Revista ingenio Vol. 16

Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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Journal of Engineering Sciences Vol. 16, No. 1 Enero- Diciembre 2019

ISSN 2011-642X (Impreso) E-ISSN 2389-864X Editor Nelson Afanador García, Ph.D

nafanadorg@ufpso.edu.co Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Ocaña, Colombia

Comité Editorial Ely Dannier Valbuena Niño, Ph.D

deydannv@gmail.com Basque Center on Materials, Applications and Nanostructures (BCMaterials), España Fundación of Researchers in Science and Technology of Materials (FORISTOM), Colombia.

Bucaramanga, Colombia

Juan de Dios Ortúzar, Ph.D

jos@ing.puc.cl Pontificia Universidad Católica de Chile Santiago, Chile Huizilopoztli Luna García, Ph.D hlugar@uaz.edu.mx Universidad Autónoma de Zacatecas Zacatecas, México

Elisabetta Cherchi, Ph.D elisabetta.cherchi@ncl.ac.uk Universidad de Newcastle Newcastle upon Tyne, Inglaterra Cesar Collazos, Ph.D ccollazo@unicauca.edu.co Universidad del Cauca Cauca, Colombia

Gina Paola Maestre Góngora, Ph.D

gina.maestre@campusucc.edu.co Universidad Cooperativa de Colombia Medellín, Colombia Julio Ariel Hurtado Alegria, Ph.D ahurtado@unicauca.edu.co Universidad del Cauca-Colombia Cauca, Colombia

Mauro Callejas Cuervo, Ph.D

mauro.callejas@uptc.edu.co Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Tunja, Colombia Carlos Javier Noriega Sánchez, Ph.D cjnoriegas@ufpso.edu.co Universdad Francisco de Paula Santander Ocaña Ocaña, Colombia

Dewar Rico Bautista, Msc

dwricob@ufpso.edu.co Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Ocaña, Colombia Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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Comité Científico Cristián Angelo Guevara Cué, Ph.D

crguevar@gmail.com Universidad de Chile Santiago, Chile

Rosanna Costaguta, Ph.D

rcostaguta@gmail.com Universidad Nacional de Santiago del Estereo Santiago del Estereo, Argentina

José Martínez Trinidad, Ph.D

jomartinezt@ipn.mx Instituto Politecnico Nacional (IPN) Zacatenco-Ciudad de México, México

Carlos Mario Piscal Arévalo, Ph.D

cpiscal@unisalle.edu.co Universidad de la Salle Bogotá, Colombia

Romel Jesús Gallardo Amaya, MSc

rjgallardoa@ufpso.edu.co Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Ocaña, Colombia

Traductor Harold Alonso Ballesteros Ruiz, Ing.

haballesterosr@ufpso.edu.co Traductor al inglés Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Ocaña, Colombia

Entidad Editora Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Diseño y Diagramación Unidad de diseño gráfico - Oficina de multimedios centrodemultimedios@ufpso.edu.co Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Ocaña, Colombia

Revista Ingenio

La Revista Ingenio, es una publicación editada por la Facultad de Ingenierías de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, que tiene como objetivo promover, difundir y socializar el alguno en idioma español o inglés previo cumpliendo de las normas editoriales y éticas, para su posterior revisión por pares.

Frecuencia de Publicación De periodicidad anual

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Reconocimiento A los pares evaluadores que participaron en volumen 16, N°1 del año 2019, los cuales pertenecen a las siguientes instituciones: Instituto Politécnico Nacional (IPN) Ciudad de México, México

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Universidad Autónoma de Guadalajara (UAG) Campus Tabasco, México

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Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Manizales, Colombia

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Universidad Pontificia Bolivariana Bucaramanga, Colombia

Instituto Tecnológico Metropolitano de Medellín Medellín, Colombia

Universidad Francisco de Paula Santander (UFPS) Cúcuta, Colombia

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Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña (UFPSO) Ocaña, Colombia

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Editorial La Revista Ingenio fue creada como una publicación especializada gracias a la iniciativa de la Facultad de Ingeniería en el año 2008, cumpliendo con los procesos editoriales y publicaciones hasta el año 2017. Hoy en día la Revista Ingenio, renace como una publicación de periodicidad anual, abierta al campo de la ingeniería, específicamente en las áreas de Ingeniería Civil, Ingeniería Mecánica e Ingeniería de Sistemas, generando espacios de divulgación para trabajos de investigación, reflexión y revisión. La Facultad de Ingeniería, presenta esta nueva edición digital desde la plataforma Open Journal System (OJS) de la Universidad Francisco de Paula Santander, expandiendo su difusión a nivel global, presentando un volumen con trabajos investigativos, científicos y tecnológicos por parte de investigadores locales, nacionales e internacionales.

Cada artículo ha sido depurado a través de dos procesos de revisión editorial, el primero por parte del Comité Editorial conformado por miembros de carácter local, nacional e internacional y el segundo por parte de pares académicos nacionales y extranjeros, cuyos procesos evaluativos han sido posibles gracias al trabajo colaborativo que ofrece la plataforma Open Journal System (OJS).

Este es el resultado de un trabajo en equipo que incluye recientes investigaciones en las respectivas áreas de las ingenierías durante el año 2019. Se espera que los conocimientos vertidos en cada uno de los artículos aquí presentados, sea de total agrado y apoyo para próximos trabajos de nuestros lectores.

Nelson Afanador García, PhD. Editor

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Tabla de contenido Editorial

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Artículos de Investigación

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Metodología para la predicción de las vibraciones del terreno inducidas por voladuras y sus efectos en las estructuras. Aplicación en un caso real Methodology to prediction of blast-induced terrain vibrations and its effects on structures. Application in a real case PhD. Aldo Onel Oliva González -MSc. Roberto Fort Villavicencio

10

Pavimentación con asfalto natural “MAPIA”. Estudio de caso: Proyecto mejoramiento de la vía El Diviso – Torcoroma del municipio de San Martin, Cesar.

Paving with natural asphalt “MAPIA”. Case Study: Improvement Project of El Diviso - Torcoroma road in the Municipality of San Martin, Cesar.

Ing. Marcela Gómez Galván -MSc. Romel Jesús Gallardo Amaya- Esp. Agustín Armando Macgregor Torrado

17

De vías férreas a carreteras urbanas. Análisis para la ciudad de Barrancabermeja From railways to urban roads. Analysis for the Barrancabermeja city MSc. Yerly Fabian Martínez Estupiñan - Ing. Cindy Martínez Guerra -Ing. Oscar Carrero Monroy

23

A comparative study in flexure and shear design of spread footings

Estudio comparativo en el diseño a flexión y cortante para zapatas corridas MSc. Iago Freitas de Almeida- DSc. Maurício C. B. de Noronha Campos- DSc. Romilde Almeida de Oliveira

30

Desarrollo de un soldador por puntos para el laboratorio de procesos de manufactura de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Development of a spot welder for the manufacturing process laboratory of the Francisco de Paula Santander Ocaña University MSc. Eder Norberto Flórez solano -MSc. Edwin Edgardo Espinel Blanco- MSc. Jhon Erickson Barbosa Jaimes

37

Influence of high ethane content on natural gas ignition Influencia del alto contenido de etano en la ignición del gas natural MSc. Hernando Alexander Yepes Tumay- MSc. Arley Cardona Vargas

43

Efectos de los parámetros de electrospinning en las propiedades mecánicas y morfológicas de membranas compuestas de PCL-TrGO

Effects of electrospinning parameters on mechanical and morphological properties of composite PCL-TrGO membranes MSc. Estefanía Correa Muñoz- Msc. Omar Darío Gutiérrez Flórez - PhD. María Elena Moncada Acevedo

50

Gráficos

triangulares del comportamiento físico de arcillas utilizadas en la fabricación de productos de mampostería en Colombia

Triangular graphics of the physical behavior of clays used in the manufacture of masonry products in Colombia MSc. Ricardo Andrés García León- Ing. María Teresa Crespo Guerra- MSc. Mario Grave Capistran- MSc. Adán Ruiz-Rios

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Artículos de Reflexión

63

Universidad inteligente: Oportunidades y desafíos desde la Industria 4.0 Smart University: Opportunities and challenges from the Industry 4.0 MSc. Edwin Barrientos Avendaño- MSc. Yesenia Areniz Arévalo

63

Política Editorial

68 Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, pp. 1-9, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

“Journal of Engineering Sciences”

Original Article

DOI: https://doi.org/10.22463/2011642X.2381

Metodología para la predicción de las vibraciones del terreno inducidas por voladuras y sus efectos en las estructuras. Aplicación en un caso real Methodology to prediction of blast-induced terrain vibrations and its effects on structures. Application in a real case

PhD. Aldo Onel Oliva González1, MSc. Roberto Fort Villavicencio2 1 Grupo ITEICO. Universidad de las Californias Internacional, México, ORCID: 0000-0001-6119-8602, Email: aldo.oliva@udc.edu.mx 2 Empresa Constructora Makro, México, ORCID: 0000-0001-7880-7523, Email: robertofort@hotmail.com

Como citar: A. O. Oliva & R. Fort, “Metodología para la predicción de las vibraciones del terreno inducidas por voladuras y sus efectos en las estructuras. Aplicación en un caso real”, Revista Ingenio, 16 (1), pp. 1-9, 2019.

Fecha de recibido: 03 de julio de 2018 Fecha de aprobado: 26 de octubre de 2018

RESUMEN Palabras claves: Daños estructurales, metodología de predicción, vibraciones en el terreno, voladuras.

En este artículo se describen aspectos básicos relacionados con las vibraciones del terreno inducidas por voladuras y se presenta una metodología para la predicción de este fenómeno, así como los resultados de su aplicación en un caso real. Se describen los parámetros y variables que intervienen en los procesos de voladuras, métodos para predecir las vibraciones, así como sus efectos en las estructuras y criterios para evaluarlos. La metodología propone realizar voladuras de prueba con el propósito de obtener registros de velocidades o aceleraciones de partículas contra tiempo y utilizar la modelación numérica para cuantificar la respuesta dinámica del terreno, predecir los niveles de vibraciones que se podrían generar, y evaluar sus efectos en las estructuras, comparándolos con valores límites admisibles establecidos en las normativas para evitar daños. Se presentan los resultados obtenidos al aplicar la metodología en un caso real, así como las conclusiones y recomendaciones emitidas a partir de ellos.

ABSTRACT

Keywords: Structural damage, prediction methodology, vibrations in the terrain, blasting.

1. Introducción

This article describes basic aspects related to blast-induced ground vibrations and presents a methodology for predicting this phenomenon, as well as the results of its application in a real case. The parameters and variables involved in blasting processes, methods to predict vibrations, as well as their effects on structures and criteria to evaluate them are described. The methodology proposes to carry out test blasting in order to obtain registers of velocities or accelerations of particles vs time and to use numerical modeling to quantify the dynamic response of the terrain, predict the levels of vibrations that could be generated and evaluate its effects on structures through comparative analysis with admissible limits values established in the regulations to avoid damage. The results obtained by applying the methodology in a real case are presented, as well as the conclusions and recommendations issued based on them.

Las vibraciones en el terreno producidas por voladuras son consecuencia de la detonación de cargas explosivas, y pueden definirse como oscilaciones mecánicas o movimientos cíclicos en el terreno debido al paso de fases alternativas de compresión y tensión. La intensidad de las vibraciones es el resultado de la propagación en todas las direcciones de ondas volumétricas y superficiales producidas por la liberación súbita de energía debido a la explosión. Las ondas internas que viajan por el terreno van acompañadas de ondas superficiales que parten del punto donde ocurre la detonación de la carga explosiva y se van diferenciando en la medida que los frentes de onda se alejan de la fuente. Durante su viaje, las ondas mueven las partículas del terreno que recorren produciendo sobre estas velocidades, desplazamientos

y aceleraciones. La influencia de las vibraciones en aspectos relativos al trabajo y vida diaria de las personas, es considerada una de las principales problemáticas ambientales de las sociedades avanzadas [1-2].

Las vibraciones del terreno pueden tener efectos negativos en las obras civiles y ocasionar daños que incluyen desde la generación de micro fisuras y pequeños asentamientos diferenciales, hasta la ocurrencia de grandes grietas y hundimientos que desencadenan fallas geotécnicas y estructurales.

Como criterio para evaluar el efecto de las vibraciones sobre las estructuras se utiliza, principalmente, la velocidad de partículas del terreno pues, como en muchos fenómenos ondulatorios, la velocidad es el parámetro que mejor correlación ha mostrado con los daños que se pueden presentar y el más importante a

Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre Autor para correspondencia Correo electrónico: aldo.oliva@udc.edu.mx ( Aldo Onel Oliva González) La revisión por pares es responsabilidad de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Artículo bajo la licencia CC BY-NC (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.es)

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relacionar con las características de las voladuras. Las principales variables involucradas en la estimación de las velocidades de partícula son: la distancia desde la explosión hasta el punto de medición, la máxima carga de explosivo detonado, la velocidad de propagación de ondas y densidad del medio transmisor, y el tiempo [3].

1.1 Medición de vibraciones La medición de las vibraciones producidas por voladuras en el terreno se realiza mediante instrumentos que miden la velocidad de las partículas. Estos instrumentos se conocen comúnmente como sismógrafos de voladura y se diseñan para medir las tres componentes principales del movimiento de las partículas. Ellas son, la componente longitudinal (x), transversal (y) y vertical (z). Los sismógrafos de voladura consisten en un transductor (generalmente un geófono, aunque se puede usar un acelerómetro) conectado a un procesador para recolectar y analizar las señales y, en muchos casos, almacenarlas. Generalmente, se almacenan los registros de comportamiento en el tiempo de la velocidad, aceleración y desplazamiento de las partículas, así como de la frecuencia.

A partir de aplicar la fórmula de distancia escalada de raíz cuadrada, utilizando datos de muchas explosiones y mediante análisis estadísticos, se pueden determinar la constante “k” y el exponente “e” de un sitio, así como obtener la fórmula predictiva expresada mediante la ecuación (1) y su correspondiente gráfico (Figura 1) [11].

1.2 Predicción de vibraciones inducidas por voladuras 1.2.1 Fórmulas analíticas. Varios investigadores han estudiado el problema de la predicción de vibraciones en el terreno y propusieron fórmulas que, con ciertas diferencias en sus enfoques, permiten calcular los niveles de vibraciones a partir de la correlación entre la velocidad máxima de partícula, la distancia desde la explosión hasta el punto de medición y la máxima carga de explosivo detonado (Tabla 1) [4-5-6-7-8-9-10-11].

Tabla 1. Fórmulas para estimar niveles de vibración.

Figura 1. Gráfico predictivo. Fuente. [11].

En la ecuación (1), se pueden considerar diferentes condiciones de confinamiento, modificando la constante “k” del sitio (Tabla 2).

Tabla 2. Valores de constante del sitio.

Fuente: [11].

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Metodología para la predicción de las vibraciones del terreno inducidas por voladuras y sus efectos en las estructuras. Aplicación en un caso real

1.2.2 Modelación numérica. El desarrollo alcanzado por la informática permite utilizar potentes técnicas basadas en la modelación numérica para simular y estudiar, con precisión aceptable, los procesos relacionados con la interacción dinámica terreno – estructura ante el efecto de las voladuras. Estas técnicas son utilizadas en diversos programas informáticos para modelar, simular y calcular la respuesta del terreno a los efectos dinámicos de terremotos, impactos o explosiones. Los programas informáticos que utilizan la técnica o método de los elementos finitos, se basan en la discretización o mallado de un medio continuo (por ejemplo, el terreno), subdividiéndolo en piezas pequeñas (elementos finitos) conectadas por líneas y nodos. Inicialmente, analizan y describen el comportamiento individual de los elementos finitos, para posteriormente representar el comportamiento del continuo como un todo, reconectando todas las piezas. En estos programas, las fuerzas dinámicas se pueden aplicar en nodos específicos para simular los efectos de una carga de impulso muy repentina, similar a la producida por las explosiones en los procesos de voladuras. Más adelante, se describe un procedimiento que utiliza el método de los elementos finitos para predecir vibraciones en el terreno inducidas por voladuras.

Figura 2. Criterio para evitar daños. Fuente. [11].

Esta norma recomienda una velocidad máxima de partícula de 0,75 in/s (19 mm/s) en el intervalo de frecuencias de 4 a 12 Hz, para edificios con paredes interiores prefabricadas; y 0,5 in/s (12,5 mm/s) para edificios con recubrimiento de escayola. Por otro lado, para frecuencias mayores a 40 Hz, el límite máximo admisible es 2 in/s (50 mm/s).

La norma española UNE (1993) clasifica las estructuras en tres grupos y establece valores límites de velocidades y desplazamientos en función de la frecuencia (Tabla 3) 1.3 Límites para evitar daños En las normas y literatura disponible, los límites [12]. admisibles para evitar daños en las estructuras son Tabla 3. Valores límites del criterio de prevención de daños según establecidos utilizando, principalmente, los criterios la norma española. de velocidades y aceleraciones máximas de partícula, aunque también existen límites asociados con desplazamientos y deformaciones máximas impuestos a los sistemas estructurales.

En el año 1980, las oficinas de minas y de reclamación y aplicación de minería superficial de los Estados Unidos (USBM y OSMRE, por sus siglas en inglés) publicaron la norma RI-8507 para la respuesta estructural y daños producidos por las vibraciones inducidas por voladuras en minería superficial (Figura 2).

Fuente: UNE 22.381-93.

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cuenta las frecuencias principales (en Hz) asociadas a La norma australiana de explosivos AS 2187 y los la máxima velocidad pico de partícula (en mm/s), y las estándares ingleses BS 7385-2, propusieron en 1993 los diferentes categorías de construcciones (Tabla 7) [14]. límites que se muestran en las Tablas 4 y 5 [3].

Tabla 4. Límites de velocidades según la norma australiana.

Fuente: [10].

Tabla 5. Velocidades límites según estándares ingleses.

Figura 3. Espectro de umbral de daños según la propuesta colombiana. Fuente. [14].

Tabla 7. Velocidades admisibles según la categoría de las construcciones (en mm/s).

Fuente: Norma BS 7385-2 (1993).

La norma alemana DIN 4150 establece valores máximos permisibles de velocidad de partícula para evitar daños en edificaciones, en función de la frecuencia (Tabla 6) [13].

Tabla 6. Valores máximos de velocidad de partícula (en mm/s) para evitar daños según la norma alemana.

Fuente: [13].

En la Figura 3 se presenta la propuesta de Regulación Colombiana de Vibración por Voladuras (RCOLVV.09), para evaluar vibraciones producidas en canteras y que, eventualmente, se puede aplicar a demoliciones, maquinarias, tráfico de canteras y ferroviario, teniendo en Fuente: [13].

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Metodología para la predicción de las vibraciones del terreno inducidas por voladuras y sus efectos en las estructuras. Aplicación en un caso real

2. Metodología

En este artículo se propone una metodología que aprovecha las ventajas de la modelación numérica y la medición in-situ mediante sismógrafos, para predecir las vibraciones en el terreno inducidas por voladuras y sus efectos en las estructuras.

2.1 Descripción de la metodología propuesta La metodología consta de las siguientes etapas: a. Definición de los límites permisibles para evitar daño en estructuras, de acuerdo con las normativas y referentes internacionales.

En esta etapa se definen los umbrales de vibración que pueden causar daños en las estructuras, que no solo dependen del proceso de voladura sino de otros factores que pueden influir en el comportamiento del sistema terreno-estructura. Por esta razón, se recomienda realizar un estudio específico de daños que incluirá desde la caracterización del terreno y los materiales usados en la construcción, hasta la evaluación de los tipos de estructuras y las cargas actuantes sobre ellas. Como se explicó en la sección anterior, la mayoría de las normas y literatura disponible establecen valores límites de velocidad y aceleración de partículas en el terreno para evitar daños en los sistemas estructurales. b. Realización de voladuras de prueba para obtener parámetros y registros de velocidades y aceleraciones.

Las voladuras de prueba deberán realizarse en condiciones iguales o muy similares a las que existirán en la voladura real, y serán monitoreadas mediante sismógrafos. Para diseñar y ejecutar estas voladuras se deben considerar, entre otros, los siguientes aspectos: - Características geológicas y geotécnicas del terreno en el sitio donde se realizarán las pruebas - Cantidad y ubicación de cargas explosivas - Distancia entre los puntos de voladura y la estructura objeto de análisis - Cantidad y ubicación de los sismógrafos a utilizar Con las voladuras de prueba se deberán obtener los registros de velocidades y/o aceleraciones de partículas en el terreno, así como otros parámetros y variables de interés. c. Modelación dinámica de la respuesta del terreno mediante técnicas numéricas.

Se propone un procedimiento basado en el método de los elementos finitos, que consiste en uti-

lizar un programa informático de análisis dinámico, en el cual se aplicarán las cargas explosivas correspondientes al proceso de voladura que se pretende realizar, y se introducirá el registro de velocidad o aceleración vs tiempo obtenido (mediante sismógrafo) en las voladuras de prueba. El programa crea un registro equivalente de desplazamiento vs tiempo, que se aplica como condición límite nodal y es utilizada en el análisis de elementos finitos para obtener las velocidades, aceleraciones y desplazamientos de las partículas en el terreno (Figura 4) [15]. Como resultados, se obtendrán: velocidades, aceleraciones, desplazamientos, esfuerzos y otros parámetros en cada uno de los nodos que conforman la malla utilizada para discretizar el terreno. Por lo antes expuesto, y como parte del procedimiento propuesto, se recomienda identificar y seleccionar puntos en el terreno donde se supone que ciertos niveles de vibración pudieran afectar a las estructuras. Estos puntos de interés se denominan puntos de control, y suelen ubicarse debajo de cimentaciones, pisos y pavimentos.

Figura 4. Ilustración del procedimiento de modelación dinámica.

Fuente. [15].

d. Análisis comparativo entre los parámetros calculados mediante la modelación dinámica y los valores límites permisibles establecidos en las normas y referencias internacionales.

En esta etapa, se comparan los valores de los parámetros obtenidos mediante modelación dinámica en los puntos de control previamente seleccionados, con los valores permisibles que se establecen en las normas y literatura internacional. Como se explicó en la sección 1.3, la mayoría de las normas internacionales establecen valores

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de velocidad límite de las partículas del terreno, Tabla 8. Valores máximos permisibles de velocidad de partícula por encima de los cuales es probable que se ge- para evitar daños estructurales. neren daños visibles en las estructuras. Cuando los parámetros obtenidos mediante modelación dinámica superan los límites permisibles para evitar daños, será necesario evaluar y proponer medidas para eliminar o mitigar el efecto negativo de las vibraciones.

2.2 Aplicación en un caso real La metodología propuesta se utilizó para predecir las vibraciones en el proyecto de ampliación de una planta industrial en Baja California, México. Las obras de ampliación, incluyen la construcción de plataformas y terraplenes en sitios donde será necesario realizar voladuras en rocas.

Con el propósito de diseñar las cargas explosivas y su ubicación en el terreno, la empresa constructora solicitó analizar los efectos de las vibraciones inducidas por las voladuras sobre una estructura cercana, destinada a oficinas y almacenes (Figura 5).

Figura 5. Zona de voladuras y estructura objeto de análisis.

Fuente. Google Earth.

3. Resultados

A continuación, se describen los resultados obtenidos en cada una de las etapas de la metodología.

3.1

Definición de los límites permisibles para evitar daños en la estructura Para definir los límites de vibraciones permisibles, se utilizaron las velocidades límites establecidas en las normas y regulaciones descritas en la sección 1.3. Dichas velocidades, fueron obtenidas a partir de un estudio de daños potenciales, en el que se consideraron no solo los parámetros relacionados con las voladuras que se planean realizar, sino las características del terreno y de la estructura a proteger (Tabla 8).

Además, se definieron valores permisibles de velocidades de partícula para evitar afectaciones en las personas que trabajan en las oficinas y almacenes ubicados en la estructura objeto de análisis (Tabla 9) [16].

Tabla 9. Valores indicativos del efecto de las vibraciones en las personas.

3.2 Voladuras de prueba Se realizaron cuatro voladuras de prueba en un terreno cercano a la planta industrial, constituido por rocas similares a las que se encuentran en el sitio donde se construirán las plataformas y terraplenes del proyecto. En cada una de las voladuras se variaron las cantidades de cargas explosivas y sus profundidades de ubicación en el terreno; y en todas las pruebas el sismógrafo se ubicó a 15.00 metros del patrón de voladura.

Como resultado, se obtuvieron los siguientes parámetros en las tres componentes principales (x,y,z) del movimiento de partículas en el terreno: • Velocidad pico de partícula • Aceleración pico de partícula • Desplazamiento pico de partícula • Frecuencias • Tiempo (relativo a la activación) 3.3 Modelación dinámica de la respuesta del terreno Como parte del proyecto de ampliación de la planta industrial, se realizaron estudios ingeniero-geológicos que permitieron obtener los modelos geológico-geotécnicos y perfiles estratigráficos del terreno, así como los parámetros físicos, geomecánicos y dinámicos de las rocas que se encuentran en la zona donde se realizarán

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las voladuras. Con esta información y con los resulta- Tabla 11. Análisis comparativo de velocidades máximas de partícdos de las pruebas de voladuras, se elaboró el mode- ulas. lo para el análisis dinámico de la respuesta del terreno (Figura 6).

Tabla 12. Efectos de las vibraciones en las personas.

Figura 6. Modelo utilizado para el análisis dinámico.

En el modelo de la Figura 6 se muestran las cargas explosivas correspondientes a la primera fase del proceso de voladura (voladura 1) y los puntos de control (A, B, C, D, E) ubicados en sitios donde se supone que ciertos niveles de vibración pudieran afectar a la estructura existente y a las personas que se encuentren dentro de ella. En la Tabla 10 se presentan las velocidades máximas de partículas del terreno, generadas por la voladura 1 en los puntos de control, que fueron obtenidas como resultado del análisis dinámico mediante el programa informático QUAKE/W [15].

Tabla 10. Velocidades máximas de partículas.

3.4 Análisis comparativo En la Tabla 11 se presentan las velocidades máximas de partículas obtenidas mediante la modelación dinámica y los valores límites permisibles para evitar daños, que fueron definidos según diferentes normas y regulaciones internacionales (Tabla 8).

En la Tabla 12 se presentan los valores de velocidades máximas de partículas obtenidas mediante la modelación dinámica y los efectos que las mismas podrían producir en las personas.

4. Discusión La predicción de vibraciones en el terreno inducidas por voladuras, es un problema complejo en el que intervienen variables controlables como la cantidad de carga explosiva por retardo y su confinamiento, el tipo y distribución del explosivo y los tiempos de cada retardo; y variables no controlables como las características geológicas y geomorfológicas del terreno, las condiciones climáticas, el viento y la ubicación del sitio donde se realizará la voladura.

Las fórmulas analíticas de predicción que relacionan el parámetro D/√Q con la velocidad de partículas permiten ajustar la magnitud de las voladuras para evitar daños y son útiles en análisis preliminares, especialmente en el diseño de voladuras de prueba, pero fueron obtenidas para macizos rocosos y sus resultados pueden variar significativamente en medios constituidos por otros materiales. Además, no consideran la respuesta dinámica del terreno, ni sus movimientos en las proximidades de las estructuras. En consecuencia, utilizar estas fórmulas para predecir vibraciones en materiales que no se comporten de manera similar a las formaciones rocosas, puede conducir a errores en la evaluación de los daños potenciales y a voladuras ineficaces e ineficientes. La modelación numérica resuelve estas limitaciones porque permite considerar las propiedades físicas y geo-mecánicas de cualquier medio (suelos, rocas, rellenos artificiales, etc.) para modelar, simular y estimar

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su respuesta ante los efectos dinámicos de las voladuras y calcular no solo velocidades y aceleraciones de partículas, sino los desplazamientos y esfuerzos que se producen en cualquier punto del terreno.

Aunque las normas que regulan los niveles de vibración permisibles utilizan principalmente el criterio de velocidad de partícula en el terreno para definir los valores límites que evitarían afectaciones en las estructuras, los umbrales de vibración también están sujetos a factores relacionados con las construcciones como la carga estructural, propiedades de los materiales, técnicas constructivas, características dinámicas, amplitud de excitación y frecuencia sensible. Por tanto, definir los valores límites de velocidad de partícula para evitar daños, requiere de estudios específicos que incluyen, entre otros aspectos, la caracterización del terreno y de las estructuras, así como la evaluación de las cargas actuantes además de las voladuras.

y esfuerzos que se producen en cualquier punto del terreno. La metodología que se presenta en este trabajo se basa en realizar voladuras de prueba para obtener, mediante mediciones con sismógrafos, los registros de velocidad o aceleración contra tiempo, que son introducidos en un programa de análisis dinámico para calcular, entre otros parámetros, las velocidades, aceleraciones y desplazamientos de las partículas en el terreno.

