Issuu on Google+

Journal de Investigaciรณn en Pregrado

Nยบ7


Journal de Investigación en Pregrado

Nº 7 | Noviembre 2016 Editore Jefe / Editor-in-Chief César Sáez Comité Honorario / Honorary Comitee Ximena Ferrada Amador Guzmán Wolfram Jahn Héctor Jorquera Mauricio López Sergio Maturana Carlos Marquardt Domingo Mery Rodrigo Pascual Álvaro Videla Magdalena Walczak Equipo Editorial / Editorial Team Felipe Castillo Alejandra Chaparro Cristina Contreras Vicente Gardulski Jaime González Romina López Constanza Ljubetic Ignacio Madrid Verónica Morales Matías Zanforlin Enzo Leiva Cristina Torres

Contenidos 02

Editorial

04

Investigación en pregrado

07

Oportunidades de investigación

12

Pasión por la Investigación

16

Ph.D. en la empresa

20

Investigación con impacto social

24

Innovación en sus inicios

29

Proyectos de la Escuela

33

En foco

INVESTIGACIONES DE LOS ALUMNOS 40

Evaluación del impacto ambiental de una partida de construcción antes y después de aplicar herramientas Lean

52

Análisis de concentración de contaminantes generados por una erupción volcánica

64

Coordinador Editorial / Editorial Coordinator Rocío Céspedes Jovan Kuzmicic

Reducción del consumo energético en plantas de electroobtención de Cobre utilizando aleaciones de Titanio recubiertos en óxidos metálicos

78

Diseño y Diagramación / Design and Layout Andrea Saavedra

Arquitectura de una zona de falla cortical y su comportamiento geoeléctrico: ejemplo en los Andes del Sur

90

Traducción / Translation International Center

Efecto del calentamiento óhmico en la salazón de Salmón Atlántico

98

Metodología para el diseño óptimo de contratos sistema producto-servicio

112 Diseño y construcción de prototipo STRATOS Small Tracking Research Automatic Telemetry Oriented System 124 Just Do It®, consejos para una comunidad de marca+ “Las opiniones vertidas en los artículos no representan el pensamiento de la Pontificia Universidad Católica de Chile y son responsabilidad exclusiva de sus autores”. © Permitida la reproducción citando fuente y autor.


02 / Editorial

Ciencia, innovación e interdisciplina Science, innovation and interdiscipline

R

econocemos a la ciencia como un proceso social de comunicación de ideas que construye bajo sólidos fundamentos los peldaños que nos acercan a las fronteras del conocimiento humano. Es aceptado ampliamente por los especialistas, que el esfuerzo conjunto de la humanidad ha generado tal cantidad de información científica especializada, que no existe ninguna persona en el mundo que pueda comprender o sintetizar toda esta información en su totalidad. Aceptamos que la innovación nos lleva a transformar nuevas ideas en elementos materiales para el beneficio de la humanidad, pero es la innovación de base científica la que cambia a la humanidad. Observamos en la interdisciplina una poderosa herramienta que nos confiere sinergias muchas veces insospechadas entre las distintas áreas del conocimiento humano, puesto que ofrece la posibilidad de síntesis de conocimientos que ninguna persona podría realizar por sí misma, en su propia área de especialización. Amalgamamos estos elementos para caracterizar el trabajo dedicado y sistemático de nuestros profesores y alumnos, apuntando

W

e understand science as a social process of communicating ideas that build, on solid foundations, the steps that bring us to the frontiers of human knowledge. Experts widely accept that scientific efforts have generated so much specialized information, that there is no single person in the world who can understand or synthesize all this information in its entirety. We accept that innovation could lead us to transform new ideas into tangible assets for the benefit of mankind. But it is science-based innovation that benefits humanity. Interdisciplinary work is a powerful tool that often gives us unimagined synergies between different areas of human knowledge, as it offers the possibility to synthesize knowledge that no single person could possibly conduct himself, in his own area of expertise. All these elements, amalgamated, can help us to characterize the systematic and dedicated work of our teachers and students, in benefit of the technological, social and spiritual human development.


Editorial / 03

al desarrollo tecnológico, social y espiritual de la persona humana. Estimados lectores, en este contexto me es muy grato presentarles la 7ma edición de nuestra revista I3, Investigación, Interdisciplina e Innovación. Como en los números anteriores, este lanzamiento es el resultado del trabajo abnegado y dedicado de muchas personas; profesionales, alumnos y profesores, que con un enorme espíritu de servicio y generosidad han hecho posible este nuevo lanzamiento que acerca el quehacer de nuestros alumnos en investigación interdisciplinaria de pregrado y las actividades de nuestros profesores a otros alumnos tanto de nuestra casa de estudios como de otras universidades del país y del mundo. En esta nueva edición se han mantenido las secciones periodísticas y de artículos científicos, con trabajos de muy alta calidad y notas de gran relevancia en nuestro quehacer local. Seguimos evolucionando hacia un medio de difusión cada vez más efectivo del trabajo científico y tecnológico de nuestra Escuela de Ingeniería, con miras a convertirse en un referente para la difusión de la investigación en pregrado, la promoción de interacciones y el potenciamiento de relaciones que permitan a nuestros alumnos abordar problemas cada vez de mayor complejidad, incrementando el impacto de sus aportes, y desarrollando un ecosistema que apunte a lograr grandes cambios en nuestro país y en el mundo.

Dear readers, within this framework of Interdisciplinary work, I am pleased to present the 7th edition of our Journal I3 Interdisciplinary Investigation and Innovation. As in previous issues, this edition is the result of selfless and dedicated work of many people with a wonderful spirit of service: professionals, students and teachers that made this new release. This issue puts forward the work of our students and teachers in interdisciplinary undergraduate research to other students both in our university and other universities in the country and the world. This new edition contains the traditional journalistic section; the very high quality scientific papers section and the notes section, of great importance in our local work. We continue to evolve towards an ever more effective means of dissemination of scientific and technological work of our School of Engineering. We endeavor to become a reference for the dissemination of research in undergraduate research, promoting interactions and the enhancement of relationships that enable our students to address problems of increasing complexity, increasing the impact of their contributions, and developing an ecosystem that aims to make big changes in our country and the world all over.

César Sáez Editor Jefe


04 / Investigación en pregrado

Programa Desafíos SinLímites

Estudiantes proponen soluciones a problemáticas de la industria Desafío SinLímites Program

Students propose Solutions for industry problems

A través de esta iniciativa, los alumnos viven una experiencia laboral única. Through this initiative, the students live a unic work experience.

A través de este programa del Centro de Innovación UC Anacleto Angelini las empresas contratan temporalmente a un alumno para el desarrollo de un proyecto, permitiendo de esta forma a las compañías aprovechar el potencial de los estudiantes y a los alumnos tener su primera experiencia laboral. Por Felipe Castillo Placencia

L

a iniciativa surge de la necesidad de generar una oferta de valor en relación a la inserción laboral de los estudiantes de la Universidad Católica. Como parte de su tesis de Sociología, Cynthia Maturana, actualmente coordinadora del programa, investigó cuál podría ser esa propuesta de valor y concluyó que, a través del centro, se

Through this program of the UC Innovation Center Anacleto Angelini, companies temporarily hire a student to develop a project, thereby allowing companies to benefit from the potential of the students and the students to have their first work experience. By Felipe Castillo Placencia

T

The initiative arises from the need to generate a value proposition related to the employment of students from the Catholic University. As part of his Sociology thesis, Cynthia Maturana, current program coordinator, investigated what could be this value proposition and concluded that, through the Innovation


Undergraduate research / 05

podía aprovechar la vinculación con empresas para impulsar la primera experiencia de trabajo de los estudiantes.

Center, the relation with companies could be harnessed to drive the first work experience of the students.

El programa Desafíos SinLímites busca vincular la universidad, la sociedad y el potencial de los alumnos para desarrollar soluciones innovadoras a problemáticas reales de una empresa o institución en un determinado tiempo de trabajo y, de esta forma, fomentar la inclusión temprana de los estudiantes en el mercado laboral. “Las empresas creen tan fielmente en el programa que los desafíos que ponen sobre la mesa son de nivel estratégico” explica Jaime Contreras, subdirector de Contenidos del Centro.

The Desafío SinLímites Program seeks to link the university, the society and the potential of the students to develop innovative solutions to real problems of a company or institution in a given time and, thus, encourage the early inclusion of students in the job market. “Companies believe so faithfully in the program that the challenges they bring to the table are of strategic level,” said Jaime Contreras, deputy director of the Center Contents.

Entre marzo y julio de 2015 participaron 11 instituciones, 23 estudiantes y se realizaron 14 desafíos. En la última versión del programa, realizada el primer semestre del 2016, se duplicaron las postulaciones e iniciativas alcanzando a alumnos diversas facultades de la universidad. Hay desafíos de carácter investigativo, otros de ejecución o más técnicos.

Between March and July 2015 11 institutions and 23 students participated, while 14 challenges were made. In the latest version of the program, carried out during the first half of 2016, applications and initiatives were doubled reaching students from several university faculties. There are investigative challenges, and others of execution or technical level.

En el futuro buscan desarrollar una red que conecte a todos sus participantes, cuenta Cynthia Maturana. Entre los próximos desafíos también están el de potenciar las áreas energía, minería y alimentos, ampliar el número de desafíos disponibles para los alumnos y potenciar la vinculación con los alumnos de postgrado.

In the future we would like to develop a network connecting all participants, says Cynthia Maturana. Among the next challenges they want to enhance the energy, mining and food areas, increase the number of challenges available for students and enhance the relationship with postgraduate students.

“ME INVOLUCRÉ EN LA EMPRESA Y LOGRÉ SENTIR PROPIA LA EXPERIENCIA”

‘I WAS REALLY INVOLVED IN THE COMPANY AND I COULD FEEL THE EXPERIENCE AS MINE’

Ivania Donoso obtuvo el Doble Título de Ingeniería en la UC y en École Centrale de Lille, Francia, entre 2012 y 2014. Actualmente es estudiante de Magíster en Ciencias de la Ingeniería y participó del programa SinLímites en el segundo semestre de 2015, desarrollando un proyecto para la empresa Aqua Health, única en Chile en la implementación de nuevas tecnologías de información en el área de la salud.

Ivania Donoso obtained a double title in Engineering at UC and the École Centrale of Lille, France, between 2012 and 2014. She is currently a student of the Master of Engineering Sciences Program and participated in the SinLímites challenge in the second half of 2015, developing a project for the company Aqua Health, the only company implementing new information technologies in the health business in Chile.

¿Por qué decidiste participar de SinLímites y cómo fue tu experiencia? “El desafío planteado por la empresa es precisamente lo que quiero hacer en mi vida. Me quiero dedicar a Health Analytics, básicamente aplicar inteligencia de máquinas, minería de datos relacionados con salud: fichas médicas,

Why did you decide to join SinLímites and how was your experience? ‘The challenge addressed by the company is precisely what I want to do in my life. I want to dedicate myself to Health Analytics, basically apply machine intelligence, data mining related to health: medical records, vital signs in the


06 / Investigación en pregrado

El Desafío SinLímites es una iniciativa pionera con la finalidad de integrar a los estudiantes de la UC en el ecosistema de emprendimiento e innovación nacional. Desafío SinLímites is a pioneer initiative aimed to integrate UC students with the national innovation and entrepreneurship ecosystem.

constantes vitales en la UCI. En Chile está recién comenzando, dado que solo algunos hospitales públicos tienen sistemas de información en línea. Mi experiencia fue buena y me permitió acceder a contactos que de otra forma no hubiese podido acceder en lo personal”. ¿Con qué empresa trabajaste y en qué consistió tu investigación? “El desarrollo de mi investigación en el programa contestó la pregunta ‘¿Qué se puede concluir de los datos de salud obtenidos o guardados al momento de usar TeleMedicina?’. Las respuestas fueron tres: mejoras en la ejecución de tareas de enfermeras, auto conocimiento del paciente y proyección de su estado de salud”. ¿Cómo proyectas que este aprendizaje te ayude en tu carrera profesional? “En mi caso, el desafío abordado está conectado con mi tesis de magíster y eso es motivante. Yo ya había realizado mi práctica profesional, pero logré nuevos vínculos, me involucré en la empresa y logré sentir propia la experiencia. Siento que el objetivo del programa se cumple al desarrollar nuevas habilidades. Además, esta experiencia me motivó a posiblemente realizar un doctorado más adelante en mi área de estudio”.

ICU. In Chile it is just beginning, because only some public hospitals have online information systems. My experience was good and allowed me to access contacts that otherwise could not have done personally’. In what company did you work and what was your research about? ‘The development of my research in the program answered the question “What can be concluded from the health data obtained or saved when using TeleMedicine?”. The answers were three: improved execution of nurse’s tasks, self-knowledge of the patients and projection of their health status’. How do you think this knowledge will help you in your career? ‘In my case, the challenge addressed is connected with my master’s thesis and that’s very motivating. I had already done my professional practice, but I got new contacts, I got involved in the company and I could feel the experience as mine. I feel that the program’s objective is met by developing new skills. In addition, this experience motivated me to possibly pursue a Ph.D. later in my career’.


Investigación en pregrado / 09 Oportunidades de investigación 07

¿Qué tan diferente puede ser investigar en una universidad de EE.UU.? How different can be research in a US university?

Los cinco pasantes en el capitolio del estado de Texas. The five interns in the Texas State Capitol.

Durante el verano de 2016, cinco alumnos de la Escuela de Ingeniería UC conformaron la primera generación que realizó una pasantía corta de investigación en la universidad de Texas A&M, Estados Unidos. Por Enzo Leiva

E

l año 2014, el proyecto desarrollado en conjunto por las escuelas de Ingeniería de la UC y la Universidad Federico Santa María se adjudicó el primer lugar del programa CORFO “Nueva Ingeniería para el 2030”. Uno de los cincos pilares del proyecto ganador consiste en la articulación de redes con instituciones de clase mundial. En ese contexto,

During summer of 2016, five engineering students of the Catholic University formed the first generation that made a short research internship at the University of Texas A&M, United States. By Enzo Leiva

I

n 2014, the project developed jointly by the schools of Engineering at Catholic University and University Federico Santa María won the first place of CORFO program “New Engineering 2030”. One of the five pillars of the winning project involves the articulation of networks with world-class institutions. In this context, the


08 / Oportunidades de investigación

Enzo Leiva trabajando en el laboratorio. Enzo Leiva working in the lab.

la Escuela de Ingeniería UC ha trabajado en el desarrollo de vínculos de colaboración académica y tecnológica con múltiples escuelas de ingeniería de todo el mundo.

Catholic University School of Engineering has worked on developing links of academic and technological collaboration with multiple engineering schools worldwide.

En el año 2015 Ingeniería UC logró concretar convenios con las universidades estadounidenses de Texas at Austin y Texas A&M, permitiendo que en julio de ese año alumnos de ambas universidades realizaran pasantías cortas de investigación en la Escuela de Ingeniería UC. De la misma forma, como eje principal del acuerdo, alumnos de distintas especialidades de Ingeniería UC fueron seleccionados para realizar, por primera vez, estadías cortas en las ya mencionadas casas de estudio.

In 2015 the UC School of Engineering managed to make agreements with the US universities of Texas at Austin and Texas A&M, allowing in July of that year students from both universities undertake short research internships at the UC School of Engineering. In the same way, as the main axis of the agreement, students from different UC engineering specialties were selected to perform for the first time, short stays in the aforementioned US Universities.

PRIMERA VERSIÓN DEL PROGRAMA DE PASANTÍAS CORTAS EN TEXAS A&M

FIRST VERSION OF THE PROGRAM OF SHORT INTERNSHIPS AT TEXAS A&M

En la primera versión del programa, desarrollada entre enero y marzo de 2016, cinco alumnos de pregrado participaron de distintos proyectos de investigación en Texas A&M: Vicente Gardulski (Tecnologías de la Información), Hernaldo Henríquez (Computación), Daniela Puma (Geotecnia), Ignacio Rodríguez (Ingeniería y Gestión de la Construcción) y yo, Enzo Leiva (Biotecnología). Por requisito del concurso (ver infografía), todos habíamos participado del programa Investigación en Pregrado (IPre) de Ingeniería UC. Además, cuatro de nosotros también compartíamos el hecho de haber articulado recientemente nuestros estudios

In the first version of the program developed between January and March 2016, five undergraduate students participated in different research projects at Texas A&M: Vicente Gardulski (IT), Hernaldo Henríquez (Computing), Daniela Puma (Geotechnics), Ignacio Rodríguez (Engineering and Construction Management) and myself, Enzo Leiva (Biotechnology). By requirement of the competition (see infographic), all of us had participated in the UC Research in the Undergraduate Engineering Program (IPre). In addition, four of us also shared the fact of having recently articulated our undergraduate


Research oportunities / 09

de pregrado con el programa de Magíster en Ciencias de la Ingeniería de la Escuela.

studies with the Master’s program Engineering Sciences in our university.

Texas A&M University (TAMU), es una de las universidades más grandes de Estados Unidos, con una matrícula de casi 65.000 estudiantes. Su principal dependencia es el campus de College Station, una pequeña ciudad ubicada a 140 km al noroeste de Houston, en el estado de Texas. Algo que nos llamó la atención era la manera en que la ciudad gira en torno a la universidad y sus clubes deportivos, lo que se evidencia en la gran cantidad de merchandising alusivo que es utilizado por la población local. Por otra parte, su condición de pueblo universitario hace que en College Station sea común encontrarse con gente de múltiples nacionalidades, especialmente asiáticos, y también varios latinoamericanos. Esto, entre otras cosas, contribuyó al interesante y llamativo contraste cultural entre los Estados Unidos, y especialmente el Estado de Texas, con nuestra propia experiencia universitaria en Chile

Texas A&M University (TAMU), is one of the largest universities in the United States, with an enrollment of nearly 65,000 students. Its main unit is the College Station campus, a small town located 140 km northwest of Houston in Texas. Something that struck us was the way the city revolves around the university and its sports clubs, as evidenced by the large number of allusive merchandising. Moreover, its condition as college town makes College Station is common to find people of many nationalities, especially from Asia, and from several Latin American countries. These, among other things, added to the interesting and appealing cultural contrast between the United States, and especially the state of Texas, with our own college experience in Chile.

En cuanto a los proyectos de investigación, nuestra experiencia fue dispar de acuerdo al grado de familiarización que cada uno tenía con su tema. “En mi caso, resultó bastante similar a lo que estoy haciendo en mi magíster, solo que usé un software que apuntaba a un fin distinto” señaló Vicente, que actualmente trabaja en el uso de softwares para potenciar el pensamiento crítico-matemático de niños en edad escolar. Por su parte, Daniela trabajó en el modelamiento de pilas de relaves mineros, que si bien guarda cierta relación con su tema de magíster (modelamiento en tranques de relave), “son estructuras muy distintas desde el punto de vista geotécnico”. En mi caso particular, que mi magíster se enfoca en el tratamiento biológico de aguas, debí ejecutar un proyecto radicalmente distinto, relacionado con Escherichia coli, una bacteria comúnmente utilizada en procesos productivos. La calidad de la investigación en TAMU se ve favorecida por la cantidad considerable de recursos económicos que posee la universidad, ampliamente reflejada en las más de 2.100 hectáreas del campus College Station. En el caso de Hernaldo, dado que el grupo de su profesor supervisor estaba en una fase de inicio, no dispuso de una gran cantidad de instrumentos. Sin embargo, Hernaldo sí pudo observar una gran disposición para adquirir, sin importar el costo, lo que fuera necesario para desarrollar su proyecto sobre reconocimiento de verduras

in

As for our research projects, our experiences were mixed, according to the degree of knowledge each of us had with our fields of study. “In my case, it was quite similar to what I’m doing in my master’s; I used only a software that pointed to a different purpose” says Vicente, who currently works in the use of software to promote critical-mathematical thinking in school children. Meanwhile, Daniela worked in modeling tailings piles, which, although somewhat related to her Master’s topic (modeling in tailing dams), “are very different structures from the geotechnical point of view”. In my case, as my Master’s is focused on the biological water treatment, I had to run a radically different project related to Escherichia coli, a type of bacteria commonly used in production processes. The quality of research at TAMU is favored by the considerable amount of economic resources owned by the university, widely reflected in the more than 2,100 hectares of the Station College campus. In the case of Hernaldo, since the group of his supervisor professor was in a startup phase, he did not have a lot of instruments. However, Hernaldo could observe a great willingness to acquire, regardless of the cost, whatever it took to develop his project on vegetables and seeds recognition through images. In his case, augmented reality lenses were obtained, which in Chile would have been probably more difficult and slow to get. However Ignacio, who worked in a research of building materials,


10 / Oportunidades de investigación

y semillas a través de imágenes. En su caso, se obtuvieron lentes de realidad aumentada, lo que en Chile hubiera resultado probablemente más difícil y lento. Ignacio en cambio, que trabajó en una investigación con materiales de construcción, señaló que “si bien el laboratorio TAMU contaba con equipamiento de punta, en Ingeniería UC contamos con instrumentos de un nivel suficientemente satisfactorio”. La relación y trato con los profesores fue otro aspecto en que se observaron algunas diferencias entre los pasantes. En general, todos trabajamos en un ambiente de bastante independencia, pero la supervisión de cada profesor se ejerció de forma distinta: con reuniones semanales para algunos y actualizaciones bastante más esporádicas para otros. No obstante, esto no fue mayor impedimento para la realización de los proyectos, ya que la mayoría contamos con la ayuda de estudiantes de postgrado. Por otro lado, Daniela sí tuvo algo más de suerte en cuanto a la cercanía que podría demostrar su profesor con ella. La razón principal, por muy obvia que resulte, fue que él era hispano-hablante nativo, por ser de nacionalidad argentina. POST-PASANTÍA: LAZOS DE COLABORACIÓN Y MÁS Al finalizar la pasantía, Vicente, Ignacio y yo recibimos la noticia de que los resultados obtenidos durante nuestra pasantía serían incluidos en artículos científicos, y por tanto seríamos co-autores de ellos. Es más, Vicente aún continúa trabajando desde Chile para lograr enviar la publicación antes de fin de año. Esto es claramente algo remarcable, ya que las publicaciones son la base de los currículums académicos. Lamentablemente, en el caso de Hernaldo, la idea inicial también era publicar en base a su proyecto, pero el grupo desistió. Si bien Daniela no recibió una noticia de este tipo, dada la relación previa existente entre sus profesores, se le anticipó que posiblemente continúen los lazos de colaboración donde ella podría estar involucrada. Además de lo anterior, Ignacio y Vicente recibieron invitaciones para continuar con estudios de postgrado en TAMU. En el caso de Hernaldo, al comentarle a su profesor supervisor su intención de realizar un magíster en otra universidad, el académico le propuso realizar su magíster con él, considerando

said that “although the TAMU laboratory had state-of-the-art equipment, the UC Engineering instruments have a sufficiently satisfactory level”. The relationship with professors was another aspect where some differences were observed among the interns. In general, we all work in an atmosphere of considerable independence, but the supervision of each professor was different: with weekly meetings for some and much more sporadic updates for others. However, this was not a major impediment to the realization of the projects, since most of us had the help of graduate students. On the other hand, Daniela did have a little more luck in terms of closeness that could prove her professor with her. The main reason, however obvious it may seem, was that he was Spanishspeaking native of Argentinean nationality. POST-INTERNSHIP: PARTNERSHIPS AND MORE At the end of the internship, Vicente, Ignacio and I received the news that the results obtained during our internship would be included in scientific papers, and therefore we would be co-authors in them. Moreover, Vicente continues to work from Chile in order to send the publication before the end of the year. This is clearly something remarkable, since publications are the basis of academic curricula. Unfortunately, in the case of Hernaldo, the initial idea was also to publish based on his project, but the group withdrew. Although Daniela did not receive this type of news, given the prior relationship between her professors, it is possible to continue with partnerships in which she could be involved in the furure. In addition to the above mentioned, Ignacio and Vicente received invitations to continue with their postgraduate studies at TAMU. In the case of Hernaldo and after telling to his supervisor professor the intention of carry out a master’s degree at another university, the professor proposed to make his master’s degree with him, also considering wide possibilities of getting a scholarship for funding. In my case, I didn’t receive a similar offer, given the important difference of research interests. However, my supervisor professor did offer to help me with, for example, letters of recommendation, often required by applications in the scientific and academic fields.


Research oportunities / 11

Infografía – bases 2015 Graphic Information – basis 2015

además amplias posibilidades de obtener una beca para su financiamiento. En mi caso particular, no recibí un ofrecimiento similar, dada la diferencia importante de intereses de investigación. Sin embargo, mi profesora supervisora sí me ofreció su ayuda, por ejemplo con cartas de recomendación, requeridas muchas veces por postulaciones en el ámbito científico y académico. En lo que respecta a otros concursos de este tipo, de acuerdo con Jorge Crempien, director de Relaciones Internacionales de la Escuela de Ingeniería UC, próximamente estaremos enviando un grupo de 11 estudiantes a repetir la experiencia. Las relaciones de la escuela con ambas universidades incluyen además otros espacios de colaboración, como los Fondos Semilla para investigaciones conjuntas desarrollados durante el 2016. En este último programa, también participaron instituciones como las universidades de MIT, Columbia y Notre Dame. Con esta última escuela de ingeniería existe un convenio más sólido, que incluye varios programas de doble-doctorado. De acuerdo con el señor Crempien, esto representa un ejemplo a seguir para los convenios que la Escuela quiere seguir desarrollando con otras instituciones. Entre ellas se encuentran las mencionadas universidades de Texas y otras instituciones con las que existen relaciones en una fase más temprana, como la Universidad de Columbia y algunas instituciones en Europa.

Regarding other such contests, according to Jorge Crempien, director of International Relations at the UC School of Engineering, in the coming weeks we will be sending another group of 11 students to live the same experience. School relations with both universities also include other areas of cooperation, such as seed capitals for joint research developed during 2016. In the last program, also participated institutions such as the universities of MIT, Columbia and Notre Dame. With this last engineering school there is a stronger agreement, which includes several double-doctorate programs. According to Mr. Crempien, this represents an example for agreements that the school wants to develop with other institutions. These include the aforementioned Texas universities and other institutions with which the relations are at an earlier stage, as Columbia University and some institutions in Europe.


12 / Pasión por la Investigación

Entrevista a Diego Celentano

La investigación “es un desafío continuo, uno no sabe a dónde va a llegar, sino sólo a dónde quieres ir” Interview to Diego Celentano

Research ‘is a continuous challenge; you never know where you will end up, but only where you want to go to’

El Profesor Diego Celentano y su equipo buscan resolver problemas cotidianos usando las ciencias de los materiales. Professor Diego Celentano and his team strive to solve daily problems using material sciences.

El profesor del departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica UC cuenta cómo se introdujo en las actividades investigativas, por qué y cómo su trabajo impacta no sólo en el mundo científico, sino que también académico trabajando muy de cerca con sus alumnos. Por Jaime González

P

rofesor del departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica de la Universidad Católica desde 2006, y nombrado Profesor Titular desde 2016, Diego Celentano destaca por su profunda vocación de académico e investigador. Su extensa experiencia ha sido reconocida mediante una serie de

The professor of the department of Mechanical and Metallurgical Engineering from the Catholic University tells us how he came into research activities, why and how his work has an impact on both the scientific and the academic world by working very close with his students. By Jaime González

P

rofessor of the department of Mechanical and Metallurgical Engineering of the Catholic University from 2006, and assigned full professor in 2016, Diego Celentano emphasizes his deep academic and research vocation. His extensive experience has been recognized


Passion for research / 13

distinciones, como el premio a la excelencia en docencia y a la excelencia en investigación y el Premio Responsabilidad Social (2015) otorgados por la Escuela de Ingeniería UC además de varios reconocimientos por artículos científicos de excelencia, como el Outstanding Paper Award Winner at the Literati Network Awards for Excellence que obtuvo en 2012. En el curso “Diseño de elementos de máquinas” enseña a sus alumnos a aplicar criterios de diseño para dimensionar elementos mecánicos, juegos para discapacitados en plazas públicas en 2015, implementos para deportistas paralímpicos en 2016. Estudió ingeniería en la Universidad de Buenos Aires, en Argentina, y obtuvo su Ph.D. en la Universidad Politécnica de Barcelona, en España. Luego se radicó en Chile, donde primero ejerció como profesor en la Universidad de Santiago de Chile (USACH) para luego integrarse a la Universidad Católica. ¿Cómo se interesó por el mundo de la investigación? “Cuando terminé la ingeniería civil, después comencé algunos cursos de postgrado, ocasión en la que tuve un profesor muy bueno. Él venía llegando del MIT, desde donde venía con toda la fuerza y una serie de conocimientos que a mí me deslumbraron. Entonces tomé algunos cursos con él, que eran extra curriculares, y ahí me contagió el bichito de la investigación. Pasión que ha permanecido todo este tiempo”. ¿Qué fue lo que más le atrajo de investigar? “Lo que me atrajo más fue la posibilidad de abordar problemas complejos y complicados con herramientas sofisticadas, que cada vez se pueden acercar más a una descripción real de lo que está pasando. Hasta hace no mucho, en la ingeniería y en la física había solamente un conjunto de ecuaciones que uno podía mirar y decir: está bien, muy bonito. Estos modelos tenían cierta belleza, pero la verdad es que faltaban técnicas para poder resolverlos. En los últimos años, sin embargo, se han podido obtener por lo menos soluciones aproximadas a las ecuaciones de todos esos modelos, lo cual es algo que antes no pasaba. Se abre una ventana enorme ahí, me refiero tanto a las herramientas matemáticas como computacionales, porque ambas han ido de la mano en todo este proceso y se han ido complementando. Los desarrollos matemáticos que antes eran pura teoría, con el advenimiento de la fuerza computacional recobraron valor y se han fortalecido mucho más”.

by a series of distinctions, like the award to excellence in teaching and research and the Social Responsibility Prize (2015) granted by the UC School of Engineering and plus several recognitions for excellence in scientific articles, like the Outstanding Paper Award Winner at the Literati Network Awards for Excellence obtained in 2012. During the course named ‘Design of machine elements’ he teaches his students to apply design criteria to size mechanical elements, games for disabled people in public places in 2015, and tools for Paralympics sportsmen in 2016. He studied Engineering at the University of Buenos Aires, in Argentina, and obtained its Ph.D. at the Polytechnic University of Barcelona, in Spain. Later in Chile, he was first enrolled as professor in the University of Santiago of Chile (USACH) and then soon joined the Catholic University. How did you become interested in research? ‘After I finished Civil Engineering, I started some postgraduate courses, occasion where I had a very good professor. He had just arrived from MIT, from where he came with a strong will and much knowledge, which dazzled me. Then I took some extracurricular courses with him, and there he triggered my interest for research. This passion has remained up to now’. What was the most appealing aspect of researching? ‘What attracted me most was the possibility of approaching complex and complicated problems with sophisticated tools, which every time can be closer to a more real description of what is happening. Until not long ago, in engineering and physics there was only a set of equations that one could look at and say: it is ok, very beautiful. These models had certain beauty, but the truth is that there was a lack of techniques able to solve them. Nevertheless, in the last it has been possible to obtain at least more approximate solutions to the equations of all those models, which is something that did not happen before. An enormous window opened there regarding either to mathematical tools or computational ones, because both are in line with all this process and they have been complementing each other. The mathematical developments that were pure theory before, have recovered value and they have been strongly strengthened with the arrival of new computing power’.


14 / Pasión por la Investigación

El Profesor Diego Celentano y su equipo presentando un juego infantil inclusivo. Professor Diego Celentano and his team introducing an inclusive playground game.

La investigación en esta época suele estar asociada a centros o universidades específicas ¿en qué medida ha sido así para usted? “Hay una parte de la investigación que está asociada a problemas tradicionales de la mecánica dentro de este departamento, y por ende dentro de la Escuela y la Universidad. Después otra parte importante la dedico al ámbito de materiales, si lo podemos encuadrar así. En ese sentido estoy ligado al Centro de Investigación en Nanotecnología y Materiales, CIEN UC. Además con algunos colegas he incursionado en desarrollos en el área de la ingeniería biomédica. En este momento soy jefe del Major en Ingeniería Biomédica y una parte de mi jornada está asociada al Instituto de Ingeniería Biológica y Médica (IIBM)”.

Research at this time is usually associated to centers or specific universities, to what extent it has been so for you? ‘A part of research is associated to traditional problems of mechanics within this department, and therefore within the School and the University. Then, another important part is dedicated to the field of materials, if we can classify it this way. In that sense I am bound to the Nanotechnology and Materials Research Center, CIEN UC. In addition, I have tackled developments in the area of biomedical engineering with some colleagues. At this moment I am Head of the Major in Biomedical Engineering and a part of my day is associated to the Institute of Biological and Medical Engineering (IIBM)’.

¿Qué impacto cree usted que tienen o podrían tener sus investigaciones? ¿Puede referirse a un caso concreto? “En el área de ingeniería mecánica creo que parte de lo que he hecho en el ámbito de procesos de conformado ha tenido algún impacto, en colaboraciones que hemos hecho con la industria. Por lo menos para que los ingenieros a cargo tengan alguna herramienta un poco más avanzada como para entender lo que está pasando, y sobre todo para que si quieren cambiar o mejorar alguno de los procesos, puedan hacerlo. Algo parecido ha ocurrido con mis análisis en el ámbito de materiales, sobre todo en el caso de empresas que se dedican a fundir piezas para la minería. Estos estudios han permitido que puedan predecir la microestructura y propiedades mecánicas de sus productos. En el área biomédica todavía no puedo decir que

What impact do you think your research has or might have? Can you mention a specific case? ‘In the field of mechanical engineering, I believe that part of what I have done in plastic forming processes has had some impact; via collaborations we have done with the industry. At least for the engineers to have a more advanced tool in understanding what is going on, and specifically for them to be able to change or improve some of the processes. Something similar has taken place with my analysis on the field of materials, mainly in the case of companies dedicated to melt parts for the mining industry. These studies have allowed them to predict the microstructure and mechanical properties of their products. In the biomedical area, I cannot say that it has had an impact yet, although I have recently started to work with a doctor of medicine and


Passion for research / 15

haya tenido impacto, si bien estoy trabajando de manera incipiente con un doctor en medicina y otros colegas. Potencialmente sí lo tendría. Hemos hecho, por ejemplo, caracterización de tejidos blandos, de materiales para prótesis, etc. Eso evidentemente debería ser un aporte interesante para la medicina”. ¿Podría mencionar alguna experiencia gratificante asociada a la investigación? “Yo creo que una de las experiencias más gratificantes es el trabajo en equipo. Con colegas en parte, pero sobre todo con estudiantes. Es muy gratificante ver cómo las personas se meten en un tema y al final saben más que uno. Después pueden desenvolverse y hacer investigación de manera independiente. También es bueno saber que la investigación que uno hace tiene algún impacto, y me parece importante que la investigación en ciencias básicas e ingeniería tenga ese impacto”. ¿Qué haría usted para cambiar el mundo de la investigación universitaria para hacer que más personas se introduzcan en él? “Es importante no aflojar con la difusión y darle importancia a la investigación. Yo diría que si bien captamos alumnos para hacer investigación, los números no son lo que quisiéramos, por lo menos en este departamento. Entiendo que puede haber otras opciones y también hay gente que quiere investigar afuera, lo cual es perfectamente válido, pero podría fomentarse más el interés de los alumnos en hacer estudios de posgrado en nuestra universidad”. ¿Qué lo motiva a seguir investigando? “Como actividad intelectual, está en la cima. Es un desafío continuo, uno no sabe a dónde va a llegar, sino sólo a dónde quieres ir, lo cual va cambiando todo el tiempo. Es un trabajo creativo, que quita el sueño (en el buen sentido) y hace feliz a la persona. Entonces lo que te impulsa es el deseo de saber más y de resolver problemas que antes no se podían resolver. Además que tus resoluciones pueden tener un alto impacto. Mientras más alto sea, mejor, aunque eso a veces puede ser más complejo. Pero al menos eso, se abre un mundo impresionante de oportunidad al investigar ¡Y es lo más opuesto a la rutina que hay!”.

other colleagues. Potentially, it would have an impact. We have done, for example, the characterization of soft tissues, materials for prosthesis, etc. Evidently it would have to be an interesting contribution to medicine’. Could you mention some gratifying experience linked to research? ‘I think that one of the most gratifying experiences is teamwork with colleagues, to an extent, but especially with students. It is highly gratifying to see people getting involved with a subject, who end up knowing much more than myself. They can later on be able to develop and do research independently. It is also good to know that someone’s own research has some impact and I think it is important that research on basic sciences and engineering do have this impact’. What would you change in university research to immerse more people in research? ‘It is important not to relax as to its promotionand to give importance to investigation. I would say that although we enroll students to do research, the numbers are not what we expected, at least in this department. I understand other options may arise and also that there are people who want to do research abroad, which is perfectly valid, but the interest of students in following postgraduate studies in our university could be fostered more’. Which is your motivation to go on doing research? ‘As an intellectual activity, it is on the top. It is a continuous challenge; you do not know where are you going to end up, but only where you want to go to, which is changing all along. It is a creative work that takes your sleep away (in the good sense) and makes the person happy. Then what impels you is the desire of knowing and solving more problems that could not be solved before. In addition, your resolutions can have a high impact. The higher it is, the better, although sometimes this can be more complex. But at least, that opens an impressive world of opportunities when investigating. And it is fully opposed to routine!’


16 / Ph.D. en la empresa

Entrevista a Hernán de Solminihac

El impacto que puede generar un Ph.D. en el sector público Interview to Hernán de Solminihac

The effect of a Ph.D. in the public sector

Hernán de Solminihiac, académico, investigador y ministro de Obras Públicas. Hernán de Solminihiac, academic, research and minister of Public Works.

En 2010 en plena consolidación de su carrera académica, el profesor Hernán de Solminihiac fue designado ministro de Obras Públicas, oportunidad en la que su formación y experiencia fueron claves y que le permitió aportar a la sociedad desde otra esfera y enfrentar desafíos de relevancia nacional. Por Verónica E. Morales C.

H

ernán de Solminihac es Profesor Titular y director del departamento de Ingeniería y Gestión de la Construcción de la UC, Ingeniero Civil de Industrias de la Pontificia Universidad Católica de Chile, Magíster y Doctor de la Universidad de Texas Austin (Estados Unidos). En su trayectoria

In the midst of his academic career consolidation in 2010, Professor Hernán de Solminihiac was appointed minister of Public Works, when his formation and experience from other field were key factors to contribute to the society and tackle nation-wide challenges. By Verónica E. Morales C.

H

ernán de Solminihac is full professor and Head of the Engineering and Construction Department of the Catholic University, Industrial Civil Engineer from the Catholic University of Chile, Master and Ph.D. from Texas Austin University (United States). During his 30-


Ph.D. in the industry / 17

de 30 años en el campo universitario, ha sido decano y director de DICTUC, pero sus aportes como profesional también se han expandido al ámbito público, donde le tocó uno de los desafíos más importantes de su carrera: apoyar la reconstrucción del país después del terremoto de febrero de 2010 como ministro de Obras Públicas entre 2010 y 2011 y luego como ministro de Minería entre 2011 y 2014.

year expertise in the academic field, he has been dean and principal of DICTUC. His professional contribution has also extended to the public sector, where he had to tackle one the most relevant challenges in his career: supporting the country reconstruction after the earthquake of February 2010, when he acted as Minister of Public Works between 2010 and 2011 and later on, as Minister of Mining between 2011 and 2014.

¿Se imaginó en algún momento que iba a trabajar en el sector público? “No, para nada. La verdad es que cuando tomé la decisión de hacer una carrera académica era prácticamente una decisión de por vida y de hecho estaba desarrollando una carrera interesante dentro de la universidad. La invitación a participar en el gobierno fue algo inesperado, aunque obviamente también fue una alegría que me consideraran para un cargo tan importante”.

Did you ever think you were going to work in the public sector? ‘Not at all. The truth is that when I made the decision to follow an academic career it was practically a for-life decision and, in fact, I had an interesting career at the university. The invitation to take part in the Government was unexpected, and obviously it was a pleasure to be considered for such an important position’.

Para usted ¿cuál ha sido su principal contribución a la sociedad desde el sector público? “Un caso particular que me tocó y del cual estoy muy orgulloso es la reconstrucción, que realmente no estaba en los planes de nadie y asumimos el compromiso con un terremoto en las espaldas y logramos en muy corto tiempo en el área de infraestructura recuperar el país con el apoyo de todos. Y por lo tanto, creo que ese trabajo coordinado de todos los que estuvimos ahí, realmente es un orgullo y me siento muy bendecido de haber tenido esa oportunidad de participar”. Desde su experiencia, ¿cómo puede contribuir un Ph.D. a la sociedad desde el sector público? “En mi caso, mi formación me ayudó primero a constituir equipos multidisciplinarios, y segundo, a tener las herramientas para buscar la solución a los problemas que estábamos enfrentando en ese momento. Yo creo que es importante que ojalá muchas personas que tienen formación significativa académica, tengan una participación activa en algún momento de su vida en el sector público, porque realmente no se imaginan el aporte que pueden hacer y el beneficio que puede significar para todos los chilenos. Hay que reconocer que si el sector público no aporta adecuadamente al desarrollo del país, el desarrollo va a ser más lento y va a afectar a toda la sociedad, incluyendo a los privados”.

For you, which has been the main contribution to society from the public sector? ‘A particular situation I had to deal with, which I feel very proud of, was the reconstruction process that in nobody’s plans. We assumed the commitment, holding an earthquake on our shoulders, and we succeeded in the recovery of the country’s infrastructure in a very short time with the help of many people. So, I believe that the coordinated work of all who were involved is a real pride. I feel blessed for having that chance to take part in the process’. From your experience, how a Ph.D. can help society from the public sector? ‘Firstly, in my case, my formation helped me to establish multidisciplinary teams, and secondly, to have the tools to look for solutions to the problems we were facing then. I believe it is important that hopefully as many people who have a significant academic formation take an active participation in the public sector at some point during their lifes, because they cannot anticipate the extent of their contributions and the benefits it might imply for all Chileans. It is necessary to recognize that if the public sector does not contribute properly to the development of the country’s, the development will become slower and it is going to affect the entire society, including the private sector’.


18 / Ph.D. en la empresa

Hernán de Solminihiac fue ministro de Obras Públicas durante el periodo 2010-2011. Hernán de Solminihiac was minister of Public Works during the period 2010-2011.

¿Qué es para usted un Ph.D.? “Es una persona que tiene conocimientos avanzados en un cierto tópico, pero además tiene las herramientas para enfrentar nuevos desafíos. Por lo tanto, una persona que tiene un doctorado está llamada a liderar y a producir cambios en la sociedad en distintos niveles, de modo que el país que vayamos generando sea un país mejor que el que recibimos. Por lo tanto, creo que el trabajo que tiene una persona con un doctorado es justamente ayudar a que tengamos una mejor sociedad y un mejor país”. ¿Cómo equilibrar y combinar Ph.D. y política para un resultado óptimo? “Si se tiene un objetivo común es muy fácil equilibrar todos los puntos. Lo más importante es definir cuál es el objetivo que debemos alcanzar. Claramente una persona que tiene un doctorado tiene que ayudar a que se avance en los conceptos que su formación le permite para alcanzar ese objetivo. Debe ser complementado con el trabajo de otras personas que tienen otras condiciones, otras ventajas, y la verdad que el trabajo en equipo es el que realmente puede ayudar a producir esos cambios que andamos buscando. Los grandes desafíos se pueden enfrentar a través de equipos multidisciplinarios entre gente con visión humana, técnica y política, y el equipo completo es el que finalmente logra avanzar en la sociedad”.

What is a Ph.D. for you? ‘It is a person with an advanced knowledge on a certain topic, and additionally who has the tools to face new challenges. Therefore, a person who has a doctorate is called to lead and to produce changes in society at different levels, so that the country we create is a better country than the one we received. Therefore, I believe that the work of a person with a doctorate is exactly to help us to have a better society and a better country’. How can we balance and combine a Ph.D. and politics for an optimum result? ‘By having a common goal it is very easy to keep balance. The most important thing is to clearly define the objective we must reach. Clearly a person who has a doctorate must be able to help making some progress, allowed by the knowledge acquired through their formation, in order to reach that objective. This must be complemented with the work of other people who has other expertise, other advantages, and the truth is that team work is what really can help us produce the changes we are looking for. The great challenges can be faced through multidisciplinary teams among people with human, technical and political vision, and the whole team is the one that finally succeeds to push the society forward’.


Ph.D. in the industry / 19

¿Cómo puede motivar la universidad a los estudiantes de posgrado (actuales y futuros) para trabajar en el sector público, y aportar al desarrollo del país? “Yo creo que la única forma más significativa para motivar a personas que se involucren en el sector público es mostrando cuáles son las cosas que se pueden hacer, cuál es el impacto que se puede producir, invitando a personas que están jugando un rol importante que vengan a contar su experiencia, y la participación de nuestros estudiantes en algunas labores del sector público. Por lo tanto, ojalá tengamos en los programas, cursos, o investigaciones, alternativas para que los alumnos puedan participar en el sector público, y no solamente cerrarla a un tipo de campo qué puede ser científico, industrial, o cosas muy específicas. Nosotros como profesores, a través de las mismas tesis, algunas aplicaciones, y experiencias en cursos, también podemos motivar a un porcentaje importante de alumnos a que consideren como una alternativa cierta el pasar parte de su vida profesional aportando desde el sector público”.

How can University motivate post-graduate students (current and future ones) to work in the public sector and help in the country’s development? ‘I think that the only significant way to motivate people to get involved in the public sector is by showing them the things that can be done, the impact they might have, and inviting people that are playing important roles to tell us about their experience and the participation of our students in some activities in the public sector’. So, hopefully we will include classes or research in our programs, which might be alternatives for the students to take part in the public sector and not only limit it to a type of scientific, industrial or specific fields. We as professors through their very thesis, special applications or experiences during courses, are the ones that can motivate a relevant percentage of students to consider spending part of their professional life in contributing from the public sector as a real alternative’.


