revista dyna_issue abril 2022

MARZO - ABRIL 2022 INGENIERÍA E INDUSTRIA

ingeniería e industria #2 | www.revistadyna.com |

Año 97 | Nº2 | Marzo - Abril 2022

ENGINEERING AND INDUSTRY

Algoritmos de optimización inspirados en la naturaleza

105 - 216 | 97 | Nº 2

Protección de imágenes médicas por marca de agua

Adición de fibras de polipropileno a materiales cuasifrágiles

Ensayo de tracción en conductores aéreos

Revista de Ingeniería Multidisciplinar con factor de impacto en JCR

ISSN-L: 0012-7361 | DOI: 10.6036/DYNAII | SICI: 0012-7361(20220301)97:2<>1.0.TX;2-7 | CODEN: DYNAAU

Efectos del cambio climático en la salud por causa del calor urbano

nnnnNORMAS

RESUMIDAS PARA LOS AUTORES DE ARTÍCULOS BRIEF PAPER’S INSTRUCTIONS FOR AUTHORS nnnn

23, 24 y 25 de marzo de 2022

• Los artículos deberán ser originales e inéditos y no deben de haber sido enviados simultaneamente a otros medios de comunicación.

• Tendrán siempre preferencia los que versen sobre temas relacionados con el objetivo, cobertura temática y/o lectores a los que se dirige la revista.

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• Bibliografía relacionada o referencias según normas DYNA en www.revistadyna.com • Con el objeto de facilitar la “revisión entre pares”, el autor deberá asignar el código DYNA de 6 dígitos correspondiente a la temática del artículo, seleccionándolo de entre los códigos disponibles en la dirección de Internet: www.revistadyna.com • Los originales se remitirán mediante nuestra página web (envío artículos), en formatos .DOC (msword), .RTF, o .TXT. Se recomienda una calidad mínima de 300ppp para las fotografías que se adjunten con el artículo. Se harán constar: título del artículo, nombre del autor, título académico, empresa o institución a la que pertenece, dirección electrónica, dirección postal y teléfono.

• Se someterán al Consejo de Redacción cuantos artículos se reciban, realizándose la “revisión entre pares” por los expertos del Consejo o los que éste decida. El resultado de la evaluación será comunicado directamente a los autores. En caso de discrepancia, el editor someterá el trabajo a un revisor externo a la revista cuya decisión será trasladada nuevamente al autor.

• Los autores aceptan la corrección de textos y la revisión de estilo para mantener criterios de uniformidad de la revista.

• La revista se reserva el derecho de no acusar recibo de los trabajos que no se ajusten a estas normas.

• Para mayor detalle sobre estás normas, por favor visite nuestra web http://www.revistadyna.com (en el apartado de “autores y evaluadores”).

• Paper will be original and unpublished and it must not be concurrently submitted for publication elsewhere.

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• Papers should be written in Spanish or English and should fulfil the following requirements: • Title in both English and Spanish with a maximun length of 150 characters.

• Brief Summary or Abstract, about 300 words, in Spanish and English.

• Authors’ full names and surname (without abbreviations).

• Between 10 or 12 keywords in English and Spanish, that identify the paper theme.

• Written text should not exceed 5.500 words, or 17 A4 format pages in 10 size arial font sigle-spaced (For longer lengths consult with DYNA) • Bibliographical references acording to DYNA norms at www. revistadyna.com • To facilitate the “peer review” process, the author will assign the six digits DYNA code corresponding to the paper thematic, selecting it between the codes available at the Internet address: www.revistadyna.com • Papers should be sent by our web page (envío artículos), in .DOC (MSWord), .RTF, or .TXT format. It is recomended a minimum quality of 3000 ppp for the pictures enclosed in the article.

These papers will include: Article title, author name, academic title, company or institution, email, correspondence address and telephone.

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The “peer review” will be made by the Editorial experts or those that the EB decides. The evaluation result will be directly communicated to the author. In case of discrepancy, the publisher will refer the work to an external reviewer whose decision will again be transferred to the author.

• The authors accept the text correction and the style revision to maintain uniformity criteria for the magazine.

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Ingeniería e Industria

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directorionnnn nnnn

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directorionnnn

contenido Marzo-Abril 2022

nnnnartículos de investigación

150 EFECTO DE DIFERENTES ESTRATEGIAS DE PRETRATAMIENTO FÍSICO EN LA BIODEGRADABILIDAD DE MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS EFFECT OF DIFFERENT PHYSICAL PRETREATMENT STRATEGIES ON THE BIODEGRADABILITY OF LIGNOCELLULOSIC MATERIALS

162 SPATIAL EFFECTS OF CLIMATE WARMING ON THE HEALTH RISKS DUE TO URBAN HEAT EXPOSURE: A CASE STUDY OF CHINA EFECTOS ESPACIALES DEL CALENTAMIENTO CLIMÁTICO SOBRE LOS RIESGOS PARA LA SALUD DEBIDOS A LA EXPOSICIÓN AL CALOR URBANO: UN CASO DE ESTUDIO EN CHINA

156

nnnnnuestras cosas

RESIDUAL PERFORMANCE ANALYSIS OF BRIDGE STRUCTURE CONSIDERING HEAVY LOAD EFFECT ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO RESIDUAL DE LA ESTRUCTURA DE UN PUENTE TENIENDO EN CUENTA EL EFECTO DE LAS CARGAS PESADAS

108

Dyna hace 80 años

109

Editorial

110

Arqueología Industrial

nnnnperspectivas

111

169 ANÁLISIS DE INFLUENCIA DE FACTORES AMBIENTALES EN EL BIENESTAR EMOCIONAL ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF ENVIRONMENTAL FACTORS ON EMOTIONAL WELL-BEING

Ayudas europeas a la I+D+I. Los programas habituales frente a la excepción del next generation

114

Optimización inspirada en la naturaleza y en la biología: lo bueno, lo malo, lo feo y lo esperanzador

nnnnnotas técnicas

118

176 ESTUDIO DE LA DINÁMICA DE FLUIDOS Y LA TRANSFERENCIA MÁSICA DE AZUFRE ENTRE EL ACERO Y LA ESCORIA EN UN HORNOCUCHARA CONSIDERANDO FUERZAS DE ARRASTRE Y NO-ARRASTRE STUDY OF FLUID DYNAMICS AND SULFUR MASS TRANSFER BETWEEN STEEL AND SLAG IN A LADLE FURNACE CONSIDERING DRAG AND NON-DRAG FORCES

189 OPINION MINING FOR USER EXPERIENCE EVALUATION MODEL USING BAYESIAN ESTIMATION OF MARKOV CHAIN MONTE CARLO TECHNIQUE MINERÍA DE OPINIÓN PARA EL MODELO DE EVALUACIÓN DE LA EXPERIENCIA DEL USUARIO MEDIANTE ESTIMACIÓN BAYESIANA DE LA TÉCNICA MONTE CARLO DE LA CADENA DE MARKOV

203 BIOPLÁSTICO ELABORADO DE CÁSCARAS DE NARANJA BIOPLASTIC MADE OF ORANGE PEELS

Selección del proceso de manufactura a partir de la matriz QFD en un dispositivo de sujeción para mascarillas

184 INFLUENCIA DEL PROCESO DE BRUÑIDO EN LA RUGOSIDAD DE SUPERFICIES INCLINADAS DE PIEZAS FABRICADAS EN X40CrMoV5 INFLUENCE OF THE BRUSHING PROCESS ON THE ROUGHNESS OF INCLINED SURFACES OF PIECES MANUFACTURED IN X40CrMoV5

nnnncolaboraciones

120

Prueba de fluencia para conductores aéreos usando palanca accionada por pesos muertos

126

Diseño y vibraciones en el martillo neumático rotopercutor

131

195

Análisis del control climático en un invernadero de rotación de cultivos

ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA ADICIÓN DE FIBRAS EN LA ROTURA EN MODO II DE MATERIALES CUASIFRÁGILES STUDY OF THE EFFECT OF FIBRE ADDITION ON MODE II FRACTURE OF QUASI-BRITTLE MATERIALS

135

Retos tecnológicos en la fabricación de medicamentos estériles: ¿está preparada la industria farmacéutica?

140

Estudiar la relación entre las competencias de trabajo en equipo y el éxito de los proyectos innovadores

145

Nanosílice para modificar la consistencia de arcillas lacustres de alta compresión

210 SECURITY ENHANCED ROI BASED REVERSIBLE WATERMARKING FOR MEDICAL IMAGES MARCA DE AGUA REVERSIBLE BASADA EN ROI CON SEGURIDAD REFORZADA PARA IMÁGENES MÉDICAS

Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 107 | ISSN-L: 0012-7361 | 107

nnnnDYNA hace 80 años

Hace 80 años (Marzo 1942) CONGELACIÓN DE VÍVERES POR EL PROCEDIMIENTO HECKERMANN

“Se viene empleando con mayor frecuencia cada día el procedimiento de congelación en la conservación de víveres que se echan a perder fácilmente, como la carne, el pescado, las aves, los huevos, las frutas y las legumbres, y pueden, una vez congelados y almacenados a bajas temperaturas, conservarse por espacio de años enteros”

“El procedimiento de congelación ofrece la ventaja de que los víveres en cuanto a su sabor, color, aspecto, consistencia y riqueza en vitaminas, no sufren tanta alteración como cuando se someten a otros procedimientos como la esterilización, el secado y la salazón”.

La congelación se efectúa exponiendo los víveres a una corriente de aire en condiciones de humedad relativamente alta: si se trata de instalaciones pequeñas a -25°C y velocidades de 2,5 m/s., y si las instalaciones son muy grandes a -40°C de temperatura y una velocidad de 10 m/s.

El método Heckermann permite congelar los víveres sin necesidad de empaquetarlos primero y hay aparatos, sobre todo, para establecimientos pequeños (ver figura). La capacidad de congelación es de 1000 a 4000 kg/día. Los mayores, mecánicos con transporte por cinta, se construyen para capacidades de congelación de 10 a 20 T/día. Se emplean en instalaciones fijas y, desde hace algún tiempo, en barcos nodrizas de pesqueros.