Con estos resultados, la metodología propone realizar un análisis comparativo entre la velocidad de partícula calculada y el valor límite para evitar daños, que establecen las normas.

Los resultados de la aplicación de la metodología en el proyecto de ampliación de una planta industrial en Baja California, México, sustentan las siguientes conclusiones y recomendaciones: • Los valores máximos permisibles de velocidad de partícula definidos utilizando diferentes normas, son muy variables (Tabla 8). Esto ratifica la importancia de realizar estudios específicos de daños que incluyan evaluaciones detalladas del terreno y las estructuras, por parte de especialistas, para seleccionar el valor más adecuado a utilizar en cada proyecto.

• Las velocidades de partícula obtenidas mediante modelación dinámica en algunos puntos ubicados debajo de la estructura (C y D), superan o están muy cerca de los valores máximos admisibles para evitar daños.

La metodología que se presenta propone un procedimiento en el que se integran la información obtenida en las voladuras de prueba y la modelación numérica, para simular el proceso de voladura, cuantificar la respuesta dinámica del terreno, predecir las vibraciones que se generan y evaluar sus efectos en las estructuras. La aplicación de la metodología en el caso de estudio presentado, no solo permitió validar el procedimiento propuesto y comprobar su factibilidad, sino que sirvió para reajustar el diseño inicial de las voladuras y proponer medidas para reducir el riesgo de daños en la estructura Atendiendo a estos resultados, se recomendó reque se quiere proteger y en el personal que labora en diseñar el proceso de voladura considerando reducir las ella. cargas y el intervalo de tiempo o retardo que transcurre entre detonaciones sucesivas, así como diseñar e imple5. Conclusiones mentar un programa de instrumentación y monitoreo de Las vibraciones inducidas por voladuras producen las vibraciones que se producirán en la estructura dumovimientos en las partículas del terreno que pueden rante el proceso de voladura. ocasionar efectos negativos sobre las estructuras y personas que se encuentren en ellas, siendo la velocidad 6. Agradecimientos de estos movimientos el criterio más utilizado para Los autores manifiestan su agradecimiento a la Univerestablecer los límites admisibles que podrían evitar sidad de las Californias Internacional, México, y a la daños. Los primeros métodos para predecir vibraciones Empresa Constructora Makro, México, por la oportunifueron fórmulas analíticas que obtienen los niveles de dad de participar en el proyecto que sirvió de base para vibración en medios constituidos por rocas, a partir de la realización de este trabajo. la correlación entre la velocidad máxima de partícula, la máxima carga explosiva y distancia entre la explosión 7. Referencias bibliográficas y el punto de medición, pero sin considerar la respuesta [1] INCEJ, “The regional environmental vibrations”, dinámica del terreno ni los movimientos de sus partícuTokyo, 2001. las. Posteriormente, con el surgimiento de los métodos [2] M.G. Smith, I. Croy, M. Ögren y K. Persson de modelación numérica, no solo se puede predecir las Waye, “On the influence of freight trains on huvibraciones en un medio cualquiera, considerando su mans: a laboratory investigation of the impact respuesta ante los efectos dinámicos de las voladuras, of nocturnal low frequency vibration and noise sino que permiten calcular las velocidades y aceleraon sleep and heart rate”, PLoS ONE 2013; vol. ciones de las partículas, así como los desplazamientos 8, no. 2: e55829. 2013. Recuperado de: https:// Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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Metodología para la predicción de las vibraciones del terreno inducidas por voladuras y sus efectos en las estructuras. Aplicación en un caso real

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23409055 nas (RCOLVV.09)”, Revista Uptc, vol. 7, no. 2, D. Ruiz, C. Otálora, y J.A. Rodríguez, “Efecto de 10p. Colombia, diciembre 2008. Recuperado de: las vibraciones generadas por voladuras en minas https://revistas.uptc.edu.co/index.php/ingeniersobre edificaciones residenciales de mampostería ia_sogamoso/article/view/882 simple en Colombia”, Rev. Int. de Desastres Nat- [15] QUAKE/W, “Dynamic Modeling. An Engineerurales, Accidentes e Infraestructura Civil, vol. 7 ing Methodology”, Third Edition, GEO-SLOPE (2-3), pp. 259-272, noviembre 2007. Recuperado International Ltd., 247pp. Calgary, Alberta, de: https://www.scipedia.com/wd/images/3/32/ Canadá, 2008.

Draft_Content_789645157Ruiz-Valencia_et_ [16] M.A. Escamilla, A.G. Ayala, H. Méndez y O. al.pdf García, “Efecto de las vibraciones ambientales y [4] A.S. Hendron and C. Oriard, “Specifications for forzadas sobre las estructuras y los humanos”, in controlled blasting in civil engineering projects”, XX Congreso Nacional de Ingeniería Estructurin Proceedings of the First American Rapid Exal, Mérida, Yucatán, México, 2016. cavation and Tunneling Conference, Society of Mines Engineers, AIME, Littleton, Colorado, pp.

1585-1560. 1972.

[5] U. Langefors and B. Kihlstrom, “The Modern Technique of Rock Blasting”, Ed. John Wiley & Sons. 1976.

[6] D. Siskind, M. Stagg, J. Kopp y C. Dowding, “Structure Response and Damage Produced by Ground Vibration from Surface Blasting”, U.S. Bureau of Mines Report of Investigations 8507 (USBM RI 8507), Washington, D.C. 1980.

[7] J.P. Ahsby, “Production blasting and the development of pit slopes”, in Proceedings of the 3rd.

International Conference on Stability in Open Pit Mining, Vancouver, B.C., Canada. 1981.

[8] C.H. Dowding, “Blast Vibration Monitoring and Control”, Prentice Hall, Inc, Englewood Cliffs, New Jersey. 1985.

[9] ICI Australia, “Environmental Effects of Blasting”, in Handbook of Blasting Tables, pp 33-35.

1990.

[10] Standards Association of Australia, “Explosives - Storage Transport and Use. Part 2 - Use of Explosives”. AS.2187.2, Australia.1993.

[11] A.B. Richards, A.J. Moore, “Blast vibration course: measurement - assessment - control”, Terrock Consulting Engineers, Eltham Victoria, Australia, A.B.N. 99 005 784 841, February 2005.

[12] J. Bernaola, J. Castilla, J. Herrera, “Perforación y voladura de rocas en minería”. Departamento de explotación de recursos minerales y obras subterráneas, Laboratorio de tecnologías mineras, Universidad Politécnica de Madrid, España. 2013.

[13] DIN 4150, “Part 3: Structural Vibration in Buildings. Effects of Vibration on Structures”, German Standard, Deutsches Institut Fur Normung E.V. 1999.

[14] L.H. Pinto y M.C. Fuentes, “Propuesta de guía de regulación colombiana para el control de vibraciones por voladuras de rocas en áreas urba[3]

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Original Article

DOI: https://doi.org/10.22463/2011642X.2334

Pavimentación con asfalto natural “MAPIA”. Estudio de caso: Proyecto mejoramiento de la vía El Diviso – Torcoroma del municipio de San Martin, Cesar.

Paving with natural asphalt “MAPIA”. Case Study: Improvement Project of El Diviso - Torcoroma road in the Municipality of San Martin, Cesar.

Ing. Marcela Gómez Galván1, MSc. Romel Jesús Gallardo Amaya2, Esp. Agustín Armando Macgregor Torrado2 1 Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, Colombia, orcid.org/0000-0002-6559-1759, mgomezg@ufpso.edu.co 2 Grupo de Investigación en Construcción Geotecnia y Medio Ambiente GIGMA, Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, Colombia, orcid.org/0000-0002-4740-4841, 0000-0002-5144-8572,Email: [rjgallardoa, aamacgregort]@ufpso.edu.co

Como citar: M. Gómez, R.J. Gallardo & A. A. Macgregor, “Pavimentación con asfalto natural “MAPIA”. Estudio de caso:Proyecto mejoramiento de la vía El Diviso-Torcoroma del municipio de San Martín, Cesar”, Revista Ingenio, 16(1), pp. 10-15,2019.

Fecha de recibido:03 de julio de 2018 Fecha aprobación:26 de octubre de 2018

RESUMEN Palabras claves: Asfalto natural, Estructura del pavimento, MAPIA, Mezcla asfáltica, Mezcla en frío.

El “MAPIA” es una mezcla asfáltica compuesta principalmente de arenas finas y asfalto natural que puede usarse en vías con diferentes niveles de tránsito en cualquiera de las capas de la estructura del pavimento. El propósito de esta investigación se enfocó en la caracterización de este material y su proceso de instalación para el mejoramiento de un tramo de vía del municipio de San Martin, Cesar. Inicialmente se realizó la identificación de las propiedades del MAPIA tales como: composición porcentual de los materiales, índice de penetración, ductilidad del asfalto, punto de ablandamiento y viscosidad absoluta. Posteriormente, una vez adecuado el MAPIA con la incorporación de triturado ¾”, se procedió a la instalación de la mezcla con equipo tradicional. Como resultado de este estudio, se encontró que el material MAPIA, posee características semejantes a un asfalto 80/100, con una composición de material granular fino entre el 87% y 90% y asfalto natural entre 9% y 12%. Sin embargo, los resultados sugieren que este tipo de material presenta alta susceptibilidad a cambiar su penetración ante cambios de temperatura. Así mismo no requiere de maquinaria especializada, lo cual reduce el consumo energético en la aplicación y también permite una rápida apertura del tráfico.

ABSTRACT

Keywords: Natural asphalt, Pavement structure, MAPIA, Asphalt mixture, Cold mix.

1. Introducción

“MAPIA” is an asphalt mixture composed mainly of fine sand and natural asphalt that can be used on roads with different levels of traffic in any of the layers of the pavement structure. The purpose of this research was focused on the characterization of this material and its installation process for the improvement of a road section in the municipality of San Martin, Cesar. Initially, the identification of MAPIA properties such as: percentage composition of materials, penetration rate, ductility of bitumen, softening point, and absolute viscosity was carried out. Subsequently, once the MAPIA was adequate with the incorporation of ¾” crushed gravel, the mixture was installed with traditional equipment. As a result of this study, it was found that MAPIA material has characteristics similar to 80/100 asphalt, with a composition of fine granular material between 87% and 90%, and natural asphalt between 9% and 12%. However, the results suggest that this type of material presents high susceptibility to change its penetration with temperature changes. Likewise, it does not require specialized machinery, which reduces energy consumption in the application and also allows a rapid opening to traffic.

Uno de los principales factores de desarrollo económico de un país, está dado en gran medida por el nivel macroscópico de la infraestructura vial que posee, la cual incluye la construcción de vías terciarias que permitan asegurar la interconectividad de las comunidades ubicadas en zonas rurales con las grandes urbes, dando paso el fortalecimiento de los procesos de desarrollo [1]. Es así, que la aplicación e innovación de sistemas de construcción de la red vial, además de materiales que garanticen la durabilidad y seguridad de las estructuras,

posibilitan el progreso de la competitividad vial, generando mayor cobertura y movilización [2-3].

En Colombia, el estado de la infraestructura vial es muy deficiente, puesto que la mayoría de los departamentos no cuenta con la pavimentación total de sus vías y las carreteras existentes no se encuentran en buen estado, dificultando los procesos de desarrollo económico, debido a la falta de inversión en este tema. Lo anterior implica que, al no poseer una infraestructura vial de calidad, se conlleva a la ineficiencia en los procesos de

Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, Autor para correspondencia Correo electrónico: mgomezg@ufpso.edu.co (Marcela Gómez Galván) La revisión por pares es responsabilidad de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Artículo bajo la licencia CC BY-NC (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.es)

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transporte de personas y carga, lo que redunda en el no Tabla 1. Marco legal. cumplimiento de indicadores satisfactorios con relación al desarrollo económico y social del país [4-5].

La eficiencia de una red vial depende de los parámetros de diseño, condiciones físicas del lugar y las técnicas constructivas utilizadas, lo que conlleva a un funcionamiento eficaz de la vía bajo condiciones de seguridad y durabilidad. Es por ello, que las diferentes investigaciones enfocadas a este tipo de infraestructuras buscan que estas se adapten a las realidades locales, tanto en Tabla 2. Ensayos de Laboratorio. costos, como en el acceso a los materiales [6].

Actualmente en el país se están implementando nuevas técnicas de construcción de pavimentos flexibles, un claro ejemplo es la “MAPIA” o Mortero Asfáltico Natural (MOAN) que es una mezcla asfáltica, compuesta de un 90% de arena fina, crudo de petróleo expresado en un asfalto con solventes livianos y pesados, agua y algunos materiales entre los que se destaca el azufre [7-8]. Esta mezcla es utilizada típicamente como pavimento flexible para la pavimentación de vías terEn el caso del proyecto de mejoramiento del tramo ciarias de bajo tránsito vehicular. de la vía terciaria del municipio de San Martín, Cesar, comprendido entre la bifurcación del corregimiento de El proceso de instalación del pavimento se puede San Roque y Torcoroma, este se ha realizado con la utihacer con mezcla asfáltica en frio o en caliente. Para lización de un pavimento flexible conformado por una este caso, el uso de MAPIA, es una mezcla asfáltica en base estabilizada con emulsión asfáltica y una capa de frio, debido a que está compuesta de agregado mineral rodadura con mezcla asfáltica natural a base de Mapia. y su proceso se lleva a cabo a temperatura ambiente, permitiendo la conservación del medio ambiente, pues- 2. Metodología to que su producción implica ahorro en el consumo de La presente investigación tiene el objetivo de caracenergía y minimización de la generación de vapores terizar el material MAPIA el cual será utilizado para el tóxicos y polvo [9-10]. Esto indica que su utilización mejoramiento de una vía en el municipio de San Martin es óptima, puesto que es un material muy rentable por en el departamento del Cesar. La vía es de orden mutener una explotación natural y amigable con el medio nicipal, inicia en la bifurcación de San Roque ubicada ambiente. Además, de tener una rápida aplicación lo en la vereda el diviso y finaliza en el corregimiento de que lo convierte en una de las principales alternativas Torcoroma. Como se muestra en la figura 1 y 2. de mantenimiento y mejoramiento de vías [11].

Para el mejoramiento de la vía es necesario realizar La MAPIA, es abundante en muchas partes de Co- una caracterización del material asfaltico a utilizar, para lombia, encontrándose en los departamentos de Tolima, posteriormente especificar el procedimiento de instaCaldas, Cesar, Santander, entre otros, convirtiéndose lación en campo de la mezcla asfáltica. En la presente en una alternativa sostenible para el mantenimiento de investigación, se utilizó material pétreo impregnado con la malla vial urbana y rural [12]. Su uso en Colombia asfalto – MAPIA, el cual es un material compuesto por se dio por primera vez hacia 1995 en la vía la Dora- arenas y asfalto natural, para determinar la composición da - Norcasia y vías de acceso para la construcción de cada uno de estos componentes en la mezcla asfáltica de la hidroeléctrica Hidro Miel, debido a sus ventajas natural se realizó una extracción cuantitativa del asfalto. económicas y ecológicas [11].

Una vez obtenido el porcentaje de asfalto, se procedió a realizar una caracterización del material, para lo cual se En Colombia, se ha definido un marco legal para el realizaron pruebas de caracterización convencionales diseño y uso de pavimento asfaltico en vías, además como lo son penetración asfáltica (norma INV- E 706), de los ensayos de laboratorio para su caracterización, índice de penetración de cementos asfalticos (norma (Tabla 1-Tabla 2.)

INV- E 724), punto de ablandamiento (norma INV- E 712), ductilidad de materiales asfalticos (norma INV- E Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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702), y viscosidad del asfalto (norma INV-E 716), los resultados de dichos ensayos se compararon con las especificaciones del INVIAS, seleccionadas de acuerdo al resultado obtenido en la prueba de penetración.

Figura 2. Localización del proyecto. Fuente. Google Earth

Figura 1. Localización de San Martin, Cesar. Fuente. [13].

Por otra parte, en cuanto a la metodología utilizada para la instalación de asfalto natural en vías de tránsito Figura 3. Proceso de pavimentación. continuo o áreas de trabajo grandes, esta se puede reLa primera etapa se refiere a la estabilización de alizar de acuerdo a las etapas que se indican en la figura las capas granulares, de modo que puedan cumplir la 3. función para la cual se diseñaron de soportar, transmitir y distribuir las cargas que actuarán sobre la estructura de pavimento.

En la segunda etapa del proceso se realiza la imprimación de la superficie de las capas granulares estabilizadas, esto con el fin de ayudar a proteger y servir de transición para la capa de mezcla asfáltica [14], permitiendo además evitar que se puedan producir, a futuro, deslizamientos entre la capa de base y la capa superficial, generalmente se utiliza emulsión asfáltica Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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catiónica de rompimiento lento para este riego. Una vez se haya realizado el riego de la imprimación, se procede con extensión de la mezcla asfáltica la cual se hace con máquinas autopropulsadas que puedan cubrir la sección transversal de la vía. Este procedimiento se realizó de manera similar al de la instalación de una mezcla asfáltica en frío. En esta etapa es importante que la mezcla quede bien extendida para obtener un comportamiento adecuado de la carpeta asfáltica asegurando una durabilidad del pavimento. Para finalizar, se efectúa la compactación del material asfáltico, con lo que se permite el desarrollo de la resistencia requerida por la mezcla asfáltica, en términos de características de estabilidad, cohesión e impermeabilidad, esta última dada por la disminución de los vacíos de la mezcla instalada. Todo lo anterior se traduce en una capa de rodadura resistente y durable [15-17].

co y viscosidad del asfalto, la MAPIA cumple con las especificaciones INVIAS para un asfalto 80/100. Sin embargo, el índice de penetración de un asfalto 80/100 debe encontrarse entre -1 y +1; valores alejados de este rango indican que el asfalto presenta alta susceptibilidad a cambiar su penetración ante cambios de temperatura [18-19]. Para el caso del MAPIA analizado se encontró que este no cumple para el rango indicado del índice de penetración, pues se obtuvo un valor de -1.4, el cual se encuentra por debajo de -1.

Tabla 4. Resultado de Ensayos de Caracterización.

3. Resultados y discusión

3.1 Ensayos de caracterización convencional La tabla 3, muestra la composición del MAPIA, este procedimiento se realizó en tres muestras para obtener un promedio de la composición de la mezcla, a través de la extracción cuantitativa de la mezcla según la normativa INVIAS. La mezcla asfáltica natural está compuesta por material granular fino (87% - 90%) y asfalto natural entre 9% y 12%. Su clasificación es asfáltica tipo arena bituminosa de bajo contenido de bitumen.

Tabla 3. Composición MAPIA. Fuente: [20]

3.2 Proceso de Instalación de MAPIA A continuación, se describe el procedimiento para la instalación de la MAPIA, en el proyecto de pavimentación del tramo de vía del corregimiento de San Martín, cesar: a) Para el mejoramiento de la vía fue necesario realizar una estabilización del terreno a través de la incorporación de un aditivo sólido que contiene cemento portland, cal viva, cenizas, esto con el fin de que el suelo alcance su máxima densidad.

En la figura 4, se muestra como fue el proceso Una vez obtenido el porcentaje de asfalto, se rede extensión para la estabilización del material de alizaron las pruebas de caracterización convencional. subrasante.

En la tabla 4, se observan los resultados obtenidos a partir de dichas. Los resultados encontrados reportan que la MAPIA, es un material que se puede asemejar a un asfalto 80/100, por lo tanto, con el fin de obtener una referencia parámetro del material se eligen especificaciones INVIAS para un asfalto de este tipo. Los resultados encontrados reportan que, para la prueba de penetración de asfalto, ductilidad del material asfaltiFigura 4. Extensión de material para estabilización.

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b) En la figura 5, se muestra la etapa de riego de imprimación, la cual, consistió en la aplicación de emulsión asfáltica de manera uniforme sobre la superficie para ayudar a adherir el material de base granular con la capa aplicada para estabilizar el terreno. La emulsión asfáltica utilizada fue de tipo catiónica de rompimiento lento.

d) Luego de extendido el material, se realiza el procedimiento de compactación a través de un compactador vibratorio doble rodillo, esto con el fin de brindar una mejor textura superficial y minimizar la posibilidad de permeabilidad lo que ocasiona una mejora en la densidad de la MAPIA. Por último, se emplea el compactador neumático para sellar el material, como se muestra en la imagen 7.

Figura 5. Imprimación.

c) Posteriormente, se extendió el asfalto con maquinaria especializada (Finisher), logrando que la MAPIA quedará de manera regular sobre toda la superficie de la vía, como se aprecia en la figura 6.

Este procedimiento se hizo como una técnica de construcción en frio por lo cual no hubo necesidad de calentar el MAPIA, además, con esto se logró una reducción de los vapores tóxicos en el campo, lo que hace que este tipo de material sea amigable con el medio ambiente.

Figura 7. Compactación con compactador doble rodillo.

4. Conclusiones

Con el presente estudio se puede decir que el material MAPIA posee características que lo asemejan al asfalto 80/100 producido por procesos de refinación del crudo y puede usarse en vías con diferentes niveles de tránsito en las diferentes capas del pavimento.

La MAPIA es un tipo de material ecológico puesto que su técnica de construcción es en frio, por lo tanto, los consumos energéticos son mínimos.

El MAPIA es una solución práctica para su implementación en vías terciarias de los diferentes municipios del país, esto debido que para su instalación se puede utilizar maquinaria común.

Figura 6. Extensión de asfalto natural.

El comportamiento del MAPIA es susceptible a los cambios de temperatura, esto debido a que su índice de penetración es menor de -1, razón por la cual se debe estudiar el contenido de asfalto que tiene la mezcla de asfalto natural antes de implementar su uso, para evitar que se presenten deformaciones en el pavimento. En estos casos se deberá pensar en la incorporación de aditivos modificadores a la mezcla asfáltica para que esta pueda tener un mejor comportamiento ante las variaciones de temperatura.

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A partir de este trabajo, se pudo encontrar que el ac.cr/index.php/vial/article/view/2015/1981 proceso de compactación de esta mezcla asfáltica, es [10] K. Zhong, X. Yang & S. Luo, “Performance recomendable realizarlo una vez extendida la franja, evaluation of petroleum bitumen binders and desde el centro de esta a los extremos, lo anterior para mixtures modified by natural rock asphalt from evitar que se presenten deformaciones en la capa.

Xinjiang China”, Construction and Building Materials, 154, 623-631, 2017, doi.org/10.1016/j. conbuildmat.2017.07.182 5. Referencias [1] E. Correa, “ El rol de las vías terciarias en la con- [11] J. Ortiz, and L. Rojas, “ Caracterización del Mapia y Mapia con una adición de Cal al 5%,” strucción de un nuevo país.” Revista de IngeniTesis de pregrado, Universidad Católica de Coerías, vol. 45, pp. 64-71, 2017. Recuperado de: lombia, Bogotá, Colombia, 2018. https://ojsrevistaing.uniandes.edu.co/ojs/index.

[12] W. Chavarro, and C. Molina, Luna, and D. Sanphp/revista/article/view/943 tos, “Evaluación de alternativas de pavimentac[2] S. Caro, and B. Caicedo, “Tecnologías para Vías ión para vías de bajos volúmenes de tránsito,” Terciarias: Perspectivas y Experiencias desde M.S. thesis, Universidad Católica de Colombia, la Academia” Revista de Ingenierías, vol. 45, Bogotá, Colombia, 2015. pp. 12-21, 2017. Recuperado de: https://ojsrevistaing.uniandes.edu.co/ojs/index.php/revista/ [13] Consejo Municipal, “Esquema de ordenamiento territorial del municipio de San Martín-Cesar”, article/view/936 2004.

[3] Y. Sánchez, “Utilización de asfalto natural en la construcción de pavimentos en Colombia: una [14] J. Sapei, and R. Gonzales, “ Emulsiones de imprimación, su aporte en la adherencia,” Revista recopilación bibliográfica,” M.S. thesis, UniverInfraestructura Vial, vol. 16, pp. 33-43, 2014. sidad Militar Nueva Granada, Bogotá, Colombia, Recuperado de: https://dialnet.unirioja.es/servlet/ 2018. articulo?codigo=5051897 [4] T. Yepes J. Ramirez, and L. Villar. Infraestructura [15] G. Bonnet, “ Guía de proceso constructivo en de transporte en Colombia. Fedesarrollo, 2013. pavimento flexible” M.S. thesis, Universidad [5] N. Urdaneta, Caro, “ La infraestructura vial de Militar Nueva Granada, Bogotá, Colombia, Colombia: un reporte de la Cuarta Generación 2014. de Concesiones y la Ruta del Sol,” Revista Económica Supuestos, 2017.Recuperado de: [16] F. Ma & C. Zhang, “Road performance of asphalt binder modified with natural rock asphalt”, http://revistasupuestos.com/ciudad-y-vida-urin Advanced Materials Research, Vol. 634, pp. bana/2017/6/2/la-infraestructura-vial-de-colom2729-2732. Trans Tech Publications Ltd, 2013. bia-un-reporte-de-la-cuarta-generacin-de-conce[17] J. K. MA & Z. Q. LI, “Road Use Performance of siones-y-la-ruta-del-sol Natural Modified Asphalt”, Journal of Highway [6] V. Senior, C. Posada, and A. Lammardo, “Análiand Transportation Research and Development, sis y caracterización de una mezcla asfáltica, 9, 2004. obtenida con mecanismos diferentes de comB. Morales, “Análisis de la vulnerabilpactación, a través de la técnica de tomografía [18] A. idad física y amenazas en la carretera longitudicomputarizada CT,” in Asfaltos y Pavimentos, nal del norte en las microregiones de Metapán y Santa Marta, Colombia, vol. 31, pp. 15-24, 2015.

Alto Lempa Norte. Región Norte, El Salvador”, [7] R. Luna, and D. Santos, “Asfaltos naturales: La” Infraestructura Vial, 10(19), 21-27, 2008.

Mapia” y” Asfaltita” alternativas de construcción en obras de infraestructura vial en el contrato ruta [19] J. F. Mendoza & O. A. Marcos, “El efecto del cambio climático en los pavimentos carreteros”, del sol tramo 1,” M.S. thesis, Universidad PontifX Congreso Mexicano del Asfalto, pp. 1-13, icia Bolivariana, Bucaramanga, Colombia, 2012.

2017.

[8] S. Caro, D. Sánchez and B. Caicedo, “Methodology to characterise non-standard asphalt ma- [20] Colombia Asfaltos S.A. “ Caracterización de una muestra de Mapia”, Bucaramanga, Colombia, terials using DMA testing: application to natural 2012. asphalt mixtures”, International Journal of Pavement Engineering, 16: 1, pp. 1-10, 2015, DOI: 10.1080/10298436.2014.893328 [9] M. Acuña, and D. Obando, “Mezclas asfálticas en frío en Costa Rica, conceptos, ensayos y especificaciones,” Infraestructura Vial, vol. 21, pp.

18-29, 2009. Recuperado de: https://revistas.ucr.

Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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“Journal of Engineering Sciences”

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DOI: https://doi.org/10.22463/2011642X.2345

De vías férreas a carreteras urbanas. Análisis para la ciudad de Barrancabermeja From railways to urban roads. Analysis for the Barrancabermeja city

MSc. Yerly Fabian Martínez Estupiñan1, Ing. Cindy Martínez Guerra2, Ing. Oscar Carrero Monroy3 1 Geomatica, Gestión y Optimización de Sistemas, Universidad Industrial de Santander, Escuela de Ingeniería Civil, Colombia, ORCID: 0000-0003-3270-2325; Email: yerfamar@uis.edu.co 2 Universidad Industrial de Santander, ORCID: 0000-0002-0151-0497; Email: cindymartinez2090@gmail.com , Bucaramanga, Colombia 3 Universidad Industrial de Santander, ORCID: 0000-0003-4897-558X; Email: oscarcarrero5@gmail.com , Bucaramanga, Colombia

Como citar: Y. F. Martínez, C. Martínez & O. Carrero, “De vías férreas a carreteras urbanas. Análisis para la ciudad de Barrancabermeja”, Revista Ingenio, 16(1), pp. 16-22, 2019.

Fecha de recibido:11 de julio de 2018 Fecha aprobación:08 de noviembre de 2018

RESUMEN Palabras claves: Modelos de transporte, movilidad, vía férrea, simulación, calles.