20 / Investigación con impacto social

Proyecto educativo sobre sustentabilidad:

Buscan que colegios puedan generar energía a partir de residuos orgánicos Educational project on sustainability:

Looking for schools to generate energy from organic waste

La Facultad de Educación y la Escuela de Ingeniería UC trabajando en conjunto para brindar soluciones sustentables en Villarrica. UC Faculty of Education and School of Engineering working together to develop sustainable solutions for Villarrica.

La Araucanía es el escenario de este proyecto académico que busca producir gas metano a partir de residuos orgánicos, con el objetivo de acercar la ciencia a los escolares y generar mayor consciencia social. Por Alejandra Chaparro

L

a Facultad de Educación de la Universidad Católica en Villarrica, la Oficina de Sustentabilidad y la Escuela de Ingeniería de la UC, además de la fundación Siemens, son los impulsores de esta iniciativa llamada “Instalación de prototipos de biodigestores para complementar las

The scenario for this academic project is ‘La Araucanía’ region and it is aimed to produce methane gas from organic waste, for bringing science closer to students and generating larger social awareness. By Alejandra Chaparro

T

he Education Faculty of the Catholic University in Villarrica, the Sustainability Office and the UC School of Engineering, together with Siemens foundation, are all the promoters of this initiative named ‘Installation of bio-digester prototypes to complement the


Research with social impact / 21

necesidades energéticas en escuelas de la Araucanía”. Este proyecto nace en el marco del programa “Experimentos +” focalizado en el fortalecimiento a nivel escolar de la educación en las ciencias, a través de la indagación, es decir aprender “haciendo”, y que lleva más de tres años ejecutándose en la Araucanía. El proyecto, que obtuvo financiamiento a través del Fondo de Acceso a la Energía (FAE) del Ministerio de Energía, consiste en la instalación de un biodigestor (reactor para desechos orgánicos) y de un invernadero en escuelas rurales de la región para la producción de gas metano y hortalizas. El objetivo de integrar su funcionamiento a los contenidos de los ramos escolares de ciencias naturales y entregar de esta forma conocimientos sobre la transformación de la materia, el uso de energías limpias, el aprovechamiento de los residuos y el trabajo con fertilizantes naturales. A largo plazo, esta iniciativa busca desarrollar nuevos métodos de generación de energías limpias y que las escuelas sean capaces de autoproveerse recursos, además de generar mayor conciencia social en la población, desde edad temprana, sobre la necesidad de ejercer prácticas amigables con el medio ambiente.

energy needs at schools in La Araucanía’. This project is developed within the framework of the ‘Experiments +’ program focused on the strengthening the teaching of science at schools through research– learn by doing–which has been done in La Araucanía for more than 3 years. The project, whose funding was obtained from the Energy Access Fund (FAE) belonging to the Ministry of Energy, consists in the installation of a bio-digester (a biological reactor for organic waste) and a greenhouse in rural schools of the region for methane gas and vegetables production. The aim is to integrate its operation within the school’s natural sciences classes, thus providing knowledge on the transformation of matter, usage of clean energies, waste reutilization while working with natural fertilizers. This initiative looks for the development of new methods for clean energy generation and for the schools to be able to self-provide resources in the long term, and also to generate larger social awareness within the population, from an early age, on the necessity of friendly practices with the environment.

El proyecto es impulsado por Martín Bascopé, académico del campus Villarrica de la UC y coordinador del programa “Experimentos +”, el profesor César Sáez del departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos UC y Nicolás Labra de la Oficina de Sustentabilidad UC.

The project is promoted by Martin Bascopé, teacher at the Villarrica campus of the Catholic University and by the coordinator of the ‘Experiments +’ program, professor César Sáez of the Catholic University Department of Chemical Engineering and Bio-processes and Nicolás Labra of the UC Sustainability Office.

Los dos últimos están a cargo del diseño, implementación, monitoreo y ajustes de los biodigestores. Cuando Bascopé los invitó a sumarse al proyecto identificaron ciertos problemas técnicos. En un comienzo se creía que los biodigestores serían una capacidad instalada de energía y que iban a suplir algunas operaciones básicas energéticas de las escuelas. Sin embargo, se determinó que no era posible, ya que la calidad del gas que se produce es variable y en primera fase los números estaban siendo muy optimistas. Dadas estas complicaciones, Sáez y Labra comenzaron a realizar pruebas para analizar, en base a las condiciones exteriores y tipo de desechos, las posibilidades de producir gas metano. También trabajaron en el diseño, dado que es un artefacto con fines educativos y que en el futuro será manipulado por alumnos y profesores.

Both César and Nicolás are in charge of the design, implementation, monitoring and adjustments of the bio-digesters. When Bascopé invited them to take part in the project, they identified certain technical problems. At the beginning, the bio-digesters were thought that would be considered as installed available power capacity in order to fulfil basic energy requirements at the schools. Nevertheless, this was not possible because the quality of the gas produced is variable and the numbers were very optimistic in the first stage. Given these complications, Sáez and Labra began to carry on some analysis tests, on the basis of outer conditions and the type of waste, about the possibilities of producing methane gas. Also they worked in the design, since it is a device for educational purposes which in the future will be manipulated by students and professors.


22 / Investigación con impacto social

Modelos a escala de los biodigestores desarrollados. Scale models of the developed biodigesters.

Un primer prototipo se encuentra instalado actualmente en el campus Villarrica de la UC en fase de evaluación y perfeccionamiento para luego comenzar a instalar en las escuelas de la zona. Actualmente Nicolás plantea que uno de los grandes desafíos del proyecto es como lograr una correcta implementación, ya que se debe controlar la temperatura, un aspecto complicado de manejar en Villarrica. Algunos factores que influyen es la humedad del suelo o si ha llovido o no, por lo que se evaluaron diferentes diseños para que el entorno sea lo más estable posible. Otro desafío es la mezcla que se introduce al biodigestor. Los elementos que ingresan son agua, guano y residuos orgánicos, los cuales deben estar mezclados de manera correcta para que el proceso se realice de manera óptima. La idea es que este proceso sea lo más simple posible y con el uso del menor nivel de tecnología.

A first prototype is currently installed in the UC Villarrica Campus, which is being evaluated and improved to begin installing at the schools of the zone very soon. At present, Nicolás states that one of the great challenges of the project is how to assure a correct implementation because temperature needs to be controlled, and this is rather complicated in Villarrica. Some of the influencing factors is soil moisture or if it has rained or not, reason why different designs were assessed for the environment to be as stable as possible. Another challenge is the mixture introduced to the bio-digester. The incoming elements are organic water, guano and residues, which must be correctly mixed, so that the process is ideally executed. The idea is this process to be as simpler as possible using the smaller level of technology.

INVOLUCRAR A LA COMUNIDAD CON EL PROCESO DE RECICLAJE

INVOLVING THE COMMUNITY IN THE RECYCLING PROCESS

Desde su experiencia, Nicolás Labra plantea que cuando un proceso de reciclaje como este se acerca a las personas, se genera conciencia ambiental de manera mucho más profunda. Esto porque están involucrados en el funcionamiento y en la obtención de productos que les serán sumamente útiles. Esa es la gran diferencia al generar un proceso educativo que implique la manipulación

Based on his experience, Nicolás Labra states that when a recycling process like this one comes closer to people, environmental awareness is more strongly created. The reason for this is that they are involved in the operation and the products obtained will be extremely useful to them. That is the major difference when creating an educational process that implies the manipulation of the


Research with social impact / 23

del sistema en vez de aprenderlo de forma teórica. Esto además produce interés por la ciencia aplicada tanto en profesores como alumnos. La comunidad comienza a entender que la ciencia es útil en el día a día.

system instead of learning it theoretically. Additionally, an interest on applied science is created in professors and students. The community begins to understand that science is useful in day-to-day activities.

El proyecto también busca involucrar a las regiones de Chile en el proceso de reciclaje dado que esta tendencia es más común en Santiago, donde hay un mercado de empresas que se dedican a procesar desechos inorgánicos. En la Araucanía y en el sur de Chile en general existen las condiciones necesarias para procesar desechos orgánicos, pero falta un incentivo o una tendencia. Con este tipo de proyectos se le invita a la comunidad a hacerse parte y a ser consciente del reciclaje a otro nivel, por medio de la generación de herramientas que les permita empoderarse y participar de esta tendencia mundial.

The project also seeks to engage all the regions of Chile into recycling because this trend is more common in Santiago, where there is a market of companies devoted to processing inorganic waste. In La Araucanía and Southern Chile, the necessary conditions to process organic waste generally exist, but an incentive or a trend is still missing. Through this type of projects the community is invited to take part and to become aware of recycling at another level, through the generation of tools that allow them to be empowered and to participate in this world-wide trend.

La visión a largo plazo que Nicolás Labra posee del proyecto es que en un futuro la gente haga una mejor gestión de sus residuos. Hoy en Chile eso no está pasando porque todo se va a la basura común, pero la idea a futuro es que se posean biodigestores a menores escalas. Es por esto que el monitoreo y perfeccionamiento del dispositivo cobra real importancia. La ingeniería y la sustentabilidad poseen un rol fundamental, ya que estas áreas pueden aportar con amplios conocimientos y generar guías para que la población sea capaz de gestionar sus residuos de manera efectiva y fácil. La instalación de biodigestores en la Araucanía es una idea inédita e innovadora, que se espera pueda ser replicada en otras escuelas e incluso en otros contextos. Esta es la meta a largo plazo.

The long-term vision of Nicolás Labra about the project is that people will apply a better waste management. In Chile this is not taking place today, because everything is thrown away as ordinary litter, but the idea in the future is that small-scale bio-digesters will be controlled. That is why device monitoring and improvement is really important. Engineering and sustainability play a fundamental role, for these areas can provide broad-spectrum knowledge and create guidelines for the population to manage their waste effectively and easily. The installation of bio-digesters in La Araucanía is an unprecedented and innovating idea, which is expected to be replicated in other schools and other contexts. This is the long-term goal.

Presentación y lanzamiento de los prototipos biodigestores a cargo de Martín Bascopé, César Sáez y Nicolás Labra. Presentation and inauguration of the biodigesters prototypes by Martín Bascopé, César Sáez and Nicolás Labra.


24 / Innovación en sus inicios

Ciencia en la sala de clases:

Alumnos inventan método para medir colesterol mediante muestras de saliva Science in the classroom:

Students invent a method to quantify cholesterol by means of saliva samples

Equipo de Daeki. De izquierda a derecha: Diego Álvarez, Ivanna Araya, Vicente Herrera, Amanda Céspedes y Camilo Berríos. Daeki Team. From left to right: Diego Álvarez, Ivanna Araya, Vicente Herrera, Amanda Céspedes y Camilo Berríos.

Tras su paso por el curso Investigación, Innovación y Emprendimiento, los alumnos de Ingeniería UC buscan abrirse camino en el mundo de la ciencia y el emprendimiento con el dispositivo Daeki, que a meses de su creación ha obtenido diversos premios y financiamiento para su desarrollo.

A

Por Cristina Contreras

manda Céspedes, Camilo Berríos, Diego Álvarez, Vicente Herrera y Emilio Schiesser son los integrantes del equipo creador de Daeki, un dispositivo que promete prescindir del uso de agujas para determinar los niveles de colesterol en la sangre. Todos ingresaron en 2013 a la UC,

After their study on Research, Innovation and Undertaking, the students of Engineering from the Catholic University look for opening way in the world of science and undertaking by employing Daeki device that has been awarded several times and has received funding for its development just a few months after its creation By Cristina Contreras

A

manda Céspedes, Camilo Berríos, Diego Alvarez, Vicente Herrera and Emilio Schiesser are the members of the creative team of Daeki, a device that promises to put aside the use of needles to determine cholesterol levels in blood. All of them enrolled in 2013 to the Catholic University, year when


Innovation at its beginning / 25

año en que Ingeniería lanzó su nuevo plan de estudios, enfocado principalmente en promover la investigación y la innovación entre los alumnos.

Engineering introduced the new curriculum, mainly focused on promoting research and innovation among students.

El proyecto fue presentado en el curso ING2030 Investigación, Innovación y Emprendimiento, que se realiza en conjunto con el Center for Entrepreneurship & Technology (CET) de UC Berkeley. Fue lanzado en 2015 como curso mínimo para los alumnos de tercer año y su foco es someter a los alumnos a una experiencia real de emprendimiento, a través de talleres, charlas y el desarrollo de un proyecto a lo largo del semestre, con la asesoría de profesores de la Escuela de Ingeniería, expertos vinculados al ámbito de la innovación y miembros de la red Endeavor.

The project was presented in the course ING2030 Research, Innovation and Undertaking, jointly carried out with the Entrepreneurship & Technology Center (CET) of UC Berkeley. It started in 2015 as the minimum course for the students of third grade and it focused on subjecting students to a real undertaking experience through workshops, talks and the development of a project throughout the semester, counting on the advisory of professors of the School of Engineering, who are experts working on innovation representation of the device, and members of the Endeavor network.

En representación del equipo, Amanda cuenta en esta entrevista cómo ha sido su experiencia en el desafío de emprender con este proyecto científico-tecnológico.

On behalf of the team, Amanda tells us in this interview how her experience has been during the challenge of undertaking through this scientific-technologic project.

¿Qué los inspiró para llegar a esta idea? ¿Familiares con alguna enfermedad? “Estábamos buscando ideas como locos, ya que el curso te obliga a llegar todas las semanas actualizado y conociendo lo que se está haciendo en otros lugares. En particular, la idea se nos ocurrió un día después de revisar en Internet los típicos inventos que parecen sacados de otra época pero que se podrían desarrollar con la tecnología y conocimientos de hoy en día. Vimos algo sobre el temor de las agujas y de lo práctico que sería el no tener que realizarse exámenes de sangre. Aquí partimos con el proyecto”.

What inspired you to have this idea? Relatives undergoing some disease? ‘We were looking for ideas like crazy, since the course forces you to arrive every week updated and knowing what it is being done in other places. In particular, the idea came to us a day after reviewing those typical inventions in the Internet which looked as if they were picked up from other times, but which could be developed with present technology and knowledge. We saw something related to the fear of needles and about how practical it could be not to experience any blood tests. At this point, we started off with the project’.

¿Se desanimaron con esto? “La verdad es que nos hizo pensar un poco más. Con mi grupo buscamos mucha bibliografía, ya que no conocíamos todos los términos biológicos que necesitábamos para empezar a plantear la necesidad de un dispositivo que reemplace las agujas en los exámenes de sangre. Después de investigar harto del tema, decidimos acotarlo y pensar el proyecto solo para la medición del colesterol, ya que pensábamos que así llegaríamos a más personas”.

Did you feel encouraged with this? ‘The truth is that it made us think a little more. With my group we looked through much bibliography, for we did not know all the biological terms we needed to begin raising the necessity of a device that might replace needles in blood tests. After investigating a lot on the subject, we decided to narrow down the project, to the quantification of cholesterol only, because we thought we would reach more people this way’.

Amanda destaca el rol que tuvo el profesor Jorge Sanz Guerrero, subdirector del Instituto Ingeniería Biológica y Médica, quien los ayudó a enfocar el proyecto y animar al equipo para que buscaran todas las soluciones posibles para el desarrollo de la idea. Como grupo, y

Amanda emphasizes the role of Professor Jorge Sanz Guerrero, assistant director of the Institute of Biological and Medical Engineering, who helped them to focus the project and encourage the team, so that they looked for all possible solutions for the development of the idea. As a


26 / Innovación en sus inicios

El equipo Daeki discutiendo las proyecciones y alcances del proyecto. Daeki team discussing the scope and future directions of the project.

después de un tiempo, reconocen que él ha sido su mentor en el proceso de emprender. Actualmente, tras un año, han elegido sus majors de especialización: Biología en el caso de Amanda y Vicente; Computación en el caso de Camilo; y Diego optó por el major de Diseño e Innovación. Durante abril de 2016, Emilio dejó el equipo para dedicarse de manera exclusiva a sus estudios.

group, and after a time, they acknowledge that he has been their mentor in the undertaking process. At present, after a year, they have chosen their specialization majors: Biology in the case of Amanda and Vicente; Computing in the case of Camilo; and Diego decided on the major on Design and Innovation. During April of 2016, Emilio left the team to dedicate exclusively to his studies.

¿Cuándo se dieron cuenta de que podían seguir adelante con el proyecto, considerando que nació como un trabajo de un ramo? “Los cuatro mejores proyectos al final del semestre deben postulara StartUp Chile como parte de los requisitos del curso. Nosotros postulamos, pero no quedamos para la final. Ahí nos pasó algo muy extraño. Luego de una semana aproximadamente de enterarnos que no pasamos a la final de StartUp Chile, nos avisan que estábamos participando en StartUp a nivel internacional y que estábamos entre los finalistas. ¡Nos sorprendimos muchísimo! Al final, ¡ganamos StartUp! Lo que significa 20 millones para desarrollar la tecnología que necesitamos para medir el colesterol a través de la saliva”.

When did you realize that you could go ahead with the project, taking into account that it was born as a class assignment? ‘The four better projects at the end of the semester must apply to StartUp Chile as part of the requirements of the course. We applied, but we did not get to the finals. Something very strange occurred to us then. After about a week we found out that we did not get to the finals of StartUp Chile, we were told that we were participating in StartUp at international level among the finalists. We were very surprised! In the end, we won StartUp! What means to have 20 million available to develop the technology we needed for quantifying cholesterol through saliva’.

Suena a que tuvieron suerte y que fue fácil el proceso… ¿fue así en realidad? “Así como “fácil no, pero sí fue muy sorpresivo. En el camino de StartUp hablamos con Emilia Díaz de Kaitek Labs. Ella nos dijo que StartUp era un concurso muy difícil de

It sounds like you were lucky and that the process was easy… was it in fact? ‘As much as easy… no, but it was very surprising. On the way to StartUp we spoke with Emilia Diaz from Kaitek Labs. She said to us that StartUp was a very difficult contest to win and she recommended begining with


Innovation at its beginning / 27

ganar y nos recomendó empezar por Jump Chile o Brain Chile, que son incubadoras de proyectos nacionales. Postulamos a ambos concursos. No ganamos Brain Chile, pero haber participado nos sirvió muchísimo, ya que nos permitió crear una especie de prototipo y aprendimos a vender mejor nuestro proyecto. Para esto hicimos “cursos intensivos” para aprender de las nuevas tecnologías, y también sobre el cuerpo humano, ya que teníamos que convertirnos en expertos de la base científica. También postulamos a Santiago LabSpace, que es de la empresa R2B Catalyst, en el que ganamos como premio un espacio para trabajar en el laboratorio de Santiago LabSpace y avanzar en nuestro proyecto”. ¿Un espacio en un laboratorio para desarrollar su proyecto? ¡Está perfecto para ustedes! ¿Cómo han avanzado en eso? ¿Han tomado cursos específicos para desarrollar el dispositivo? “¡Es mucho trabajo! Pero estamos felices. Durante el segundo semestre del 2015 y en el verano de 2016 trabajamos de 9:30 hasta las 22:00 horas, ya que teníamos que realizar pruebas y verificar que el dispositivo sí estuviese leyendo el nivel de colesterol y no otra cosa. Pudimos comprobar que es factible medir el colesterol a través de la saliva. El cómo va a ser el dispositivo si será posible que el usuario final lo utilice, aún no lo tenemos claro, pero estamos trabajando en eso”. ¿Pretenden postular a más fondos? ¿Qué quieren hacer más adelante? “El año pasado postulamos al programa 2016 de OneStart, una aceleradora de proyectos de cuidados de la salud y biotecnológicos. Quedamos entre los 40 equipos seleccionados y en febrero [de 2016] fuimos a un bootcamp en San Francisco, California. Fueron 2 días a full, ¡con mucho trabajo!. Lo más sorprendente, a mi juicio, es la cantidad de gente que asiste de todo el mundo. Además, fuimos el primer equipo de Latinoamérica en clasificar a semifinales. Nos sentíamos unos niños jugando a crear ciencia, ya que además de ser los únicos Latinoamericanos, éramos los más jóvenes. Me encantó la experiencia, pese a que no pasamos a la final. Creo que el aprendizaje fue muy bueno. Conocimos personas que están desarrollando proyectos muy interesantes. Esto nos anima a seguir estudiando y tomando los

Jump Chile or Brain Chile, which are national project incubators. We applied to both contests. We did not win Brain Chile, but the fact of participating was very useful to us, because it allowed us to create a sort of prototype and we learnt to better sell our project. For this purpose we followed “intensive courses” to learn new technologies, and also about the human body, since we had to become experts in the scientific basis. Also we applied to Santiago LabSpace, which belongs to the company R2B Catalyst, where we won an award consisting in a space to work in the laboratory of Santiago LabSpace and to develop our project’. A laboratory space to develop the project? It was perfect for you! How have you progressed with that? Have you taken specific classes for device development? ‘It is a lot of work! But we are happy. During the second semester of 2015 and the summer of 2016, we worked from 9:30 until 22:00 hours, because we had to elaborate the tests and to verify that the device was really reading cholesterol level and not another thing. We able to prove it is feasible to measure cholesterol through saliva. How the device will turn out to be or if it will be possible for end users to actually employ it is something we do not know clearly yet, but we are working on that’. Do you plan on applying for more funds? What do you want to do in the future? ‘Last year we applied to 2016 OneStart program, an accelerator of biotechnological and health care projects. We were among the 40 selected teams and in February [2016] we went to a boot camp San Francisco, California. We spent 2 days full of work! In my opinion, the most surprising thing was the amount of people from all over the world who attended. Besides, we were the first Latin American team to classify to semifinals. We felt like small children playing to create science and besides being the only Latin Americans, we were the youngest ones. I really loved the experience, although we did not reach the finals. I believe that learning was very good. We met people who are developing very interesting projects. It encouraged us to continue studying further and taking “intensive classes” to finish our project and finally having a device that is able to quantify cholesterol by means of saliva.


28 / Innovación en sus inicios

Equipo Daeki presentando su proyecto en San Francisco, CA. Daeki team presenting the project in San Francisco, CA.

“cursos intensivos” para terminar con nuestro proyecto y finalmente tener un dispositivo que sea capaz de medir el colesterol por medio de la saliva. En este tiempo hemos aprendido mucho. No sólo conocimientos, sino que también a manejar nuestro estrés y ansiedad. Queremos que el proyecto resulte, pero no hemos pensado aún en más formas de financiamiento. Por ahora estamos trabajando en el laboratorio de LabSpace, haciendo ensayos en nosotros mismos. En paralelo estamos viendo el tema de las patentes, que ha sido un tanto engorroso, ya que son muchos papeles y formularios, que, si nos equivocamos, ¡debemos pagar! Desde LabSpace nos ayudan y guían en estos temas, pero de todas maneras es harto el trabajo que debemos realizar”. ¿Cuál es el mensaje que ustedes darían a otras personas que quieran emprender? Ustedes partieron de cero, ya que apenas tenían los conocimientos para desarrollar algo de esta envergadura. “Yo creo que lo más importante es el equipo con que trabajas. Me acuerdo que una vez en clases nos dijeron ‘Lo importante es el equipo, no la idea. Un buen equipo podrá desarrollar la idea hasta convertirla en una gran idea, sin embargo, un mal equipo con una gran idea, no la podrán desarrollar. Lo más importante son las personas’, y creo que tiene razón. Con los chicos nos hemos esforzado harto, y creo que, al menos hasta ahora, hemos trabajado bien”.

During this time we have learned much. Not only knowledge, but also to handle stress and anxiety. We want the project to be successful, but have not thought yet about obtaining funding in other ways. So far, we are working in the laboratory of LabSpace, doing tests on ourselves. In parallel, we are analyzing the subject of patents, which has been somewhat troublesome, since there are many documents and forms to be submitted, which, if we make a mistake, makes us pay for! LabSpace helps us and they guide us on these subjects, but it is a lot of work any way’. What is the message that you would give to other people who want to undertake? You started from scratch, inasmuch as you barely had the knowledge to develop something of this importance. ‘I believe that the most important thing is the team you work with. I remember that once in class they said ` the important thing to us is the team, not the idea. A good team will be able to develop the idea until turning it into a great idea; however, a bad team with a great idea will not be able to develop it. Most important are the people’, and I believe that it is right. With the team we have strived so much, and I believe that, we have worked well, up to now at least’.


Proyectos de la Escuela / 29

Promoción de la investigación, la innovación y el emprendimiento

BRAIN CHILE: acelerando el paso por la senda del desarrollo Promoting research, innovation and entrepreneurship

BRAIN CHILE: speeding up on the path to development

Ganadores del concurso BRAIN UC 2015. Winners of BRAIN UC 2015 contest.

El programa, que busca rescatar las investigaciones y proyectos de innovación desde los laboratorios y salas de clases para impactar a la sociedad y la industria, ya cuenta con dos versiones y se ha expandido a todo el país. Por Enzo Leiva

B

RAIN CHILE (Business, Research, Acceleration, Innovation) es un programa de aceleración de emprendimientos que busca sacar de los laboratorios y aulas de clases las investigaciones y proyectos, que cuentan con prototipos básicos, para lograr que concreten su transferencia a la sociedad y el mercado. Nace en Ingeniería UC en pleno proceso de postulación al concurso CORFO Nueva Ingeniería 2030, a

The program, which looks for retrieving research and innovation projects from laboratories and classrooms in order to have an effect on the society and the industry, already counts on two editions and it has expanded all over the country. By Enzo Leiva

B

RAIN CHILE (Business, Research, Acceleration, and Innovation) is a facilitation program for Startups aimed to draw out research and projects with basic prototypes from the laboratories and classrooms and transfer them into the society and the market. It emerges from the UC Engineering School during the application process to CORFO funds, as a result of the School of


30 / Proyectos de la Escuela

Durante el Bootcamp, los proyectos participan de diversos talleres que incluyen tópicos como modelo de negocios y diseño de prototipos. During the Bootcamp, the projects take part in diverse workshops including topics such as business model and prototypes design.

raíz del interés de la Escuela de Ingeniería de contribuir con el desarrollo de Chile, a través del aumento de la cantidad de emprendimientos de base científico-tecnológica. A través de una alianza, con el Centro de Innovación UC Anacleto Angelini, la Dirección de Transferencia y Desarrollo de la UC y Banco Santander, la iniciativa que nació como BRAIN UC, en su segunda edición convocó a estudiantes, profesores y emprendedores de todo Chile, por lo que desde 2016 es conocida como BRAIN Chile. El programa busca llenar un vacío en cuanto a los concursos de apoyo al emprendimiento en Chile, ya que se hace cargo de proyectos que cuentan con un prototipo y los ayuda en el proceso de perfeccionamiento para finalmente llegar a un producto o servicio que sea valorado en el mercado. De esta forma se constituye como una plataforma para aumentar la tasa de éxito de muchas ideas que a veces no logran concretarse y que se pierden en el “valle de la muerte”. ¿Cómo funciona el programa? Novedad, aplicabilidad social y nivel de madurez tecnológica son algunos de los criterios para la selección de proyectos. De gran relevancia es éste último que se evalúa según la escala internacional Technology Readiness Level (TRL), de modo de seleccionar solo proyectos que cuenten con resultados de laboratorio, pruebas de concepto y/o prototipos. Los postulantes seleccionados participan en un bootcamp, una serie de talleres que apuntan a capacitar a los emprendedores en diversos aspectos. Entre estos, destacan talleres sobre mentalidad emprendedora, modelo de negocios, propiedad intelectual y diseño de prototipos. Al final de esta etapa, se selecciona

Engineering interest to help to the development of Chile, through the increase of the amount of scientific undertakings. Throughout an alliance between the UC Center of Innovation Anacleto Angelini, the UC Direction of Transfer and Development and Banco Santander, the initiative named BRAIN UC, in its second edition, summoned students, professors and entrepreneurs from all over Chile, known as BRAIN Chile since 2016. The program is intended to fill a gap on the Chilean startup support contests. It takes over projects that have a prototype and guides them in the process of improvement in order to obtain a final product or service valued on the market. Thus, it becomes a platform to increase the success rate of many ideas, which sometimes do not materialize and get lost in the ‘valley of death’. How does the program work? Novelty, social applicability and level of technological maturity are some of the criteria for project selection. The latter is of high relevance according to the international scale Technology Readiness Level, in order to only select projects with results that have been proven in the laboratory, supported by proofs of concept and/or prototypes. The selected applicants participate in a boot camp, which is a series of workshops aimed to train entrepreneurs in diverse aspects. Amongst them, workshops on entrepreneurship mentality, business model, copyright and prototype design. At the end of this stage, the ten short-listed projects are selected on the basis of the redefinition of each project and the delivery of a short-


School’s projects / 31

a los diez proyectos finalistas en base a la redefinición de cada proyecto y a la entrega de un plan de trabajo a corto plazo. Estos finalistas pasan a una fase de aceleración, en la que cada uno recibe un capital destinado principalmente a la mejora de su producto. Además, se les entrega acceso a mentorías de acuerdo a sus necesidades, junto con asesoramiento en imagen corporativa y comunicación oral efectiva. “Sin duda, todos los proyectos que participan de esta etapa son ganadores”, asegura Constance Fleet, coordinadora de Innovación de la Escuela de Ingeniería. Esto, principalmente porque todos terminan con un prototipo bastante acabado, además de obtener numerosos contactos y cobertura mediática que facilitarán su captación de futuros inversionistas y clientes. Posteriormente participan en una gran final en la que los mejores proyectos son premiados con distintos montos con el objetivo de potenciar su emprendimiento. Ganadores de BRAIN UC 2015: camino a la comercialización. En la versión 2015, el primer lugar fue obtenido por HEAT (Hormigón Estructural Aislante Térmico) desarrollado por José Carlos Remesar, estudiante de magister de Ingeniería UC, junto a los académicos Mauricio López y Sergio Vera del departamento de Ingeniería y Gestión de la Construcción. El proyecto que, surgió en el marco de un proyecto FONDEF, logró a través de Brain avanzar principalmente en el ámbito de la propiedad intelectual y modelo de negocios. Luego de ganar el primer lugar, se han enfocado en el proceso de obtención de dos patentes para terminar de transferir la tecnología. Además, en enero

term work plan. These finalists pass to the facilitation phase, in which each of them receives an amount of working capital for the improvement of the product. In addition, they have access to mentoring according to their needs, along with advising on corporate image and effective oral communication. “Definitely, all the participating projects are winners at this stage” –states Constance Fleet– Innovation Coordinator of the School of Engineering. This is mainly because they all end up having a prototype fairly finished, besides obtaining numerous connections and media coverage that will attract future investors and clients easier. Later on, they participate in a great final where the best projects are awarded with different amounts of money to foster their undertaking. Winners of BRAIN UC 2015: on the way to commercialization. In edition 2015, the first prize was obtained by HEAT (Structural Thermic Insulator Concrete) developed by José Carlos Remesar, Masters student of UC Engineering, together with professors Mauricio López and Sergio Vera of the department of Engineering and Construction Management. The project, which originated within the framework of a FONDEF project, succeeded to make progress through BRAIN mainly in the fields of copyright and business models. After they were rewarded they focused on obtaining two patents to finish the technology transfer. In addition, in January 2016, they traveled to the Cambridge Innovation Center in Boston to receive advice from MIT professors along with meeting potential investors and clients.

Equipo de Shel-Life en la feria tecnológica final de BRAIN UC 2015. Shel-Life Team in the final technological fair of BRAIN CU 2015.


32 / Proyectos de la Escuela

Equipo de Healthic en la feria tecnológica final de BRAIN UC 2015. Healthic Team in the final technological fair of BRAIN CU 2015.

de 2016, viajaron al centro de innovación de Cambridge en Boston, donde recibieron asesoría de profesores del MIT junto con conocer potenciales inversores y clientes. El segundo lugar fue para Healthic, un vasodilatador que facilita la labor de profesionales de la salud que deben realizar punciones intravenosas. Cinco alumnos de tercer año de Ingeniería (Tomás Barañao, Josefina Elsaca, Nicolás Jara, Francisca Martínez y Francisco Morales) desarrollaron este proyecto en el marco del .curso “Investigación, Innovación y Emprendimiento”. Haber participado en BRAIN les permitió mejorar su prototipo, lograr autonomía eléctrica, identificar y usar mejores materiales, junto a registrar una forma más óptima de calentar la zona donde se va a punzar al paciente en menos tiempo. Posteriormente gracias a la experiencia han avanzado en la tramitación de la patente correspondiente y realizando testeo en centros asistenciales. El proyecto Shel-life, desarrollado por el equipo de PolyNatural, obtuvo el tercer lugar con un producto 100% orgánico que permite extender la vida útil de frutas, verduras y flores para Posterior a su participación en el programa, lograron el primer lugar del concurso MIT Sloan Latin American Startup Competition, adjudicándose 5.000 dólares y también han logrado avances en el proceso de patentamiento de la tecnología para comenzar su comercialización. En la versión 2016 de BRAIN Chile participaron 135 proyectos y se espera en el futuro pueda extenderse a otros países del continente.

The second prize was for Healthic, a vasodilator that facilitates the work of health professionals for intravenous punctures. Five students of third grade of Engineering (Tomás Barañao, Josefina Elsaca, Nicolás Jara, Francisca Martinez and Francisco Morales) developed this project within the framework of the course named ‘Research, Innovation and Undertaking’. Their participation in BRAIN allowed them to improve the prototype, to obtain electrical autonomy, to identify and to use better materials, and also to register a more optimal form to warm up the zone where the patient is to be punctured in less time. Subsequently, thanks to this experience, they have made some progress in the corresponding patenting process and some tests have been carried out in welfare centers. Shel-life project, developed by PolyNatural team, obtained the third position with a 100% organic product that allows extending the useful life of fruits, vegetables and flowers. After their participation in the program, they obtained the first place in MIT Sloan Latin American Startup Competition contest, by winning 5,000 dollars and they have also made some progress in the patent process of the technology to begin its commercialization. In BRAIN Chile Edition 2016, 135 projects participated and it is expected to extend to other countries in the continent in the near future.


Foco // 37 33 Proyectos de laEn Escuela

En Foco:

Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental In Focus:

Hydraulic and Environmental Engineering Department

CIGIDEN: campaña de terreno para realización de levantamiento topográfico del Río Salado, Región de Atacama para estudiar el comportamiento del río ante crecidas como las ocurridas en marzo de 2015. CIGIDEN: In-site campaign accomplishment of a topographical survey of Salado River in the Atacama Region, to study the behavior of the river before swellings, as the ones that occurred in March of 2015.

“Maravillarse al observar la belleza de un río en la naturaleza, admirar las formas que los flujos crean en las montañas y los valles, y apreciar la vida que se forma en torno al agua, despierta en el ser humano la curiosidad por comprender lo complejo de su relación con el ambiente y el agua, y descubrir los secretos de los cauces y el rol de los ríos como sostenedores de ecosistemas en cuencas hidrológicas […] […] Estas motivaciones deben haber inspirado el trabajo de Ramón Salas Edwards como ingeniero, profesor e investigador. Sus contribuciones al desarrollo de la infraestructura del país a comienzos del siglo XX y su trabajo académico en la Universidad Católica y en la Universidad de Chile, lo ubican como uno de los ingenieros más notables de

‘To marvel when observing the beauty of a river in nature, admiring the forms created by the flows in the mountains and the valleys, and to appreciate life formed around water, raises curiosity in the human being to understand the complexity in the relationship with its environment and water is, and to discover the secrets of the courses and the role of rivers as ecosystem keepers in hydrologic river basins […]   […] These motivations must have inspired the work of Ramon Salas Edwards as engineer, professor and researcher. His contributions to the development of infrastructure in the country at the beginning of XX Century and his academic work in the Catholic University and the University of Chile, place him as one of the most remarkable engineers in our history, whose scientific


34 / En foco

nuestra historia, cuyos aportes científicos significaron también un avance técnico en el diseño de obras de transporte y distribución de agua para distintas aplicaciones.”1

L

Por Cristina Torres

contributions also meant a technical progress in designing water transport and distribution constructions for different applications’. By Cristina Torres

H

a ingeniería hidráulica y con el tiempo la ingeniería ambiental, han estado íntimamente ligadas al desarrollo de la ingeniería en Chile, el mundo y la Escuela. Sin embargo, no es posible seguir entendiendo la contribución que realiza el Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental (DIHA) de la misma forma que lo realizaba Ramón Salas Edwards. Después de 100 años, las motivaciones son las mismas pero los problemas son distintos, por lo que el departamento a través de sus profesores, investigadores, ingenieros y estudiantes han sabido comprender e involucrarse en los nuevos desafíos que nos depara la sociedad del siglo XXI. Temas como los desastres naturales, la sustentabilidad, energía y procesos de contaminación, son abordados desde las distintas disciplinas estudiadas por el departamento las que por se agrupan en tres grandes líneas de investigación: i) Dinámica de fluidos, hidráulica, ingeniería de ríos y costas; ii) Recursos Hídricos; y iii) Medio Ambiente y Sustentabilidad.

ydraulic engineering and eventually environmental engineering have been closely linked to the development of engineering in Chile, the world and at the School. Nevertheless, it is impossible to continue understanding the Department of Hydraulic and Environmental Engineering (DIHA) contributions in the same way as Ramon Salas Edwards did. After 100 years, the motivations are the same but the problems are different, reason why the department has come to understand and become involved, through their professors, researchers, engineers and students, in the new challenges the 21st century society provides. Subjects, such as natural disasters, sustainability, energy and contamination processes, are addressed by using the different disciplines studied in the department, which are grouped in three major lines of investigation: i) Dynamics of fluids, hydraulics, engineering of rivers and coasts; ii) Water resources; and iii) Environment and Sustainability.

Debido a la necesidad de abordar los problemas actuales desde una perspectiva multidisciplinar, es difícil indicar si algún estudio en particular corresponde de forma exclusiva a una de las líneas antes mencionadas, por lo que es frecuente ver participar a más de un profesor en proyectos de distintas áreas. Aún así trataremos forzosamente de entregar una breve descripción de las temáticas que se ven en cada una de las líneas y que profesores se dedican mayormente a su desarrollo.

Due to the need to tackle current issues from a multidisciplinary perspective, it is difficult to indicate if some study in particular corresponds exclusively to one of the lines mentioned before, whereas it is frequent to see more than one professor to take part in projects of different areas. Even so, we will try to give a brief description of the subjects dealt with in each one of the lines and whose development is mainly the professors’ dedication.

i. Dinámica de fluidos, hidráulica, ingeniería de ríos y costas: Esta área se enfoca en el estudio cuantitativo de la dinámica de flujos de agua para comprender los mecanismos fundamentales de transporte y mezcla en ambientes naturales y construidos. A través de modelos matemáticos y de base física, se contribuye al desarrollo de metodologías

i. Dynamics of fluids, hydraulics, engineering of rivers and coasts: This field is focused on the quantitative study of water flows dynamics to understand the fundamental mechanisms of transportation and mixing in natural and built environments. Through mathematical patterns and basic physics, the development of methodologies

1 Fragmento del prólogo escrito por los profesores Cristián Escauriaza y Jorge Gironás del libro “Escurrimiento variado del agua en los canales de Ramón Salas Edwards. 1 Fragment of the prolog written by professors Cristián Escauriaza and Jorge Gironás of the book ‘Variable Draining of water in the channels’ by Ramon Edwards Rooms.


In Focus / 35

CEDEUS: Campaña de terreno para la evaluación de contaminación de suelo producto de los aluviones en la tercera región (Copiapó, 2015). CEDEUS: Site campaign to evaluate soils contamination resulting from alluviums in the Third Region (Copiapó, 2015).

y herramientas para cuantificar el impacto y evaluar formas de mitigación para inundaciones de origen fluvial y marítimo, o para el uso del recurso en la generación de energía.

and tools can be achieved to quantify the impact and to evaluate mitigation ways for river and maritime floods or for the use of the resource in energy generation.

En ésta línea participan principalmente los profesores Cristián Escauriaza y Rodrigo Cienfuegos.

Professors Cristián Escauriaza y Rodrigo Cienfuegos mainly works on this line.

ii. Recursos Hídricos: Esta área se centra en el ciclo hidrológico, superficial y subterráneo, y sus distintos procesos, de manera de entender el comportamiento temporal y espacial del agua y asegurar su uso seguro y sustentable, donde se integre de la mejor manera posible el ambiente, el territorio y la sociedad.

i. Hydric resources: This field is centered in superficial and underground hydrologic cycles and its different processes, so as to understand the temporary and space behavior of water and to assure its safe and viable use, with aims to integrate the environment, territory and society in the best possible way.

Los estudios de los profesores Bonifacio Fernández, Jorge Gironás, José Francisco Muñoz, Francisco Suarez y Sebastián Vicuña se centran principalmente en ésta área.

Studies by professors Bonifacio Fernández, Jorge Gironás, José Francisco Muñoz, Francisco Suarez y Sebastián Vicuña are mainly focused on this field.

ii. Medio Ambiente y Sustentabilidad: Involucra el estudio de diferentes procesos naturales o artificiales del medio ambiente, con el objeto de determinar modelos matemáticos que simulen el comportamiento de sistemas naturales o de unidades de tratamiento, que permitan optimizar el uso de los recursos naturales y reducir el impacto de la actividad humana en el medioambiente.

ii. Environment and sustainability: It refers to the study of different environment natural and artificial processes to determine mathematical models that simulate the behavior of natural systems or of treatment units, which allow to optimize the use of natural resources and to reduce the environmental impact of human activities.

En ésta línea participan principalmente los profesores Carlos Bonilla, Rodrigo Labatut, Eduardo Leiva, María Molinos, Pablo Pastén,

Professors Carlos Bonilla, Rodrigo Labatut, Eduardo Leiva, María Molinos, Pablo Pastén, Gonzalo Pizarro, Ignacio Vargas y Mario Vera mainly work in this line.


36 / En foco

Gonzalo Pizarro, Ignacio Vargas y Mario Vera. La esencia multidisciplinar que tienen los profesores e investigadores del DIHA, junto a la gran importancia que tiene el agua en los problemas actuales hace que muchos de los académicos del departamento participen y lideren distintos proyectos de investigación. A continuación, les entregamos una breve reseña de los principales proyectos en que contribuyen actualmente los profesores del DIHA. Asociado al Centro Nacional de Investigación para la Gestión Integrada de Desastres Naturales (CIGIDEN2) y principalmente en relación a los Procesos de aguas superficiales y amenazas naturales asociadas, los profesores Cristian Escauriaza, Rodrigo Cienfuegos y Jorge Gironás estudian los siguientes tópicos: i) Procesos de propagación de tsunamis en las costas de Chile; ii) Estimación de daños e impacto de tsunamis en localidades portuarias; iii) Caracterización y monitoreo de crecidas rápidas y aluvionales en zonas pre-cordilleranas; y iv) Modelos numéricos de alta resolución para la caracterización y pronóstico de tsunamis, inundaciones y aluviones. Los profesores Pablo Pastén, Carlos Bonilla, María Molinos, Eduardo Leiva, Francisco Suarez y Jorge Gironás, junto a otros académicos de la Escuela, participan del cluster de Recursos Críticos asociado al CEDEUS3 (Centro de Desarrollo Urbano Sustentable), donde se abordan temas asociados a la i) Disponibilidad, variabilidad y vulnerabilidad, y ii) Uso inteligente de los recursos, junto con la iii) Evaluación y control de riesgos de salud ambiental. Otro proyecto en el cual participan los profesores del departamento y de gran importancia para el desarrollo del país producto de las ventajas comparativas que presenta a nivel mundial es MERIC4, (Marine Energy Research & Innovation Center) donde asociados con la empresa francesa DCNS, Enel Green Power y la Universidad Austral de Chile, entre otros, el departamento lidera los proyectos que apuntan a caracterizar las condiciones de oleaje y corrientes marinas en Chile con el fin de cuantificar el recurso energético de Chile, liderado por el profesor Cristian Escauriaza. Junto con esto, y a cargo del profesor Ignacio Vargas, se estudia la corrosión marina en aguas chilenas, con el fin de identificar estrategias para reducir o eliminar los impactos de este problema. Se suma a los anteriores centros de investigación el Centro de Cambio Global UC5, liderado por el profesor Sebastián Vicuña y del cual participan 5 facultades de la Universidad, y tiene por objeto comprender todas aquellas transformaciones de gran escala que tienen repercusiones significativas sobre el funcionamiento del 2 3 4 5

http://www.cigiden.cl http://www.cedeus.cl http://www.meric.cl http://cambioglobal.uc.cl/

The multidisciplinary essence of DIHA’s professors and researchers, in line with the great importance of current water problems, engages many of the department academic professionals to participate in and lead different research projects. Next, we submit a brief review of the main projects in which DIHA professors make substantial contributions at the moment. Associated to the National Center of Investigation for the Integrated Management of Natural disasters (CIGIDEN2) and mainly in relation to the processes of superficial waters and associated natural threats, professors Cristian Escauriaza, Rodrigo Cienfuegos and Jorge Gironás study the following topics: i) Processes of tsunami propagation in the coasts of Chile; ii) Estimation of damages and impact of tsunami in harbor towns; iii) Characterization and monitoring of fast flood swellings and mud flows in pre-Andean zones; and iv) Highresolution-numerical models for the characterization and prognosis of tsunamis, floods and mud flows. Professors Pablo Pastén, Carlos Bonilla, Maria Mills, Eduardo Leiva, Francisco Suárez and Jorge Gironás, together with other academic professors of the School, participate in the cluster of Critical Resources associated to the CEDEUS3 (Center of Sustainable Urban Development), where subjects relating to i) Availability, variability and vulnerability, and ii) intelligent use of resources, along with iii) the Evaluation and control of environmental health hazards are studied. Another project in which the professors of the department take part and of great importance for the country development resulting from the comparative advantages at world-wide level is MERIC4, (Marine Energy Research & Innovation Center) where the department, in association with the French company DCNS, Enel Power Green and the Austral University of Chile, among others, leads the projects aimed to characterize the conditions of tidal and sea currents in Chile in order to quantify energy resources in Chile, whose leader is professor Cristian Escauriaza. Along with this, and under the leadership of Professor Ignacio Vargas, studies on sea corrosion in Chilean waters are carried out in order to identify strategies to reduce or to eliminate the effects of this problem. The Center of Global Change UC5 is added to the previous research centers, led by professor Sebastián Vicuña, where 5 faculties of the University participate, whose objective is to understand all large-scale transformations having significant repercussions on the operation of the planetary system, or affecting the biophysical components


In Focus / 37

CIGIDEN: Instalación de estaciones de monitoreo hidrometeorológicas en el cerro Tambor (~2.800 msnm), en la Quebrada de Ramón, con el fin de monitorear crecidas frente a eventos extremos. CIGIDEN: Installation of hydro meteorological stations of monitoring located on the hill Tambor (~2,800 masl*), in the ravine De Ramon, with the purpose of monitoring swellings against extreme events.

sistema planetario, ya sea afectando los componentes biofísicos (agua, aire, suelos, biodiversidad), alterando el comportamiento de las comunidades y ecosistemas y/o generando efectos en los sistemas socioeconómicos. Finalmente, debemos destacar la importancia de los profesores recién llegados y que están por llegar a nuestro departamento. La principal razón para hacer esta diferencia pasa porque varios de ellos tienen su origen en vacantes compartidas con otras unidades académicas. Así es el caso de la profesora María Molinos (Arquitectura Ingeniería); Mario Vera (Instituto de Ingeniería Biológica y Médica - Ingeniería); Eduardo Leiva (Facultad de Química - Ingeniería) y los futuros profesores en temas de Oceanografía Costera entre el DIHA y la Facultad de Biología, y Mecánica de Fluidos Experimental Aplicado a la Minería entre los departamentos de Ingeniería en Minería y el de Ingeniería Hidráulica y Ambiental. Todos estos profesores junto a los que están el 100% en el departamento aportan a comprender los problemas actuales desde diversos puntos de vista, integrando conocimiento multidisciplinar para el desarrollo del país y el mundo. Aquellos interesados en ahondar más en otras interesantes iniciativas que lideran los académicos del DIHA, tales como proyectos FONDEF, FONDECYT, Seed funds y ECOS Conicyt con universidades extranjeras y un largo etc., están invitados a acercarse al Departamento a conocer lo que hacemos y a hablar con profesores, ingenieros, investigadores, funcionarios y alumnos.