Las alteraciones en el almacenaje se evitan mediante la elección de temperaturas suficientemente bajas próximas a los -20ºC. Kurt Linge, Dr. Ing.

NO BASTA CON PRODUCIR MUCHO …

A poco de terminada la guerra se dio la consigna de «producir, producir y producir», y todos nos pusimos a ello a pesar de las dificultades sin fin que se opusieron a la ejecución del programa.

“Concretándonos al sector industrial, basta con señalar que a la destrucción de núcleos productores, escasez y falta incluso de materias primas, insuficiencia de utillaje y ausencia de mano de obra especializada, se sumó a los pocos meses la actual guerra”.

“Sin embargo, lo que no se ha alcanzado todavía es el nivel de perfección y calidad … hoy día los productos manufacturados son entregados al mercado consumidor sin prestar demasiada atención a su bondad y características, me atrevo a decir que sin control de fabricación”.

“Nosotros los Ingenieros somos quienes debemos dar el grito de alerta y por dignidad profesional poner coto a las demasías de esos industriales … y nuestra Asociación Nacional debe ser quien 108 | ISSN-L: 0012-7361 | 108 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

cuide de todo cuanto precise para que sea pronto realidad lo de la marca de calidad: lo pide el mercado, lo exige nuestra ética profesional y lo impone el supremo interés nacional”.

Manuel Cortes, Ing. Industrial

LA POSIBILIDAD DE AUMENTAR NUESTRA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

“Si queremos que España alcance una potencia industrial a tono con los tiempos actuales, es preciso previamente, atender a que esta rama de la industria, esté preparada para suministrar energía eléctrica, sin lo que cualquier programa e impulso que pueda darse a nuestra industria y economía, resultará estéril por falta de medios para desarrollarse”.

Desde que en 1927 se iniciaron los datos estadísticos de producción eléctrica, esta ha mantenido un crecimiento casi constante, salvo el período de la guerra, aunque con la recuperación posterior se puede marcar con seguridad la proyección futura.” De aquí vemos que para el año 1944, el consumo más probable de las redes españolas, siguiendo el ritmo de crecimiento del período 1927-1935, será del orden de 4.500x106 kWh”.

Este objetivo puede alcanzarse con la construcción de nuevas centrales hidráulicas y térmicas, con la interconexión de redes, la regulación con embalses de la energía estacional y con una mejora de la utilización anual de cada central.

El autor opina que, con la consideración de los datos existentes, se puede ser optimista en cuanto a las posibilidades nacionales, en este importante problema de la producción de energía eléctrica, aunque no hay que olvidar que su resolución exige, tiempo y esfuerzo considerable.

(NOTA DEL EDITOR: Frente a los 4.500x106 kWh proyectados para 1944, la producción de electricidad en España en 2021 ha sido de 260.000x106 kWh, es decir unas 60 veces más) Alejandro Suárez, Ing. Industrial

OTRAS NOTICIAS

En la reunión de la Junta de Gobierno de la Asociación Nacional de Ingenieros Industriales del mes de febrero se concretó el proyecto de organizar este mismo año 1942 el Primer Congreso de Ingeniería Industrial de España y se nombró la Comisión Organizadora, compuesta por seis miembros. Se contaba ya en firme con el patrocinio del Jefe del Estado y una Mesa de Honor con cinco ministerios (Hacienda, Industria, Educación, Obras Públicas y Trabajo) más la Jefatura del único Partido vigente.

editorialnnnn

LA HORA DE LA INDUSTRIA

editorial

La llegada de los Fondos Europeos para salir de la crisis del Covid-19 representa una oportunidad única para actuar con visión estructural allá donde ya teníamos diagnosticada la necesidad de transformar la sociedad. En este marco, estamos convencidos de que la industria debe ser el sector sobre el que pivotar la recuperación económica del país. ¿Y por qué queremos un país industrial? Porque tiene mayor estabilidad y soporta mejor las crisis económicas. Una sociedad industrial es más equilibrada y ofrece puestos de trabajo más estables que redistribuyen económicamente a la sociedad y le confieren más solidez y cohesión.

La tasa de temporalidad en el sector industrial es casi 7 puntos inferior a la de la economía en general y cerca de 6 menor que en el sector servicios. Los salarios de la industria son un 20% superiores a la media de la economía y han mostrado un mejor comportamiento durante la crisis. Y las condiciones laborales son igualmente mejores a las del resto de sectores.

Es en este marco en el que hay que activar ahora políticas y acciones que ayuden a superar la crisis sobrevenida por la pandemia, que se desplieguen con celeridad y con la ambición de transformar en positivo el sistema productivo, acelerando esfuerzos e inversiones para resolver los retos que -ya antes de la Covid- teníamos identificados: el cambio climático, los impactos de la digitalización y una mejor distribución del valor generado por la economía. Y hacerlo con un esfuerzo conjunto público-privado, desde una economía y una industria más sostenibles, eficientes y competitivas como palancas de equidad y bienestar para nuestro país.

En esta línea, el diseño de la nueva política industrial que ha presentado el Gobierno se apoya en cinco principios fundamentales: - Mejorar la productividad y la competitividad internacional, e incrementar la aportación del sector industrial al PIB y al empleo nacionales y autonómicos.

- Conciliar el progreso de la industria con la sostenibilidad y los objetivos de descarbonización de la economía.

- Aprovechar el potencial de la digitalización como palanca competitiva.

- Alinear la política industrial con la impulsada desde la Unión Europea.

- Desarrollar una política industrial que tenga en cuenta el papel y la contribución de la pequeña y mediana empresa en este sector.

Paralelamente, se están elaborando 3 iniciativas para poder aprovechar las oportunidades actuales: un Pacto de Estado por la Industria, la Estrategia de Política Industrial 2030 y una nueva Ley de Industria.

El objetivo de esta Política Industrial España 2030 será impulsar la modernización y la productividad del ecosistema español de industria-servicios, mediante la digitalización de la cadena de valor, el impulso de la productividad, la competitividad y la mejora de la eficiencia energética de los sectores estratégicos claves en la transición ecológica y la transformación digital.

Pero para desplegar las propuestas se necesitan recursos, hace falta inversión, no sólo buenas palabras. La política industrial necesita presupuestos, recursos. Unos recursos que hasta ahora no hemos tenido o no hemos podido tener. Unos recursos que no sólo debemos esperar que lleguen de la Administración, del sector público. El sector privado debe ser valiente y actuar decididamente para asumir la parte que le corresponde en esta transformación.

Debemos aprovechar el momento para hacer crecer nuestra industria. No debe perderse ni una sola empresa, ni una sola startup, sin haber explorado antes la posibilidad de que se sumen a un proyecto más sólido. Por eso, es necesario superar mentalidades muy arraigadas en nuestro país, de hacérselo todo uno mismo, de preferir ser “cabeza de ratón” que formar parte de proyectos más plurales, pero más competitivos.

En este esfuerzo, es necesario incorporar las sinergias que se puedan generar entre emprendimiento y empresa, aportando y concentrándose la primera en soluciones tecnológicas innovadoras y activando sus estructuras empresariales y acceso a mercados la segunda.

Para conseguir estos objetivos, creemos que las palancas públicas deben ser claras y el acompañamiento decidido. Se necesitan recursos económicos y humanos de manera urgente para generar estas dinámicas. Y por eso, asociaciones profesionales y empresariales son los ámbitos donde se pueden acelerar estos procesos de cooperación. Y de todos ellos tenemos muchos y muy buenos. Es el momento de aprovecharlos. No es el momento de repensar todo. Es el momento de priorizar y actuar.

Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 109 | ISSN-L: 0012-7361 | 109

nnnnarqueología

industrial

Federación de Asociaciones de Ingenieros Industriales de España Comisión de Patrimonio Industrial

Cerco industrial de Peñarroya-Pueblonuevo Fundición de plomo y taller de desplatación

La Fundición de Plomo es el más emblemático de los edificios del Cerco Industrial. Su origen se encuentra en una pequeña fundición construida en 1877 por la Sociedad Hullera y Metalúrgica de Belmez, a la que se traían las galenas argentíferas de diversos yacimientos situados en Fuente Obejuna, Azuaga y Villanueva del Duque para ser fundidas junto con otros materiales y coque para obtener plomo.

El plomo fue uno de los metales con mayores aplicaciones de aquella época, por su ductilidad y densidad. Con él, por ejemplo, se fabricaban las conducciones de agua y el núcleo y la carcasa de la munición, además de ser un componente esencial en pigmentos industriales y pinturas.

Tras diversas ampliaciones, en 1891 la Sociedad Minera y Metalúrgica de Peñarroya construyó el gran edificio en estilo neorrománico que ha llegado hasta nuestros días, con dobles arcadas de ladrillo de gran belleza. Durante décadas fue la fundición de plomo más grande y productiva de Europa. El agotamiento de los filones plúmbeos de los alrededores unido al encarecimiento y la dificultad del transporte de las galenas desde Linares determinaron su cierre a 1972. Los trabajadores fueron trasladados a Cartagena, ciudad que contaba con una fundición a bocamina y a pie de puerto marítimo.

La Fundición de plomo estaba conectada por una cámara superficial alargada, llamada galería de condensación, que conectaba con un segundo edificio anexo y bastante alejado del primero denominado popularmente como “casa de los humos”. Esta construcción y la anterior permitían una recuperación adicional de plomo de hasta un 15% haciendo pasar los gases de la fundición a través de él.

Los trabajadores de esta parte de la fundición decían que extraían “vagones de humo”, cuando en realidad lo que sacaban eran las partículas de plomo en suspensión de los gases que finalmente se depositaban en los receptáculos del interior de la casa de los humos o en las paredes de la galería de condensación.

Una de las más importantes fuentes de ingresos de la SMMP era la plata que se obtenía de la purificación del plomo, por lo que la compañía tenía un especial interés en aplicar todas las innovaciones tecnológicas para su obtención, lo que le permitió producir hasta 125.000 kilogramos de plata al año. Hay que recordar que las minas de galena de los alrededores eran argentíferas, es decir, que contenían pequeñas cantidades de plata. Esta fue la razón por la que el taller de desplatación se construyó junto a la fundición de plomo al mismo tiempo. Era necesario fundir 10 toneladas de plomo dulce para obtener 1 kilogramo de plata.

