAMIENTO

Tipo de Se˜nal Cardiaca NSR PVC Otras

Fig. 4.

Diagrama de bloques de la funci´on exponencial.

cada una de las neuronas RBF, φj (x), y el vector de pesos, Wj . La figura 5 muestra el diagrama de bloques de una neurona de salida que consiste en un multiplicador acumulativo.

De la etapa de entrenamiento con el software MATLAB se obtuvo que la red RBF que será descrita en VHDL usa 5 caracteristicas de las señales cardicas (la duración QRS, el intervalo QT, el intervalo PR, el intervalo P y el intervalo T), por lo tanto la cantidad de neuronas en la capa de entrada es 5, mientras que la cantidad de neuronas en la capa de salida se determina por los tipos de seãnles cardiacas que se van a clasificar (NSR, PVC y otros). La salida de cada neurona proporciona el grado de aproximación al tipo de señal cardiaca a clasificar. Por u´ ltimo, para determinar la cantidad de neuronas RBF se entrenó una amplia cantidad de redes RBF con diferentes números de neuronas RBF, la red que mejor performance obtuvo fue aquella en la que se usó 15 neuronas RBF. V.

Fig. 5.

Diagrama de bloques de la neurona de salida

Finalmente, la etapa de control de la red se realiza mediante una m´aquina de estados (FSM) que controla el flujo de los datos dentro de la red RBF. IV.

´ C LASIFICACI ON

˜ DE SE NALES CARDIACAS

Se uso la red RBF para la clasificación de señales cardiacas pues actualmente existe una amplia gama de trabajos que abordan este tema, de esta forma comprobamos y comparamos nuestros resultados frente a trabajos similares. La etapa de entrenamiento usa la base de datos del MIT-BIH, esta base de datos contiene 48 archivos obtenidos de 47 diferentes personas. Cada archivo contiene dos canales de seãles ECG medidas por aproximadamente 30 minutos. Asimismo, los 48 archivos se encuentran divididos en dos partes, la primera parte contiene 23 archivos (enumerados del 100 al 124, con la ausencia del archivo número 120) y la segunda parte contiene 25 archivos (enumerados del 200 al 234 con las ausencias de algunos archivos) [3]. Se decide clasificar a las señales cardiacas en contracción ventricular prematura(PVC), ritmo sinusal normal(NSR) y otras (contracción ventricular, contracción supra-ventricular, etc). La tabla I muestra la distribución de archivos del MITBIH para la etapa de entrenamiento. Por otro lado, la red fue entrenada usando el software MATLAB 7.12.0, mediante el cual se obtuvo los centros de las neuronas RBF, el ancho de las neuronas RBF, los pesos que se aplican en la capa de salida y la cantidad de neuronas en la red.

N´umeros de los archivos 100,108,205,121,222,209,113 119,116,106 104,108,109,111,118,124,200

P RUEBAS

R ESULTADOS

La etapa de entrenamiento en el software MATLAB proporcionó los parámetros y caract´ısticas de la red RBF. Estos parámetros y caract´ısticas son llevados a la red RBF propuesta en VHDL y al igual que la etapa de entrenamiento para la etapa de pruebas también se uso la base de datos del MIT-BIH. En la tabla II se muestra la distribución de los archivos de la base de datos, en esta tabla se uso los archivos 100, 119, 116 y 104, lo cuales son archivos que también se usaron en la etapa de entrenamiento. Se incluyeron estos mismos archivos para poder comparar los resultados de la red en MATLAB y VHDL, mientras que los otros archivos que se muestran en la tabla II nos brindan el comportamiento de la red frente a entradas para las cuales no fue entrenada la red. TABLE II.

´ DE ARCHIVOS PARA LA ETAPA DE PRUEBAS D ISTRIBUCI ON Tipo de Se˜nal Cardiaca NSR PVC Otras

N´umeros de los archivos 100,200,210,203,213,212 119,116,221 104,203,207,208,210,212,214

La etapa de pruebas fueron realizadas mediante simulaciones con ayuda de la herramienta ModelSim de Altera. De acuerdo con la Asociación para el Avance de la Instrumentación Médica [5] se uso 3 indicadores que muestran el performance de la clasificación: precisión (pre) ,sensibilidad (sen) y especificación (esp) usando true positive (T P ), true negative (T N ), false positive (F P ) and false negative (F N ).

pre =

TP + TN TP + TN + FP + FN

(5)

TP TP + FN

(6)

sen =

TABLE V.

esp =

Recursos

TN TP + FN

I NDICADORES DEL PERFORMANCE DE LA RED RBF

Jewajinda et. al.[6] Mohan Hu et. al.[7] RED propuesta

Precisi´on 96.6% 99.6% 96.86%

Sensibilidad 88.3% 99.6% 96.57%

Especificaci´on 99.5% 99.6% 99.87%

Además de la comparación con trabajos similares [6], [7] se uso los archivos comunes de la base de datos del Massachusetts Institute of Technology/Beth Israel Hospital para poder comparar el porcentaje de aciertos y el tiempo de operación entre la red en MATLAB y la red propuesta en VHDL. Los resultados de la tabla IV nos muestran que la red en MATLAB tienen un porcentaje de acierto mayor que la red en VHDL, sin embargo el tiempo que demora la red en MATLAB es mucho mayor que el de la red en VHDL. De esta forma podemos ver la principal ventaja que presenta la implementación en hardware de la red RBF frente a su contraparte en software, misma ventaja que se observa en la tabla III. Por otro lado, la red en MATLAB proporciona un porcentaje de acierto superior ya que las operaciones aritméticas que se incluyen tienen mayor precisión que las usadas en VHDL. Sin embargo, el paralelismo inherente de los FPGA nos proporciona un tiempo de procesamiento significativamente menor. TABLE IV. Tipo de señal cardiaca NSR PVC OTROS

Números de Elementos Logicos Frecuencia Máxima de operación (MHz)

Tiempo, ms (Red MATLAB) 1.07 1.24 1.26

Porcentaje de acierto (Red VHDL) 95.55% 92.41% 90.56%

Tiempo, us (Red VHDL) 7.23 7.58 7.65

Finalmente, los resultados del proceso de s´ıntesis se muestran en la tabla V, donde se observa que la neurona RBF emplea un total de 1124 elementos lógicos. Mientras que la neurona de la capa de salida 694 elementos lógicos. Esto se debe a que la neurona RBF contiene el bloque de función exponencial, la cual consume la mayor´ıa de recursos lógicos. Asimismo, la frecuencia máxima de operación para la neurona de la capa de salida es mayor que la neurona RBF, esto se debe a que las operaciones combinacionales en el bloque de la neurona de la capa de salida no generan tanto retraso como las de la neurona RBF. VI.