** meters above sea level

(water, air, soil, biodiversity), altering the behavior of communities and ecosystems and/or generating effects in the socioeconomic systems. Finally, we must point out the importance of new and new-coming professors from our department. The main reason to make this difference is because several of them occupy shared vacancies with other academic units. This is the case of professor Maria Mills (Architecture - Engineering); Mario Vera (Institute of Biological and Medical Engineering - Engineering); Eduardo Leiva (Faculty of Chemistry - Engineering) and future professors of Coastal Oceanography between the DIHA and the Faculty of Biology, and Experimental Mechanics of Fluids Applied to Mining between the departments of Engineering in Mining and of Hydraulic and Environmental Engineering. All these professors and those who belong 100% to the department contribute to understand present issues from diverse points of view, by integrating multidisciplinary knowledge for the development of the country and the world. Those who are interested in going deeper in other interesting initiatives led by DIHA professors, such as the projects FONDEF, FONDECYT, Capital Semilla and Conicyt ECOS with foreign universities and a long ’etcetera’, are kindly invited to the Department to meet us, learn what we do and speak with professors, engineers, researchers, employees and students.


08 Investigaciones de alumnos Students’ research


“En alguna parte, algo increíble está esperando para ser descubierto”. ‘Somewhere, something incredible is waiting to be known’. - Carl Sagan


40 / Investigaciones de los alumnos

28 / Investigaciones de los alumnos

Evaluación del impacto ambiental de una partida de construcción antes y después de aplicar herramientas Lean Environmental impact evaluation of a construction site, before and after applying Lean tools

Camila Fuenzalida1, alumna de 5to año Benjamín Fischer1, alumno de 5to año Paz Arroyo1, profesora asistente José Luis Salvatierra2, investigador

Camila Fuenzalida1, 5th year student Benjamín Fischer1, 5th year student Paz Arroyo1, assistant professor José Luis Salvatierra2, researcher

Departamento de Ingeniería y Gestión de la Construcción, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 GEPUC *Autor de correspondencia: parroyo@ing.puc.cl

1

1

Department of Construction Engineering and Management, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 GEPUC * Corresponding author: parroyo@ing.puc.cl


Students’ research / 41

RESUMEN

SUMMARY

La industria de la construcción tiene un rol fundamental en el impacto provocado al medioambiente, tanto durante la construcción como durante la operación. En esta investigación se implementan tres herramientas Lean—Diagrama de Ishikawa, 5 porqués y reporte A3— en una obra de construcción en la partida de cerámica de muro y piso. Los objetivos son investigar acerca de la aplicación de estas herramientas, evaluar si mejora la productividad en la ejecución de dicha partida y medir los beneficios medioambientales alcanzados. La metodología de investigación utilizada contempla grabaciones de la ejecución de la partida, mesas de trabajo con trabajadores y administrativos, y capacitaciones en el uso de las herramientas Lean. De la investigación se obtuvo que la principal pérdida percibida es el trabajo rehecho y que la causa de este es la falta de control. Además, se determinó que debido a la implementación de herramientas Lean se dejaron de emitir 751 kg de CO2, solo por la disminución en los materiales requeridos de la partida de cerámica de muro y pisos. Esta reducción en el impacto ambiental podría ser aún mayor si se implementaran dichas herramientas en otras partidas de la obra. En conclusión, la implementación de estas herramientas permite la reducción del impacto ambiental, concentrando los esfuerzos de mejora en las pérdidas más importantes.

The construction industry has an enormous impact on the environment, both during construction and operation. Three Lean tools are implemented in this research—Ishikawa Diagram, 5 Whys and A3 reports— in the activity of installation of ceramics in walls and floors in a construction site. The aim is to investigate if the application of these tools allows for improvement in productivity during the execution of this activity and to measure the environmental benefits obtained. The methodology used includes recordings of the execution of the activity, workshops with workers and project managers, and training sessions in the use of Lean tools. The results of the research show that the main waste perceived by the participants was the remade work caused by the lack of control. In addition, it was determined that 751 kg of CO2 were not emitted due to the implementation of these Lean tools, because of reducing the amount of material required for the activity. This reduction in environmental impact could be still greater if these tools were implemented in other activities. In conclusion, implementing these 3 tools allowed for reducing the environmental impact, when concentrating improvement efforts in the most important wastes.

Palabras clave: Lean construction, productividad, impactos medioambientales, pérdidas.

Key words: Lean construction, productivity, environmental impact, wastes.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

La industria de la construcción tiene un alto impacto medioambiental, tanto por la construcción misma de las instalaciones, como por el uso de estas durante su vida útil [1]. Lean Construction, o construcción sin pérdidas, es un enfoque para la gestión y producción en el sector de la construcción basado en el sistema de producción de Toyota [2]. Además, tiene por objetivo hacer los procesos más eficientes y diseñar sistemas de producción minimizando las pérdidas de recursos para hacer frente al gran problema de estancamiento y baja productividad en la industria de la construcción.

The construction industry has an important environmental impact, due to construction of buildings as such, and for the use of them during their life-time [1]. Lean Construction, or waste-free construction, is an approach for the management and production in the field of construction based on the production system of Toyota [2]. In addition, it is aimed to make processes and design production systems more efficient by diminishing resource wastes, so tackling the problem of stagnation and low productivity in the construction industry.

Lean en la industria de la construcción, así como en otros sectores productivos, promueve un mejoramiento continuo en los procesos a través de una reducción de pérdidas y un aumento en el valor del producto o servicio para el cliente final. Dentro de las pérdidas se puede encontrar todo lo que corresponda a tiempo desaprovechado, procesos innecesarios, recursos mal gastados, entre otras actividades que no agreguen valor al producto final. El sector de la construcción se caracteriza por una gran

Lean in the construction industry, as well as in other productive sectors, promotes a continuous improvement in the processes through waste reduction and an increase in the product or service value for the final client. Several types of wastes exist, for example wastes related to time, unnecessary processes, deficiently spent resources, among others activities that do not add value to the end product or service. The construction field is characterized by a numerous amount of activities that do not add any value in their


42 / Investigaciones de los alumnos

cantidad de actividades que no agregan valor en sus procesos y que llevan a una baja productividad. Por lo tanto, el desarrollo de metodologías de análisis, mejoramiento de procesos y la introducción de nuevas técnicas de producción que contemplen un mejoramiento continuo pueden tener un importante impacto en la productividad y calidad de la construcción. Herramientas propuestas por la comunidad científica Lean son el Diagrama de Ishikawa, el análisis de 5 porque’s y el reporte A3, que permiten identificar las pérdidas más importantes en una obra de construcción y realizar mejoras para eliminarlas o reducirlas. El diagrama de Ishikawa es una representación de un análisis causa-efecto que se puede realizar para cualquier tipo de resultado. Este diagrama permite ordenar y clasificar las distintas causas por la que se estaría generando un efecto. Así, se utiliza para reconocer las causas más importantes que lo generan, con el fin de intervenir en ellas y modificar la respuesta que están motivando [3]. El análisis de 5 porqués se realiza para identificar la causa raíz que generó un efecto. Funciona preguntando una primera vez por qué sucedió dicho efecto y, a la respuesta de esa pregunta, preguntar nuevamente por qué sucedió. Se realiza este mismo procedimiento hasta preguntar cinco veces por qué sucedió y al completarlos se encuentra la causa raíz que provocó el efecto inicialmente. Esta causa raíz es la que hay que modificar en caso de querer alterar el efecto que se produce. Por ejemplo, en caso de que el efecto sea un problema cuya repetición no es deseable, la forma de eliminar el problema es actuando sobre la causa raíz para solucionarlo desde su origen y no generar soluciones momentáneas [3]. El reporte A3 es una forma de representar un plan de acción, en el cual se incluyen los objetivos, la metodología, los agentes implicados, entre otros componentes. Se realiza en un formato de papel tamaño A3 para tener un resumen del plan de acción a realizar e ir realizando actualizaciones periódicas a este reporte, de acuerdo al avance y a los resultados obtenidos en el curso de la implementación [3]. Conforme a la utilización de dichas tres herramientas Lean, en el presente estudio se explica la metodología y los resultados correspondientes a la investigación «Mejorando la Productividad en Terreno con Lean Construction y sus Beneficios Medioambientales Asociados», realizada en el contexto del Grupo Colaborativo GEPUC, “Construyendo Excelencia”. El objetivo general de esta investigación es aplicar herramientas Lean a una obra de construcción y determinar el cambio en el impacto ambiental que estas permiten debido al cambio en los recursos consumidos. El impacto ambiental se medirá en términos de kilogramos de dióxido de carbono equivalente emitido (kg de CO2eq). Es importante notar que las emisiones cuantificadas corresponden únicamente a las emitidas por los materiales utilizados. Un análisis más riguroso podría incorporar las emisiones de los trabajadores por las horas trabajadas [4].

processes leading to a low productivity. Therefore, the development of analysis methodologies, improvement of processes and the introduction of new production techniques that imply continuous improvement, can have an important impact in the productivity and quality of construction. Some of the tools suggested by the Lean scientific community are the Ishikawa Diagram, the 5 Whys Analysis and the A3 report, which allow to identify the most important wastes in a construction site and to carry on improvements to eliminate them or to reduce them. The Ishikawa diagram is a representation of a cause-andeffect analysis that can be applied for any type of effect. This diagram allows to order and to classify the different causes by which an effect would be generated. Thus, it is used to recognize the most important causes creating the effect, in order to take part in them and to modify the response they are creating [3]. The 5 Whys Analysis is intended to identify the root cause generating an effect. It works by asking one first time why this effect occurred and, to the answer of that question, to ask again why it occurred. This same procedure is done until asking five times why it happened and when completing them, the root cause of the effect is found. This root cause is the one that have to be modified if the aim is to alter the arising effect. For example, in case the effect is a problem whose repetition is undesirable, the way to eliminate the problem is acting on the root cause for it to be solved from its origin and do not create temporary solutions [3]. The A3 report is a form to represent an action plan, in which the objectives, the methodology, the implied agents, among other components, are included. It is documented in an A3 format paper to have a summary of the action plan allowing periodic updates to this report, according to the progress and to the results obtained during implementation [3]. According to the use of those three Lean tools, the methodology and the results of the research “Improving In-Field Productivity with Lean Construction and its Associated Environmental Benefits” are explained in the present research, which was done in the context of the Collaborative Group of GEPUC, called “Building up Excellence”. The research general objective is to apply Lean tools to a construction site and to determine the change of the environmental impact due to the change in consumed resources. The environmental impact will be measured in terms of kilograms of equivalent carbon dioxide (kg of CO2-eq) emitted. It is important to notice that quantified emissions only correspond to the emitted ones by the materials used. A more rigorous analysis could incorporate the emissions from workers during the hours worked [4]. The specific objectives are i) introducing the participants of the investigation in the concepts of Lean Construction, ii) identifying more frequent wastes and their causes, iii)


Students’ research / 43

Los objetivos específicos son i) introducir a los participantes de la investigación en conceptos de Lean Construction, ii) identificar pérdidas más frecuentes y sus causas, iii) capacitar a los participantes en la aplicación de tres herramientas Lean —Diagrama de Ishikawa, análisis de 5 porque’s y reporte A3—, iv) generar un registro audiovisual de la ejecución de una partida crítica y v) determinar las emisiones de dióxido de carbono producidas por el uso de los materiales. Es importante notar que las herramientas implementadas en esta partida de construcción podrían ser aplicadas en cualquier otra partida, ya que son utilizadas para mejorar el rendimiento de los trabajadores que ejecutan la actividad. La partida seleccionada en particular no posee ninguna característica especial que permita implementar las herramientas; fue seleccionada por estar siendo ejecutada durante la duración de toda la investigación.

training the participants in the application of the three Lean tools -Ishikawa Diagram, analysis of the 5 Whys and A3 report-, iv) elaborating an audio-visual record of a construction operation, and v) determining carbon dioxide emissions produced by the use of the materials. It is important to notice that the tools implemented in this construction operation could be applied in any other operation, since they are used to improve workers’ performance who executes the activity. The selected operation in particular does not present any special feature that may allow implementation of the tools; it was selected only because it was being executed during the whole research.

2. METODOLOGÍA

2. METHODOLOGY

El estudio consistió en la intervención a una obra en particular de una empresa constructora, consistente en la construcción de un Centro de Salud Familiar (CESFAM). En esta obra se seleccionó la partida de instalación de cerámicas en muros y pisos para ser analizada. Los participantes de la investigación fueron siete, entre estos, el administrador de obra y otros involucrados en la ejecución de dicha partida.

The study consisted of the intervention to a particular construction site of a Family Health Centre (CESFAM). In this work, the operation of the installation of ceramics on walls and floors was selected for analysis. There were seven participants in the research, the project manager and other individuals involved in the execution of this operation.

2.1. Primera visita a proyecto

2.1. First visit to the project site

Se realizó una primera visita a la obra seleccionada por la empresa constructora. En esta sesión, se llevó a cabo tres etapas. En primer lugar, un taller de identificación de pérdidas [5] presentes en la obra seleccionada que consistía en cuatro encuestas. La primera para identificar las principales pérdidas de la obra, la segunda para determinar cuáles eran las causas por las que se generaban las pérdidas, la tercera para hacer un cruce entre cada pérdida y su causa más común, y la cuarta para determinar las 5 pérdidas más frecuentes y asignarles un grado de importancia. Estas cuatro encuestas se completaron para un set de pérdidas tradicionales en la construcción y para un set de pérdidas que tienen relación directa con impactos ambientales y sociales. En segundo lugar, una capacitación en la implementación de tres herramientas Lean: Diagrama de Ishikawa, análisis de 5 porque’s y reporte A3. En tercer lugar, una grabación de la ejecución de la partida seleccionada (1 h), en la que se pudieran identificar pérdidas y sus causas.

A first visit to the construction site selected by the construction company took place. In this session, three stages were carried out. First of all, a workshop on identification of wastes [5] present in the selected operation, which consisted on four surveys. The first one for identifying the main wastes in the operation, the second one for determining which were the main causes of wastes; the third one for crossing data between each waste and the most common cause; and the fourth for determining the 5 most frequent wastes and assigning them a relevance score. These four surveys were completed for a set of traditional wastes in the construction site and for a set of wastes directly related to environmental and social impacts. Secondly, a training in the implementation of the three Lean tools: Ishikawa Diagram, 5 Whys analysis and A3 report. Thirdly, a recording of the selected item execution (1 h), where wastes and their causes could be identified

Los datos recolectados a través de la primera y tercera etapa, junto con información requerida a la empresa respecto a los rendimientos de la partida seleccionada, comenzaron a ser analizados para generar un informe de las pérdidas más frecuentes y sus causas.

Data collected through the first and third stage, along with the information requested to the company with respect to the selected operation performance, were analyzed to prepare a report of the most frequent wastes and its causes.


44 / Investigaciones de los alumnos

2.2. Mesa de trabajo

2.2. Work board

Se efectuó una mesa de trabajo en la que participaron los administradores de obra de cada una de las empresas. En esta instancia se expusieron los resultados obtenidos de la primera visita y se comenzó con la elaboración de un reporte A3 que resumiera el plan de acción de cada empresa para aplicar las herramientas Lean en terreno.

A work group with the project managers of each company took place where the results obtained from the first visit were exhibited and an A3 report started to be prepared, which summarized the action plan of each company for applying the Lean tools in the job site.

2.3. Segunda visita a proyecto

2.3. Second visit to the project site

Una segunda visita fue realizada al proyecto de cada empresa. En esta instancia se grabó durante aproximadamente 1 h la partida seleccionada con el fin de poder identificar las mejoras efectuadas en terreno. Además, se efectuó una segunda encuesta a cada uno de los involucrados en la actividad crítica seleccionada, la que buscaba identificar la percepción de los participantes acerca de las mejoras realizadas y la concientización que el taller había promovido en los involucrados en la partida. Por último, en esta instancia se le solicitó a los administradores que informaran las nuevas mediciones de la productividad alcanzada, luego de aplicar el plan de acción con las herramientas Lean, contempladas en la investigación.

A second visit took place to the construction site of each company and the selected item was recorded during approximately 1 h in order to identify in-field improvements. In addition, a second survey to the parties involved in the selected critical activity was carried out, which looked for the identification of the participants’ perception about the improvements and the awareness obtained from the workshop and its influence over the ones involved in the item. Finally, the project managers were asked to inform about the new output measurements after applying the action plan by using the Lean tools included in the research.

2.4. Cuantificación de impactos

2.4. Impact quantification

En esta etapa se analizó la información recolectada por la segunda encuesta y la segunda grabación en terreno. Con esta información se realizó una cuantificación del impacto ambiental que se provocaba con los rendimientos iniciales en comparación con los rendimientos finales alcanzados. Los resultados obtenidos se utilizaron para cuantificar la masa de CO₂-eq. que se emite con cada uno de los rendimientos.

At this stage, the information collected through the second survey and the second in-field recording were analyzed. With this information a quantification of the environmental impact resulting from the initial output compared with the final one obtained was determined. Final results were used to quantify the mass of equivalent CO2 emitted by the consumption of resources.

2.5. Reunión de cierre

2.5. Closing meeting

En la reunión de cierre se expusieron los resultados obtenidos en la investigación a los administradores de obra y directivos de cada empresa. En esta instancia también se generó una conversación acerca de buenas prácticas de cada una de las empresas, a modo de ejemplo, para que las otras también las implementaran.

In the closing meeting the investigation results were presented to the project managers of each company and a conversation about good practices was held with each of the companies, as an example, so that the other could also implement them.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

En primer lugar, se muestran los resultados obtenidos en la Etapa 1 acerca de las encuestas del taller de detección de pérdidas. En segundo lugar, se muestran los resultados obtenidos en la Etapa 2, relacionada con la cuantificación del impacto ambiental de la ejecución de la partida. Para finalizar, se realiza una interpretación de los resultados obtenidos en las Etapas 1 y 2.

First, the results of Stage 1 regarding the surveys carried out in the workshop about the detection of wastes are presented. Second, the results of Stage 2, related to the quantification of the environmental impact of the item execution are presented. Finally, an interpretation of the obtained results in both Stages is done.


Students’ research / 45

3.1. Resultados etapa 1

3.1. Stage 1 results

De la primera encuesta realizada en el taller, junto con lo capturado en los registros audiovisuales, se determinó que las pérdidas tradicionales más frecuentes son rehacer el trabajo, cometer errores en la ejecución de la partida y tener retraso en las actividades. Para el caso de las pérdidas con relación a impactos sociales y ambientales, se tiene que las más frecuentes son pérdida de materiales no utilizados, deterioro de materiales y arriendo de equipos que no se utilizan.

From the first survey in the workshop, along with the captured images in the audio-visual recordings, it was determined that the most frequent traditional wastes are the work remake, errors in the execution of the operation and delay in the activities. In the case of wastes in relation to social and environmental impacts, the most frequent wastes are non-used- materials, deterioration of materials and equipment leased not used.

Con las respuestas de la segunda encuesta que debieron completar los participantes se graficó cada fuente de pérdida y el porcentaje del equipo que la mencionó como frecuente (Figura 1). Los resultados mostraron que nadie mencionó “excesiva burocracia” como pérdida, mientras que un 86% de los participantes nombraron la falta de control y falta de mano de obra como fuentes de pérdidas frecuentes en la obra.

Figure 1 shows the answers of the second survey completed by the participants, each cause of waste and the percentage of the team who referred to it as ‘frequent’. Results shows that nobody mentioned ‘excessive bureaucracy’ as an important cause of waste, whereas 86% of the participants mentioned the lack of control and lack of workforce as main causes of wastes.

De la tercera encuesta se obtuvo que las relaciones pérdidas-causa de las pérdidas más frecuentes son rehacer el trabajo debido a una falta de control, tener un retraso en las actividades debido a una mala planificación, rehacer trabajo debido a que se cuenta con información poco clara y trabajo sin hacer por falta de mano de obra. Con respecto a las pérdidas con impactos sociales y medioambientales, se obtuvo que la pérdida más frecuente era la de materiales y su causa correspondía a la falta de control.

The third survey demonstrated that the waste-cause relation of the most frequent wastes are work remake due to a lack of control, delay in the activities due to deficient planning, work remake due to not having clear information and work not carried out due to lack of workforce. Regarding the wastes producing social and environmental impacts, the most frequent was wasting materials caused by lack of control.

Finalmente, con las respuestas de la última encuesta se obtiene que la pérdida tradicional más importante para la mayoría de los participantes de la investigación es rehacer el trabajo (ver Figura 2). Esta pérdida fue clasificada como importante por los 7 participantes y tuvo un puntuación de 3,85 en promedio (donde 0 es no importante y 5 es muy importante). Los resultados de esta misma encuesta para el conjunto de pérdidas que tienen relación directa

Finally, with the answers of the last survey it is obtained that the most important traditional waste for the majority of the participants in the research is the work remake (see Figure 2). This waste was classified as relevant by all participants and had an average score of 3.85 (where 0 stands for not relevant and 5 for highly relevant). The results of this survey for the set of wastes having direct relationship with environmental and social impacts showed that the most important and most frequently waste mentioned by the

Figura 1. Causas frecuentes de desperdicios identificadas por los participantes. Figure 1. Causes of frequent wastes identified by the participants.


46 / Investigaciones de los alumnos

Figura 2. Nivel de importancia de pérdidas.

Figure 2. Relevance level of wastes.

con impactos ambientales y sociales mostraron que la más importante y más nombrada por los participantes es la de materiales, la que refiere al desecho de materiales que no fueron utilizados en la obra. Esta pérdida fue identificada como importante por todos los participantes con una puntuación de 3,14 de un máximo de 5 (ver Figura 3). Al analizar de manera global los resultados obtenidos en la primera etapa es posible establecer que en la construcción hay múltiples pérdidas presentes que son claramente reconocibles por los involucrados en la partida. Estas pérdidas tienen sus causas, las cuales fundamentalmente se deben a que el trabajo se ejecuta de mala manera porque no se ofrecen las condiciones óptimas. Para que estas causas que generan las pérdidas no se repitan debe haber una buena planificación de la ejecución de la partida, de modo de prever y controlar las pérdidas ocasionadas.

participants is wasting materials not used. This waste was classified as relevant by all the participants getting a score of 3.14 out of a top of 5 (see Figure 3). When analyzing the results obtained in the first stage it is possible to establish that there are multiple wastes in construction that are clearly recognizable by the parties involved in the operation execution. These wastes have their causes essentially due to executing the work in a wrong way, because the optimal conditions are not present. In order to avoid repeating the causes generating wastes, a good planning of the operation execution is required, so as to anticipate and to control the resulting wastes.

Figura 3. Nivel de importancia de pérdidas medioambientales y sociales. Figure 3. Relevance level of environmental and social wastes.


Students’ research / 47

3.2. Resultados etapa 2

3.2. Stage 2 results

La Etapa 2 contempla el análisis del impacto medioambiental que genera la instalación de cerámicas en muros y pisos en una obra de construcción. Este impacto se cuantifica calculando las emisiones de dióxido de carbono que se generan por el tipo y cantidad de material que se utiliza en esta partida.

Stage 2 includes the analysis of the environmental impact by the ceramic installation in walls and floors in a construction site. This impact is quantified by calculating the emissions of carbon dioxide by the type and amount of material that is used.

En primer lugar, se muestra el cálculo realizado para el caso de las cerámicas utilizadas en la partida de muro, luego los resultados obtenidos y la interpretación de estos. En segundo lugar, se evidencian los resultados para el caso del adhesivo utilizado en muros. En tercer lugar, se consideran los resultados obtenidos en el uso de cerámica y adhesivo para el piso. Finalmente, se realiza una interpretación general de los resultados. Estos se describen en la Tabla 1; es decir, las emisiones por la partida de cerámicas de muro y piso. Para el caso del piso en la semana 5 no hay emisiones, porque la partida ya había finalizado para esa fecha. Asimismo, para una mejor comprensión de los resultados, el cálculo para obtener las emisiones reales de la semana 1 correspondiente a la partida de cerámica de muros corresponde a: la cantidad de cerámica usada (416 m2), multiplicado por las emisiones de producir 1 m2 de cerámica de muros (15,9 kg/m2) [6], lo que resulta 6.614,4 kg de CO2-eq. Lo anterior se replica para todos los cálculos de emisiones, donde para las emisiones ideales se ocupó el área geométrica cubierta con la cerámica. Para las emisiones sin intervención se utilizó el área de cerámica que se habría trabajado si se hubiera mantenido por las cinco semanas el rendimiento de la semana 1. Finalmente, para las emisiones con el mejor rendimiento se consideró el área de cerámica que se emplearía trabajando al mejor rendimiento. Por ejemplo, para las emisiones sin intervención se utilizó el rendimiento de la semana 1 que es igual a 0,904, por lo tanto se dividió el área geométrica (376,15) en 0,904, resultado en 416,1 m2. Luego, esta área se multiplicó por 15,9 kg/m2 y así se obtuvieron los 6.615 kg de CO2-eq.

First, calculation for ceramics in walls and floor is shown and subsequently the obtained results and the interpretation of them. Second, the results regarding the adhesive used on walls and floor are shown. Third, the obtained results for ceramic and adhesive use are considered. Finally, a general interpretation of the results is performed. These are described in Table 1. In regard to the floor during week 5, there were no emissions because that batch was finished by that time. For a better understanding, the emissions calculation of week 1 corresponding to ceramics of walls is explained: the amount of ceramics (416 m2), multiplied by the emissions to produce 1 m2 of wall ceramics (15.9 kg/m2) [6], which is 6,614.4 kg of CO2 are the emissions of using that amount of ceramics. The previous action is replicated for all the emission calculations, where the geometric area covered with ceramics is set as the ideal emission level. For the emissions with no intervention, the area of ceramics that would have been worked on was used, if the output of week one would have been maintained during the five weeks of work. Finally, for the emissions with best performance, the ceramic area used by working with the best week performance was considered. For example, for the emissions with no intervention the output of week 1 was considered, which equals 0.904, therefore the geometric area (376.15) was divided by 0.904, resulting in 416.1 m2. Then, this area was multiplied by 15.9 kg/m2 and thus 6,615 kg of CO2-eq were obtained. The difference between real emissions and what it would be ideally emitted in the case of walls is 1,024 kg of equivalent CO2; that is, if there were not inefficiencies or wastes in

Table 1. Summary of emissions by ceramics used in walls and floor Real emitted du- Ideal (with opti- Without intervention Best performance (with ring operation exe- mal performan- (with performance prior the best reached perforcution ce) to intervention) mance) Wall

Floor

Wall

Floor

Wall

Floor

Wall

Floor

Week 1

6,614

5,810

5,980

5,293

6,615

5,810

6,004

5,390

Week 2

1,894

2,188

1,733

2,089

1,917

2,293

1,740

2,127

Week 3

3,192

1,433

3,178

1,407

3,515

1,544

3,190

1,433

Week 4

2,690

875

2,517

881

2,784

967

2,527

897

Week 5

520

0

477

0

528

0

479

0

Total

14,912

10,308

13,887

9,671

15,362

10,616

13,943

9,848


48 / Investigaciones de los alumnos

La diferencia entre lo realmente emitido y lo que idealmente se debería emitir en el caso de muros es de 1.024 kg de CO2-eq, esto es, si en la partida de cerámica de muros no hubieran ineficiencias ni pérdidas. La diferencia entre lo que realmente se emitió y lo que se esperaba que fuera emitido en el caso de muros sin la intervención es de 450 kg de CO2-eq. Esta diferencia podría ser atribuida a la implementación de herramientas Lean, aunque no se puede asegurar con plena certeza debido a que podrían existir otros factores externos a la investigación que no fueron controlados, como por ejemplo si existieron o no cambios de personal. Luego de la aplicación de las herramientas Lean contempladas en la investigación, se evidenció un aumento en el rendimiento en el caso de muros en el uso de cerámica, siendo el mejor 0,996 alcanzado en la semana 3. Si este hubiera sido el rendimiento de las cinco semanas se habrían dejado de emitir 969 kg de CO2-eq. Dicha interpretación de los resultados es replicable tanto para el caso de cerámica utilizada en piso, como en el de adhesivo utilizado en muros y pisos.

the ceramics installation of walls. The difference between what was really emitted and what was expected without the intervention is 450 kg of equivalent CO2. This difference could be attributed to the implementation of Lean tools, although it is not possible to certainly assure this because some other external factors can exist, which were not controlled, as for example if personnel changes took place or not. After the application of Lean tools contemplated in the research, there was an output increase in the use of ceramics in walls, being 0.996 the best score reached in week 3. If it had been the output of the five weeks, then 969 kg of CO2-eq had been avoided from being produced. Such interpretation of the results is replicable, either for ceramics used in the floor and for the adhesive used in walls and floors. Table 2 shows the emissions per ceramic installation for walls and floor due to the use of adhesive. The optimal output used is the recommended by the manufacturer [7], equivalent to 1.6 kg/m2 by each mm of thickness. Thickness average used in walls is 3 mm, therefore the optimal output will be 16 kg/m2. In the case of floors, 5 mm-thick adhesives is used, therefore the optimal output will be 4.8 kg/m2 for floors.

A continuación, en la Tabla 2 se ofrece un detalle de las emisiones por la partida de cerámicas de muro y piso debido al adhesivo utilizado. El rendimiento óptimo corresponde al recomendado por el productor [7], equivalente a 1,6 kg/m2 por cada mm de espesor. El espesor promedio utilizado en muros es de 3 mm, por lo tanto el rendimiento óptimo será de 16 kg/m2. En el caso de piso se utilizan 5 mm de espesor de adhesivo, por lo que el rendimiento óptimo utilizado es igual a 4,8 kg/m2.

When analyzing these results, it can be established that real emissions can be reduced up to the point to reach the ideal ones. This means that processes perform at their optimal level, so the items are being executed without wastes and inefficiencies. Nevertheless, all the processes include some necessary activities, but that do not add any value, therefore it is not possible to reduce current wastes in a 100%. Even so, the obtained results demonstrate that emissions can be reduced significantly with a good implementation of Lean tools to the processes.

Al analizar los resultados obtenidos se puede establecer que las emisiones reales pueden ser reducidas hasta el punto de alcanzar las ideales. Esto significaría que los procesos están rindiendo en su estado más óptimo y que se está ejecutando la partida sin pérdidas e ineficiencias. Sin embargo, todos los procesos tienen actividades que son necesarias, pero que no agregan valor, por lo tanto no es posible reducir en un 100% las pérdidas presentes. Aun así, los resultados obtenidos demuestran que las emisiones

Still, it is important to emphasize that these tools must be implemented correctly and with the maximum follow-up possible, to promote a culture of continuous improvement throughout the project. As it has been indicated in other research, the Lean tools are not self-sustainable without a

Table 2.- Summary of emissions per adhesive used in walls and floor Real emitted duWithout intervention Ideal (with optiBetter yield (with the ring the item exe(with the output prior to mal output) best reached output) cution intervention) Wall

Floor

Wall

Floor

Wall

Floor

Wall

Floor

Week 1

447

1,271

283

574

447

1,271

343

1,192

Week 2

193

571

94

275

148

609

114

571

Week 3

229

405

172

185

272

410

209

384

Week 4

220

310

136

116

215

256

165

241

Week 5

31

0

25

0

40

0

31

0

Total

1,122

2,558

712

1,151

1,125

2.548

864

2,390


Students’ research / 49

pueden ser reducidas significativamente con una buena implementación de herramientas Lean a los procesos. Aún así, es importante destacar que estas herramientas deben ser implementadas correctamente y con el mayor seguimiento posible, de forma tal de promover una cultura de mejora continua a lo largo del proyecto. Tal como ha sido señalado en otras investigaciones, las herramientas Lean no se sustentan por sí solas sin un esfuerzo transversal en cuanto a la cultura y filosofía de las organizaciones. Esto significa que los involucrados en la partida, desde cargos ejecutivos hasta cargos operacionales, deben estar presentes en la intervención y ser parte del proceso de mejora, de manera de que puedan aumentar y maximizar la productividad de las actividades a través de mecanismos que ellos mismos implementen.

cross-sectional effort as far as the culture and philosophy of the organizations is concerned. It means that the involved parties in the operation execution, from executive positions to operational positions, must be present in the intervention and be part of the improvement process, so that they can increase and maximize productivity through mechanisms that can be implemented by them.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

La presente investigación evidenció que existe un potencial latente en la implementación de herramientas Lean que puedan beneficiar el aumento de productividad en conjunto con la reducción de emisiones de CO2. En el caso particular estudiado se logró una disminución de 751 kg de CO2 que se habrían emitido en caso de no haber realizado cambios en la instalación de cerámicas. Considerando lo anterior, se recomienda a las empresas destinar tiempo y recursos para que este tipo de iniciativas sean replicadas internamente en otras partidas y proyectos con el fin de generar una cultura en donde la reducción de pérdidas y la creación de valor sea constante. Si las personas involucradas en esta investigación son capaces de visualizar la usabilidad de este tipo de investigaciones, será posible crear organizaciones en donde la mejora continua sea parte diaria de sus procesos. Lo anterior se suma al beneficio que este tipo de acciones pueda generar en el ecosistema a través de una reducción en los recursos destinados a cada proyecto.

This research proved that there is a latent potential in the implementation of Lean tools, which can benefit the increase of productivity through a reduction of CO2 emissions. In this particular case study, a decrease of 751 kg of CO2 was obtained, which would have been emitted if no changes were made in the ceramic installation process. Considering the aforementioned, it is recommended to the companies to devote time and resources for this type of initiatives to implement Lean in other construction operations and projects in order to create a culture where waste reduction and the creation of value become a constant. If the practitioners involved in this research are able to visualize the usability of this type of research, it will be possible to create organizations where continuous improvement is a daily routine in their processes. The previous can be added to the benefits that this type of action can create on the environment, through a reduction of resource consumption in each project.

Para lograr generar mejoras se recomienda que las empresas realicen talleres internos basados en los conceptos de pérdida y valor, identificando las pérdidas más comunes y sus fuentes. Luego, a partir de lo hallado, se pueden implementar medidas correctivas para eliminar total o parcialmente dichas pérdidas. Es necesario que las medidas implementadas sean comunicadas a todos los involucrados en la partida para generar una conciencia de mejora contínua. Asimismo, será favorable incentivar que en otros proyectos se aplique lo aprendido para generar conocimiento. Finalmente, es primordial que la mejora sea contínua, por lo tanto se deben realizar permanentemente análisis acerca de las pérdidas y reducirlas. Para este objetivo, los trabajadores son agentes claves en el buen desarrollo de dichas prácticas, por lo que fomentar con posibles incentivos a las cuadrillas más productivas puede lograr alinear los propoósitos de todas las partes involucradas y realizar mejoras aún más importantes.

In order to manage the generation of improvements, we recommend to companies to carry out internal workshops based on the concepts of wastes and value, identifying the most common wastes and their causes. Then, considering the findings, corrective measures can be taken to eliminate these wastes, totally or partially. It is necessary to communicate the implemented measures to all the involved parties to create continuous improvement consciousness. Also, it will be positive to foster consciousness in other projects to create knowledge. It is fundamental that the improvement must be continuous; therefore practitioners should permanently analyze wastes to reduce them. For this purpose, workers are key agents in the correct implementation of these Lean practices, awarding incentives to the most productive groups can lead to align the interests of all involved parties and accomplish even more important improvements.


50 / Investigaciones de los alumnos

El presente estudio ha logrado identificar que Lean y sus herramientas asociadas continúan siendo superficialmente usadas por las empresas y que conceptos claves como pérdidas y valor no son parte de un lenguaje común que dé cuenta de organizaciones más eficientes y amigables con el medio ambiente. Se propone que investigaciones futuras estén centradas en la generación de un lenguaje común a nivel de cada organización, que constituya la expresión de una cultura inspirada en el cambio y la mejora continua.

The present study has identified that Lean tools are still superficially used by construction companies, and that key concepts such waste and value are not part of a common language, preventing companies to being more efficient and friendly with the environment. Future research should be centered in the generation of a common language to help in creating a culture inspired by change and continuous improvement in construction companies.

AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGEMENTS

Se agradece la participación de las empresas constructoras del grupo colaborativo de GEPUC (www.gepuc.cl) por darnos accesos a sus obras y datos para esta investigación.

We would like to thank the construction companies belonging to the collaborative group of GEPUC (www. gepuc.cl), which allowed us access to its works and data for this research.

Glosario

GLOSSARY

HERRAMIENTAS LEAN: son herramientas formuladas por la corriente Lean, que se puede aplicar a la industria de la construcción para gestionar la productividad. DIAGRAMA DE ISHIKAWA: es una herramienta Lean que se usa para identificar las causas que puede tener un efecto. ANÁLISIS DE 5 PORQUE’S: es una herramienta Lean que se utiliza para encontrar la causa raíz de un determinado efecto. REPORTE A3: Es una herramienta Lean, la cual permite resumir un plan de acción a seguir en un formato de papel tamaño a3. PARTIDAS: se le denomina partida a cada una de las distintas actividades que se realizan en una obra de construcción. Por ejemplo, la partida de cerámica hace referencia a la ejecución de la instalación de las cerámicas respectivas en una obra.

LEAN TOOLS: tools formulated by the Lean current that can be applied to construction industry to manage productivity. ISHIKAWA DIAGRAM: it is a Lean tool used to identify causes that can have an effect. 5 WHYS ANALYSES: it is a Lean tool used to find the root cause of a certain effect. A3REPORTS: it is a Lean tool, which allows summarizing an action plan to follow in a format of A3 paper. ITEMS: each one of the different activities executed in a construction site. For example, the ceramics item makes reference to the execution of the installation of the respective ceramic in a work.

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

La cuantificación del impacto medioambiental, que se genera al ejecutar la partida de cerámica de muro y piso en una obra de construcción, se realiza considerando la cantidad del material usado y las emisiones de dióxido de carbono que eso significa. La cantidad de material utilizado fue medido en la obra en una etapa previa y otra posterior a la intervención; por lo que se obtiene el rendimiento para las dos etapas. Las emisiones de dióxido de carbono se obtienen de declaraciones ambientales de producto realizadas por productores de materiales similares al utilizado. Por lo tanto, al conocer la cantidad de material, se puede obtener el dióxido de carbono que se emitió por el uso de este.

This research quantifies the environmental impact generated when executing the item ceramics of wall and floor in a construction site, taking into account the amount of material used and the carbon dioxide emissions due to the material fabrication. The amount of material used was measured in the work before and after an intervention using Lean tools, so the gap between the two stages is obtained. Carbon dioxide emissions are obtained from environmental product declarations by manufacturers of similar materials. Therefore, when knowing the amount of material, the amount of carbon dioxide emitted by the use of this material can be obtained


Students’ research / 51

REFERENCES 1. NATIONAL INSULATORS. Bekron [on line] [ref.5 of July 2016].Available on the Web: http://www.aislantesnacionales.cl/ pdfs/bekron.pdf 2. ALARCÓN, Luis Fernando. Identification and Reduction of Losses in the Construction Industry: Tools and Procedures. Santiago: Lom editions, 2001. 3. CHOU, J. and YEH, K. “Life cycle carbon dioxide emissions simulation and environmental cost analysis for building construction”. Journal of Cleaner Production (Impact Factor:3.84).2015, N°.101, p.137-147.  4. HANG, T. and DOMFELD, D. “Energy Used per Worker-Hour: Evaluating Contribution of Labor to Manufacturing Energy Use”. Proceedings of the 14th CIRP Conference on Life Cycle Engineering, Waseda University, Tokyo, Japan, June 11th– 13th, 2007. 5. LIKER, Jeffrey. Toyota Way: Management Principles from the World’s Greatest Manufacturer. New York: MacGraw-Hill, 2004. 330 p. ISBN: 978-0071392310 6. KOSKELA, L. “Application of the New Production Philosophy to Construction”. Technical report. 1992, N°. 72, 75 p. 7. SERANIT. Environmental Product Declaration: for Wall Tiles in accordance with EN15804 and ISO14025 [on line], 2015 [ref. de 5 of July, 2016]. Available on the Web: http://gryphon.environdec.com/data/files/6/11005/epd676en%20v1.1.pdf

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Camila Fuenzalida

Benjamín Fischer

Paz Arroyo

Jose Luis Salvatierra


52 / Investigaciones de los alumnos

Martin Heck http://timestormfilms.net/

Análisis de concentración de contaminantes generados por una erupción volcánica Analysis of pollutants concentration generated by a volcanic eruption Maximiliano Arancibia1, alumno de 5to año Matías San Martín1, alumno de 5to año Carlos Jerez1, profesor asociado

Maximiliano Arancibia1, 5th year student Matías San Martín1, 5th year student Carlos Jerez1, associate professor

1 Programa de Ingeniería Matemática, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile *Autor de correspondencia: cjerez@ing.puc.cl

1 Mathematical Engineering Program, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile *Corresponding author: cjerez@ing.puc.cl


Students’ research / 53

RESUMEN

ABSTRACT

El alto impacto ambiental que generan las erupciones volcánicas a su alrededor es indiscutible debido a las altas concentraciones de contaminantes que se liberan en el aire. Este es un problema no menor en un país como Chile, donde se concentra casi el 20% de los volcanes activos en el mundo. Las erupciones volcánicas contienen altos niveles de gases tóxicos que son dañinos para la salud humana y la habitabilidad de los pueblos cercanos a la erupción. Claros ejemplos de lo anterior son las recientes erupciones de volcanes como Calbuco, Villarrica o Chaitén. En busca de implementar un modelo matemático que permita analizar los niveles de concentración de gases contaminantes en el aire, generadas por una erupción volcánica, este trabajo ahondará en el análisis de la ecuación de conveccióndifusión con un campo de velocidades como un flujo potencial, asegurando una solución única bajo los parámetros y supuestos físicos estipulados. Se propondrá un modelo discreto resuelto por el método de elementos finitos para encontrar una solución numérica a los niveles de concentración de contaminantes, mostrando gráficamente algunos resultados a través del tiempo.

The high environmental impact generated by volcanic eruptions in their surroundings, caused by the high concentrations of air pollutants released in each eruption, is unquestionable. The impact is even higher in a country like Chile, where almost 20% of the active volcanoes in the world are located. Volcanic eruptions contain high levels of toxic gases that are harmful to human health and endanger the habitability of towns around the eruption’s site. Clear examples of this are the recent eruptions of Calbuco, Villarrica and Chaitén volcanoes. Looking to implement a mathematical model that allows us to analyze the gas concentration levels of air pollutants generated by a volcanic eruption, this investigation will deepen the analysis of the convectiondiffusion equation with velocity field as a potential flow, ensuring a unique solution within the parameters stipulated and physical assumptions. A discrete model solved by the finite element method is proposed to find a numerical solution to the pollutants concentration levels for which some graphic results will be shown over time.

Palabras clave: volcán, convección-difusión, elementos finitos, contaminación.

Keywords: volcano, convection-diffusion equation, finite element method, pollutant.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

La influencia de los volcanes en la historia de la humanidad es algo que no se puede negar. La creación de islas y la modificación de la geografía terrestre es algo que surge como primer pensamiento. Como país, se tienen recuerdos mucho más recientes, como lo son los casos de los volcanes Villarica, Calbuco y Chaitén.

The Volcanoes influence on mankind history it is a fact that cannot be denied. The creation of Islands and the changes over the earth geography are some examples at first thought. In Chile, we have more recent events, like volcanoes Villarrica, Calbuco and Chaitén.