Parte de la producción de lingotes de plata era declarada por la empresa ante las autoridades fiscales españolas, mientras que otra era enviada oculta en vagones de carga repletos de chatarra en dirección a la frontera francesa con el fin de ahorrarse los impuestos derivados.

Dado que la plata era un metal escaso y de gran valor, los trabajadores de esta factoría eran registrados a la salida y eran constantemente vigilados para evitar que los sustrajeran.

El edificio, al igual que la fundición de plomo, ha sido construido en estilo neorrománico. Sus elementos más característicos eran las tres chimeneas que tenía en el exterior de la que tan sólo se conserva una de ellas.

Texto: Rubén Cañamaque López (Cuaderno de campo de los Cercos Industriales de Peñarroya-Pueblonuevo. Editado por el Grupo de Desarrollo Rural del Valle del Guadiato. Año 2018).

Fotografías: Asociación La Maquinilla.

Maquetación: Buxa, Asociación Galega do Patrimonio Industrial.

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Ayudas europeas a la I+D+I. Los programas habituales frente a la excepción del next generation European R&D funding. The framework programmes and the next generation EU nnnn

Asier Sorli-Alcantud INCOTEC (España) DOI: https://doi.org/10.6036/10352

1. INTRODUCCIÓN. AYUDAS AL ESTÍMULO ECONÓMICO Y RECUPERACIÓN

En mayo de 2020 la Comisión Europea propuso un instrumento temporal de recuperación diseñado para ayudar a mitigar los devastadores efectos de la pandemia en el tejido industrial europeo, los denominados fondos Next Generation EU. Este programa ha sido dotado con 750.000 millones de euros, de los cuales España recibirá cerca de 140.000 millones de euros.

Estos fondos se asignan a través de diferentes mecanismos o ventanillas que ya han comenzado a ponerse en marcha desde 2021 y que incluyen convocatorias de ayudas “tradicionales” (CDTI, Red.es, IDAE, ENISA, etc) con mayores presupuestos, líneas de ayudas individuales en programas de ayudas ya existentes co-financiadas mediante el MRR (Mecanismo de Recuperación y Resiliencia), compra pública innovadora, programas operativos de las diferentes CCAA en el marco del REACT EU y los llamados PERTEs o grandes Proyectos Estratégicos para la Recuperación y Transformación Económica. Estas asignaciones, sobre todo los PERTEs, deberán ser materializados a través de proyectos bien definidos de gran envergadura. Por consiguiente, la perspectiva es que serán proyectos lanzados y gestionados por grandes empresas donde las pequeñas y medianas empresas, las PYMEs, dependerán del efecto tractor de las anteriores.

El revuelo creado por este novedoso paquete de ayudas excepcionales ha relegado en parte las discusiones y el foco de otro evento relevante que ha coincidido en el tiempo, que no es otro que el final del programa de investigación europeo por excelencia, el Horizonte 2020 y el lanzamiento de su sucesor, el Horizonte Europa.

2. FONDOS EUROPEOS DE AYUDA A LAS EMPRESAS PARA LA I+D+I

Por todo lo expuesto arriba, consideramos interesante hacer un repaso para que se conozcan los fondos ya existentes en la Unión Europea desde hace casi 40 años, orientados a fomentar la investigación aplicada para todo tipo de empresas industriales, con programas específicamente orientados a pymes, como el EIC accelerator.

Nacimiento Haciendo un breve repaso a la historia, las actividades de investigación a nivel de la UE y su financiación se amparan desde 1984 en el “Programa Marco de investigación, desarrollo tecnológico y demostración”. El origen de este programa data de 1980, año en el cual se comienza a hablar en firme de la necesidad de crear un instrumento que contribuya a sistematizar y optimizar las acciones comunitarias en este ámbito para la consecución de los objetivos científicos y técnicos de la Comunidad. Es en 1983 cuando el programa toma forma y se establece como la herramienta financiera y estratégica para dar soporte e implementar las políticas de investigación e innovación europeas.

En la Resolución de 25 de julio de 1983, el Consejo Europeo aprueba el primero de los Programas Marco, el Framework Programme 1 (FP1) [1] por un período de cuatro años. El FP1 tuvo lugar de 19841987 y tenía un presupuesto de 3.750 Millones de euros, que entonces se llamaron ECUs (European currency unit), y cubría los siguientes campos de acción: Energía, Industria, Agricultura, Medio Ambiente y Materias Primas.

Evolución y crecimiento A lo largo de las siguientes ediciones, los Programas Marco han ido ampliando su alcance incluyendo Tecnologías Industriales, las Tecnologías de la Información (TICs) y las llamadas tecnologías habilitadoras, las “Key Enabling Technologies” (KETs) destinadas a reforzar la competitividad de las empresas europeas y que incluyen entre otras, las nanotecnologías, los materiales

avanzados, las tecnologías avanzadas de fabricación (Inteligencia artificial, big data, el internet de las cosas, etc.).

Para dar respuesta a su mayor alcance, el programa ha ido incrementando también su presupuesto a lo largo de los años para financiar iniciativas y proyectos de investigación, desarrollo tecnológico, demostración e innovación de claro valor añadido europeo, reflejando la creciente importancia concedida a la I+D+i en el ámbito de la política comunitaria. De esta manera, el programa pasó de los 3.750 millones de euros del FP1 a un presupuesto de 54.600 millones en el séptimo Programa Marco, FP7 (2007-2013), para dar un salto significativo con un incremento de casi un 40%, en el “Horizon 2020” (H2020) [2] que dispuso de un presupuesto total de 75.028 M€.

Presente y futuro inmediato El nuevo programa, el Horizonte Europa [3][4], que comenzó en 2021 y se extenderá hasta 2027, sigue esta estela incrementando en un 25% el presupuesto del H2020, y llegando a la cifra récord 95.500 M€. Este incremento económico en el marco actual de crisis económica y social sin precedentes derivada de la pandemia refuerza más aún si cabe la importancia de este programa para los Estados Miembros de la Unión Europea.

En referencia a este programa marco de investigación, la Comisión Europea, que es la parte ejecutiva de los organismos de la Unión Europea, describe su función así: “El programa nace con el objetivo de I. Reforzar las bases científicas y tecnológicas de la UE y el Espacio Europeo de Investigación (EEI), II. Impulsar la capacidad de innovación, la competitividad y el empleo de Europa, III. Cumplir con las prioridades de los ciudadanos, así como sostener nuestros valores y modelo socioeconómico”. Citamos esto porque ha sido y es, con los cambios pertinentes, el Leitmotiv de todos los Programas Marco. El segundo punto, relacionado con la competitividad industrial ha alcanzado mayor relevancia, aun si cabe, en el contexto de la situación actual y las consecuencias que ha tenido la

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pandemia global en el tejido industrial europeo. Los grandes retos a los que Europa se ha enfrentado a lo largo de estos meses para mantener las cadenas de suministros y abastecimiento en sectores, muchos de ellos vitales, en los que se sufre una gran dependencia de países de fuera de la UE, como China, han puesto en evidencia las consecuencias de la globalización y la producción deslocalizada y su impacto en la economía y en la sociedad.

En ese sentido, cobra mayor importancia la tendencia que han seguido los últimos años los Programas Marco en lo relativo al foco en los resultados y en la priorización de proyectos con mayor potencial de llegar al mercado y que a su vez sirvan para resolver retos concretos de los ciudadanos. La explotación de los resultados obtenidos en el marco de proyectos I+D es por tanto uno de los aspectos más relevantes, que ya se impulsó significativamente en el cambio del FP7 al Horizonte 2020 (H2020), y cuya importancia se incrementa aún más en el Horizonte Europa. Igualmente, es importante resaltar, los esfuerzos de la Comisión Europea para potenciar que gran parte de los nuevos modelos de negocio que surjan de esos proyectos sean explotados por pymes.

3. PARTICIPACIÓN DE ESPAÑA

Desde hace ya unos años, España ha sido uno de los países con mayor participación y retorno en estos programas [5] [6], entendiendo como retorno el % que España recibe sobre los fondos globales del Programa Marco sumando las cantidades que reciben las empresas españolas participantes para la financiación de sus proyectos.

En el (H2020), período 2014-2019, las entidades españolas consiguieron 4.762 M€ para desarrollar actividades de investigación e innovación, que suponen un retorno del 10,1%, como se observa en la figura 1. Sólo en el año 2019, obtuvieron subvenciones por un importe de 1.067 M€, que es la mayor cuantía conseguida por España en los Programa Marco en un solo año, ascendiendo el retorno de ese año al 10,4%. Es importante resaltar que de las 3.328 entidades españolas que obtuvieron propuestas financiadas, un 82%, 2.410, eran pymes.

Otro indicador relevante es el “Liderazgo de Proyectos” que indica el % de proyectos liderados por empresas españolas, lo que significa que tanto la idea como la génesis del proyecto ha nacido de empresas nacionales.

Figura 1. Evolución del retorno y el liderazgo español en los Programas Marco. Fuente: CDTI

4. FUNCIONAMIENTO PRÁCTICO DE LOS PROGRAMAS MARCOS

El gráfico de la figura 2 presenta esquemáticamente el proceso de preparación de un proyecto, que explicamos a continuación.

Sin entrar en detalles, vemos que, a lo largo de la preparación, e incluso al final, si el proyecto no resulta financiado, existen varios hitos de toma de decisiones en los que se puede reconsiderar tanto el planteamiento del proyecto como su oportunidad.

4.1. IDENTIFICACIÓN Y PREPARACIÓN DEL PROYECTO Se parte de un problema o un reto en el ámbito industrial, social o medioambiental para cuya resolución es necesario desarrollar nuevo conocimiento (“know how”) o soluciones tecnológicas. La complejidad del reto normalmente implica la colaboración de un equipo multidisciplinar de entidades Europeas o internacionales (dependiendo del programa) que conformarán el “Consorcio del proyecto”.

Habitualmente podemos encontrar los siguientes roles en un consorcio: • Empresas industriales que presenten el problema, participen en el desarrollo y testeo de las soluciones y validen el resultado final. Al final del proyecto serán los beneficiarios de los resultados.