1124

Neurona de la capa de salida 694

165.4

188.76

´ C ONCLUSI ON

En el presente trabajo, una arquitectura para una red neuronal RBF descrita en VHDL fue presentada. La arqui-

Red Neuronal RBF

18640

113.5

tectura fue probada en la clasificación de señales cardiacas verificando el correcto funcionamiento y desarrollo de la red. Los resultados de la red propuesta comparados contra trabajos similares nos indican que las redes RBF presentan mayor eficiencia en una aplicación de clasificación que otras clases de rede neuronales [6]. Sin embargo, la red RBF propuesta no alcanzó el performance de la red en software [7] dado que la precisión es mayor en software que en una implementacion hardware. Por otro lado, los resultados también muestran que el diseño propuesto puede ser utilizado en aplicaciones en tiempo real por su corto tiempo de procesamiento en comparación con lo requerido por una aplicación en software(tabla IV). Asimismo, el hecho de realizar todas las operaciónes en punto flotante de simple presición incremento el performance de los resultados. Sin embargo, se resalta que se sacrificó un uso mayor de recursos lógicos por dicho incremento. R EFERENCES [1] [2] [3] [4] [5]

´ R ED MATLAB VERSUS R ED VHDL C OMPARACI ON Porcentaje de acierto (Red MATLAB) 96.84% 95.73% 93.65%

Neurona RBF

(7)

Los resultados de los indicadores de nuestra red propuesta y de dos diferentes métodos fueron comparados y presentados en la tabla III. En el primer trabajo [6], la similitud con nuestra red propuesta radica en el uso de una red implementada en un FPGA aplicada a la clasificación de señales cardiacas, sin embargo dicho trabajo no utiliza una red RBF para la clasificación, por lo tanto nuestra red posee un mejor performance. Por otro lado, el trabajo [7] muestra un mejor performance en la clasificación y esto se debe al uso de una implementación en software. Esta caracter´ıstica se repite en la comparación de nuestra red propuesta en VHDL con la red en MATLAB que se uso en la etapa de entrenamiento. TABLE III.

R ECURSOS UTILIZADOS EN EL FPGA

[6]

[7]

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9th International Masonry Conference 2014 in Guimarães

Seismic Behavior Comparison of Traditional and Confined Masonry Haitian Walls QUIUN, DANIEL1; VILLA GARCÍA, GLADYS2; BLONDET, MARCIAL3 ABSTRACT: The 2010 Haiti earthquake (Mw 7.0) caused more than 220000 deaths and more than 100000 houses were destroyed. Non engineering constructions made of unreinforced masonry and reinforced concrete frames with masonry block infill are the common popular housing buildings in Haiti that failed badly. To understand and to improve Haitian masonry, an experimental research was carried out at the Structures Laboratory of the Catholic University of Peru. The improvements were the use of confined masonry, ideal for low rise buildings in seismic areas. Concrete masonry units were fabricated reproducing Haitian blocks. Full masonry walls were constructed and tested under cyclic lateral load. These walls were all different, but had the same lateral load pattern. This paper reports the promising results obtained, which show that confined masonry using Haitian blocks with 66% of the voids filled, improves the seismic resistance and the overall integrity of the masonry. Keywords:

Haiti earthquake, confined masonry, concrete blocks, cyclic load, infill panel

1 INTRODUCTION On January 12th 2010, Haiti suffered a Mw 7,0 earthquake with epicentre 25 km WSW of Port-auPrince, which has been considered one of the most destructive in history. Death toll numbers are not precise and differ widely but not less than 200000 people died. Injured people exceeded 300000 and 1.2 million were left homeless [1]. Haiti has almost 80% of its population living below the poverty line. This fact accounts for the lack of seismic considerations in the construction processes. Most houses and commercial buildings were constructed with low quality materials, no technical assistance and following poor traditional practices. This informality has been the main cause for the severe damage and collapse during the earthquake. Traditional construction consisted of small dimension, weakly reinforced concrete frames in filled with low quality, hand made, concrete block masonry units (CMU) [2], as shown in Figure 1. Two years after the Haiti quake, only 4,769 new houses have been built, and 13,578 homes repaired, while 520,000 people remain in squalid camps [3], see Figure 2. The 2010 earthquake evidenced the urgent necessity to formulate standards that guide constructive processes and that demand an adequate quality control of Haitian constructions [4]. The seismic behavior of structures built with hand made CMU information is very limited. In Peru there have been two research projects related with hand made CMU [5] and [6]. Both report that 1)

Professor, Catholic University of Peru, Department of Civil Engineering, dquiun@pucp.edu.pe Associate Professor, Catholic University of Peru, Department of Civil Engineering, gvillag@pucp.edu.pe 3) Professor, Catholic University of Peru, Department of Civil Engineering, mblondet@pucp.pe 2)

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seismic behavior of hollow unreinforced CMU walls is poor and does not comply with the requirements of the Peruvian Masonry Code [7].

Figure 1. Earthquake destruction in masonry houses in Haiti (EERI, [2])

Figure 2. 2010 Haiti earthquake destruction and housing conditions in Haiti On the other hand, confined masonry is a low cost alternative that has proven its good seismic behavior in buildings of up to five stories during strong earthquakes in different countries such as Mexico, Chile and Peru [8], [9]. The use of confined masonry has led to a project to develop a global design guide that unifies concepts and experiences of various countries [10]. Thus, the objective of this research project is to study the possibility of adapting the confined masonry system to build safe low cost housing. The traditional CMU in Haiti, which exhibits 3 voids but has the opposite surface full for the placement of mortar in the horizontal joint of the masonry wall, was copied for this research. The first stage of this project considered reproducing Haitian construction materials and constructive practices to determine their structural characteristics as a comparative baseline. This stage also included the comparison between two similar confined masonry walls built with the same materials and geometric characteristics. Changing only the constructive process from infill frame to confined masonry, increased slightly the strength (15%). However, the confined masonry wall kept its integrity and developed typical shear crack patterns, thus increasing greatly its capacity to resist out of plane forces after it is cracked [11]. The second stage of the project is reported in this paper. It included determining the improvement in confined masonry walls due to filling some of the voids of the CMU blocks. One try is to fill it 33% (one void), the other is to fill it 66% (two voids); and finally the effect of including vertical load to simulate a second floor is studied.

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2 RESEARCH METHODOLOGY The experimental program included: 1) Materials, reproducing Haitian conditions, and 2) Full Walls. The materials characteristics were determined with standard tests: compression of concrete cylinders, compression of mortar cubes, compression of masonry prisms and diagonal compression of masonry wallets (original and filling 33% or 66% of voids). Seismic behaviour was studied with horizontal cyclic load tests of full scale walls. So far, five walls have been tested, the first and second have been previously reported [10], the first wall was infilled in a Haitian style concrete frame, the second wall was a confined masonry wall with the same materials. This paper reports other three walls tested. One wall had the middle void of the units (33%) filled with mortar, the second and third walls had the two border voids (66%) filled with mortar, with the third wall subjected to vertical load equivalent to an additional floor. This report presents the results of the three last walls and comparison of important parameters with the previous results.

3 SPECIMEN CONSTRUCTION AND INSTRUMENTATION 3.1. Masonry Units and mortar designed to meet Haitian conditions A special mechanical steel form device was designed and built to produce Haitian style concrete masonry units. The overall unit dimensions were set as 145 mm thickness, 195 mm height and 400 mm length, with three voids in a row for handling, with the opposite being a full surface (Figure 3). The drying process of the units was at least 28 day before use. With these units, full scale walls and small specimens (prisms for axial compression and wallets for diagonal compression) were built.

Figure 3. Steel form and fabrication of Haitian style concrete masonry units The traditional units have compression strength of 5.79 MPa, over the gross area. The net area of such units is only 50% of the gross area. The masonry walls with such units are very fragile when they are subjected to seismic loads, as shown in previous researches on hand made concrete masonry with voids [5], [6], in which the cracking of the units was very brittle and their crushing produced a sudden reduction in the lateral load capacity of the masonry walls. The traditional Haitian units are not adequate for building structural walls in seismic areas. Therefore, in order to improve the seismic behavior of confined walls made with such units, it was sought to reduce the fragility of the units by filling partially the voids, prior to the placement of the units. Filling the three voids would be similar to produce a solid unit, which is impracticable. The first try was then to fill only one void, the middle one (called 33% hereafter). The second try was to fill two voids, one to each border of the unit (called 66% herafter), as shown in Figure 4. The filling mix was mortar of low quality, grossly 1:8 cement:sand proportion in volume. Similar compression tests were made with the 33% and 66% units, giving 9.52 and 9.80 MPa over the gross area. The mortar used for placement of the units was sought also to meet Haitian conditions. The mortar used was of low quality, grossly a volume proportion of 1:8 cement: sand. Cubic 50 mm mortar specimens were prepared and tested under compression, giving a gross value of 5.1 MPa.