La ciudad de Barrancabermeja tiene un corredor férreo deteriorado y en desuso el cual hace parte de la red férrea nacional al tramo correspondiente La Dorada – Chiriguaná. Este corredor atraviesa todo el centro del casco urbano del municipio y en la actualidad se encuentra prácticamente abandonado y se limita únicamente al tránsito de algunos vagones, denominados carro motores, perteneciente a la cooperativa COOPSERCOL L.T.D.A. para transporte de pasajeros y carga menor. Según datos de la Inspección de Tránsito y Transporte de Barrancabermeja entre 2015 y 2019 el parque automotor de motos en la ciudad aumentó en un 50% alcanzando una proporción de una moto por cada 2 habitantes. Este fenómeno de crecimiento desmedido de la motocicleta ha provocado en los últimos años problemas de congestión, de seguridad y ha disparado los índices de siniestralidad e informalidad. Ante este panorama esta investigación hace un análisis mediante el uso de modelos de macro simulación en transporte de cuáles serían los beneficios para la movilidad vehicular si el actual corredor férreo a su paso por el casco urbano de la ciudad se convirtiera en una vía vehicular, creando una conexión más directa para la ciudad en el sentido norte-sur.

ABSTRACT

Keywords: Transport models, mobility, railroad track, simulation, streets.

1. Introducción

The city of Barrancabermeja has a deteriorated and unused railway corridor, part of the national railway network, to the corresponding section La Dorada - Chiriguaná. This corridor crosses the entire center of the municipality’s urban area. Currently, it is abandoned and is limited only to the transit of some wagons, called motor cars, belonging to the COOPSERCOL L.T.D.A. for passenger and minor cargo transportation. According to data from the Barrancabermeja Traffic and Transport Inspection, between 2015 and 2019, the motor vehicle fleet in the city increased by 50%, reaching a proportion of one motorcycle for every two inhabitants. The excessive growth of the motorcycle in recent years has caused traffic congestion, safety, and has triggered the accident rates and informality.

This research use of macro simulation transport models to analyze the benefits for vehicular mobility if the current railway corridor as it passed through the urban area of the city became a vehicular road, creating a more direct connection to the city in the north-south direction.

La incorporación del sistema férreo al sistema de transporte nacional es indispensable para el desarrollo económico del país. Sin embargo, en los últimos años el sistema férreo ha ido perdiendo su auge, tanto así que en algunos sectores de nuestro país la infraestructura férrea especialmente a su paso por cascos urbanos se encuentra abandonada [1]. Un ejemplo se observa en el casco urbano de la ciudad de Barrancabermeja, la cual cuenta con un corredor férreo deteriorado y en desuso el cual hace parte de la red férrea nacional al tramo correspondiente La Dorada – Chiriguaná. Este tramo fue incluido en el contrato Nº. 418/2013, que incluye la Rehabilitación de Vías Férreas a Nivel Nacional a través del Sistema de Concesiones y que hasta mediados del

2019 ha sufrido una serie de modificaciones en alcances y fechas provocando que su avance no haya sido el esperado. Esta constante incertidumbre sobre el futuro de dicho corredor férreo ha alimentado la preocupación y problemas de los habitantes que a través de los años han establecido de manera ilegal sus domicilios a lo largo de dicho corredor generando un espacio inseguro y de precarias condiciones para llevar una vida digna.

Según datos entregados por la Inspección de Tránsito y Transporte de Barrancabermeja, para el año 2018 en la ciudad había cerca de 100.000 motocicletas que circulan por las principales calles del casco urbano. El 20% de ellas son de municipios vecinos. Esta desme-

Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, Autor para correspondencia Correo electrónico: yerfamar@uis.edu.co (Yerly Fabian Martínez Estupiñan) La revisión por pares es responsabilidad de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Artículo bajo la licencia CC BY-NC (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.es)

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dida proporción de motocicletas se refleja en la difícil situación de movilidad que se vive en la ciudad en horas pico y en el aumento en las tasas de siniestralidad e informalidad [2] concentradas en intersecciones que se han convertido en puntos de gran peligro, de ahí la importancia de ofrecer una infraestructura nueva que permita una redistribución de dichos flujos disminuyendo las tasas de siniestralidad en ciertos sectores de la red vial.

ales del sector conocido como El Centro. El ferrocarril de la Tropical Oíl Company, comenzó a prestar servicio entre El Centro y Barrancabermeja a mediados de 1926, mejorándose con ello el transporte de personal y el acarreo de las maquinarias y materiales [4]. Luego de varios años la red férrea presentó una expansión rápida por el territorio nacional y debido a esto el tendido vial perteneciente a la ciudad de Barrancabermeja entró a formar parte de la red ferroviaria del Atlántico. Sin embargo, la red se deterioró debido a que, a partir de Ante este panorama, y dado el abandono del tramo 1975, se hizo evidente una aguda crisis financiera en la férreo y la necesidad de alternativas de infraestructura empresa estatal Ferrocarriles Nacionales [5-6]. para la conexión urbana y que se permita una redistribución de los flujos de una forma más organizada surge 3. El corredor férreo en la actualidad esta investigación. En este trabajo se hace un análisis En la actualidad el corredor férreo ubicado a lo largo del del impacto que tendría en la movilidad vehicular del casco urbano del municipio tiene una longitud aproxicasco urbano de la ciudad de Barrancabermeja la puesta mada de 6 kilómetros. La particularidad es que a lo laren funcionamiento de una vía vehicular por el tramo go de su longitud se encuentra invadido por 887 lotes por donde se encurta la vía férrea. Dicho análisis se re- que ocupan un área de 35.5 hectáreas, y abarcan los esalizó utilizando herramientas de macro-simualción en tratos uno, dos y tres [7]. transporte. Se utilizaron este tipo de herramientas ya que permitieron hacer un análisis completo de la red vial del casco urbano identificando los conflictos que se producirían en otros puntos de la malla vial por la eventual implementación del corredor vial propuesto. Una de las limitaciones para este tipo de análisis es la disponibilidad de la información ya que es necesario contar con una cantidad considerable de aforos vehiculares en diferentes puntos de la red que permitan el proceso de calibración. En el caso de esta investigación se trabajó con información del plan de movilidad del municipio de Barrancabermeja realizado por la Universidad nacional en el año 2010, junto con una actualización de datos realizada mediante aforos vehiculares en intersecciones seleccionadas a partir de visitas de campo. El artículo presenta en la sección 2 y 3 una caracterización Figura 1. Recorrido del corredor férreo en el casco urbano. de la red férrea. En la sección 4 la definición de alternativas. En la sección 5 el modelo de simulación, en la Este corredor cruza 5 de las 7 comunas (Figura 1) sección 6 el análisis de resultados y en la sección 7 las con las que cuenta el casco urbano, recorriendo 17 barconclusiones. rios.

2. Breve historia del corredor férreo

En la primera mitad del siglo XX cuando la empresa Tropical Oíl Company llegó a Barrancabermeja a explotar el petróleo en la zona, generando una ciudad, dependiente de la industria y provocando la consolidación de dos sociedades: la ligada directamente al petróleo, y la que genera algunos servicios, para los pobladores atraídos por la expectativa de trabajo [3]. Para el año de 1923 avanzaban las labores de desmonte, movimientos de tierras, formación de bancadas y tendidas de los rieles en acero y ya para el año 1924 la línea llegaba hasta donde hoy están localizadas las instalaciones industri-

4. Definición de alternativas

A partir de la información recopilada de visitas de campo, registro fotográfico, aforos vehiculares revisando y variables de movilidad - definidas en el Plan Maestro de Movilidad del municipio de Barrancabermeja realizado por la Universidad Nacional en el año 2010 [8].

Información correspondiente al crecimiento del parque automotor, orígenes y destinos de los viajes en el casco urbano, propósitos de viaje, proyecciones de población e indicadores de accidentalidad, se decidió que el tramo a analizar y modelar como una vía urbana estaba comprendido entre la calle 77 con carrera 33 hasta la calle

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44a con carrera 34 con una longitud aproximada de 3 kilómetros.

4.1 Especificación de alternativas La propuesta vial urbana corresponde a una vía arterial, la cual será primaría o secundaría, dependiendo de la configuración del terreno existente a lo largo del corredor en estudio. Las alternativas planteadas fueron: - Propuesta A: Vía arterial principal. Vía doble calzada con dos carriles por sentido a lo largo de todo el tramo férreo.

- Propuesta B: Vía arterial secundaría. Vía de una calzada con dos carriles, un carril por sentido a lo largo del eje férreo.

- Propuesta C: Vía arterial secundaría. Vía mixta, tramos de doble calzada dependiendo de las características de la zona a intervenir con el proyecto.

- Calle 77 con carrera 33: Ubicado en el barrio Belén, intercepta mediante un paso a nivel. Esta conexión es fundamental para la comunicación de la comuna 3.

- Calle 73 con carrera 34: Consiste en un puente vehicular, el cual conecta el sector este con el oeste del municipio, en la zona norte.

- Carrera 33 con calle 61: Se compone de una vía de doble calzada, con dos carriles por sentido, la cual estaría posiblemente semaforizada.

- Calle 45 con calle 44a: Esta intersección conecta los barrios Tres Unidos con la red vial del municipio, además en esta calle se encuentra un paso a nivel el cual es el punto principal de acceso y salida al barrio.

Cabe aclarar que las alternativas definidas corresponden a las que fueron identificadas dentro del plan de infraestructura propuesto en el Plan maestro de Movilidad del Municipio de Barrancabermeja en el año 2010. Asimismo, se identificaron los principales cruces Además, se identificó que la conexión más imporo intersecciones que se generarían con la eventual im- tante que se generaría es con el corredor la carrera 28, plementación de este corredor y se realizó su caracter- debido a que esta es la vía principal de ingreso por el ización, la cual se muestra en la Tabla 1. costado sur al municipio.

4.2 Análisis de cruces viales 4.2.1 Modificaciones planteadas por intersección.

Se hizo un análisis de los puntos principales de cruce - Calle 77 con carrera 33: En esta intersección se sobre el tramo vial propuesto. Se tuvo en cuenta su encontró que, en la calle 76, la vía férrea tiene topografía y su posible afluencia vehicular y se idenuna bifurcación donde existe un problema tificaron cinco intersecciones principales mediante las topográfico, debido a que el tramo para el tráfico cuales se planteó conectar el proyecto con la red vial ferroviario se localiza sobre un terraplén de gran existente. Dichas intersecciones fueron: elevación y de ancho poco favorable. Por esto se planteó como alternativa, que la vía se desarrolle Tabla 1. Conexiones o intersecciones viales revisadas hasta la calle 76 con carrera 33, allí se dividiría de tal forma que el flujo vehicular en sentido SurNorte siga por el tramo del eje férreo, y que el tránsito en sentido Norte-Sur tome la carrera 33, y más adelante se encontrarían en la calle 77 con carrera 73, donde se conectaría con la malla vial existente.

- Calle 73 con carrera 34: Puente elevado, situado sobre la vía férrea, posee una separación de los estribos angosta para el proyecto.

- Carrera 33 con calle 61: Esta conexión se encuentra situada en la zona central del municipio, además cuenta con la presencia de un paso a nivel que conecta con la red vial urbana. Para esta conexión se definió un sistema de semaforización, debido a que la afluencia vehicular es consider-

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able.

- Calle 45 con calle 44a: Esta es la primera intersección. La carrera 28, por la cual se ingresa al municipio, se desvía por la calle 45 y posteriormente llega al punto donde empieza el proyecto.

Al tratarse de un proyecto con un flujo vehicular importante (1250 vehículos-hora/carril [9]), se hace necesario usar tanto la calle 45, como la calle 46, y condicionarlas, de tal manera que cumplan con los requisitos del proyecto, y que funciones como un par vial.

Los criterios usados se basaron en los parámetros dados por el Manual de Diseño Geométrico de Carreteras en Colombia [10].

Doble calzada: calzada= 7,30 m, separador central = 2 m, andenes= 2,50 / 2.00 m. Calzada sencilla: calzada= 7,30 m, anden= 3.0 / 1.5 m.

5. Modelación de escenarios

Para determinar el impacto en la movilidad que tendría la eventual puesta en funcionamiento de una vía vehicular por el actual eje de la vía férrea se realizaron modelos de asignación de tráfico para la situación actual de la zona de estudio y para la inclusión, por separado, de cada alternativa planteada. Se usó como herramienta de simulación el software TransCAD [11], un SIG especializado en almacenamiento, manejo, análisis y presentación de datos de tráfico, capaz de modelar el transporte público, privado y de carga para unas condiciones de oferta y demanda estipuladas bajo distintos modelos de asignación de tráfico.

5.1 Estructuración de la simulación En TransCAD la oferta está representada por la red de transporte en consideración (vías vehiculares o de carga). Dicha red es simplemente la malla de la ciudad con información en cada arco de la malla vial. Para el caso del casco urbano de Barrancabermeja la red está constituida por la malla vial del municipio al año 2010 en el Plan Maestro de Movilidad [8] y actualizada con la información de proyectos de infraestructura vial ejecutados en el municipio en los últimos 6 años [12]. La demanda está representada por la matriz origen-destino para transporte privado y de carga. En el modelo del casco urbano de Barrancabermeja las matrices representan los viajes en la región entre las 17:30 y 18:30 (considerada hora pico) originadas a partir de las encuestas origen-destino adelantadas por la Universidad Nacional en convenio con la Alcaldía de Barrancabermeja en el año 2010. La información así obtenida se agrupó en las 75 zonas denominados como Zonas de Asignación de Tráfico (TAZ por sus siglas en inglés)

[13] para luego proyectarse al año 2018 con base en las tasas de incremento del parque automotor privado y de carga del municipio de origen de los viajes.

5.2 Modelo de asignación de tráfico Con base en las restricciones de información sobre capacidad de la red del casco urbano de Barrancabermeja, en la presente investigación se empleó el modelo Todo o Nada (All or Nothing), caracterizado por asignar todos los viajes en un par origen-destino al camino más corto entre dicho par.

Este método parte de la hipótesis de que el tiempo de viaje en un arco de la red no se ve alterado por el flujo que tenga este arco, es decir, el tiempo de viaje en una vía es independiente de su capacidad [14]. Pese a las limitaciones que supone ignorar la capacidad de la vía, el uso del modelo All or Nothing permite simular la situación más crítica de carga de tráfico para las vías que representen el menor costo en tiempo entre los pares origen-destino del casco urbano de Barrancabermeja, lo que enfoca la modelación sobre la situación de las vías primarias de la región [14]. Se presume que el usuario conoce los tiempos de viaje de todos los posibles caminos de la red y que va a seleccionar el de menor tiempo.

5.3 Escenarios de modelación Los escenarios de modelación mediante los cuales se llevó a cabo el análisis sobre la malla vial fueron cuatro, de los cuales uno corresponde al escenario base y tres que fueron modificados respecto al escenario base y están basados en las alternativas definidas al principio de este documento: - Vía doble calzada con dos carriles por sentido (escenario 2).

- Vía de calzada sencilla con un carril por sentido (escenario 3).

- Vía mixta, tramos de doble calzada y calzada sencilla (escenario 4).

Se estableció un escenario base el cual corresponde a la malla vial existente en las condiciones actuales, es decir con el corredor férreo sin ningún tipo de uso.

5.4 Indicadores del tráfico Para cada escenario y para cada año de proyección se calcularon indicadores agregados y desagregados del tráfico. Los primeros consistieron en la distancia recorrida (VDT) y el tiempo de viaje (VHT) de los vehículos particulares [15], consignados en la matriz origen – destino y expresados, respectivamente, en kilómetros y horas. Los segundos fueron el flujo vehicular, el tiempo de viaje y el nivel de servicio (LOS por sus siglas en inglés), medidos en ciertos corredores (o puntos) de

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control, establecidos para cada escenario.

6. Resultados

Los resultados obtenidos para los indicadores agregados y desagregados del tráfico se presentan, respectivamente, en las tablas 2 y 3. El primer escenario (base) permite determinar qué tan ajustado es el modelo a la situación real. Sin embargo, la información de campo del casco urbano de Barrancabermeja está dada en vehículos equivalentes mientras que los flujos del modelo están diferenciados en transporte privado y de carga.

Por ende, la evaluación del modelo se realizó de forma cualitativa comparando los resultados obtenidos con la situación expresada en el Plan Maestro de Movilidad de la ciudad de Barrancabermeja 2010. El modelamiento de las proyecciones se hizo en periodos quinquenales (partiendo de 2018 cada 5 años), esto debido a

la proyección de tráfico hechas en el Plan maestro de Movilidad del Municipio que abarcaron análisis hasta el año 2035. Estas proyecciones posibilitaron observar la evolución del conflicto de movilidad del casco urbano del municipio para el transporte privado y de carga en caso de no intervenirse la infraestructura actual.

El análisis desagregado se realizó para puntos críticos de la malla vial actual y que presentan mayor afluencia vehicular en el sentido (Norte-Sur). En este caso se tomaron como punto de control intersecciones sobre la Carrera 28 por ser esta la principal vía arteria de la ciudad. Para las intercesiones se analizó el flujo vehicular antes y después de entrar en funcionamiento la nueva vía urbana sobre el eje férreo. Al analizar los resultados obtenidos se observa que para todos los escenarios (2, 3 y 4) hubo una reducción del flujo en estas intersecciones llegando en algunos caos a ser del 40%.

Tabla 2. Indicadores agregados de tráfico

Tabla 3. Indicadores desagregados de tráfico

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Este impacto positivo también se refleja en un mejoramiento de los niveles de servicio. Los resultados muestran que para las intersecciones tomadas como punto de control los niveles de servicio llegan para el año final de modelación hasta un nivel E, lo cual resulta positivo teniendo en cuenta las tendencias de crecimiento del parque automotor que se presenta en la ciudad. Los resultados muestran que el escenario más favorable con relación a la redistribución de flujos y disminución de los puntos de conflictos es el Escenario 3 el cual corresponde a una vía de calzada sencilla con un carril por sentido. Sin embargo, el escenario, que ofrece mayores reducciones en la concentración de flujos por intersección con un 43% permitiendo obtener niveles de servicio B y C. 7. Conclusiones Este proyecto analizó una alternativa vial para mitigar el impacto negativo en la movilidad a causa del crecimiento del parque automotor experimentado en los últimos años en el casco urbano de Barrancabermeja, proporcionando posibles alternativas de conexión, mediante diferentes configuraciones operacionales. Con base en el planteamiento de escenarios de simulación se mostró la efectividad del proyecto a nivel de redistribución de flujos, mejoramiento en los niveles de servicio, disminución de tiempos de viaje para el municipio.

la malla del municipio. Esto debido a la eventual puesta en funcionamiento de la vía propuesta, por lo cual el tráfico se redistribuiría de manera positiva. Por otro lado, los escenarios propuestos, responden favorablemente a la demanda vehicular del municipio, pero el escenario que brinda mayores tasas de reducción es el escenario 3 correspondiendo a una vía de doble calzada con separador central y andenes laterales anchos.

Como trabajos futuros se plantea incluir en el análisis la demanda por transporte público que permita hacer el estudio de un ajuste en las rutas existentes y porque no plantear un corredor exclusivo de transporte público a lo largo de este corredor teniendo en cuenta que atraviesa al casco urbano en su totalidad.

8. Recomendaciones Para futuras investigaciones en el tema, se presentan dos recomendaciones que surgen de las limitaciones encontradas durante la realización de la investigación: primero, actualizar la matriz origen – destino y los aforos vehiculares, con el fin de estimar con mayor precisión el grado de ajuste del modelo y mejorar su calibración en caso de requerirse; segundo, realizar una asignación multimodal para evaluar el impacto de los proyectos viales de la ciudad y sobre los sistemas de transporte público colectivo.

9. Agradecimientos Se pudo evidenciar la notable reducción del tráfico Los autores agradecemos al grupo de investigación Geen puntos donde confluyen vías de alta jerarquía vial en omática, Gestión y Optimización de Sistemas de la EsRevista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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cuela de Ingeniería Civil de la Universidad Industrial de de Ingeniería Civil y Agrícola, Universidad NaSantander por todo su apoyo logístico y acompañamicional de Colombia-Sede Bogotá, 2016. ento durante la toma de información y en la elaboración [10] Instituto Nacional de Vías (INVIAS) 2008; Mande este trabajo. ual de Diseño Geométrico de Carreteras; Bogotá, Colombia. [Online]. Available:http://artemisa.

10. Referencias unicauca.edu.co/~carboled/Libros/Manual%20 [1] Fonseca,W.,&Sarmiento,K. “Revitalización urde%20Diseno%20Geometrico%20de%20Carbana en el eje occidente del ferrocarril tren de la reteras.pdf sabana.” Tesis de pregrado, Facultad de Arqui- [11] Lu, H. Q., & Nimbole, P. Intro to TransCAD GIS. tectura, Universidad La Gran Colombia, ColomModel Research and Development Unit Transbia, 2016. portation Planning Branch, 2002.

[2] Cáceres Vergara, M. F., & Castro Florez, D. G. [12] Informe de Gestión octubre 2018 – enero 2019 (2018). “Diagnóstico De La Avenida Circunvalar Secretaria de Infraestructura. [Online]. AvailEntre La Calle 49 Y Transversal 29 Del Municiable:https://www.barrancabermeja.gov.co/ pio De Barrancabermeja Empleando La Metoddocumento/informe-de-gesti%C3%B3n-octuología De Auditoria De Seguridad Vial”. Tesis de bre-2018-enero-2019-secretaria-de-infraestrucpregrado, Facultad de Ingenierías Físico-Mecánitura. cas, Universidad Industrial de Santander, Colom- [13] Wildermuth, B. R., Delaney, D. J., & Thompson, bia, 2018.

K. E. (1972). Effect of zone size on traffic assign[3] Parrado Ramírez, D. M. (2006). “Population, pement and trip distribution. Highway Research troleum and ordering, a complex relationship in Record, (392).

Barrancabermeja;“Journal Análisis Geográficos, [14] Hui, C. “Application Study of All-or-Nothing Journal Issue: 30, December, 2006.

Assignment Method for Determination of Logis[4] Meisel-Roca, A., Ramírez-Giraldo, M. T., Jaratic Transport Route in Urban Planning. “Computmillo-Echeverri, J., & Ramírez-Giraldo, M. T.” er Modelling & New Technologies, 18, 932-937, Muy tarde, pero rentables: Los ferrocarriles en 2014. Recuperadode:https://pdfs.semanticscholColombia durante el período 1920-1950.” Cuadar.org/70cd/61637457b19546e4978dce57eceernos de Historia Económica y Empresarial; No. f3ae23b05.pdf 34, 2014.

[15] Fillone, A. M. “Evaluating Proposed Transporta[5] Márquez, L. “El ferrocarril colombiano: 4 temas tion Infrastructure Projects in Metro Manila Usrecurrentes en la literatura.” Estudios Gerencialing the Transport Co-Benefit Analysis.” Journal es, vol. 33, no.143, 187-194, 2017. Doi:https:// of the Eastern Asia Society for Transportation doi.org/10.1016/j.estger.2017.04.003 Studies, vol. 11, pp. 189-208, 2015. Doi: https:// [6] Vasco, C. A. “Ferrocarriles colombianos, artífices doi.org/10.11175/easts.11.189 de desarrollo económico futuro de la integración nacional.” Observatorio de la Economía Latinoamericana, vol. 93, pp. 1-20, 2008.Recuperado de: https://ideas.repec.org/a/erv/observ/y2008i9311.html [7] República de Colombia, Alcaldía municipal de Barrancabermeja, 2006, PLAN PARCIAL PARA EL CORREDOR FÉRREO.Environmental Ingenieros Consultores Ltda., Barrancabermeja, Santander.[Online].Available:https://www. barrancabermeja.gov.co/sites/default/files/opendata/documento_gestion_territorial_pot.pdf [8] Facultad de Ingenierías Universidad Nacional de Colombia; Informe IV-Diagnóstico y caracterización del sistema actual de movilidad y del modelo territorial, Versión 3.0, Bogotá, Colombia, 2010.

[9] Laza Pinedo, L. M.” Evaluación de la implementación de los planes de movilidad de las ciudades en Colombia,” Tesis de Maestría, Departamento Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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“Journal of Engineering Sciences”

Original Article

DOI: https://doi.org/10.22463/2011642X.2364

A comparative study in flexure and shear design of spread footings Estudio comparativo en el diseño a flexión y cortante para zapatas corridas

MSc. Iago Freitas de Almeida1, DSc. Maurício C. B. de Noronha Campos2 , DSc. Romilde Almeida de Oliveira3 1 Doctorate Student, Universidade de Brasília, Brazil, Orcid: 0000-0002-8002-0591, Email: iago.freitas@hotmail.com / 170094511@aluno.unb.br 2 Professor, Universidade Estadual do Piauí, Brazil, Orcid: 0000-0003-4433-2798, Email: mcbncampos@gmail.com / mauriciocastelo@ctu.uespi.br 3 Professor, Universidade Católica de Pernambuco, Brazil, Orcid: 0000-0002-67869080, Email: romildealmeida@gmail.com

How to cite: I. F. Almeida, M. C. B. N. Campos & R. A. Oliveira, “A comparative study in flexure and shear design of spread footings”, Revista Ingenio, 16(1), pp.23-29,2019

Received date: 05 de julio 2018 Approval date:25 de octubre de 2018

ABSTRACT Keywords: Design, Flexure, Reinforced Concrete, Shear, Spread Footings.

The design of spread footings is a field widely explored in structural engineering being the flexure and shear design verified by the use of codes. The objective of this paper consists in a comparative study of spread footing design between the Brazilian’s code, Eurocode and American’s code. The methodology considered an analytical analysis with three different examples in the flexure and shear design of the spread footings with different loads and footing height. The results show that the American’s code presented the minimum required value of reinforcement rates in all examples and also was the only code that verified the punching and shear effect for all studied cases. In Eurocode flexure design, the results show that in the most examples, the reinforcement rate is higher than that considered by the other codes. The Brazilian code presented an inconsistency in the verification of the punching effect for one of the studied examples, requiring, therefore, a review and a modification of the code.

RESUMEN

Palabras clave: Diseño, Flexión, Concreto armado, Cortante, Zapatas corridas.

1. Introduction

El diseño de zapatas corridas es un campo ampliamente explorado en la ingeniería estructural siendo el diseño a flexión y cortante verificado por el uso de códigos. El objetivo de este trabajo consiste en un estudio comparativo del diseño de zapatas corridas entre el código brasileño, el Eurocódigo y el código americano. La metodología consideró un análisis analítico con tres ejemplos diferentes en el diseño de flexión y cortante de las zapatas corridas con diferentes cargas y altura de la zapata. Los resultados muestran que el código americano presentaba el valor mínimo requerido de tasas de refuerzo en todos los ejemplos y también era el único código que verificaba el efecto de punzonamiento y cortante en todos los casos estudiados. En el diseño a flexión de Eurocode, los resultados muestran que en la mayoría de los ejemplos, la tasa de refuerzo es más alta que la considerada por los otros códigos. El código brasileño presentaba una inconsistencia en la verificación del efecto de punzonamiento para uno de los ejemplos estudiados, requiriendo por lo tanto, una revisión y una modificación del código.

According to [1], the spread footing that is used today emerged in the middle ages with the development of gothic architecture, and consequently the individual columns. Until the 19th century, many footings were built of masonry. The evolutions of architecture, calculation methods, and materials used have resulted in tall buildings with high loads [1]. Thus, more difficult cases of footings brought greater interest in this area.

regarding their respective methodologies.

In this work, the criteria adopted in the footing design by the Brazilian code (NBR 6118 [2], 2014) is compared with the criteria of Eurocode 2 [3] (2010) and with the American code (ACI-318 [4], 2014) in order to analyze possible divergences. Differences in flexural reinforcement rates and shear strength can, therefore, result in uneconomic footings or high stresses. In this way, the Eurocode 2 [3] is considered with [5] and the Currently, in engineering footings, many tests are ACI-318 [4] is considered with [6]. carried out to improve the current calculation models.