Es importante, al momento de analizar el impacto de los volcanes, notar que una erupción tiene principalmente 2 efectos: el escurrimiento de lava y la expulsión de gases tóxicos en conjunto con ceniza volcánica. De hecho, al analizar la extinción de los dinosaurios, se pueden encontrar teorías donde la caída de un meteorito no fue la directa responsable, sino que fueron los volcanes, al hacer erupción masiva generada por el gran impacto del meteorito [1]. Estas teorías hacen pensar que la lava no fue la encargada de terminar el legado de los dinosaurios. No obstante, la ceniza volcánica y los gases tóxicos que se liberaron a la atmósfera fueron el principal culpable de este hecho. Los gases tóxicos acabaron con gran parte de la flora y, es por esto, que los animales de gran tamaño no pudieron encontrar el alimento suficiente, llevándolos a la extinción [1].

It is important to note, when analyzing the volcanoes impact, that the eruptions have mainly two effects: the lava flow and expulsion of toxic gases with volcanic ashes. In fact, while analyzing dinosaur’s extinction, it can be found several theories where the meteorite was not directly responsible, but the volcanoes were, since massive eruptions were produced by the big meteorite impact [1]. The volcanic ashes and toxic gases released to the atmosphere were the main reason of the dinosaur’s extinction. The toxic gases ended most of the flora on the globe, and then, herbivores dinosaurs could not find enough food, bringing them to extinction [1]. Nowadays, more than 500 millions of people live under the threat of a volcano and over 550 volcanoes are estimated to be active around the world [2], where approximately 90 of them are in Chile [3]. That is why, it is crucial for


54 / Investigaciones de los alumnos

En la actualidad, más de 500 millones de personas viven bajo la amenaza de algún volcán y se estiman cerca de 550 volcanes activos en el mundo [2], donde aproximadamente 90 de ellos están ubicados en Chile [3]. Por ello, es crucial para nuestro país tenerlos constantemente monitoreados y tener planes de contingencia efectivos y respaldados científicamente.

our country to have them constantly monitored and have effective contingency plans, scientifically supported.

En este contexto surge la necesidad de predecir cuantitativamente la extensión de las COLUMNAS DE CENIZAS liberadas por los volcanes para, de este modo, desarrollar correctamente un plan de evacuación en caso de emergencia.

“Therefore, in this paper there is a physical model proposed to explain the volcanic eruption phenomenon, mainly focusing on the behavior of the volcano toxic gases released and how they move in the air. Furthermore, the levels of contamination in space, considering inhabitant risk indexes, will be evaluated quantitatively, using mathematical tools. The aim of this study is to provide an effective contingency plan to protect the health of the population.”

En este documento se propone un modelo físico para explicar el fenómeno de una erupción volcánica, enfocándose principalmente en el comportamiento que presentan los gases tóxicos expulsadas por el volcán en el aire y cómo se mueven en el espacio. Además, con herramientas matemáticas se analizarán los niveles de contaminación en el espacio de manera cuantitativa, sujeto a los índices de riesgo para los habitantes. Todo esto, en pos de generar un plan de contingencia que realice evacuaciones de manera efectiva para cuidar la salud de la población.

In this context arises the need to quantitatively predict the spreading of the ERUPTION COLUMN released by volcanoes, trying to provide a correct evacuation plan in case of emergency.

2. METODOLOGÍA

2. METHODOLOGY

Como modelo general del problema se pueden reconocer dos grandes ejes. El primero es el modelo de difusión y convección: este modelo nos indica cómo varía una cantidad, masa o concentración cuando estas se pueden mover en el ambiente y esto se modela mediante una función de difusividad (D(x,t)) que depende de la posición y del tiempo.

As a general model for this problem, it can be separated into two big areas: The first one, is the model for convection-diffusion, which tells how a quantity, like mass or concentration, varies when this can move over the space and changes over time, and this depend over a function of diffusivity (D(x,t)) on function of time and position.

Por otro lado, también se tiene que modelar la influencia del viento, sin embargo, se asume la velocidad del viento conocida, así que ignoraremos las ecuaciones relacionadas. Este supuesto tiene el fin de evitar trabajar directamente con la ecuación de Navier-Stokes, que por lo general necesita métodos más complicados y poco eficientes. En resumen, la modelación del fenómeno estaría cargo de la ecuación difusión-convección (Ecuación 1):

On the other side, the wind influence is also modeled. Nonetheless, the velocity of the wind is assumed to be known. This assumption tries to avoid the work with Navier-Stokes equation, which commonly needs more complicated and less efficient methods. The model for this phenomenon will be explained over the convectiondiffusion equation, on (Equation 1):

[1]


Students’ research / 55

Figura 1. Esquema del dominio a trabajar, mostrando las definiciones de la frontera. Figure 1. Scheme for the domain, remarking his boundary.

con x∈Ω⊆R y t∈[0,T]⊆R+, donde R representa el conjunto de los números reales y además:

with x∈Ω⊆R y t∈[0, T]⊆R+ , where R represents the set of all real numbers, and:

w representa la concentración de contaminante en el aire, que depende de la posición y del tiempo. • D corresponde al coeficiente de difusión, que depende de la concentración w y de la posición. Con los supuestos de la sección 2, se llegará a que esta es una constante. corresponde al campo de velocidades del aire, que • dependen de la posición y del tiempo. • R corresponde a la emisión de contaminantes provocada por la erupción del volcán. Esto describe la fuente de contaminación salida desde el volcán, que depende del tiempo y de la posición. Se propone un dominio Ω⊆R2 en el primer cuadrante (ver Figura 1) para trabajar en el modelo regido por la ecuación 1. 2.1 Supuestos físicos Para poder abordar el problema de manera efectiva, se asumen condiciones físicas fundamentales que permitirán trabajar, manteniendo un error aceptable en el realismo del modelo propuesto. Los supuestos son: • Fluido ideal. • Fluido irrotacional. • Fluido incompresible. • Estado estacionario. • Condiciones de borde simplificadas. Esto provocará una serie de simplificaciones al modelo, que hará que las ecuaciones diferenciales parciales de la ecuación 1, sean tratables de manera simple por el método de elementos finitos (FEM, por sus siglas en inglés). 2.2 Formulación fuerte La formulación fuerte es llamada así, porque se modelan las

w represents the pollutant’s concentration on air, in function of time and space. • D is the diffusion coefficient, in function of the concentration and time and position. Over assumptions defined in section 2, this will be a constant. represents the vector field of air velocity in function • of time and space. • R represents the pollutants’ emission generated by the volcanic eruption. This describes the contamination source outgoing from the volcano, in function of time and space. A first quadrant domain Ω⊆R2 is proposed (see Figure 1) to check the model equation. 2.1 Physical assumptions To approach the problem in an effective way, fundamental physical assumptions are proposed, that let the model to be more tractable, keeping and acceptable realism of the mathematical model. The assumptions are: • Ideal fluid. • Incompressible fluid. • Irrotational fluid. • Steady state. • Boundary conditions simplified. This will cause several simplifications to the model, making the partial differential equations of equation 1 being tractable in a simple way by the finite element method (FEM). 2.2 Strong formulation The strong formulation model is named so because the differential equations are modeled with boundary conditions


56 / Investigaciones de los alumnos

ecuaciones diferenciales en conjunto con las condiciones de borde que permiten modelarla. Primero, se tiene que resolver el problema asociado al viento y luego se puede estudiar el problema asociado a la difusiĂłn de contaminantes.

associated that allow the modeling itself. First, it must be solved the wind problem, in section 2.2.1, and then it can be solved the pollutant convection-diffusion problem.

2.2.1 Viento

2.2.1 Wind

Usando los supuestos fĂ­sicos se puede establecer el problema de buscar un flujo potencial en el dominio â„Ś. Si tenemos =âˆ‡Ď•, para algĂşn Ď•, las ecuaciones 2 hasta la 5, explican el comportamiento que debe tener el flujo potencial para cumplir con los supuestos fĂ­sicos expuestos en la secciĂłn 2.1. ∆đ?œ™= 0, sobre đ?›ş [2] đ?›žNđ?œ™= -c, sobre Đ“1 [3] đ?›žNđ?œ™= c, sobre Đ“1 [4] đ?›žNđ?œ™= 0, sobre Đ“3 âˆŞ Đ“4 [5]

Over the physical assumption it can be established that this problem is equivalent to find a potential flow over â„Ś. If =âˆ‡Ď•, for some Ď•, the equations 2 to 5 represents the behavior of the potential flow under the assumptions defined at section 2.1.

∆đ?œ™= 0, over đ?›ş đ?›žNđ?œ™= -c, over Đ“1 đ?›žNđ?œ™= c, over Đ“1 đ?›žNđ?œ™= 0, over Đ“3 âˆŞ Đ“4

[2] [3] [4] [5]

donde đ?›žNđ?œ™ representa el flujo normal a travĂŠs de la frontera del dominio đ?›ş (que es Đ“) y c > 0 es una constante.

where đ?›žNđ?œ™ represents the normal flow over the boundary of đ?›ş (which is Đ“) and c > 0 a constant.

2.2.2 DifusiĂłn-convecciĂłn de contaminantes

2.2.2 Convection-diffusion of pollutants

Usando los supuestos explicados en la secciĂłn 2.1 y utilizando las implicancias matemĂĄticas que estos significan, ademĂĄs de asumir que se conoce el comportamiento del campo de velocidades , expuesto en la secciĂłn 2.2.1, se establece una versiĂłn simplificada de la ecuaciĂłn de difusiĂłn-convecciĂłn, en la ecuaciĂłn 6.

Using the mathematical implications given by the assumptions at section 2.1 and the given solution of the wind problem at section 2.2.1 it establishes a simplified version of convection-diffusion equation on equation 6, as follows:

wt = D ¡ ∆xw - divx( w)+R.

[6]

AdemĂĄs, dos condiciones de borde, expuestas en las ecuaciones 7 y 8: đ?›žDx w(x,¡)=0, para x âˆˆĐ“

�Dx w(¡,t)=R(x,t), para t=0

[7] [8]

La primera condiciĂłn de borde representa que el contaminante sale del centro del volcĂĄn y no llega de una fuente externa y que en los bordes exteriores (al tender a infinito) se puede asumir que no hay contaminaciĂłn en el aire. Notar que en la frontera Đ“4, que representa al suelo en esta situaciĂłn, estamos asumiendo que no hay salida de contaminantes. Esto entra en los supuestos para simplificar nuestro modelo, ya que debiĂŠsemos considerarlo como un sumidero de contaminantes, a travĂŠs de un parĂĄmetro que representa la velocidad de deposiciĂłn, que depende de las propiedades del gas contaminante y su penetraciĂłn en el suelo. Por otra parte, la segunda condiciĂłn de borde representa el hecho que el volcĂĄn empieza con su actividad

wt = D ¡ ∆xw - divx(

w)+R.

Plus, two boundary conditions, on equation 7 and 8: đ?›žDx w(x,¡)=0, for x âˆˆĐ“ đ?›žDx w(¡,t)=R(x,t), for t=0

[6]

[7] [8]

The boundary condition on equation 7 represents that there is no pollutant concentration on the air, for the external boundary. Note that Đ“4 represents the soil boundary. Here, it is assumed that there are not outgoing pollutants, which is over the assumptions to simplify the boundary conditions. It should be modeled as a sink pollutant through a deposition rate parameter, which depends on pollutant properties and soil penetration. On the other hand, the boundary condition on equation 8 states that the volcanic eruption starts at the beginning of the simulation.


Students’ research / 57

al momento de partir la simulaciĂłn. Teniendo los dominios establecidos, el problema que se busca resolver corresponde a encontrar una funciĂłn w∈H1(â„ŚĂ—[0,T]) que satisface el siguiente problema: wt -DÂˇâˆ†w+div( w)=R, para xâˆˆâ„Ś, y para t ∈[0,T], [09] đ?›žDx w=0, para xâˆˆĐ“, y para todo t ∈[0,T], đ?›žDx w=R, para t=0, y para todo x âˆˆâ„Ś.

[10] [11]

Donde D∈R\{0} es una constante, es una funciĂłn vectorial en [C∞(â„ŚĂ—[0,T])]2 y R es una funciĂłn escalar en C∞(â„ŚĂ—[0,T]).

The problem proposed to solve is to find a function w∈H1(â„ŚĂ—[0,T]) such that satisfies: wt -DÂˇâˆ†w+div( w)=R, for xâˆˆâ„Ś, and for every t ∈[0,T], [9] đ?›žDx w=0, for xâˆˆĐ“, and for every t ∈[0,T], [10] đ?›žDx w=R, for t=0, and for every x âˆˆâ„Ś. [11]

where D∈R\{0} is a constant, is a vector field in [C∞(â„ŚĂ—[0,T])]2 and R is a scalar field in C∞(â„ŚĂ—[0,T]).

2.3 FormulaciĂłn dĂŠbil

2.3 Weak formulation

Se pueden escribir las mismas ecuaciones anteriores en su FORMA VARIACIONAL definiendo los espacios correctos. No se describirĂĄ el trabajo matemĂĄtico, sin embargo, en las siguientes secciones se describirĂĄ otra forma de plantear los problemas de la secciĂłn 2.2.

In this section, we present the same equations shown on section 2.2 on his VARIATIONAL FORM, over the correct space. This paper would not describe the rigorous mathematical analysis work to get this, so it is going to show only the main results.

2.3.1 Viento Sean Îą:[H1(â„Ś)]2â&#x;śR y b:H1(â„Ś)â&#x;śR dos funcionales lineales definidos para đ?œ™,v∈H1(â„Ś) como: Îą(đ?œ™,v)=âˆŤâ„Śâ&#x;¨âˆ‡đ?œ™,∇vâ&#x;Šdx, [12]

2.3.1 Wind Let Îą:[H1(â„Ś)]2â&#x;śR and b:H1(â„Ś)â&#x;śR be two linear functions defined for every đ?œ™,v∈H1(â„Ś) as: Îą(đ?œ™,v)=âˆŤâ„Śâ&#x;¨âˆ‡đ?œ™,∇vâ&#x;Šdx, [12] b(v)=âˆŤĐ“2cđ?›žD(v)dx-âˆŤĐ“1cđ?›žD(v)dx [13]

b(v)=âˆŤĐ“2cđ?›žD(v)dx-âˆŤĐ“1cđ?›žD(v)dx

[13]

NĂłtese que đ?›žD(v) representa el valor de la funciĂłn v en la regiĂłn de integraciĂłn por temas de notaciĂłn y de la definiciĂłn de los espacios de funciones es necesario definir este operador que pareciera no decir nada. Luego, la formulaciĂłn variacional del problema corresponde a encontrar una funciĂłn đ?œ™âˆˆH1(â„Ś) tal que: Îą(đ?œ™,v)=b(v), para todo v∈H1 (â„Ś) [14] 2.3.2 DifusiĂłn-convecciĂłn de contaminantes Sean Îą:[HD1 (â„Ś)]2â&#x;ś H1([0,T]) y l:HD1 (â„Ś)â&#x;śH1 ([0,T]), definidas para w,v∈HD1 (â„Ś) como:

Note that đ?›žD(v) represents the value of the function v over the integration region, in this case the boundary of the domain. Then, the variational formulation of the wind problem is defined as find a function đ?œ™âˆˆH1(â„Ś) such that:

Îą(đ?œ™,v)=b(v), for every v∈H1 (â„Ś)

[14]

2.3.2 Convection-Diffusion of pollutants Let Îą:[HD1 (â„Ś)]2â&#x;ś H1([0,T]) and l:HD1(â„Ś)â&#x;śH1 ([0,T]) be defined for all w,v∈HD1 (â„Ś) as: Îą(w,v)=DâˆŤâ„Śâ&#x;¨âˆ‡xw(x,t),∇xv(x,t)â&#x;Šdx-âˆŤâ„Śâ&#x;¨ (x,t)w(x,t),∇xv(x,t)â&#x;Šdx [15]

Îą(w,v)=DâˆŤâ„Śâ&#x;¨âˆ‡xw(x,t),∇xv(x,t)â&#x;Šdx-âˆŤâ„Śâ&#x;¨ (x,t)w(x,t),∇xv(x,t)â&#x;Šdx [15] l(v)=âˆŤâ„ŚR(x,t)v(x,t)dx [16] con t∈[0,T].

l(v)=âˆŤâ„ŚR(x,t)v(x,t)dx where t∈[0,T].

Esto significa que el problema variacional corresponde a encontrar una funciĂłn w∈HD1(â„Ś), tal que:

This means that the variational formulation is to find a function w∈HD1(â„Ś), such that:

[16]


58 / Investigaciones de los alumnos

Donde HD1 es una variación del espacio H1, para definir correctamente las condiciones de borde.

[17] α(w,v)=l(v), for every v∈HD1 (Ω) where HD1 is a variation of space H1, to correctly define the boundary conditions.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

En este artículo se presentan tres resultados importantes para el problema definido en la sección 2: existencia y unicidad de la solución, resolución por método de elementos finitos para el problema del viento y de la ecuación de difusión-convección.

In this section, we present some important results for the problem defined on section 2: existence and uniqueness of the solution and solving the wind problem and the convection-diffusion equation by the finite element method.

3.1 Existencia y unicidad de la solución

3.1 Existence and uniqueness of the solution

Al momento de trabajar en cualquier modelo matemático, es de gran interés que bajo las condiciones y supuestos físicos en que se trabaja, siempre exista al menos una solución. La existencia de una solución es un tema muy importante, que muchas veces se puede verificar de manera teórica, antes de resolver el problema numéricamente. En caso de que no exista, se estaría trabajando en un problema infactible y carecería de interés su resolución. Sin embargo, no solo es importante la existencia de solución en el modelo, sino que también, es bueno tener una, y solo una, solución ya que de esta manera se asegura consistencia entre la solución encontrada del modelo y se evitan problemas de ambigüedad. Si existiera más de una solución, puede que teóricamente se trabaje con una, pero en la práctica sea otra, lo que podría ocasionar alguna confusión al momento de analizar los datos. En particular en los problemas definidos en la sección 2.3, se podrian tener infinitas combinaciones lineales convexas que también resuelvan el modelo que estamos estudiando, por lo que es imperante exigir una única solución.

When analyzing any mathematical model, it is very important to show, at least, the existence of one solution for the problem. This is a main issue, since it can be shown before solving the problem numerically. In case that there is not such solution, it will be an infeasible problem, so that, a non-interesting problem. Nevertheless, the existence of the solution is not the only important thing, but also the uniqueness of the solution, giving consistency to the model’s solution and avoiding ambiguity issues. If there is more than one solution, it could be some troubles: theoretically could be used one solution, but the numerical solution be other one, and then, misleading analysis. A further discussion is presented at the scientific principle section, at the end of this paper.

α(w,v)=l(v), para todo v∈HD1 (Ω)

[17]

Es por esto, que con ayuda de la teoría matemática se busca asegurar estas dos condiciones para los problemas variacionales definidos en la sección 2.3. Se pueden describir algunas propiedades para los operadores α(·,·) y l(·), tal que se asegure la existencia y unicidad de la solución de nuestro modelo. Sin mayor detalle en las demostraciones matemáticas, se puede concluir que l(·) es un OPERADOR LINEAL CONTINUO en su dominio y α(·,·) es un operador bilineal continuo en su dominio, debido a la linealidad de la integral y de la desigualdad de Cauchy-Schwarz [5]; bajo la misma línea, el operador α(·,·) es un operador elíptico, gracias a los supuestos sobre el campo de velocidades y de la desigualdad de Poincaré [5]. Estas propiedades sobre los operadores en el problema variacional, nos permiten concluir que existirá una, y solo una, solución al problema planteado, ya que se cumplen todas las condiciones pedidas por el Teorema de Lax-Milgram [5]. Este mismo análisis se hace al problema del campo de velocidades.

For this reasons, with a mathematical approach we look to assure this two conditions of existence and uniqueness for the variational problems defined on section 2.3. Leaving aside mathematical rigour, it can be shown that l(·) is a CONTINUOUS LINEAR OPERATOR on his domain and α(·,·) is a continuous bilinear operator, due to linearity of the integral and Cauchy-Schwarz inequality [5]. On the same side, the operator α(·,·) is an elliptic operator under the assumptions over the velocity field, using the Poincaré inequality [5]. These properties over the operator on the variational problem, allow to conclude the existence and uniqueness of the solution to the problem defined in section 2.3, since every condition is checked in Lax-Milgram theorem [5]. The analysis for the problem of the wind is completely analogous. Once established the existence and uniqueness of the solution for the model presented, it has to be developed a computational routine to let us find numerically the solution wanted on the weak formulation problems. On this paper, it is developed the finite element method, which was entirely programmed in Python. For this method, the first step is to discretize the domain of work, taking care


Students’ research / 59

Figura 2. Ejemplo de una malla realizada con ancho 20 y altura 10. Figure 2. Example of a mesh generated of width 20 and height 10.

Una vez establecida la existencia y unicidad de la soluciĂłn del modelo planteado, se debe desarrollar un mĂŠtodo computacional que nos permita encontrar numĂŠricamente la soluciĂłn buscada. Para este caso, usaremos el mĂŠtodo de elementos finitos, el cual fue desarrollado en Python. Para este mĂŠtodo, es necesario comenzar discretizando el espacio de trabajo, preocupĂĄndose en la forma del volcĂĄn, generando una malla como se puede observar en la Figura 2, para poder aplicar correctamente el mĂŠtodo a los problemas variacionales definidos en la secciĂłn 2.3.

of volcano’s shape. It generates a mesh as in Figure 2, to correctly apply this method over the variational problems on section 2.3.

3.2 Campo de velocidades del viento

3.2 Wind velocity field

El primer objetivo corresponde tener valores numĂŠricos para el flujo potencial del campo de velocidades del viento en el modelo matemĂĄtico que se esta estudiando. Esto se obtiene al resolver el problema definido en la secciĂłn 2.3.1 con el mĂŠtodo de elementos finitos.

The first objective is solving numerically the wind’s problem, giving a numerical solution for the potential flow of the velocity field. This is achieved using finite element method to the problem defined on section 2.3.1. To relate the numerical solution đ?œ™ with the velocity field , an approximation by least squares is used to get the gradient vector of đ?œ™, and then, a discretization of the velocity field, which is the parameter wanted.

Para poder relacionar la soluciĂłn đ?œ™ con el campo de velocidades , se utiliza una aproximaciĂłn realizada por mĂ­nimos cuadrados para obtener el vector gradiente de đ?œ™ y, asĂ­, tener una discretizaciĂłn certera para el campo de velocidades que era la variable de nuestro interĂŠs. Sobre el mallado presentado en el mĂŠtodo de elementos finitos, se puede notar que es importante el tamaĂąo de la particiĂłn. Mientras mĂĄs pequeĂąa sea la particiĂłn, mĂĄs detallada serĂĄ la informaciĂłn que se entrega y, se busca que sea mĂĄs correcta. En la Figura 3, se muestran grĂĄficamente los campos de velocidades para dos mallas de distinto tamaĂąo de particiĂłn. Se puede apreciar que la imagen de la derecha al tener un mallado mĂĄs fino, entrega mayor informaciĂłn y esto ocasiona que sea una aproximaciĂłn mĂĄs certera de las direcciones del viento en comparaciĂłn con la imagen de la izquierda, la cual se desarrollo con un mallado mĂĄs grueso, sin embargo, con la ventaja de ser mucho mĂĄs rĂĄpida de computar.

It’s important to note that the mesh size matters in the accuracy of the numerical solution. The smaller the mesh size, more accurate the solution and, therefore, more correct. The Figure 3, shows graphically two meshes of different mesh size: the right one has a finer partition, giving more detailed information and, so, more accurate approximation of wind directions than the left one, which has a greater mesh size. However, the left one is faster to compute.


60 / Investigaciones de los alumnos

Figura 3. Representación de campos de velocidad generados para flujos potenciales. Figure 3. Velocity field representation generated for potential flows.

3.3 Niveles de concentración de contaminación en la erupción volcánica

3.3 Concentration levels of pollution in the volcanic eruption

Una vez que el campo de velocidades fue encontrado, se posee toda la información necesaria para resolver el problema definido en la sección 2.3.2, a través del método de elementos finitos, en la que se puede usar, a modo de prueba, el valor del coeficiente de difusión D=0,00176, el cual es similar al coeficiente asociado al oxígeno en el aire en este tipo de circunstancias y en este caso la concentración de contaminantes estaría medida en 10-2mol/m2, ya que se está trabajando en dos dimensiones. Además, se usa para fines de testeo la función R(x,t)=4-x2, definida sobre la cima del volcán como la emisión de contaminantes al momento de la erupción.

Once the velocity field was found, all the information needed is possessed to solve the problem defined in section 2.3.2, through the finite element method. For this problem it is used a constant value D=0,00176 for the diffusion coefficient, which is similar in value to this coefficient associated to the oxygen in the air over this kind of circumstances. In this case, we are measuring the concentration in 10-2mol/m2, since it is only two dimensions. Also, for testing purposes, it’s used the function R(x,t)=4-x2, defined on the top of the volcano, as the pollutants’ emission generated by the volcanic eruption.

En la Figura 4, se puede observar como comienzan a aumentar los niveles de concentración en el aire, en los lugares cercanos al cráter del volcán. Y avanzando en el tiempo, se puede observar como en la Figura 5 hay una mayor variedad en los niveles de concentración en el espacio, identificando una nube de contaminantes, que al mismo tiempo que se expande (producto de la constante de difusión D) se mueve en relación al viento (debido a la convección producida por el campo de velocidades del viento).

On Figure 4, it can be seen the beginning of the volcanic eruption and the increasing of concentration levels of pollutant on air, nearby the volcano’s crater. As time elapses, in Figure 5 it can be seen a wider variety of concentration levels on space, identifying a pollutant cloud, expanding (according to the diffusion constant D) and moving by wind’s influence (according to the convection produced by the velocity field).

Figura 4. Gráfico de los niveles de concentración en la contaminación al comienzo de la erupción volcánica.

Figure 4. Level of pollutants’ concentration graph at the beginning of the volcanic eruption.


Students’ research / 61

Figura 5. Gráfico de los niveles de concentración en la contaminación después de un tiempo del comienzo de la erupción volcánica.

Figure 5. Level of pollutants’ concentration graph, while volcanic eruption happens.

Es importante notar que, utilizando los valores de la concentración de contaminantes en el aire, para cada posición en el espacio, es posible analizar qué tan lejos pueden llegar los niveles altos de concentración de contaminantes y puedan afectar a la salud de los habitantes. Junto a esto, se puede llegar a realizar un plan de evacuación temprana efectiva en los pueblos aledaños al volcán, donde los habitantes tengan riesgo de problemas respiratorios y salud, producto de los altos niveles de contaminantes. Con toda esta información, se espera poder ser un avance en el análisis de estos fenómenos y poder crear nuevas metodologías que permitan establecer planes de evacuación efectivos y conocer mejor el fenómeno en cuestión, como es la erupción volcánica y la concentración de contaminantes en el aire.

It’s important to note that, using the numerical solution for pollutant concentration on air, for each position on space, it’s possible to analyze how far can reach the high level of toxic gases, affecting people’s health. With this, an effective early evacuation plan can be designed for people living nearby of volcano, checking where concentrations levels of pollution are risky to humans. With all this information, it is expected to be a contribution on the analysis for this phenomena and create new methodologies for evacuation plans.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

En los resultados de este trabajo, se pudo ver que en el modelo presentado, descrito a través de la ecuación de convección-difusión, se tiene existencia y unicidad en la solución a buscar, en función de los parámetros iniciales a ocupar (como lo son la constante de difusión D, el agente externo R, la condición de borde para el potencial de la velocidad c), cuestión que se discutió en la sección anterior como un punto muy importante a considerar. Esto permite saber que sus soluciones serán acertadas para parámetros adecuados y, debido a que utilizamos valores reales atingentes a la situación a estudiar, los resultados se mantienen consecuentes al modelo.

In the results of this research, it could be seen that in the presented model, which was described through the convection-diffusion equation, there is an existence and uniqueness in the solution to be found, according to the initial parameters to be used (such as the diffusion constant D, the external agent R, the boundary condition for the potential speed c), matter that was discussed in the previous section as an important issue to bear in mind. This allows knowing that the solutions for the model will be correct for adequate parameters and, due to the fact that we use values that are really relevant to the situation to be studied, the results remain consistent to the model.

Por supuesto, este es un modelo inicial para estudiar el fenómeno de contaminación en una erupción volcánica, por lo que hay muchas mejoras que se pueden hacer a este modelo que lo hagan mucho más cercano a la realidad y, así, tener un mejor análisis de los datos obtenidos.

Of course, this is an initial model to study the contamination phenomena produced by a volcanic eruption, therefore many improvements can be made to it that would make them much more close to reality, so as to have a better analysis of the obtained data.


62 / Investigaciones de los alumnos

Mirando a futuro, una de las principales extensiones de este trabajo sería analizar en mayor profundidad las cotas de error para las discretizaciones. Se debe estudiar el error de aproximación tanto en la posición como en el tiempo, además de encontrar relaciones entre ellas para poder optimizar la cota de error y lograr un menor tiempo de ejecución. Otro objetivo a futuro sería obtener gráficos comparativos en función del número de particiones y los valores entregados en la solución numérica. Por otra parte, también está como desafío disminuir algunos supuestos físicos, principalmente los relativos al campo de velocidades. Se podría exigir solo fluido incompresible, de tal forma, que se pueda trabajar con las ecuaciones de Navier-Stokes para fluidos incompresibles, aunque esta opción trae problemas con las tasas de cambio de la presión en el espacio. Por último, también se puede extender el modelo matemático ampliando las condiciones del problema físico, buscando estudiar más comportamientos en el fenómeno y con más detalle. Algunos ejemplos podrían ser el peso de las partículas, tener viento variable y trabajar en tres dimensiones del espacio.

One of the most important extensions of this research would be to analyze more deeply the ratio of error for the discretization. The approximation error has to be studied both in the position and the time, along with finding relations among them to optimize the ratio of error and to achieve a better execution time. Another objective in the future would be to obtain comparative charts regarding the number of partitions and the values provided by the numeric solution. On other hand, it remains as a challenge to decrease some physical assumptions, mainly the ones regarding the velocity field. Only uncompressible fluid could be demanded, in such a way that one could work with the Navier-Stokes equation for uncompressible fluids, although this option carries with it a number of problems with the exchange pressure ratio in the space. Finally, the mathematical model can also be extended by enhancing the conditions of the physical problem, looking to study further behavior in the phenomenon with more detail. Some examples could be the weight of the particles, to have variable wind and to work in three dimensions.

GLOSARIO

GLOSSARY

COLUMNA DE CENIZAS: corresponde al chorro de gas expulsado por el volcán durante una erupción. Este gas está formado mayoritariamente por vapor de agua, pero cerca del 25% está conformado de gases tóxicos como dióxido de carbono, dióxido de azufre y emisiones ácidas como ácido clorhídrico, ácido fluorhídrico, entre otros [4]. FORMA VARIACIONAL: también llamado problema variacional o formulación débil de una ecuación diferencial, corresponde a una herramienta que nos permite relacionar el área de álgebra lineal y análisis funcional, para resolver problemas en otras áreas, como lo son los problemas con ecuaciones diferenciales parciales. En la formulación débil, se usan funciones test y se busca que una ecuación se cumpla en un determinado espacio, pero en el sentido débil, por lo que podría no cumplirse en todos los puntos. OPERADOR LINEAL CONTINUO: es una función entre espacios vectoriales normados que mantiene las operaciones internas (transformación lineal) y que, además, es acotado en el sentido de la norma del espacio de llegada. Esta definición se puede extender fácilmente a un operador bilineal continuo, al ser lineal continuo para cada una de las variables que tiene de dominio el operador.

ERUPTION COLUMN: the stream of gas expelled by the volcano during an eruption. This gas is mostly composed of steam, but about 25% is composed by toxic gases such as carbon dioxide, sulfur dioxide and acid emissions such as hydrochloric acid, hydrofluoric acid, among others [4]. VARIATIONAL FORM: also known variational problem or weak formulation of a differential equation. It is the tool that allows relating linear algebra and functional analysis, to solve problems in other fields, such as with partial differential equations. In weak formulation, test functions are used and the purpose of it is to find an equation that works within a determined space. All of these in the weak sense, reason that could lead into the equation not meeting all the points. CONTINUOUS LINEAR OPERATOR: it is a function between norm vector spaces that maintain the internal operations (linear transformation) and that is defined in the sense of the norm of the arriving space. This definition can be easily extended to a bilinear continuous operator, by being continuously linear for each of the variable that has as a domain the operator.


Students’ research / 63

Principio científico

SCIENTIFIC PRINCIPLE

La idea del método de elementos finitos, es tomar un subespacio de funciones finito e ir intentando aproximar la solución real de alguna ecuación diferencial parcial (del espacio ) por una del subespacio de dimensión finita. Una vez que el problema está formulado de esta forma, se llega a un sistema de ecuaciones de la forma , que se puede solucionar fácilmente mediante un programa computacional. Al hacer esto, no es trivial el hecho de que se pueda encontrar la solución y, menos aún, que esta sea única. Por ello es necesario el análisis previo intentando usar los teoremas conocidos en este ámbito, como el teorema de Lax-Milgram, usado en esta investigación, o Teoría de Babuska-Brezzi, para métodos más complicados. Estos dos teoremas aseguran existencia y unicidad de las soluciones de la ecuación.

The idea of the finite elements method is to take a subspace of finite functions and to try to approximate the real solution of a partial differential equation (of space for one of the subspace of finite dimension. Once the problem is formulated in this way, an equation system is reached:, that can be easily solved by means of a computer program. When doing this, it is important the bear in mind the fact that a solution can be found and even more important the fact that this solution is unique. The previous analysis trying to use the existent theorems in this field, such as the Lax-Milgram theorem, used in this research, or the Babuska-Brezzi theory, for more complicated methods, was necessary. These two theorems assure the existence and uniqueness of the solutions for the equation.

La unicidad de una solución no es un tema menor, por ejemplo, se podrían tener dos soluciones para una ecuacion diferencial, usando un método de aproximación se llega a una sola, el problema es cuál. Nótese que se puede llegar a cualquier combinación lineal (convexa o no) de ambas, las cuales son infinitas.

The uniqueness of a solution is not a minor subject, for example, one could have two solutions for a differential equation, using an approximation method only one is reached, and the issue is which one of those two. It has to be noticed that any lineal combination can be reached (be it convex or not), of both which are finite.

La idea de este artículo es utilizar un método simple para poder aproximar el fenómeno volcánico, que es de gran importancia para Chile. De manera preliminar se analiza en dos dimensiones, para poder estudiar los beneficios de programar un nuevo modelo, pero en 3D.

The purpose of this paper is to use a simple method to be able to approximate the volcanic phenomenon, something of great importance for Chile. Preliminarily, the phenomenon is analyzed in two dimensions, to study the benefits of programming a new 3D model.

REFERENCES 1. KELLER, Gerta. “The Cretaceous–Tertiary Mass Extinction, Chicxulub Impact, and Deccan Volcanis”. En: TALENT, John (ed). Earth and Life. 1. New York: Springer, 2012. p. 759-793. 2. DOOCY, Shannon et al. “The Human Impact of Earthquakes: a Historical Review of Events 1980-2009 and Systematic Literature Review”. PLoS Currents: Disasters [en linea]. 2013, vol 5. Disponible en: http://currents.plos.org/disasters/article/ the-human-impact-of-earthquakes-from-1980-2009-a-historical-review-of-events-1980-2009-and-systematic-literaturereview [consulta: 14 Mayo, 2016] 3. Red de vigilancia volcánica. Sernageomin. [online]. 2015. [Consulta: 13 de dic. de  2015]. Disponible en: http://www. sernageomin.cl/volcanes-mapas.php 4. Organización Panamericana de la Salud. Módulo 4: Salud ambiental y el riesgo volcánico. Quito, Ecuador : Pangea Editorial, 2005. ISBN 9978-44-054-2 5. STEINBACH, Olaf. Numerical approximation methods for elliptic boundary value problems. New York : Springer, 2012. ISBN 978-0-387-68805-3 6. BOFFI, Daniele y GASTALDI, Lucia. “Analysis of Finite Element Approximation of Evolution Problems in Mixed Form”. SIAM Journal on Numerical Analysis. 2004. Vol. 42, no. 4, p. 1502-1526. EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Maximiliano Arancibia

Matías San Martín

Carlos Jerez


64 / Investigaciones de los alumnos

Reducción del consumo energético en plantas de electro-obtención de Cobre utilizando aleaciones de Titanio recubiertos en óxidos metálicos Reduction of energy consumption in Copper electro-winning plants by using metal-oxide-coated Titanium alloys Pablo Valenzuela1, alumno de 5to año Luis Matamala1, alumno de 5to año Álvaro Videla1, profesor asociado

Pablo Valenzuela1, 5th year student Luis Matamala1, 5th year student Álvaro Videla1, associate professor

Departamento de Ingeniería de Minería, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile *Autor de correspondencia: avidela@ing.puc.cl

1

1

Departament of Mining Engineering, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile *Corresponding author avidela@ing.puc.cl


Students’ research / 65

RESUMEN

ABSTRACT

El presente escenario nacional, en el que el precio del cobre ha tendido a la baja y el de la energía al alza, obliga a buscar alternativas y a rediseñar procesos mineros en miras de hacerlos más eficientes energéticamente para reducir los costos.

Current national situation, where copper price has tended to drop and energy has had an upward trend, strives to seek alternatives and to redesign mining processes, aimed at making them more efficient to reduce costs, in energy terms.

Particularmente, el proceso de la Electro-Obtención de cobre presenta altos consumos energéticos debido a la necesidad de romper moléculas de agua para completar el proceso. Este consumo energético está principalmente determinado por las propiedades del material que se utilice como electrodo de trabajo en la reacción anódica. Tradicionalmente se han utilizado ánodos de aleaciones de plomo, sin embargo, el presente estudio prueba que existiría un incentivo económico para reemplazar esta tecnología por ánodos de otros materiales, como por ejemplo el uso de aleaciones de Titanio.

Particularly, the process for copper Electro-Winning implies high energy consumption due to the necessity to split water molecules to complete the process. Power consumption is mainly determined by the properties of the material that is used as working electrode in the anodic reaction. Traditionally lead alloy anodes have been used, nevertheless, this study proves that it would exist an economic incentive to replace this technology by anodes of other materials, as for example Titanium alloy.

Para probar el consumo energético de distintos materiales se realizó una ciclo voltametría, experimento que permite analizar los fenómenos electroquímicos que ocurren al variar el potencial aplicado al electrodo de trabajo a través del tiempo. Así, se obtuvieron las curvas Tafel, en las que se muestra la rama anódica (donde ocurre la oxidación de agua) y la rama catódica (donde ocurre la reducción de cobre). Las pruebas se realizaron tanto en un electrolito sintético de 0.5M de ácido sulfúrico como en un electrolito proveniente de una planta real, para cuantificar diferencias asociadas tanto a concentraciones de ácido como a impurezas presentes en las plantas reales. Los resultados obtenidos evidencian que utilizando aleaciones de titanio con óxidos metálicos (Ti MMO) se puede reducir el consumo energético a nivel de laboratorio en un 36%, lo que potencialmente significaría importantes ahorros en costos de energía. Palabras clave: electro-obtención, ánodo, energía, Cobre.

In order to test the energy consumption of different materials, a voltammetry cycle was designed, as an experiment to analyse the electrochemical phenomena that take place when varying the potential applied to a working electrode through time. Thus, Tafel Slopes were obtained, in which the anodic branch (where water oxidation occurs) and the cathodic branch (where copper reduction occurs) are shown. The tests were carried out both in a 0.5M synthetic electrolyte of sulfuric acid and in an electrolyte originated in a real plant, for quantifying differences associated both to acid concentrations and to impurities present in the real plants. Results evidence that by using titanium alloys with metallic oxides (TiMMO) an energy consumption reduction of 36% can be obtained at laboratory, which would potentially imply important cost savings in energy.

Keywords: electro-winning, anode, energy, Copper.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

La Electro-Obtención (EO) representa aproximadamente el 32% de la producción de cobre de Chile [1] y el 20% de la producción global [2]. Históricamente la EO ha usado ánodos compuestos de aleaciones de plomo—comúnmente de plomo, calcio y estaño (Pb-Ca-Sn)—, debido a las propiedades mecánicas y conductivas como también al bajo costo de inversión en relación a otras aleaciones o materiales con características similares.

The Electro-Winning (EW) accounts for about 32% of Chilean copper production [1] and 20% of the global production [2]. Historically, the EW has used anodes composed of lead alloys—commonly lead, calcium and tin (Pb-CA-Sn)—, due to the mechanical and conductive properties and also due to the low cost of investment in relation to other alloys or materials with similar characteristics.

En este contexto, han habido diversos intentos en las últimas décadas de reemplazar los ánodos de plomo por

Against this background, there have been many attempts in the last decades to replace lead anodes by anodes made


66 / Investigaciones de los alumnos

ánodos hechos de otros materiales [3] para reducir así el consumo energético requerido, el que bordea entre los 2.000 a 2.500 kWh por tonelada de cobre producida. No obstante, no han habido cambios significativos a nivel industrial ya sea tanto en términos del proceso mismo como de los materiales empleados. Autores como Moats atribuyen, en parte, a que es necesario fomentar la investigación en esta área para acelerar el reemplazo de ánodos de plomo [3]. Lo anterior se explica principalmente por dos razones. Primero, existe una cierta resistencia por parte de la industria para cambiar el modelo actual debido a que se tiene experiencia en el proceso. En segundo lugar, no han existido estímulos económicos fuertes a nivel de costos como para que la industria busque nuevas alternativas. Sin embargo, los actuales precios de la energía, acompañado de los bajos precios del cobre, han generado un mayor interés de los productores para buscar nuevas alternativas que incluso, a pesar de tener costos de inversión más altos, puedan ser compensados por ahorros significativos en consumo de energía en el corto plazo. A lo largo de este documento se evaluará técnicamente la reducción de consumo energético alcanzable con diversas superficies alternativas al plomo para ser utilizadas como ánodos en las celdas electrolíticas. Para ello, se presentará una metodología basada en mediciones electroquímicas que permite estimar el requerimiento energético de la reacción para diversos materiales. Los resultados de laboratorio, al emplear tanto un electrolito real de una planta como también una solución sintética, señalan que los materiales evaluados pueden reducir significativamente el consumo energético de manera considerable y abren una ventana hacia reducir costos a nivel industrial.

of other materials [3] so to reduce the power consumption required, of about 2,000 to 2,500 kWh by ton of copper produced. However, there have been no significant changes in industry, either in terms of the same process or of the materials used. Authors, as Moats, partly state that it is necessary to foster research in this field to accelerate the replacement of lead anodes [3]. Preceding statement is mainly explained by two reasons. First, a certain resistance on the part of industry exists to change the present model, because there is experience in the process. Secondly, there have not been strong economic stimuli concerning costs, so that industry seeks new alternatives. Nevertheless, present energy prices, together with the low prices of copper, have generated a greater interest from producers to look for new alternatives that even, in spite of having higher costs of investment, can be compensated by significant energy consumption savings in the short term. Throughout this paper, the reduction of attainable energy consumption with diverse alternative surfaces for lead will be evaluated, technically to be used as anodes in the electrolytic cells. For this purpose, a methodology based on electrochemical measurements will be presented for estimating the reaction energy requirement for various materials. Laboratory results, when using either a real electrolyte of a plant or a synthetic solution, indicate that the evaluated materials can significantly reduce energy consumption and open a window towards reducing costs in industry.

2. EXPERIMENTACIÓN Y METODOLOGÍA

2. EXPERIMENTATION AND METHODOLOGY

2.1 Consideraciones teóricas

2.1 Theoretical considerations

El proceso de EO permite reducir cobre en solución a su estado sólido mediante la aplicación de energía eléctrica en base a reacciones electroquímicas que cumplen con la teoría de Faraday. En esta reacción se busca que ocurran dos reacciones químicas en la celda electrolítica que está compuesta por un electrolito conductor de corriente, un ánodo donde ocurre la reacción de oxidación y un cátodo sobre el cual ocurre la reacción reducción. En la superficie del ánodo acontece la llamada evolución de oxígeno, en la que la molécula de agua se rompe liberando dos electrones, oxígeno gaseoso y protones, de acuerdo a la Ecuación 1. Cabe señalar que la energía requerida para que ocurra esta reacción representa, para los actuales ánodos de plomo, alrededor del 51% [4] del consumo energético global del proceso de electro-deposición de cobre.

The EW process reduces copper in solution to its solid state, by means of the application of electrical energy on the basis of electrochemical reactions that meet Faraday’s theory. In this reaction, other two chemical reactions take place in the electrolytic cell composed by a conductive electrolyte of current: an anode where oxidation occurs and a cathode where reduction takes place. In the anode’s surface, the so named oxygen evolution occurs, in which the molecule of water is split, so releasing two electrons: gaseous oxygen and protons, according to Equation 1. It is worth mentioning that the required energy for this reaction to occur represents, for current lead anodes, around 51% [4] of the global energy consumption in the copper electroplating process.


Students’ research / 67

E(V) O2 H2SO4

Lead Anode

Steel Cathode

Cu0

H+

Cu+2 H+ Cu+2

H+

Cu+2

H

+

Figura 1: Esquema simplificado de la reacción de Electro-Obtención de cobre.

Cu+2

2H2O → O2 + 4e- + 4H+

Cu2+ + 2e-→ Cu0

Figure 1: Simplified Schematic of the Electro-Winning Process.

Evolución de Oxígeno (Ánodo): 2H2O⟶O2+4H++4e- [1]

[1]

Luego, para cerrar el circuito, el cobre se debe reducir en la superficie del cátodo tal como muestra la Ecuación 2. Dicha reducción se inicia sobre la superficie de una placa de acero inoxidable 316-L, y continúa hasta que el cátodo ha alcanzado el peso y espesor requerido, en torno a los 60 Kg, lo que usualmente toma entre 5 y 7 días.