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Figure 4. Concrete masonry units with 33% and 66% voids filled.

3.2. Reinforced concrete and confining elements In confined walls, the masonry is built over a foundation concrete beam. The concrete of the border columns are poured after the masonry wall is done with a toothed connection. Later, the collar beams are poured to complete the four sides of the confining frame. Average concrete strength was 12 MPa for the columns, similar to Haitian concrete used for housing buildings, which is below Peruvian masonry standard (17.4 MPa). The steel bars used were grade 60 with yield stress of 420 MPa, typical for constructions in seismic areas. However, reports from Haiti tell that most of the reinforcing steel bars are grade 40. Columns cross section was 150 x 250 mm. Reinforcement consisted of 4 Ф 9.5 mm (3/8”) bars for wall W33%, and 4 Ф 12.7 mm (1/2”) bars for both walls W66%. Stirrups of 6 mm with 135° hooks were spaced 1@50mm, 4@100mm and the rest @250mm. The collar beam section was 150 x 200 mm. It was reinforced with 4 Ф 9.5 mm (3/8”) bars and stirrups of 6 mm spaced uniformly every 250mm for all walls.

3.3. Small masonry specimens In the previous report [11], traditional units were used to build prisms and wallets. For this stage of the research, 33% and 66% units were used. All prisms for axial compression test consisted of three units stacked vertically and joined with cement-sand mortar in volume proportion 1:8. Slenderness ratio of all prisms was 4.2, Figure 5 shows a sample test. The prisms were instrumented with two LVDT’s placed vertically on each side to determine Young’s Modulus Em. For diagonal compression tests, a series of wallets were built, 830 mm side, also two LVDTs were placed diagonally to measure the shear modulus Gm. Figure 5 shows a typical test of one wallet, as the mortar had low quality, the cracks mainly followed the joints.

Figure 5. Axial compression test and diagonal compression test 4

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The compression masonry strength (f’m) and masonry shear strength (v’m) are given in Table 1, as well as the elastic modulus Em and Gm. In the Peruvian Masonry Code [7], for solid units, the ratio between Em and f’m is specified as 700 for concrete masonry units, and the ratio of Gm to Em is specified as 0.4. Both ratio values obtained for filled units 33% and 66% are quite similar. Table 1.- Masonry properties for different units Unit type

Prisms f’m

Young modulus Em

Ratio E/f’m

Wallets v’m

Shear modulus Gm

Ratio Gm/Em

Traditional

2.80 MPa

3092 MPa

1104

0.28 MPa

823 MPa

0.27

33%

4.59 MPa

2823 MPa

615

0.38 MPa

1180 MPa

0.42

66%

5.42 MPa

3180 MPa

587

0.45 MPa

1414 MPa

0.44

3.4 Full wall construction For the 33% wall (W33%), and both 66% walls (W66%), the specified unit voids were filled one day before placement, as explained previously with mortar, similar to the one use in the masonry joints. Some stages of the wall construction are displayed in Figure 6. Each wall was constructed over a reinforced concrete foundation beam. The masonry units were wetted prior to their placement, and laid with the void surface toward the bottom, so that the mortar of the horizontal joints could be placed over the full block surface. Horizontal and vertical joints were set to 200 mm, filled with a mortar mix of 1:8 (cement: coarse sand) in volume. The wall to column connection was toothed only by 50 mm, as recommended in the Peruvian Masonry Code [7] to reduce voids in the concrete columns due to their small cross section. The first half of the wall (six layers) was constructed the first day and the upper second half the second day. Concrete of the confining columns was poured the next day. At the end, the concrete of the collar beam was poured and the confined wall construction finished.

Figure 6. Confined wall construction th

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3.5 Full wall instrumentation The wall instrumentation and the lateral load steps were determined in the previous research of two walls (wall W1 with infill frame and wall W2 with confined masonry, [11]). In the present case, the same pattern was repeated as given in Table 2, in which D1 represents the lateral topmost displacement within each step. For the wall W33% and the wall W66%, only cyclic lateral loads were applied. For the last wall W66%-VL, a vertical load of about 150 kN was applied to simulate a second floor. This vertical load was maintained almost constant along the cyclic lateral load test. Table 2 Cyclic Lateral load test steps Step D1(mm) Cycles

0.5

1.5

7.5

8 10 3

12.5

Instrumentation for wall W33% and wall W66% consisted of 10 LVDT’s as is shown in the left of Figure 7: D1 was used for test displacement control, D2 and D3 recorded the diagonal elongation at the centre of the wall, D4 and D5 recorded the vertical separation between column and foundation beam, D6 and D7 measured total diagonal elongation of the wall, D8 and D9 monitored horizontal separation between wall and column and D10 monitored horizontal movement between the wall and the collar beam. For wall W66%-VL, three more LVDT’s were added (D11, D12 and D13) to record the vertical displacements due to the vertical axial load, see the right of Figure 7.

Figure 7. Confined walls instrumentation, W33%, W66% (left) and W66%-VL (right)

4 CYCLIC LATERAL LOAD RESULTS 4.1. Crack Patterns For step 1 an elastic behavior was observed in the three walls without cracks. For step 2, cracks started to appear in both columns due to tension by flexure. For step 3, the cracks start to appear along the mortar joints and for step 4 the full diagonal cracks are partially developed following the horizontal and vertical joints, without crossing the masonry units. In step 5, both diagonal cracks are fully developed in the three walls, with a width of 0.45mm. For step 6, also the masonry units have cracks, in step 7 the cracks width reaches 5 mm, and in step 8, they widen up to 10 mm. Step 9 corresponds to a 0.005 drift which is the Peruvian Masonry Code limit for repairable purposes. In 6

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steps 9, 10 and 11 the cracks continue to increase in size, and in some of them, the width lets visible the other side of the walls. Steps 12 and 13 were intended to take the walls to collapse or near to it. At the end of the tests, the walls had a severe reduction in lateral load capacity, especially wall W66%-VL was very near to collapse. Figure 8 shows the wall W33%, Figure 9 shows wall 66%, and Figure 10 shows wall W66%-VL in different steps of the cyclic load tests.

Figure 8. Wall 33% during step 12, and opposite side with breakage of lateral block surfaces

Figure 9. Wall 66% during step 12 and step13 with diagonal cracking.

Figure 10. Wall 66%-VL during step 9 and step 13 with severe cracking. th

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It may be observed in Figure 10 how the concrete columns act as effective confinements to the masonry, a good bond between concrete columns and masonry walls was achieved. In the case of the traditional walls, the columns separated earlier from the masonry wall, so in case of a real earthquake, the out-of-plane forces that act perpendicular to the wall would produce their collapse by overturning, as was mentioned in the traditional wall test [11]. On the other hand, in the confined walls it is likely that the walls would remain without collapse due to out-of-plane seismic forces.

4.2 Load-Displacement curves The Peruvian Masonry Code [7] considers the shear capacity of confined walls Vm, as indicated in Equation 1, in which v´m is the shear resistance of small specimens (walletes), slendernes parameter α equals to one for square walls, t is the wall thickness, L is the wall length including the columns, and Pg is the vertical load carried by the wall.