• Investigadores de renombre, normalmente Universidades, Centros de Investigación, etc. que desarrollen las actividades de I+D. Sus beneficios saldrán de la profundización y nuevos enfoques de sus líneas de I+D+i.

• Potenciales explotadores del resul-

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tado final. Al finalizar el trabajo se espera un prototipo a nivel pre-comercial que requerirá de un esfuerzo financiero para convertirlo en producto comercial y del cual se espera conseguir beneficios a través de su explotación.

4.2 PRESENTACIÓN DEL PROYECTO Las llamadas Direcciones de Investigación (DG) de la Comisión Europea (EC), organismos de la UE a cargo del fomento de la I+D europea, lanzan periódicamente unas convocatorias (calls) instando a los actores industriales a presentar proyectos relacionados con cada una de las áreas o tópicos (topics) que se han considerado relevantes para la industria europea.

El proyecto, con toda la documentación requerida, se presenta a la convocatoria adecuada (call) por vía telemática, en una fecha determinada, que se conoce como “deadline”. Ineludiblemente, la plataforma se cierra puntualmente en la fecha y hora prevista que, en la mayoría de los casos, son las 17:00, horario de Bruselas.

4.3 EVALUACIÓN. FINANCIACIÓN O RECHAZO Como es común en todas las convocatorias públicas de cualquier rango, nacional, internacional o europeo, un equipo de expertos evaluadores califica las propuestas de cada campo y prepara una lista ordenada por puntuación a las que se les asigna la ayuda solicitada hasta donde lleguen los fondos asignados.

4.4 EJECUCIÓN La ejecución del proyecto, sigue las pautas de cualquier proyecto industrial con sus hitos, seguimiento, control y co-

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creación de nuevos productos y servicios, etc.

El lógico miedo a la defensa del knowhow y de los secretos industriales propios de cada empresa, se conjuga fácilmente mediante los documentos de confidencialidad y salvaguardia de los derechos de cada socio que se preparan con el soporte de los servicios jurídicos de la Comisión Europea, una vez aprobada la financiación del proyecto y antes del comienzo de las actividades.

Evidentemente se puede entender fácilmente que el proceso de preparación de una propuesta exitosa, descrito en el apartado 4, lleva cierto tiempo y dedicación. Además de la relevancia del tema industrial que se pretende abordar, la elección de los socios es uno de los puntos críticos, tanto para el éxito del futuro trabajo en el proyecto como para los trabajos previos de preparación de la propuesta, su desarrollo por escrito, y la recopilación de la documentación requerida.

Como en cualquier situación de la vida, identificar a los expertos con la experiencia necesaria por haber estado involucrados de manera activa y participado con éxito, en anteriores proyectos de este tipo, es una de las claves más importantes para el éxito. Expertos que, en general deberían salir del propio consorcio entre los socios más “académicos” (Universidades, Centros tecnológicos, equipos empresariales de I+D, etc.) aunque también existen empresas asesoras dedicadas al soporte de la industria en este tipo de actividades.

REFERENCIAS Figura 2. Flujograma de preparación de un proyecto. Fuente: elaboración propia

rrección de desviaciones, auditorías, etc. con la gran salvedad de que la Comisión, al ser el “mayor inversor”, hace un estricto y continuo seguimiento de la evolución por encima del que obviamente, lleven los propios miembros del consorcio.

5. CONCLUSIONES

Los Programas Marco representan un interesante mecanismo para potenciar las capacidades de I+D de las empresas industriales que, en general y sobre todo en el caso de las pymes, suelen ser bastante limitadas. Con el nuevo programa “Horizonte Europa” (2021 - 2027), se abre una nueva ventana de oportunidades para el tejido industrial en España, donde el apoyo financiero a las pymes que quieran

innovar seguirá siendo una de las prioridades.

La colaboración con los actores de I+D (Universidades, Centros Tecnológicos e incluso grandes empresas con sus propios equipos de I+D) resulta muy fructífero tanto para las empresas industriales, como para los potenciales explotadores que pueden incorporar nuevos productos a su cartera. Además, el hecho de que los consorcios tengan un carácter internacional es también un factor muy importante dado que permite el intercambio de experiencias y una gran apertura de horizontes, resultando incluso en la identificación de posibles líneas futuras de colaboración empresarial a base de encontrar socios complementarios que puedan crear sinergias en la apertura de nuevos mercados,

[1] https://cordis.europa.eu/programme/id/FP1FRAMEWORK-1C/es [2] https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/ en/home [3] Horizon Europe | European Commission (europa.eu) [4] https://www.horizonteeuropa.es/ [5] Balance de la participación española en el VII PM. CDTI. https://www.cdti.es/recursos/ doc/20849_116116201513842.pdf [6] https://www.cdti.es/

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Optimización inspirada en la naturaleza y en la biología: lo bueno, lo malo, lo feo y lo esperanzador Nature- and bio-inspired optimization: the good, the bad, the ugly and the hopeful nnnn

Daniel Molina1, Javier Poyatos1, Eneko Osaba2, Javier Del Ser2,3 y Francisco Herrera1,4 1 DaSCI. Dpto. Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (España) 2 TECNALIA (España) 3 UPV/EHU (España) 4 King Abdulaziz University (Saudi Arabia) DOI: https://doi.org/10.6036/10331

Hoy en día, la optimización se ha convertido en un tema importante para los sistemas industriales y el desarrollo de productos. Desde el punto de vista de la ingeniería, la optimización implica ajustar o afinar los diseños de los sistemas teniendo en cuenta uno o varios factores de rendimiento. Lamentablemente, para muchos problemas complejos no existe ninguna técnica de optimización que pueda alcanzar la solución óptima en un tiempo de cálculo razonable. Por ello, el proceso de optimización suele hacerse manualmente.

En los últimos años han aparecido infinidad de técnicas de optimización, todas ellas inspiradas en fenómenos observados en la naturaleza, como los patrones de comportamiento de los animales (como la exploración y búsqueda de alimento, el desplazamiento, la caza, ...), y los procesos físicos y químicos [1]. Estas técnicas, a menudo denominadas algoritmos de optimización inspirados en la naturaleza o bioinspirados, permiten a los usuarios optimizar un problema sin necesidad de tener conocimientos especiales sobre el mismo: sólo necesitan estar informados sobre la función de aptitud que se va a optimizar, y los mecanismos por los que se pueden producir nuevas soluciones candidatas. Cada algoritmo define cómo se pueden combinar y modificar las soluciones existentes para crear otras nuevas de forma inteligente para buscar la mejor solución. Aunque no pueden garantizar que se alcance finalmente la solución óptima, pueden producir automáticamente buenas soluciones en tiempos de cálculo razonables. Estas características hacen de las propuestas de optimización bioinspiradas un área de investigación prometedora

y una gran alternativa para optimizar procesos complejos, como ya se ha demostrado en muchos problemas del mundo real.

En este trabajo presentamos la optimización inspirada en la naturaleza y la biología desde una perspectiva global.

Describimos las técnicas que caen en esta área, su evolución, cómo operan y por qué cubren una importante brecha no cubierta por las técnicas de optimización anteriores. Como nota crítica, también ofrecemos una visión clara de la situación actual en el área, indicando los aspectos positivos y distintas cuestiones que deberían mejorarse. Teniendo en cuenta esta visión crítica, sugerimos tendencias prometedoras que creemos que nos llevarán a un futuro más brillante en la optimización inspirada en la naturaleza y en la biología, con multitud de ejemplos exitosos de su aplicación a problemas de ingeniería del mundo real.

El manuscrito está estructurado como sigue: En la sección 2 se describe la optimización bioinspirada y se exponen las razones y ventajas que hacen que esta área sea interesante desde el punto de vista científico y práctico (centrándose en presentar qué son y por qué son útiles). En la sección 3 examinamos el apasionante panorama de las aplicaciones recientes en las que la optimización inspirada en la naturaleza y la bioinspiración se ha convertido en una tecnología central (lo bueno), el auge de las metáforas novedosas para el diseño de nuevas propuestas que no conducen a soluciones innovadoras (lo malo), y las malas prácticas metodológicas que sacan conclusiones erróneas que deben evitarse en este campo (lo feo). Por último, la sección 4 resume el trabajo y destaca lo que queda por hacer en el ámbito de la optimización bioinspirada (lo esperanzador), especialmente para las aplicaciones de ingeniería.

1. NATURALEZA Y OPTIMIZACIÓN BIOINSPIRADA: ¿QUÉ Y POR QUÉ?

Los inicios de los algoritmos inspirados en la naturaleza y en la biología se remontan al siglo pasado. En la década

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de 1960 se propusieron los primeros solucionadores bioinspirados, inspirados principalmente en principios y conceptos evolutivos: Algoritmos Genéticos [2], Estrategias de Evolución [3], Programación Evolutiva [4] y Programación Genética [5]. En la década de 1980 se presentó originalmente el Enfriamiento o Temple Simulado, cuya fuente de inspiración se encontraba en el proceso de recocido en la metalurgia. En los años 90 se propusieron otros algoritmos bioinspirados: La Optimización de Colonias de Hormigas, que imita la forma en que las hormigas encuentran la mejor ruta hacia las fuentes de alimento y se comunican entre sí a través de la estigmergia; la Optimización de Enjambres de Partículas, que se basa en el comportamiento colectivo de las bandadas de aves, o la Evolución Diferencial, ED, muy influenciada por los Algoritmos Genéticos [1]. La ED es una propuesta significativa porque, aunque inicialmente evidenció una alta sensibilidad de su rendimiento con respecto a los valores de sus parámetros, las versiones recientes de la ED han superado esta debilidad y han demostrado estar entre los algoritmos más competitivos según sus resultados en competiciones internacionales [6].

Estas técnicas tienen varias características en común: • Pueden aplicarse a una diversidad de problemas de optimización porque sólo requieren 1) una medida numérica de la calidad de una solución que ayude a discriminar las mejores soluciones (funciones de aptitud) y 2) una definición de los pasos algorítmicos mediante los cuales se crean/modifican y/o combinan las nuevas soluciones improvisadas del problema.

• La mayoría de ellas funcionan de forma similar: utilizan un depósito de soluciones (población o enjambre) que se modifican mediante operadores de búsqueda inteligentes, haciendo evolucionar el contenido de la población para dar soluciones cada vez mejores al problema.