Oxygen evolution (Anode): 2H2O⟶O2+4H++4e-

Then, to close the circuit, copper is to be reduced in the cathode’s surface, as shown in Equation 2. This reduction begins on the surface of a stainless 316-L steel board, and continues until the cathode has reached the weight and required thickness, around 60 kg, which usually takes between 5 and 7 days.

Reducción de Cobre (Cátodo): Cu+2+2e-⟶ Cu0

Copper reduction (Cathode): Cu+2+2e-⟶ Cu0

[2]

[2]

El proceso global se puede resumir según lo mostrado en la Figura 1. En esta se puede observar la presencia de un ánodo unido a un cátodo mediante una conexión eléctrica que incluye una fuente de poder. En el ánodo ocurre la oxidación de agua, donde se liberan dos electrones por cada molécula de agua. Al mismo tiempo se generan dos moles de protones y medio mol de oxígeno gaseoso. El cobre en solución debe difundir hacia la superficie del cátodo donde es depositado al capturar los electrones.

The global process can be summarized as shown in Figure 1, where the presence of an anode joined to a cathode through an electrical connection that includes a power source can be observed. Water oxidation takes place in the anode, where two electrons per each molecule are released. At the same time, two masses of protons and half a mole of gaseous oxygen are generated. The copper in solution must difusse towards the surface of the cathode where it is deposited by capturing electrons.

La velocidad con la que el cobre se deposita está determinada por la Ley de Faraday, la cual indica que la masa depositada de cobre será proporcional a la corriente. La ley de Faraday se puede expresar de la siguiente manera:

The speed of copper deposit is determined by Faraday’s Law, which indicates that the deposited mass of copper will be proportional to the electrical current. Faraday’s law can be expressed as follows:

donde,

• • •

  "I !t% "M % m =$ '!$ '!! # F & # z &

[3]

m es la masa depositada de la substancia en gramos F es la constante de Faraday, equivalente a 96485 Cmol-1 M es la masa molar de la substancia. Para este estudio interesa MCu = 63,55 gmol-1

Where,

• • •

  "I !t% "M % m =$ '!$ '!! # F & # z &

[3]

m is the mass of the substance deposited in grams F is Faraday’s constant, equivalent to 96485 Cmol-1 M is the molar mass of a substance. It is of interest for this study MCu = 63.55 gmol-1


68 / Investigaciones de los alumnos

• • •

z es el número de electrones transferidos por ión. Para el proceso, z = 2 I es la corriente en Amperes Eficiencia (η) = 95% [5]

De la expresión anterior podemos deducir que el consumo específico de energía, en unidades de kWh por unidad de masa de cobre depositado, de acuerdo a la siguiente ecuación:

  !V " I " t w = cell m

• • •

z is the number of electrons transferred per ion. For the process, z = 2 I is the electric current in Amperes Efficiency (η) = 95% [5]

we can deduct hereof that the specific consumption of energy, in kWh units by mass unit of deposited copper, according to the following equation:

  !V " I " t w = cell m

[4]

[4]

donde, • ∆Vcell es el sobre potencial total aplicado en la celda en Volts • t es el tiempo en segundos

• •

Where, ∆Vcell is the over-potential applied in the cell in Volts t is the time in seconds

2.2 Metodología

2.2 Methodology

En este estudio se analizaron cuatro distintos materiales como posible superficie anódica: titanio con trazas de una Mezcla de Metales Oxidados (Ti/MMO)1, titanio con trazas de platino (Ti/Pt), plomo y cobre. El Ti/MMO y Ti/ Pt fueron adquiridos en Ti-Shop mientras que el plomo y el cobre se obtuvieron de proveedores locales. Las pruebas experimentales consistieron en someter las muestras a una ciclo voltametría (CV). Los materiales fueron probados en dos soluciones de manera independiente para poder cuantificar el efecto de tener distintas concentraciones de acidez como también la presencia de impurezas, ya que el electrolito de la planta posee impurezas en bajas concentraciones. La primera solución sintética preparada tenía una concentración de 0,5M de ácido sulfúrico (solución 1). La segunda solución era una muestra de electrolito de una empresa minera, que contenía la distribución de elementos mostrada en la Tabla 1 (solución 2). Para cada prueba el área expuesta por material fue controlada mediante el uso de un reactor de acrílico con sujeción de la superficie exterior y un orificio de 19.63mm2 que exponía la superficie del ánodo al electrolito.

Four different materials were analysed and considered a possible anodic surface: titanium with platinum traces of an oxidized-metals mixture (Ti/MMO), titanium with platinum traces (Ti/Pt), lead and copper. The Ti/MMO and Ti/Pt were acquired in Ti-Shop whereas lead and copper were obtained from local suppliers. The experimental tests consisted on putting a voltammetry cycle (VC) under the samples. The materials were proven in two solutions independently to quantify the effect of having different concentrations of acidity, as well as the presence of impurities, since the electrolyte in the plant presents low-concentration impurities. The first synthetic solution prepared had a concentration of 0.5M of sulfuric acid (solution 1). The second solution was an electrolyte sample from a mining company, which contained the distribution of elements shown in Table 1 (solution 2). For each test the area set out by material was controlled by employing an acrylic reactor subject to the outer surface and a 19.63mm2 hole that exhibited the surface from the anode to the electrolyte.

Table 1. Composition of Solution 2. Element

Concentration [g/L]

Cu

37.1

Fe

0.55

H2SO4

230

1

Contiene los compuestos químicos RuO2, RhO2, PdO2, and IrO2.

1

It contains the chemical compounds RuO2, RhO2, PdO2, and IrO2


Students’ research / 69

Figura 2: Esquema de las curvas de Tafel.

Figure 2: Schematic of the Tafel curves.

2.2.1 Ciclo Voltametría (CV)

2.2.1 Voltammetry Cycle (VC)

Se utilizó la CV para estimar las curvas de evolución de oxígeno y reducción de cobre del sistema bajo evaluación. Las pruebas se realizaron usando un sistema electroquímico con tres referencias, a temperatura ambiente y empleando un potenciostato marca AUTOLAB 302 (equipo que sirve para realizar barridos de potencial). Se usó como electrodo de referencia Ag/AgCl con concentración del buffer de KCl de 2M. La tasa de escaneo fue fijada en 0,1Vs-1 y el rango de potencial varió según el material analizado.

The VC was used to consider the curves of evolution of oxygen and copper reduction of the system under evaluation. The tests were conducted by using an electrochemical system with three references, at room temperature and using an AUTOLAB 302 potentiostat (electronic instrument used for potential sweepings). It was used as a reference electrode of Ag/AgCl with a buffer concentration of KCl of 2M. The scanning rate was fixed at 0.1Vs-1 and the potential range varied according to the analysed material.

El potencial del electrodo de trabajo se varió desde un potencial inicial hasta un máximo y luego hasta un mínimo, repitiendo este ciclo tres veces. El potencial inicial se asignó tras ver el potencial de reposo para el respectivo material cuando se abría el circuito. El potencial máximo y mínimo se definieron de manera arbitraria según el potencial en el cual ocurrían las reacciones de oxidación y reducción. Más allá de estos potenciales la superficie es pasiva, por lo que mayores o menores potenciales no aportan mayor información al propósito de la presente investigación.

The potential of the working electrode soon varied from an initial potential to a maximum and a minimum, repeating this cycle three times. The initial potential was assigned after seeing the resting potential for the respective material when the circuit was opened. The maximum and minimum potential was defined arbitrarily, according to the potential in which the reactions of oxidation and reduction happened. Beyond these potentials the surface is passive, reason why higher and lower potentials do not contribute to more information for the purposes of current investigation.

2.2.2 Interpretación de curvas Tafel

2.2.2 Interpretation of Tafel Plots

Las curvas Tafel permiten desplegar, en un mismo gráfico, la relación existente entre el sobre potencial requerido durante el proceso de EO y la corriente a la cual ocurren las reacciones. La Figura 2 muestra un esquemático de una curva Tafel típica. Se puede observar que para que la reacción ocurra a una corriente “I” se necesita un sobre potencial ∆E en la celda electroquímica que debe ser entregado por la fuente de poder. Las curvas Tafel se obtienen de las mediciones de la CV aplicando escala logarítmica base 10 al valor absoluto de la corriente. La ventaja de estas curvas es que es fácil distinguir ramas anódicas (evolución de oxígeno) y ramas catódicas (reducción de cobre). Así, para los ánodos (Ti/MMO, Ti/Pt y Pb) nos interesa la evolución

The Tafel Slopes display the existing relationship between the over-potential required during the EO process and the electric current of the reactions in a same graph. Figure 2 shows a diagram of a typical Tafel curve. It is possible to observe that for a reaction to occur at an “I” current it is needed an over-potential ∆E in the electrochemical cell which must be given by the power source. The Tafel Slopes are obtained from the measurements of the CV by applying logarithmic scale to base 10 to the absolute value of the current. The advantage of these curves is that it is easy to distinguish anodic branches (oxygen evolution) and cathodic branches (copper reduction). This way, for the anodes (Ti/MMO, Ti/Pt and Pb) we are interested in the


70 / Investigaciones de los alumnos

Figura 3: Comparación de las curvas obtenidas con las preparadas por Taguchi & Sugita [6] (Adaptadas).

Figure 3: Comparison of the curves obtained with the ones prepared by Taguchi & Sugita [6] (Adapted).

de oxígeno (rama superior), y para el cátodo (Cu), la reducción del cobre (rama inferior). Para un valor dado de corriente la diferencia entre estas dos ramas representan el sobre potencial requerido para que dicha reacción ocurra en la celda.

evolution of oxygen (higher branch), and for the cathode (Cu), the reduction of copper (lower branch). For a given value of current, the difference between these two branches represents the over-potential required so that this reaction happens in the cell.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1 Ciclo voltametrías

3.1 Voltammetry cycle

A modo de saber si los datos obtenidos en el laboratorio están dentro de los márgenes esperados, se comparó la ciclo voltametría del plomo con curvas obtenidas en la literatura. En particular, se comparó con el análisis propuesto por Taguchi y Sugita (2002) [6], en el cual se realizó una ciclo voltametría a un ánodo de plomo puro bajo una concentración de 4,5M de H2SO4.

In order to verify that the data obtained in laboratory are within the expected ranges, the voltammetry cycle of lead was compared to the curves obtained in literature. Particularly, we compared them to the analysis proposed by Taguchi and Sugita, (2002) [6], in which a voltammetry cycle was done to a pure lead anode under a concentration of 4.5M de H2SO4.

En este estudio se midieron curvas de ciclo voltametría para una concentración de 0,5M H2SO4 (solución 1) de donde se observan similitudes a pesar de la diferencia de material y electrolito (ver Figura 3). Se puede apreciar que en ambas se distinguen peaks en torno a -0,45 Am-2, 1,40 Am-2 y 1,95 Am-2. Si bien existen diferencias, estas se atribuyen principalmente a que el electrolito ácido empleado es distinto del que hacen mención los autores (0,5M H2SO4 versus 4,5M H2SO4). Además, lo anterior se atribuye a que la placa de plomo utilizada en el presente estudio contenía impurezas. En base a esto, las diferencias están dentro de márgenes esperados, lo que valida los resultados experimentales.

In this study voltammetry cycle curves were gauged for a concentration of 0.5M H2SO4 (solution 1) where similarities are observed in spite of the difference of material and electrolyte (see Figure 3). It is possible to see that in both peaks around -0.45 Am-2, 1.40 Am-2 and 1.95 Am-2 can be distinguished. Although differences exist, they are mainly attributed to the fact that the acid electrolyte used is different from the one mentioned by the authors (0.5M H2SO4 versus 4.5M H2SO4). In addition, the aforementioned is attributed to the fact that the lead board used in the present study contained impurities. Based on this, the differences are within expected ranges, which validate the experimental results.

3.2 Curvas Tafel

3.2 Tafel slopes

Si bien los barridos de potencial fueron hechos para un espectro amplio de potencial, estos datos fueron limpiados para mostrar únicamente la evolución de oxígeno y la reducción de cobre para cada material. En la Figura 4 se muestran las curvas Tafel para la solución 1 (solución pura)

Although the potential sweepings were done for an ample spectrum of potential, these data were cleaned to show only the oxygen evolution and the copper reduction for each material. In Figure 4 Tafel Slopes can be observed for solution 1 (pure solution) and Figure 5 for solution 2


Students’ research / 71

Figura 4: Curvas Tafel completas para la Solución 1. Temperatura = 23°C.

Figure 4: Complete Tafel Slopes for Solution 1. Temperature = 23ºC.

Figura 5: Curvas Tafel completas para la Solución 2. Temperatura = 23°C.

Figure 5: Complete Tafel Slopes for Solution 2. Temperature = 23ºC.

y la Figura 5 para la solución 2 (solución real). Ambas figuras exhiben ramas anódicas y catódicas para cada superficie. De ambas figuras se observa que el potencial de equilibrio, para la solución 1 y 2 respectivamente, es de 1,48V y 1,35V para el plomo, 1,26V y 1,23V para el Ti/ MMO, 1,33V y 1,26V para el Ti/Pt y finalmente 0,16V y 0,14V para el cobre, de acuerdo a lo esperado. Es apreciable considerar además que para aproximadamente 200 Am-2 se tiende a llegar a la corriente límite del sistema. Esto ocurre porque la solución no está siendo agitada.

(real solution). Both figures exhibit anodic and cathodic branches for each surface. Of both figures it is observed that the balance potential, for solution 1 and 2 respectively, is 1.48V and 1.35V for lead, 1.26V and 1.23V for Ti/MMO, 1.33V and 1.26V for Ti/Pt and finally 0.16V and 0.14V for copper, according to expectations. It should be noted also that for approximately 200 Am-2 there is a trend to reach the system limit current. This occurs because the solution is not being shaken.

Al mostrar únicamente las curvas de oxidación de agua para Ti/Pt, TiMMO y Pb, y la curva de reducción de cobre para el cobre, se obtiene la Figura 6 para la solución 1 y la Figura 7 para la solución 2. Con estas curvas se puede estimar entonces el sobre potencial requerido para que ocurra la reacción de EO de cobre. Así, en el gráfico se observa que en el rango de los 100 Am-2 la reacción anódica de plomo requerirá un mayor sobre potencial que el resto de las superficies.

When only showing the curves of water oxidation for Ti/ Pt, TiMMO and Pb, and the curve of copper reduction for copper, Figure 6 is obtained for solution 1 and Figure 7 for solution 2. With these curves it is possible to estimate the over-potential required, so that it copper EW reaction of take place. So, it is observed in the graph that the anodic lead reaction will require a greater over-potential than the rest of the surfaces in the rank of the 100 Am-2.


72 / Investigaciones de los alumnos

Figura 6: Curvas Tafel de interés para la Solución 1. Temperatura = 23°C.

Figure 6: Tafel Slopes of Interest for Solution 1. Temperature = 23ºC.

Figura 7: Curvas Tafel de interés para la Solución 2. Temperatura = 23°C.

Figure 7: Tafel Slopes of Interest for Solution 2. Temperature = 23ºC.

Las curvas recién mostradas permiten determinar la diferencia de sobre potencial requerido, para las distintas superficies, para cada densidad de corriente. En base a esto se observa que para densidades de corriente superiores a aproximadamente 10 Am-2 el plomo exhibe un sobre potencial mayor que para el Ti/Pt y el Ti/MMO. Considerando que las plantas industriales operan a aproximadamente 200 Am-2, el plomo es notoriamente peor desde el punto de vista energético versus cualquiera de los otros materiales analizados. Para 200 Am-2 la Tabla 2 muestra los valores obtenidos de sobre potencial para cada superficie. Como es de esperar, el plomo presenta mayores sobre potenciales que los otros materiales para ambas soluciones.

The curves shown above allow determining the difference of over-potential required for the different surfaces and for each current density. Based on this, it is observed that for higher current densities about 10 Am-2 lead exhibits an over-potential greater than for Ti/Pt and Ti/ MMO. Bearing in mind that industrial plants operate to approximately 200 Am-2, lead is remarkably worse from the point of view of energy versus any of the other analysed materials. For 200 Am-2, Table 2 shows the values obtained from over-potential for each surface. As expected, lead presents greater over-potentials than the other materials for both solutions.

Table 2. Over potential required for different materials for both solutions. Prepared by the authors. Current Density

∆E Pb

∆E Ti/MMO

∆E Ti/Pt

[A/m2]

[V]

[V]

[V]

Solution 1

2.18

1.42

1.89

Solution 2

2.24

1.64

2.06


Students’ research / 73

3.3 Cálculo del consumo específico de energía

3.3 Calculation of the specific consumption of energy

Para calcular el consumo específico de energía se asumirá que el proceso sigue la Ley de Faraday y que no se presentan fenómenos de limitación difusional durante el desarrollo de la EO. Aún así, existen otras aproximaciones que podrían utilizarse para ampliar el presente estudio con el fin de considerar dichos fenómenos, como las ecuaciones de Butler-Volmer, que se relacionan directamente de la ley de Faraday [7]. Sin embargo este estudio preliminar no considera la evaluación de fenómenos de transporte.

In order to calculate the specific consumption of energy it will be assumed that the process follows Faraday’s Law and that phenomena of diffusional limitation do not appear during the development of the EW. Even so, there are some other approaches that could be used to extend this study with the purpose of considering these phenomena, like the equations of Butler-Volmer, directly related to Faraday’s Law [7]. Nevertheless, this preliminary study does not consider the evaluation of transport phenomena.

Al emplear la Ley de Faraday se puede calcular los consumos específicos de energía para las celdas usando los distintos materiales, como se aprecia en la Figura 8 para la solución 1 y en la Figura 9 para la solución 2. Se desprende que a medida que aumenta la densidad de corriente aumenta levemente el consumo específico de energía al crecer el sobre potencial requerido. Además, es notorio ver cómo el plomo requiere de más energía para el desarrollo del proceso en todo el rango de análisis. Así, para la solución 1, los resultados señalan que para una celda operando a 200 Am-2 el uso de un ánodo de plomo requeriría un 53% más de energía que si la reacción anódica se hiciera sobre la superficie de Ti/MMO, y el mismo plomo requeriría un 15% más que el Ti/Pt. Para el electrolito 2, en las mismas condiciones el plomo requeriría un 36% y un 8% más de energía que el Ti/MMO y el Ti/Pt, respectivamente. Para el caso de la solución 2, la disminución en el beneficio energético se puede atribuir a la presencia de otros iones en solución que pasivan la reacción en el ánodo. Es esperable entonces que una planta real pudiese obtener reducciones energéticas del orden del 36% utilizando Ti/MMO como ánodo.

When applying Faraday’s Law the specific consumption of energy can be calculated for the cells by using the different materials, as shown in Figure 8 for solution 1 and in Figure 9 for solution 2. It can be deduced that as long as current density increases, the specific consumption of energy slightly increases when growing the over- potential required. In addition, it is clear to see how lead requires of more energy for the development of the process in all the rank of analysis. Thus, for solution 1, the results indicate that for a cell operating at 200 Am-2, the use of a lead anode would require 53% more energy than in the situation the anodic reaction would take place on the surface of Ti/ MMO, and the same lead would require 15% more than the Ti/Pt. For electrolyte 2, under the same conditions, lead would require 36% and 8% more energy than the Ti/ MMO and the Ti/Pt, respectively. In the case of solution 2, the diminution of power benefit can be attributed to the presence of other ions in solution that make the reaction passive in the anode. It is expected then that a real plant could obtain energy reductions of about 36% by using Ti/ MMO as anode.

Figura 8: Consumo energético específico para la Solución 1 (kWh/ kgCu). Temperatura = 23°C.

Figure 8: Specific energy consumption for Solution 1 (kWh/ kgCu). Temperature = 23ºC.


74 / Investigaciones de los alumnos

Figura 9: Consumo energético específico para la Solución 2 (kWh/ kgCu). Temperatura = 23°C.

Figure 9: Specific energetic consumption for Solution 2 (kWh/ kgCu). Temperature = 23ºC.

3.4 Evaluación del impacto económico para el escenario nacional

3.4 Evaluation of the economic impact on national scenario

El objetivo es determinar el potencial ahorro económico que significaría substituir el plomo por Titanio MMO, al asumir que todos los ánodos de Chile son del primer material y que las eficiencias obtenidas se pueden conseguir en todas las líneas de producción de cátodos del país. Entonces, para poder analizar el impacto económico, se consideró el costo energético del nodo Central Atacama del SING según proyecciones del año 2014 [8] (se evaluó este nodo de manera arbitraria por encontrarse en una zona minera). Además, se estimó un crecimiento anual de producción de cobre mediante EO del orden del 2% anual.

The aim is to determine the potential economic saving in replacing lead by MMO Titanium, and assuming that all the anodes in Chile are from the first material and that the resulting efficiency can be obtained in all production lines of cathodes in the country. Then, for analysing the economic impact, the energy cost of the Atacama Power Station node of SING was considered according to projections of year 2014 [8] (this node was arbitrarily evaluated because of being located in a mining zone). In addition, an annual growth of copper production was estimated in about 2% annually by means of EW.

La proyección de precios de energía por año y las eficiencias energéticas en producción permiten estimar la evolución de los costos energéticos en el largo plazo, de acuerdo a la Figura 10. Para esto se tomó solo el electrolito 2 por ser representativo de un electrolito real.

The projection for the energy price per year and the energy efficiency in production let us estimate the evolution of energy costs in the long term, according to Figure 10. For this purpose only electrolyte 2 was taken for being representative of a real electrolyte.

El resultado confirma que la reducción de costos energéticos es considerable para el caso de Ti/MMO respecto al plomo. Así, el ahorro promedio anual de utilizar Ti/MMO como ánodo versus plomo es de 91,37 MUSD. Si analizamos los flujos hasta el año 2029, a una tasa de descuento del 10%, implicaría un valor presente de 714 MUSD, sin descontar aún la inversión. Aún así, es necesario mencionar que lo anterior es pertinente si es que todas las naves tienen electrolitos similares a los evaluados en la solución 2.

The result confirms that the reduction of energy costs is considerable in the case of Ti/MMO with respect to lead. Thus, the annual average saving by using Ti/MMO as anode versus lead is 91.37 MUSD. If we analyse the flows until year 2029, at a rate of 10% as discount, it would imply a present value of 714 MUSD, without yet discounting investment. Even so, it is necessary to mention that this is pertinent whether all the plants have much the same electrolytes than the ones evaluated in solution 2.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

En conclusión, usando la ciclo voltametría y las curvas Tafel, es posible comparar el consumo energético de distintos materiales para EO. Esta metodología permite la búsqueda de soluciones tecnológicas de significativo impacto en la industria minera mezclando aspectos técnicos y económicos en la búsqueda de una solución atractiva.

In conclusion, by using the voltammetry cycle and the Tafel slopes, it is possible to compare the energy consumption of different materials for EW. This methodology allows for the search of technological solutions with significant impact on mining industry, by combining technical and economic aspects in the search of an attractive solution.


Students’ research / 75

Figura 10: Costo energético para la Solución 2 en el escenario nacional.

Figure 10: Energy cost for solution 2 in national scenario.

Las pruebas señalan que el consumo específico de energía requerido para reducir cobre puede disminuirse hasta en un 36% para celdas operando a 200 Am-2 utilizando ánodos de Ti/MMO en vez de los tradicionales de plomo. Esta cifra se obtuvo tras utilizar una muestra de un electrolito de una planta real. Debido a que el consumo energético de las plantas de EO es bastante alto, una reducción de energía de estos órdenes de magnitud es significativo. Estimaciones preliminares, si se asume que toda la producción de cobre por plantas de EO en Chile fuese hecha con ánodos de plomo, implicarían una reducción de 91,37 millones de dólares anuales para la industria y un ahorro energético de 1,1 GWh al año. El presente análisis fue hecho a nivel de laboratorio y no consideró efectos de escalamiento. Es probable que los beneficios se vean reducidos cuando se intenten aplicar en la industria. Esto nos lleva a una segunda etapa que tiene relación con el costo de fabricación de ánodos de Ti/ MMO para saber si el ahorro anual en energía costearía la conversión tecnológica. Asimismo, es necesario analizar aspectos relacionados con el tiempo de vida del ánodo, como son la corrosión, durabilidad y dureza, para evaluar finalmente si esta aleación podría sustituir de manera efectiva a los ánodos de plomo.

The tests show that the specific consumption of the required energy to reduce copper can be diminished up to 36% for 200 cells operating to Am-2 using Ti/MMO anodes instead of the traditional lead ones. This number was obtained after using a sample of a real-plant electrolyte. Because the energy consumption of the EW plants is quite high, a reduction of energy of this magnitude is significant. Preliminary estimations, if assumed that all copper production by plants of EW in Chile would be done with lead anodes, it would imply a reduction of 91.37 million dollars per year for the industry and 1.1GWh energy saving yearly. This analysis was conducted in a laboratory and it did not consider the escalation effects. The benefits would be reduced when trying to apply them in industry. This takes us to a second stage that is related to the manufacture cost of Ti/MMO anodes to know if the annual energy saving would pay for the technological conversion. Also, it is necessary to analyse all the aspects related to the anode lifespan, such as corrosion, durability and hardness, to evaluate finally if this alloy could replace lead anodes effectively.


76 / Investigaciones de los alumnos

Glosario

GLOSSARY

ELECTRO-OBTENCIÓN (EO): es un proceso de electrometalurgia mediante el cual se recupera cobre proveniente del proceso de lixiviación. Para lograr esto se aplica una diferencia de potencial mediante lo cual se obtienen cátodos de alta pureza de cobre (99,99%). TAFEL: la ecuación de Tafel describe fenómenos electro-cinemáticos que relacionan la tasa con lo que ocurre en una reacción electroquímica tras aplicar un sobre potencial. LEY DE FARADAY: es una ley electromagnética que establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la velocidad con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde. BUTLER-VOLMER: refleja la variación esperada de la corriente a medida que se modifica el potencial del electrodo utilizado desde una posición de equilibrio inicial. CICLO VOLTAMETRÍA: técnica que permite estudiar procesos electroquímicos como por ejemplo procesos redox, propiedades electro catalíticas, difusión, entre otros. POTENCIOSTATO: aparato electrónico que permite controlar una celda que cuenta con, generalmente, tres electrodos para así poder ejecutar un gran número de experimentos electro analíticos. CÁTODO: es un electrodo con carga negativa en el cual ocurre una reacción de reducción. ÁNODO: es un electrodo con carga positiva en el cual ocurre una reacción de oxidación

ELECTRO-WINNING (EW): electrometallurgical process by which copper resulting from leaching is recovered through a potential difference application, so high-purity copper cathodes are obtained (99.99%). TAFEL: tafel equation that describes electro kinetics phenomena relating the rate of an electrochemical reaction to the over-potential. FARADAY’S LAW: it is a law of electromagnetism that states that the voltage induced in a closed circuit is directly proportional to the speed a magnetic flow passing through any surface changes in time with the circuit as edge. BUTLER-VOLMER: it reflects the expected variation of current as the potential of the electrode is modified from a position of initial balance. VOLTAMMETRY CYCLE: it is a technique used to study electrochemical processes such as, for instance, redox processes, electro catalyst properties, and diffusion, among others. POTENTIOSTAT: electronic apparatus to control a cell which generally has three electrodes to execute a great number of electroanalytical experiments. CATHODE: it is a negatively charged electrode where a reduction reaction occurs. ANODE: it is a positively charged electrode in which an oxidation reaction occurs.

Principio científico

Scientific Principle

El experimento busca determinar los materiales que requieren menor sobre potencial y, consecuentemente, presenten un menor consumo energético en el proceso de la Electro Obtención de cobre. Para lograr lo anterior, se caracterizó las celdas electroquímicas mediante ciclo voltametría. Mediante el uso de curvas Tafel se determinó el sobre potencial para distintas superficies anódicas.

The experiment is intended to determine the materials that require a lower over- potential and, consequently, present lower energy consumption in the process of the copper electro-winning. In order to obtain this, the electrochemical cells were featured by means of a voltammetry cycle. By using Tafel Slopes the over- potential for different anodic surfaces was determined

Lo anterior tiene como base científica el proceso de oxidación y reducción, conocido como REDOX, y la Ley de Faraday. En nuestro caso particular, el experimento se puede resumir en la Figura 1 del presente artículo, en donde se muestran dos electrodos conectados a una fuente de energía. Tras aplicar una diferencia de potencial, el cobre libre en solución se deposita en el cátodo y, paralelamente, se oxida agua en el ánodo liberando electrones y oxigeno gaseoso.

The scientific basis of the aforementioned is the process of oxidation and reduction, known like REDOX, and Faraday’s Law. In our particular case, the experiment can be summarized in Figure 1 of this article, where two connected electrodes are an energy source. After applying a potential difference, free copper in solution is deposited in the cathode and, in parallel, water in the anode oxidizes releasing electrons and gaseous oxygen.


Students’ research / 77

REFERENCES 1. COCHILCO. “Producción chilena de cobre por producto (Copper Chilean Production per product)”[on line] [ref: December 1, 2015]. Available at: http://www.cochilco.cl/descargas/estadisticas/basedatos/produccion/6.1_produccion_ cobre_por_producto_anual-1960.xls. 2. MOATS, M. y FREE, M. “A bright future for copper electro-winning”. JOM. 2007, vol. 59, n°. 10, p. 34-36. 3. MOATS, M. “Will Lead-Based Anodes Ever Be Replaced in Aqueous Electro-winning?”.JOM. 2008, vol. 60, N°. 10, p. 4649. 4. NICOL, M. “Electro-winning and Electro-refining of Copper. Course Presented to Amira P705A Sponsors”. Universidad de Murdoch. 2008 5. BEUKES, N. y BADENHORST, J. “Copper electro-winning: theoretical and practical design”. Hydrometallurgy Conference 2009. The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2009. 6. TAGUCHI, M. y SUGITA, H. “Analysis for electrode oxidation and reduction of PbSO4/Pb electrode by electrochemical QCM technique”. Journal of Power Sources. 2002, vol. 109, p. 294-300. 7. BARD, A. y FAULKNER, Larry. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. 2da ed. USA: Wiley & Sons, Inc, 2001. 833p. ISBN: 0-471-04372-9. 8. CDEC-SING. “Costos Marginales (Marginal costs)2015-2029 IET” October 2014 [on line] [ref: December 1st, 2015]. Available at web site:http://cdec2.cdecsing.cl/pls/portal/cdec.pck_web_cdec_pages.pagina?p_id=5047.

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Pablo Valenzuela

Luis Matamala

Álvaro Videla


78 / Investigaciones de los alumnos

28 / Investigaciones de los alumnos

Arquitectura de una zona de falla cortical y su comportamiento geoeléctrico: ejemplo en los Andes del Sur Architecture of a cortical fault zone and its geo-electric behavior: an example in the Southern Andes

Ronny Figueroa1, alumno de magíster Tomás Roquer2, alumno de magíster Gloria Arancibia2, profesor asociado Nicolás Pérez-Estay2, alumno de magíster Gonzalo Yañez2, profesor asociado

Ronny Figueroa1, 4th year student Tomás Roquer2, master’s student Gloria Arancibia2, associate professor Nicolás Pérez-Estay2, master’s student Gonzalo Yañez2, associate professor

Major en Geociencias, College de Ciencias Naturales, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile *Autor de correspondencia: garancibia@ing.puc.cl

1

1

Major in Geosciences, College of Natural Sciences, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Department of Structural y Geothecnical Engineering, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile *Corresponding author: garancibia@ing.puc.cl


Students’ research / 79

RESUMEN

ABSTRACT

Las zonas de falla han sido caracterizadas por los geocientistas para evaluar su potencial geotérmico o explotación de un recurso mineral. Sin embargo, estas estructuras generalmente no son observables en superficie, por lo que su arquitectura es inferida a partir de diferentes metodologías. Este trabajo busca evaluar si la arquitectura de una zona de falla observable en superficie es reflejada en su respuesta en términos de sus propiedades eléctricas. Para esto, se realizó un levantamiento de datos estructurales y se aplicó un estudio geofísico de geoelectricidad en una zona de falla de escala métrica asociada al Sistema de Falla LiquiñeOfqui, en los Andes del Sur. Los resultados señalan que la zona que acumula la mayor deformación representa un conductor relativo, mientras que las zonas de daño a los costados de la anterior se comportan como un resistivo relativo. La resistividad medida estaría controlada por la estructura interna y mineralogía de cada dominio estructural. Esta metodología serviría para estimar la arquitectura de una zona de falla no expuesta en superficie.

Geoscientists have characterized the fault zones in order to assess the geothermal potential or exploitation of a mineral resource. However, these structures are generally not observed on the surface, so its architecture can be inferred from the different methods.

Palabras clave: zona de falla, método geoeléctrico, levantamiento de datos estructurales, geología estructural, geofísica.

Key words: fault zone, geoelectrical method, structural data survey, structural geology, geophysics.

This work intends to evaluate if the architecture of an observable fault zone in the surface can be reflected in its response in terms of its electrical properties. So, a survey on structural data was carried out and a geophysical metrical-scale survey of geo-electricity in a fault zone associated to the Liquiñe-Ofqui Fault System was applied, in the Southern Andes. The results indicate that the zone accumulating the greatest deformation represents a relative conductor, whereas the adjacent zones of damage behave as a relative resistive. Measured resistivity would be controlled by the internal structure and mineralogy of each structural domain. This methodology would serve to consider the architecture of a non-exposed fault zone in the surface.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

Las zonas de falla corresponden a discontinuidades de la corteza terrestre que acomodan la deformación producto de los esfuerzos tectónicos. Estas zonas de falla juegan un rol muy importante en la circulación y distribución de fluidos (magma y fluidos hidrotermales), a partir de los cuales pueden precipitar minerales, que pueden ser de interés económico (yacimiento mineral). Adicionalmente, el flujo de fluidos en la corteza es controlado por la actividad de las zonas de falla, lo que influye en la localización y comportamiento de los sistemas geotermales [1]. Desde el punto de vista de su arquitectura, una zona de falla está compuesta de un núcleo y una zona de daño que lo rodea [2]. El núcleo es la zona donde se acomoda la mayor parte de la deformación, mientras que la zona de daño se caracteriza por tener cierto grado de fracturamiento.

The fault zones represent crust discontinuities that accommodate to the deformation resulting from the tectonic efforts. These fault zones play a very important role in the circulation and distribution of fluids (magma and hydrothermal fluids), from which minerals can precipitate and may become of economic interest (mineral deposit). Additionally, the flow of fluids in the crust is controlled by the activity of the fault zones, which have an influence in the location and behavior of the geothermal systems [1]. From the point of view of its architecture, a fault zone is composed of a nucleus and a surrounding zone of damage [2]. The nucleus is the zone where most of the deformation is concentrated, while the zone of damage is characterized by having certain degree of fracturing.

Los métodos geofísicos en zonas de falla han sido utilizados por diversos autores, desde escala métrica hasta kilométrica, con el objetivo de establecer la geometría (rumbo, manteo, ancho, largo) y la estructura interna de zona de falla (propiedades físicas del núcleo versus zona de daño) en profundidad (hasta unos 5 km, según el método utilizado [3]). En particular, las propiedades geoeléctricas dan cuenta de la resistividad de la roca frente a la circulación de corriente eléctrica, por lo que será distinta según la predominancia de fluidos, o bien, la naturaleza de relleno

Geophysical methods have been used in fault zones by diverse authors, with metric scales up to kilometric scales, with the aim of establishing geometry (course, dip, width, length) and the internal structure of the fault zone (physical properties of the nucleus versus the zone of damage) in depth (until about 5 km, according to the method used [3]). In particular, the geoelectric properties provide information on the rock resistivity against the circulation of electrical current, reason why it will vary according to the predominance of fluids or to the landfill nature in more


80 / Investigaciones de los alumnos

Figura 1. Contexto geológico del área de estudio. (a) Sistema de Fallas de Liquiñe-Ofqui (Modificado de [10]). (b) Geología regional del área de estudio. El cuadro blanco indica la ubicación de la zona de estudio.

Figure 1. Geological context of the zone being studied (a) Liquiñe-Ofqui Faults System (Amended of [10]). (b) Regional Geology of the zone being studied. The white square image indicates the location of the zone being analyzed.

en zonas más fracturadas los cuales favorecen la circulación de corriente. Por ejemplo, este tipo de estudios geofísicos se han utilizado para inferir la geometría de zonas de falla y la estructura eléctrica en zonas de subducción [4 y 5] y la estructura interna de una zona de falla decamétrica, que no se mostraba en superficie [6]. Sin embargo, aunque se ha logrado interpretar la arquitectura de una zona de falla de acuerdo a modelos geoeléctricos en diferentes escalas, las inferencias obtenidas de los modelos no han sido comparadas con la observación directa de un afloramiento de zona de falla, que exhiba claramente su núcleo y zona de daño a una escala métrica.

fractured zones, which have an influence in electricity circulation. For example, this type of geophysical surveys has been used to infer the geometry of fault zones, the electrical structure in zones of subduction [4 and 5] and the internal structure of decametric fault zones that were not observed in the surface [6]. Nevertheless, although it has been possible to interpret the architecture of a fault zone according to geoelectric models at different scales, the implications from the models have not been compared through direct observation of a fault zone outcrop that clearly exhibits its nucleus and the zone of damage at a metric scale.

Este estudio, en el marco de tesis de Magíster de Tomás Roquer, tiene por objetivo evaluar cómo se relaciona el comportamiento geoeléctrico y la arquitectura en una zona de falla, considerando como caso de estudio un afloramiento expuesto de la traza norte del Sistema de Falla Liquiñe-Ofqui (SFLO). En la zona de estudio se realizó un levantamiento de datos estructurales y un estudio geoeléctrico de corriente continua en la pared de la roca. El estudio fue diseñado con el propósito de obtener resultados a una escala métrica, permitiendo una mayor resolución de las estructuras presentes en la roca.

This survey, within the Master thesis framework by Tomás Roquer, is aimed to evaluate how the geo-electric behavior and the architecture in a fault zone are related between them, by taking an exposed out crop of the Northern trace of the Liquiñe-Ofqui Fault System (SFLO) as a case study. In the zone being analyzed, a structural data survey and a geoelectric study of Direct Current (DC) in the wall of the rock was carried out. The investigation was conducted in order to obtain metric-scaled results, allowing a greater resolution of the structures on the rock.

El SFLO es un conjunto de zonas de falla ubicado en el arco magmático de los Andes del Sur y tiene aproximadamente 1.200 km de longitud, extendiéndose entre el sector de Liquiñe y el istmo de Ofqui. Sus trazas principales tienen rumbo NS a NNE y sus trazas subsidiarias tienen rumbo NE a ENE [7 y 8] (Figura 1a). Este sistema de falla habría estado activo desde el Cenozoico (60 Ma. aprox.) hasta la actualidad.

The SFLO is a group of fault zones located in the Magmatic Arc in the Southern Andes having a length of about 1,200 km and extending between Liquiñe zone and Ofqui isthmus. The main traces have a course from NE to ENE and its secondary traces have a course from NE to ENE [7 and 8] (Figure 1a). This fault system would have been active as from the Cenozoic period (60 Myr. approx.) up to present time. The study case represents an outcrop of


Students’ research / 81

El caso de estudio corresponde a un afloramiento de 100 m de longitud aproximadamente y está ubicado en el extremo norte del SFLO, cercano a la localidad de Lonquimay. En este lugar, la zona de falla corta a rocas andesíticas miocenas de la Formación Curamallín [9] (Figura 1b).

approximately 100 meters of length and is located in the North end of the SFLO, near the locality of Lonquimay. In this place, the zone of short fault cuts Miocene andesitic rocks in the Curamallín Formation [9] (Figure 1b).

2. METODOLOGÍA

2. METHODOLOGY

En este trabajo se utilizó la combinación de información geológica de campo y un estudio geoeléctrico de resistividad de la roca. Para ello se realizó un levantamiento de datos estructurales y se midió la respuesta geoeléctrica en dos dimensiones (2D) de las unidades litológicas a lo largo de un segmento ortogonal al núcleo de la zona de falla, en una transecta de 20 m de longitud.

For this work, a combination of geological information of the field and a geoelectric study on the rock resistivity was used. For this purpose, a structural data survey was conducted and the geoelectric response in two dimensions (2D) of the lithological units was measured throughout a segment perpendicular to the fault zone nucleus, in a 20 m-long transect

El levantamiento de datos estructurales incluyó un trabajo en terreno de 20 días donde se definió la geometría del núcleo de la falla, la densidad y orientación de las fracturas y vetas de la zona de daño. Se realizó, además, una caracterización mineralógica de las vetas y de la roca a la cual afecta la zona de falla (denominada roca de caja), con el objetivo de establecer las potenciales diferencias en el comportamiento geoeléctrico.

The structural data survey included a work in the field of 20 days, in which the nucleus geometry of the fault, and the density and direction of the fractures and veins of the zone of damage were defined. In addition, a mineralogical characterization of the veins and the rock which the fault zone has an effect on was done (denominated country rock), whose aim was to establishing the potential differences in the geoelectric behavior.

La medición geoeléctrica tomó un total de 3 días de terreno y se llevó a cabo utilizando el equipo eléctrico TIGRE soportado por el software ImagerPro2006. El experimento en terreno consiste en la instalación de una serie de estacas, utilizadas como electrodos, ubicadas de forma colineal sobre la pared de la roca. Este perfil entrega un modelo de resistividad en planta de la roca. Cada línea eléctrica contó con dos tendidos de electrodos independientes entre sí, que se traslaparon estratégicamente cercanos al núcleo de la falla, con el propósito de conseguir una mayor resolución en la zona de interés. La distancia entre los electrodos fue de 0,5 m, cada tendido constó de 32 electrodos y el traslape fue de 23 estacas. Esto conforma una línea de 41 electrodos de una longitud de 20 m, la cual alcanza una penetración

The geoelectric measurement took a total of 3 days of field work and it was done by utilizing the TIGER electrical equipment supported by ImagerPro2006 software. The field experiment consists of installing a series of stakes, used as electrodes that are positioned in a collinear way on the wall of the rock. This profile gives a model of rock resistivity in plan. Each electrical line counted an overhead of two independent electrodes that were overlapped near the nucleus of the fault, in order to ensure a greater resolution in the zone of interest. The distance between the electrodes was 0.5 m, and each line consisted of 32 electrodes and the overlap was 23 stakes. This conform a line of 41 electrodes of 20 m. long, which reaches an approximated penetration of 3 m (Figure 2). In order

Figura 2. Esquema del afloramiento de la zona de falla de estudio. Representación de la instalación espacial del experimento. Azul: núcleo, muro colgante y yacente; Rojo: cableado eléctrico 1; Verde: cableado eléctrico 2.

Figure 2. Outcrop Scheme in the fault zone under study. Design of the experiment space installation. Blue: nucleus, hanging wall y recumbent wall; Red electrical wiring 1; Green: electrical wiring 2.


82 / Investigaciones de los alumnos

Figura 3. Presentación del modelo de inversión. De arriba hacia abajo, pseudosección de resistividad medida en terreno, sección de resistividad calculada a partir del modelo y modelo de inversión de la sección.

Figure 3. Presentation of the inversion model. Downwards, resistivity pseudo-section measured in the field, resistivity section calculated from the model and section inversion model.

aproximada de 3 m (Figura 2). Con el propósito de obtener más datos para comparar, se realizaron dos tipos arreglos, Schlumberger y Dipolo-Dipolo. La diferencia entre estas dos metodologías son principalmente dos; la primera diferencia es la forma en que se realiza la integración para obtener las resistividades medidas en terreno: en el caso de Schlumberger [11-13] integra estructuras orientadas horizontalmente, resuelve mejor modelos de capas, mientras que el arreglo Dipolo-Dipolo integra estructuras verticales, soluciona modelos que tengan estructuras ortogonales al tendido y en el plano de la sección [12 y 13]. La segunda diferencia es el factor geométrico de cada arreglo, este factor corrige la distancia relativa entre los electrodos que inyectan corriente y los que miden la diferencia de potencial (ver Principio Científico). La medición geoeléctrica tiene como objetivo determinar la resistividad del medio al paso de la electricidad. Una vez obtenido el perfil de resistividades aparentes se realizó una inversión de datos, que consiste en construir un modelo que genere la señal geoeléctrica medida en terreno, considerando la ubicación espacial y la resistividad obtenida. El software de inversión encuentra el modelo de resistividad que mejor se ajusta a las mediciones de campo (Figura 3). El software utilizado corresponde al DCInv2D proporcionado por el equipo, ImagerPro 2006. Finalmente, el software Oasis Montaj fue utilizado para la presentación de los resultados finales.

to collect more data for comparing, two types of arrays were realized; Schlumberger and Dipole-Dipole. The differences between them are mainly two: The first one is the form in which integration is accomplished to obtain in-field measured resistivity; in the case of Schlumberger it integrates horizontally-oriented structures [11-13], and also it allows a better array of the layer patterns; while the Dipole-Dipole array integrates vertical structures, and provides an array to models having structures perpendicular to the laying and in the section plan [12 and 13]. The second difference is the geometrical factor of each array, which corrects the relative distance between the electrodes injecting current and those that measure potential difference (refer to Scientific Principle). The geoelectric measurement aim is determining the resistivity of the means for the passage of electricity. Once the profile of apparent resistivity is obtained, data inversion takes place, which consists of constructing a model for the geoelectric signal measured in the field. The inversion software finds the resistivity model that better adjusts to the measurements in the field (Figure 3). The software utilized corresponds to the DCInv2D provided by the Imager Pro 2006 equipment. Finally, Oasis Montaj software was used for the presentation of final results.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSIONS

Del levantamiento de datos estructurales (Figura 4), se identificó una zona de falla que corta roca andesítica, con un núcleo simple de 0,5 m de espesor y una zona de daño asimétrica de 5 m potencia en el bloque colgante y 15 m en bloque yacente. El núcleo está compuesto de un dique microdiorítico con salbanda en los bordes, y tiene rumbo N83°W y manteo 65°S. La zona de daño presenta

From the structural data survey (Figure 4), a fault zone cutting the Andesitic rock was identified, which has a simple nucleus 0.5 m thick and a zone of asymmetric damage of 5 m in the hanging wall and 15m the recumbent wall were identified. The nucleus is composed of a micro diorite dyke with clays and gouge in the edges, whose course is N83°W and a 65°S dip. The zone of damage


Students’ research / 83 Figura 4. Afloramiento de la zona de falla de estudio, se indica núcleo y zona de daño en el bloque yacente y en el bloque colgante. Fotografía mirando hacia el NW.