=0.5

′

+0.23

For the wall W66%, v’m = 0.45 MPa, t=150 mm, L=2670mm, and Pg is zero in one case and 150 kN in the last wall (W66%-VL). Replacing values, it may be found that the Peruvian Masonry Code shear load capacity is 90 kN for W66% and 124.6 kN for W66%-VL walls. Figure 11 shows the cyclic load envelope for the three walls. It was found that wall W33% reached a lateral load at diagonal cracking of 93 kN, while wall W66% reached 113 kN (21% more). This result shows the importance of reducing the voids in the traditional masonry units. The experimental peak loads for the tested walls were 127 kN, 158 kN, 192 kN, all three larger than the Code prediction.

Figure11. Lateral load-top displacement curves for the three walls

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The relationships of Figure 11 were transformed taking the absolute values of both lateral loads and displacements, in order to obtain the absolute envelope curves shown in Figure 12. It may be observed how the confined walls develop ductility with large displacements, thanks to the concrete confinements that keep the masonry together despite the severe cracking produced by the lateral loads. The effect of filling the voids of the masonry units is clear again, comparing the W33% and W66% walls envelope (Figure 12), that is if the units are closer to a solid unit, as required by good confined masonry practices, the lateral load capacity increases. Figure 13 was presented in a previous paper [11] as the envelope of the first two tested walls, the traditional wall W1 and the confined wall W2. It is clear that the traditional wall W1 has the poorest behavior, with the strongest fall in lateral load capacity of the five tested walls.

Figure 12. Envelope of the lateral load-displacement curves for the three walls 160 Shear Force (kN)

140 120 100

60 40 20

0 0

Lateral Displacement D1 (mm)

Figure 13. Envelope of the lateral load-displacement curves for walls W1 and W2 [11]

4.3 Stiffness Degradation The last two walls whose units had 66% voids filled were analyzed in terms of lateral stiffness degradation (see Figure 14). It may be seen that after the diagonal cracks appear in step 3, the stiffness reduces significantly. The effect of the vertical load in the lateral stiffness shows that the wall with vertical load as a second floor had a better response, during steps 3 to 8. Also, after the walls reach step 9 (drift of 1/200=0.005, the Peruvian Masonry Code limit), the stiffness is quite similar regardless the vertical load applied. th

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W66%-VL

W66%

Figure 14. Comparison of lateral stiffness between walls W66% and W66%-VL

5 CONCLUSIONS The Haitian masonry materials could be reproduced reasonably, despite the lack of technical information published. In this research, the masonry units were reproduced in dimensions and properties, as well as the mortar. Low quality concrete also was able to be produced for the confining elements. By this way, small specimen tests and full walls cyclic tests were conducted. It was found that confined masonry walls could be constructed using the equivalent traditional units and materials, and that confined masonry shows a significant better behavior than the traditional infill wall, good bond was observed between the columns and the masonry walls. The lateral load could not be predicted properly with the Peruvian Code formula for solid units. The walls with 66% filled units showed a moderately better seismic behavior than the walls with 33% or the previous walls W1 and W2 without filling the voids of the units. The increase in load capacity between wall W33% and W66% was of 24%. Regarding the effect of the vertical loads, the W66% and W66%-VL walls can be compared. The vertical load produces an increase in the shear load capacity, adding about 20% of the vertical load increase, this is consistent with the 23% factor for vertical load Pg used in the Peruvian Masonry Code equation for shear capacity of confined walls. The lateral stiffness degradation was less if the wall had vertical load, but after passing the 0.005 drift, the stiffness decayed similarly. It is highly recommended to study an even lesser drift limit for seismic design of Haitian walls. Finally, although the confined masonry could be a way of improvement in masonry construction, the use of solid units (or filling 66% of the voids of the traditional units) is a must to gain shear in plane resistance under lateral seismic loads.

ACKNOWLEDGEMENTS The authors express their recognition to the Vice Rector of Research of the Catholic University of Peru (PUCP) who funded the research project, to Giancarlo Floriano and Yasser Iparraguirre, undergraduate PUCP students who were research assistants, and to the Structures Laboratory personnel and technical staff for their help in the construction and testing of the specimens. 10

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Simulación del Proceso de Agitación en un Agitador Vertical Mediante un Modelo Bifásico de Superficie Libre Hebert Huerto1, Herbert Yépez1, Rosendo Franco1, Quino M. Valverde1 (1) Grupo INACOM, Sección Ing. Mecánica, Dpto. de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica del Perú, Av. Universitaria 1801, Lima 32 (Perú) (qvalver@pucp.edu.pe) RESUMEN El presente trabajo presenta resultados preliminares de la investigación desarrollada por los autores acerca del comportamiento de agitadores verticales con superficie libre. El objetivo es profundizar el conocimiento del proceso de agitación y contribuir con la mejora del diseño, incrementar la eficiencia y disminuir los costos de fabricación de agitadores. Se presenta una breve explicación de aspectos técnicos y fundamentos teóricos tales como los números adimensionales utilizados en el estudio y las ecuaciones de gobierno del comportamiento de los fluidos, se plantea el problema tomando como aplicación un agitador con impulsor PTB (paletas planas inclinadas a 45°), considerando la interacción impulsor-tanque-deflectores, fluido newtoniano, flujo turbulento, simulación bifásica (agua-aire) y régimen estacionario. Se define el modelo para la simulación y se comparan los resultados obtenidos con distintos modelos de turbulencia en CFD (Dinámica de Fluidos Computacional), encontrándose que el modelo Shear Stress Transport (SST) ofrece un error menor que el 8% con respecto a la información experimental disponible en diagramas de Número de Potencia vs. Número de Reynolds (Np vs. Re). De esta manera, se valida un modelo que permite el estudio de agitadores mediante simulación numérica. INTRODUCCIÓN La agitación y la mezcla son dos de los procesos industriales más comunes; se trata de transferir energía cinética a un fluido o mezcla de fluidos mediante una máquina denominada agitador, que consta fundamentalmente de un tanque contenedor y un impulsor. A pesar de la simplicidad del principio y la máquina, el estudio del proceso de agitación es muy complejo. Profundizar el conocimiento de este proceso permite contribuir con la mejora del diseño, incrementar la eficiencia y disminuir los costos de fabricación de agitadores. La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es una herramienta muy potente para analizar y simular este tipo de sistemas, en que existen transporte de masa, transformación de energía e intercambio de cantidad de movimiento. Para aproximar los efectos de la turbulencia mediante una simulación numérica directa, sin necesidad de recurrir a mallas excesivamente finas, se utilizan ampliamente los modelos de turbulencia kÉpsilon, k-omega y Shear Stress Transport (SST). La selección del modelo de turbulencia en CFD tiene un efecto significativo sobre la caracterización del flujo. En el presente trabajo se estudia el flujo en un tanque agitador vertical con superficie libre en régimen estacionario, utilizando el software ANSYS CFX versión 14.0. La selección del modelo de turbulencia más adecuado a esta aplicación se valida mediante la comparación de la curva de Número de Potencia vs. Número de Reynolds (Np vs. Re) generada a partir de la simulación y la correspondiente curva experimental reportada por la empresa Chemineer.

IMPLEMENTACIÓN DE LA SIMULACIÓN En este trabajo el equipo de agitación consiste en un tanque cilíndrico de fondo redondeado, cuatro deflectores distribuidos simétricamente contra la pared del tanque a intervalos de 90º, impulsor con cuatro paletas rectas inclinadas 45° (PTB), diámetro del tanque (T) de 254mm, profundidad del líquido (H) de 550mm, diámetro del impulsor (D) de 235mm, ancho del impulsor (h) de 27mm, altura del impulsor (C) de 200mm y ancho del deflector (B) de 22mm. El modelamiento de la geometría del impulsor, generación del dominio del impulsor y del dominio del resto del tanque agitador se realiza mediante el software CAD Design Modeler (DM), software del paquete de ANSYS.