The emergence of computational technology allowed 2. Stiffness and Design automation through numerical methods. In this way, the This section presents notions of spread footings design use of software has become a very important tool for the and stiffness for NBR 6118, Eurocode 2 and ACI 318. engineer footings. However, even with the use of computational methods, there is a need to check existing 2.1 Spread Footings Stiffness codes on the market, and they may present differences One of the classifications of great interest in footings Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, Corresponding autor E-mail ad: iago.freitas@hotmail.com (Iago Freitas de Almeida) Peer review is the responsibility of the Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña This is an articule under the license CC BY-NC (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.es)

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MSc. Iago Freitas de Almeida, DSc. Maurício C. B. de Noronha Campos , DSc. Romilde Almeida de Oliveira

design is the stiffness. The Brazilian code NBR 6118 In [5], is also reported that in the case of rectangu[2- 7- 8] classifies them as rigid and flexible footings. lar footings, the use in one direction of edges with dimensions smaller than 2h and the other direction with 2.1.1 Rigid Footings. According to NBR 6118 [2], rigid dimensions greater than 2h is frequent. In this case, the footing is defined when the footing height (h) is great- footing is considered flexible. er than 1/3 of the distance between one of the faces of the column and one of their extremity (see Figure 1) 2.2 Footing Design in both directions. The footing height (h) is given by This section presents notions in flexure and in shear deEquation (1) as: sign of spread footings.

(1)

2.2.1 Flexural Design. The methodology applied to flexure design of spread footings is considered for NBR in which, a is the footing dimension in one direction 6118, Eurocode 2 and ACI 318. and a0 is the column dimension in the same direction of a. (Figure 1.)

• Design according to NBR 6118. According to NBR 6118 [2], a rigid footing works in both directions.

Thus, for each direction, the traction stress is considered uniform in the width of the footing. In the case of compression stress, the stresses are concentrated in the column region. The rigid footings [10] have reinforcement area (As) determined by Equation (6) as: Figure 1. Spread footing model for NBR 6118 [2]. Source. [9].

In the case of Eurocode 2 [3-5], rigid footing is defined as those whose edges are less than twice the footing height (Figure 1). Thus, the definition consists of a height greater than 1/4 of the distance between the faces of the columns and their extremities in both directions.

The edge (l) and the height (h) are defined by Equations (2) and (3) as:

in which, Yf is the action-increase factor, Mk is the characteristic moment in the calculation section according to [10], d is the useful height and fyd corresponds to the design yield strength of the reinforcement.

In case of flexible footings, NBR 6118 [2] declares that the distribution of the traction stress is not uniform in the footing width. In flexure analysis, the flexible footing works in both directions and should be assessed for the concentration of flexion near the column.

The characteristic moment is calculated by the methodology of [10] for rigid and flexible footings (Figure 2).

According to [6], there is no footing classification in terms of stiffness for ACI-318 [4].

2.1.2 Flexible Footings. NBR 6118 [2] defines a flexible spread footing when the height is less than 1/3 of the distance between the faces of the columns and their extremities (see Figure 1) in both directions. The footing height (h) is defined by Equation (4) as: In Eurocode 2 [3-5], flexible spread footings is defined as those whose edge (l) is greater than twice the height. Thus, the footing height is less than 1/4 of the distance between the faces of the columns and their extremities in both directions (See Equation (5)).

Figure 2. Actuate Moment according to [10]. Source. [11].

In Figure 2, sections 1-1 and 2-2 correspond to the region of operation of the characteristic moments. These sections operate at a distance of 0.15a0 and 0.15b0 of the column.

The dimensioning of flexible footings according to NBR 6118 [2] follows the flexure model determined by tables of [12].

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A comparative study in flexure and shear design of spread footings

• Design according to Eurocode 2 Eurocode 2, [5] considers the strut-and-tie model for rigid footings. According to [5], the model requires the effective functioning of the tie over his entire length.

The reinforcement area is given by Equations (7) and (8) as:

2.2.2 Shear Design. In this section is presented the shear criteria methodology for NBR 6118, Eurocode 2 and ACI 318.

• Design according to NBR 6118 The model adopted by NBR 6118 [2] consists of checking the shear on two or more critical surfaces. The first critical surface (contour C) is on the face of the column and the diagonal compression stress of the concrete must be checked through the shear stress. The second surface (contour C’) is “2d” away from the face of the column and must be checked for resistance to diagonal in which, Td is the design force on the ties, NSd is the traction through a shear stress. The respective critical surfaces C and C’ can be seen in Figure 3. axial design force and d is the useful height.

In flexible footings design, the moment acts in section 2-2 and in section 1-1 (see Figure 2). The reinforcement areas (As) is defined by Equations (9) to (11) as:

Figure 3. Critical perimeter of internal columns. Source. [2].

In Figure 3, the contour C corresponds to the shear force analysis and the contour C’ corresponds to the punching rupture analysis.

According to NBR 6118 [2], in rigid footing, the shear acts in both directions with only the need to check the diagonal compression. In traction diagonal strength, there • Design according to ACI 318 is no need to check it, because this phenomenon does The verification of the flexural reinforcement is per- not represent a risk of rupture. Moreover, the diagonal formed in both directions due to a critical section. In compression is located inside the hypothetical punchsquared footings with rectangular columns, the critical ing cone and the diagonal traction outside it. Thus, in section is determined on the face of the column. rigid footings only the contour C should be checked.

According to [6] in square footings, the distribution of In flexible footings, the NBR 6118 [2] affirms that the reinforcement must be uniform in both directions. the effect of the shear force is verified by the diagonal In the case of rectangular footings, there is a concentracompression and the verification of the punching is pertion of the reinforcement close to the column. Thus, the formed for the diagonal traction. Therefore, the verificalculation of square and rectangular footings is detercation must be carried out on the contours C and C’. In mined by Equations (12) and (13) as: this item, NBR 6118 presents an inconsistence, since the inclination for classification as to stiffness is different from the inclination of the punching cone and there may be cases in which the footing is classified as flexible and yet is still inside the punching cone (Figure 4). where, U is the steel mechanical strength, Uc is the concrete mechanical strength, ω is the mechanical rate, fcd is the compressive strength of concrete, and b is the footing dimension (see Figure 2).

where, Md is the required moment, fyk is specified yield strength of the reinforcement, Ψ is a strength reduction factor that assumes values of 0.90, and j is a dimensionless ratio equal to 0.95.

Figure 4. Punching cone inclination and stiffness limit inclination.

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In contour C (see Figure 3), NBR-6118 [2] establishes that for an internal column with symmetrical loading, the required shear stress (τsd) must be less than or equal to the resistant stress of diagonal compression of concrete on surface C (τRd2) given by Equations (14) and (15) as:

where, FSd is the calculating force for shear and punching analysis, αv = (1 - fck / 250) with fck in MPa and u0 corresponds to the critical perimeter in contour C according to Figure 3.

The verification of punching rupture (Contour C’) is given by NBR 6118 [2] for structural elements without punching reinforcement by Equations (16) and (17).

in which, τRd1 is the diagonal traction strength of concrete on the surface C’ and ρ is the geometric rate of flexure reinforcement.

In the presence of capitals (variable height footings), NBR 6118 states that the verification of the same must occur in the contours C’1 and C’2 as indicated in Figure 5.

Figure 5. Critical perimeters in capitals. Source. [2].

In Figure 5, d is a useful height of the section for capitals applied in the C’2 contour, dc is a useful height on the face of the column; da is a useful height in the C’1 contour and lc is a distance between an edge of the capital and a face of the column.

In the design of spread footings with capitals, the value of lc must be compared to the dimensions dc and d. According to NBR 6118 [2], if lc < 2(dc - d), only the C’2 contour is verified. However, if 2(dc - d) ≤ lc ≤ 2dc, only the C’1 contour is verified. Otherwise, if lc >2dc, both contours must be checked.

• Design according to Eurocode 2: The shear rupture must be checked in two ways. The first verification is in a single direction, due to a shear force and the second verification in both directions, due to the punching effect. However, shear effect should only be analyzed on flexible footings.

In [5], the verification of the shear is made for the largest footing dimension. The shear effect is given by Equations (18) to (22) as:

in which, VSd is the calculating shear force, VRd is the ultimate shear force, σt is estimated soil stress and fcv is the virtual shear resistance, fcm is the minimum virtual shear resistance with ξ = 1 + (200 / d) 1/2 with d in millimeters.

The punching effect for [5] is considered in footings with flexion in two directions and will depend on a critical section at a distance of “2d” from the face of the column. Consequently, the critical section is similar to that adopted by NBR 6118 [2]. The punching effect is verified by Equations (23) and (24) as:

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A comparative study in flexure and shear design of spread footings

in which, τSd is the punching shear stress, fcv is calculated by Equation 21, uc is the critical perimeter [5] and FSd is calculating force for punching.

where, βc is the ratio between the largest and smallest column dimensions, um is the critical perimeter [6] givIn [6], the shear verification is for one and two direc- en as um = 2(a0 + d) + 2(b0 + d) , d is the useful height, tions. In one direction analysis, the verification is by αs is equal to 40 for a centered column. The choice of shear force effect where inclined cracks happen along the Vc is given by the minimum value of Equations (30) to (32). the footing width.

• Design according to ACI 318

The ACI 318 [4] affirms that the shear rupture in one direction is decisive in the combined and rectangular footings. The design is similar to that of flat beams and must be verified. The shear effect in one direction is given by Equations (25) to (27) as:

3. Analytical examples

Three dimensioning examples of rigid and flexible spread footings is be presented with fck =30 MPa, using the processes presented in the previous item. In the first example, the footing is rigid for NBR 6118 and Eurocode 2. In the second example, the footing is flexible for both. In the last example, the footing is flexible for NBR 6118 and rigid for Eurocode 2. Moreover, the design of ACI 318 is considered in the three examples, regardless of rigidity. In Table 1 is shown the parameters for these examples.

Table 1. Parameters for examples.

in which, VSd is the shear force between a distance d from the column surface and the footing edge (See [6]), Vc is the shear strength force with fck in kN/m², σt is the estimated soil stress, Ψ is strength reduction factor equal to 0.75 and l is the edge of the footing dimension to be analyzed.

In Table 1, each example has different loads and The two directions shear verification is for punching heights that influence the stiffness of the footings. The effects. The punching shear effect is detected by cracks width and length dimensions are shown in Figure 6. in the pyramid shape. The verification of the punching effect [6] must satisfy the Equations (28) to (30).

Figure 6. Design examples (Measurements in Centimeters).

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In Figure 6 and Table 1, it is observed that all exam- is no need to verify the shear and punching effects. ples have the same plan dimensions. The only change is However, for ACI 318, the τSd is practically equal to considered in load and footing height. maximum resistant capacity τc.

4. Results and discussion

The results of the flexion design are shown in Table 2 with ASa corresponding to the reinforcement rate for the dimension a = 270 cm and ASb corresponding to the reinforcement rate for the dimension b = 215 cm . The reinforcement values considered by the [6] model in all cases were the minimum.

In Table 2, the reinforcement areas calculated by NBR 6118 for example 01 showed differences to the Eurocode 2 with a relative error between 16 and 24%. The values of NBR 6118 when compared with the method of ACI 318 showed a relative error in the largest direction equal to 17% and in the smallest direction to 2%.

In Example 02 Table 3, the shear force considered

by Eurocode 2 and by ACI 318 corresponded to 25% (approximately) of the maximum resistance capacity of each code. However, when verifying contour C, the VSd had reached less than 15% of the maximum capacity VRd2. In punching effect, NBR 6118 was the most discerning. The stress due to diagonal traction (Contour C ’) was at the limit of the footing capacity.

Table 3. Shear design.

Table 2. Flexural design.

In Example 02, the reinforcement areas of NBR 6118 showed higher magnitudes than those of Eurocode 2. The relative error was between 20% and 22%.

However, the relative error, when compared to ACI 318, was 62%.

In Example 03, the reinforcement areas of NBR 6118 were smaller than those of Eurocode 2 with a difference between 39% and 49%. For the ACI 318, the reinforcement presented a maximum relative difference value, when compared to NBR 6118, in the smallest direction of 20%. The shear effect is shown in Table 3.

In Table 3, the Example 01 shown that for NBR 6118, the VSd corresponds to a half of the resistance capacity VRd2. In case of ACI 318, the verification is performed in the format of the requesting force represented by approximately half of the footing resistant strength.

Table 3 also shows that in Example 01, there is no punching rupture for NBR 6118. For Eurocode 2, there

(-) Do not verify.

In Table 03, the τSd for punching effect of Example 02, considered for Eurocode 2 and ACI 318 values between 37 and 39% of the resistance stress of each code, respectively.

In Example 03, the shear force of ACI 318 model reached half of the maximum capacity. In NBR 6118, the contour C presented 46% of the footing resistant capacity. However, the verification of diagonal traction has become impossible, as the flexible footing is located inside the hypothetical punching cone. In case of ACI 318, the τSd reaches the maximum punching resistance capacity.

The Example 03 also shows an inconsistency in the punching effect for NBR 6118. This inconsistence is demonstrated in Figure 7.

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A comparative study in flexure and shear design of spread footings

Figure 7. Contour C’1 for NBR 6118.

In Figure 7, the contours C’1 and C’2 are outside the footing dimensions and, therefore, there is no verification adopted by the Brazilian code. Thus, a new methodology is necessary for it.

5. Conclusion In flexural design, the reinforcement areas, in examples 01 and 03, resulted in values greater than the minimum for both NBR 6118 and Eurocode 2. However, in all cases the reinforcement rates of ACI 318 were minimal.

In Example 02, the reinforcement areas dimensioned

by NBR 6118 allowed values closer to those of Eurocode 2 than those of ACI 318. In Examples 01 and 03, the values of ACI 318 are close to those of NBR 6118 and lower than those of Eurocode 2.

The shear design was determined by the height of the footing and consisted of checking the resistance to shear and punching criteria. The criteria adopted by NBR 6118 are considered rigorous and through the examples shown it was possible to foresee inconsistency in their dimensioning. The slopes considered by it allow flexible spread footings within the hypothetical punching cone. However, for Eurocode 2 in flexible footings, the classification inclination to stiffness coincides with the inclination of the punching cone so that there is no inconsistency.

6118 – Projeto de estruturas de concreto – Procedimento. Rio de Janeiro, 2014.

[3] Eurocode 2, Design of Concrete Structures – Part 1-1: General Rules and Rules for Buildings, CEN, EN 1992-1-1, Brussels, Belgium, 2010, 255 pp.

[4] ACI Committee 318, Building Code Requirements for Structural Concrete. Michigan: American Concrete Institute, Farmington Hills, 2014.

[5] A. G. Meseguer, F. M. Cabré, and J. C. A. Portero: Jiménez Montoya – Hormigón armado. Barcelona: Editorial Gustavo Gili, SL, 15th edition, 2011.

[6] J. K. Wight: Reinforced concrete – Mechanics and design. New Jersey: Pearson Prentice Hall, 7th edition, 2016.

[7] Associação Brasileira de Normas Técnicas: NBR 6122 – Projeto e execução de fundações. Rio de Janeiro, 2019.

[8] U. R. Alonso: Exercícios de Fundações. São Paulo: Ed. Edgard Blüncher, 2013.

[9] E. L. Silva, R. D. Vanderlei, and J. S. Giongo: Concreto armado – Projeto estrutural de sapatas.

São Carlos: EESC – USP, SET 408, 2008.

[10] H. Ishitani, J. C. D. Bella, and F. P. Graziano: Estruturas de Concreto III-Disciplina PEF – 313, class notes. São Carlos: Escola Politécnica – USP, 1998.

[11] P. S. S. Bastos: Estruturas de Concreto III-Disciplina 2133 – Sapatas de Fundação, class notes.

Bauru: UNESP, 2019.

[12] L. M. Pinheiro: Fundamentos do concreto e projeto de edifícios. São Carlos: Departamento de Engenharia de Estruturas, EESC, 2007.

The verification of the shear force by NBR 6118 consists only of the analysis of the diagonal compression stress, that is, the verification of the C contour. For Eurocode 2 and for ACI 318 the verification of the shear force is performed in one of the footing dimensions.

6. References [1] E. L. Silva, “Análise dos modelos estruturais para determinação dos esforços resistentes em sapatas isoladas”. M.S. thesis, Universidade de São Paulo, São Carlos, EESC, Brazil, 1998.

[2] Associação Brasileira de Normas Técnicas: NBR Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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“Journal of Engineering Sciences”

Original Article

DOI: https://doi.org/10.22463/2011642X.2389

Desarrollo de un soldador por puntos para el laboratorio de procesos de manufactura de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Development of a spot welder for the manufacturing process laboratory of the Francisco de Paula Santander Ocaña University

MSc. Eder Norberto Flórez solano1, MSc. Edwin Edgardo Espinel Blanco2, MSc. Jhon Erickson Barbosa Jaimes 3 1El Grupo de Investigación en Ingenierías Aplicadas para la Innovación, Gestión y Desarrollo INGAP, Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, Colombia, Orcid/0000-0003-2527-0413 Email: enflorezs@ufpso.edu.co 2Grupo de Investigación en Tecnología y Desarrollo en Ingenierías GITYD, Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, Colombia, Orcid /0000-0003-4479-2874, Email: eeespinelb@ufpso.edu.co 3 Grupo de Investigación en GESTINDUSTRIALES EOCA, Universidad Nacional a Distancia, Colombia, orcid.org/0000-0001-7890-2678, Email: jhebar@hotmail.com

Como citar: E. N. Flórez, E. E. Espinel & J. E. Barbosa, “Desarrollo de un soldador por puntos para el laboratorio de procesos de manufactura de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña”, Revista Ingenio, 16 (1), pp. 30-35 , 2019 Fecha de recibido:16 de julio de 2018 Fecha aprobación:05 de noviembre de 2018

RESUMEN Palabras claves: Corriente eléctrica, Soldadura, Presión mecánica, Propiedades físicas

La soldadura por puntos es la forma que más se aplica entre la soldadura por resistencia. Esta consiste en prensar dos piezas de metal laminado entre dos electrodos de cobre, por donde pasa una corriente eléctrica con suficiente intensidad por las piezas, para dar lugar a la unión de las piezas. La soldadura por puntos pertenece al grupo de soldadura por resistencia en los cuales se genera el calor necesario para soldar, por la resistencia de las partes al paso de una corriente eléctrica. Al utilizar la presión adicional se mejora las propiedades mecánicas de la pieza. Este tipo de soldadura es el más utilizado para la unión de láminas de acero de espesores pequeños o medianos, debido a sus buenas características, localización y rapidez. En laboratorios como en los programas de ingeniería mecánica, existe una deficiencia para obtener todos los equipos, especialmente los equipos de soldadura, por su variedad de tipos de procesos, es por esta razón que este proyecto logró la construcción de un soldador por puntos, a partir de elementos ya existentes, para profundizar los procesos de soldadura en el contenido de la asignatura de forma práctica y en la investigación de estos temas específicos.

ABSTRACT

Keywords: Electric current, Welding, Mechanical pressure, Physical properties.

1. Introducción

Spot welding is the most widely applied form of resistance welding. This consists of pressing two pieces of rolled metal between two copper electrodes, through which an electric current passes with sufficient intensity through the pieces, resulting in the joining of the parts. Spot welding belongs to the resistance welding group. The heat needed to weld is generated by the resistance of the parts to the passage of an electric current. The use of additional pressure improves the mechanical properties of the part. This type of welding is the most used for joining small or medium-thickness steel sheets, due to its good characteristics, location, and speed.

In as mechanical engineering programs in laboratories, there is a deficiency in obtaining all the equipment, especially the welding equipment, due to its variety of types of processes, it is for this reason that this project managed to develop the construction of a spot welder, from existing elements, in the content of the subject in a practical way and in the investigation of these specific topics to deepen the welding processes

Los procesos de soldadura ocupan un lugar muy importante en la industria, en donde existen variedad de productos manufacturados, que necesitan de uniones soldada, desde objetos pequeños, a estructuras de gran envergadura. Los conocimientos y comprensión de los diversos procesos y sus aplicaciones proporcionarán habilidades que se pueden desarrollar en el campo de soldadura. El arte y la ciencia de unir metales existen desde hace siglos, y con ligeros cambios y mejoras en materiales, equipos y suministros, cada día se puede aprender algo nuevo a la hora de practicar un

procedimiento de soldadura [1].

El calor que resulta de la corriente que pasa a través del metal que se encuentra bajo presión por los electrodos, crea la fusión de las dos piezas de trabajo durante la soldadura de punto [1]. La soldadura por puntos es el método más usado de la soldadura por contacto, se emplea con mayor frecuencia tanto en fabricación como en reparación y se aplica en gran escala en la industria de aviación y de automóviles [1], esto debido a las ventajas que posee frente a otros sistemas de unión. Siempre que su ejecución se lleve

Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, Autor para correspondencia Correo electrónico: enflorezs@ufpso.edu.co (Eder Norberto Flórez solano) La revisión por pares es responsabilidad de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Artículo bajo la licencia CC BY-NC (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.es)

ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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MSc. Eder Norberto Flórez-solano, MSc. Edwin Edgardo Espinel-Blanco, MSc. Jhon Erickson Barbosa-Jaimes

a cabo de la manera correcta, se obtienen soldaduras de buena calidad y uniformes, que presentan una zona fundida homogénea, sin huecos o grietas. Este sistema también nos permite la unión exacta, segura y rápida de una gran variedad de tipos de materiales y formas [2]. La propuesta consiste en diseñar un soldador por puntos, el cual sea portátil y de fácil manejo, para esto, se utilizó un transformador eléctrico, cuya función es, transformar la tensión e intensidad de la corriente alterna de la red basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética, está constituido por dos bobinas de material conductor, enrolladas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente [3].

Para realizar este proyecto fue necesario utilizar un transformador elevador de voltaje. El cual produce en su estado original alrededor de 2500 volts, por medio de unos ajustes se redujo este voltaje y así elevar su amperaje, para que pueda calentar piezas de metal hasta unirlas. Tanto los cables como los electrodos que se utilizaron, se seleccionaron de un metal lo más conductivo posible, como el cobre, para minimizar las pérdidas por efecto Joule, cuantas menos uniones se establezcan en un circuito por el que va a circular una alta intensidad de corriente las prestaciones serán superiores, incrementándose su seguridad, fiabilidad y rendimiento, esto se debe a que las interrupciones añaden resistencia y por tanto pérdidas en forma de calor. Si un punto se calienta en exceso debido a una sección inadecuada o a un mal contacto existirá un alto riesgo de fallo a corto plazo, e incluso peor, un potencial incendio [3]. El desarrollo de este trabajo fue la construcción de un soldador de punto a partir de elementos existentes, los cuales se adecuaron a las necesidades del proyecto, buscando mejorar la práctica en la asignatura de procesos de manufactura y la investigación en la línea de procesos industriales.

2. Metodología Para el desarrollo de este trabajo se basó en concepto que proporcionaron la estructura sólida y otros elementos, los cuales se presentan a continuación, además sería una buena propuesta para la asignatura de procesos de manufactura del programa de ingeniera mecánica siguiendo una metodología adecuada. La soldadura por puntos pertenece al grupo de soldadura por resistencia en los cuales se genera el calor necesario para soldar, por la resistencia de las partes al paso de una corriente eléctrica. Pero además de requerir el calor para soldar, este procedimiento requiere la aplicación de presión mecánica para poder unir las partes por forjado [4]. La presión mejora la estructura de las piezas aumentando las propiedades físicas del metal [5]. Este tipo de

soldadura es el más utilizado para la unión de láminas de acero de espesores pequeños o medianos, debido a sus buenas características, localización y rapidez. La unión localizada punto a punto frente a un cordón de soldadura continuo produce un menor calentamiento de las superficies de las chapas a soldar [5]. El cual se ve en la figura 1, en donde I, es la intensidad de la corriente y P, es la carga aplicada.

Figura 1. Esquema del proceso de soldadura por resistencia. [5]

Corriente eléctrica: La corriente eléctrica es una caga en movimiento. Los portadores de carga pueden ser simplemente partículas con electrones o protones, que pueden o no asignarse a objetos mayores, átomos o moléculas, el flujo de carga eléctrica que atraviesa un material conductor durante un periodo de tiempo determinado. Esta se expresa en culombios por segundo (C/s), en el Sistema Internacional de Unidades y la unidad se conoce como Amperio (A). Para que exista corriente eléctrica debe haber circulación de electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, es decir, que estos se muevan de polo a polo de la fuente que suministra la fuerza electromotriz [6]. Este fenómeno también puede ocurrir, con variaciones, respecto a la naturaleza, por ejemplo cuando las nubes cargadas desprenden chorros de electrones que circulan por el aire y causan los rayos. Para medir bien la corriente eléctrica se utiliza la Ley de Ohm que usa intensidad, voltaje y resistencia eléctrica [1].

Corriente alterna: Se denomina como corriente alterna a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente a través del tiempo. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda sensorial puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía.

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Desarrollo de un soldador por puntos para el laboratorio de procesos de manufactura de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña

Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas, como la triangular o la cuadrada. Se diferencia de la corriente continua o directa por el cambio constante de polaridad que efectúa por cada ciclo de tiempo [7].

Transformador: Es un elemento que permite aumentar o disminuir el voltaje y la intensidad de una corriente alterna manteniendo constante la potencia.

Aunque el transformador aumente la tensión de un lado a otro (del primario al secundario) el producto del voltaje (V) por la intensidad (I), que es la potencia ecuación 1, permanece constante.

P=VX I

(1)

No hay transformadores de corriente continua, solo hay de corriente alterna [8].

Electrodos: Un electrodo es un conductor eléctrico, el cual es utilizado para soldar. En el tipo de soldadura por arco eléctrico este se utiliza como un polo del circuito generando así el arco eléctrico en su extremo.

Los electrodos son varillas las cuales están cubiertas con diferentes materiales, que varían depende al tipo de soldadura que queramos realizar o al material que deseamos unir.

corriente eléctrica, la cual es capaz de empujar las cargas eléctricas en un medio conductor entre diferentes niveles de potencia. Este concepto también es llamado en ocasiones como corriente y se puede relacionar con la presión que es ejercida en un tubo para el flujo del líquido que este contenga [10].

Maquinas eléctricas: Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica o energía eléctrica en energía mecánica.

Cuando este dispositivo se utiliza para convertir energía mecánica en energía eléctrica se denomina generador, y cuando convierte energía eléctrica en energía mecánica se llama motor. Puesto que puede convertir energía eléctrica en mecánica o viceversa, una máquina eléctrica se puede utilizar como generador o como motor. Casi todos los motores y generadores útiles convierten la energía de una a otra forma a través de la acción de campos magnéticos [11].

Campos magnéticos: Los campos magnéticos son el mecanismo fundamental para convertir la energía de una forma a otra en motores, generadores y transformadores. También se puede definir como el campo invisible que ejerce una fuerza magnética en sustancias que son sensibles al magnetismo [11].

Las máquinas de soldadura por puntos se fabrican con traslado del electrodo superior en línea curva o recta. Las máquinas de soldadura por puntos pueden ser semiautomáticas y automáticas. Además se pueden dividir en estacionarias y portátiles. Existen máquinas que sueldan simultáneamente hasta 50 puntos sin cambiar Material ferromagnético: Los materiales la posición de pieza. Estas máquinas (multipuntos) ferromagnéticos, están compuestos de hierro y sueldan más de 10000 puntos por hora, en cambio, la aleaciones con cobalto, tungsteno, níquel, aluminio y productividad por hora de instalación de monopunto no otros metales, (materiales magnéticos más comunes) y supera los 2000 puntos. La potencia de las máquinas son utilizan para el diseño y constitución de los núcleos de soldar por puntos puede ser hasta de 400 kW con de los transformadores y maquinas eléctricas. En un una densidad de corriente no menor de 80 A/mm2 y transformador se usa para maximizar el acoplamiento una tensión secundaria de 1 a 12 V. La presión sobre entre los devanados primarios y secundarios, así como los electrodos se efectúa por un mecanismo especial, para disminuir la corriente de excitación necesaria el cual puede ser de pedal, hidráulico y neumático. La para la operación del transformador; y en las maquinas magnitud de la presión sobre los electrodos depende eléctricas se usan los materiales ferromagnéticos para de la composición química del material y de su dar forma a los campos magnéticos, de modo que se espesor y es de 2 a 15 kg/mm2 [12]. Seguidamente, se logren hacer máximas las características de producción presenta la geometría de la maquina la cual se realizó de par [9]. en SolidWorks después de varios diseños y dibujos teniendo encueta referencias antes mencionadas, por tal Voltaje: Denominada también como la tensión motivo se tomó esta como la mejor opción (Figura 2), eléctrica o diferencia de potencial, es una magnitud donde se muestra el plano del máquina. física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado.

Interruptor: Son dispositivos eléctricos los cuales realizan funciones de prender y apagar en un mando. Su funcionamiento consiste en dejar pasar o no la corriente en un circuito eléctrico [5].