Figure 4. As to the fault zone outcrop under study, indication is made of the nucleus and damage zone in the recumbent wall and the hanging wall. Photograph is oriented to the NW.

discontinuidades centimétricas rellenas de zeolitas, orientadas NNE-ENE de manteo subvertical. Además, se observa mayor frecuencia de vetas distribuidas espacialmente en el bloque colgante que en el bloque yacente.

presents centimetric discontinuities filled with zeolites, oriented NNE-ENE of sub vertical dip. In addition, greater veins frequency is observed in the hanging wall more than in the recumbent wall.

La sección geoeléctrica en planta muestra valores de resistividad que varían entre 30-1.400 ohm-m. En la Figura 5, se observan valores resistivos relativos (en rojo), conductores (en azul) y combinaciones intermedias. En la sección eléctrica se lograron distinguir 4 dominios, con metodología Dipolo-Dipolo (Figura 5a): (i) un dominio horizontal (dominio D-1) y resistivo de 1 m de espesor, con valores que varían entre 30-1.500 ohm-m; (ii) un dominio conductor penetrativo, de potencia cercana a 0,5 m, con valores que varían entre 20-200 ohm-m (dominio D-2); (iii) un dominio con resistividades que varían entre 601.200 ohm-m al SW del dominio anterior (dominio D-3); y (iv), un dominio con mayor predominancia de resistivos al NE del perfil, cuyos valores oscilan entre 20 y 2.000 ohm-m (dominio D-4). En el mismo afloramiento con la metodología Schlumberger (Figura 5b): (i) un dominio horizontal (dominio S-1), resistivo de 1.5 m de espesor, con resistividades que oscilan entre 100-2.000 ohm-m; (ii) un dominio de carácter conductor de 0,5 m aprox. de potencia, con un rango entre 110-180 ohm-m (dominio S-2); (iii) un dominio al costado sur del dominio anterior cuyo rango de resistividad oscila entre 200-700 ohm-m (dominio S-3); y (iv), un dominio de comportamiento resistivo al norte del dominio 2, con valores de resistividad entre 40-1.500 ohm-m (dominio S-4).

In Figure 5, the results of electrical inversion in plan are transformed. The section shows relative resistive values (in red), conductors (in blue) and intermediate combinations. In the electrical section four domains were observed, with Dipole-Dipole methodology (Figure 5a):(i) a horizontal domain (D-1 domain) and a resistive of 1m of thickness, with values that vary between 30-1,500 ohm-m; (ii) a penetrative conductive domain, of near 0.5mpower with values that vary between 20-200 ohm-m (D-2 domain); (iii) a domain with resistivity that varies between 60-1,200 ohm-m to the SW of the previous domain (D-3 domains); and (iv) a domain of great dispersion of resistivity, whose values oscillate between 20-2,000 ohm-m (D-4 domain). In the same outcrop with the Schlumberger methodology (Figure 5b): (i) a horizontal domain (S-1 domain), resistive of 1.5m of thickness, with resistivity oscillating between 100-2,000 ohm-m; (ii) a domain of conductive character of 0.5 m power approx., with a rank between 110-180 ohm-m (S-2 domain); (iii) a domain to the South flank of the previous domains whose rank of resistivity oscillates between 200-700 ohm-m (S-3 domains); and (iv), a domain of mainly resistive behavior to the north of the domain 2, with resistivity values between 40-1,500 ohm-m (S-4 domain).

Los resultados estructurales y eléctricos permiten señalar que la arquitectura de la zona de falla se ve reflejada en el comportamiento geoeléctrico de ésta (Figura 5 y 6, Tabla 1), independientemente del modelo de integración.

The structural and electrical results indicate that the architecture of the fault zone is reflected in the geoelectric behavior of the latter (Figures 5 and 6, Table 1), independent from the integration model.

En los modelos señalados, los dominios D-1 y S-1 son bastante similares y corresponden a la roca expuesta, que suele estar sometida a constante meteorización, por lo que es característica a lo largo del tendido eléctrico en los dominios más someros del afloramiento. Esto genera que la señal eléctrica no tenga un patrón determinado, puesto que depende del tipo de meteorización a la que se ve afectada la roca (e.g. presencia de vegetación en ciertos segmentos).

In the indicated models, domains D-1 and S-1 are quite similar and correspond to the exposed rock that usually is put under constant weathering, so it is characteristic throughout the electrical wiring in the shallow domains of the outcrop. So the electrical signal does not have a determined pattern, since it depends on the type of weathering affecting the rock (e.g. presence of vegetation in certain segments).


84 / Investigaciones de los alumnos

Figura 5. Relación respuesta resistiva y geometría de la zona de falla. (a) Metodología Dipolo-Dipolo. (b) Metodología Schlumberger.

Figure 5. Ratio between resistive response and architecture of the fault zone. (a) Dipolo-Dipolo Methodology. (b) Schlumberger Methodology.

Los dominios D-2 y S-2 se asocian al núcleo de la zona de falla, correspondiente a un dique microdiorítico con salbanda, el cual presenta un comportamiento relativamente conductor. Esto podría deberse a la presencia de arcillas, minerales formados producto de la alteración hidrotermal del dique microdiorítico [3]. Sin embargo, la solución de D-2 es más evidente como una estructura continua y penetrativa en la roca. La solución S-2 solo señala la presencia de esta estructura más próxima a la superficie y es bastante acotada.

Domains D-2 and S-2 are associated to the nucleus of the fault zone and correspond to a micro-diorite dyke with gouge and clays, which show a conductive behavior. This could be due to the clay presence that formed minerals resulting from the hydrothermal alteration of the microdiorite dyke [3]. Nevertheless, more evidently the solution of D-2 is like a continuous and penetrative structure on the rock. The S-2 solution only indicates the presence of this structure next to the exposed surface.

Los dominios D-3 y S-3 correspondientes al bloque colgante, D-4 y S-4 al bloque yacente del afloramiento, de acuerdo al modelo geoeléctrico, presentan un amplio rango de valores. De acuerdo al levantamiento estructural, el bloque yacente presenta una zona de daño próxima (5 m) al núcleo de la falla, y concentra menor cantidad de fracturas y vetas. En comparación al bloque colgante, el bloque yacente corresponde a una zona de daño no fracturada (presenta menor cantidad de fracturas). En el caso S-4, las resistividades son más homogéneas, a excepción de un cuerpo resistivo central que también se observa en D-4.

Domains D-3 and S-3 correspond to the hanging wall, and D-4 and S-4, to the recumbent wall. These domains present a wide rank of resistivity values. For the S-4, resistivity values are more homogenous, with the exception of a central resistive body that also is observed in D-4. This is due to the Schlumberger method that generates horizontal bodies. For domains D-3 and S-3, a dispersion of resistivity values that are lower than the domains D-4 and S-4; nevertheless, it cannot be established a statistically significant comparison between the hanging wall and recumbent wall given the amount of

Table 1. Geological characterization and domains resistivity Domain

Geologic Characterization

Dipole-Dipole Resistivity (ohm-m)

Schlumberger Resistivity (ohm-m)

1

Weathering rock

30 – 1,500

100 – 2,000

2

Fault nucleus

20 – 200

110 – 180

3

Fractured damage zone

60 – 1,200

200 – 700

4

Non fractured damage zone

20 – 3,000

40 – 1,500


Students’ research / 85

Figura 6. Distribución de resistividad de los diferentes dominios.

Figure 6. Resistivity distribution of the different domains.

Esta discretización se debe a que el método Schlumberger genera cuerpos horizontales. Para los dominios D-3 y S-3, la cantidad de datos obtenidos no permiten un análisis que permita comparar en cuanto a comportamiento eléctrico el bloque colgante con el bloque yacente. Si bien, a simple vista los métodos Dipolo-Dipolo y Schlumberger generan modelos con rango de resistividad similar, al comparar la geometría de cuerpos en cada dominio que genera la inversión, la metodología Schlumberger no se ajusta a la orientación espacial de las estructuras observadas en terreno. No obstante, el método Dipolo-Dipolo entrega una solución que se ajusta a las observaciones medidas en campo, debido a la resolución lateral para estructuras verticales [13]. Finalmente, de acuerdo a la Figura 5, es posible relacionar el rumbo del núcleo de falla con la geometría obtenida del dominio D-2 en el modelo de resistividad, dada la presencia de zeolitas en el núcleo de falla, las cuales favorecen la acumulación de cationes y fluidos en su estructura cristalina. El rumbo del núcleo de acuerdo al levantamiento estructural es N83°W, mientras que en el modelo de resistividad el rumbo del dominio D-2 calculado es de N90°W. Esto permite señalar que en una zona de falla con un único núcleo un modelo de resistividad 2D como el utilizado en este estudio, tiene la resolución suficiente para estimar el rumbo del núcleo y su continuidad en la parte que no aflora.

data of the domains D-3 and S-3. Dipole-Dipole and Schlumberger methods create models with a similar rank of resistivity, although when comparing the geometry of bodies in each domain producing the inversion, the Schlumberger methodology does not adjust to the spatial orientation of the structures observed in the field. However, the Dipole-Dipole method provides a solution that adjusts to the observations measured in field, due to the lateral resolution for vertical structures [13]. Finally, according to Figure 5, it is possible to relate the course of the fault nucleus with the obtained geometry of D-2 domains in the model of resistivity, given the clay presence in the fault nucleus, which favors conductivity [3]. The course of the nucleus according to the structural survey is N83°W, whereas in the resistivity model the course of the calculated domain D-2 is N90°W. This allows to indicate that a 2D resistivity model, as the one used in this study, can be used to consider the course of the nucleus and its continuity in the part that does not emerge.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

Existe una buena correlación entre la arquitectura interna de una zona de falla y su respuesta al método geoeléctrico. Por esta razón, este método puede ser utilizado para determinar propiedades internas de la roca en la parte no visible de ella, además de determinar la distribución y orientación espacial de las estructuras presentes a una escala de métrica.

There is a good correlation between the architecture of a fault zone and its electrical resistivity. Therefore, this method can be used to determine internal properties of the rock in the imperceptible part of it, besides determining the distribution and spatial orientation of the present structures on a metric scale.

La metodología de integración Dipolo-Dipolo es comparable en la zona de falla estudiada. Aun cuando, en

The Dipole-Dipole integration methodology is applicable in the fault zone to be studied. Even though in both methodologies


86 / Investigaciones de los alumnos

ambas metodologías el núcleo de la falla se comporta como un conductor cuyos valores de resistividad varían entre 20-200 ohm-m, la metodología Schlumberger presenta limitaciones para ver estructuras más profundas. El comportamiento eléctrico del bloque colgante, como del bloque yacente son mayoritariamente resistivas. Ambas zonas de daño presentan un amplio rango de resistividad que varían entre 20-3.000 ohm-m.

the nucleus of the fault behaves as a conductor, whose values of resistivity vary between 20-200 ohm-m, the Schlumberger methodology presents limitations to see deeper structures, because it characterizes horizontal units that are not representative of the outcrop. Whereas the dipole-dipole methodology generates a model that adjusts to what has been observed in field.

Si bien la litología del afloramiento en estudio, tanto del bloque colgante como el yacente es la misma, roca andesítica, no existe una cantidad suficiente de datos para establecer un comportamiento preferencial de resistividad del bloque colgante, para que pueda ser comparable con el bloque yacente.

The electrical behavior of both the hanging wall and the recumbent wall is resistive in comparison to the nucleus. Both zones of damage present a wide resistivity rank that varies between 20-3,000 ohm-m. Although the lithology of the hanging wall as well as of the recumbent one is the same, an andesitic rock, it does not exist enough data to establish a preferential resistivity behavior.

AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGMENTS

Se agradece al Centro de Excelencia en Geotermia de los Andes (CEGA, Proyecto FONDAP CONICYT 15090013) y al proyecto FONDECYT 1130030. El equipo TIGRE fue aportado por el proyecto FONDEF D10I1027. A Tiaren García, alumna de doctorado por su colaboración en el procesamiento de datos y a Pablo Iturrieta, alumno de 6° año, por su apoyo en terreno, ambos del DIEG. A Geofísica TRV por facilitar la licencia del programa DCInv2D.

Thanks to the Center of Excellence in Geothermic of the Andes (CEGA, Project FONDAP CONICYT 15090013) and to project FONDECYT 1130030. TIGER equipment was provided by FONDEF D10I1027 project. Thanks to Tiaren García, doctorate student, for her collaboration in the data processing and to Pablo Iturrieta, student of reemplazar por “6th year, for his support in the field, both from the DIEG. Thanks also to TRV Geophysics for providing the license of the DCInv2D program.

Glosario AFLORAMIENTO: lugar en donde es posible observar en superficie una unidad litológica. La roca es expuesta en superficie producto de procesos de erosión y alzamiento. ARCO MAGMÁTICO: franja de actividad volcánica, asociada a un ambiente de subducción. DIQUE: roca ígnea con estructura tabular producto del enfriamiento de una magma en el interior de una fractura. ESTRUCTURAS (GEOLÓGICAS): cuerpos geológicos que poseen cierta geometría y orientación espacial. Estos son utilizados para estudiar el desarrollo del relieve terrestre (e.g. diques, vetas, fracturas, zonas de falla, sistemas de falla, entre otros). ESTRUCTURA CRISTALINA: estructura que forman los minerales en su fase sólida. Esta se caracteriza por tener un patrón ordenado de elementos químicos. FRACTURA: discontinuidad presente en un cuerpo rocoso. GEOFÍSICA: área de la geociencias que utiliza la física como herramienta para caracterizar y comprender procesos tanto en la corteza terrestre, como en el interior.

GLOSSARY

OUTCROP: location where a lithological unit can be observed at the surface. The rock is exposed on the surface as the result of erosion and emerging processes. MAGMATIC ARC: strip of volcanic activity associated to a subduction environment, DYKE: igneous rock of tubular structure resulting from the magma chilling inside a fracture. STRUCTURES (GEOLOGICAL): geological bodies with certain geometry and spatial orientation. They are used to study the development of terrestrial relief (e.g. dykes, veins, fractures, fault zones, fault systems, amongst others). CRYSTALLINE STRUCTURE: structure that forms minerals in their solid phase. This is characterized to have an ordered pattern of chemical elements. FRACTURE: it is a discontinuity in a rocky body. GEOPHYSICS: field of geosciences used by physics as a tool to characterize and understand some processes, either in the crust or inside. STRUCTURAL DATA SURVEY: geological technique used to determine nature and spatial orientation of the different structural domains in a zone.


Students’ research / 87

LEVANTAMIENTO DE DATOS ESTRUCTURALES: Técnica geológica que permite determinar la naturaleza y orientación espacial de los distintos dominios estructurales de una zona. METEORIZACIÓN: proceso de desintegración y/o descomposición de un roca que se encuentra en contacto por la superficie. Puede ser del tipo mecánico o químico. MÉTODOS GEOFÍSICOS: metodologías que aprovechan diferentes propiedades físicas de las rocas, para extraer información de cuerpos que se encuentran en profundidad. MINERAL: compuesto inorgánico natural ordenado, que presenta una estructura física y química dentro de un determinado rango. PROPIEDAD GEOELÉCTRICA: propiedad característica de rocas o suelos, que mide la capacidad para trasmitir la corriente. Se hace referencia a la resistividad que es medida en ohm-m. ROCA ANDESÍTICA: roca ígnea de origen lávico, formada por el enfriamiento rápido de un magma en superficie. Se caracteriza por tener una textura particular (porfídica). RUMBO Y MANTEO UNA FALLA: determinan la orientación espacial de un plano. El rumbo corresponde al ángulo que se forma entre el norte geográfico y la intersección del plano de interés con un plano horizontal. El manteo es el máximo ángulo de inclinación que se forma entre el plano de interés y un plano horizontal. TRAZA PRINCIPAL: superficie de primer orden asociado a un sistema de falla. Falla dominante del sistema TRAZA SUBSIDIARIA: superficie de ruptura generada a partir de una falla más grande. SALBANDA: roca altamente fracturada, tamaño de grano muy fino (menor a 1 mm), se caracteriza por no estar consolidada. Se asocia principalmente a zonas de falla, precisamente a los bordes del núcleo de falla. SISTEMA DE FALLA: numerosos segmentos de fallas distribuidos según un patrón geométrico en una determinada zona. VETA: fracturas rellenas de un mineral precipitado a partir de un fluido hidrotermal. ZEOLITAS: mineral del grupo de los tectosilicatos, grupo que se caracteriza por presentar estructuras cristalinas bastante complejas. Presenta cavidades y túneles en su estructura, lo que facilita la acumulación y transporte de fluidos. ZONA DE FALLA: corresponde a un volumen de daño producto del desplazamiento relativo entre dos cuerpos rocosos. Este está compuesto por un núcleo, zona en la que se acomoda gran parte de la deformación, un bloque colgante, correspondiente a la porción del cuerpo rocoso que se encuentra sobre la superficie de deslizamiento, suele ser el cuerpo que presente mayor concentración de fracturas. Además un bloque yacente, correspondiente a la porción que se encuentra bajo la superficie de deslizamiento.

WEATHERING: mechanical or chemical disintegration and/ or decomposition of a rock when in contact with the surface. GEOPHYSICAL METHODS: different methodologies that take advantage of the rocks physical properties in order to obtain information on bodies found in depth. Mineral: inorganic naturally arranged compound presenting a physical and chemical structure within certain Rank. GEOELECTRIC PROPERTY: typical property of rocks or soils that measures the capacity to transmit electric current. Reference is made to resistivity measured in ohm-m. ANDESITIC ROCK: lava originated igneous rock which is formed when magma is quickly chilled on the surface. It is characterized by having a particular texture (porphyritic) COURSE AND DIP OF A FAULT: they determine the spatial orientation of a plan. The course is the angle formed between the geographic North and the intersection of the plan in question and a horizontal plan. The dip is the maximum inclination angle formed between the plan in question and a horizontal one. MAIN TRACE: first order surface that is associated to a fault system. Dominant fault of the system. SECONDARY TRACE: failure surface coming from a bigger fault. GOUGE: highly fractured rock, grain size is very fine (less than 1 mm) and it is characterized by its nonconsolidation. It is mainly associated to fault zones, on the edges of the fault nucleus. FAULT SYSTEM: various segments which are distributed according to a geometric pattern in a specific zone. VEIN: cracks filled with precipitated mineral from a hydrothermal fluid. ZEOLITES: mineral belonging to the group of tectosilicates which is characterized by presenting highly complex crystalline structures. It presents cavities and tunnels in the structure, so that facilitating fluid accumulation and transport. FAULT ZONE: it is a damage volume caused by the relative displacement between two rocky bodies. The fault zone is composed of a nucleus, where a great part of the deformation is adapted; a hanging wall that is the part of the rocky body found on the sliding surface and that is usually the body with major concentration of cracks; and a recumbent wall that is the part located under the sliding surface.


88 / Investigaciones de los alumnos

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

Estudio Geoeléctrico

Geoelectric Survey

Este método geofísico busca obtener un modelo de resistividades aparentes usando la ley de Ohm y las ecuaciones de Maxwell [3]. Para obtener la resistividad de un medio, se hace circular una corriente controlada I, midiendo el voltaje V que genera esta corriente (Figura 5). Dados estos parámetros, se obtiene la resistividad aparente ρ de acuerdo a la siguiente expresión:

This geophysical method intends to obtain a model of apparent resistivity by using the Ohm’s law and Maxwell’s equations [3]. In order to obtain the resistivity of a means, a controlled current is circulated I, measuring the voltage V generating this current (Figure 5). In view of these parameters, apparent resistivity is obtained ρ according to the following formula:

 

ρ=

V ⋅ 2 ⋅π I ⋅G

 

ρ=

[1]

Arreglo Schlumberger.

Schlumberger Array

V ⋅ 2 ⋅π I ⋅G

[1]

Arreglo Dipolo-Dipolo Donde G se conoce como un factor geométrico, que corrige la distancia relativa entre puntos de inyección de corriente y medición del potencial eléctrico asociado (Figura 7). En la mayoría de las rocas superficiales la resistividad medida está determinada críticamente por la cantidad de agua, la concentración de iones disueltos y la mineralogía de las rocas [12; 14 y 15].

Dipolo-Dipolo Array Where G is known as a geometric factor that corrects the relative distance between current injection points and measurement of the electric potential associated, L and l correspond to the distance between the electrodes and n is the nth electrode (Figure 7). In most of the superficial rocks, measured resistivity is critically determined for the amount of water, the dissolved ions concentration and the rocks mineralogy [12; 14 y 15].

Figura 7. Esquema de la instalación de uno de los arreglos del estudio geoeléctrico 2D. I representa la corriente inyectada en la roca; V la diferencia de potencial media. Los electrodos de corriente están representados por C1 y C2; mientras que los de potencial por P1 y P2.

Figure 7. Diagram of the installation of one of the arrays in the 2D geo-electric survey. I represents the electric current injection in the rock; Vis the difference of average potential. The current electrodes are represented by C1 and C2; while potential electrodes are represented by P1 y P2.


Students’ research / 89

REFERENCES 1.SIBSON, R. “Crustal stress, faulting and fluid flow”. Geological Society, Special Publications. 1994, nº 78, p. 69-84. 2.FAULKER, D., JACKSON, C., LUNN, R., SCHLISCHE, R., SHIPTON, Z., WIBBERLEY, C. and WITHJACK, M. “A review of recent developments concerning the structure, mechanics and fluid flow properties of fault zones”. Journal of Structural Geology. 2010, vol32, nº 11, p. 1557-1575. 3. TELFORD, W., GELDART, L. and SHERIFF, R. Applied Geophysics. Cambridge: Cambridge University Press, 1990. 4. INGHAM, M. “High resolution electrical imaging of fault zones”. Physics of the Earth and Planetary interiors. 2005, vol150, nº 1, p. 93-105. 5. XIAO, Q., ZHANG, J., WANG, J., ZHAO, G. and TANG, J. “Electrical resistivity structures between the Northern Qilian Mountains and Beishan Wall, NW China, and tectonic implications”. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2012, vol200, p. 92-104. 6. BALL, L.B., GE, S., CAINE, J.S., REVIL, A. and JARDANI, A. “Constraining fault-zone hydrogeology through integrated hydrological and geoelectrical analysis”. Hydrogeology journal. 2010, vol18, nº 5, p. 1057-1067. 7. MELNICK, D., FOLGUERA, A. and RAMOS, V.A. “Structural control on arc volcanism: the Caviahue–Copahue complex, Central to Patagonian Andes transition (38 S)”. Journal of South American Earth Sciences. 2006, vol22, nº 1, p. 66-88. 8. CEMBRANO, J. and LARA, L. “The link between volcanism and tectonics in the Southern Volcanic Zone of the Chilean Andes: A review”. Tectonophysics. 2009, vol471, nº 1, p. 96-113. 9. SUÁREZ, M. y EMPARÁN, C. Hoja Curacautín: Regiones de la Araucanía y del BíoBío. Santiago: National Service of Geology and Mining, 1997.National Service of Geology and Mining (Chile) Geological Map, nº 71. 10. SÁNCHEZ, P., PÉREZ-FLORES, P., ARANCIBIA, G., CEMBRANO J. and REICH, M. “Crustal deformation effects on the chemical evolution of geothermal systems: the intra-arc Liquiñe–Ofqui fault system, Southern Andes”. International Geology Review. 2013, vol55, nº 11, p.1384-1400. 11. DÍAZ, D., MAKSYMOWICZ, A., VARGAS, G., VERA, E., CONTRERAS-REYES, E. and REBOLLEDO, S. “Exploring the shallow structure of the San Ramón thrust fault in Santiago, Chile (~33.5° S), using active seismic and electric methods”. Solid Earth.2014, vol 5, nº 2, p. 837-849. 12. GRANT, F.S. and WEST, G.F. Interpretation theory in applied geophysics: Part 3, electrical conduction and electromagnetic induction methods. New York: McGraw-Hill, 1965. 13. LOKE, M.H. “The inversion of two-dimensional resistivity data”.PhD thesis. University of Birmingham, 1994. 14. ZOHDY, A.A., EATON, G.P. and MABEY, D.R. Application of surface geophysics to ground-water investigations. Washington, DC: U.S. Government Printing Office, 1974. Collection of environmental data, chapter D1. 15. REVIL, A., CATHLES, L.M., LOSH, S. and NUNN, J.A. “Electrical conductivity in shaly sands with geophysical applications”. Journal of Geophysical Research. Solid Earth. 1998, 103(B10), p.23925-23936.

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Ronny Figueroa

Tomás Roquer

Gloria Arancibia

Nicolás Pérez-Estay

Gonzalo Yañez


90 / Investigaciones de los alumnos

Efecto del calentamiento óhmico en la salazón de Salmón Atlántico Effect of ohmic heating in the salting of Atlantic Salmon

Gabriel Cavada1, alumno de 6to año Nicolás Quiroz2, ingeniero Ricardo Simpson2, profesor titular

Gabriel Cavada1, 6th year student Nicolás Quiroz2, engineer Ricardo Simpson2, full professor

Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Técnica Federico Santa María 2 Centro regional de estudios en alimentos saludables (CREAS) *Autor de correspondencia: ricardo.simpson@usm.cl

1

1

Department of Chemical and Environmental Engineering, Universidad Técnica Federico Santa María 2 Regional center for studies on healthy foods (CREAS) *Corresponding author: ricardo.simpson@usm.cl


Students’ research / 91

RESUMEN

ABSTRACT

Las ventas de salmón ocuparon el segundo lugar de las exportaciones de nuestro país durante el año 2014, superando US$3.655 millones. Un porcentaje importante de las exportaciones de los distintos productos de salmón, corresponde a productos salados. El proceso de salado tiene como objetivo extender la vida útil y mejorar las propiedades organolépticas, sin embargo, a pesar de las características positivas que entrega este proceso, esta técnica presenta el inconveniente de emplear tiempos de procesamiento excesivos.

Salmon sales ranked second in the exports of our country for 2014, with more than US$3,655  million. Salted products account for a significant percentage of exports of the different salmon products. The salting process is intended for extending the shelf life and improving organoleptic properties. However, despite the beneficial traits provided by this process, this technique has the disadvantage of taking excessive processing times.

El objetivo de esta investigación fue estudiar el efecto de la aplicación de calentamiento óhmico (OH) en el tiempo de salado de salmón atlántico. Para la experimentación las muestras de salmón se cortaron en pequeños bocados de forma cilíndrica y luego fueron salados por inmersión en una solución salina durante 24 horas. Este procedimiento fue replicado a diferentes concentraciones de salmuera (6%, 15%, 18% y 24% NaCl) con y sin calentamiento óhmico. El proceso fue controlado a 15 °C y con 5 Volts durante 24 horas, se pesaron las muestras y se midió la concentración de sal a diferentes tiempos de procesos. El color y la textura fueron medidos al inicio y final de cada experimento. Los resultados muestran que el tratamiento óhmico no afecta la fenomenología de la cinética de salazón, sin embargo, se detectó una aceleración en el proceso de salado para las muestras tratadas con OH. Las pruebas de color y textura no presentaron diferencias significativas. En cuanto a la retención de agua, solo las muestras inmersas en salmuera al 24% muestran una caída de peso, mientras que para las otras concentraciones, el tratamiento OH provocó un aumento en la masa da cada muestra respecto de las pruebas realizadas sin OH. Palabras clave: salado, calentamiento óhmico, salmón atlántico.

The goal of this research is to study the effect of applying Ohmic Heating (OH) in the salting time for Atlantic salmon. For experimentation, salmon samples were cut in small cylindrical bits and were salted by dipping them in a salt solution for 24 hours. This procedure was replicated to different brining concentrations (6%, 15%, 18% and 24% NaCl) with or without Ohmic Heating. The process was controlled at 15 °C with 5 Volts for 24 hours, samples were weighed and salt concentration was measured at different processing times. The color and texture were measured at the beginning and end of each experiment. The results show that Ohmic treatment does not affect the phenomenology of the salting kinetics. However, an acceleration was detected in the salting process for samples treated by OH. Color and texture testing did not show significant differences. For water retention, the only samples that showed a weight decline were those that were dipped in brine at 24%, while for other concentrations, OH treatment resulted in an increase in the mass of every sample against the tests performed without OH.

Keywords: salting, ohmic heating, atlantic salmon.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

Los usos de la sal por parte de los humanos se remonta a tiempos muy lejanos y en todas las culturas. El uso de la sal en los alimentos tiene como fin de prolongar su vida útil y también para realzar su sabor. La sal genera nuevas capacidades sensoriales en el paladar de los consumidores. Esta técnica se ha perfeccionado en el tiempo, generándose en la actualidad diversos protocolos de uso. El efecto conservante de la sal se debe a la disminución en la actividad del agua, reduciendo la posibilidad de ataque microbiano en tejidos animales y generando mejoras en las propiedades funcionales de estos, lo cual conduce a un aumento de la

Salt use by humans traces back further in time and across cultures. Salt use in food aims at extending its shelf life and also enhancing its flavor. Salt gives rise to new sensory skills in consumer’s taste. This technique has evolved over time, resulting in several usage protocols today. Salt’s preservative effect arises from reduction in water activity, lowering the probability of a microbial attack in animal tissue and improving its functional properties, thus leading to a longer shelf life of the product. The main constraint for this technique is the long processing time to reach the proper salt concentration around the food. Typically, the salting


92 / Investigaciones de los alumnos

vida útil del producto. La principal limitante de esta técnica corresponde a los prolongados tiempos de proceso para alcanzar la concentración de sal adecuada en todo el alimento. Generalmente el proceso de salado se utiliza como un pretratamiento en productos de valor agregado de salmón. Por lo tanto es importante minimizar el tiempo de proceso de esta etapa. La salazón de salmón debe alcanzar niveles de sal sobre 3,5% para garantizar la inocuidad del alimento [1]. El calentamiento óhmico ha demostrado ser útil para mejorar la velocidad de secado y acelerar la deshidratación osmótica [2]. Se ha demostrado que la aplicación de un campo eléctrico moderado en carnes, genera el fenómeno de “electroporación” en el tejido acelerando significativamente el proceso de difusión de sal. [3], indicaron que cuando un tejido animal es expuesto a una corriente eléctrica moderada, aumenta la permeabilidad de la membrana plasmática celular, generándose poros a través de esta, lo que finalmente radica en la agilización del transporte de materia hacia el tejido.

process is used as a pre-processing stage for added value salmon products. Therefore, it is important to minimize the processing time of this stage. Salmon salting must reach salt levels over 3.5% to ensure the food’s safety [1]. Ohmic Heating has proved to be useful for improving drying speed and accelerating osmotic dehydration [2]. Applying a moderate electric field on meat has proved to give rise to an “electroporation” phenomenon in tissue, significantly accelerating the salt diffusion process. [3], They indicated that when animal tissue is exposed to a moderate electrical current, cell plasma membrane permeability increases, forming pores through it, which ultimately lies on speeding matter transport towards the tissue. The goal of this research is to study the effect of Ohmic heating application (OH) in accelerating the salting process of Atlantic salmon.

El objetivo de esta investigación fue estudiar el efecto de la aplicación de calentamiento óhmico (OH) en la aceleración del proceso de salado de salmón atlántico. 2. EXPERIMENTACIÓN

2. EXPERIMENTATION

2.1 Metodología

2.1 Methodology

El salmón se cortó en muestras cilíndricas de 2,5 cm de diámetro y de alto, las cuales fueron inmersos en la salmuera, se utilizaron 4 concentraciones 6, 15, 18, y 24% (p/p). La metodología experimental consiste en una situación base, donde el proceso de salado en salmuera se llevó a cabo durante 24 horas a 15 ºC con y sin la aplicación de calentamiento óhmico. Para el tratamiento usando calentamiento óhmico se utilizaron 5 V, generando una corriente de 0,2 A en la solución. Las mediciones experimentales se resumen en la Tabla 1.

Salmon was cut in cylindrical samples of 2.5 cm diameter and height, which were dipped in brine, using 4 different concentrations 6, 15, 18, and 24% (p/p). The experimental methodology lies in a base situation, where the brinesalting process was conducted for 24 hours at 15 ºC with or without Ohmic Heating application. 5 V were used for the processing with Ohmic Heating, generating a 0.2  A current in the solution. Experimental measurements are summarized in Table 1.

2.2 Equipamiento experimental

2.2 Experimental Equipment

La configuración experimental consiste en una celda cilíndrica de acero inoxidable donde cada cilindro actúa como un electrodo. Para mantener la temperatura se utiliza un baño termorregulado (BS-21 JEIO Tech, Korea). Termopares tipo T (cobre/constantan) se utilizron para monitorear la temperatura en la solución y en las muestras.

Experimental setup consists of a stainless steel cylindrical cell, with each cylinder acting as an electrode. In order to maintain temperature, a shaking water bath is used (BS21 JEIO Tech, Korea). Type T Thermocouples (copper/ constantan) were used to monitor temperature both in the solution and the samples. Temperature data and voltage

Table 1. Experimental measurements and sampling times. Measurements

Concentrations [%p/p]

Sampling times [h]

Salt Concentration

6 and 24

0, 0.5, 1, 1.5, 2, 4, 8, 12, 14, 20 and 24

Changes in mass

6, 15, 18 and 24

0, 0.5, 1, 1.5, 2, 4, 8, 12, 14, 20 and 24

Color

6, 15, 18 and 24

0 and 24

Texture

6, 15, 18 and 24

0 and 24


Students’ research / 93

Figura 1. Equipo experimental.

Figure 1. Experimental equipment.

Los datos de temperatura y el voltaje se registraron cada tres segundos usando un registrador de datos Omega 320 (Omega Engineering, Stamford, EE.UU.) El equipamiento experimental se muestra en la Figura 1.

were recorded every three  seconds using an Omega  320 data  logger (Omega Engineering, Stamford, US). Experimental equipment is shown in Figure 1.

2.3 Determinaciones analíticas

2.3 Analytical Assessments

El contenido de sal de todas las muestras se determinó por medio del equipo Dichromat II Salt analyser (PCL Control Instruments, Leicester, UK).

Salt content of all the samples was determined using the Dichromat II  Salt Analyzer (PCL Control Instruments, Leicester, UK)

Para determinar la variación de la masa se identifica cada muestra de manera previa al tratamiento (n=3). El proceso consiste en medir la masa de cada muestra en una balanza analítica modelo JD400-3, la variación de la masa se calcula de acuerdo a la Ecuación (1), donde M0 corresponde a la masa inicial de las muestras de salmón fresco y Mt a la masa de las muestras de salmón a un tiempo determinado de tratamiento.

In order to determine the changes in mass, every sample is identified before the processing (n=3). The process involves measuring each sample in a JD400-3 analytical balance, the changes in the mass are computed based on the Equation  (1), where M0 refers to the initial mass of fresh salmon samples and Mt refers to the mass of salmon samples at a specified processing time.

[1]

[1]

El color de la muestra de salmón se midió utilizando un colorímetro (Minolta, CR-400, Tokio, Japón), basándose en el espacio de color CIELab. Los cambios de color se midieron por evaluación colorimétrica de los tres parámetros CIE: luminosidad (L*), coordenada rojo-verde (a*) y coordenada amarillo-azul (b*). Las coordenadas de color CIE L*, a* y b* se calculan teniendo en cuenta el iluminante estándar D65.

The color sample of salmon was measured using a colorimeter (Minolta, CR-400, Tokyo, Japan), based on the CIELab color space. Color changes were measured by colorimetric assessment of the three CIE parameters: lightness (L*), greenness-redness (a*) and bluenessyellowness (b*) coordinates. CIE L*, a* and b* color coordinates are calculated considering the standard illuminant D65.

La diferencia total de color ∆E entre la materia prima y después de 24 h de tiempo de procesamiento se calculó por la ecuación. (2)

The full difference in color  ∆E between the raw material and after the 24 h of processing time was calculated by the equation. (2)

[2]

[2]

Las propiedades de textura se midieron por compresión utilizando un analizador de textura CT3 (BROOKFIELD, EEUU) equipado con una celda cilíndrica plana (34,5 mm de

Texture properties were measured by compression using a CT3 texture analyzer (BROOKFIELD, US) equipped with a cylindrical plunger (diameter: 34.5  mm. Force (N) is


94 / Investigaciones de los alumnos

Figura 2. Variación de la masa para todas las concentraciones de NaCl.

Figure 2. Changes in mass for all NaCl concentrations.

diámetro). La fuerza (N) se registró durante la compresión en una curva de perfil de textura con una celda de carga de 10 kg, a una velocidad de deformación de 1 mms-1 hasta que se alcanzó el 60% de compresión de la muestra. La fuerza máxima de la primera compresión de la curva de fuerzatiempo (dureza), se calculó como se describe en [4].

logged during compression in a texture profile curve with a loading plunger of 10 kg, to a crosshead speed of 1 mms-1 until 60 % of the compression of the sample is reached. The maximum force of the first compression of the force-time curve (hardness) was calculated as described in [4].

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1. Variación de la masa

3.1. Changes in mass

En la Figura 2, se muestran las variaciones de la masa para las muestras de salmón en las diferentes concentraciones de salmuera para los dos tratamientos, con calentamiento óhmico (C/OH) y sin calentamiento óhmico (S/OH). Al analizar los datos es posible verificar que para las concentraciones de NaCl 6%, 15% y 18%, se produce un aumento de la masa, observándose que medida que disminuye la concentración de NaCl mayores son las ganancias de peso.

Figure  2 shows changes in mass for salmon samples in different brine concentrations for two  treatments, with and without Ohmic Heating (OH). In analyzing data, it is possible to verify there is a mass increase for NaCl concentrations of 6%, 15% and 18%, observing that as NaCl concentrations decline, the higher the weight gains.

Al comparar los tratamientos para las concentraciones 6%, 15% y 18% es posible afirmar que existen diferencias significativas en cuanto a la variación de la masa (P<0,05). La solución de concentración 24% no mostró diferencias significativas a los diferentes tratamientos.

In comparing treatments for concentrations of 6%, 15% and 18%, it is possible to state there are significant differences in terms of changes in mass (P<0.05). The concentration solution of 24% did not show any significant differences from the different treatments.

3.2. Concentración de sal

3.2. Salt Concentration

En las Figuras 3 y 4, se muestran los resultados experimentales obtenidos para la ganancia de sal de las muestras de salmón. Cada gráfica compara los datos obtenidos para el proceso de salado tradicional (S/OH) y para aquel con calentamiento óhmico (C/OH). Analizando los datos, es posible verificar que el porcentaje de sal en las muestras aumentó de manera significativa con el incremento de la concentración de NaCl (P <0,05). [5] realizó un estudio similar para salmón atlántico y obtuvo resultados similares al comparar la ganancia de sal para concentraciones de salmuera de 15 y 25%.

Figures 3 and 4 show the experimental results for salt gain in salmon samples. Each graph compares the data collected for the traditional salting process (without  OH) and that with Ohmic Heating (with  OH). In analyzing data, it is possible to verify that the salt percentage in samples grew significantly due to the increase of NaCl concentration (P<0.05). [5] Conducted a similar study for Atlantic salmon and got similar results in comparing salt gain for brine concentrations of 15 and 25%.


Students’ research / 95

Figura 3. Porcentaje de sal v/s tiempo (concentración 6%).

Figure 3. Salt percentage against time (concentration of 6 %).

Figura 4. Porcentaje de sal v/s tiempo (concentración 24%).

Figure 4. Salt percentage against v/s time (concentration of 24 %).

Con respecto a los tiempos de tratamiento, es posible afirmar que estos se redujeron cuando se aplicó el calentamiento óhmico. Esto se debe posiblemente a la electroporación que produce la aplicación del campo eléctrico, [2] acopló un campo eléctrico a la deshidratación osmótica de frambuesas, logrando reducir el tiempo en un 50% en comparación al tratamiento convencional.

It is possible to assert that processing timing was reduced when Ohmic Heating was applied. This is probably due to electroporation, which produces the application of the electric field, [2] coupled an electric field to the osmotic dehydration of raspberries, successfully reducing time by 50% compared to conventional processing.

3.3 Textura

3.3 Texture

La Figura 5 muestra los resultados obtenidos de textura. Al analizar la gráfica es posible verificar que a medida que la concentración de NaCl es más alta, los valores de dureza aumentan. La explicación de este aumento en la dureza, se debe a que durante el proceso de salado ocurren cambios en las proteínas musculares, lo que genera a su vez cambios en la textura. A medida que aumenta la concentración de salmuera, mayor es el contenido de sal en las muestras al finalizar los tratamientos, lo que provoca una mayor desnaturalización de las proteínas [6].

Figure  5 shows the results for texture. In analyzing the graph, it is clear that the higher the NaCl concentration, the higher the hardness values. This hardness increase arises from the changes in muscle proteins that occur during the salting process, resulting in texture changes in turn. As the brine concentration grows, the higher the salt content in samples by the end of the processing, leading to higher protein denaturalization [6].


96 / Investigaciones de los alumnos

Table 2. Difference in color (ΔE) for the different treatments (t=24 h). ΔE

NaCl Concentration [%]

W/O OH

W OH

6

9.93 1.57

a

9.15 3.29 a

15

4.83 1.18 a

3.69 1.21 a

18

6.14 1.25 a

5.39 1.02 a

24

6.32 0.76 a

6.85 1.67 a

Values obtained as an average ± standard deviation for measurements performed in triplicate In this case, same letters within a row of the table indicate there are no significant differences between both treatments.

3.4 Color

3.4 Color

En la Tabla 2 se encuentran los resultados de las diferencias de color para las muestras tratadas durante 24 horas. Los resultados muestran que al comparar los distintos tratamientos con sus respectivas concentraciones, el valor de ∆E fue menor en los tratamientos donde se aplicó calentamiento óhmico. Solo para la concentración de 24% con C/OH el valor de ∆E fue mayor. A pesar de esto, el análisis estadístico muestra que no existen diferencias significativas entre los tratamientos (p> 0,05).

Table  2 shows the results of the differences in color for the samples processed for 24 hours. The results show that, in comparing the different processing treatments with their respective concentrations, the ∆E value was lower in those treatments where Ohmic Heating was applied. The only concentration where the ∆E value was higher was the concentration of 24% with  OH. Regardless, statistical analysis shows there are no significant differences between the treatments (p> 0.05).

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

La aplicación del calentamiento óhmico reduce significativamente el tiempo de salado en un 67 y 83%, logrando aumentar la concentración de sal en las muestras finales en aproximadamente un 15 y 55% para las concentraciones de NaCl al 6 y 24%, respectivamente.

The application of Ohmic Heating significantly reduces salting time by 67 and 83%, leading to an increase of salt concentration in final samples of around 15% and 55% for NaCl concentrations of 6% and 24% respectively.

Con respecto a la variación de la masa en las muestras, la aplicación del campo eléctrico tuvo un efecto significativo, causando un aumento de hasta un 40% para la concentración de NaCl al 18%. En cambio para la concentración de 24%, se registró una disminución de la masa sin presentar efectos significativos cuando se comparó con el tratamiento convencional. Respecto a los parámetros de calidad, color y textura, es posible afirmar que no se obtuvieron diferencias de color entre los tratamientos, mientras que la dureza de las muestras aumentó para las concentraciones

The application of the electric field had a significant effect on the variation of the mass in the samples, leading to an increase of up to 40% for the NaCl concentration of 18%. On the other hand, a mass decrease was reported for the concentration of 24%, showing no significant effects when compared to the conventional treatment. We can also say that no significant color differences between both treatments were found in terms of quality, color and texture parameters, while the hardness of samples increased by 70% and 50% for concentrations of 15% and 24% respectively,

Figura 5. Valores de dureza para los distintos tratamientos.

Figure 5. Hardness values for different treatments.


Students’ research / 97

15 y 24% en un 70 y 50% respectivamente, cuando se les compara con el tratamiento S/OH.

when compared to a treatment without OH.

AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGMENTS

Los autores agradecen a CONICYT por el financiamiento otorgado a través del proyecto FONDECYT N°1151380.

We, the authors, thank CONICYT for the funding granted through project FONDECYT No. 1151380.

Glosario

GLOSSARY

CALENTAMIENTO ÓHMICO: proceso térmico en el cual el calor es generado internamente en el alimento, el cual actúa como resistencia al paso de corriente eléctrica alterna (CA). ELECTROPORACIÓN: aumento significativo de la conductividad eléctrica y la permeabilidad de la membrana plasmática celular mediante un campo eléctrico aplicado externamente

OHMIC HEATING: heating process whereby food is internally heated, which acts a resistor to the passage of the electric Alternating Current (AC). ELECTROPORATION: significant increase in electric conductivity and the permeability of the cell plasma membrane caused by an externally applied electric field.

Principio científico

Scientific principle

El proceso de calentamiento óhmico utilizado corresponde a la aplicación de un campo eléctrico moderado, el cual, produce perforaciones de las membranas celulares que componen el salmón, este fenómeno se conoce como electroporación y permite que la salmuera penetre de formar más rápida hacia el interior de la célula, permitiendo que los tiempos de salado sea más menores en comparación con el proceso de salado tradicional.

The Ohmic Heating process that was used involves the application of a moderate electric field, which punches holes in the cell membrane of salmon. This phenomenon is known as electroporation and allows brine to penetrate more quickly into the cell, reducing salting times even further in comparison with the traditional salting process.