Figura 1. a) Dimensiones del equipo de agitación, b) Dominio del tanque agitador La generación de la malla del dominio del impulsor y el resto del tanque se realiza mediante el software ANSYS Mesh v. 14.0. Se obtiene un mallado en todo el dominio utilizando elementos hexaédricos, tetraédricos y piramidales en un total de 742862 elementos. Las estadísticas del mallado muestran que para ambos dominios y el dominio global los índices de relación de aspecto promedio, oblicuidad promedio y ortogonalidad promedio son buenos [1].

Figura 2. a) Mallado del dominio del impulsor, b) Mallado del dominio del tanque agitador

Se definen los fluidos, agua y aire, como continuos y newtonianos, modelo de fluido multifĂĄsico y homogĂŠneo, como presiĂłn de referencia 1atm, proceso de transferencia de calor isotĂŠrmico a 25ÂşC, modelo de superficie libre estĂĄndar. El volumen de control del impulsor se define como dominio rotatorio, volumen de control del resto del tanque como dominio estacionario, marco de referencia estacionario (Frozen Rotor), coeficiente de tensiĂłn superficial entre ambas fases (agua y aire) de 0.072 N/m, condiciĂłn de pared de las paredes del tanque y los deflectores como sin deslizamiento y rugosidad superficial de 0.15mm. En los parĂĄmetros de control de la simulaciĂłn se definen alternativamente los modelos de turbulencia: k-Ă&#x2030;psilon, k-omega o SST. El software ANSYS CFX V.14.0 resuelve las ecuaciones que definen el comportamiento del fluido; estas son: la de conservaciĂłn de masa (Ec.1), cantidad de movimiento (Ec.2) y energĂa (Ec.3), expresadaen coordenadas cartesianas [1]: đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x152; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą đ?&#x153;&#x2022;

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đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2014;

ďż˝ďż˝ + đ?&#x2018;&#x2020;đ?&#x153;&#x2018;

đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x2014; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013;

ďż˝ďż˝

(2) (3)

donde: đ?&#x2018;Ą representa el tiempo, đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2014; las coordenadas espaciales, đ?&#x153;&#x152; la densidad, đ?&#x153;&#x2021;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x201C; la

viscosidad efectiva, đ?&#x2018;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x2014; el vector velocidad, đ?&#x2018;? la presiĂłn, đ?&#x153;&#x2018; una variable escalar que representa la energĂa, đ?&#x203A;¤đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x201C; un tĂŠrmino de difusividad y đ?&#x2018;&#x2020;đ?&#x153;&#x2018; un tĂŠrmino de fuente.

Los nĂşmeros adimensionales que caracterizan el proceso de agitaciĂłn son el NĂşmero de Reynolds (Re), que representa la magnitud relativa de los efectos inerciales con respecto a los efectos viscosos, y el NĂşmero de Potencia (Np), que representa la potencia especĂfica necesaria para el funcionamiento del agitador [2], respectivamente (Ec.4) y (Ec.5):

đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x2019; =

đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x192; =

đ?&#x2018; đ??ˇ2 đ?&#x153;&#x152;

(4)

đ?&#x2018;&#x192;

(5)

đ?&#x153;&#x2021;

đ?&#x153;&#x152;đ?&#x2018; 3 đ??ˇ5

donde: N representa la velocidad de giro y D el diĂĄmetro del impulsor. A continuaciĂłn se presentan los resultados y el anĂĄlisis de las simulaciones realizadas; el primer objetivo es validar el modelo, en particular el modelo de turbulencia, mediante comparaciĂłn con informaciĂłn experimental y el segundo estudiar el patrĂłn de flujo en el agitador descrito.

SIMULACIONES NUMĂ&#x2030;RICAS Para generar la curva de NĂşmero de Potencia vs. NĂşmero de Reynolds (Np vs. Re) en toda su amplitud, se simulan suficientes puntos de muestreo; para esto se consideran nĂşmeros de Reynolds en el rango 1<Re<105 (desde el rĂŠgimen laminar al turbulento) [3]. Al utilizar Agua como fluido de trabajo y variar la velocidad del impulsor de 22 a 540 rpm se obtienen nĂşmeros de Reynolds muy elevados (orden de 105) correspondientes a los regĂmenes transitorio y turbulento. Para obtener nĂşmeros de Reynolds en rĂŠgimen laminar con Agua la velocidad del impulsor tendrĂa que ser casi nula, por ello en este rango se utilizĂł Glicerina, ya que sus propiedades (densidad y viscosidad) permiten obtener nĂşmeros de Reynolds con velocidades de rotaciĂłn razonables. En la Tabla 1 se muestran los datos utilizados para la generaciĂłn de la curva. Tabla 1. Calculo del nĂşmero de Reynolds Fluido Agua Agua Agua Glicerina Glicerina Glicerina Glicerina

đ??ˇ (m) 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1

đ?&#x153;&#x152;

(kg/m3) 998 998 998 1258 1258 1258 1258

đ?&#x153;&#x2021;

(kg/m.s) 8.91*10-4 8.91*10-4 8.91*10-4 1.5 1.5 1.5 1.5

đ?&#x2018;

(Rev./min) 22 54 540 71 215 711 2800

Re 4133.3 10145.4 101454.2 10.0 30.2 100.0 393.8

Se simulan suficientes puntos con cada uno de los tres modelos de turbulencia, k-Îľ, k-Ď&#x2030; y SST, respectivamente. Mediante la simulaciĂłn se obtiene el torque sobre el impulsor, a partir del cual se calcula el NĂşmero de Potencia (Np), que se presenta en la Tabla 2. Tabla 2. CĂĄlculo del nĂşmero de potencia para los modelos k- Îľ, k-Ď&#x2030; y SST. Fluido

Modelo de Turbulencia

Torque (N.m)

Modelo de Turbulencia

Torque (N.m)

Modelo de Turbulencia

Torque (N.m)

Glicerina

Laminar

0.0442

5.8

Laminar

0.0442

5.8

Laminar

0.0442

5.8

Glicerina

Laminar

0.1343

2.94

Laminar

0.1343

2.94

Laminar

0.1343

2.94

Glicerina

100

Laminar

0.65

1.88

Laminar

0.65

1.88

Laminar

0.65

1.88

Glicerina

400

k-Ă&#x2030;psilon

7.2

1.63

k-omega

6.28

1.42

SST

6.343

1.43

Agua

4100

k-Ă&#x2030;psilon

0.000301

1.38

k-omega

0.000342

1.58

SST

0.00030415

1.4

Agua

10100

k-Ă&#x2030;psilon

0.0019469 1.49

k-omega

0.0017456 1.34

SST

0.192632

1.47

Agua

101000

k-Ă&#x2030;psilon

0.184507

k-omega

SST

0.184335

1.41

0.18132

1.39

En la Figura 3 se comparan las curvas de potencia generadas con los distintos modelos de turbulencia y la curva experimental (Chemineer, 1985). Se pueden apreciar tambiĂŠn los rangos de la curva en que se emplean Glicerina y Agua, respectivamente.