Normalmente, la búsqueda se guía

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por la(s) solución(es) con mejor valor de aptitud en la población. Los operadores específicos que se aplican sobre la población para hacerla evolucionar dependen del algoritmo concreto que se utilice.

• El proceso de evolución se aplica repetidamente sobre las soluciones almacenadas en la población hasta que se cumple un criterio de parada, medido en términos de un número fijo de soluciones evaluadas o un tiempo máximo de ejecución.

• Dado que no se exploran todas las soluciones posibles del problema, los métodos de optimización bioinspirados no pueden garantizar que se encuentre la solución óptima del problema a lo largo de la búsqueda.

Sin embargo, en muchos problemas complejos las soluciones encontradas a lo largo de la búsqueda son lo suficientemente buenas como para adoptarlas en la práctica. ¿Por qué son interesantes estos algoritmos, teniendo en cuenta que no garantizan el óptimo? Porque la mayoría de los problemas del mundo real no cumplen los requisitos matemáticos impuestos por otras herramientas de optimización matemática que garantizan la obtención del óptimo (por ejemplo, la convexidad).

En consecuencia, no se pueden aplicar los solucionadores que garanticen el óptimo en muchos casos. En estas situaciones, la única forma de alcanzar el óptimo, sin lugar a duda, es realizando una búsqueda exhaustiva, lo cual es imposible para muchos problemas debido a la enorme cardinalidad de su dominio de búsqueda. Por el contrario, la falta de requisitos que imponen los algoritmos de naturaleza y bioinspiración los convierten en una opción adecuada para cualquier tipo de problemas, obteniendo resultados competitivos independientemente del tamaño de la búsqueda del dominio. Es más, pueden abordar no sólo problemas con restricciones (como ocurre a menudo en los problemas de ingeniería), sino que también pueden considerar más de un objetivo de optimización a lo largo de la búsqueda (muy frecuente en los problemas del mundo real en los que la calidad de la solución buscada está condicionada por más de un factor).

La plétora de algoritmos de optimización de inspiración biológica aumenta cada año, ya que casi cualquier proceso observado en la naturaleza puede transformarse en un algoritmo de optimiza-

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Fig. 1. Número de artículos con optimización bioinspirada y optimización inspirada en la naturaleza en el título, el resumen y/o las palabras clave, durante el periodo 2005- 2020 (base de datos Scopus)

ción. En particular, la última década ha sido testigo de una verdadera explosión de nuevas propuestas de solucionadores bioinspirados. La Fig. 1. muestra el crecimiento exponencial de los trabajos relacionados con este campo en los últimos 15 años. Esto ha estimulado los esfuerzos por reunir y clasificar estas propuestas bajo principios taxonómicos claros. Entre estos esfuerzos, destacamos [7], en el que se presentan dos taxonomías que categorizan estos algoritmos. La primera taxonomía los clasifica en función de su inspiración natural o biológica, mientras que en la segunda los algoritmos se organizan basándose exclusivamente en su comportamiento. Una conclusión reveladora de esta última taxonomía es el hecho de que, desde el punto de vista del comportamiento, todos los algoritmos de inspiración biológica pueden resumirse en un subconjunto de métodos influyentes. Este hallazgo conecta con las partes malas y feas de la investigación en optimización bioinspirada, que discutimos críticamente en lo que sigue.

2. OPTIMIZACIÓN INSPIRADA EN LA NATURALEZA Y EN LA BIOLOGÍA: LO BUENO, LO MALO Y LO FEO

En esta sección analizamos la situación actual de la optimización inspirada en la naturaleza y la biología, haciendo hincapié en las numerosas aplicaciones que aprovechan los resultados de esta área de investigación (lo bueno), la falta de innovación algorítmica en los algorit-

mos inspirados en metáforas novedosas (lo malo) y las malas prácticas (lo feo) que ha experimentado el área en los últimos tiempos.

2.1. LO BUENO: UN PRESENTE Y UN FUTURO LLENO DE APLICACIONES APASIONANTES Un hecho innegable es que los algoritmos de optimización inspirados en la naturaleza y en la biología se han aplicado a una gran variedad de problemas de optimización que surgen en diferentes disciplinas. En [8] se presentan muchos ejemplos sobre el uso de técnicas bioinspiradas para resolver procesos de ingeniería del mundo real. Además, el diseño estructural y la ingeniería civil también han adoptado en gran medida los beneficios de los solucionadores inspirados en la naturaleza y la bioinspiración para diversos problemas, incluyendo el diseño multicriterio de estructuras [9], la logística y la gestión de la cadena de suministro [10], por citar algunos.

Desde el punto de vista de la investigación, a lo largo de los años se han desarrollado varias competiciones internacionales para probar nuevas propuestas de forma imparcial y replicable. En dichas competiciones la ED ha creado un gran impacto como algoritmo meta-heurístico principal de los competidores ganadores en las competiciones de optimización global celebradas en conferencias de renombre (GECCO y CEC) durante la última década [11]. Recientemente, los algoritmos bioinspirados han cobrado impulso en virtud de la evidencia reportada en torno

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a su uso para evolucionar y mejorar otras técnicas de Inteligencia Artificial: más notablemente, la optimización de la estructura y los parámetros de entrenamiento de las redes neuronales profundas [12], o la creación de nuevos modelos basados en datos desde cero (es decir, mediante la evolución de primitivas de procesamiento de datos muy esenciales) que se ha presentado recientemente en el trabajo pionero de Google [13].

2.2. LO MALO: LAS METÁFORAS NOVEDOSAS NO CONDUCEN A SOLUCIONES INNOVADORAS Como se ha mencionado anteriormente, en las últimas décadas se ha propuesto una cantidad cada vez mayor de nuevas técnicas de optimización bioinspiradas (véase la Fig. 1). Este abrumador número de alternativas podría dificultar la elección de una opción adecuada para un determinado problema de optimización. El gran número de propuestas no sólo pone en duda la conveniencia de elegir uno u otro algoritmo, sino que también ha dado lugar a solucionadores que, aun basándose en metáforas diferentes, son matemáticamente demasiado similares a los algoritmos de optimización ya existentes.

En otras palabras, a pesar de la diversidad de métodos teniendo en cuenta su inspiración natural, dicha diversidad no se mantiene en lo que respecta a las diferencias matemáticas, tal y como exponen estudios recientes [14].

Dejando a un lado las razones particulares, algunos algoritmos no se crean para resolver problemas y proporcionar una ventaja práctica, sino principalmente para ser publicados y ganar notoriedad sin tener en cuenta su falta de novedad e innovación algorítmica. Ejemplos de esta controversia pueden encontrarse en [15], que afirma que varios algoritmos pueden considerarse casos particulares de otros anteriores. En estos casos, las nuevas propuestas pueden ser más sencillas que las anteriores, pero no consiguen mejores resultados. En resumen, la novedad inspiradora del diseño de la propuesta no justifica un rendimiento comparativamente peor que el de otros solucionadores establecidos, o incluso la equivalencia matemática de sus pasos algorítmicos cuando se comparan con otros algoritmos.

2.3. LO DESAGRADABLE: MALAS PRÁCTICAS METODOLÓGICAS Una cuestión alarmante que prevalece en el área, además del número de propuestas basadas en metáforas, es la

falta de un estudio experimental justo que demuestre su competitividad en comparación con los solucionadores existentes. En muchas contribuciones de investigación, los algoritmos de optimización bioinspirados recién introducidos no se comparan con técnicas relevantes, sino sólo con solucionadores clásicos ya superados por enfoques más recientes.

Por lo tanto, la mejora de su rendimiento no es en realidad una prueba fiable de la competitividad del rendimiento, sino más bien una elección conveniente de contrapartes de comparación. Además, el diseño experimental a menudo no es correcto: por ejemplo, el óptimo de las funciones probadas suele estar en el centro de la búsqueda del dominio, lo que favorece a los solucionadores que centran su búsqueda en esta región del espacio de soluciones. Además, también se suele pasar por alto la importancia estadística de las diferencias de rendimiento entre algoritmos, a pesar de la variabilidad de los resultados que imprime la naturaleza estocástica de estos algoritmos.

Otra preocupación importante en este ámbito es la cuestionable reproducibilidad de los estudios publicados: la única prueba de que una propuesta es competitiva se realiza experimentalmente, por lo que es de suma importancia que los resultados puedan ser reproducidos, comprobados y verificados por terceros, idealmente por un equipo diferente al que propone el nuevo algoritmo. Desgraciadamente, en la mayoría de los casos esto no es posible porque la implementación de los algoritmos no está disponible, o porque falta información importante para la replicabilidad de los experimentos [16].

Cada vez son más los investigadores que defienden que una metáfora novedosa no es suficiente para que un nuevo algoritmo bioinspirado se considere un paso más allá del estado del arte. En su lugar, deben demostrarse con pruebas empíricas varios factores, como un rendimiento superior al estado del arte, la innovación en el diseño de sus componentes y operadores matemáticos, o las ventajas no funcionales que los hacen más apropiados para los problemas de optimización del mundo real en comparación con otras alternativas, por ejemplo, una menor complejidad computacional, una menor huella de memoria o propiedades como una convergencia más rápida [17].

Instamos encarecidamente a los lectores interesados a que adopten las prácticas metodológicas recomendadas en [18], considerando las propuestas que han sido

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probadas con técnicas modernas, utilizando puntos de referencia estándar y con pruebas estadísticas adecuadas para arrojar luz sobre la relevancia de las diferencias de rendimiento. Desgraciadamente, muchas propuestas recientes no siguen estas directrices, quedando como evidencia del lado feo que aún prevalece en esta área de investigación.

3. LA ESPERANZA: ¿QUÉ ES LO SIGUIENTE EN LA OPTIMIZACIÓN INSPIRADA EN LA NATURALEZA Y EN LA BIOLOGÍA?

El primer gran reto dentro de la optimización bioinspirada es mejorar los métodos descubiertos hasta ahora por la comunidad, y dejar atrás la búsqueda de nuevas fuentes de inspiración biológica para concebir nuevos modelos. Una notación y descripción unificadas de las nuevas propuestas bioinspiradas podría ser útil para determinar si hay algún valor en ellas, y permitir que todo el mundo adquiera un conocimiento claro e inequívoco del estado del arte del área en la actualidad.