Amperaje: Es la fuerza o potencia que tiene la Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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Figura 5. Caja donde estará el transformador en la máquina de soldadura por puntos, vista superior.

Figura 2. Plano con medidas de la máquina de soldadura por puntos, medidas en milímetros.

Luego, se creó la base del soporte del brazo de la soldadura por punto y su transformador (Figura 6) y la pinza de presión para el contacto (Figura 7.)

Luego, se identificó las partes que conforman el transformador seleccionado para poder retirar el embobinado que se usó para el proyecto, Este consta de dos embobinados uno grueso y otro delgado, en nuestro caso necesitamos el embobinado primario. Como se ve en la figura 3.

Figura 6. Máquina de soldadura por puntos, vista lateral izquierda.

Figura 3. Bobina gruesa.

Previamente se utilizó los conceptos para el cálculo del equipo en donde se procedió a definir la geometría de los elementos para su construcción, en este caso se utilizó la herramienta SolidWorks nuevamente, en primer lugar, se trabajó en la caja donde está el transformador (Figura 4 y Figura 5), para su protección.

Figura 7. Pinzas de la máquina de soldadura por puntos, vista lateral.

Seguidamente, se realizó el desarrollo de los elementos que conforman el soldador. En donde, se cortó el tubo de acero con la longitud dadas en el plano figura 2, para el cual se soldó la base superior e inferior por medio de soldadura por arco eléctrico, con electrodos E 6013[13]. La base inferior consta de cuatro secciones de ángulo en acero de perfil en L, para que la carga quede bien distribuida y la parte superior, todo en lámina de 4 milímetros, en la cual se colocó el transformador y las pinzas del soldador. Como se ve en la figura 4 y 5.

Figura 4. Caja donde estará el transformador en la máquina de soldadura por puntos, vista lateral derecha.

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Desarrollo de un soldador por puntos para el laboratorio de procesos de manufactura de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña

Finalmente, después de tener la base, se continua con la construcción de las pinzas, las cuales están hechas de varilla cuadrada de 1.7 mm, para no tener problemas en la ubicación de los electrodos y el cable por donde se va a transmitir la energía. En el extremo de estas pinzas se debe soldar una base en la cual se ubicó los electrodos(Figura 8), esta se encuentra hecha por arandelas metálicas (Figura 9) y una sección de tubo cuadrada donde irán ubicados 4 tornillos los cuales sujetan los electrodos gracias a unas abrazaderas de cobre las cuales unen el cable coaxial número 14 con los electrodos.

esta fue realizada con lámina de acero 1020. Entre el transformador y la base superior se utilizó una pieza de un polímero como aislante. Por último, se presenta el equipo totalmente construido (Figura 10).

Figura 8. Varilla de cobre solido de 8mm.

Figura 10. Máquina de soldadura por puntos, terminada.

3. Resultados Por último, se muestra el montaje completo de la máquina, a la cual se le realizaron ajustes para mejorar su funcionamiento, esos ajustes se realizaron en el embobinado del transformador, en el resorte donde están las pinzas y otros de menor importancia Además, se presentó un documento completo del funcionamiento y operación (Figura 11), se demostró que se puede soldar láminas que suman en su espesor 5 mm (Figura 12).

Figura 9. Abrazaderas de una pulgada (2.54mm).

Para los electrodos se utilizó varilla de cobre de 8mm, las cuales tienen forma de cono en su extremo conseguida por el mecanizado gracias a un torno mecánico. Para ejercer la fuerza que se aplicara para unir los electrodos se hizo un pedal en varilla corrugada la cual está conectada a la pinza superior por medio de una platina de acero SAE 1045 [14] y a la base inferior del soldador por un resorte el cual ayuda a que las pinzas vuelvan a recobrar la posición inicial. Para que el soldador tenga mejor apariencia se realizó una caja para ocultar el circuito que tiene el transformador,

Figura 11. Máquina de soldadura por puntos, operando.

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Figura 12. Elementos soldados.

4. Discusiones Para este trabajo se tuvo en cuenta los parámetros para la construcción del soldador por puntos, partiendo de un transformador ya construido el cual se le retiraron bobinas que no fueron útiles para el sistema, pero posteriormente se le realizaron ajustes a la bobina para que realizara el trabajo deseado, y al resorte de las pinzas para que realizara la presión deseada, en este momento se entiende que se debe realizar ajustes en operación así se tengan cálculos previos.

5. Conclusiones Para este trabajo se determinó que el transformador es una máquina eléctrica la cual transforma energía eléctrica de un nivel de voltaje a otro de acuerdo al cálculo del número de vueltas se generara un trabajo más o menos dependiendo de las decisiones tomadas, por tal motivo fue muy importante para este proyecto partir de elemento reutilizables, ajustarlos al sistema deseado y generar menor costo en a la construcción del equipo.

El tipo de soldadura por punto, consiste en llevar muy cerca al punto de fusión la piezas a unir de estas, por medio del cortocircuito que se genera al entrar en contacto con los electrodos con las piezas, calentándolas hasta crear el punto de soldadura, para este caso se logró soldar un espesor entre las dos piezas hasta de 5mm, el cual se tenía como cálculo inicial de 2.5 mm de espesor total. La soldadura por puntos es de mucha importancia en la industria, por tal motivo este equipo traerá para el programa de ingeniería mecánica y la línea de investigación avances en esta área.

6. Agradecimientos Para los autores es importante agradecer a la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña por el préstamo de las instalaciones, al profesor José Humberto Arévalo coordinador del taller Máquinas y Herramientas.

nologia de los metales. Moscu: Mir Moscú.1985 [3] J. Avares,”Soldadora eléctrica mediante materiales de reciclado: cálculo de transformadores y diseño básico,” Universidad Carlos III, Madrid, España, January-2010.Recuperado de: https:// www.researchgate.net/publication/50280786_ Soldadora_electrica_mediante_materiales_de_ reciclado_calculo_de_transformadores_y_diseno_basico [4] K. Quintana and R. Falla, “Comportamiento mecánico de soldaduras de punto por fricciónagitación de la aleacion de aluminio 6063t5,” LatinAm. Metal. Mater. vol. 33 no. 2, pp. 192-199, dic. 2013.Recuperado de: http:// ve.scielo.org/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0255-69522013000200004 [5] A. Rozas. “Informe de Soldadura por puntos.”

España: Universidad técnica federico Santamaria. 2018 [6] E. Pursell. Electricidad y magnetismos. Mexico: McGrawHill, 2005.

[7] J. Álvarez, (2015, Sep 10). Así funciona. [Online].

Available:http://www.asifunciona.com/ electrotecnia/ke_corriente_electrica/ke_corriente_electrica_1.htm [8] Ramirez, N. Maquinas de Corriente Alterna.Brasil: AbeBooks. 2014 [9] Boletín tecnologico. (2011, nov 3). TECNOLOGIA. [Online]. Available: https://www.areatecnologia.com/herramientas/ [10] N. Reverté. Circuitos Magnéticos y Transformadores. Buenos Aires: M.I.T.1981 [11] A. Colmenar & J. Hernández. Electricidad: Fundamentos y problemas de electrostática,Ed. Grupo Editorial Ra-Ma, 2012.

[12] S. J. Chapman. Máquinas electricas. Mexico: McGrawHill, 2012.

[13] E. Enriques and G. niebles, “Procedimientos de Soldadura y Calificación de Soldadores: una Propuesta de Enseñanza y Guía de Aplicación para la Industria,” Inf. tecnol. vol. 20, pp. 19-30, 2009.

Recuperado de: https://scielo.conicyt.cl/pdf/infotec/v20n3/art04.pdf [14] H. Zhang and Y. Hou, “Assessment of the quality of resistance spot welding using the time-varying inductive reactance signal,” Measurement Science and Technology, vol. 209, no 5,pp. 46-51, Marzo 2018. Recuperado de: https://iopscience. iop.org/article/10.1088/1361-6501/aaa830

7. Referencias [1] L.Jeffus, Soldadura Principios y aplicaciones.

España: Ediciones Nobel, S.A.2009 [2] Y Shuvalov, A. Malishev and N. Nikolaiev. TecRevista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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“Journal of Engineering Sciences”

Original Article

DOI: https://doi.org/10.22463/2011642X.2384

Influence of high ethane content on natural gas ignition Influencia del alto contenido de etano en la ignición del gas natural

MSc. Hernando Alexander Yepes Tumay1, MSc. Arley Cardona Vargas2 1 Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Francisco de Paula Santander - Ocaña, Ocaña-Colombia, https://orcid.org/0000-0001-9399-5673, Email: hayepest@ufpso.edu.co.

2 Grupo de Investigación MATyER, Instituto Tecnológico Metropolitano, Colombia, https://orcid.org/0000-0002-3051-9335, Email: arleycardona5670@correo.itm.edu.co

How to cite: H. Yepes & A. Cardona, “Influence of high ethane content on natural gas ignition”, Revista Ingenio, 16(1), pp.36-42, 2019.

Received date: 01 de agosto de 2018 Approval date:16 de noviembre de 2018

ABSTRACT Keywords: Ethane, Ignition delay time, Ignition regime, Natural gas.

The effect of ethane on combustion and natural gas autoignition was studied in the present paper. Two fuel mixture of natural gas with high ethane content were considered, 75% CH4 – 25% C2H6 (mixture 1), and 50% CH4 – 50% C2H6 (mixture 2). Natural gas combustion incidence was analyzed through the calculation of energy properties and the ignition delay time numerical calculations along with an ignition mode analysis. Specifically, the strong ignition limit was calculated to determine the effect of ethane on natural gas autoignition. According to the results, ignition delay time decreases for both mixtures in comparison with pure methane. The strong ignition limit shifts to lower temperatures when ethane is present in natural gas chemical composition.

RESUMEN:

Palabras claves: Etano, Tiempo de retraso a la ignición, Régimen de Ignición, Gas Natural.

En el presente artículo se estudió el efecto del etano sobre la combustión y la autoignición del gas natural. Se evaluaron dos mezclas con alto contenido de etano, 75% CH4 – 25% C2H6 (mezcla 1) y 50% CH4 – 50% C2H6 (mezcla 2). La incidencia en la combustión del gas natural fue analizada mediante el cálculo de las propiedades energéticas del combustible y los cálculos numéricos del tiempo de retraso a la ignición junto con el análisis del modo de ignición. Específicamente el límite de ignición fuerte fue calculado para determinar el efecto del etano en la autoignición del gas natural. De acuerdo con los resultados encontrados, el tiempo de retraso a la ignición disminuye para ambas mezclas estudiadas en comparación del metano puro. El límite de ignición fuerte se mueve hacia temperaturas menores cuando hay etano en la composición química del gas natural.

component of these fuels [5-6].

The augmentation of natural gas consumption between 2008 and 2016 was 16.36%, exceeding widely the oil According to the expose above, it is evident that C2H6 and coal growth that was 9.87% and 5.77%, respectively. is one of the principal components of both conventional The different issues of alternative energies in some and unconventional natural gas. Therefore, it can be countries also contributes to this behavior [1-2]. that most affect the combustion process.

1. Introduction

QSAlthough in many cases, the composition of natural gas is principally CH4, the extraction from the different wells produces that the chemical composition varies considerably and the amount of higher hydrocarbons like C2H6 and C3H8 takes important values. The volume fraction of these fuels in the natural gas composition can varies between 0.5% - 13.3% and 0 - 23.7%, respectively [3]. In other cases, the variability is less, but still relevant to the amount of C2H6 varies from 4.8% to 14.33% in volume, and C3H8 achieves values of 6.24% [4]. By this variability, in most cases, the liquefied natural gas typically contains a higher content of C2H6 than traditional natural gas. In this way, higher hydrocarbons’ content can reach 50% of the composition in some cases, being C2H6, the principal

The variations in the chemical composition of natural gas can impact the generation of emissions along with the performance in combustion devices due to the changes in the fuel properties and the chemical kinetics [7-8]. In this sense, the ignition delay is one of the fundamental properties in the performance of internal combustion engines and gas turbines; it is used to predict and avoid undesirable phenomena like knocking in engines and pre-ignition in turbines. It can also be used as a security factor in thermal device design [9-10]. Due to the importance of these properties, some studies about the effect of natural gas’s chemical composition have been carried out in the last years [1112]. However, the amount of C2H6 in natural gas is below 20% (in vol.) in these studies.

Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN Corresponding autor E-mail ad: hernando. hayepest@ufpso.edu.co (Hernando Alexander Yepes Tumay) Peer review is the responsibility of the Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña This is an articule under the license CC BY-NC (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.es)

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Considering the aspects mentioned above, this paper addresses natural gas ignition with high C2H6 content in its chemical composition. A numerical study of the changes in ignition delay with the C2H6 volume fraction was carried out. Finally, the effect of the amount of C2H6 on the ignition type was established by means of the determination of the strong ignition limit at different conditions of pressure and temperature. No study was found in the literature that had covered such a thorough range of conditions, data type, mixture composition, and detailed kinetics modeling for methane/ethane blends, as presented in this paper.

2. Methane/Ethane Blends The selected fuel mixture for natural gas established from the composition reported in the literature [1314]. Table 1 shows the chemical composition of representative mixtures on a volume basis. M0 and M3 correspond to pure fuels, CH4 and C2H6, respectively.

The calculations were carried out over a range from lean to rich conditions for all mixtures; the equivalence ratio was varied from 0.8 to 1.4 and was conducted at atmospheric conditions at 1550 m.a.s.l, namely a pressure of 0.84 atm and a temperature of 295 K for the case of adiabatic flame temperature (Tad).

GRI-Mech 3.0 [18] mechanism with 325 reactions and 53 species.

These mechanisms were selected to carry out the numerical calculations of ignition delay times due to the good results found in other studies. Furthermore, Diamantis et al. [19] conducted a kinetic study of the reactions supporting or opposing explosive modes for a homogenous mixture of methane/air using the GRI-Mech 3.0 mechanism [18]. Finally, Hu et al. [20] obtained that San Diego Mech [17] can give good agreement with experimental data for ignition delay times of ethane.

3.2 Strong Ignition Limit In order to determine the effect of C2H6 on natural gas ignition mode, the strong ignition limit was determined for various conditions of pressure (1 – 42 atm) and temperature (850 – 1500K), using the Sankaran criteria in the form defined by Mansfield and Wooldridge [21]. The criteria allow distinguishing between strong ignition and mixed or weak ignition through comparing the thermal sensibility (dτ/dT) and the inverse of the product between laminar burning velocity (SL) and the temperature gradient (dT/dx) using equation (1).

Table 1. Fuel mixture compositions.

According to the criteria, if the inequality is correct for a specific condition of temperature and pressure, a strong ignition occurs; conversely, when the inequality is false, the mixed or weak ignition occurs.

The ignition delay time (τ) and the ignition To determine the thermal sensibility, two expressions mode analysis were performed for all mixtures for were used, proposed by Zeng et al. [22] for the CH4 stoichiometric conditions. (equation (2)) and proposed by Kuppa et al. [23] for CH4/C2H6 mixtures, see equation (3).

3. Numerical Methodology Detailed chemical kinetic simulations were performed based on the combustion mechanisms of hydrocarbons.

The numerical models used to calculate the energy properties, Tad and the ignition delay time, were subroutines of EQUIL and SENKIN Software Chemkin 19.0 [15-16]. To improve the ignition delay time calculation, the maximum time step was fixed at the total simulation time divided by 100 and the time In both equations T is the temperature, whereas in interval for saving data divided by 400. equation (2), R is the gas constant and in equation (3) d is a regression constant, and HC is the C and H ratio in 3.1 Detailed Reaction Mechanism the fuel mixture, defined by Kuppa et al. as[23]: The detailed kinetic reaction mechanisms were selected from the results exposed in other studies in predicting SL for methane and ethane separately. Two mechanisms were selected to perform the calculations, San Diego [17] mechanism with 235 reactions and 50 species and Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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Where X is the volume fraction of the component increased 8% and 15%, respectively. in the natural gas fuel mixture. The values of τ in Table 2. Energy volumetric properties. equations (2) and (3) were calculated using Chemkin 19.0, as was mentioned above. According to the results of Mansfield and Wooldridge [21], the value of the thermal gradient was established in 5 K/mm. SL values were calculated by the mean of two methodologies, for pressures between 1 to 10 atm and temperatures from 850 to 1000 K, the premix routine was used according to the procedure described by Burbano et al. [24], and a correlation was used for the highest pressures and temperatures. The correlation form for all fuel is described in equation (5)

Where Tu and Pu are the temperature and pressure at unburned conditions, T0 and P0 are the temperature and pressure at reference conditions, and α y β are constants.

The values for the constants α and β for CH4 are 2.5 and -0.26, respectively [25-26]. In the case of CH4/C2H6 mixtures, the methodology to calculate the constants proposed by Kuppa et al. [27] was applied. Reference conditions of 300 K and 1 atm were used for SL0 for all the studied fuels

On the other hand, the Tad for different equivalence ratios of M2, at ambient temperature and pressure, is shown in Figure 1. The adiabatic flame for all mixtures was simulated using GRI-Mech 3.0 and San Diego mechanisms. As can be seen in Figure 1, Tad predictions by two mechanisms are very similar.

4. Results and Discussion 4.1 Fuel Properties Table 2 shows some combustion properties calculated in volumetric terms, for the methane, ethane, and methane-ethane blends. Among the fuel properties considered when qualifying a fuel for a combustion system are the stoichiometric air volume(Va), the lower (LHV) and higher (HHV) heating values, and the Wobbe index (Wo). For the mixtures, Wo was calculated using equation (6).

Figure 1. Tad at Pi = 0.84 atm and Ti = 295 K.

The GRI-Mech 3.0 and San Diego mechanisms’ differences do not exceed 1% for all equivalence ratios.

The behavior is the same for all the gases of this study; Where Xi is the volume fraction and di is the specific for visualization reasons, the results of M2 are only density of the i component. The addition of ethane to shown. methane in 25% and 50% volumetric proportions increased the LHV by 20% and 40%, respectively. It The effect of ethane addition on the Tad can be increased the HHV by 19% and 38%, respectively, due seen in Figure 2. At = 1, the Tad was 2218.69 K for to ethane’s higher heat of reaction. methane, 2232.15 K for M1, 2241.16 K for M2, and 2253.28 K for ethane. Ethane had a higher temperature Despite the higher specific density of ethane, this with respect to the other gases. fuel’s addition increased the Wo due to the higher HHV. Similarly, when ethane was added to methane in 25% In general, the results show that the Tads of the and 50% volumetric proportions, the Wobbe index mixtures and pure gases were very comparable.

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However, Figure 2 shows that the maximum Tad for ethane was near = 1.1, and the maximum Tad for methane was near to = 1. Simultaneously, mixtures 1 and 2 behaved more similarly to ethane, exhibiting the ethane’s high reactivity with respect to methane. Higher Tad values increase the burning velocity because the mixtures increased reactivity; this effect is analyzed in the following sections.

Figure 3. Ignition delay time all mixtures at Ti = 295 K, and = 1.0. a) Pi = 1 atm, b) Pi = 5 atm.

Figure 2. Tad at Pi = 0.84 atm and Ti = 295 K

4.2 Ignition delay time A database of ignition delay times was obtained for the studied mixtures, methane and ethane ϕ=1.0. The ignition delay time was estimated using the Chemkin 19.0 and GRI-Mech 3.0 mechanism; the results are shown in Figure 3 and Figure 4. The results showed that the ignition delay time is higher for the ethane than the two blends. An important result is observed when the ignition delay times for pressures of 1 atm and 5 atm are compared; in general, the ignition delay time at 5 atm has lower value respect to the one at 1 atm.

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5 shows the experimental results (symbols) and the strong ignition limit (dashed line) calculated in the present work.

Figure 4. Ignition delay time all mixtures at Ti = 295 K, and 1.0. a) Pi = 10 atm, b) Pi = 42 atm.

=

As is expected, the ignition delay time decreases when C2H6 is added to natural gas composition due to the higher LHV of the mixture compared with pure CH4. The energy released during pre-ignition reactions increases with the amount of C2H6 in the mixture. It promotes the formation of radicals that accelerated the reaction, therefore the ignition of the fuel mixture.

However, the ignition delay time of pure C2H6 is higher than the mixtures, which suggest that the decrease in this parameter is not only by the thermal effect and the chemical kinetic have an important role in the behavior, especially at lower temperatures. The detailed kinetic analysis is beyond the scope of this work and is considered for future study.

4.3 Strong ignition limit In order to establish the effect of the C2H6 content in the natural gas on the auto-ignition modes under different pressure and temperature conditions, the strong ignition limit was calculated. This limit separates the ignition modes in two groups, the strong ignition where behavior is considered spatially uniform as a detonation wave, and mixed or weak ignition where the ignition is an inhomogeneous process with localized reaction sites and a deflagration process takes place [21].

Figure 5. Ignition regimes for CH4. Experimental data are results from Huang et al. [28]

As can be seen, the calculated strong ignition limit is according to the experimental data and delimits in an adequate form of the division between the types of ignition. The adequate delimitation of the ignition regimes made by the calculated strong ignition limit, confirms the suitability of the adopted methodology applied to the fuels with C2H6. Figure 6 shows the strong ignition limit for the CH4 and mixtures 1 and 2.

As can be expected, the strong ignition limit moves to lower temperature values as the pressure increases for all the studied fuels. This behavior is according to what is reported in the literature for other fuel mixtures [2128]. As it was shown by Burrell et al. [29], SL decreases when pressure increases, and for high values, the reduction is more critical; this drop in SL generates that the local flame front of a hot spot travels more slowly to the unburned mixture, allowing that the unburned mixture starts the auto-ignition process.

The methodology used to calculate the strong ignition limit was validated with the experimental data of Huang et al. [28] for the case of pure CH4. Figure Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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For relatively low pressures (less of 5 atm), the strong ignition limit of the mixtures tends to change, and the limit for M2 takes place at a lower temperature compared to M1.

5. Conclusion Analysis of ethane content on combustion properties and auto-ignition of natural gas was performed by determining ignition delay and strong ignition limit for methane, ethane and two mixtures of natural gas.

Numerical calculations of some properties were also performed with different reaction mechanisms.

Analysis of the obtained results leads to the following conclusions: • The higher content of C2H6 in the chemical composition of natural gas increases the Wobbe index due to the higher LHV of this fuel.

• Natural gas with high C2H6 content has a lower ignition delay time in comparison with pure CH4. Therefore, it would be necessary to modify combustion devices when this type of fuel is used to reduce the damage probability.

• The presence of C2H6 in the chemical composition of natural gas has an important role in the types of ignition of the fuel mixture. The strong Figure 6. Strong ignition limit for all the fuel mixtures. ignition limit shifts to lower temperatures when C2H6 is present due to the higher energy density According to the results shown in Figure 6, the in comparison to CH4. addition of C2H6 in the fuel mixture generates a shift in the strong ignition limit to lower temperatures; therefore, 6. References the strong ignition zone is broader in comparison with [1] J. Chen, J. Yu, B. Ai, M. Song, and W. Hou, “DeCH4. This fact is associated with the increase in the terminants of global natural gas consumption and Wobbe index when C2H6 is added; the energy per import–export flows,” Energy Econ., Jul. 2018. volume unit increases, which allows a higher energy [2] S. Faramawy, T. Zaki, and A. A.-E. A. E. Sakr, release in the ignition process. The highest amount of “Natural gas origin, composition, and processreleased energy produces lower ignition delay times ing: A review,” J. Nat. Gas Sci. Eng., vol. 34, pp. for the mixtures, as can be seen in the previous section, 34–54, Aug. 2016. allowing a more homogeneous ignition.

[3] R. Amirante, E. Distaso, P. Tamburrano, and R. However, it does not exist a monotonous behavior with D. Reitz, “Laminar flame speed correlations for the increase of C2H6 volume fraction in the fuel, since methane, ethane, propane and their mixtures, and for M1 the strong ignition limit is achieved at lower natural gas and gasoline for spark-ignition engine temperatures with respect to M2, despite in the former simulations,” Int. J. Engine Res., vol. 18, no. 9, the C2H6 volume fraction is half of the one for M2. pp. 951–970, Jul. 2017.

This trend can be associated with two aspects. The [4] J. P. L. Santos, A. K. C. Lima Lobato, C. Moraes, first is due to C2H6 is a more complex molecule, and and L. C. L. Santos, “Determination of elementherefore when the concentration is higher, it takes more tal sulfur deposition rates for different natural time to start with the ignition. The results of the ignition gas compositions,” J. Pet. Sci. Eng., vol. 135, pp. delay time in the previous section confirm that fact. The 461–465, Nov. 2015. second aspect is related to the higher SL values when [5] A. Zucca, A. Forte, N. Giannini, C. Romano, and the C2H6 volume fraction is higher, which allows that R. Modi, “Enlarging Fuel Flexibility for Frame deflagration takes place and can achieve the unburned 5 DLN: Combustor Operability and Emissions mixture before it ignites, allowing an inhomogeneous With High C2+ Content,” in ASME Turbo Expo ignition.

2015: Turbine Technical Conference and ExposiRevista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

48

Influence of high ethane content on natural gas ignition

tion, 2015, p. V04BT04A016-V04BT04A016.

J. Runyon, “Runyon, Jon. Gas turbine fuel flexibility: pressurized swirl flame stability, thermoacoustics, and emissions,” Cardiff University, 2017.

[7] Z. Chen, C. Qin, and P. Duan, “Lifted flame property and interchangeability of natural gas on partially premixed gas burners,” Case Stud. Therm.

Eng., vol. 12, pp. 333–339, Sep. 2018.

[8] M. S. Cellek and A. Pınarbaşı, “Investigations on performance and emission characteristics of an industrial low swirl burner while burning natural gas, methane, hydrogen-enriched natural gas and hydrogen as fuels,” Int. J. Hydrogen Energy, vol.

43, no. 2, pp. 1194–1207, Jan. 2018.

[9] J. de Vries and E. L. Petersen, “Autoignition of methane-based fuel blends under gas turbine conditions,” Proc. Combust. Inst., vol. 31, no. 2, pp. 3163–3171, Jan. 2007.

[10] X. Zhen et al., “The engine knock analysis--An overview,” Appl. Energy, vol. 92, no. 0, pp. 628– 636, 2012.

[11] J. Lundgren et al., “Methanol production from steel-work off-gases and biomass based synthesis gas,” Appl. Energy, vol. 112, pp. 431–439, 2013.

[12] P. Dirrenberger et al., “Measurements of Laminar Flame Velocity for Components of Natural Gas,” Energy & Fuels, vol. 25, no. 9, pp. 3875–3884, Sep. 2011.

[13] W. Lowry et al., “Laminar Flame Speed Measurements and Modeling of Pure Alkanes and Alkane Blends at Elevated Pressures,” J. Eng. Gas Turbines Power, vol. 133, no. 9, p. 091501, 2011.

[14] G. Bourque et al., “Ignition and Flame Speed Kinetics of Two Natural Gas Blends With High Levels of Heavier Hydrocarbons,” J. Eng. Gas Turbines Power, vol. 132, no. 2, p. 21504, 2009.

[15] J. J. Hernández, M. Lapuerta, and J. Sanz-Argent, “Autoignition prediction capability of the Livengood–Wu correlation applied to fuels of commercial interest,” Int. J. Engine Res., vol. 15, no. 7, pp. 817–829, Feb. 2014.

[16] F. Deng, Y. Pan, W. Sun, F. Yang, Y. Zhang, and Z. Huang, “An ignition delay time and chemical kinetic study of ethane sensitized by nitrogen dioxide,” Fuel, vol. 207, pp. 389–401, Nov. 2017.

[17] UCSD, “Chemical-Kinetic Mechanisms for Combustion Applications,” 2014. [Online].

Available: http://web.eng.ucsd.edu/mae/groups/ combustion/mechanism.html.

[18] “Smith, G. P., Golden, D. M., Frenklach, M., Moriarty, N. W., Eiteneer, B., Goldenberg, M., Bowman, C. T., Hanson, R. K., Song, S., Gardiner, W. C., Jr., Lissianski, V. V., and Qin, Z., http://www.

[6]

me.berkeley.edu/gri_mech/.”

[19] D. J. Diamantis, D. C. Kyritsis, and D. A. Goussis, “The reactions supporting or opposing the development of explosive modes: Auto-ignition of a homogeneous methane/air mixture,” Proc.

Combust. Inst., vol. 35, no. 1, pp. 267–274, 2015.