Glicerina

Agua

Fig. 3. Comparación de las curvas de potencia de los tres modelos de turbulencia con la curva experimental para impulsores de 4 paletas planas inclinadas a 45° (PTB), (Chemineer 1985). En la Tabla 3 se muestra el error relativo de los puntos de muestreo para cada uno de los modelos de turbulencia, en comparación con la curva experimental. Tabla 3. Error relativo para los modelos de turbulencia k-ε, k-ω y SST Fluido

Modelo

Np % Error Modelo

Glicerina

Laminar

5.8

Glicerina

Laminar 2.94

13%

Glicerina

100

Laminar 1.88

14%

Glicerina

400

k-Épsilon 1.63 8.60% k-omega 1.42 5.30%

SST

1.43 4.60%

Agua

4100

k-Épsilon 1.38 2.90%

k-omega 1.58 11.20%

SST

1.42 5.90%

Agua

10100 k-Épsilon 1.49 11.20% k-omega 1.34 23.90%

SST

1.45 8.20%

Agua

101000 k-Épsilon 1.41 5.20%

SST

1.41 5.20%

1.60%

Laminar

Np % Error

1.60%

Laminar 5.8

1.60%

Laminar 2.94

13%

Laminar 2.94

13%

Laminar 1.88

14%

Laminar 1.88

14%

k-omega 1.38 28.10%

Los resultados muestran que el modelo de turbulencia k-Omega es el que presenta mayor error de los tres. El modelo k-Épsilon presenta un menor error que el k-Omega. Sin embargo, el modelo de turbulencia SST ofrece los mejores resultados comparados con la curva de potencia experimental; el error es menor que 8% en todos los puntos de simulación. Este resultado respalda el procedimiento de simulación (pre procesamiento, procesamiento y post procesamiento) y el modelo de turbulencia SST seleccionado para simular el comportamiento del flujo en el presente estudio.

RESULTADOS La Figura 4 muestra el contorno de velocidades en el plano de corte ZY. Se observan zonas de velocidad de gran interés; por ejemplo, la zona de alta velocidad [0.5-1.2] m/s, localizada en los alrededores del impulsor. La zona de velocidad media [0.5-0.7] m/s, localizada cerca de las paredes del tanque y por encima del impulsor. La zona de estancamiento [0-0.2] m/s, localizada debajo del impulsor, esta zona presenta muy bajas velocidades, lo que hace que el fluido tenga poco movimiento. Las zonas de baja velocidad [0-0.1] m/s, son cinco zonas asociadas a la formación de remolinos, localizadas dos en la parte superior, dos en la parte inferior y una alrededor del eje del impulsor.

Fig. 4. Contorno de velocidades en el plano de corte ZY La Figura 5 muestra las secciones de corte paralelas al plano XZ para analizar el contorno de velocidades a distintas alturas del dominio del tanque agitador y tomando como referencia el fondo del recipiente. En la Figura 6 se muestran bajas velocidades [0-0.1] m/s, debido a que a esa altura el flujo se encuentra cerca de la superficie. Las Figuras 7 y 8 muestran la formación de un remolino alrededor del eje del tanque; las velocidades se encuentran en el rango de [0-0.35] m/s. Las Figuras 9 y 10 muestran altas velocidades [0.3-0.6] m/s, localizadas en la parte lateral y central del tanque. En las Figuras 11 y 12 se muestran las velocidades más altas de todo el dominio, [0.6-1.2] m/s, localizadas en el borde de los álabes del impulsor. Finalmente, las Figuras 13 y 14 muestran la parte inferior del tanque, en la cual se aprecia fluido con poca velocidad (fluido estancado).

Fig. 5. Contorno de velocidades en el plano de corte ZY

Fig. 6. Sección a 60mm

Fig. 7. Sección a 50mm

Fig. 8. Sección a 40mm

Fig. 9. Sección a 30mm

Fig. 10. Sección a 23mm

Fig. 11. Sección a 20mm

Fig. 12. Sección a 18mm

Fig. 13. Sección a 10mm

Fig. 14. Sección a 5mm

En la Figura 15 se compara el patrón de flujo generado por el impulsor PTB (conformado por cuatro álabes rectos inclinados 45 °) con patrones de flujos característicos, axial y radial. Como se puede apreciar, el impulsor PTB, por la forma de sus álabes inclinados, produce una mezcla de flujo axial y radial.

Fig. 15. Patrón de flujo del tanque agitador La Figura 16 muestra la fracción de volumen de aire (escala logarítmica) en todo el dominio del tanque agitador. En la parte superior de la figura se observa una mezcla de aire y agua en la formación de un remolino. También se encuentra presencia de aire en la parte inferior del impulsor y en las regiones donde hay presencia de vórtices. El grado de mezcla entre aire y agua, expresado en fracción de volumen de aire, en todo el dominio se encuentra entre 0.1 y 0.3.

Fig. 16. Fracción de volumen de aire en el tanque agitador.

CONCLUSIONES Se propone un procedimiento para simular el flujo que se produce en un tanque agitador vertical de impulsor PTB con superficie libre en régimen estacionario mediante el software ANSYS CFX versión.14.0, el cual se valida mediante la comparación de la curva de potencia (Np vs. Re) generada a partir de los resultados de la simulación y la curva experimental presentada por la empresa Chemineer. Al generar esta curva se utilizaron Agua y Glicerina como fluidos de trabajo para trazar la curva en toda su amplitud, tanto en régimen laminar como turbulento. Esto corrobora que los números adimensionales describen el comportamiento del flujo independientemente del fluido que se utilice. Al comparar los resultados obtenidos para los modelos de turbulencia k- ε, k-ω y SST con los resultados experimentales, se constata que el modelo de turbulencia SST es el que ofrece los mejores resultados comparados con la curva de potencia experimental para impulsores de alabes inclinados Chemineer; el error relativo es menor que 8% para todos los puntos de la simulación. Este resultado respalda el procedimiento de simulación y el modelo de turbulencia SST utilizado para simular el comportamiento del flujo en el presente estudio. El patrón de flujo generado por el impulsor PTB es una combinación de los flujos axial y radial, debido a la inclinación de los álabes. Se observa el contorno de velocidades en el plano de corte longitudinal y en planos de corte transversales; las velocidades más altas del flujo se presentan alrededor del impulsor en un rango de 0.5-1.2 m/s. Se presenta una zona de estancamiento con velocidades de 0-0.2 m/s, localizada debajo del impulsor; por último, se observan cinco zonas de muy baja velocidad [0-0.1] m/s asociadas a la formación de remolinos. La interacción entre la fase liquida (agua) y gaseosa (aire) da lugar a la formación de un remolino alrededor del eje impulsor. Se observa la presencia de aire en la parte inferior del impulsor y en las regiones donde hay vórtices. El grado de mezcla entre aire y agua, expresado en fracción de volumen de aire, en todo el dominio varía ente 0.1 y 0.3. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento al Dr. Luis Chirinos por la contribución brindada a este trabajo mediante sus acertados comentarios. REFERENCIAS ANSYS Inc. ANSYS CFX – Solver Theory Guide. Release 14. November 2010. Martínez López, David; Recasens Baxarías, Francisco Javier . Simulación de una turbina radial mediante CFD FLUENT: caso de una turbina Rushton. Universidad Politécnica de Cataluña. ETSII. Departamento de Ingeniería Química. 2009. Paul, Edward; Atiemo-Obeng, Victor. Handbook of Industrial Mixing. John Wiley & sons, Inc. publication. 2004. Chemineer. Liquid Agitation. Mc Graw Hill Inc. Reprinted with special permission from Chemical Engineering. New York. 1985.

12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECÁNICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015

SISTEMA DE DOSIFICACIÓN NEUMÁTICA PARA EL CULTIVO DE SEMILLAS DE ZANAHORIA Herbert Yépez1, Rosendo Franco1, Pedro Ayllón1, Cristian Carrasco1, Luis Antezano2. 1-Grupo INACOM, Sección Ing. Mecánica, Dpto. de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica del Perú, Av. Universitaria 1801, Lima 32 (Perú). 2-El Automático EIRL, Psj. Santa Rosa S/N, Buenos Aires, Chupaca, Junín (Perú). e-mail: hyepez@pucp.pe Palabras claves: Siembra de zanahoria, diseño mecánico, dosificación neumática.