Otra dirección de interés para el futuro de la investigación en optimización bioinspirada es el desarrollo de marcos y bibliotecas que puedan facilitar la aplicación de estos algoritmos a problemas complejos de ingeniería, sin necesidad de tener conocimientos expertos sobre ellos.

Para aquellos problemas de ingeniería en los que la evaluación de una única solución puede llevar mucho tiempo (como los casos en los que se necesitan simulaciones para ello, por ejemplo, la dinámica de fluidos computacional), cada vez es más necesario diseñar algoritmos especialmente pensados para hacer frente a esta circunstancia. Los escenarios con objetivos contradictorios también son demandados por los procesos de ingeniería, lo que estimula una mayor investigación sobre los solucionadores bioinspirados para los problemas de optimización multiobjetivo del mundo real.

Por último, prevemos que la optimización bioinspirada asumirá un papel capital cuando se utilice para mejorar la generalización de las técnicas de Inteligencia Artificial, aprovechando el paralelismo inherente a esta clase de algoritmos.

Destacamos el potencial de los solucionadores bioinspirados para evolucionar las primitivas de procesamiento de datos, que pueden desvelar generaciones radicalmente nuevas de modelos basados en datos y algoritmos de aprendizaje que di-

Cod. 10331 | Tecnología de las telecomunicaciones | 3325.99-5 Inteligencia artificial

fieren estructural y operativamente de los conocidos hoy en día.

En resumen, como conclusión principal, destacamos que la optimización inspirada en la naturaleza y en la biología es algo más que un campo de investigación apasionante con dificultades similares a las de otros campos con un número creciente de propuestas. Los algoritmos pertenecientes a este campo son grandes herramientas para optimizar problemas complejos de ingeniería. Los avances en este campo nos benefician a todos al ofrecer posibilidades más amplias y un territorio inexplorado para la investigación futura, que cristalizará en un impacto práctico siempre que se garanticen las buenas prácticas metodológicas y un compromiso global de la comunidad para una investigación valiosa. Sólo si se sigue este camino de principios, los solucionadores innovadores con algoritmos inspirados en la naturaleza y la biología proliferarán vigorosamente en las aplicaciones de ingeniería del mundo real.

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AGRADECIMIENTOS

F. Herrera, D. Molina y J. Poyatos cuentan con el apoyo del proyecto de Excelencia Andaluza P18-FR-4961, el proyecto de infraestructura con referencia EQC2018-005084-P y el proyecto de I+D+i con referencia PID2020-119478GB-I00 concedidos por el Ministerio de Ciencia e Innovación de España y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER). Javier Del Ser agradece al Gobierno Vasco el apoyo financiero recibido a través de los programas EMAITEK y ELKARTEK, así como al Grupo de Investigación Consolidado MATHMODE (IT1294-19) concedido por el Departamento de Educación de esta institución.

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nnnnnota

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técnica

Selección del proceso de manufactura a partir de la matriz QFD en un dispositivo de sujeción para mascarillas Manufacturing process selection from the QFD matrix in a fixing device for face masks nnnn

Adrian-José Benítez-Lozano, Juliana GiraldoHernández y Karla C. Álvarez–Uribe Instituto Tecnológico Metropolitano (Colombia) DOI: https://doi.org/10.6036/10249

Este trabajo presenta un análisis para la selección del proceso de manufactura más adecuado para el escalado industrial de un dispositivo de sujeción para tapabocas. Este análisis surge de la aplicación de la casa de la calidad en el marco de la metodología “Quality Function Deployment” (QFD) [1]. En primer lugar, se interpretó las necesidades del cliente empleando el método Kano, el cual tiene como objetivo identificar las necesidades particulares del cliente frente a un producto. Estas necesidades, sumado a los requerimientos técnicos constituyen el punto de partida para realizar la primera matriz QFD. Posteriormente, se presenta la escala correspondiente a estas necesidades en orden de importancia, la correlación entre ellos y los requerimientos técnicos. Finalmente, se muestra el diseño preliminar del dispositivo de sujeción para tapabocas especificando su funcionalidad. Este procedimiento permitió obtener un prototipo del dispositivo a través de impresión 3D por deposición de material fundido. Con este

desarrollo se pretende brindar un acercamiento hacia un diseño final del dispositivo, seleccionando adecuadamente el proceso de manufactura que permita una viabilidad de producción y un escalado a nivel industrial.

En la figura 1(a) se muestra la casa de la calidad, correspondiente a la primera matriz de la metodología QFD y la aplicación del modelo Kano [1] en su fase preliminar para el dispositivo de sujeción para tapabocas. En la figura 1(b) se presenta el diseño inicial y en la figura 1(c) el prototipo obtenido a través de manufactura aditiva. El diseño inicial cuenta con tres pestañas de graduación de acuerdo con la anatomía y longitud del perímetro de la zona anterior de la cabeza. Gracias a la flexibilidad lograda en función del espesor, se logró un diseño ligero y no robusto con el fin de alcanzar una fácil adaptación a la forma oval del lóbulo occipital.

Su parte central es maciza con el objetivo de otorgar un mayor soporte, dureza y rigidez necesaria al dispositivo, cumpliendo en principio los requerimientos de resistencia a la ruptura, deformación y caídas.

Posteriormente, se desarrolló un análisis entre el equipo de ingeniería para la selección de los procesos manufactureros aplicables al dispositivo de sujeción de tapabocas (ver tabla 1).

Tabla 1. Procesos aplicables a la manufactura del sujetador de tapabocas. Imágenes adaptadas de [2], [3] 118 | ISSN-L: 0012-7361 | 118 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

Entre los 4 procesos seleccionados fue indispensable revisar sus capacidades productivas relacionando los costos y volúmenes de producción, que permitan identificar el proceso aplicable. La tabla 1 es construida basada en el análisis de los diversos procesos de manufactura y su relación con las configuraciones productivas con el propósito de seleccionar el proceso que permita lograr la decisión estratégica más conveniente de acuerdo con criterios técnicos y económicos del proceso de producción para fabricar el producto. Estas decisiones estarían enfocadas de acuerdo con la política productiva de la organización. El análisis desarrollado para la producción del dispositivo permitió concluir que para bajos volúmenes de producción (1 a 3000 unidades) una impresión 3D o un proceso de fundición podría ser viable, mientras que, para altos volúmenes (más de 50000 unidades) un moldeo por inyección o troquelado seria seleccionado.

Finalmente, es importante indicar que las mascarillas de protección se han convertido a nivel mundial en una prenda esencial que ha cambiado las tendencias de consumo en corto tiempo. Debido al consumo masivo que constituye este producto, el dispositivo desarrollado se enmarca como una opción de uso recurrente. Esta razón motiva a seleccionar

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una producción a través de moldeo por inyección con materiales flexibles, económicos y resistentes a las deformaciones y rupturas (p.e. el polipropileno (PP)), el cual puede convertirse en una opción viable para su manufactura.

REFERENCIAS

nota técnicannnn

[1] J . Hernandez Giraldo and A. Benitez Lozano, “Implementation of the first QFD matrix in a fixing device for face masks,” Dyna Mangement, vol. 9, pp. 1–12, 2021.

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545–554, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j. promfg.2017.07.148.

Figura 1. a) Matriz QFD para el dispositivo b) Diseño inicial de dispositivo de sujeción para tapabocas (medidas en mm) c) Prototipo construido a través de manufactura aditiva [1] Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 119 | ISSN-L: 0012-7361 | 119

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nnnncolaboración

Prueba de fluencia para conductores aéreos usando palanca accionada por pesos muertos Creep test for overhead conductors using deadweight actuated lever nnnn

Antonio Ramírez-Martínez1, Leonardo BarrigaRodríguez1, Luis-Govinda García-Valdovinos1, Noe-Amir Rodríguez-Olivares1 y Álvaro Sánchez-Rodríguez2 1 CIDESI (México) 2 TecNM Celaya (México)

carga de tracción constante a la temperatura de interés y observando el cambio de

Algunos investigadores han trabajado en el diseño de máquinas con disposición vertical para el ensayo de fluencia viscosa actuada por pesos [10, 11, 12] y también para el ensayo de fluencia transitoria [13, 14], centrándose en el análisis de tensiones de piezas estructurales, pero en lo que respecta a la carga, no se muestra su comportamiento de precisión y no se puede asegurar que los dispositivos cumplan

DOI: https://doi.org/10.6036/10245

1. INTRODUCCIÓN

El fenómeno de la fluencia de los conductores de las líneas de transmisión es una función compleja de las variables tiempo-temperatura-estrés, la precisión del cálculo de la tensión es un requisito relevante para entender este problema, por lo que es necesario realizar ensayos de laboratorio. Sin embargo, deben estar bajo requisitos específicos [1, 2].

Una aplicación relevante para la prueba de fluencia de los conductores aéreos son los métodos de cálculo de la tensión de pandeo que calculan el cambio de pandeo del conductor en función de la temperatura y el tiempo del conductor [3, 4].

La figura 1(c) contiene los principales requisitos para ejecutar el ensayo de fluencia. Se han extraído de las normas [5, 6] que regulan los métodos de ensayo de fluencia para los conductores de aluminio de las líneas eléctricas aéreas.

El requisito de tiempo de carga debe tener una atención especial, ya que el rango de deformación que puede registrar la palanca es limitado, en función del rango de trabajo útil. El tiempo de colocación de la carga permite que la muestra se deforme lo suficiente según la ley de Hooke y la deformación restante de fluencia que debe absorber la palanca es relativamente pequeña. Debido a esta característica, el mecanismo debe disponer de una unidad de tracción que permita posicionarla a la altura adecuada.

Los datos de fluencia suelen asegurarse sometiendo una probeta metálica a una

Figura 1. (a) y (b) comportamiento del fenómeno de fluencia, (c) Requisitos para el procedimiento de ensayo de fluencia

longitud en función del tiempo; la figura 1(a) y la figura 1(b) muestran el comportamiento que debe presentar el material o la aleación durante los ensayos de fluencia.