[20] E. Hu, Y. Chen, Z. Zhang, X. Li, Y. Cheng, and Z. Huang, “Experimental Study on Ethane Ignition Delay Times and Evaluation of Chemical Kinetic Models,” Energy &amp; Fuels, vol. 29, no. 7, pp.

4557–4566, Jun. 2015.

[21] A. B. Mansfield and M. S. Wooldridge, “High-pressure low-temperature ignition behavior of syngas mixtures,” Combust. Flame, vol.

161, no. 9, pp. 2242–2251, Sep. 2014.

[22] W. Zeng, H. Ma, Y. Liang, and E. Hu, “Experimental and modeling study on effects of N2 and CO2 on ignition characteristics of methane/air mixture,” J. Adv. Res., vol. 6, no. 2, pp. 189–201, Mar. 2015.

[23] K. Kuppa, A. Goldmann, and F. Dinkelacker, “Predicting ignition delay times of C1-C3 alkanes/hydrogen blends at gas engine conditions,” Fuel, vol. 222, pp. 859–869, Jun. 2018.

[24] H. J. Burbano, J. Pareja, and A. A. Amell, “Laminar burning velocities and flame stability analysis of H2/CO/air mixtures with dilution of N2 and CO2,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 36, no. 4, pp.

3232–3242, 2011.

[25] P. X. Bose, S. P. Sharma, and S. Mitra, “Laminar burning velocity of methane-air mixture in the presence of a diluent,” in International Symposium on Transport Phenomena in Thermal Engineering, 1993, pp. 95–100.

[26] M. Mitu, V. Giurcan, D. Razus, and D. Oancea, “Inert gas influence on the laminar burning velocity of methane-air mixtures,” J. Hazard. Mater., vol. 321, pp. 440–448, Jan. 2017.

[27] K. Kuppa, A. Goldmann, T. Schöffler, and F. Dinkelacker, “Laminar flame properties of C1-C3 alkanes/hydrogen blends at gas engine conditions,” Fuel, vol. 224, pp. 32–46, Jul. 2018.

[28] J. Huang, P. G. Hill, W. K. Bushe, and S. R. Munshi, “Shock-tube study of methane ignition under engine-relevant conditions: experiments and modeling,” Combust. Flame, vol. 136, no. 1–2, pp. 25–42, Jan. 2004.

[29] R. R. Burrell, D. J. Lee, and F. N. Egolfopoulos, “Propagation and extinction of subatmospheric counterflow methane flames,” Combust. Flame, vol. 195, pp. 117–127, Sep. 2018.

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Original Article

DOI: https://doi.org/10.22463/2011642X.2387

Efectos de los parámetros de electrospinning en las propiedades mecánicas y morfológicas de membranas compuestas de PCL-TrGO Effects of electrospinning parameters on mechanical and morphological properties of composite PCL-TrGO membranes

MSc. Estefanía Correa Muñoz1, Msc. Omar Darío Gutiérrez Flórez 2, PhD. María Elena Moncada Acevedo3 1Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile, Chile, https://orcid.org/0000-0002-6033-0170, ecorrea@ing.uchile.cl 2Grupo de Investigación Química Básica, Aplicada y Ambiente – ALQUIMIA, Instituto Tecnológico Metropolitano, Colombia, https://orcid.org/0000-0003-2955-6224, omargutierrez@itm.edu.co 3Grupo de Investigación en Materiales Avanzados y Energía - MATyER, Instituto Tecnológico Metropolitano, Colombia, https://orcid.org/0000-0002-7333-7582, mariamoncada@itm.edu.co

Como citar: E. Correa, O. D. Gutiérrez & M. E. Moncada, “Efectos de los parámetros de electrospinning en las propiedades mecánicas y morfológicas de membranas compuestas de PCL-TrGO”, Revista Ingenio, 16 (1), pp.43-49, 2019.

Fecha de recibido:16 de agosto de 2018 Fecha aprobación:12 de noviembre de 2018

RESUMEN: Palabras claves: Electrospinnig, fibras, nanocompuestos, óxido de grafeno reducido térmicamente, propiedades mecánicas.

En el presente trabajo se estudió los efectos de los parámetros de electrohilado sobre las propiedades morfológicas y mecánicas de membranas de policaprolactona (PCL) con óxido de grafeno reducido térmicamente (TrGO). TrGO se obtuvo a través del método de Hummers modificado. Para preparar las soluciones se usaron PCL, TrGO y acetona. La relación polímero - acetona fue del 10% p/v y la relación de polímero - TrGO fue del 1% p/p. Las membranas se prepararon bajo los siguientes parámetros: flujo (3 ml/hl y 6 ml/h), voltaje (10 kV y 15 kV) y distancia del colector a la punta (10 cm y 15 cm). La morfología de las muestras se observó mediante un Microscopio Electrónico de Barrido y un Microscopio Óptico, y los ensayos de tracción se realizaron con una Máquina Universal.

La presencia de cuentas fue evidente en las muestras con un flujo de 3 ml/h, esto afectó las propiedades mecánicas de las membranas.

Los diámetros más grandes se obtuvieron para muestras con un flujo de 6 ml/h. Se observó un efecto negativo sobre el esfuerzo final para las membranas obtenidas con una distancia de 15 cm. Fibras secas antes de llegar al colector pueden ser la causa.

ABSTRACT:

Keywords: Electrospinnig, fibers, nanocomposites, thermally reduced graphene oxide, mechanical properties.

The present work studies the effects of the electrospinning parameters on the morphological and mechanical properties of composite polycaprolactone (PCL)-thermally reduced graphene oxide (TrGO) membranes. TrGO was obtained by the modified Hummers method. PCL, TrGO and acetone were used to prepare the solutions. The polymer - acetone ratio was 10% w/v and the TrGOpolymer ratio was 1% w/w. The membranes were prepared under the following parameters: flow rate (3 ml/h and 6 ml/h), voltage (10 kV and 15kV) and tip-collector distance (10 cm and 15 cm). The morphology of the samples was observed by a scanning electron microscope and an optical microscope and the stress tests were performed using a Universal Testing Machine. The presence of more beads was evident in the samples with flow rate of 3 ml/h, this affected the mechanical properties of the membranes. The largest diameters were obtained for samples with a flow rate of 6ml /h. A negative effect on the ultimate strength was observed for the membranes obtained with distance of 15 cm. Dry fibers before reaching the collector can be the cause.

1. Introducción

La técnica de electrospinnig ha ganado mucha popularidad en la última década en la ingeniería de tejidos para la construcción de andamios poliméricos.

Esta técnica permite obtener membranas poliméricas compuestas de fibras de diferentes diámetros de hasta tamaño nanométricos [1].

Figura 1. a) Gota esférica, b) deformación de gota expuesta a un campo eléctrico, c) formación del cono de Taylor y d) esquema del equipo Autor para correspondencia Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre Correo electrónico: ecorrea@ing.uchile.cl (Estefanía Correa Muñoz) La revisión por pares es responsabilidad de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Artículo bajo la licencia CC BY-NC (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.es)

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El principio de funcionamiento es muy básico, una gota es sometida a un campo eléctrico generando que la carga electrostática se acumule en la punta de la gota deformándola hasta obtener un cono, denominado cono de Taylor, donde luego se liberan hilos hacia un colector (Figura 1) [1]. La configuración básica del electrospinnig consta de tres componentes principales: una fuente de alimentación de alto voltaje, una bomba y un colector (Figura 1d)).

Por otro lado, la ingeniería de tejidos aplica los principios de las ingenierías y las ciencias de la salud para desarrollar reemplazos biológicos que permiten restaurar o mejorar la función de órganos o tejidos. En este campo se pretende obtener estructuras tridimensionales y porosas para mejorar el intercambio de nutrientes [2]. Por lo anterior, la técnica de electrospinnig es muy atractiva en esta área.

3. Metodología

El óxido de grafito (GO) fue obtenido a partir de método Hummers modificado. Brevemente, el grafito fue dispersado y agitado en H2SO4 por 30 min. Luego se añadió gradualmente KMnO4 y se dejó agitar por 1 hora para posteriormente adicionar peróxido. El GO obtenido fue lavado en NH4OH y se dejó secar por 24 horas a 120°C. El óxido de grafito fue reducido térmicamente (TrGO) al someter el GO a 600 °C en un reactor tipo U en atmosfera de nitrógeno. La muestra obtenida fue caracterizada por espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR).

La obtención de las membranas de PCL- 1%TrGO se realizó mediante la técnica de electrospinning. La solución para electrohilar fue preparada dispersando el TrGO en acetona mediante baño de ultrasonido por 30 min. Luego se añadieron a la dispersión pellets de policaprolactona (PCL) y fue agitado con un poco de calentamiento para acelerar la disolución del polímero.

La relación polímero - solvente fue de 10 %p/v mientras que la relación TrGO - polímero fue de 1 % p/p.

Los nanocompuestos han sido incorporados en el desarrollo de materiales para la ingeniería de tejidos, ya que pueden brindar o mejorar las propiedades de diferentes materiales. Se han incorporado grafeno, Se realizaron 8 membranas de PCL- 1%TrGO bajo nanotubos de carbono, nanopartículas de oro, entre diferentes parámetros de electrohilado. Los parámetros otros [3]. empleados fueron: flujo 3 ml/h y 6 ml/h, voltaje 10 kV y 15 kV, y una distancia de colector a punta de 10 cm y Actualmente se ha estudiado al grafeno y sus 15 cm. La solución es puesta en una jeringa y sometida derivados debido a sus múltiples propiedades, alta a parámetros seleccionados para luego recolectar la conductividad eléctrica y térmica, baja densidad y alto membrana en una hoja de papel de aluminio.

Módulo de Young, lo que lo ha hecho atractivo para diversas aplicaciones [4-6]. El grafeno se ha mezclado La nomenclatura utilizada para las muestras está con diferentes materiales para obtener compuestos con dada por el código FVD (Flujo, Voltaje, Distancia) características específicas según las necesidades. según la Tabla 1, por ejemplo, la muestra denominada 3AB, fue obtenida con un flujo de 3 ml/h, un voltaje de En el área de la ingeniería de tejidos el grafeno se 15kV y una distancia del colector a la punta de 10 cm. ha mezclado con polímeros para ser electrohilados. Sin embargo, los parámetros como el flujo, el voltaje y la Tabla 1. Nomenclatura empleada distancia colector punta influyen en las propiedades finales de las membranas compuestas (polímerografeno). Es en estos aspectos en los que se centra el presente estudio, específicamente para la mezcla PCL – 1%TrGO. La morfología de las membranas fue observada 2. Materiales a través de un Microscopio Óptico Carl Zeiss y un Para la obtención del óxido de grafito (GO) se empleó Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) JEOL grafito comercial H2SO4 (95%, Scharlau), KMnO4 JSM-7100. El diámetro de las fibras fue medido con el (99%, Sigma-Aldrich), H2O2 (50%, Químicos JM S.A) programa ImageJ. y NH4OH (28%, J.T. Baker). El polímero empleado fue policaprolactona (PCL) (pm: 80 000 kDa, Sigma Ensayos de tensión fueron realizados en una Aldrich) y se utilizó como disolvente acetona (99%, Máquina Universal SHIMADZU AG-100NKX para Merck). obtener las propiedades mecánicas de las membranas.

Para esto 5 muestras de 5 mm de ancho y 5 cm de largo de cada una de las membranas fue sometida a tensión Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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con una velocidad de 5 mm/min con una celda de carga de 50 N. El espesor de las membranas fue medido con un calibrador digital. El Módulo de Young, el esfuerzo final y el porcentaje de deformación fueron obtenidos de las cuervas de esfuerzo-deformación de los ensayos.

aluminio. En general todas las muestras presentaron el mismo aspecto. Una tonalidad gris es observada en las membranas debido a la presencia del TrGO en comparación al color blanco característico de PCL

4. Resultados y discusiones 4.1 Obtención del TrGO y las membranas de PCL1%TrGO En la Figura 2 se presentan los espectros FTIR del óxido de grafito y del TrGO. En el espectro del óxido de grafito, se presentan bandas características de adsorción correspondientes a estiramiento O-H (3412 cm-1), estiramiento C-H (2922 cm-1 y 2846 cm-1), vibraciones C-C aromático y flexión O-H (1627 cm-1), vibraciones de moléculas de agua (1475 cm-1), estiramiento C-O de grupo epoxi (1168 cm-1) y estiramiento C-O de grupo alcoxi (1076 cm-1 ) [7-8].

El espectro del TrGO presenta picos de menor intensidad en comparación al óxido de grafito lo cual indica que el proceso de reducción de grupos OH y grupos con oxigeno fue realizado exitosamente a través del tratamiento térmico para la exfoliación del grafito y obtención de nanolámina de grafeno [7-9].

Figura 3. a) Solución de PCL en acetona y con TrGO y b) Trozo de la muestra 3AB1

4.2 Morfología de las membranas de PCL-1%TrGO En las Figuras de la 4 a la 7 se muestran micrografías SEM, fotografías en microscopio óptico e histogramas de diámetro de fibra de las muestras obtenidas. En general en todas las muestras se presentan fibras de diferentes diámetros dispuestas de forma aleatoria. En algunas de las muestras aparecen cuentas de varios tamaños. Para el caso de las muestras 3BB, 3AB, 6BB y 6AB, se evidenció un aumento en el diámetro las fibras cuando se aumenta el flujo de la solución como es de esperarse [1]. Sin embargo, este efecto no es observado en las muestras 6BA y 6AA. En este caso se cree que el efecto de la distancia entre el colector y la punta, al ser mayor que en los casos anterior, predomine y genere fibras de menor diámetro.

Aparecen con mayor frecuencia cuentas en las muestras obtenidas con un flujo de 3 ml/h. Esto indica que bajo este parámetro el cono de Taylor no logra establecerse ya que la escasez de flujo puede generar intermitencia en la expulsión del hilo, lo que conlleva a la evaporación del solvente superficial de la gota y precipitación del polímero generando estas cuentas[10-11].

Figura 2. Espectros FTIR del óxido de grafito y TrGO

En la Figura 3a) se muestra la solución de PCL en acetona y con adición de TrGO. Es evidente que la solución transparente pasa a ser del color negro debido a que el TrGO se encuentra dispersado totalmente en la solución. La buena dispersión está relacionada con la exitosa exfoliación del TrGO y el tratamiento en el baño de ultrasonido. En la Figura 3b) se muestra un trozo de la muestra 3AB1 luego de ser removido del papel Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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Figura 4. Micrografías SEM de las membranas a) 3BB y b) 3AB y fotografías de microscopio óptico de las membranas c) 3BA y d) 3AA.

Figura 5. Micrografías SEM de las membranas a) 6BB y b) 6AB y fotografías de microscopio óptico de las membranas c) 6BA y d) 6AA.

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Las cuentas que se pueden apreciar en las micrografías SEM presentan pequeños orificios.

Estos pueden ser generados como rutas de escape del solvente interno cuando se genera una capa superficial de polímero precipitado [10-12].

Las fuerzas de Van der Waals y la acumulación de carga en el cono de Taylor puede generar que las nano láminas de TrGO se aglomeren. Esto puede ocasionar fibras con diámetros variables y aparición de cuentas, en particular cuando el voltaje es alto, 15 kV [13].

Las nanoláminas de TrGO no pueden ser observadas debido a los límites de resolución de las técnicas empleadas. En la Figura 4b) se puede apreciar unas láminas aglomeradas.

Figura 7. Histogramas del diámetro de fibras para las muestras 3BB, 3AB, 3BA Y 3AA.

4.3 Propiedades mecánicas Las Figuras 8, 9 y 10 muestran el Módulo de Young, el esfuerzo final y el porcentaje de deformación antes de la ruptura de las membranas de PCL-1%TrGO obtenidas con diferentes parámetros de electrohilado.

Las propiedades mecánicas de las membranas obtenidas con la técnica de electrospinning dependen de las propiedades de las fibras de forma individual y de su unión. Además pueden verse muy afectadas por el diámetro de las fibras, su porosidad, presencia de cuentas y poco homogeneidad [14].

Figura 6. Histogramas del diámetro de fibras para las muestras 3BB, 3AB, 3BA Y 3AA.

En la Figura 8 se puede apreciar que las muestras obtenidas con un flujo de 6 ml/h obtuvieron mayor Módulo de Young que bajo 3 ml/h a excepción de la muestra 6AA. Esto puede ser debido a la obtención de fibras de mayor diámetro que cuenta con más presencia de TrGO por área transversal, lo cual puede jugar un papel muy importante en la restricción de la movilidad de las cadenas de polímeros, aumentando la rigidez del material. Por otra parte, las cuentas de mayor tamaño también pueden verse beneficiadas por el mismo efecto, tal como lo evidencia el resultado para la muestra 3AB, en el cual se obtuvo mayor frecuencia de cuentas con mayor tamaño [15-16].

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Al igual que con el Módulo de Young, el esfuerzo final (Figura 9) también se ve favorecido a mayor flujo a excepción de la muestra 6AA. En este caso no solo el diámetro de las fibras es un factor importante en la resistencia a la tensión. Para la muestra 3AB la presencia de fibras de diámetro muy pequeño coexistiendo con cuentas de menor tamaño disminuye las áreas de contacto lo que se obtiene una unión débil entre los elementos.

como pegamento de unión entre las fibras como se ve reflejado en las membranas AA [14].

Con respecto a la deformación de las muestras (Figura 10), las membranas construidas con un flujo de 3 ml/h presentaron menor porcentaje de deformación, 2 a 3 veces menor, 3BB: 46.6%, 3BA: 59.4%, 3AB: 39.8% y 3AA: 71.9%, en comparación a las membranas construidas con un flujo de 6 ml/h, 6BB: 70.2%, 6BA: 96.5%, 6AB: 100.2% y 6AA: 58.9% a excepción de la muestra AA. Esto indica que la presencia de cuentas puede ser un factor muy importante. En particular para la muestra 3AB, la cual presentó mayor frecuencia de cuentas, presentó el menor porcentaje de deformación.

Figura 8. Módulo de Young de las membranas de PCL-1% TrGO. Figura 10. Porcentaje de deformación de las membranas de PCL-1% TrGO

Figura 9. Esfuerzo final de las membranas de PCL-1% TrGO

Por otra parte, a mayor distancia entre el colector y la punta las fibras llegan al colector con menos solvente superficial disponible para ser empleado

5. Conclusiones Membranas de PCL-1% TrGO fueron obtenidos a través de la técnica de electrospinnig. Se evaluaron los efectos de diferentes parámetros de electrospinning como el flujo, el voltaje y la distancia sobre la morfología y las propiedades mecánicas de las fibras. Se evidenció mayor presencia de cuentas en las membranas cuando se empleó un flujo de 3 ml/h. Por otra parte, se obtuvo diámetros de fibras mayores en las membranas preparadas con un flujo de 6 ml/h y una distancia del colector a la punta de 10 cm. Los defectos de cuentas generaron menore valores de las propiedades mecánicas en comparación a las membranas con menos frecuencia de cuentas. A mayor distancia entre el colector y la punta se genera una diminución en las propiedades mecánicas debido a que no se da una adecuada unión entre las fibras. Se debe continuar estudiando el efecto de diferentes concentraciones de TrGO en las propiedades de las membranas.

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6. Referencias [1] G. R. Mitchell, Electrospinning. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 2015.

[2] M. B. Lyles, J. C. Hu, V. G. Varanasi, J. O. Hollinger, and K. A. Athanasiou, “5 - Bone tissue engineering BT - Regenerative Engineering of Musculoskeletal Tissues and Interfaces,” Woodhead Publishing, 2015, pp. 97–134.

[3] G. Michael and H. Sascha, “Nanocomposites for Tissue Engineering,” Nanotechnologies for the Life Sciences. 15-Sep-2007.

[4] S. Aznar-Cervantes et al., “Fabrication of electrospun silk fibroin scaffolds coated with graphene oxide and reduced graphene for applications in biomedicine,” Bioelectrochemistry, vol. 108, pp.

36–45, 2016.

[5] M. Ioniţă, G. M. Vlăsceanu, A. A. Watzlawek, S. I. Voicu, J. S. Burns, and H. Iovu, “Graphene and functionalized graphene: Extraordinary prospects for nanobiocomposite materials,” Compos.

Part B Eng., vol. 121, pp. 34–57, 2017.

[6] L. Yan et al., “Aligned Nanofibers from Polypyrrole/Graphene as Electrodes for Regeneration of Optic Nerve via Electrical Stimulation,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 8, no. 11, pp. 6834–6840, 2016.

[7] K. Chandraker, R. Nagwanshi, S. K. Jadhav, K. K. Ghosh, and M. L. Satnami, “Antibacterial properties of amino acid functionalized silver nanoparticles decorated on graphene oxide sheets,” Spectrochim. Acta - Part A Mol. Biomol. Spectrosc., vol. 181, pp. 47–54, 2017.

[8] V. H. Pham et al., “Chemical functionalization of graphene sheets by solvothermal reduction of a graphene oxide suspension in N-methyl-2-pyrrolidone,” J. Mater. Chem., vol. 21, no. 10, pp.

3371–3377, 2011.

[9] R. Miraftab, B. Ramezanzadeh, G. Bahlakeh, and M. Mahdavian, “An advanced approach for fabricating a reduced graphene oxide-AZO dye/ polyurethane composite with enhanced ultraviolet (UV) shielding properties: Experimental and first-principles QM modeling,” Chem. Eng. J., vol. 321, pp. 159–174, 2017.

[10] K. A. G. Katsogiannis, G. T. Vladisavljević, and S. Georgiadou, “Porous electrospun polycaprolactone (PCL) fibres by phase separation,” Eur. Polym. J., vol. 69, pp. 284–295, 2015.

[11] J. L. Ferreira, S. Gomes, C. Henriques, J. P. Borges, and J. C. Silva, “Electrospinning polycaprolactone dissolved in glacial acetic acid: Fiber production, nonwoven characterization, and in Vitro evaluation,” J. Appl. Polym. Sci., vol. 131, no.

22, pp. 37–39, 2014.

[12] R. M. Nezarati, M. B. Eifert, and E. Cosgriff-Hernandez, “Effects of Humidity and Solution Viscosity on Electrospun Fiber Morphology,” Tissue Eng. Part C Methods, vol. 19, no. 10, pp. 810– 819, 2013.

[13] S. Ramazani and M. Karimi, “Aligned poly(ε-caprolactone)/graphene oxide and reduced graphene oxide nanocomposite nanofibers: Morphological, mechanical and structural properties,” Mater. Sci. Eng. C, vol. 56, pp. 325– 334, 2015.

[14] L. Huang, N. N. Bui, S. S. Manickam, and J. R. McCutcheon, “Controlling electrospun nanofiber morphology and mechanical properties using humidity,” J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys., vol.

49, no. 24, pp. 1734–1744, 2011.

[15] F. Yang, S. K. Both, X. Yang, X. F. Walboomers, and J. A. Jansen, “Development of an electrospun nano-apatite/PCL composite membrane for GTR/GBR application,” Acta Biomater., vol. 5, no. 9, pp. 3295–3304, 2009.

[16] M. Ionita, M. A. Pandele, and H. Iovu, “Sodium alginate/graphene oxide composite films with enhanced thermal and mechanical properties,” Carbohydr. Polym., vol. 94, no. 1, pp. 339–344, 2013.

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“Journal of Engineering Sciences”

Original Article

DOI: https://doi.org/10.22463/2011642X.2353

Gráficos triangulares del comportamiento físico de arcillas utilizadas en la fabricación de productos de mampostería en Colombia

Triangular graphics of the physical behavior of clays used in the manufacture of masonry products in Colombia

MSc. Ricardo Andrés García-León1, Ing. María Teresa Crespo-Guerra2, MSc. Mario Grave-Capistran1, & MSc. Adán Ruiz-Rios1

1 Instituto Politécnico Nacional. SEPI-ESIME, Zacatenco. Ciudad de México, México, Orcid: 0000-0002-2734-1425, 0000-0003-0911-4963, 0000-0001-7935-3850, Email: raqarcial@gmail.com, mariograveca@gmail.com, adan.ruiz.rios@gmail.com 2 Universidad del área andina. Valledupar, Colombia, Orcid: 0000-0002-5334-8903, Email: mariate1896@gmail.com

Como citar: R. A. García, M. T. Crespo, M. Grave & A. Ruiz, “Gráficos triangulares del comportamiento físico de arcillas utilizadas en la fabricación de productos de mampostería en Colombia”, Revista Ingenio, 16 (1), pp. 50-55, 2019

Fecha de recibido:04 de julio de 2018 Fecha aprobación:25 de octubre de 2018

RESUMEN: Palabras claves: Arcillas, Cerámica, Ladrillos, Materia Prima, Optimización.

En la presente investigación se llevó a cabo la construcción de gráficos triangulares de la prima utilizada en dos empresas dedicadas a la fabricación de ladrillos macizos en la región del Cesar y norte de Santander, Colombia. Inicialmente, se realizó el ensayo de granulometría a diferentes muestras de arcilla con los cuales se determinaron los porcentajes de arenas, limos y arcillas. Estos porcentajes fueron ubicados en el diagrama de Winkler para identificar los tipos de arcillas existentes según su textura y tipos de productos que se pueden fabricar. Los resultados de los gráficos triangulares muestran la influencia del comportamiento del límite líquido, limite plástico e índice de plasticidad, con lo que se pudo predecir su comportamiento en extrusión. Con esta investigación se espera que las empresas puedan implementar estrategias y mejoras sobre la calidad de la materia prima que permita productos con óptimas propiedades mecánicas, con lo que evidentemente se mejoraran los recursos ambientales y económicos de las empresas.

ABSTRACT:

Keywords: Clays, Ceramics, Bricks, Raw Material, Optimization.

1. Introducción

In the present investigation, the ternary graphics of the raw material used in two companies dedicated to the manufacture of solid bricks in the Cesar and Norte Santander regions, Colombia, were carried out. Initially, the granulometry test was developed on different clay samples with which the percentages of sands, salts, and clays were determined. These percentages were plotted in the Winkler diagram to identify the types of clays that exist according to their texture and the types of products that can be manufactured.

The results of the ternary graphs show the influence of the behavior of the liquid limit, plastic limit, and plasticity index, with which it was possible to predict its behavior in extrusion. With this research, it is expected that companies can implement strategies and improvements on the quality of the raw material that allow products with optimal mechanical properties, thereby evidently improving the environmental and economic resources of the companies.

El proceso cerámico se compone principalmente de tres fases, que son; preparación de la pasta cerámica, moldeo y cocción del producto. En la primera fase del proceso la preparación, se modifica la composición y la plasticidad adicionando otras arcillas, con la finalidad de obtener una pasta cerámica homogénea, luego se moldea según la forma deseada a presión o extrusión. Una vez se ha obtenido el producto moldeado, se procede al secado, controlando la velocidad de evaporación de agua con el fin de evitar defectos en la pieza. Posteriormente, el producto se sinteriza; es decir, se somete al proceso de cocción con el fin disminuir la porosidad, aumentar la densidad y la resistencia mecánica [1-2-3].

De acuerdo a su capacidad de producción y desarrollo tecnológico las industrias ladrilleras se han clasificado en chircales, ladrilleras pequeñas, medianas y grandes [4]. Las mezclas de arcilla para la fabricación de ladrillos son de 60% de arcilla arenosa y 40% de arcilla plástica, a esta composición se le atribuye la mala calidad de los productos en términos de fisuras, mala cocción, falta de uniformidad en el color, entre otros factores que afectan el producto terminado. Estos defectos están asociados a los tamaños de las partículas de arenas y a la composición mineralógica de la materia prima [5-6-7].

La estadística es una herramienta comúnmente usada en este tipo de investigaciones a nivel

Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, Autor para correspondencia Correo electrónico: raqarcial@gmail.com (Ricardo Andrés García-León) La revisión por pares es responsabilidad de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Artículo bajo la licencia CC BY-NC (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.es)

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MSc. Ricardo Andrés García-León, Ing. María Teresa Crespo-Guerra, MSc. Mario Grave-Capistran, & MSc. Adán Ruiz-Rios

experimental; en Camboya, dos depósitos de arcilla fueron utilizados para el desarrollo de formulaciones de azulejos (Bloques) por medio del diseño estadístico de experimentos de mezclas y la adecuación de los modelos fueron confirmadas en laboratorio mediante análisis experimentales [8-9].

valores obtenidos, teniendo en cuenta que las partículas con diámetro entre 100 mm y 0.08 mm corresponden a gravas y arena, valores entre 0.08 mm y 0.005 mm correspondientes a limo y las partículas con diámetro entre 0.005 mm hasta 0 mm correspondientes a arcilla.