REFERENCES 1. Food and Agriculture Organization of the United Nations. (2013). Cultured Aquatic Species Information Programme Salmo salar. Revised September 25, 2015, http://www.fao.org/fishery/culturedspecies/Salmo_salar/en 2. Simpson, R., Carevic, E., Grancelli, R., Moreno, J. (2007). Ohmic Heating Behavior of Foods. 3. Barbosa-Cánovas V. G. (2006). Pulsed electric fields processing of foods 4. Bourne, M. C. (1978). Texture profile analysis. Food Technology, 32, 62–66, p. 72. 5. Gallart-Jornet, L., Barat, J.M., Rustad, T., Erikson, U., Escriche, I., Fito, P., (2007). Influence of brine concentration on Atlantic salmon fillet salting. Journal of Food Engineering 80 (1), 267–275. 6. Barat, J. M., Rodríguez-Barona, S., Andrés, A., & Fito, P. (2002). Influence of increasing brine concentration in the cod salting process. Journal of Food Science, 65(7), 1922–1925. EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Gabriel Cavada

Nicolás Quiroz

Ricardo Simpson


98 / Investigaciones de los alumnos

Metodología para el diseño óptimo de contratos sistema producto-servicio Methodology for the optimal design of product-service system contracts

Matías Siña1, alumno de 6to año Rodrigo Pascual1, profesor titular

Matías Siña1, 6th year student Rodrigo Pascual1, full professor

Departamento de Ingeniería de Minería, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile *Autor de correspondencia: rpascual@ing.puc.cl

1

1

Department of Mining Engineering, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile *Corresponding author: rpascual@ing.puc.cl


Students’ research / 99

RESUMEN

ABSTRACT

Se presenta una metodología original para el diseño óptimo de contratos Sistema Producto-Servicio (SPS) basados en el uso del producto. La metodología se centra en la coordinación de la cadena y en la confiabilidad del producto. En un contrato SPS, en vez de pagar por el producto, el cliente paga al proveedor una tarifa por un servicio que contempla su uso. Por ello, un contrato SPS requiere que los intereses del cliente y del proveedor se encuentren alineados a modo de garantizar una mejora para ambos. Para esto se debe asegurar una cooperación mutua a través de una coordinación efectiva en la cadena. Este trabajo presenta una contribución a la literatura existente al entregar una herramienta cuantitativa para el desarrollo de contratos SPS que puede ser extendida a otros indicadores de desempeño como la disponibilidad y la confiabilidad. La coordinación de la cadena se logra al igualar el costo normalizado del cliente con el margen normalizado del proveedor. Se ilustra la metodología con el caso de estudio de los neumáticos utilizados por los camiones mineros. Los resultados muestran una mejora significativa en el margen de la cadena y una reducción en el impacto ambiental del negocio.

An original methodology is presented for an optimal contract design of Product-Service System (PSS) based on the use of the product. The methodology is centered in the coordination of the business chain and the reliability of the product. In a PSS contract, instead of paying for the product, the client pays a rate to the supplier for a use service. For this reason, a PSS contract requires the client’s and the supplier’s interests are aligned to guarantee an improvement for both. For this to be accomplished, mutual cooperation through an effective coordination in the chain is due to assure. This work presents a contribution to existing literature when giving a quantitative tool for the PSS contract development that can be extended to other performance indicators like availability and reliability. The coordination of the chain is obtained when equaling the standard cost of the client with the standard margin of the supplier. The methodology for the case study about the tires used by mining trucks is illustrated. The results show a significant improvement in the margin of the chain and a reduction of the business environmental impact.

Palabras clave: sistema producto-servicio, gestión de activos físicos, confiabilidad de componentes, coordinación de sistemas.

Key words: product-service system, physical assets managment, components reliability, systems coordination.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

Los usos de la sal por parte de los humanos se remonta a Un contrato del tipo Sistema Producto-Servicio (SPS) es un acuerdo entre un cliente y un proveedor en el cual existe una transición desde la estrategia de negocio tradicional orientada al producto a una orientada al servicio [1]. Esto significa que el cliente paga al proveedor por la actividad, utilidad o desempeño asociada al uso del producto y no por el producto propiamente tal. La importancia de los SPS es que crean valor para la cadena, son una mejor respuesta a las necesidades del cliente y aumentan la sustentabilidad del negocio [2]. Un contrato SPS puede basarse en el producto, en su uso o en su desempeño. En los primeros el cliente adquiere un producto de la forma tradicional pero se incorpora la venta de servicios adicionales como el de mantenimiento o capacitación. En los segundos el cliente paga por el uso o la disponibilidad del producto. Finalmente en los terceros el cliente paga por el desempeño o capacidad del producto. La decisión de cuál tipo de SPS escoger depende de las características específicas del negocio y el producto [3].

A contract type of Product-Service System is an agreement between a client and a supplier in which there is a transition from the strategy of traditional business oriented to the product to one oriented to service [1]. This means that the client pays to the supplier for the activity, utility or performance associated to the use of the product and not for the product as such. In such way they create value for the chain, they better meet the needs of the client and increase business viability [2]. A PSS contract can be based either on the product, or its use or its performance. In the first situation, the client acquires a product in the traditional way except for the sale of additional services like maintenance or training. In the second case, the client pays for the use or availability of the product. Finally, in the third case, the client pays for the performance or capacity of the product. The decision on which type of PSS to choose depends on the specific features of the business and the product itself [3].


100 / Investigaciones de los alumnos

El concepto de SPS es relativamente nuevo y fue desarrollado como una respuesta a la creciente competitividad que enfrentan las industrias y necesidades de los clientes en un mundo globalizado. Es además una manera en la que los proveedores pueden aumentar su competitividad y defenderse ante la volatilidad de los mercados [4]. Un contrato SPS puede alinear intereses dentro de la cadena y crear una mejora económica tanto para el cliente como para el proveedor. En el caso del cliente esto se debe a que un SPS satisface de mejor manera sus necesidades asociadas al uso del producto y le permite enfocarse en su negocio principal. Para el proveedor el SPS crea valor al otorgarle una ventaja competitiva difícil de imitar por la competencia y al permitirle aumentar sus ganancias mediante la venta de servicios adicionales al producto [2]. De forma adicional existe el consenso de que un contrato SPS puede generar beneficios para el medioambiente al incentivar un modelo de negocio más responsable [3]. Para desarrollar una relación SPS el cliente y el proveedor deben superar en conjunto varias dificultades. Dentro de las principales se encuentran; i) la necesidad de una confianza mutua entre el cliente y el proveedor, ii) la falta de interés por parte del cliente de ceder la propiedad del producto y iii) la preocupación del proveedor ante una nueva política de precios [5]. Es por esto que es necesario que el cliente y el proveedor realicen una transición en su estructura organizacional para poder efectivamente superar las dificultades mencionadas. Esta transición es compleja y requiere de una relación de cooperación mutua por parte del cliente y el proveedor para ser realizada de forma efectiva [6]. En este contexto la coordinación de la cadena es una solución atractiva para lograr alinear los intereses del cliente con los del proveedor. Debido a la actual necesidad por desarrollar herramientas más rigurosas para el diseño de contratos SPS, se propone una metodología estructurada basada en la confiabilidad del producto y en la compartición del riesgo de su falla anticipada entre el cliente y el proveedor. Esta metodología puede ser implementada fácilmente en distintos escenarios operativos, lo que conlleva a soluciones óptimas según los requerimientos particulares del cliente. El contrato SPS desarrollado corresponde a la categoría basada en el uso, al consistir en el pago de una tarifa en función del tiempo que el producto es utilizado. En este tipo de contratos, el proveedor mantiene la propiedad del producto y es el responsable por su desempeño, mientras que el cliente tiene acceso ilimitado e individual a este [3]. El uso de la coordinación dentro de la cadena en el trabajo responde a la necesidad de superar las barreras que existen para desarrollar un SPS. Esto se logra al igualar el costo del cliente con el margen del proveedor, ambos normalizados. El uso de la confiabilidad del producto en el diseño del contrato permite extender la metodología a otras categorías de contratos SPS como a los basados en el desempeño del producto.

PSS concept is rather new and was developed as a response to the increasing competitiveness industries are facing and the clients’ needs in a globalized world. Furthermore, it is way for suppliers to increase their competitiveness and protect themselves against markets volatility [4]. A PSS contract can align interests within the chain and also create an economic improvement for the client and the supplier. In the case of the client this is because PSS best meets the needs associated to the use of the product. This allows the client to focus on the main parts of the business. For the supplier, the PSS creates value when granting a competitive advantage that is difficult to imitate by competition and when increasing its profits by means of additional services to the product [2]. In addition, there is consensus on the fact that a PSS contract can generate benefits to the environment when stimulating a more responsible business model [3]. In order to develop a PSS relationship with the client and the supplier they must overcome several difficulties altogether. Within the main ones are; i) the necessity of mutual trust between the client and the supplier, ii) the lack of interest on the part of the client to transfer product property and iii) the supplier concern before a new price policy [5]. Therefore, it is necessary that the client and the supplier realize a transition in their organizational structure to be really able to overcome the mentioned difficulties. This transition is complex and requires a relationship of mutual cooperation on the part of both the client and the supplier [6]. In this context, the coordination of the chain is an attractive solution to align the interests of the client with those of the supplier. Due to the current necessity to develop more rigorous tools for PSS contracts design, a structured methodology is set out and based on product reliability and the risk sharing of anticipated fault between the client and the supplier. This methodology can be easily implemented in different operative scenes, which entails optimal solutions according to the client’s particular requirements. Developed PSS contract corresponds to a category based on use, when consisting of the payment of a rate according to the time the product is used. In this type of contracts, the supplier maintains the product property and is the person in charge of its performance, whereas the client has limitless and individual access to it [3]. Coordination within the work chain responds to the need to overcome the existing barriers for developing a PSS. This is attained when equaling the cost of the client with the margin of the supplier, both standardized. The use of product reliability in the design of the contract allows to extend the methodology to other PSS contract categories as those based on product performance.


Students’ research / 101

2. FORMULACIÓN DEL MODELO

2. FORMULATION OF THE MODEL

Se desarrolló la metodología para el diseño de un contrato SPS para el caso de un producto no reparable. Este tipo de producto es aquel que recibe reparaciones mínimas y cuya vida esperada se encuentra fuertemente relacionada al perfil operativo al cual el cliente lo expone. El contrato se basa en el tiempo que el producto es efectivamente utilizado, en la compartición del riesgo de que este falle de forma anticipada y en la coordinación de la cadena. Por lo tanto, el objetivo es el diseño de un contrato que mejore de igual forma tanto la situación base del cliente, como la del proveedor.

The methodology for the design of a PSS contract for the case of a non-repairable product was developed. This product type is that one undergoing minimum repairs and whose lifespan is strongly related to the operative profile the client exposes it to. The contract is based on the time that the product is effectively used, on the sharing of the risk for it to fail in advance and on the coordination of the chain. Therefore, the aim is the design of a contract that improves likewise, both the basis client’s situation and the supplier’s.

El modelo asume que la confiabilidad del producto depende de un costo de mantenimiento indirecto (cm) relacionado con las condiciones operativas en las cuales será utilizado. Este costo es pagado de forma exclusiva por el cliente.

The model assumes that the product reliability depends on an indirect maintenance cost (cm) related to the operative conditions under which it will be used. This cost is exclusively paid by the client.

2.1 Caso base:

2.1 Basis Case:

El caso base es importante en el desarrollo del modelo puesto que entrega el punto de comparación para los resultados obtenidos con el contrato SPS. Se consideró como caso base el escenario en que el cliente compra el producto no reparable al proveedor a un precio de lista C0 previamente acordado entre ambos. La vida esperada del producto bajo este escenario son te unidades de tiempo, mientras que el costo para el proveedor de fabricar una unidad es CF. El costo esperado del cliente (cb) y el margen esperado del proveedor (πb) por unidades de tiempo en consecuencia es:

The basis case is important for the development of the model since it states the point of comparison for the results obtained with the PSS contract. The following situation was considered, where the client buys the non-repairable product to the supplier at a list price previously decided between both. The expected lifespan of the product under this scene is te time units, while the cost for the supplier of manufacturing a unit is CF. Consequently, the expected client cost (cb) and the supplier margin (πb) per time units is:

[1]

[2]

El contrato SPS debe lograr que el costo del cliente y del proveedor por unidad de tiempo sean mejores a los obtenidos en el caso base.

PSS Contract must achieve that the client’s and the supplier’s cost by time unit is better than the obtained in the basis case.

2.2 Contrato SPS:

2.2 PSS Contract:

El contrato SPS a desarrollar se basa en el supuesto de que la confiabilidad del producto, en función de su edad operativa acumulada, puede ser modelada mediante una distribución Weibull de dos parámetros.

Contract PSS to be developed is based on the premise that the product reliability, according to its accumulated operative age, can be modeled by means of a Weibull distribution with two parameters.


102 / Investigaciones de los alumnos

La mejora que el contrato SPS otorga al cliente (𝛾c) y al proveedor (𝛾p) con respecto al caso base es calculada de la siguiente manera:

[3]

The improvement given to the client (𝛾c) and the supplier (𝛾p) by the PSS contract with respect to the basis case is calculated as follows:

[4]

[5]

El cliente y el proveedor buscan desarrollar un contrato basado en el uso que el primero otorga al producto. Las características que el contrato debe cumplir se detallan a continuación:

The client and the supplier search for developing a contract based on the use granted by the client to the product. The characteristics the contract must fulfill are detailed next:

1. El cliente debe pagar una tarifa por el uso del producto base de

1. The client must pay a rate by the use of the basis product

2. Si el producto falla antes de las te unidades de tiempo el cliente debe pagar un costo de prorrateo de

2. If the product fails before te the time units, the client must pay a pro rata cost of

3. Se debe establecer en conjunto un descuento sobre la tarifa base de α si el producto supera las te unidades de tiempo operativo

3. A discount must be jointly established on the basis rate α, should the product surpasses te the units of operative time

4. Se debe acordar en conjunto el costo de mantenimiento indirecto adicional cm que el cliente pagará durante el contrato

4. The additional indirect maintenance cost cm the client will pay during the contract validity is to be jointly decided.

El objetivo es encontrar el descuento sobre la tarifa base y el costo de mantenimiento indirecto a modo de mejorar de igual manera el costo del cliente y el margen del proveedor por unidades de tiempo. El contrato óptimo debe ser al menos igual que los resultados obtenidos en el caso base.

The aim is to find the discount on the basis rate and the indirect maintenance cost, so as to improve equally the cost of the client and the margin of the supplier by time units. The optimal contract must at least be just like the results obtained in the basis case.

Se escogió la tarifa base a pagar como un punto de partida intuitivo al ser el costo por unidad de tiempo en el escenario base. Esta tarifa permite que el cliente y el proveedor negocien desde un punto de partida libre de riesgo para ambos. También facilita el acuerdo del contrato al reducir el número de variables involucradas en la negociación. Para obtener la configuración óptima del

The basis rate to be paid was chosen as an intuitive starting point for the cost by time unit is in the basis scene. This rate allows the client and the supplier to negotiate from a free risky starting point for both. It also facilitates the agreement in the contract by reducing the number of variables involved in the negotiation. In order to obtain the optimal contract configuration, the first step consists on


Students’ research / 103

Figura 1. Estructura tarifaria en el contrato SPS.

Figure 1. Rate structure in PSS contract.

contrato, el primer paso consiste en definir la estructura de la tarifa a pagar en función del tiempo que el producto es utilizado por el cliente:

defining the rate structure to be paid based on the time the product is used by the client:

[6]

[6]

La utilidad de ver gráficamente la estructura tarifaria propuesta (Figura 1) es que se observa que el costo por unidad de tiempo esperado que debe pagar el cliente al proveedor por producto tiene un valor constante de C0 hasta el instante te . Esto facilita de forma significativa el cálculo del valor esperado del costo del cliente y el margen del proveedor, como se mostrará a continuación al incorporar la función de confiabilidad del producto:

The fact of graphically see the rate structure (Figure 1) is useful for observing that the cost of the expected time unit to be paid to the supplier per product has a C0 constant value up to the moment te. This significantly facilitates the calculation of the expected value of the client’s cost and the supplier’s margin, as it will be shown next by incorporating the product reliability function:


104 / Investigaciones de los alumnos

El costo esperado del cliente y el margen esperado del proveedor se obtienen incorporando el costo de mantenimiento indirecto y el costo de fabricación del producto respectivamente:

The expected client’s cost and the supplier’s margin are obtained by incorporating the indirect maintenance cost and the product manufacture cost:

Se obtienen soluciones cerradas para ambas ecuaciones al utilizar las siguientes fórmulas que relacionan la función de confiabilidad (R), la función de densidad para la probabilidad de falla (f), la función acumulada para la probabilidad de falla (F) , la vida esperada ( )y el tiempo medio de intervención( ) a:

Closed solutions for both equations are obtained when using the following formulas that relate the reliability function (R), the density function for fault probability (f), the accumulated function for fault probability (F), the the average time of intervention expected lifespan and ( ):


Students’ research / 105

Con estas ecuaciones se obtiene el costo esperado para el cliente y el margen esperado para el proveedor con el contrato SPS por unidad de producto:

With these equations the expected cost for the client and the expected margin for the supplier with the PSS contract are obtained by product unit:

Finalmente, al dividir ambas ecuaciones por la vida esperada del producto, se obtiene el costo esperado del cliente y el margen del proveedor en unidades monetarias por unidades de tiempo de uso efectivo:

Finally, when dividing both equations by the expected lifespan of the product, the expected cost for the client and the margin for the supplier are obtained in monetary units by time units of effective use:

Se aprecia que estas ecuaciones dependen del descuento sobre la tarifa base por el uso del producto y del costo de mantenimiento que pagará el cliente durante el contrato. Por lo tanto, es posible demostrar gráficamente que las superficies obtenidas utilizando las ecuaciones (4) y (5) se intersectan, junto con que existe una configuración óptima del contrato SPS en la que la mejora para el cliente y el proveedor es máxima e idéntica.

As observed, these equations depend on the discount on the basis rate for the use of the product and the maintenance cost the client will pay during the contract. Therefore, it is possible to graphically demonstrate that the obtained surfaces using the equations (4) and (5) intersect each other, along with the fact that there is an optimal configuration of the PSS contract in which the improvement for the client and the supplier is the peak and identical.

2.3 Caso de estudio:

2.3 Case study:

Se seleccionó como caso de estudio para ilustrar la metodología desarrollada los neumáticos utilizados por los camiones en una operación minera a cielo abierto. Se escogieron debido a que son uno de los insumos consumibles que representan una mayor parte del costo operacional de una mina, además porque al ser de uso intensivo tienen un considerable impacto ambiental.

A case study was selected to illustrate the methodology used for the tires of the trucks in an open pit mining operation. They were chosen because they are one of the consumable supplies representing a significant part of the operational cost of a mining company, and additionally they have a relevant environmental impact due to intensive use.

La vida esperada de los neumáticos se encuentra relacionada con la calidad de los caminos que transitan los camiones [7]. Esto permite modelar la confiabilidad de los

The expected lifespan of the tires is related to the conditions of the roads they are driven on [7]. This allows to shape tires reliability based on the maintenance cost paid by the


106 / Investigaciones de los alumnos

Figura 2. Tamaño referencial de los neumáticos utilizados en minería.

Figure 2. Referential size of the tires used in open pit mining trucks.

neumáticos en función del costo de mantenimiento que paga la mina por preservar los caminos libres de obstáculos y en buenas condiciones:

mining company to keep the roads free from obstacles and in good conditions:

Figura 3. Vida característica en función de cm.

Figure 3. Characteristic based on cm.


Students’ research / 107

Figura 4. Confiabilidad de los neumáticos en función de cm y el tiempo.

Figure 4. Reliability of the tires based on cm and time.

Los valores que se utilizaron para comparar el contrato base con el SPS y para modelar la confiabilidad de los neumáticos se detallan a continuación:

The values used to compare the basis contract to the PSS and to shape tires reliability are detailed below:

Table 1. Value of the parameters used


108 / Investigaciones de los alumnos

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

Se utilizaron las ecuaciones [4] y [5] junto a los parámetros de la Tabla 1 a modo de obtener la mejora del cliente y del proveedor en función del descuento sobre la tarifa base y el costo de mantenimiento de los caminos:

The equations [4] and [5] were used in line with the parameters of Table 1, so the client and supplier improvement based on the discount over the basis rate and the maintenance cost of the roads is obtained:

Figura 5. Mejora del cliente y del proveedor con contrato SPS.

Figure 5. Client and supplier Improvement with PSS contract.

Se aprecia que existen combinaciones entre el descuento sobre la tarifa base y el costo de mantenimiento de los caminos en los cuales el cliente y el proveedor experimentan una mejora idéntica. El análisis de la curva de intersección de ambas superficies se detalla a continuación:

There are some combinations between the discount over basis rate and maintenance cost of the roads, in which the client and the supplier experience an identical improvement. The analysis of the intersection curve of both surfaces is detailed next:

Figura 6. Curva de mejora idéntica con contrato SPS, vista eje cm. Figure 6. Identical improvement curve with PSS contract, view of axis cm.


Students’ research / 109

Figura 7. Curva de mejora idéntica con contrato SPS, vista eje α. Figure 7. Identical improvement curve with PSS contract, view of axis α.

Los resultados demuestran que existe una configuración óptima del contrato SPS en la cual la mejora del cliente y del proveedor es idéntica y máxima. Es de importancia destacar que en esta configuración el costo de mantenimiento indirecto que paga el cliente es superior al caso base. De este modo, el aumento que conlleva el mayor cuidado de los caminos logra aumentar la vida esperada de los neumáticos en un 84%. Esto demuestra que efectivamente es posible con un contrato SPS mejorar económicamente la situación base del cliente y del proveedor y además reducir el impacto medioambiental del negocio de forma significativa.

The results demonstrate that an optimal PSS contract configuration in which the client improvement and the supplier improvement are identical and peak. It is relevant to emphasize that in this configuration, the indirect maintenance cost paid by the client is higher than the basis case. Thus, the increase entailing a greater maintenance of the roads comes to increase the expected lifespan of the tires in 84%. It proves that it is really possible to economically improve the basis situation of the client and the supplier by having a PSS contract and, additionally, it significantly reduces the business environmental impact.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

El trabajo desarrollado propone una metodología estructurada para el diseño de un contrato SPS basado en la confiabilidad del producto y en la coordinación de la cadena. La confiabilidad del producto, al depender del perfil operacional que el cliente le otorga a este, es un potencial impedimento en el acuerdo de un contrato SPS basado en su uso. La forma en la cual se superó esto fue mediante la restricción de que la mejora del cliente y del proveedor sea idéntica en comparación al contrato base. De esta manera, ambas partes logran llegar a un acuerdo sobre el nivel de mantenimiento que el cliente pagará durante el contrato y el descuento sobre la tarifa por el uso del producto al cual podrá optar una vez que se supere la vida esperada del caso base.

The developed work proposes a structured methodology for the design of a PSS contract based on the product reliability and the coordination of the chain, when depending on the operational profile granted by the client, is a potential impediment in the agreement for a PSS contract based on its use. The way this situation was overcome was stating the restriction that the improvement of the client and the supplier be identical in comparison to the basis contract. This way, both parts manage to reach an agreement on the maintenance level the client will pay for during the contract and the discount over the rate by the product use which will be able to chosen once the expected lifespan of the basis case is surpassed.

La metodología propuesta puede ser utilizada de forma efectiva para desarrollar contratos SPS basados en el uso de un producto consumible sujeto a reparaciones de carácter mínimo. Debido a que el contrato se basa en la confiabilidad del producto y en que la mejora del contrato sea equitativa, puede ser extendida a otros tipos

The proposed methodology can be used effectively to develop PSS contracts based on the use of a consumable product subject to minimum repairs. Because the contract is based on the reliability of the product and on the fact that the improvement of the contract is equitable, it can also be extended to other types of contracts and repairable products, too. This can be obtained through changes in


110 / Investigaciones de los alumnos

de contratos y también a productos reparables. La forma en la cual se puede lograr esto es a través de cambios en la estructura de la tarifa a pagar y en la incorporación de un intervalo óptimo entre el cual realizar mantenciones preventivas. De igual forma, se puede incorporar en el diseño del contrato que el mantenimiento sea imperfecto y que exista un horizonte finito de evaluación. La contribución de este trabajo a la literatura sobre los SPS es entregar una herramienta cuantitativa para su diseño capaz de mostrar la magnitud de los beneficios de este tipo de contratos. A pesar de esto aún existe la necesidad de probar que este tipo de contratos efectivamente pueden reducir las incertidumbres del mercado a las cuales se enfrenta el cliente y el proveedor. Se puede lograr esto mediante el uso de las opciones reales al ser una metodología que logra cuantificar de forma efectiva el beneficio que entrega la flexibilidad. De esta manera, se pueden desarrollar contratos SPS que logren garantizar una mejora equitativa para la cadena ante distintos escenarios de negocios basados en la confiabilidad del producto, la coordinación de la cadena y la flexibilidad a responder de forma efectiva a cambios en los parámetros utilizados para su diseño.

the rate structure and in the incorporation of an optimal interval for preventive maintenance. Equally, it is possible to include in the contract design that the maintenance be imperfect and that there be an evaluation finite horizon. The contribution of this work on the PSS to literature is to provide a quantitative tool for its design that is able to show the magnitude of the benefits of this type of contract. In spite of this, it is still necessary to prove this type of contract can really reduce market uncertainties which the client and the supplier tackle with. This can be achieved by using the real options as it is a methodology to quantify the benefit provided by flexibility. In this way, PSS contracts are able to guarantee an equitable improvement for the chain when facing different business scenes based on the reliability of the product, the coordination of the chain and the flexibility to respond effectively to changes in the parameters used for its design.

AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGEMENTS

Se agradece a Milton Roman y a Gabriel Santelices por su ayuda en la formulación de la metodología y la redacción del trabajo.

Thanks to Milton Roman and Gabriel Santelices for their assistance in the formulation of the work methodology and writing process.

Glosario PRORRATEO: acción de dividir un pago en función de otro valor que por lo general se encuentra en unidades de tiempo.

GLOSSARY

PRO RATA: action to divide a payment based on another value that generally is in time units.


Students’ research / 111

REFERENCES 1. VASANTHA, G.V.A.; [et al]. “A review of product-service systems design methodologies”, Journal of Engineering Design.2011, Vol. 23, N°. 9, P. 635-659. 2.BAINES, T.;[et al]. “State-of-the-art in product-service systems”. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2007, Vol.. 221, N°. 10, P. 1543-1552. 3. TUKKER, A. “Eight types of product-service system: Eight ways to sustainability? Experiences from SusProNet”. Business Strategy and the Environment. 2004, Vol. 13, N°. 4, P. 246-260. 4. MARQUES, P.; [et al.]. “A methodology for product-service systems development”. Procedia CIRP. 2007, vol. 7, N°. 1, P. 371-376. 5. COOK, M.; [et al.]. “The transfer and application of Product Service Systems: from academy to UK manufacturing firms”. Journal of cleaner Production. 2006, vol. 14, N°. 17, P. 1455-1465. 6. OLIVA, R; KALLENBERG, R. “Managing the transition from products to services”. International Journal of Service Industry Management. 2003, vol. 14, N°. 2, P. 160-172. 7. CATERPILLAR GLOBAL MINING. “The last mile from every tire: how haul road maintenance can extend tire life”. Viewpoint. Best Practices [on line]. 2007, N°. 1 [ref. 29 of July of 2016]. Available at: http://viewpointmining.com/article/thelast-mile-from-every-tire

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Matías Siña

Rodrigo Pascual


112 / Investigaciones de los alumnos

Diseño y construcción de prototipo STRATOS

Small Tracking Research Automatic Telemetry Oriented System

Design and construction of STRATOS prototype

Small Tracking Research Automatic Telemetry-Oriented System

Cristián Vial1, alumno de 6to año Cristián Chávez1, profesor asistente adjunto Diego Celentano1, profesor titular

Cristián Vial1, 6th year student Cristián Chávez1, adjunct instructor professor Diego Celentano1, full professor

Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile *Autor de correspondencia: chavez@ing.puc.cl

1

1

Department of Mechanical and Metallurgical Engineering, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile *Corresponding author: chavez@ing.puc.cl


Students’ research / 113

RESUMEN

ABSTRACT

El presente artículo describe la validación del diseño, construcción y resultados del primer prototipo de nanosatélite con fines docentes de la Escuela de Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Chile, con el objetivo de generar interés y de acercar la ingeniería aeroespacial como materia de estudio y desarrollo en la Escuela. Para lograr este objetivo se usaron métodos de simulación y diseño, y se trabajó con materiales y herramientas que permitieron solucionar los desafíos propios encontrados en aplicaciones del área. Proyectos de esta envergadura y características suelen presentar un desafío multidisciplinario que muchas veces se considera una realidad alejada de las capacidades de desarrollo a nivel nacional. Sin embargo, en este artículo se pretende demostrar que el estudio de las ciencias aeroespaciales no es una realidad distante respecto al desarrollo de la Escuela, pudiendo ser un importante aporte tanto por sus aplicaciones docentes como por las de innovación en la industria, lo que se extiende a potenciales implicancias relevantes a nivel país.

This article describes the validation of the design, construction and result of the first nanosatellite prototype with educational purposes by the Engineering School of the Pontifical Catholic University of Chile, to create interest and approach aerospace engineering as a matter of study and development in the School. In order to reach this goal, simulation and design methods were considered and the work was done by using materials and tools which allowed to solve inherent challenges found in the applications. Projects of this size and features usually represent a multidisciplinary challenge that is often considered a reality away from nationwide development capacities. Nevertheless, this article is intended to demonstrate that the study of aerospace sciences is not a distant reality with respect to the School development, possibly turning into an important contribution, either by its educational or industrial innovative applications, which may also be extended to country-wide potential and to relevant implications.

Palabras clave: diseño, construcción, nano-satélite, simulación, ingeniería aeroespacial.

Key words: design, construction, simulation, aerospace engineering.

nano-satellite,

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

En los últimos años ha habido un creciente interés por parte de universidades y privados de desarrollar proyectos en Ingeniería Aeroespacial. Aunque esta es un área que históricamente no ha sido muy fomentada en Chile, ya existen algunas instituciones de educación superior que han hecho importantes avances en esta materia (Suchai1 de la Universidad de Chile).

In the past years there has been a growing interest of the universities and private individuals to develop Aerospace Engineering projects. Although this is an area that historically has not been fostered in Chile, there are already some high-education institutions that have done some important developments on this matter (Suchai1 of the University of Chile).

La investigación que se detalla en este artículo busca ser una primera iteración en el desarrollo aplicado del área aeroespacial dentro de la Pontificia Universidad Católica de Chile (PUC), mediante el diseño y construcción de su primer prototipo satelital. Este prototipo servirá como base y motivación para futuros estudios y, de esta manera, aportar al desarrollo universitario de la Astronáutica chilena, no solo en materia de operación, sino también en diseño y manufactura.

The research detailed in this article searches for the first iteration in the applied development of aerospace field of the Pontifical Catholic University of Chile (PUC), through the design and construction of the first satellite prototype. This will serve as the basis and motivation for future studies, so contributing to university development of Chilean Astronautics, not only as regards to operation but also to design and manufacturing.

Para poder lograr lo anterior se trabajó en un diseño estandarizado internacional conocido como CUBESAT [1], el cual busca fomentar y reducir costos en misiones espaciales de nano-satélites, con la finalidad de lograr un prototipo con potencial uso en misiones reales. Estos nano-satélites (dentro

In order to achieve the aforementioned, an international standard design known as CUBESAT [1] was used, which looks for fostering and reducing nano-satellite emissions costs in space missions, to manufacture a prototype potentially usable in real missions. These nano-satellites

1 Satellite of the University of Chile for Aerospace Investigation (SUCHAI), es el primer Cubesat desarrollado en Chile por la Facultad de Física y Ciencias Matemáticas de la Universidad de Chile (FCFM), con fines académicos y científicos.


114 / Investigaciones de los alumnos

de los cuales está el programa CUBESAT) son satélites de masa entre 1 y 10 kg, comúnmente usados con fines docentes y, en este último tiempo, con fines comerciales y de defensa gracias a la miniaturización de la tecnología y a su menor costo, lo que permite un importante desarrollo de esta industria.

(among which CUBESAT program is included) are satellites of 1 to 10 kg, commonly used for educational purposes and lately for commercial and defense purposes, thanks to the miniaturization of technology and its lower cost, which makes an important development possible in this industry.

El objetivo particular de este prototipo es validar el diseño teórico de un Cubesat capaz de orientarse en dos ejes sistemas de control usados en satélites reales la capacidad de llevar sensores de análisis de la misión. Para esto se diseñó y se construyó el prototipo haciendo pruebas de baja altura para validar el diseño y evaluar las mejoras correspondientes. Se espera en un futuro cercano mejorar esta versión y ejecutar una misión suborbital simple de bajo costo.

This prototype particular aim is the validation of the theoretical design of a Cubesat control system able to orientate in two axis control systems used in real satellites with analysis sensors for the mission. The prototype was therefore designed and constructed by carrying out lowaltitude tests to validate the design and assess the respective improvements. In the near future it is expected to improve this version and execute a simple low-cost suborbital mission.

2. METODOLOGÍA

2. METHODOLOGY

La estandarización Cubesat bajo la cual se trabajó posee grandes ventajas para los proyectos espaciales, especialmente en lo que se refiere a la reducción de costos. Sin embargo, estos aún son muy altos para la finalidad y recursos de esta investigación (unos 300.000 dólares [2]). Es por lo anterior que se usaron componentes de aeromodelismo, sistemas de comunicación y sensores con base en el sistema de RASPBERRY PI.

Cubesat governing standardization presents great advantages for space projects, mainly those related to cost reduction. However, they are still very high for the purpose and resources of this research (about 300,000 dollars [2]). Therefore, aero-modelling components, communication systems and sensors are based on RASPBERRY PI system.

Para poder hacer un desglose de los componentes y los diseños usados se explicará cada subsistema desarrollado en las misiones espaciales reales, aplicadas a este prototipo.

For itemizing the components and designs used, every subsystem developed in real space missions applied to this prototype will be explained.

2.1 Carga útil (Payload)

2.1 Payload

Como PAYLOAD se usaron sensores que permitirían monitorear el estado del dispositivo y el entorno de la misión, los que se presentan en la Figura 1. Dentro de las características de estos componentes era esencial su tamaño reducido, bajo consumo de energía y uso a distancia.

Sensors for monitoring the device status and the mission environment were used as PAYLOAD, presented in Figure 1. Amongst its features, the miniature size, low energy consumption and remote control were essential.

Figura 1. Componentes del Payload.

Figure 1. Payload’s components.


Students’ research / 115

Figura 2. Grados de libertad.

Figure 2. Degrees of freedom.

2.2 Subsistema de control orbital y de orientación (AOCS)

2.2 Attitude and Orbital Control System (AOCS)

Para el sistema AOCS se usó el principio de las REACTION WHEELS (RW), en las que básicamente se hace un control de orientación del dispositivo mediante aceleraciones de volantes de inercia que producen una reacción de giro del cuerpo por conservación del momento angular. Se usaron dos RW para permitir el control de los movimientos de cabeceo o Pitch y de guiñada o Yaw, como lo muestra la Figura 2.

REACTION WHEELS’ (RW) principle was used for AOCS, where basically control over the device attitude is exerted through the acceleration of inertia flywheels, producing a pivoting reaction of the body by maintaining the angular momentum. Two RWs allowed the control of Pitch and Yaw, as shown in Figure 2.

Para lograr lo anterior se estudió un diseño que optimizara la inercia rotacional del volante y que permitiera el acople a los motores BLDC Turnigy L3010B-1300 de 420 W, los cuales entregan un torque máximo de 30,85 Nm, con un controlador ESC HobbyKing 30 A w/reverse que permite un giro en los dos sentidos y con la potencia adecuada.

For the aforementioned be possible, it was explored a design which could optimize the rotational inertia of the steering wheel and could allow the coupling to 420-VoltBLDC Turnigy L3010B-1300 engines that deliver a maximum torque of 30.85 Nm with a ESC HobbyKing 30 A w/reverse controller allowing a pivoting in both directions at a suitable power.

2.3 Subsistema de control de datos (CDHS)

2.3 Command and Data Handling Subsystem (CDHS)

El computador a bordo usado es un Raspberry Pi, el cual tiene a cargo la lectura de los sensores del payload y la comunicación inalámbrica con la estación en tierra a través de una antena Wi-Fi. En conjunto con el Rasperry se usó además un giróscopo MPU6050 con un Arduino Pro Mini, con la finalidad de implementar el control PID que mantuviera el dispositivo estable. Esto fue necesario porque el Raspberry no es capaz de hacer control en tiempo real debido a la demora en el análisis de los datos del giróscopo. El esquema de conexiones de todo el sistema se muestra en la Figura 3, en la cual se puede apreciar que el Raspberry tiene a cargo todo lo relacionado con la lectura de los sensores, cámara y comunicaciones, dejando al Arduino a cargo del control PID y actuación de los motores de acuerdo a las órdenes enviadas desde la estación en tierra y transmitidas por el Raspberry.

On-board computer used is a Raspberry PI, in charge of reading the payload sensors and the Wireless communication with the land-based station through a Wi-Fi antenna. Together with the Raspberry a MPU6050 gyroscope with an Arduino Pro Mini was used in order to implement PID control for keeping the device stable. This was necessary because the Raspberry cannot control in real time due to a delay to analyze the gyroscope data. The connections layout of the whole system is shown in Figure 3, where we can observe that the Raspberry is in charge of everything related to the sensors reading, the camera and the communications, leaving Arduino in charge of the PID control and the engines performance according to the commands sent from the land-based station and issued by the Raspberry.

2.4 Subsistema de Energía (EPS)

2.4 Electric Power Steering (EPS)

Para poder abastecer con energía el dispositivo, se usaron dos fuentes complementarias independientes. Como fuente primaria se usó un pack de baterías LiPo de 11,1 V y 1.800 mAh, armado en base a seis celdas de litio con capacidad de entregar hasta 27 A de forma continua. De

For supplying energy to the device, two independent complementary sources were used. The primary source was a battery pack type LiPo, 11.1 V and 1,800 mAh, which was assembled with six lithium cells with a capacity to deliver 27 A continuously. The secondary source was two solar-


116 / Investigaciones de los alumnos

Figura 3. Esquema CDHS y AOCS

Figure 3. CDHS and AOCS layouts.

manera complementaria se usaron dos arreglos de paneles solares de cuatro celdas cada una. En total 22 V y 8 W de potencia, alimentando un MPPT capaz de entregar hasta 4 A de carga a las baterías.

panel arrays of four cells each. A power of 22 V and 8 W in all was obtained, powering a MPPT able to deliver a charge up to 4 A to the batteries.

2.5 Estructura y mecanismos

2.5 Structure and mechanisms

Para mantener todos estos componentes unidos se armó la estructura mostrada en la Figura 4, formando un cubo de 10 cms de arista a partir de aluminio 7075-T6. Se usó un reticulado de manera de reducir al máximo el peso sin comprometer la integridad estructural del dispositivo.

To keep these components joined, the structure shown in Figure 4 was assembled, so forming a cube with a 10-cmarista from 7075-T6 aluminum. A grid was used so as to reduce the weight to the maximum without compromising the structural integrity of the device.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1 Diseño y construcción de las Reaction Wheels.

3.1 Design and construction of Reaction Wheels

El diseño base de las RW tiene como objetivo maximizar la

The basic design of theRWsis aimed to maximize inertia

Figura 4. Diseño de las caras de la estructura cúbica.

Figure 4. Layout of the cubic structure’s faces.


Students’ research / 117

inercia sin aumentar el peso de la misma. Para lograr esto se construyó un soporte de aluminio con un anillo de acero que estuviera lo más alejado del centro posible. De esta manera se logró un incremento en la inercia en contraste con una misma RW que fuera de un material homogéneo y con la misma masa final, como lo muestra la Tabla 1.

without increasing its weight. For attaining this, an aluminum support was built having a steel ring that was far away from the core as possible. This way an increase of inertia was attained in contrast to a very RW made of a homogeneous material keeping the same final mass, as shown in Table 1.

Para confirmar que los materiales para las RW eran óptimos, se hizo un estudio en base a elementos finitos en las peores condiciones, las que se fijaron en el cambio de giro a máximas RPM (14.430 rpm) y a máximo torque del motor (30,85 Nm). Los materiales usados fueron aluminio 2017 para el soporte, acero comercial o AISI1010 para el disco y pernos de titanio Ti-6Al-4V para la unión entre ambas. Los resultados del estudio se pueden observar en la Tabla 2.

To confirm that materials for the RWs were the optimal, a survey was carried out based on finite elements under the worst conditions, which were fixed in pivoting changes to the maximum angular velocity (14,430 rpm) and the engine’s maximum torque (30.85 Nmm). Materials used were 2017 aluminum for the support, commercial Steel or AISI1010 for the disk and titanium bolts Ti-6A1-4V for the join between both. The survey results can be seen in Table 2.

La construcción de las RW se llevó a cabo en el taller mecánico del Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica de la PUC. Las máquinas usadas fueron de tipo CNC, con las que se logró una precisión de ±0,02 mm, que corresponde al ajuste necesario para el motor, y así reducir las vibraciones.

The construction of the RWs took place in the Mechanical Workshop of the Department of Mechanical and Metallurgical Engineering at PUC. The machines used were CNC type, whose precision reached ±0.02 mm, which is the necessary adjustment for the engine to reduce vibrations.

3.2 Estructura cúbica

3.2 Cube structure

Para los cálculos de la estructura del cubo se analizaron los puntos más críticos a través de elementos finitos y en las condiciones más adversas, las cuales estaban dadas por los motores en las mismas condiciones usadas para las RW. El material para esta estructura fue una aleación de aluminio utilizado en la industria aeroespacial (Al 7075-T6) con un espesor de 0,81 mm. Los resultados de los análisis estructurales y de deformación se detallan en la Tabla 2.

For the cube structure calculations, the more critical points were analyzed via finite elements, under the most adverse conditions, which were given by the engines under the conditions used for the RWs. The material of this structure was an aluminum alloy used in the aerospace industry (Al 7075-T6) 0.81 mm thick. The structural and deformation analysis results are detailed in Table 2.

Una vez validado el diseño y los materiales para la estructura, se realizó el corte con láser en la empresa Metalmecánica Sinsay. En esta se obtuvieron las medidas y holguras necesarias para asegurar el mejor calce posible, lo que también permite evitar vibraciones y malformaciones.

Once the design and the materials for the structure were validated, the cut with laser was made at the Sinsay Metalworking Company. The measures and the necessary clearance were obtained to ensure the best possible shim which also avoids vibrations and deformations.

Table 1. RW Inertia momentums. Momentums of principal inertias (gr mm²) Homogeneous mass Lxx = 44,873.47 Lyy = 44,873.47 Lzz = 80,769.78 Distributed mass Lxx = 46,357.82 Lyy = 46,357.82 Lzz = 86,870.06


118 / Investigaciones de los alumnos

Table 2. Results summary of finite elements analysis. Components

Results Deformation Von-Misses (mm) (MPa)

Material’s Capacity¹

Reaction Wheel (AISI1010)

8.67 x10-2

50.99

28 %

RW Bolts (Ti-6Al-4V)²

N.A.

208.09

38 %

Structure (AL70705-T6)

4.2 x10

5.07

0.01 %

External tube (Carbon fiber)

0.24

5.6

0.02 %

External framework (AA2018-T61)

3.9 x10-2

20.59

0.07 %

-2

¹Percentages with respect to the limit of material yield. ²Resistance to cutting. Deformation not applicable in this case.

3.3 Estructura externa

3.3 External structure

Para la estructura externa se diseñó y estudió un sistema de soporte que permitiera el giro en los dos ejes y el acople de todos los elementos externos. Para esto se usaron varios componentes y materiales: desde aluminios y fibra de carbono, inclusive piezas impresas en 3D—algo nuevo en este tipo de aplicaciones—.

For the external structure, a supporting system was studied and designed, which would allow the turning in the two axles and the coupling of all the external elements. Various components and materials were used: from aluminums and carbon fiber, even 3D printed pieces—which constituted an original aspect in these sort of applications—.

Algunos de los estudios antes nombrados se pueden apreciar en las imágenes de la Figura 5. En estas es posible distinguir los distintos componentes y las zonas más afectadas (en rojo), de acuerdo a las condiciones de mayor exigencia dadas por los cambios de giro de las RW a máxima potencia y torque

Some of the surveys mentioned before can be seen in the images of Figure 5. It is possible to distinguish the different components and the most affected zones (in red), according to the more demanding conditions given by turn changes of the RWs at maximum power and torque.

CG

Figura 5. Ejemplos análisis estructurales y de deformación.

Figure 5. Example of structural and deformation analysis.


Students’ research / 119

Figura 6. Vista explotada del ensamblaje.

Figure 6. View of assembly by separate components.

Figura 7. Prototipo construido.

Figure 7. Assembled prototype.

3.4 Pruebas de funcionamiento

3.4 Running Tests

Concluida la etapa de fabricación de todas las piezas, se procedió con el ensamblaje del prototipo y con la prueba de sus componentes, como lo muestran la Figura 6 y 7. En particular, interesaba evaluar el consumo de los motores para determinar si estos cumplían con la potencia necesaria para hacer girar el prototipo.

Once the construction of all parts was concluded, the tests of the components and the assembly of the prototype were carried out, as shown in Figures 6 and 7, respectively. In particular, the interest was to evaluate the engines consumption in order to determine whether they reached the power necessary to make the prototype turn.