RESUMEN El proceso de la siembra de zanahoria en la provincia de Chuapaca, departamento de Junín, demanda una considerable cantidad de recurso humano y, debido a técnicas de sembrado poco sofisticadas, sólo se alcanza a aprovechar aproximadamente el 70 por ciento del terreno preparado para el cultivo. El presente trabajo describe el principio de funcionamiento y el diseño mecánico de un prototipo de máquina de sembrado, que permite dosificar las semillas de zanahoria cada 6 centímetros en dirección longitudinal y transversal a su recorrido sobre el surco del terreno. El dosificador adhiere las semillas sobre la superficie de un tambor provisto de agujeros mediante presión negativa generada en su interior (succión), luego las semillas adheridas son transportadas desde una tolva de almacenamiento a un punto de descarga donde el sistema las expulsa mediante la interrupción del vacío y la generación de presión positiva (soplado). Para lograr los objetivos propuestos, se diseñó un sistema de transmisión que acopla las ruedas de la máquina con el tambor dosificador y se seleccionaron los equipos necesarios para la succión y el soplado. Actualmente el prototipo está siendo sometido a pruebas de campo, las cuales brindarán información que permitirá la retroalimentación del diseño para obtener una propuesta definitiva. PALABRAS CLAVE: Siembra de zanahoria, diseño mecánico, dosificación neumática.

DESCRIPCIÓN DEL ESTUDIO En el marco de la convocatoria FIDECOM que promueve el Estado Peruano mediante su programa FINCyT, la empresa El Automático E.I.R.L, en asociación con la Pontificia Universidad Católica del Perú, fue beneficiada con el financiamiento para el diseño y la fabricación de un prototipo de sembrado de semilla de zanahoria con dosificación neumática. El Automático E.I.R.L, una micro-empresa que realiza actividades de desarrollo de maquinaria agrícola en la provincia de Chupaca, Junín - Perú, ha identificado que el proceso de siembra de la zanahoria demanda una cantidad considerable de recurso humano y elevados costos de semilla. Además, estima que sólo el 70% de la tierra destinada para la siembra es aprovechada eficientemente debido a la práctica de inadecuadas técnicas durante el proceso de siembra. Asimismo, la Pontificia Universidad Católica del Perú en calidad de entidad asociada, a través del Grupo de Investigación Asistida por Computadora INACOM, ha asumido la responsabilidad de la elaboración de una propuesta de diseño que tecnifique el proceso de siembra y contribuya en mantener a la zanahoria como uno de los productos de mayor producción del departamento de Junín y capaz de generar alta rentabilidad a sus pobladores. Por otro lado, durante la visita técnica realizada los agricultores chupaquinos consideran que las semillas de zanahoria deberían ser depositadas a una distancia de 6 centímetros en dirección longitudinal y transversal. Los 6 centímetros constituyen una distancia mayor a la suma de los radios de dos zanahorias promedio de clase 1 (ver figura 1), las cuales son destinadas a la comercialización en grandes supermercados de la capital y son del tipo más rentable.

Fig. 1: Distancia de 6 centímetros entre semillas en dirección longitudinal y transversal.

DISEÑO Y FABRICACIÓN DEL PROTOTIPO El diseño del prototipo está basado en la metodología VDI 2221 [1] y ha sido concebido para ser arrastrado a través del campo de cultivo por medio de un castillete, el cual se engancha a la parte posterior de un tractor estándar (ver figura 1) y cuyo diseño responde a las recomendaciones técnicas de ASAE [2,3] e ISO [4,5] para implementos agrícolas. El prototipo está conformado por un bastidor que constituye la parte estructural de la máquina y un sistema de dosificación (ver figura 2), el cual está compuesto por componentes mecánicos y neumáticos responsables de depositar de forma dosificada las semillas de zanahoria en el terreno de cultivo. La dosificación de las semillas se realiza mediante el empleo de presión negativa y positiva. La presión negativa actúa en el interior de un tambor, el cual está provisto de agujeros pasantes distribuidos circunferencialmente a lo largo de la longitud del cuerpo cilíndrico en 12 hileras, como se puede apreciar en la figura 3. Los agujeros permiten la adherencia de las semillas sobre la superficie exterior del tambor y las transporta desde una tolva de alimentación hasta un punto de descarga sobre la vertical del mismo tambor, donde un dispositivo mecánico regulable interrumpe la presión negativa e inyecta aire (presión positiva) propiciando que las semillas sean expulsadas contra la tolva de descarga y luego conducidas a tierra mediante mangueras.

Fig. 2. Arreglo general tractor-máquina sembradora

Fig. 3: Componentes de la máquina: bastidor (izquierda) y sistema de dosificación (derecha). TOLVA DE ALIMENTACIÓN

DISPOSITIVO MECÁNICO DE INTERRUPCIÓN

EXPULSIÓN (PRESIÓN POSITIVA)

SUCCIÓN (PRESIÓN NEGATIVA)

TOLVA DE DESCARGA

Fig. 4. Principio de funcionamiento del sistema de dosificación. El giro que requiere el tambor dosificador para el transporte de las semillas es obtenido del movimiento de las propias ruedas del prototipo donde un piñón conductor montado sobre el eje de las ruedas transmite el giro mediante una transmisión por cadena a un piñón conducido el cual está fijado a la tapa del tambor, como lo ilustran la figura 5.

Fig. 5. Principio de accionamiento del transporte de semillas. El número de agujeros mecanizados a través del espesor de pared del tambor están debidamente determinados para garantizar la dosificación cada 6 centímetros. De acuerdo a la expresión Ec.(1) [6], el número de agujeros está en función del diámetro de la rueda motriz , la distancia entre semillas depositadas (dosificación) y la relación de transmisión . El diseño del prototipo posee ruedas de 508 mm de diámetro y una relación de transmisión de 19 a 30 dientes, con lo cual el número de agujeros distribuidos de forma circunferencial a lo largo del perímetro del tambor es de 42. Adicionalmente, la longitud de arco entre agujeros que depende del número de agujeros y del diámetro del tambor igual a 217 mm, es determinado mediante la expresión Ec.(2), y cuyo valor alcanza los 16.23 mm. (1) ⁄

(2)

Para determinar la presión negativa requerida en el interior del tambor, se plantea un análisis que considera a las semillas como partículas y éstas experimentan fuerzas producto de la rotación del tambor (fuerza centrífuga) y de la aceleración. Si bien es cierto que, ambas no son necesariamente colineales en todo momento, se toma en consideración una posición crítica donde la semilla se ubica en la parte inferior del tambor y sobre vertical. Ambas fuerzas, centrífuga y gravitatoria, en las condiciones descritas son formuladas en la expresión Ec.(3), donde la fuerza de la partícula de masa depende del radio y la velocidad angular del tambor y de la gravedad . Asimismo, la presión de vacío en el interior del tambor debe producir una fuerza mayor o por lo menos igual a , con el objetivo de lograr la adherencia de las semillas. (3) La velocidad angular del tambor resulta ser igual a 2.77 rad/s, ya que se ha estimado que las ruedas del prototipo giran a una velocidad angular de 4.37 rad/s y se emplea la relación de transmisión seleccionada de 1.578 (=30/19). Acerca de la masa de una semilla de zanahoria es posible mencionar que 100 granos de la variedad Abaco [7] posee aproximadamente una masa de 0.2 gramos, entonces empleando la expresión Ec.(3) y reemplazando los valores de velocidad angular y masa se ha determinado que la fuerza que experimenta una semilla, bajo las condiciones ya mencionadas, es igual a 2.13(10)-5 N. Ahora, con el objetivo de determinar la presión de vacío que debe estar presente en el interior del tambor, la fuerza para lograr la adherencia es igualada a y divida entre el área de un agujero de 0.7 mm de diámetro. La presión de vacío resultante es igual a 55.35 Pa bajo situaciones ideales de total hermeticidad; sin embargo, durante el inicio y en pleno funcionamiento de la máquina, el número de semillas adheridas no logra cubrir la totalidad de los agujeros en la pared del tambor (42 agujeros por 12 hileras), como se puede apreciar en la figura

6, lo cual exige que la presión para mantener a las semillas adheridas se incremente hasta alcanzar un valor de 28 kPa, lo cual ha sido comprobado experimentalmente durante las pruebas preliminares practicadas al equipo.