Por otra parte, el cálculo del índice de plasticidad es necesario calcular el límite líquido y el límite plástico de las muestras (límites de consistencia o de Atterberg), el cual corresponde a la diferencia entre estos dos valores. Cuando el valor es igual a cero (0) o menor, se considera que el suelo es no plástico y, por lo tanto, difícil de extruir. Para actividades de construcción la condición ideal es un límite plástico (LP) elevado y un límite liquido (LL) bajo.

En la actualidad no se ha evaluado el comportamiento de las arcillas con diagramas triangulares, por lo que en la presente investigación se llevó a cabo la obtención de gráficos triangulares para analizar el comportamiento del límite líquido (LL), limite plástico (LP) e índice de plasticidad (IP) sobre la influencia de las variables arena (A), limo (L) y arcilla (a). Lo anterior, con la finalidad de brindar una visualización global del comportamiento de las arcillas de diferentes regiones de acuerdo a su 2.2 Gráficos triangulares composición granulométrica y de esta manera predecir Estos gráficos triangulares, ternarios o tri-lineales se su comportamiento en extrusión. utilizan, para examinar las relaciones entre tres o más variables, las cuales representan componentes de una 2. Materiales y métodos mezcla (es decir, las relaciones entre ellas están limitadas La investigación con profundidad descriptiva fue de tal manera que los valores de las tres variables se utilizada en el desarrollo del proyecto, la cual determina suman a la misma constante para cada caso). Una las variables más importantes que intervienen en aplicación típica de este gráfico, es cuando la respuesta la selección de la materia prima para la fabricación medida de un experimento depende de las proporciones de productos de mampostería para la construcción relativas de tres componentes (arena, limo y arcilla) que (ladrillos macizos). La identificación de los efectos se varían para determinar una combinación óptima de de las variables estudiadas, tuvo en cuenta un diseño esos componentes y de esta forma controlar el proceso experimental teniendo en cuenta la composición de producción. En las gráficas ternarias, los sistemas hidrométrica de las arcillas (Arenas – Limos – Arcillas). de coordenadas triangulares se usan para graficar tres variables y obtener una superficie de respuesta haciendo Durante los trabajos de campo, se realizó un muestreo uso de un modelo estadístico predeterminado. Los tipo canal para clasificar las arcillas de la cantera, con un gráficos fueron obtenidos haciendo uso del software tipo de investigación de tipo experimental; teniendo en estadístico Statistica con licencia educativa. Para generar cuenta que la recolección de las muestras de arcilla se este tipo de gráficos, las proporciones relativas de cada realizó directamente en las minas de las dos ladrilleras componente (dentro de cada caso) están obligadas a mediante observación directa. Se realizaron ensayos de sumar el mismo valor. Cuando se produce el gráfico, las laboratorio con el fin de determinar las variables que proporciones se vuelven a escalar para que sumen 1 o fueron objeto de estudio, para identificar los porcentajes 100% en cada caso. de arena, limo y arcilla [10]. Teniendo en cuenta lo anterior, se realizó el procedimiento mostrado en la 3. Resultados y discusiones Figura 1: 3.1. Granulometría.

El primer paso para determinar las variables que hacen parte de la composición de la pasta de cerámica, se llevó a cabo el análisis de granulometría por tamizado e hidrometría para encontrar los porcentajes de arena, limo Figura 1. Metodología utilizada. y arcilla, de 7 y 8 muestras que son las utilizadas por las dos empresas de Ocaña y Valledupar respectivamente.

2.1 Caracterización física El análisis físico se realizó teniendo en cuenta el Los datos obtenidos fueron graficados en el diagrama procedimiento de la norma NTC 4630 y la INV.E – 125 y 126 [11-12-13]. Para el cálculo de los porcentajes de Winkler con la ayuda del software TripLop como se de arenas, limos y arcillas, se llevó a cabo el análisis muestra en la Figura 2, en donde se ubicaron los puntos de retenido sobre tamiz e hidrometría, los cuales y logar visualizar el comportamiento de los porcentajes cuantifican la composición de la muestra según los de arenas, limos y arcillas; además de comprobar si Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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Gráficos triangulares del comportamiento físico de arcillas utilizadas en la fabricación de productos de mampostería en Colombia

son aptas para la producción actual que realizan las empresas seleccionadas [10,14], mostrando los tipos de productos que se pueden fabricar de acuerdo a la region; estos puntos estan identificados como (●) para la empresa de ocaña y (▲) para la empresa de valledupar.

3.2. Gráficos triangulares Teniendo en cuenta los resultados de la Figura 2, se llevaron a cabo los gráficos triangulares, tomando como variables los porcentajes de arena (A), limo (L) y arcilla (a), y como superficie de respuesta el límite líquido (LL) (Figura 4), limite plástico (LP) (Figura 5) e índice Por otra parte, se puede identificar que para las de plasticidad (IP) (Figura 6). muestras de Ocaña, solo 2 no cumplen para ser utilizadas como materia prima. Caso contrario se evidencia en las La Figura 4a y Figura 4b muestran el comportamiento muestras de Valledupar que la mayoría se encuentra en de la materia prima sobre el limite liquido (LL) para la zona 2 y con buenas características para la fabricación las dos empresas, se puede observar que se tiene una de bloques perforados. La Figura 3 muestra las texturas tendencia diferente debido a los porcentajes de arenas, de la arcilla, siendo en su mayoría suelos Franco-Areno- limos y arcillas, mostrando una tendencia diferente en Arcillosos [15], teniendo en cuenta los resultados de la influencia sobre el LL, dado a que para las muestras granulometría. de Ocaña son altamente arenosas, para las muestras de Valledupar se presenta con una tendencia ser muestras arcillosas.

Figura 2. Diagrama de Winkler para el tipo de producto.

Fuente: [16]

Figura 4. Grafico triangular para el LL. a) Empresa Ocaña, y b) Empresa Valledupar.

Figura 3. Diagrama de Winkler para tipos de textura.

Fuente: [16] Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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La Figura 5a y Figura 5b muestran el comportamiento brindando de esta forma un mejor comportamiento en de la materia prima sobre el limite liquido (LP) para extrusión al ser más plástica. las dos empresas. En este caso, se presenta que ambas muestras tienen una tendencia a estar influenciadas por los porcentajes de arcilla. Para la muestra de Ocaña, se observa que está influenciada por tanto de los porcentajes de arcilla y limo; mientras que para la empresa de Valledupar la influencia es solo por la arcilla.

Figura 6. Grafico triangular para el IP. a) Empresa Ocaña, y b) Empresa Valledupar.

El comportamiento de cada una de las figuras anteriores, está regido por cada una de las siguientes ecuaciones como se muestra en la Tabla 1.

Figura 5. Grafico triangular para el LP. a) Empresa Ocaña, y b) Empresa Valledupar.

Tabla 1. Ecuaciones del comportamiento de los gráficos triangulares.

El comportamiento del índice de plasticidad (IP) se muestra en la Figura 6a y Figura 6b para la materia de las dos empresas. Para este caso se observa que la baja calidad de la materia prima de Ocaña está influenciada por los porcentajes de arenas y dado a esto la presentación de problemas en secado y cocción como fisuras y agrietamientos. Por otro lado, para la empresa de Valledupar este comportamiento no es tan influenciado por la arena, pero si por la arcilla, Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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Gráficos triangulares del comportamiento físico de arcillas utilizadas en la fabricación de productos de mampostería en Colombia

Finalmente, se llevó a cabo el cálculo del comportamiento en extrusión de las muestras, de lo que se obtuvo la Figura 7. Mostrando que las arcillas son altamente arenosas para la empresa de Ocaña, lo que dificulta el proceso de extrusión, caso contrario para la empresa de Valledupar, se observa que las arcillas presentan una tendencia a ser bastante arcillosas por lo que su comportamiento en extrusión es aceptable.

Figura 7. Diagrama de Winkler para tipos de textura.

Fuente: [16]

La calidad del producto final puede ser evaluada teniendo en cuenta los estándares colombianos de calidad como la norma NTC 4017 y NTC 4205, con la finalidad de obtener productos que cumplan con las condiciones de seguridad en su aplicación de mampostería en la construcción.

4. Conclusiones Se logró evidenciar que la arcilla presenta una gran influencia sobre el comportamiento plástico para la fabricación de productos de mampostería para la construcción, y por lo tanto en su comportamiento en las etapas del proceso productivo, lo que mejora de las propiedades mecánicas del producto final.

Los resultados de los ensayos de granulometría indican que la mayoría de las muestras poseen un índice de 45% de arena fina; el cual es de gran importancia para la fabricación de las pastas cerámicas, debido a que permite clasificar las muestras como materiales de baja compactación, baja plasticidad, que no deben usarse solos como una pasta de producción por que tendrán baja resistencia en seco y en cocido, como también alta absorción de agua. Asimismo, la arena es necesaria para la extrusión de productos de mampostería para la construcción, debido a que ayuda a disminuir el tiempo de secado y evita la formación de grietas en las piezas.

Es importante controlar los porcentajes de arena, lo cual indica que las arcillas necesitan mayor temperatura para poder cerrar los poros en la cocción, por lo cual, a bajas temperaturas de cocción darán altas absorciones de agua y bajas resistencia en cocido. Como también pulverizar estas partículas a tamaños inferiores a 1 milímetro.

5. Referencias [1] R. A. Muñoz, J. A. Muñoz, P. Mancilla, and J. E. Rodríguez, “Caracterización fisicoquímica de arcillas del municipio de Guapi- costa pacífica caucana (Colombiana),” Química, vol. 31, pp.

537–544, 2007.

[2] R. A. García-León and E. Flórez Solano, “Determinación de la ventana del proceso productivo en la fabricación de bloques H-10 en Ocaña Norte de Santander y la región,” Ingenio UFPSO, vol.

9, no. 2011–642X, pp. 35–43, 2016.

[3] R. A. García-León, R. Bolívar, and E. Flórez, “Validación de las propiedades físico-mecánicas de Bloques H-10 fabricados en Ocaña Norte de Santander y la región,” Ingenio UFPSO, vol. 10, no. 2011–642X, pp. 17–26, 2016.

[4] R. A. García-León, E. Flórez-Solano, and Y. Medina-Cárdenas, “Caracterización física de las arcillas utilizadas en la fabricación de productos de mampostería para la construcción en Ocaña Norte de Santander,” Espacios, vol. 39, no. 53, pp. 1–6, 2018.

[5] H. Gutiérrez Pulido and R. De La Vara Salazar, Análisis y diseño de experimentos., McGrawHil., vol. 1. Mexico, 2015.

[6] M. Coronado, A. M. Segadães, and A. Andrés, “Combining mixture design of experiments with phase diagrams in the evaluation of structural ceramics containing foundry by-products,” Appl.

Clay Sci., vol. 101, pp. 390–400, Nov. 2014.

[7] J. Sánchez, J. A. Orozco, and L. Peñaloza, “Evaluación de mezclas de arcillas para la fabricación de ladrillos refractarios que sirvan para la reconversión tecnológica de los hornos utilizados en Norte de Santander.,” Rev. Investig. - Univ. del Quindío, vol. 26, no. 1, pp. 57–64, 2014.

[8] B. K. Ngun, H. Mohamad, K. Katsumata, K. Okada, and Z. A. Ahmad, “Using design of mixture experiments to optimize triaxial ceramic tile compositions incorporating Cambodian clays,” Appl. Clay Sci., vol. 87, pp. 97–107, Jan. 2014.

[9] R. A. García-León, E. Flórez-Solano, and M. M. Rodríguez-Castilla, “Diseño de mezclas para la fabricación de productos de mampostería en la industria cerámica,” Rev. Politécnica, vol. 14, no.

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MSc. Ricardo Andrés García-León, Ing. María Teresa Crespo-Guerra, MSc. Mario Grave-Capistran, & MSc. Adán Ruiz-Rios

26, pp. 19–28, 2018.

[10] R. A. García-León and R. Bolívar, “Caracterización Hidrométrica de las Arcillas Utilizadas en la Fabricación de Productos Cerámicos en Ocaña , Norte de Santander,” INGE CUC, vol.

13, no. 1, pp. 53–60, 2017.

[11] ICONTEC, “NTC-4630. Metdodo de ensayo para la determinación del límite liquido, del límite plástico y del índice de plasticidad de los suelos cohesivos.,” Norma Técnica Colomb., pp.

1–10, 1999.

[12] INV.E–125, “Determinación del límite líquido de los suelos,” Normas Invias, vol. 1999, pp. 1–13.

[13] INV.E–126, “Límite plástico e índice de plasticidad de los suelos,” Normas Invias, pp. 1–7, 1999.

[14] J. García, H. Medina, and D. Núnez, “El método del hidrómetro: influencia de los tiempos de lecturas en el cálculo de la distribuición del tamaño de partículas en suelos de la Habana,” Cultiv.

Trop., vol. 29, no. 2, pp. 21–26, 2008.

[15] J. S. S. Román, “Diagramas triangulares,” Dpto.

Geología. Universidad de Salamanca. España, Salamanca., pp. 1–2, 2014.

[16] L. Mintec Ceramic, “Resultados Caracterización Tecnológica de Materias Primas Honduras y Desarrollo de Nuevas Alternativas de Pastas de Producción,” 2015. [Online]. Available: http:// mintecceramic.com/mintecceramic/.

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DOI: https://doi.org/10.22463/2011642X.2343

Universidad inteligente: Oportunidades y desafíos desde la Industria 4.0 Smart University: Opportunities and challenges from the Industry 4.0

MSc. Edwin Barrientos-Avendaño1, MSc. Yesenia Areniz-Arevalo2

1 Grupo de Investigación en Desarrollo Tecnológico e Innovación GINDET, SENA, Colombia, https://orcid.org/ 0000-0002-4126-5246, Email: ebarrientos@misena.edu.co 2 Grupo de Ingeniería en Innovación, Tecnología y Emprendimiento GRIITEM, Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, Colombia, https://orcid.org/ 0000-0001-6592-2549, Email: yareniza@ufpso. edu.co

Como citar: E. Barrientos & Y. Areniz, “Universidad inteligente: Oportunidades y desafíos desde la Industria 4.0”, Revista Ingenio, 16 (1), pp.56-60, 2019.

Fecha de recibido:10 de julio de 2018 Fecha aprobación:12 de noviembre de 2018

RESUMEN: Palabras claves: Industria 4.0, Revolución industrial, Tecnología, Universidad inteligente.

Una universidad inteligente se basa principalmente en la unificación de tecnologías de información en el proceso educativo. El artículo considera la necesidad de cambiar el paradigma educativo por parte de las universidades como resultado del desarrollo del concepto de “industria 4.0”. Los avances tecnológicos de los últimos años han cambiado los comportamientos de aprendizaje de los alumnos y los métodos de enseñanza, surgen nuevas metodologías, ambientes y recursos, que se adoptan al concepto de universidad inteligente. Esta situación ha dado lugar a nuevos retos: Una mayor presencia y posibilidad del aprendizaje informal, los recursos ubicuos con la posibilidad no sólo de que el alumno acceda desde cualquier sitio a las fuentes y recursos de aprendizaje. La adopción de la tecnología en las instituciones educativas es prometedora, pero a su vez asume un reto ya que desafía las prácticas educativas tradicionales que están consolidadas y las cuales son ejecutadas por lo docentes actualmente. Todo esto nos lleva a una reflexión sobre el papel de la universidad en lograr el liderazgo que debe asumir frente a los procesos de transformación digital, para que puedan verse reflejados en el desarrollo industrial y social.

ABSTRACT:

Keywords: Industry 4.0, Industrial Revolution, Technology, Smart University

An intelligent university is mainly based on the unification of information technologies in the educational process. The article considers the need to change the educational paradigm by universities as a result of the development of the concept of “industry 4.0”. The technological advances of the last years have changed the learning behaviors of the students and the teaching methods, new methodologies, environments, and resources arise, which are adopted to the concept of the intelligent university. This situation has given rise to new challenges: a greater presence and possibility of informal learning, ubiquitous resources with the possibility not only of the student accessing learning sources and resources from anywhere. The adoption of technology in educational institutions is promising, but at the same time it assumes a challenge since it challenges the traditional educational practices that are consolidated, and which are currently executed by teachers. All this leads us to a reflection on the role of the university in achieving the leadership that it must assume in the face of the processes of digital transformation, so that they can be reflected in industrial and social development.

1. Introducción

La cuarta revolución industrial o la industria 4.0, es denominada por algunos autores como la era de la digitalización o Industria 4.0. Trae consigo un gran número de retos para las universidades quienes son las encargadas de formar al futuro profesional en competencias genéricas y específicas para el trabajo y el emprendimiento.

De igual manera, las empresas quienes son las encargadas de sacar adelante los procesos de negocios bajo la puesta en marcha de fábricas inteligentes, capaces de una adaptabilidad a las necesidades y asignación más eficiente de los recursos permitiendo interconectar todas las unidades de producción de una empresa, abren una nueva etapa de formación técnica

en aspectos como: Automatización, Conectividad, Información digital y Acceso digital al cliente donde las universidades jugarán un papel predominante en todo este proceso de trasformación orientado siempre a lograr que la industria y especialmente la colombiana sean competitivos en el mundo globalizado.

Uno de los aspectos más relevantes que trae consigo la cuarta revolución industrial, es lograr mejorar los niveles de calidad, al disponer de una industria automatizada sin interrupciones con menos recurso humano reduciendo los errores, alejándolos de procesos monótonos y peligrosos para la salud humana, mejorando tiempos de respuesta y trayendo mayor eficiencia en el manejo de recursos, donde lógicamente los productos puedan ser más precisos en formas, pesos,

Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, Autor para correspondencia Correo electrónico: ebarrientos@misena.edu.co (Edwin Barrientos-Avendaño) La revisión por pares es responsabilidad de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña Artículo bajo la licencia CC BY-NC (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.es)

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MSc. Edwin Barrientos-Avendaño, MSc. Yesenia Areniz-Arevalo

texturas y medidas etc.

Para poder lograr todos estos aspectos se requiere de un personal especializado en temas como Big Data y Analytics, ya que el uso de sensores para controlar procesos hace que la captura de grandes volúmenes de datos requiera ser analizados para el conocimiento del negocio y mejorar la toma de decisiones.

En el área de Robótica se requiere desarrollar robots para el trabajo autónomo, con capacidades de trabajar con humanos. En el Internet de las Cosas, se hace necesario aprovechar todos los aspectos que traerán consigo la tecnología de internet móvil 5G [1], donde al tener velocidades de más de 10 Gbps y mayor ancho de banda el crecimiento de dispositivos conectados a internet será exponencial teniendo el reto de desarrollar dispositivos que den soporte a distintos procesos de la industria con aspectos en Ciberseguridad, pues al tener dispositivos compartiendo información en internet hace que estos, si no se construyen con políticas robustas de seguridad, se puedan convertir en puertas traseras con vulnerabilidades que pueden ser explotadas por Cibercriminales.

De igual manera, para entrar a redes corporativas y así comprometer las características primarias de la información [2], como lo es la confidencialidad, integridad y la disponibilidad de información sensible para la organización; por tal razón se viene en la actualidad investigando y desarrollando el uso de nuevas tecnologías como la Encriptación Cuántica y Blockchain, como alternativa a la tecnología actual que se usa en Ciberseguridad, la cual ha demostrado en más de una ocasión que no es impenetrable, se puede decir que este es uno de los puntos que más preocupa a las empresas y a las grandes multinacionales a la hora de emprender el camino hacia la cuarta revolución industrial específicamente en lo relacionado con la nube.

Para poder lograr integrar aspectos de BigData e IoT, se requiere de infraestructura en la nube para intercambiar información en tiempo real y poder analizarla para la toma de decisiones ya sea entre máquinas a máquinas o personas [3-4].

Otro aspecto que trae consigo la cuarta revolución industrial es la simulación y la realidad aumentada, donde las empresas necesitan de entornos virtuales que les permita modelar procesos, productos y máquinas, antes de su elaboración real, adicionándole aspectos de realidad aumentada, la cual cada vez tiene mayor aceptación en el comercio y la industria, por ejemplo implementaciones cuando se necesita darle información adicional a las personas en el montaje de maquinaria, la

reparación y puesta en funcionamiento de productos, capacitaciones a personal en temas específicos, etc.

Fabricación Aditiva o Impresión 3D, la fabricación por adición mediante impresoras 3D permite realizar prototipos de forma rápida, fabricando piezas complejas en muy corto tiempo logrando que las empresas sean competitivas en aspectos logísticos de producción en serie.

Todo esto nos lleva a una reflexión sobre el papel de la universidad en lograr liderar procesos que se enfoquen en los futuros profesionales en la adquisición de competencias que les permita ser proactivos en la transformación digital dentro de su organización y en el cambio que supondrá adaptarse y trabajar en los nuevos entornos conectados de la industria 4.0.

2. Universidad inteligente Una universidad inteligente debe contener cuatro componentes fundamentales, (Figura 1).

• Estudiante inteligente Es un modelo de un individuo o una comunidad que interactúa con la universidad inteligente para adquirir información de aprendizaje y capacitación o para compartir conocimiento en un ambiente académico.

La evolución del entorno educativo tiene un impacto en determinación y descripción de los alumnos que se utilizarán en el entorno aprendizaje.

Figura 1. Universidad Inteligente - Smart University.

• Conocimiento inteligente La universidad inteligente extrae contenidos, conocimientos y habilidades comunes que un individuo debe tener en múltiples áreas científicas, de acuerdo con un modelo de conocimiento inteligente que determina

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Universidad inteligente: Oportunidades y desafíos desde la Industria 4.0

el contenido de la enseñanza, herramientas educativas y métodos de presentación basados en resultados del modelo de estudiante, y caracterizados por una comprensión adaptativa de representación de diversos entornos de aprendizaje tales como aula, procedimientos y simulación.

• Aprendizaje inteligente Una abstracción de un entorno de aprendizaje inteligente, a través del cual, el alumno inteligente aprovecha los servicios personalizados que brindan acceso al aprendizaje en cualquier lugar, en cualquier momento y, de todos modos. El entorno inteligente de aprendizaje es un concepto que representa un entorno digital diseñado para lograr el autoaprendizaje y eficiente intercambio de conocimientos • Interacción inteligente Interacción inteligente Es una característica de un sistema de aprendizaje inteligente que se manifiesta en la interacción con el entorno y le da al sistema la capacidad para: 1) responder de inmediato a los cambios del entorno externo 2) adaptarse a los cambios de las condiciones ambientales; 3) mejorar el autodesarrollo y autocontrol y lograr objetivos de manera efectiva. Estos son mecanismos de transmisión y medios tecnológicos. a través del cual el alumno interactúa con su entorno.

3. Desde la Industria 4.0 a la Universidad inteligente: Empresa inteligente Recientemente ha surgido el término Industria 4.0 aplicado a factorías que pretenden ser más ágiles y eficientes en sus procesos de manufactura. Esta agilidad y eficiencia es posible por el uso masivo de las tecnologías de la información y las comunicaciones [5].

La llegada del internet ha impulsado el uso creciente de herramientas digitales, en todos los entornos, sobre todo en el de educación, convirtiéndose en un desafío creciente para todas las instituciones, las cuales están enfocadas en establecer permanentemente un rendimiento alto, mediante la utilización de herramientas que están a la vanguardia.

La universidad 4.0 en el mundo tiene una variedad de experiencias que están en marcha; en todos los continentes existen documentos sobre el futuro de los estudios universitarios. Asimismo, existe una preocupación generalizada: ¿Podrá sobrevivir la

universidad al mundo inteligente resultado de los adelantos de la tecnología digital que trajo consigo la cuarta revolución industrial (4RI)? ¿Es posible pensar en la universidad del futuro como una inteligente que ha empezado su emergencia en la universidad 4?0?

Ahora se tienen más dudas que certezas, aunque, eso sí, las respuestas pueden encontrarse en las acciones que están por venir [6].

La presencia y el avance de las tecnologías de detección y de recomendación están ofreciendo grandes y determinantes oportunidades para desarrollar nuevos entornos de aprendizaje. Definitivamente el aprendizaje inteligente es un concepto extremadamente innovador.

Todo ello es prometedor, pero supone importantes desafíos que son claves para el desarrollo y la evolución de la nueva universidad que salga de las actuales disrupciones; aunque cabe destacar que estos entornos también desafían las prácticas educativas existentes y consolidadas, que se han utilizado durante siglos, e impulsan a los docentes y expertos educativos fuera de su zona de confort haciéndoles conscientes de las limitaciones de las prácticas de enseñanza y evaluación vigentes y la evidencia de que pueden mejorarse a través de estas nuevas posibilidades [7].

Esta revolución industrial está fuertemente basada en la innovación tecnológica que puede ser caracterizada por el IoT (Internet of Things), Big Data, Business Analytics, drones, producción flexible, impresión 3D entre otras innovaciones, siendo el principal desafío el cómo estas tecnologías son incorporadas en las organizaciones e instituciones educativas cuando incluso falta mano de obra capacitada. Industria 4.0 es una realidad que rápidamente va tomando espacios, marcando ventajas competitivas y estratégicas entre quienes la adoptan, donde la pregunta no es si hay o no que adoptar estas innovaciones sino cómo y cuándo hacerlo [8].

Las instituciones deben utilizar herramientas que logren conectar el aprendizaje con el uso de nuevas tecnologías, acortando brechas con el mundo exterior permitiendo una constante comunicación no sólo en su entorno educativo, sino también con sistemas educativos de otros países. Es importante destacar que no se trata únicamente de dejar al estudiante frente a una pantalla, donde no existe motivación por parte de un instructor ni relación física con otros estudiantes, se trata de unificar la educación con la tecnología, es decir utilizar herramientas que faciliten los procesos educativos. Una educación inteligente está brindada por un entorno educativo respaldado por tecnologías

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MSc. Edwin Barrientos-Avendaño, MSc. Yesenia Areniz-Arevalo

y dispositivos inteligentes, las cuales buscan ser ampliamente adaptadas en escuelas e instituciones de educación superior.

Las universidades de hoy adoptan ampliamente las tecnologías y sistemas, sin embargo las herramientas antes mencionadas deben explorarse de una forma amplia, que permita estudiar su efectividad, y que brinde mejoras en cuanto a su flexibilidad y tratamiento de necesidades novedosas y emergentes de la sociedad moderna [9].

La transformación de una universidad tradicional a una universidad inteligente implica más que utilizar tecnología, se trata de establecer un conjunto entre educación inteligente, salones inteligentes, aprendizaje inteligente y campus inteligente, cuando los anteriores conceptos se unifican, es posible hablar de universidad inteligente [10], algunas universidades comienzan haciendo cambios en ciertas áreas, como por ejemplo la utilización de carnets inteligentes con NFC, aplicaciones con códigos QR, que permiten el ingreso a ciertas áreas, mejorando así la seguridad [11]. Por otro lado, también se puede hacer uso de tecnologías inteligentes para crear un modelo de energía sostenible, que logra establecer puntos de calefacción y refrigeración a partir de fuentes de energía renovable y la implementación de acciones apropiadas dirigidas al ahorro de energía [12].

Las innovaciones tecnológicas han cambiado el modelo educativo y las interacciones entre el alumno y su entorno académico para adquirir y compartir conocimiento, de hecho, la aparición del concepto Smart University permite transformar el proceso de aprendizaje tradicional, haciendo uso de herramientas tecnológicas inteligentes; buscando satisfacer las necesidades de los estudiantes, garantizando métodos de aprendizaje efectivos.

Una universidad inteligente se basa principalmente en la integración de tecnologías de información en el proceso educativo, la aparición de este concepto permite aplicar un gran número de componentes que implican la adaptación del modelo educativo tradicional utilizando tecnologías informativas inteligentes, garantizando un entorno de aprendizaje colaborativo por capas, alimentado por datos que tienen un tratamiento especial para generar soluciones a necesidades planteadas.

Es un entorno donde las tecnologías pueden ser desarrolladas y puestas en uso, se basa principalmente en la integración de tecnologías como IoT, cloud computing, identificación por radio frecuencia,

tecnología de inteligencia ambiental, tecnología de realidad aumentada y virtual, sensores inalámbricos de red entre otros; estas tecnologías pueden ser examinadas y aplicadas para crear una evolución sostenible.

El campus inteligente puede caracterizarse por su capacidad de aprender sobre sí misma y, por lo tanto, ser capaz de auto optimizar estrategias de enseñanza y aprendizaje [13], para operar y mejorar el desempeño de las principales funciones empresariales y educativas; debe ser capaz de adaptarse, detectar información, inferir según la información obtenida, anticiparse a posibles necesidades que pueden surgir y, por último, ser capaz de organizarse y reestructurarse.