Los resultados de la primera prueba se muestran en la Figura 8. Esta demostró que los motores tenían su máximo consumo en el cambio de giro, llegando a 27,73 A con un solo motor. Esto supera el máximo de 27 A que puede entregar la batería en forma segura; lo que limita la potencia de los motores a la mitad de su capacidad máxima real. Pruebas posteriores demostraron que el efecto de la RW en la posición Yaw disminuye al aumentar la inclinación de Pitch. Esto se debe a que la RW de Yaw comienza a tomar la posición del tercer grado de libertad Roll, por tanto es necesario estar en posición neutral de Pitch para girar horizontalmente.

The results of the first stage are shown in Figure 8. It was proven that the engines reached top consumption when they changed turning, reaching up to 27.73 A with just one engine. It surpasses top 27 A being provided by the battery in a safe way, which limits the engines’ power to half their maximum real capacity. Former tests proved that RW effect at Yaw position decreases when increasing pitching, due to the fact that the Yaw’s RW starts taking the position of the third degree freedom of Roll, so it is necessary to stand in neutral Pitch position for turning horizontally.

A pesar de lo anterior, se comprobó que el dispositivo es capaz de operar sin problemas en los dos ejes y con todos sus sistemas funcionando. Esto demuestra un sobredimensionamiento en los motores usados. Además, el hecho de que el prototipo pudiera operar con menor potencia se debe principalmente a la ubicación de su centro de gravedad (CG), el que se diseñó para que estuviera lo más centrado posible, como se ve en la Figura 9.

Despite of the preceding situation, it was proved that the device is sable to operate without any problem in the two axles with all the systems running. This demonstrates an oversizing in the engines used. Besides that, the fact that the prototype could run with a lower potency is mainly due to the location of its center of gravity (CG) which was designed in such a way to be as much centered as possible, as shown in Figure 9.


120 / Investigaciones de los alumnos

Figura 8. Resultados del consumo de 1 motor.

Figure 8. Consumption results of one engine.

Figura 9. Posición del centro de gravedad.

Figure 9. Center of gravity position.

4. CONCLUCIONES

4. CONCLUSIONS

Al analizar los resultados obtenidos con el prototipo construido y compararlos con el diseño teórico inicial del proyecto, se determinó que el diseño es válido. Este diseño permitió la construcción de un dispositivo de características y operación similares a las usadas en un CUBESAT, e incluso cumplió con la normativa de peso y dimensiones del programa, ya que el prototipo no sobrepasó los 1,27 kg y midió no más de 10 cm de arista (sin considerar la estructura externa y los paneles solares).

When analyzing the results on the prototype built and when comparing them with the theoretical initial design, it could be determined that the design is valid. This design made the construction of a device possible of similar features and operation to those that were used in a CUBESAT. Even more, it met the standards as to weight and dimensions of the program, because the prototype did not exceed 1.27 kg and each side measured no more than 10 cm (without including the external structure and the solar panels).

En términos de costos, el prototipo no superó los $370.000 pesos, lo que significa una reducción que no supera el 0,2% comparado con un proyecto de CUBESAT espacial. Aunque sus capacidades de operación no son las mismas (este prototipo no está pensado para operar en el espacio aún), no es necesario una gran inversión millonaria para poder evaluar los sistemas de operación usados en los satélites reales.

Regarding to costs, the prototype did not exceed Ch$370,000, which implies a reduction of no more than 0.2% when compared with a CUBESAT space Project. Although performance capacities are not the same (this prototype is not intended to fly in space yet), it is not necessary a millionaire investment to evaluate the operation systems used in real satellites.

En conjunto con lo anterior, se encontraron varios puntos que se pueden mejorar y que permitirían tener un prototipo

In line with the aforementioned, various items can be improved to having a more efficient prototype and better


Students’ research / 121

más eficiente y de mejores características. Entre ellos se pueden mencionar: 1. Motores y ESC sobredimensionados: una selección más eficiente de motores y controladores permitirían bajar el consumo y aumentar el espacio disponible en el interior. 2. Uso de una tercera Reaction Wheel: permitiría al dispositivo operar en todos los grados de libertad y no perder el efecto de giro en Yaw al cambiar el ángulo de Pitch. 3. Involucrar distintas áreas de la ingeniería: considerar a áreas especializadas en telecomunicaciones, electrónica y programación permitirían un desarrollo más eficiente y en menor tiempo. 4. Contar con instalaciones y herramientas adecuadas: posibilitaría una fabricación de mayor calidad que reduzca vibraciones y efectos adversos no considerados en el diseño. 5. Fortalecimiento en telecomunicaciones para operar en alturas superiores: el dispositivo cumple con las expectativas de un primer prototipo funcional, pues es capaz de operar en altura y a distancias de hasta 50 metros comprobados (grúa edificio Anacleto Angelini). Sin embargo, el perfeccionamiento en las telecomunicaciones aseguraría superar las alturas en las que se ha trabajado. A pesar de lo anterior, el resultado del proyecto fue exitoso ya que se logró obtener un dispositivo operable a distancia, inalámbrico, capaz de transmitir video y datos de telemetría, y que emula la tecnología usada en satélites reales. Lo logrado con este prototipo permite tener una base para una segunda iteración que consiga solucionar los problemas detallados en las conclusiones y avanzar hacia un dispositivo que actúe en un primer lanzamiento en condiciones controladas (globos meteorológicos). De este modo, se estaría más cerca de la realización del objetivo final: un prototipo satelital operable en la estratósfera y, finalmente, en el espacio. Por lo tanto, en este trabajo se demostró principalmente que el diseño evaluado es factible y que el proyecto final es viable en términos de conocimientos y tecnología disponible; así, solo es necesario contar con un equipo e instituciones dispuestas a trabajar y continuar con los avances logrados hasta la fecha.

features. We can mention among them: 1. Oversized engines and ESC:by counting on more efficient engines and controllers, consumption could diminish and inner available space could be increased. 2. Utilization of a third Reaction Wheel: it would allow the operation of all degrees of freedom and would prevent losing Yaw turn when changing Pitch angle. 3. Involving different engineering departments: by including areas specialized in telecommunications, electronics and programming could end up in a more efficient development in less time. 4. Counting on suitable facilities and tools: a better-quality construction would be possible that be able to reduce vibrations and adverse effects that were not taken into account in the design. 5. Telecommunications strengthening to fly at higher altitudes: the device meets the expectations for a first functional prototype, because it is able to fly high at a distance of 50 meters proved (the crane at Anacleto Angelini’s building). However, if telecommunications are improved, the prototype would reach even higher altitudes. Nevertheless, the results of this project were successful because a wireless remote-controlled device that was able to transmit videos and telemetry data by emulating the technology of real satellites was built. The results we obtained with this prototype state a basis for a second iteration for solving the problems mentioned in the conclusions and also for finally having a device able to fly at the first launching under controlled conditions (weather balloons). This way, we would be closer to attain the final aim: an operable satellite prototype in the atmosphere and, finally, in space. Therefore, this work mainly demonstrated that the assessed design is feasible and the final project is viable in terms of knowledge and available technology; thus, it is only necessary to count on equipment and institutions willing to work and go on with the progress attained up to now.

AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGEMENTS

Esta investigación no habría sido posible sin el apoyo de las siguientes personas e instituciones:

This research could not have been possible without the assistance of the following individuals and institutions:

• Empresa Metalmecánica Sinsay, particularmente su área de corte láser por su apoyo en los cortes de la estructura del dispositivo

• Sinsay Metalworking Company, especially its laser cutting department for its support to cut the device’s structure.


122 / Investigaciones de los alumnos

• Luis Valdés, Marcelo Gutiérrez, Roberto Salgado e Ignacio Lagos, quienes contribuyeron con la manufactura de gran parte de los componentes en el taller mecánico de la Escuela de Ingeniería de la UC.

• Luis Valdés, Marcelo Gutiérrez, Roberto Salgado and Ignacio Lagos, who provided the construction of most of the components at the mechanical workshop of the Engineering School of the UC.

• Claudio Fernández por su apoyo y contribución en el área programática del prototipo.

• Claudio Fernández for his assistance and contribution for the prototype programming.

Glosario

GLOSSARY

CUBESAT: estandarización de nano satélites modulares de una arista de 10 centímetros y un peso inferior a 1,33 kg. Fue creada en 1999 por los académicos Jordi Puig-Suari de la Universidad Politécnica de California (Cal Poly) y Bob Twiggs del laboratorio de Desarrollo de Sistemas Espaciales de la Universidad de Stanford, con el fin de reducir costos en tiempo y desarrollo en proyectos de satélites pequeños. REACTION WHEEL: método de control de orientación de un satélite que consiste en volantes de inercia que se mueven a voluntad de un controlador, según la dirección deseada. Operan bajo el principio físico de conservación de momento angular. RASPBERRY PI: computador miniaturizado de bajo costo fabricado en Reino Unido (UK). Permite la ejecución de múltiples proyectos en varios lenguajes de programación, con el objetivo de incentivar la enseñanza y desarrollo en áreas computacionales. BLDC (Brushless DC electric motor): motor eléctrico sin escobillas que funciona alternando corriente continua, acto que, al magnetizar los polos, permite un giro ininterrumpido. ESC (Electronic Speed Controller): controlador electrónico de velocidad, necesario para generar variaciones en las RPM del motor. PID (Control Proporcional, Integral y Derivativo): sistema de control que está constantemente minimizando el error en el tiempo con respecto a un valor dado. En este caso, la diferencia de orientación del dispositivo con la deseada por el usuario. MPPT (Maximum Power Point Tracker): dispositivo que maximiza la potencia entregada por una fuente de energía y regula la carga de una batería. En este caso, la fuente de energía viene dada por los paneles solares. CNC (Control Numérico por Computador): sistema de herramientas automatizado que trabaja por valores numéricos (coordenadas), logrando así una precisión de milésimas de milímetros.

CUBESAT: modular nanosatellites standardization with a 10-cm-arista and a weight lower than1.33 kg. Created in 1999 by Jordi Puig-Suari, scholar at the Polytechnic University of California (Cal Poly) and Bob Twiggs at the laboratory of Space Systems Development of Stanford University, to reduce time and development costs of small satellite projects. REACTION WHEEL: attitude control system of a satellite, consisting of inertia steering wheels moving under a controller command according to the desired direction. They operate according to the physical principle of angular momentum conservation. RASPBERRY PI: low-cost miniaturized computer in the United Kingdom (UK). It allows the execution of multiple projects in various programming languages in order to foster teaching and development of computing fields. BLDC (Brushless DC electric engine): electric motor with no brushes which performs by alternating direct current, which at the time the poles are magnetized, an uninterrupted turn is attained. ESC (Electronic Speed Controller): electronic speed controller required to create variations in the engine’s rpm. PID (Proportional-Integral-Derivative controller): system that is permanently minimizing the error in time with respect to a given value. In this case, the device attitude difference and the one the user wants. MPPT (Maximum Power Point Tracker): device that maximizes the power provided by an energy source and regulates a battery charge. In this case the energy source is given by the solar panels. CNC (Numerical Control Computer): automated system of tools working on numerical values (coordinates) that achieves an accuracy of thousandths of millimeters.


Students’ research / 123

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

El principio del movimiento del Prototipo es el mismo usado por los satélites reales a través de Reaction Wheels. Estas operan bajo los principios de dos leyes básicas:

The principle of the device movement is the same one used by real satellites, through reaction Wheels running under the principles of two main basic laws:

1. Inercia rotacional, la cual puede entenderse como la resistencia de un objeto al cambio de su estado de movimiento rotacional. Su cálculo se basa en la siguiente fórmula.

1. Rotational inertia, which can be understood as the resistance of an object to change its status of rotational movement. The calculation is based on the following formula:

En la que r sería la distancia al eje rotacional y m la masa del cuerpo.

where r is the distance to the rotational axle and m is the body’s mass.

2. Conservación del momento angular, permite a un cuerpo girar en el sentido contrario al giro de las RW en ausencia de una fuerza externa, si está alineado con el mismo eje. Este efecto se puede comprender en la Figura 10.

2. Angular momentum conservation that allows a body to turn clockwise the turn of the RW in absence of an external force if aligned to the same axle. This effect can be understood by looking at Figure 10:

En la que corresponde al momento angular total del cuerpo, corresponde al momento angular de la nave y corresponde al momento angular de la RW.

where stands for the whole angular momentum of the body, stands for the angular momentum of the ship and stands for the angular momentum of the RW.

Figura 10. Principio de operación Reaction Wheels.

Figure 10. Reaction Wheels’ operation principle.

REFERENCES 1. CALIFORNIA POLYTECHNIC STATE UNIVERSITY.“CubeSat Design Specification Rev 13”. CubeSat [on line] March 20, 2016[ref. datedFebruary 20,2014]. Available at: <http://www.cubesat.org>. 2. INNOVACION.CL.“The story of SUCHAI, the first satellite built in the country”. Innovacion [on line] March 23, 2016. Available at: <www.innovacion.cl>. EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Cristián Vial

Cristián Chávez

Diego Celentano


124 / Investigaciones de los alumnos

Just Do It®, consejos para una comunidad de marca+ Just Do It®, advice for a brand+ community

Josefa Lucas1, alumna de 7mo año Hope Schau2,3, decana asociada

Josefa Lucas1, 7th year student Hope Schau2,3, associate dean

1 Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Eller MBA Program, University of Arizona 3 Gary M. Munsinger Chair in Entrepreneurship and Innovation

1

*Autor de correspondencia: jlucas@uc.cl

* Corresponding author: jlucas@uc.cl

Department of Industrial y Systems Engineering, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Eller MBA Program, University of Arizona 3 Gary M. Munsinger Chair in Entrepreneurship and Innovation


Students’ research / 125

RESUMEN

ABSTRACT

Nike tiene mucho que enseñarnos en cuanto a cómo gestiona su comunidad: a pesar de que no cuenta con los mejores indicadores financieros, tiene una de las más altas valorizaciones de marca. En esta investigación se demuestra que en Nike+ están presente las 12 prácticas encontradas por Schau, Muñiz y Arnould [1] referidas a cómo las comunidades de marca crean valor. Esto se logró al revisar los comentarios realizados por los usuarios a través de la página oficial de Nike respecto a sus ocho wearables. Además, en este estudio se evidencia la lealtad de sus consumidores—o mejor dicho fanáticos de la marca que se definen como corredores no profesionales—al reemplazar sus productos por sus nuevas versiones y evaluando cada una de ellas de muy buena manera. Por lo tanto, de esta investigación se desprenden ocho simples lecciones que se pueden aplicar a cualquier comunidad de marca, utilizando como acróstico el slogan de Nike Just Do It®.

Nike Company has much to teach to us as to how it manages its community: although it does not count on the best financial indicators, it has one of the highest brand evaluations. It is demonstrated in this survey that the 12 practices by Schau, Muñiz and Arnould are present in Nike+ [1] on how brand communities create value. This was obtained when reviewing the comments from users through the official web page of Nike with respect to its eight “wearable’s”. In addition, the loyalty of consumers—or rather fans of the brand who defines themselves as nonprofessional runners—is evidenced in this survey, when they replace their products by the new versions and they evaluate each of them in a very good way. Therefore, this research gives rise to eight simple lessons that can be applied to any brand community, using Nike’s slogan Just Do It®, as acrostic.

Palabras clave: comunidad de marca, redes sociales, estrategia de marketing, fitness, wearables, Nike.

Key words: social brand community, social networks, marketing strategy, fitness, wearables, Nike.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

Nike es una marca ampliamente conocida en el mercado internacional cuya misión es llevar la inspiración y la innovación a cada atleta en el mundo, ya que consideran que en toda persona hay un talento deportivo. A pesar de que en la lista de Forbes de las Mayores Empresas Públicas se sitúa en el puesto #289 (#311 Ventas, #214 Beneficio, #1.074 Beneficio en Activos y #99 Valor de Mercado), Nike se encuentra dentro de los primeros veinte lugares como una de las marcas más valiosas [1]. Esto se explica porque la propuesta de marca ha sido bien acogida por consumidores e inversionistas.

Nike is a widely known brand on the international market, whose mission is to take inspiration and innovation to each athlete in the world, because they consider there is a sports talent in every person. In the list of Forbes of the Major Public Companies, however, it is placed in #289 position (#311 Sales, #214 Benefits, #1.074 Assets Benefit and #99 Market Value), Nike is within the first twenty positions as one of the most valuable brands [1]. This is explained because the proposal behind the brand has been highly welcomed by consumers and investors.

El valor de marca representa el valor presente de los ingresos futuros predecibles generados por la marca [2]. De esta manera, la dinámica de la interacción comunicativa pública tiene un impacto directo en el valor de las acciones que se cotizan en los mercados financieros. Nike, desde su creación en 1964, ha estado muchas veces en el ojo del huracán, ya sea por sus innovaciones como por sus fracasos [3]. En ambos escenarios, la gestión de la comunidad ha sido la clave para mantener su posición en el mercado y la fidelidad de sus clientes.

The brand value represents the current value of the predictable future income generated by the brand [2]. This way, the dynamics of communicative interaction of the audience has a direct impact on the value of shares quoting in financial markets. Nike, as from its creation in 1964, often has been in the eye of the hurricane, either for innovations or for failures [3]. In both scenarios, the community management has been the key to hold its position on the market as well as its clients’ loyalty.

Nike tiene mucho que enseñarnos en la forma en cómo manejan su comunidad. Las doce prácticas encontradas por Schau, Muñiz y Arnould [4] están presentes en esta

Nike has much to teach us on the form they manage the community. The twelve practices stated by Schau, Muñiz and Arnould [4] are present in the brand, as well as some


126 / Investigaciones de los alumnos

marca, así como algunas de las conclusiones respecto a la importancia de la innovación. En cuanto a este último punto, Nike+ ha sido una de las primeras firmas en introducir tecnología emergente como los WEARABLES [5], llevando tecnología de punta a corredores no profesionales.

of the conclusions with respect to the importance of innovation. As far as this last point is concerned, Nike+ has been one of the first companies in introducing emergent technology as WEARABLES [5], taking high technology to nonprofessional runners.

El objetivo de este estudio es primero demostrar la presencia de las doce prácticas encontradas por Schau, Muñiz y Arnould [4] en esta comunidad, y segundo, proponer una simplificación de ocho lecciones que se desprenden del acróstico de Just Do It®, slogan de Nike, para que cualquier community manager alrededor del mundo pueda considerarlo como una referencia al momento de planificar su próxima estrategia.

The aim of this study is firstly to demonstrate the presence of the twelve practices by Schau, Muñiz and Arnould [4] in this community, and secondly, to propose a simplification of eight lessons that come off the Just Do It® acrostic, Nike’s slogan, so that any community manager around the world can consider it like a reference at the time of planning the up-coming strategy.

2. METODOLOGÍA

2. METHODOLOGY

Nike tiene uno de los mejores valores de marca debido a cómo gestiona sus comunidades y al modo en que se vincula con sus usuarios. Esta investigación pretende demostrar que las doce prácticas encontradas por Schau, Muñiz y Arnould [4], referidas al cómo las COMUNIDADES DE MARCA crean valor, están todas presentes en la comunidad Nike+. Estas doce prácticas se agrupan en cuatro prácticas temáticas: redes sociales, gestión de impresión, participación de la comunidad, y el uso de la marca [4]; las cuales se explican a continuación.

Nike has one of the best brand values due to the way it manages communities and to the way in which it is connected to users. This investigation is intended to demonstrate that the twelve practices by Schau, Muñiz and Arnould [4], referred as to how BRAND COMMUNITIES create value, are all present in Nike+ community. These twelve practices are grouped in four thematic practices: social networks, impression management, community participation, and use of the brand [4]; which are explained below.

Las redes sociales son una práctica que se centra en la creación, mejora y mantenimiento de los lazos entre los miembros de la comunidad de marca. Estos incluyen bienvenida, empatía y gobernanza, que operan principalmente en el dominio inmaterial de las emociones y refuerzan los lazos sociales o morales dentro de la comunidad. Este trío de prácticas destaca la homogeneidad de la comunidad de marca y entre sus prácticas se encuentran las desglosadas a continuación:

Social networks are centered in the creation, improvement and maintenance of the ties among the members of the brand community. These ties include welcome, sympathy and governance that mainly operate in the immaterial dominion of emotions and reinforce social or moral ties within the community. This trio emphasizes the homogeneity of the brand community and the detailed practices are listed below:

1. Bienvenida: tarjeta a nuevos miembros, ayudar en su aprendizaje de la marca y la socialización de la comunidad.

1. Welcome: card for new members, to help in the learning about the brand and in the socialization of the community.

2. Empatía: prestar apoyo emocional y físico a otros miembros; el apoyo es tanto para las pruebas relacionadas con la marca, como para aspectos de la vida común no vinculados con la firma.

2. Sympathy: to give emotional and physical support to other members, this is for both the tests related to the brand and for some aspects of ordinary life that are not linked to the company.

3. Gobernanza: articular las expectativas de comportamiento dentro de la comunidad; esto significa, especialmente, defender los principios de la comunidad asociados a lo que la empresa representa, cuando estos han sido atacados.

3. Governance: to articulate behavior expectations within the community; this means, especially, to defend the associated principles of the community which the company represents, when they are attacked.

La gestión de impresiones incluye las prácticas de evangelizar y justificar, entre las que los miembros de la comunidad actúan como emisarios altruistas y embajadores de buena voluntad. Los miembros dedican tiempo y esfuerzo a la marca, comparten noticias e inspiran a otros

The management of impressions includes evangelization and justification, among which the members of the community act as altruistic emissaries and ambassadors of good will. The members devote time and effort to the brand; they share the news and inspire others to participate


Students’ research / 127

a participar de la comunidad. Los quehaceres de estas prácticas corresponden a: 4. Evangelizar: compartir la “buena nueva” de la marca, inspirando a otros a usarla mientras se predica que esta se encuentra en la cima de la montaña. 5. Justificar: dar razones de por qué gastar dinero, tiempo y esfuerzo en la marca es efectivo. Las prácticas de participación de la comunidad son las que refuerzan el compromiso creciente de los miembros con la comunidad de marca. Los usuarios interactúan contando sus experiencias de marca y proclaman abiertamente que son fanáticos, reconstruyendo una narrativa de sus experiencias, como un “diario de vida”. Un detalle de las actividades son: 6. Replanteo: reconocer la variedad de los miembros de la comunidad, por medio de la diferenciación de un grupo o asimilación entre usuarios de manera pública. 7. Milestoning: publicar la participación de acontecimientos del consumo de marca. 8. Badging: traducir los hitos en símbolos, es una de especie credenciales que evidencian la participación en alguna actividad de la comunidad. 9. Documentación: detallar la relación de parte del usuario con la marca, como su experiencia de compra y uso en forma de narración. El uso de la marca está específicamente relacionado con la mejora o el incremento de uso de la marca focal. Estos incluyen el grooming, la personalización, y la estandarización. 10. Grooming: aconsejar entre miembros de la comunidad el cuidado de la marca, el correcto uso de la tecnología o la sistematización de los patrones de uso óptimos. 11. Personalización: modificar la marca para adaptarse a nivel de grupo o a las necesidades individuales. 12. Estandarización: distanciar o acercarse al mercado (competencia) por consejos de los miembros de la comunidad; asimismo, situarse como referente para otras firmas. La metodología utilizada para probar que las doce lecciones [4] descritas estuvieron presentes en la comunidad de Nike+ fue analizar las observaciones formuladas por los usuarios de su tecnología principal, wearables. Estos comentarios fueron extraídos de la página oficial de Nike y corresponden a los vinculados a ocho productos que se han publicado bajo el nombre de esta comunidad. Los productos comentados han sido descontinuados en su mayoría. Para procesar la información contenida en las páginas de

in the community. The tasks of these practices include: 4. Evangelization: sharing “good news” about the brand, inspiring others to use it, while it is preached that the brand is in the top of the mountain. 5. Justification: giving reasons for spending money, time and effort in the brand is effective. Practices of community participation are those that reinforce the increasing commitment of the members to the brand community. The users interact by counting their brand experience and openly proclaim that they are fans, and they reconstruct a story based on their experiences, like a “life logbook”. A detail of the activities is below: 6. Reframing: to recognize the variety of members in the community, by means of the differentiation of a group or public assimilation among users. 7. Milestoning: to publish the holding of brand consumption events. 8. Badging: translate landmarks into symbols. It is a sort of credential that proves the participation in some activity of the community. 9. Documentation: to detail the relation of the user with the brand, as its purchase experience and use it in the form of narration. The brand use is specifically related to the improvement or the increase of use of the focal brand. Grooming, personalization and standardization are included. 10. Grooming: advising among the community members about the brand care, the correct use of technology and systemization of usage optimal patterns. 11.Personalization: to modify the brand in order to being adapted to the group or to individual needs. 12. Standardization: growing apart or approaching market (competition) upon the advice of the community members; also, to be placed as a reference for other companies. The methodology employed to try the twelve lessons described [4], which were present in Nike+ community was the analysis of the users’ comments on the main technology (wearables). These comments were extracted from the official web page of Nike and correspond to the ones related to eight products that have been published under the name of this community. Most of the commented products have been discontinued. In order to process the information contained in the pages of Nike+, which comprises 227 pages and more than 4,300


128/ Investigaciones de los alumnos

Nike+, que abarca 227 páginas y más 4.300 comentarios, fue necesario crear un programa computacional. Este algoritmo, escrito en Java, puede leer el código fuente en la página HTML, encontrar las etiquetas de clave y extraer tablas de información para su posterior análisis. El pseudocódigo utilizado está descrito en el Principio científico.

comments, it was necessary to create a computer program. This algorithm, written in Java, can read the source code in HTML page, find the key labels and extract tables of information for later analysis. The used pseudo code is described in the Scientific Principle.

3. RESULTADOS

3. RESULTS

Los resultados obtenidos en esta investigación demuestran la buena gestión de la comunidad que tiene Nike+ al identificar las doce prácticas entre los comentarios de sus usuarios. En cuanto a los datos recolectados, fueron traducidos a información cuantitativa, que corresponde a las calificaciones, su varianza y a cómo las publicaciones se distribuyen a través del tiempo.

The results obtained demonstrate the good management of Nike’s community in identifying the twelve practices among the users’ comments. As far as the collected data is concerned, they were translated into quantitative information, which matches with qualifications, variance and with how publications are spread through time.

3.1 Resultados cuantitativos

3.1 Quantitative results

Los comentarios introducidos por los usuarios incluían una evaluación positiva del producto, como es posible apreciar en la Figura 1. Un 46% de los usuarios otorga al producto la puntuación máxima. Si a esto le sumamos al valor la siguiente nota, el 73% de todas las opiniones son cubiertas. Sin embargo, todos los wearables se descontinuaron, a excepción del FuelBandSE®.

Users’ comments included a positive evaluation of the product, as observed in Figure 1. 46% of users grant the maximum score to the product. However, if this value is added the following score, then 73% of all the opinions are covered. Nevertheless, all the wearables were discontinued, but the FuelBandSE®.

En la Figura 2 se puede observar la evolución en el tipo de tecnología demandada por los usuarios. El primer producto fue el Sensor, símbolo de esta comunidad y una innovación nunca antes aplicada en corredores no profesionales, que consiste en una especie de “caluga” que se sitúa en el zapato para registrar la información de la corrida.

In Figure 2, the evolution in the type of technology demanded by users can be observed. Sensor was the first product, which is the symbol of this community and an innovation never before applied in nonprofessional runners, consisting of a sort of “plug” placed in the shoe to register the information during the run.

La siguiente tecnología en introducirse fue las pulseras SportBand, cuya función es registrar información para ser procesada posteriormente en una computadora. La tercera adaptación de estos wearables son los relojes deportivos (Ipod Watch y TomTom®). Por último, la pulsera Fuelband que combina las últimas dos tecnologías, esta se convirtió en el producto mejor recibido por la crítica especialista.

The following technology to be introduced was the SportBand bracelets, which register information to be processed in a computer later on. The third adaptation to these wearables was the sports watches (Ipod Watch and TomTom®). Finally, the Fuelband bracelet with both technologies combined, that became the better-received product by the specialized critics.

Figura 1. Calificación de los comentarios de 1 a 5 estrellas realizada por los usuarios.

Figure 1. Qualification of users’ comments from 1 to 5 stars.


Students’ research / 129

Figura 2. Fecha en que los comentarios de los wearables fueron realizados.

Figure 2. Date in which comments on wearables were done.

La pulsera Fuelband posee dos versiones en las que no se traslapan las fechas en los comentarios de sus usuarios, por ende la siguiente versión sustituye por completo a la otra. Algo similar ocurre con todas las etapas de estos productos, con la única excepción de Sensor, el que se distribuye de manera uniforme en el tiempo desde que se introdujo, independientemente de su versión.

Fuelband bracelet owns two versions in which the dates in users’ comments are not overlapped; therefore the following version came to replace the other completely. Something alike happens in all the stages of these products, with the only exception of Sensor, the one that is evenly distributed in time since its introduction, independent from its version.

Lo anterior demuestra que los usuarios dejan de prestar atención a sus productos cuando sale la siguiente versión a la venta. Esto podría implicar una cierta fidelidad de los compradores, al adquirir la tecnología más reciente apenas es lanzada, por eso la inexistencia o la disminución en los comentarios de versiones anteriores.

The aforementioned proves that users stop paying attention to their products when the following version comes up for sale. It could imply certain loyalty from buyers, when acquiring the most recent technology as soon as it is brought to the market, hence the nonexistence or the drop of comments about previous versions.

3.2 Resultados cualitativos

3.2 Qualitative results

La función de la revisión de los comentarios fue establecer que las doce prácticas descritas en el estudio de Schau, Muñiz y Arnould [4] están presentes en esta comunidad. A continuación se exhiben algunos de los comentarios clasificados.

The review of comments stated that the twelve practices described in the study by Schau, Muñiz and Arnould [4] are present in this community. Some of the classified commentaries are described next.

Redes sociales: generar y mantener la alianza entre consumidores, y entre la marca y sus usuarios 1. Bienvenida “Hola Josefa, Estamos muy contentos de darle la bienvenida a la comunidad Nike+. Estás a punto de descubrir más sobre ti mismo de lo que nunca sabías antes”. (Correo automático de Nike.com al inscribirse a la Comunidad Nike+).

Social networks: generate and maintain the alliance among consumers, and between the brand and users 1. Welcome “Hi Josefa, we are very glad to welcome you at Nike+ community. You are about to discover a little more about yourself, much more than you could have done before’ (Automatic mail from Nike.com when registering at Nike+ Community).

2. Empatizar “Mi primera banda dejó de funcionar, fuimos a la tienda de Nike y tuve un intercambio libre de drama. Bien hecho el servicio al cliente”. (3sturgis, 21/04/2013)

2. Sympathy “My first bracelet broke down. We went to a Nike’s shop and I could replace it without any problem. Good Customer service’. (3sturgis, 21/04/2013)

3. Goberanza “Nos encanta su entusiasmo por manejar los atributos de la competencia, pero nos duele escuchar que su FuelBand no fue capaz de mantener el ritmo. Sabemos lo frustrante que puede ser y quiero pedir disculpas por eso. Para asegurarle de que está de nuevo en marcha, vamos a tener que pedirle que nos dé una llamada”. (Nike.com, 30/09/2014)

3. Governance “We really love your enthusiasm to handle the competition attributes, but we regret hearing that your Fuelband could not keep up rhythm. We know how frustrating it might have been and I’d like to apologize for that. To assure you it is properly working again, we kindly ask you to give us a call’. (Nike.com, 30/09/2014)


130/ Investigaciones de los alumnos

Gestión de impresiones: miembros actúan como emisarios y embajadores altruistas 4. Evangelizando “Me encantan los productos de Nike y voy a seguir con ellos para siempre. La Nike Fuelband SE me ha inspirado a ser más que solo un atleta por más de 6 años, siendo más activa y realmente crecer en fuerza y resistencia. Toda mi familia tiene uno y todos aman los suyos”. (debaseballkid21, 25/02/2014)

Impression Management: members acting as emissaries and altruistic ambassadors 4. Evangelizing “I love Nike products and I will follow them forever. Nike’s Fuelband SE has inspired me to be more than an athlete for more than 6 years, to be more active and really increase strength and resistance. All my family has one and they all love theirs’. (debaseballkid21, 25/02/2014)

5. Justificando “Leí una crítica que decía que era solo un podómetro caro. La revisión me hizo tener dudas. Llevo un mes utilizándolo, estoy algo de acuerdo, PERO... Todavía lo amo y lo compraría de nuevo si se rompe.” (brooke.r.smith, 03/05/2012)

5. Justifying ‘I read a review telling it was just an expensive pedometer. It made me doubt. I have been wearing it for month, I agree a bit, BUT…. I still love it and would buy it again if it breaks (brooke.r.smith, 03/05/2012)

Participación de la comunidad: reforzar el nexo entre miembros con la comunidad 6. Replanteo “Yo uso la banda todo el tiempo. Soy jubilado militar y me considero activo. Yo trabajo en entrenamientos y trabajo en turnos de 12 horas en la noche, pero el producto se adecúa perfectamente a mí y logro conseguir mis 2 millas corriendo”. (willstyle97, 03/05/2012)

Commnity’s participation: reinforce the tie among members of the community 6. Reframing ‘I wear the band all time. I’m a retired military official and work in trainings and 12-hour shifts at night, and the product is perfectly adapted to me and I am able to complete 2 miles running.‘ (willstyle97, 03/05/2012)

7. Milestoning “Este reloj me hizo motivarme para correr todos los días y entrenar para que pudiera participar en los grandes eventos. En medio de la temporada he intentado la carrera más dura de todos los acontecimientos: el 800. [...] ahora corro 02:13 y soy competitivo.” (kcoles24, 11/05/2012)

7. Mile stoning ‘This clock motivated to run and to train every day so that I could participate in great events. In the middle of the season I have tried the hardest running of all: the 800. [...] now I run 02:13 and I am competitive’.(kcoles24, 11/05/2012)

8. Badging “Me gusta la idea de la FuelBand y me he acostumbrado a que la cantidad de actividad se mida en NikeFuel. Me ayuda a determinar si estoy siendo lo suficientemente activa”. (Anonymous, 03/05/2012)

8. Badging ‘I like the idea behind the FuelBand and I have accustomed myself to measure activity in NikeFuel. It helps me to determine if I am being sufficiently active’. (Anonymous, 03/05/2012)

9. Documentando “He estado con el sistema Nike+ desde mayo del 2008 y me encanta la interfaz web de Nike, [...]. Muy, muy fácil de usar, y para ser honesto, no soy la mejor persona en la electrónica.” (IamTorsional, 19/06/2011)

9. Documented ‘I have been with Nike+ system from May, 2008 and I love the Web interface of Nike, [...]. , Very, very easy to use, and to be honest, I am not the best person in electronics”.  (IamTorsional, 19/06/2011)

Uso de marca: mecanismos que favorecen y enfocan el uso o foco de la marca 10. Grooming “Le ayuda a establecer metas con incentivo para lograrlas y te dan ganas de correr. Se lo recomiendo a cualquiera, sean corredores de maratón o si apenas corren.” (termagettin97, 25/01/2010)

Use of the brand: mechanisms that favor and focus the brand use or core 10. Grooming ‘It helps to set incentive goals and gives you the desire to run. I recommend it to anyone, either marathon runners or those who barely run.’ (termagettin97, 25/01/2010)

11. Personalización “Ejecución de las distancias de intervalo (en lugar de duraciones de tiempo) es un cambio bienvenido. También muy impresionado con el hecho de que el USB es recargable! Sustituir la batería es el futuro.” (nmitre, 21/07/2011)

11. Personalization ‘Execution of interval distances (instead of time duration) is a welcomed change. Also I am very impressed by the fact that USB is reloadable! Replacing battery is the future.’ (nmitre, 21/07/2011)


Students’ research / 131

12. Estandarización “Me pongo metas para mí y me comprometo con ellas. Yo tenía un Fitbit pero lo envié de vuelta, no me gustaba la idea de no ser capaz de ver el progreso en cuanto a número de pasos, calorías quemadas; además me encanta que la FuelBand también es reloj.“ (Nanaof2, 29/08/2013)

12. Standardization ‘I set goals for myself and I commit to them. I had a Fitbit but I returned it, I did not like the idea of not being able to see the progress as to the number of steps, burned calories; in addition I really love that FuelBand is also a clock’ (Nanaof2, 29/08/2013)

4. DISCUSIÓN

4. DISCUSSION

Al analizar los buenos resultados al momento de evaluar la tecnología de los wearables y la sustitución total de un producto con una nueva versión se demuestra la lealtad de los usuarios con la comunidad. Además, los clientes realizan comentarios favorables, lo que indica que existe una gestión de marca, ya que se encuentran ejemplos para cada una de las doce lecciones [4]. Así, es posible generar ocho simples lecciones que se pueden aplicar a cualquier comunidad de marca, utilizando como acróstico el slogan de Nike… Just Do It®.

When analyzing the good results at evaluating the wearables technology and the whole substitution of a product by a new version, users’ loyalty to the community is demonstrated. In addition, clients’ favorable comments indicate that there is a brand management, since there are examples for each one of the twelve lessons [4]. Thus, it is possible to create eight simple lessons that can be applied to any brand community, using the slogan of Nike… Just Do It® as an acrostic.

• Jut a Lifestyle (Proyecta un estilo de vida): tener una variedad de productos que satisfacen las diversas necesidades de los miembros de su comunidad. Pero no hay que olvidar que todo debe reflejar un objetivo común.

• Just a Lifestyle (Projects a life style): to have a variety of products that meet diverse community’s needs. Notwithstanding, we must not forget that everything is to reflect a common goal.

• Unique (Único): cada miembro de la comunidad es inimitable e insustituible. Dale espacio para que se expresen. Recuerde que cada uno hace una diferencia.

• Unique (Only): each member of the community is inimitable and irreplaceable. Give them space to express themselves. Remember that each one can make a difference.

• Sharing (Compartir): usted debe permitir a sus clientes que compartan sus experiencias y descubran entre ellos la bondad de ser parte de esta comunidad.

• Sharing (To share): you must allow your clients to share their experiences and discover the goodness of being part of this community among them.

• Timeline (Cronología): la idea de comunidad es ser un socio en su estilo de vida, por lo tanto, permita la grabación de sus experiencias y progreso. Anime para complementar su crecimiento.

• Timeline (Chronology): the concept community is being a partner of a life style, so it let their experiences and progress be recorded. Encourage them to complement their growth.

• Dog-eat-dog (Competencia): que compitan, desafiarlos a ser mejor. No solo con sus amigos, sino con ellos mismos. La idea de una comunidad es tomar lo mejor de cada uno.

• Dog-eat-dog (Competition): let them to compete, challenge them to be better. Not only with their friends but with themselves. The idea of community it taking out the best of every one.

• Obey Yours (Obedece a los tuyos): escuche a su comunidad, siempre van a querer lo mejor porque también pertenecen a ella. Si le dan un consejo es porque quieren mejorar.

• Obey yours listens to your community; it will always want the best because they also belong to it. If you are given an advice it is because they want to improve.

• Innovate (Innovar): estar siempre mejorando y buscando nuevos desafíos para sorprender a los miembros de su comunidad. Ellos permitirán que usted se caiga, siempre y cuando usted siga adelante.

• Innovate: always keep improving and searching for new challenges to surprise the community members.

• Tell Them (Dígales): nunca olvides a tu gente, recuérdeles lo mucho que le importan. Usted debe estar siempre dispuesto a ayudarlos, ya que son ellos los que constituyen su comunidad: llegó el momento de valorarlos.

• Tell them: never forget your people; remind them how much you care for them. You must be always willing to help them out, for they are the ones who form the community: it is time to value them.


132/ Investigaciones de los alumnos

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

Nike, aunque no se encuentra en los primeros lugares de los cuatro indicadores evaluados por la revista Forbes, es una de las mejores en el valor de marca. Una de las razones es el éxito que generan las marcas al conformar comunidad junto a sus consumidores, como lo hace Nike+. De hecho, las doce prácticas encontradas por Schau y su equipo [4] aparecen entre los comentarios realizados por los usuarios de wearables. Por lo tanto, podemos concluir que estamos frente a una de las comunidades más completas del mercado.

Although Nike is not in the first positions of the four indicators evaluated by Forbes magazine, it is one of the best in brand value. One of the reasons is the success the brands create when conforming a community close to their consumers, as Nike+ did it. In fact, the twelve practices by Schau and herteam [4] appear between the comments issued by wearables users. Therefore, we can conclude that we are facing one of the most complete communities of the market.

Una de las lecciones clave que podemos aprender de Nike+ es que para la correcta gestión es necesario siempre oír las voces de los consumidores, pues sus necesidades cambian a través del tiempo. En este proceso de recepción es fundamental la innovación, ya que permite mantener el poder de mercado. Así, los cambios generados provienen de lo comentado en las comunidades existentes, debido a que es a través de estas que se aprenden las mayores lecciones del proceso de creación. Además, si se considera que Nike+ es solo una de las comunidades de éxito que ha tenido Nike, entre las que se encuentran Nike Soccer App®, Nike SB App®, Nike Golf 360 App®, por mencionar algunas, se puede concluir fácilmente que hay mucho por seguir aprendiendo de la firma norteamericana.

One of the key lessons we can learn from Nike+ is that it is always necessary to hear the consumers’ voice for a right management, because their needs change through time. During this reception process, innovation is fundamental, since it allows maintaining the market power. Thus, the generated changes come from what the existing communities comment, because through that the Company learns about the creative process. Furthermore, considering that Nike+ is only one of the successful communities that Nike has created, which include Nike Soccer App®, Nike SB App®, Nike Golf 360 App®, among others, we can easily conclude that there is still much to learn from this North American company.

Por último, los comentarios realizados por los consumidores respecto a los wearables de Nike+ demuestran la lealtad que tienen a la marca, no solo por sus buenas evaluaciones, sino que también por la sustitución total o parcial de un producto por su nueva versión. Las ocho lecciones que se desprenden de esta investigación son bastante simples para guiar la construcción de cualquier comunidad. Por lo tanto, se invita a todas las marcas que quieren crear una comunidad a... Just Do It®.

Finally, consumer’s comments with respect to Nike+ wearables demonstrate their loyalty to the brand, not only for their good evaluations, but also for the total or partial substitution of a product by their new version. The eight lessons arising from this investigation are quite simple to guide the building of any community. Therefore, all the brands wanting to build a community are invited to… Just Do It®.

AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGMENTS

Este trabajo fue realizado en el marco del proyecto CONICYT de Becas de Estadías Cortas en el Extranjero, quien financió la estadía de Josefa Lucas como pasante de investigación en la University of Arizona bajo el departamento de Eller College y la tutela de la Profesora Hope J. Schau.

This work was carried out within the framework of the CONICYT project, belonging to the Scholarships of Short Stays Abroad, which funded the stay of Josefa Lucas as assistant of investigation at the University of Arizona, under the department of Eller College and the tutelage of Professor Mrs. Hope J. Schau.

Glosario

GLOSSARY

BRAND COMMUNITIES (comunidad de marca): comunidad formada por una empresa para clientes que se transforman en usuarios de un servicio que reúne a personas con intereses comunes. WEARABLES (USABLES): tecnología utilizada como vestuario o accesorios que las personas utilizan; suelen cumplir funciones específicas principalmente asociadas a conectividad, salud o cultura deportiva. Los accesorios pueden ser relojes, anteojos, cinturones, entre otros.

BRAND COMMUNITIES: community formed by a company for its clients which become service users, by joining people with similar interests. WEARABLES: technology employed as wardrobe or accessories worn by persons; it usually meets specific functions mainly related to connectivity, health or sport cultivation. Accessories can be watches, glasses, belts, among others.


Students’ research / 133

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

Se utilizó un algoritmo de programación en lenguaje Java para procesar la información contenida en las páginas de Nike+, que abarca 227 páginas. Esta herramienta puede leer el código fuente escrito en la página HTML, encontrar las etiquetas clave y extraer la información de los más de 4.300 comentarios realizados por los usuarios a tablas para su posterior análisis. La Figura 3 muestra un pseudocódigo de cómo el programa está diseñado. Esta metodología fue escogida por su rapidez para categorizar la información para luego ser clasificada entre las doce prácticas que se buscaba estuviesen presentes en la comunidad de Nike+.

A Java programming algorithm was used to process the information contained in the pages of Nike+ that comprises 227 pages. This tool can read the source code written in the HTML page, to find the key labels and to extract the information of the more of 4,300 comments of the users about tables for its later analysis. Figure 3 shows a pseudo code of how the program is designed. This methodology was chosen because it is fast to categorize the information to be classified among the twelve practices that were expected to be present in Nike+ community.

Figura 3. Pseudocódigo utilizado para leer los comentarios de las páginas web de Nike.

Figure 3. Pseudocode to read the comments in Nike web pages.

REFERENCES 1.FORBES. The World’s Biggest Public Companies. 2016 Ranking [online]. [ref. March 28,2016].Available at: http://www.forbes. com/companies/nike/ 2.ARVIDSSON, Adam. “Brands: A critical perspective”. Journal of Consumer Culture.2005, vol. 5, N°.2,p. 235-258. 3.LOCKE, Richard.“The Promise and Perils of Globalization : The Case of Nike 1”. MIT Industrial Performance Center. Working Paper. 2002, vol. 2, N°. 7,p. 1-36. 4.SCHAU, Hope, MUNIZ, Albert, y ARNOULD, Eric. “How brand communities create value”. Journal of Marketing. 2009, vol. 73, N° September, p. 30-51. 5.RAMASWAMY, Venkat. “‘Co-creating value through customers’ experiences: the Nike case”. Strategy & Leadership. 2008, vol. 36, N°. 5, p. 9-14.

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Josefa Lucas

Hope Schau


La version digital de la revista se encuentra en el portal del programa de InvestigaciĂłn en Pregrado de la Escuela de IngenierĂ­a http:// ipre.investigacion.ing.uc.cl/. Contacto equipo editorial en journali3@ing.puc.cl.



Revista I3