E M I L L A S

INSTANTEy1en pleno funcionamiento INSTANTE 1 INSTANTE 2 Fig. 6: Semillas adheridas al inicio (izquierda) de INSTANTE la máquina2 (derecha).

Por otro lado, la figura 7 muestra dos tubos concéntricos acoplados mediante una unión roscada (interior/exterior) en el extremo de ambos elementos. A través de estos elementos es posible el ingreso (presión positiva) y la salida (presión negativa) de aire generando el soplado y la succión, respectivamente. El tubo exterior es responsable de dirigir el aire extraído del interior del tambor hacia el exterior y es justamente en este proceso donde las semillas se quedan adheridas a la superficie exterior del tambor; mientras que, el tubo interior conduce el aire del exterior hacia el interior del tambor y luego, a través de mangueras neumáticas, es guiado hacia un dispositivo mecánico, denominado zapata, donde el aire es inyectado a través de boquillas con la finalidad de realizar el soplado a las semillas adheridas que se ubiquen justamente en la misma posición. Claro está que los flujos de aire que entran y salen del tambor no se mezclan, además cabe señalar que la zapata es el dispositivo mecánico regulable de interrupción de la presión negativa que fue mencionado en la descripción del principio de funcionamiento del sistema de dosificación.

Fig. 7: Sub-sistemas succión y expulsión. Adicionalmente a la descripción de la finalidad que cumple el tubo exterior, es importante mencionar que también se desempeña como eje sobre el cual va montado el tambor dosificador. Este componente de 55 mm de diámetro exterior y 570 mm (aprox.) de longitud, está sometido a la carga generada por la transmisión por cadena y al peso de los componentes del sistema de dosificación. Un análisis estático (ver figura 8) reveló que los esfuerzos normales por flexión del tubo alcanzan valores máximos de 22 MPa, una cifra muy por debajo del esfuerzo de fluencia del material del componente.

Fig. 8: Analisis estático del tubo de succión El bastidor de la máquina fue sometido a un análisis estático estructural mediante simulación por elementos finitos. El bastidor soporta la carga producto del arrastre del tractor y los pesos de diferentes componentes. El estudio consideró que superficies en contacto entre los perfiles estructurales debían ser tomadas como conexiones del tipo “bonded” [8], y que las restricciones de traslación y giro fueran impuestas sobre las superficies de los apoyos del eje de las ruedas. Acerca de la discretización del modelo, se puede mencionar que se emplearon elementos tetraédricos y se practicaron técnicas de refinamiento de la malla en ciertas uniones y en algunos otros puntos de interés. Los resultados obtenidos de la simulación computacional indicaron que las cargas no representan un riesgo para la integridad de la estructura y que las deformaciones más altas se encuentran alrededor de 0.06 mm.

Fig. 9: Fuerzas actuantes sobre del modelo del bastidor (izquierda) y los resultados de la deformación del bastidor (derecha). Cumplida las actividades de ingeniería de detalle, el diseño fue llevado a la etapa de fabricación. La figura 7 muestra imágenes del prototipo fabricado y ensamblado durante los ensayos preliminares de laboratorio. La etapa de fabricación del prototipo exigió la planificación de actividades de taller donde se contemplaron tareas de coordinación, supervisión y control de calidad con la finalidad de obtener los resultados esperados, las cuales son mostradas en el diagrama de la figura 10.

Fig 10. Prototipo ensamblado durante los ensayos preliminares.

Fig 11. Diagrama de los procesos de fabricación y asociados CONCLUSIONES Las pruebas preliminares han demostrado que el principio de funcionamiento de dosificación de la máquina es capaz de depositar las semillas de zanahoria a una distancia muy próxima a los seis (06) centímetros, en la dirección longitudinal y transversal, establecidos como exigencia para el equipo. Asimismo, el prototipo muestra que el diseño conceptual de dos sistemas independientes para la succión y soplado (presión negativa y positiva) tuvo resultados favorables. La presión negativa es suficiente logra la adherencia de las semillas sobre la superficie del tambor y cumple con el recorrido desde la tolva de alimentación hasta la descarga. Justamente en el punto de descarga es donde el dispositivo mecánico regulable en el interior del tambor que interrumpe la presión de negativa, cumple de forma adecuada su función, permitiendo que las semillas se desprendan de la superficie del tambor. Sin embargo, aquellas semillas que por alguna razón no logren el desprendimiento, la presión positiva terminaría por expulsarlas contra la tolva de descarga para ser conducidas mediante las mangueras al terreno donde son depositadas en los surcos. De esta forma, se puede concluir que la propuesta del

prototipo es un medio que permitirá no solo cumplir con la demanda actual, sino propiciará el desarrollo de la tecnología y el crecimiento de la producción en la provincia de Chupaca. AGRADECIMIENTO Un profundo agradecimiento a las siguientes entidades que hicieron posible el desarrollo del presente trabajo: • • • •

Sierra Exportadora - Organismo Público Ejecutor. Fondo para la Innovación, Ciencia y Tecnología - FINCyT Oficina de Innovación - Pontificia Universidad Católica del Perú. Laboratorio de Manufactura - Pontificia Universidad Católica del Perú.

REFERENCIAS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Verein Deutscher Ingenieure, VDI 2221: Systematic approach to the development and design of technical systems and products, Munich, 1987. American Society of Agricultural Engineers, S217.12: Three-Point Free-Link Attachment for Hitching Implements to Agricultural Wheel Tractors, 2001. American Society of Agricultural Engineers, S477: Terminology for Soil-Engaging Components for Conservation-Tillage Planters, Drills and Seeders, 2001. International Organization for Standardization, 730-1: Agricultural wheeled tractors - Rear-mounted threepoint linkage. 1994. International Organization for Standardization, 789-1: Agricultural tractor-Test Procedures-Part 1: Power tests for power take-off, 1990. J. Ortiz. Técnica de la mecanización agraria. Tercera edición. Madrid: Mundi-Prensa, 1989. SIMINIS, www.seminis.com/global/cl/products/Pages/Zanahoriaabaco.aspx. Consulta: 01/06/2015. ANSYS. Ansys Workbench Help. Version 15.0.0. ANSYS®Help Viewer. 2013.

UNIDADES Y NOMENCLATURA Diámetro de la rueda motriz (mm) Distancia entre semillas depositadas (mm) Diámetro del tambor (mm) Fuerza de una semilla (N) Gravedad, (9.81 m/s2) Relación de transmisión Masa de una semilla (kg) Número de agujeros del tambor dosificador. Radio del tambor (mm) Longitud de arco entre agujeros del tambor dosificador (mm) Velocidad angular del tambor (rad/s)