Los estudios han progresado siguiendo líneas empíricas, tratando de determinar la mejor relación entre los resultados experimentales disponibles útiles para desarrollar teorías. Las investigaciones más recientes han utilizado redes neuronales en la predicción de la tensión de rotura por fluencia en aceros ferríticos [7]; otras han utilizado métodos de desarrollo más recientes dentro del campo del aprendizaje automatizado, como es el modelo de máquinas de vectores de apoyo para la regresión (SVMR) [8,9]. Una de las variables dentro de los ensayos de fluencia a controlar es la carga de tracción-compresión de precisión, por lo que desarrollar un dispositivo fiable accionado por pesos muertos con una disposición horizontal para probetas de gran longitud es un reto interesante.

120 | ISSN-L: 0012-7361 | 120-125 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

con el requisito de la precisión de la carga.

Aunque la norma [15] valida el uso de una máquina con palanca accionada por pesos muertos para el ensayo de fluencia, sólo menciona la máquina de disposición vertical pero no la horizontal. Asimismo, la norma [6] aprueba la realización de ensayos de fluencia con dispositivos eléctricos para controlar automáticamente la precisión de la carga de tracción como los ensayos realizados en [16, 17,18], estos trabajos tienen la característica de que las probetas tienen una dimensión de longitud corta y el ensayo se realiza en una máquina de disposición vertical.

Este trabajo tiene como objetivo desarrollar una palanca integrada en una máquina de trazado horizontal para cumplir con la norma [5], referida a la precisión de la carga que puede ser aplicada tanto para conductores usados como nuevos de cualquier marca y evaluar algunas características de interés como en [19].

Como el fenómeno de la deformación

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colaboraciónnnnn

Figura 2. (a) y (b) Vistas de sistemas de máquinas horizontales, (c) relación entre el conductor de alargamiento lineal y el movimiento de rotación de la palanca

influye directamente en la posición de la palanca debido a la longitud de la probeta, se analiza la carga de tracción generada en diferentes posiciones para validar la geometría propuesta.

2. MATERIAL Y MÉTODOS

Aunque el objetivo principal de este trabajo es analizar la precisión de la carga de tracción de la palanca durante la realización del ensayo de fluencia, es necesario conceptualizar la máquina de disposición horizontal de la carga de tracción. La figura 2 muestra este concepto. El trazado propuesto consiste en una estructura mecanosoldada compuesta por un conjunto de raíles sobre los que se colocan los elementos estáticos y de sujeción que soportan la carga de tracción aplicada, por lo que estos materiales deben tener una resistencia a la fluencia superior a la de los materiales a ensayar [20]. Dispone de bases metálicas para dar la altura necesaria que permita la rotación de la palanca y el contrapeso sin interferir en el rendimiento de la carga de tracción.

Otro elemento esencial es el sistema de tracción, que permite colocar la palanca a la altura adecuada para ejercer eficazmente la fuerza de tracción sobre la probeta. El sistema de tracción consta de los siguientes elementos: un motorreductor, dos guías lineales, un husillo de bolas y dos vigas paralelas, Figura 2(a). El mecanismo de palanca consta de una rótula, un contrapeso, dos cojinetes de apoyo y la palanca (Figura 2(b)). La rótula juega un papel fundamental porque su función es eliminar la excentricidad de la carga. Es necesaria porque los tiempos de ruptura por fluencia son funciones severas de la tensión aplicada. Por lo tanto, pequeños aumentos de la tensión inducidos por la carga excéntrica pueden reducir considerablemente los tiempos de ruptura por fluencia [21].

La instrumentación consta de una cé-

lula de carga para medir la carga de tracción, un codificador lineal para medir la deformación y un conjunto de termopares para medir la temperatura del conductor.

La principal variable de estudio en el diseño de la palanca es el ángulo y que forman el lado del esfuerzo L y el lado de la carga R. Para el análisis, se toman los valores de L = 1060 mm y R = 70 mm para un diseño de carga máxima de 50 000 N, Figura 3(a).

La palanca se complementa con dos unidades de brida con rodamientos en Y fijados a los ríeles metálicos mediante pernos, que la sostienen y le permiten girar sobre su eje, lo que permite que el movimiento sea suave en el tiempo a medida que el conductor se deforma. También dispone de una rótula que sujeta y mantiene el conductor colineal a la viga de la célula, que funciona como punto fijo durante el ensayo, eliminando las excentricidades de la carga, Figura 2(b).

La figura 3(b) muestra el diagrama de cuerpo libre de la palanca para calcular la carga de tracción ejercida en cualquier ángulo y transmitida al conductor utilizando el concepto básico Mo = rp/ox F. Es necesario destacar que dos piezas de rótula soportan el cable en ambos extremos y que el lugar adecuado para instalar la célula de carga es en el lado del punto p después de la rótula, lo que permite que

la fuerza ejercida por la palanca al cable sea siempre colineal al punto en cualquier posición del ángulo alfa.

Se elige un nuevo sistema de coordenadas X’Y’ para reducir el cálculo, Figura 3(b). El concepto que apoya esta elección es que los momentos son vectores libres, y el escalar resultante, después de toda la aritmética, será el mismo sea cual sea el sistema de coordenadas [22]. El análisis de la precisión de la carga de tracción (TLA) aplicada a la probeta comienza con el cálculo del momento que el peso suspendido wm en el extremo del lado de la palanca de esfuerzo y el mismo peso de la palanca wb genera en el punto de apoyo O. (1) A partir de la figura 3(b) se obtienen las siguientes relaciones para calcular la carga de tracción desconocida Tc. (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)

Figura 3. (a) Variables principales de la palanca, (b) Ensayo de fluencia Diagrama de cuerpo libre de la palanca Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 120-125 | ISSN-L: 0012-7361 | 121

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nnnncolaboración

Combinando las ecuaciones anteriores: (9)

En este punto, el objetivo es evaluar la ecuación (9) para un rango de valores de a y el ángulo seleccionado y ángulo para verificar cuál de ellos tiene una carga de tracción mínima Tc que cumpla el requisito de la norma IEC 61395, que establece la precisión de ±1% o un valor de ±120 N, el que sea mayor. Los siguientes valores se obtuvieron a partir del modelo 3D del software SolidWorks; wb= 601,254 N, j= 9,87°, y l3=502,35 mm.

3. RESULTADOS

En esta sección se evaluarán los métodos analítico y numérico. El análisis comienza con el método analítico que evalúa la ecuación (9) para un ángulo y con un intervalo de 0°≤a≤ 40° utilizando el software Matlab.

La palanca puede tener un intervalo mayor para cubrir la tensión del conductor, por ejemplo, 0°≤a≤ 70° más -20°≤a≤ 0° o incluso mayores, son útiles en un ensayo como el del fenómeno de fluencia en caliente, que puede requerir una medición de la deformación de mayor longitud durante el periodo de 1000 horas debido a los gradientes de temperaturas. El uso del rango para valores negativos de a tiene implicaciones que afectan a las dimensiones de la máquina, como la altura de las bases metálicas y la longitud del contrapeso, incluyendo las dimensiones de la placa de peso muerto, afectando al rango útil de trabajo. Es debido a estas últimas restricciones la selección de la primera gama de trabajo.

Los valores de carga de tracción que se aplican al conductor se han tomado de los documentos [23, 24] que recomiendan el 15%, 20%, 25% y 30% del RTS del conductor. Dado que los valores extremos de la lista representan el comportamiento del TLA, sólo se analizarán éstos con longitudes de probeta l1 =12 500 mm y l2 =2 500 mm para el cálculo.

A partir de la tendencia de las curvas de la Figura 4, se puede observar que hay y valores que pueden tener una variación de carga inferior a la exigida por la norma IEC 61395 tanto para valores altos como bajos de RTS de los conductores. Para este trabajo, el objetivo es encontrar el mejor valor de rendimiento para ambos niveles de carga. La figura 4(c) resume las cur-

Figura 4. (a) y (b) Carga de tracción vs. ángulo a, gráficos de Matlab de la longitud del conductor de l1 y l2 (a) 30% RTS y (b) 15% RTS, (c) resumen de los gráficos

vas de las figuras anteriores, mostrando el TLA. El siguiente método numérico complementa el análisis anterior; se trata de una simulación por ordenador utilizando el módulo de dinámica rígida del software ANSYS (RDAS), cuya intención es validarlo. La figura 5(a) muestra el trazado propuesto, y la figura 5(b) recoge los valores de la simulación para las longitudes de los conductores l1 y l2 al 30% y al 15% de RTS. La estructura consta de un elemento de muelle situado entre el conductor y la horquilla mecánica para emular las condiciones que se dan en el fenómeno natural. Esta simulación se ejecuta girando la palanca hasta la posición deseada a que representa la posición del conductor deformado.

El intervalo de trabajo exacto de 0°≤a≤ 40° para la palanca se analiza.

La elaboración de las filas del resumen del TLA para la tabla 1 se realiza a partir de los valores de carga de tracción de las tablas de la Figura 5(b) y Figure 4(c). Hay

un par de valores de y para analizar en ambas tablas; y = 91,5° y y = 93°. Como se observa en los datos, el valor de y = 91,5° tiene un excelente comportamiento del TLA para probetas de gran longitud y altas cargas RTS, respecto a y = 93°, su comportamiento es excelente para cargas RTS bajas.