La universidad es el componente principal para el desarrollo del país, el cambio tecnológico y el desarrollo causan ciertas modificaciones en el sistema, que valen la pena superar para encontrarse con un entorno inteligente, que contribuye a resolver problemas y brindar servicios de alta calidad, la investigación como pilar fundamental debe ser enseñado a los estudiantes para complementar el uso de nuevas tecnologías.

La enseñanza en investigación cabe en los requisitos y necesidades de un entorno inteligente de aprendizaje, contribuyen a la creación de tendencias innovadoras gracias al uso de datos en la aplicación de nuevas tecnologías, las cuales dan soporte para la creación de servicios inteligentes, satisfaciendo las necesidades de los estudiantes; para implementar esto, el sistema requiere un conjunto de tecnologías inteligentes, métodos, hardware y componentes software, lo que aumenta las restricciones relacionadas con la adaptación al contexto, análisis de datos, predicción y recomendación dentro de un ambiente de aprendizaje.

Las universidades en particular han servido como una plataforma ideal para mostrar aplicaciones inteligentes para promover campus inteligentes, hoy en día es común ver proyectos dedicados a promover entornos inteligentes que sean capaces de analizar los datos y tomar decisiones con base en los datos capturados, haciendo uso de herramientas inteligentes y tecnologías de última generación. El futuro de la universidad tradicional reside en abrirse a la realidad presente. La universidad 4.0 está tendiendo a conformarse en un ente organizador de la formación y del aprendizaje, el cual diseñará la compleja arquitectura de la red de cocreación colaborativa y participativa entre nodos humanos y nodos inteligentes que intercambiarán y construirán la enseñanza y el aprendizaje [14].

4. Conclusiones Con la llegada de la industria 4.0 se puede concluir

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Universidad inteligente: Oportunidades y desafíos desde la Industria 4.0

que su visión importante es el apoyo de las tecnologías [4] C. D. Guerrero, J. A. Parra-Valencia, and D. de la información y comunicación con herramientas Rico-Bautista, “IoT: Una aproximación desde ciinnovadoras en diferentes áreas de aplicación como udad inteligente a universidad inteligente,” Rev. simuladores, monitoreo, optimización y que estas Ingenio UFPSO, 2017. permiten transformar y mejorar de una forma ágil los [5] C. Catalán, F. Serna, and A. Blesa, “Industria procesos de las organizaciones permitiendo el análisis 4.0 en el Grado de Ingeniería Electrónica y Aumasivo de los datos con los que cuentan, en este caso la tomática,” pp. 327–332, 2015.

Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, desde [6] R. Pedroza Flores, “La universidad 4.0 con cursu parte administrativa, de producción y académica. rículo inteligente 1.0 en la cuarta revolución industrial,” RIDE Rev. Iberoam. para la Investig.

Indiscutiblemente el papel de la universidad es y el Desarro. Educ., vol. 9, no. 17, pp. 168–194, fundamental en el liderazgo que debe asumir frente a 2018, doi: 10.23913/ride.v9i17.377. los procesos de transformación digital, para que puedan [7] M. Zapata-ros, “La universidad inteligente La verse reflejados en el desarrollo industrial y social, transición de los LMS a los Sistemas Inteligentes pues las instituciones de educación superior, dada de Aprendizaje en Educación Superior The smart su estructura, las tecnologías de punta que manejan, university,” vol. 57, no. 10, pp. 1–43, 2018. el recurso humano capacitado con que cuentan y el [8] L. Bearzotti, “Industria 4.0 y la Gestión de la Caespacio investigativo, sirven de trampolín para que las dena de Suministro: el desafío de la nueva revherramientas tecnológicas de vanguardia de la industria olución industrial,” pp. 0–6.

4.0 se incorporen y adapten más rápidamente y de [9] M. Coccoli, P. Maresca, L. Stanganelli, and A. manera óptima en las organizaciones.

Guercio, “An experience of collaboration using a PaaS for the smarter university model,” J. Vis. Conllevando esto a las universidades a repensar sus Lang. Comput., vol. 31, pp. 275–282, 2015, doi: currículos, para que los futuros profesionales adquieran 10.1016/j.jvlc.2015.10.014. las competencias necesarias para afrontar el mundo, [10] O. Akhrif, Y. E. B. El Idrissi, and N. Hmina, bajo los nuevos lineamientos que marcan la pauta en “Smart university: SOC-based study,” Proceedel sector tecnológico y digital, implicando que sean ings of the 3rd International Conference on Smart las instituciones las que se apropien primero de estas City Applications - SCA ’18. ACM Press, 2018, temáticas. doi: 10.1145/3286606.3286798.

[11] L. L. Ching, N. H. A. H. Malim, M. H. Husin, 5. Agradecimientos and M. M. Singh, “ICC - Smart university: A la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña reservation system with contactless technolodesde la División de investigación y extensión (DIE) gy,” in Proceedings of the Second Internationy al Grupo de Ingeniería en Innovación, Tecnología y al Conference on Internet of things, Data and Emprendimiento “GRIITEM” los cuales han sido un Cloud Computing - ICC ’17, 2017, p. 9, doi: gran apoyo para el crecimiento investigativo.

10.1145/3018896.3018903.

[12] W. Filho, J. B. Andrade Guerra, M. Mifsud, and 6. Referencias R. Pretorius, Universities as Living Labs for sus[1] J. F. A. Brito and P. J. E. Veliz, “Current tendentainable development: A global perspective, vol. cies in satelite communications and their role in 26. 2017.

5th generation of mobile networks ( 5G ),” Tele- [13] D. Rico-Bautista, L. L. Hernandez, and A. mática, vol. 17, no. 3, pp. 65–73, 2018.

Suárez, “La gamificación y arquitectura funcion[2] C. Morá Fernández, “Diseño de un sistema de al: Estrategia práctica en el proceso de enseñanseguridad de la información basado en la norma za/aprendizaje usando la tecnología,” Rev. IngeISO/IEC 27001:2013 para el instituto nacional de nio UFPSO, 2017. vías territorial Nariño,” no. June, p. 343, 2016.

[14] R. Pedroza Flores, “La universidad 4.0 con cur[3] B. Sánchez-Torres, J. A. Rodríguez-Rodríguez, rículo inteligente 1.0 en la cuarta revolución inD. W. Rico-Bautista, and C. D. Guerrero, dustrial / The university 4.0 with intelligent cur“Smart Campus: Trends in cybersecurity and riculum 1.0 in the fourth industrial revolution,” future development,” Rev. Fac. Ing., vol. 27, RIDE Rev. Iberoam. para la Investig. y el Desarno. 47, Jan. 2018, doi: 10.19053/01211129.v27. ro. Educ., 2018, doi: 10.23913/ride.v9i17.377. n47.2018.7807.

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Política Editorial Enfoque y Alcance La Revista Ingenio es una publicación editada por la Facultad de Ingenierías de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, tiene como objetivo promover, difundir y socializar el conocimiento científico, a través de los resultados de proyectos de investigación. La revista contribuye de esta manera a la actualización de estudiantes, docentes e investigadores de carácter nacional e internacional, y al desarrollo tecnológico y científico en el área de Ingeniería, principalmente las ramas de la ingeniería Civil, Mecánica, Sistemas y afines. Los manuscritos sometidos a la revista deben ser originales e inéditos, teniendo en cuenta su clasificación (Investigación, reflexión o revisión), los cuales pueden ser postulados en idioma español o inglés. De esta manera se procede a la revisión por pares evaluadores nacionales e internacionales teniendo en cuenta y dando cumplimiento a las normas éticas de la revista.

Público al que se dirige El público de interés son los investigadores en las áreas de la Ingeniería Civil, Mecánica, Sistemas y afines, de la región, del país y del exterior. Sus contenidos responden a estándares de calidad establecidos por el Código de Ética y Buenas Prácticas COPE. Todo trabajo sometido a la Revista debe ser oríginal e inédito y no haber sido publicado ni sometido de forma simultánea a otras revistas o medios de publicación.

1.1 Tipología de Artículos La Revista Ingenio adscrita a la Facultad de Ingenierías de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña publica los siguientes tipos de manuscritos: Artículo de Investigación: Documento completo que presenta de manera detallada los resultados originales derivados de proyectos de investigación o de desarrollo tecnológico finalizados.

Artículo de Reflexión: Documento original que presenta resultados de investigación desde una perspectiva analítica, interpretativa y critica del autor, sobre un tema específico, recurriendo a fuentes originales.

Artículo de Revisión: Documento resultado de investigación donde se organiza analiza y se integran los resultados de investigaciones publicadas o no publicadas sobre un campo en ciencia o tecnología, con el fin de dar cuenta a los avances y las tendencias de desarrollo. Se caracteriza por presentar una cuidadosa revisión bibliográfica de por lo menos 50 referencias.

1.2 Márgenes e interlineado Para la preparación del documento, el artículo debe ir en tamaño carta (21,59 x 27,94), ajuste los 4 márgenes a 2 cm. Se debe usar un interlineado sencillo (1,0). El cuerpo de trabajo debe ir a dos columnas, con un espaciado de 0,75 cm entre columnas, a partir de la introducción.

Los párrafos deben estar justificados, el primer párrafo después de cada sección o subsección no debe sangrarse; los párrafos siguientes deben sangrarse por 5 mm.

1.3 Títulos Título de sección: letra Times New Roman, tamaño 12, negrita. Debe ir con espacio de una línea antes del párrafo y sin espacio después del encabezado de la sección.

Subtítulo de sección: letra Times New Roman, tamaño 12, sin negrita. Debe ir con espacio de una línea antes del párrafo y sin espacio después del encabezado de la sección.

Sub-subtítulo: letra Times New Roman, tamaño 12, sin negrita y en cursiva. Debe terminar con un punto (período) completo y ejecutar en el texto del párrafo.

1.4 Numeración Las secciones deben estar numeradas con un punto que sigue al número y luego separadas por un sólo espacio.

Ej: Título: 1. Ingenio • Las secciones deben estar numeradas 1, 2, 3, etc.

• Las subsecciones deben numerarse 2.1, 2.2, 2.3, etc.

• Las subsubsecciones deben numerarse 2.3.1, 2.3.2, etc.

1.5 Ecuaciones Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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Las ecuaciones dentro de un artículo deben estar numeradas en orden de aparición. El número de ecuación va entre paréntesis y ajustado al lado derecho de la columna mientras que la ecuación va centrada. La ecuación debe escribirse utilizando el editor de ecuaciones MathType.

1.6 Figuras Todas las ilustraciones, gráficas, dibujos, imágenes, fotografías, etc., se citarán como figuras. Las figuras van numeradas en orden de aparición en el texto del artículo con números arábigos. (Por ejemplo: Figura 1.) Esto quiere decir que las figuras deben ser referenciadas desde el texto del artículo.

1.6.1 Pie de figura. Todas las figuras deben contar con un subtítulo. El subtítulo debe ser corto y no debe aparecer como un título. La leyenda debe ir ajustada al ancho de la figura, para figuras más anchas, centradas en el ancho de la figura, o, para figuras estrechas con subtítulos más anchos, debe ir extendida más allá del ancho de la figura. La palabra Figura, el número de consecutivo (ambos en negrilla) y el subtítulo van debajo de la figura por una distancia de 6 puntos, en tipo de letra Times New Roman tamaño 10. Si la figura tiene partes, incluya rótulos identificadores en el montaje. Los identificadores serán (a), (b). Las figuras deben estar embebidas en el documento con una resolución de 300 dpi, no deben adjuntarse por separado. Si la figura es tomada de otra fuente debe incluirse en la parte inferior la información correspondiente, con la frase Fuente: xxxxxxx.

Es importante resaltar que la figura debe ir insertada dentro de una tabla, sin bordes visibles. Ej:

1.7 Tablas Sitúe las tablas y figuras en el extremo superior o inferior de las columnas; evite ubicarlas en medio de las columnas.

Las tablas deben referenciarse dentro del documento como (Tabla 1). El título y contenido de la tabla debe ir en tipo de letra Times New Roman tamaño 10, alineado a la izquierda. El título debe estar ubicado antes de la inclusión de la tabla. La palabra Tabla, el número de consecutivo (ambos en negrilla). No se deben adjuntar imágenes como tablas, todas deben ser realizadas en Word (ver tabla 1). Si la tabla es tomada de otra fuente debe incluirse en la parte inferior la información correspondiente, con la frase Fuente: xxxxxxx.

Las tablas deben tener sólo reglas horizontales y no verticales. En general, sólo se deben usar tres reglas: una en la parte superior de la tabla, una en la parte inferior y otra para separar las entradas de los encabezados de las columnas. Las reglas de la tabla deben tener 0.5 puntos de ancho.

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1.8 Notación y Símbolos.

Cuando esté definiendo términos, variables, constantes, parámetros, símbolos, utilice aquellos que tienen uso generalizado o estandarizado. Esto le permite al lector tener un acercamiento más ágil con los temas que aborda el artículo. En efecto, cuando se están trabajando con variables generales es común utilizar las letras x, y o z para identificarlas así como aparecen, en cursiva.

1.9 Siglas o acrónimos: Los artículos pueden utilizar siglas o acrónimos pero deben definirse la primera vez que se mencionan en el texto, aunque ya hayan sido definidas en el resumen. Algunos ejemplos pueden ser “… objeto volador no identificado u ovni…”, “… IPC o Índice de Precios al Consumidor”, “… la OEA (Organización de Estados Americanos)…”. Dada la naturaleza de los artículos, algunas siglas o acrónimos provienen del inglés; en este caso la sigla debe definirse tanto en español como en inglés. Por ejemplo, la sigla HTML es un acrónimo de palabras inglesas y podría definirse como “… lenguaje de aumento de texto o HTML (hypertextmarkup language)…”. No traduzca las siglas de uso generalizado. Por ejemplo, utilice CPU (Central Processing Unit) y no UCP (Unidad Central de Proceso). Las siglas que contienen puntos deben escribirse sin espacios, es decir, “C.N.T.” y no “C. N. T.”.

1.10 Pie de página. Los pie de página deben ser restringidos al mínimo y se recomienda su uso para aclarar conceptos, no términos, recuerde que el lector tiene conocimientos del tema, por lo general no deben utilizarse.

Use números superíndices en el texto para indicar la referencia a un pie de página en particular.

2. Estructura para preparación de artículos Los artículos deben contener la siguiente estructura: 2.1 Artículos de investigación: Título en español e inglés Información de autores Resumen en español e inglés Palabras claves en español e inglés Introducción Explicaciones argumentadas (descripciones teóricas y estado del arte) Metodología Resultados Discusión Conclusión Agradecimientos Referencias bibliográficas 2.2 Artículos de reflexión Título en español e inglés Información de autores Resumen en español e inglés Palabras claves en español e inglés Introducción Reflexión Conclusiones Referencias bibliográficas Agradecimientos Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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2.3 Artículos de Revisión Título en español e inglés Información de autores Resumen en español e inglés Palabras claves en español e inglés Introducción Metodología Resultados y discusión Conclusiones Referencias bibliográficas (mínimo 50) Agradecimientos 3. Referencias Las referencias deben estar citadas dentro del texto del artículo. Las referencias deben ir en IEEE y deben ser citadas consecutivamente, en corchetes [1]. No es necesario mencionar al autor en la referencia a menos que sea relevante en el texto mismo. El punto de la frase sigue de los paréntesis [2]. Para citar múltiples referencias son numerados uniendo los números en los corchetes [3-4]. Una vez asignado un número a una referencia dada, el mismo número debe emplearse en todas las ocasiones en que ese documento sea citado en el texto. En el cuerpo del documento tampoco se mencionará la fecha de publicación.

Libros Iniciales y Apellido del autor, Título del libro en cursiva. Edición. Lugar de publicación: Editorial, Año de publicación.

Ejemplos [1] R. G. Gallager. Principles of Digital Communication. New York: Cambridge University Press, 2008.

[2] A. Rezi and M. Allam, “Techniques in array processing by means of transformations,” in Control and Dynamic Systems, Vol. 69, Multidimensional Systems, C. T. Leondes, Ed. San Diego: Academic Press, 1995, pp. 133-180.

[3] J. A Prufrock, Ed., Lasers, 2nd. ed. New York: McGraw-Hill, 2004.

Artículo de revista Iniciales y Apellido del autor, “Título del artículo entre comillas”, Título abreviado de la revista en cursiva, volumen (abreviado vol.), número abreviado (no.) páginas (abreviado pp.), Mes Año.

Ejemplos [4] G. Liu, K. Y. Lee, and H. F. Jordan, “TDM and TWDM de Brujin networks and suffflenets for optical communications,” IEEE Transactions on Computers, vol. 46, pp. 695-701, June 1997.

[5] S.-Y. Chung, “Multi-level dirty paper coding,” IEEE Communication Letters, vol. 12, no. 6, pp. 456-458, June 2008.

NOTA: Para referenciar artículos que aún no han sido aceptados para publicación, se empleará la frase “submitted for publication” en lugar de la fecha. Si han sido aceptados pero aún no aparecen publicados, usar “to be published” en lugar de la fecha.

Artículos publicados en conferencias Iniciales y Apellidos del autor, “Título del artículo de conferencia” in Nombre completo de la conferencia, Ciudad de la conferencia, Estado de la conferencia abreviado (si corresponde), año, páginas (abreviado pp.)

Ejemplos [6] N. Osifchin and G. Vau, “Power considerations for the modernization of telecommunications in Central and Eastern European and former Soviet Union (CEE/FSU) countries”, in Second International Telecommunications Energy Special Conference, 1997, pp. 9-16.

[7] G. Caire, D. Burshtein, and S. Shamai (Shitz), “LDPC coding for interference mitigation at the transmitter,” in Proceedings of the 40th Annual Allerton Conference in Communications, Control, and Computing, Monticello, IL, pp. 217-226, October 2002.

NOTA: La palabra “in” antes del título de la conferencia no se pone en cursiva.

Artículo presentado en conferencia pero sin publicar Iniciales y Apellido del autor, “Título del artículo de conferencia”, presented at the Título completo de la conferencia, Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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Ciudad de la Conferencia, Estado abreviado, Año.

Ejemplo: [8] H. A. Nimr, “Defuzzification of the outputs of fuzzy controllers”, presented at 5th International Conference on Fuzzy Systems, Cairo, Egypt, 1996.

Informes técnicos (informes, documentos internos, memoranda) Iniciales y Apellido del autor, “Título del informe”, Nombre de la empresa, Sede la empresa, Tipo de informe abreviado, Número de informe, Fecha de publicación.

Ejemplo: [9] K. E. Elliot and C. M. Greene, “A local adaptive protocol”, Argonne National Laboratory, Argonne, France,Tech. Rep. 916-1010-BB, 1997.

Tesis de máster o tesis doctoral Iniciales y Apellido del autor, “Título de la tesis o proyecto”, Clase de documento (tesis doctoral, trabajo fin de máster, etc.), Departamento, Institución académica (abreviada), Ciudad, Estado abreviado, Año.

Ejemplo: [10] H. Zhang, “Delay-insensitive networks,” M.S. thesis, University of Waterloo, Waterloo, ON, Canadá, 1997.

[11] J.-C. Wu. “Rate-distortion analysis and digital transmission of nonstationary images”. Ph.D. dissertation, Rutgers, the State University of New Jersey, Piscataway, NJ, USA, 1998.

De internet Iniciales y Apellido del autor (año, mes y día). Título (edición) [Tipo de medio, generalmente Online]. Available: Url Ejemplo: [14] J. Jones. (1991, May 10). Networks (2nd ed.) [Online]. Available: http://www.atm.com NOTA: los recursos en internet puede presentar una tipología muy variada (revistas, monografías, sitios web de entidades, bases de datos, etc.) En general, se citan como el documento impreso del tipo al que pertenecen añadiendo la indicación [Online] u otro tipo de medio por el que se transmitan, y el DOI (Digital Object Identifier) o url.

3. Envíos El autor deberá registrarse como usuario de la revista en la plataforma Open Journal System (OJS) mediante el siguiente enlace https://revistas.ufps.edu.co/index.php/ingenio/user/register , y Seguidamente se deberá ingresar a la plataforma y proceder con el envío del artículo (Plantilla del manuscrito) y los archivos complementarios: Carta de presentación y originalidad: Esta carta contempla los siguientes aspectos: que el trabajo sea original e inédito y no ha sido publicado en otras revistas o medios, aportación del trabajo que se presenta, confirmación de la autoría de todos los autores y su aportación intelectual y aprobación de la versión final del artículo. Si es del interés de los autores pueden recomendar tres expertos como posibles árbitros, indicando sus datos de contacto.

Los árbitros propuestos deben cumplir los siguientes requisitos: título académico mínimo de doctorado y contar con productividad científica reciente acorde a la temática del artículo presentado.

Acta de cesión de derechos: la cual solicitará a los autores le concedan la propiedad de sus derechos de autor, para que su artículo y materiales conexos sean publicados en cualquier forma o medio. A través de este documento ceden los derechos a la revista Ficha de Actualización de datos de los Autores: En donde se le solicita a los autores sus datos personales, formación académica y productividad científica.

Archivos complementarios: Si se utilizan figuras, fotografías, gráficos, dibujos, esquemas o cualquier otro material visual, distinto a las tablas, que van digitadas en el texto, deben adjuntarse los originales, debidamente marcados, así como los archivos magnéticos indicando el software empleado para su elaboración. En caso de utilizar una figura tomada de otro autor y, por ende, protegida por derechos de reproducción, se deben adjuntar todos los datos para el respectivo crédito, junto con la autorización escrita del autor o editor de la publicación original.

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4. Proceso editorial Una vez recibidos los manuscritos, el Comité Editorial de la Revista Ingenio verifica que cumpla con la política editorial establecida en las directrices para autores y comunica el resultado a los autores, emitiendo cualquiera de los siguientes dictámenes: Rechazado, Aceptado sujeto modificaciones y Aceptado para iniciar evaluación por parte de pares académicos. El Rechazo en esta fase de revisión puede generarse por cualquiera de las siguientes causales: a) El trabajo no es Original e inédito (uso de la herramienta TURNITIN) b) Los trabajos no se encuentren relacionados con las áreas de cobertura de la revista, c) Incumplimiento de la política editorial de la revista.

Para los trabajos sometidos a la revista y que superan la primera fase de revisión, el Comité Editorial asigna un mínimo de dos pares evaluadores nacionales e internacionales), bajo el "sistema de arbitraje Doble Ciego" (las identidades de autores y pares no son reveladas), quienes serán los encargados de garantizar la pertinencia, calidad y nivel de contribución de los manuscritos al campo de conocimiento. Producto de este ejercicio los revisores emiten un dictamen con su opinión y recomendaciones para la mejora del manuscrito.

Los evaluadores deben tener en cuenta las siguientes consideraciones.

• Sólo podrán aceptar la revisión de artículos en los que tengan suficiente conocimiento.

• Realizar las respectivas revisiones en los tiempos establecidos.

• Respetar la confidencialidad de la información que será publicada.

• Su opinión no podrá verse influenciada para consideraciones comerciales.

• Sus opiniones deben ser objetivas y constructivas • No podrán compartir información de aceptación o rechazo de artículos con personas externas del comité editorial de la Revista (El comité editorial también deberá tener en cuenta esta consideración).

Una vez recibidos los dictámenes por parte de los pares evaluadores, el Comité Editorial analizará y compilará las recomendaciones de los/as evaluadores/as, las cuales serán enviadas a los autores/as con la decisión final.

Decisión Comité Editorial El Editor y Comité Editorial una vez reciba los resultados de las evaluaciones emitidas por los jurados, definirá y comunicará a los autores cualesquiera de las siguientes respuestas: Aceptado: se publicará el trabajo como fue recibido y se le realizarán sólo ajustes de ortografía y estilo Aceptado con cambios menores: el trabajo será publicado cuando los autores acaten y/o sustenten los ajustes sugeridos por los evaluadores; estos serán revisados por el Comité Editorial y/o el par evaluador (si él lo estima necesario), quien decidirá si son aceptados o no.

Aceptado con cambios mayores: el trabajo debe ser corregido tanto en contenido como en forma según las sugerencias dadas por los evaluadores. La nueva versión del trabajo tendrá, otra vez, la valoración correspondiente por los pares quienes determinarán si los autores acataron las respectivas sugerencias.

Rechazado: El trabajo no es recomendable para su publicación.

Nota: Debido a los procesos de evaluación de la Revista Ingenio, no es posible asegurar a los autores la publicación inmediata de sus trabajos.

5. Consideraciones éticas Para la revista es importante mantener altos estándares de ética en la publicación de todos sus números razón por la cual toma las medidas necesarias para evitar el fraude y el plagio.

Fraude y malas prácticas. Se considera fraude científico, cualquiera de las siguientes formas: • Fabricación parcial o total de resultados por parte del autor.

• Falsificación, manipulación, modificación de datos por parte de los autores a su conveniencia.

• Omitir u ocultar de forma deliberada un hecho o dato.

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Plagio. Se considera plagio, cualquiera de las siguientes formas: • Un autor presenta como propias ideas, datos, resultados creados por otros.

• Realiza copia directa de un texto sin entrecomillar y citar la fuente.

• Paráfrasis y agradecimiento insuficiente.

Conflicto de interés: Los autores declaren cualquier conflicto de intereses en conexión con el artículo remitido. Si los hay, es imperativo que los identifiquen y expliquen cuál fue su relación con el trabajo presentado.

Procedimiento para tratar conductas inapropiadas La falta de ética o fraude puede ser informada al editor en cualquier momento, por cualquier persona, la cual debe suministrar información y pruebas suficientes para iniciar una investigación formal. El editor tomará la decisión de iniciar una investigación, consultar, buscar el asesoramiento de la editorial o la oficina jurídica, según sea el caso.

Según sea el caso o conducta se pueden tomar una o varias de las siguientes medidas: • Informar al autor o revisor, que se ha identificado un malentendido o mala conducta.

• Informar al autor o revisor por medio de una carta más robusta en la que se explique la conducta inapropiada y que sirva como advertencia para el futuro.

• Publicar una editorial en la que se detalle la conducta inapropiada.

• Enviar una carta oficial al director del departamento a donde pertenece el autor, revisor o institución patrocinadora.

• Retirar formalmente el artículo de la revista.

• Remitir un informe donde se reporte el caso y su resultado a una organización profesional o autoridad competente para investigación y acción.

Responsabilidades de los autores • Mantener registro y soportes de los datos del manuscrito y facilitar el acceso a los mismos en caso de solicitud.

• Ratificar que el manuscrito es original, no fue sometido ni aceptado para su publicación en otra revista o medio.

• Citar correctamente el contenido tomado de otras fuentes, en caso de coincidencia de contenido con un trabajo previo se debe citar la fuente.

• Obtener el permiso correspondiente para reproducir cualquier contenido de otras fuentes.

• Todos los estudios practicados en seres humanos o animales deben cumplir con las leyes y requisitos pertinentes • Declarar cualquier posible conflicto de interés • Informar al editor o editorial de la revista si se identifica un error significativo en su artículo.

• Apoyar el proceso de fe de erratas, adenda, corrigenda, o retiro del artículo, cuando se considere necesario.

• La información y los soportes utilizados en cada artículo son de responsabilidad directa de los autores, el Comité Editorial no se hace responsable por situaciones legales que se puedan presentar en referencia en cada artículo.

Se aclara que el envío del artículo NO garantiza que los autores no infringen derechos de autor y que el trabajo no ha sido publicado en otra parte ni está siendo sometido a evaluación para ser publicado en otro medio impreso o electrónico.

Responsabilidades de los revisores • Apoyar la toma de decisiones editoriales y ayudar a mejorar la calidad del trabajo a publicar por medio de la revisión objetiva del manuscrito, cumpliendo con las fechas de entrega.

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• Informar al editor de cualquier trabajo, enviado o publicado, que de algún modo sea similar al que está siendo objeto de revisión.

• Ser consciente de los posibles conflictos de interés.

Responsabilidades del Editor y Comité Editorial • Tomar la decisión final de publicación de un artículo con base en el cumplimiento de las políticas editoriales, normas éticas y en la opinión de los pares revisores.

• Divulgar posibles conflictos de interés • Mantener la confidencialidad de la información de los manuscritos

Revista Ingenio, 16(1), Enero-Diciembre 2019, ISSN 2011-642X – E-ISSN 2389-864X

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