Como se mencionó anteriormente, es relevante recordar que la palanca tiene un rango de acción reducido adecuado para cubrir el alargamiento del conductor debido a la carga de tracción aplicada, la temperatura y el enderezamiento del conductor. Según la norma, la medición del alargamiento por el fenómeno de la fluencia comienza después del último paso de la carga, tardando unos 5 minutos en realizar la tarea; esto reduce considerablemente la deformación a registrar. Sin embargo, es necesario calcular el alargamiento mencionado no sólo para el rango de trabajo de la palanca, sino también para calcular la longitud de las guías lineales que permiten a la unidad de tracción posicionar

Figura 5. (a) Esquema del ensayo de fluencia para RDA, (b) Valores de simulación de carga de tracción para diferentes valores de y al 15% y al 30% de RTS

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Tabla 1. Resumen del TLA % (N) para un rango de 0° a 40° para diferentes valores de y calculados en RDAS, l1 =12 500 mm y l2 =2 500, sometido a una carga de 30% y 15% de RTS

guraciones seleccionadas para analizar el comportamiento de la palanca. Es esencial mencionar que la comparación de los cálculos analíticos es para un rango entre 0 ° a 40 °; este rango es más significativo que el que se presenta en un fenómeno natural. Así que las predicciones son mayores que las obtenidas en el laboratorio. Aun así, a simple vista, se observa que la con-

la palanca a la altura recomendada. A partir de los datos técnicos del módulo de elasticidad y del coeficiente de dilatación lineal proporcionados por [25], es posible calcular la deformación causada para la carga de tracción mediante la ecuación (10), que pertenece a la ley de Hooke y también calcular la deformación causada por la temperatura utilizando la ecuación de expansión térmica (11). Con este cálculo, se concluye que el cambio de longitud que sufre el conductor debido a la temperatura representa una variación mínima que no afecta significativamente al rango de trabajo de la palanca.

(10) (11) Recordemos que una característica importante que no debe omitirse en la construcción de un dispositivo de tracción horizontal accionado por pesos muertos es la unidad de tracción porque permite que la palanca alcance el nivel adecuado durante la preparación y la carga, pero sin olvidar que las guías lineales deben tener la longitud correcta para absorber también el estiramiento del conductor, Figura 2(a), que puede ser independiente de las características del conductor. La figura 2(c) muestra el rango natural de la longitud de alargamiento que puede cubrir según los parámetros de la palanca de diseño mencionados anteriormente. La posición más alta recomendada para inicializar la palanca es de 40° con respecto al plano horizontal, con esta consideración es posible evitar las interferencias.

3.1. RESULTADOS EXPERIMENTALES Para validar el análisis anterior de los parámetros de la palanca, ésta y las probetas se sometieron a varios niveles de RTS a ensayos de laboratorio en las instalaciones del LAPEM (Laboratorio de Ensayos Mecánicos y Eléctricos) en el laboratorio de fluencia transitoria. La figura 6 muestra los elementos de prueba de fluencia y el resultado del laboratorio de pruebas.

Los elementos son: (a) sala con tempera-

Figura 6. (a), (b), (c), (d) Elementos para el ensayo de fluencia:, (e) Gráficos de precisión de carga (N) y (f) Deformación (%) de la muestra 1 para una longitud de conductor l1 durante un periodo de 1000 h a una carga del 15% de RTS

tura controlada, que contiene todos los elementos para realizar los ensayos de fluencia para varias RTS simultáneamente, (b) palanca y masas suspendidas, (c) pantalla para monitorizar las variables en tiempo real y (d) el codificador lineal y el extensómetro utilizados.

Recordando que la configuración final de la palanca fue fabricada para cumplir con la norma [5] resultó de y = 91,5°, que tiene una precisión de ±1%. Además, se muestra una prueba experimental con una palanca para una y = 90°, con el fin de comparar los comportamientos reales, tabla (a) en Figura 7. El propósito es comparar los comportamientos reales. La longitud de la probeta utilizada fue l1. La curva de deformación mostrada en este trabajo sólo se utiliza como referencia para verificar el rango de funcionamiento de la palanca y ajustar las cargas previstas. Recordando que estas curvas son parte fundamental de las teorías de fluencia transitoria, se incluye el cálculo de la predicción de alargamiento según la norma de referencia.

La figura 6(e) y la figura 6 (f) muestran los resultados de los experimentos realizados con una probeta cargada al 15% de RTS y y= 91.5°.

La tabla de la figura 7(a) recoge la información final sobre las dos y confi-

figuración para y = 90 ° está totalmente fuera de la especificación contemplada por la norma, por lo que la única que hay que analizar con más detalle es para y = 91.5 °.

Muestra un comportamiento interesante del TLA en relación con los niveles de carga aplicados y la longitud de la muestra. Para el 30% de carga RTS, el TLA es inferior al 1% en el rango de 0-40°, lo que significa que predijo bien el requisito, pero para el 15% de carga RTS para el mismo rango de trabajo, el TLA se sale del requisito estándar. Esta discrepancia entre el TLA predicho y la condición establecida no significa que sean incorrectos.

Considerando que la tensión de los niveles de carga está en el rango elástico, el conductor debe experimentar un máximo de la mitad de la tensión de la muestra sometida a la carga RTS del 30%. Un rango de trabajo aceptable para evaluar la carga de tracción debe ser de 40° a 20°; es suficiente para cubrir la deformación del conductor.

El cálculo de los nuevos valores de carga tiene esta consideración; las cantidades de 17191 N y 17290 N se calculan a partir de las tablas de la figura 4(c) y la figura 5(b); con esta información, se prepara la tabla de la figura 7(b), que muestra un valor de prueba de laboratorio más realista.

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4. CONCLUSIONES

Los datos pertinentes se extrajeron de la solución del método analítico de la ecuación (9) y del método numérico RDAS de simulación por ordenador.

Figura 7. (a) Comparación final entre Matlab, RDAS y la experimentación en laboratorio, para y, l1 cargado al 15% y al 30% de RTS. (b) Ajuste del valor TLA de las predicciones para un 15% de carga RTS

3.2. PREDICCIÓN DEL ALARGAMIENTO DEL CONDUCTOR, SEGÚN LA NORMA IEC 61395 Para realizar el cálculo de la predicción del alargamiento del conductor, los datos registrados en la prueba de laboratorio van de 1 hora a 1000 horas según la duración de la prueba (excluyendo los datos anteriores a 1 hora), recordando que el tiempo de recogida de la información es de forma logarítmica, es decir, las primeras lecturas de la prueba se adquieren con mayor frecuencia, disminuyendo a medida que avanza el tiempo.

Los valores interesantes para el cálculo son: X: r egistro (tiempo en horas) Y: log (porcentaje de tensión del conductor) N = número de datos de 1 hora a 1000 horas.

Para ello, el cálculo utiliza la siguiente ecuación:

Dónde: Ec = Predicción del alargamiento (%). a y b = P arámetros constantes de la prueba de las probetas. t= Tiempo en horas del periodo de predicción; (8760 para un año, 87600 para diez años).

Para el cálculo de los parámetros a y b se utilizan las ecuaciones (13) y (14): (13) (14) Las tablas de la Figura 8(a) y la Figura 8(b) contienen un extracto de las lecturas de las pruebas de laboratorio al 15% y al 30% de RTS. La tabla de la figura 8(c) incluye el porcentaje esperado de alargamiento de la tabla para 5, 10, 25 y 50 años.

(12)

a) Ambos métodos predijeron que el ángulo de palanca y=91,5° cumple el requisito de precisión de la carga de ±1% sin necesidad de control digital. b) Es posible realizar un ensayo de fluencia para probetas de gran longitud. c) También demostraron que para una muestra sometida a pequeñas cargas, el ángulo y=93° tiene un mejor comportamiento TLA que el ángulo y=91.5°. d) Predicen bien que el uso de una disposición horizontal de la máquina es factible, corroborado con pruebas experimentales. e) La metodología para el ensayo de fluencia fue según la norma IEC 61359. f) Según las pruebas experimentales, el intervalo de 0°≤a≤ 40° es suficiente para el ensayo de fluencia transitoria. g) La metodología para el cálculo de la predicción del alargamiento de la muestra analizada se ajusta a la norma IEC 61385-1998.

Los autores agradecen al Departamento de Ensayos Mecánicos del LAPEM y al ing. Rommel Cadena por permitir la ejecución de la validación experimental en las instalaciones del laboratorio de fluencia transitoria.

NOMENCLATURA

Figura 8. (a) y (b) Tablas de datos del ensayo de laboratorio, (c) Tabla de cálculos de alargamientos porcentuales esperados del conductor analizado en diferentes periodos de tiempo 124 | ISSN-L: 0012-7361 | 120-125 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

CM = centro de masa de la palanca j = Ángulo entre el lado de la palanca de esfuerzo y el centro de masa de la palanca a = Ángulo entre la longitud del lado de la palanca de esfuerzo y la horizontal b = Ángulo entre la longitud del conductor y la línea horizontal formada en la posición vertical del lado de la palanca de carga p = Punto fijo del conductor R = Lado de la resistencia de la palanca (carga) O = Junta de fulcro de la palanca y = Ángulo entre el esfuerzo y el lado de la palanca de carga L = Esfuerzo del lado de la palanca Mo = Momento generado por el peso de la

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masa más el peso de la palanca en el punto de apoyo o RTS = R esistencia a la tracción nominal A = Superficie de la sección transversal del conductor D= Diámetro del cable E= Módulo de elasticidad P= carga Wm = peso de la masa Wb = peso de la palanca Tb = Carga de tracción generada por la palanca Tc = Carga de tracción aplicada al conductor f = Ángulo formado por la distancia perpendicular de la palanca de carga lado y la longitud del conductor p, q, yi = Ángulos implicados para el cálculo de la carga de tracción d = Deformación lineal generada para la fuerza de tracción dt = Deformación lineal generada por la temperatura E = Módulo de elasticidad t0, tf = Temperatura inicial y final g = Coeficiente de dilatación lineal l3 = Distancia perpendicular del centro de masa al punto de apoyo de la palanca l = Longitud del conductor

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Diseño y vibraciones en el martillo neumático rotopercutor Design and vibrations in the rotary hammer nnnn

Beatriz Ivorra-Zaragoza, Silvia NuereMenéndez- Pidal, Sara Gómez-Martín, JuanDavid Cano- Moreno y Miguel Berzal-Rubio Universidad Politécnica de Madrid. Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial (España) DOI: https://doi.org/10.6036/10297

1. INTRODUCCIÓN

El estudio de la transmisión de vibraciones generadas por las máquinas manuales surge para intentar eliminar la causa de determinadas enfermedades profesionales y afectaciones tanto vasculares como osteoarticulares, conocidas como síndrome de vibraciones mano-brazo [1, p. 2].

Si bien es cierto que para reducir la exposición a vibraciones mecánicas existen equipos de protección individual, como los guantes, su eficacia se encuentra en controversia. Según el Instituto Nacional de Seguridad y Salud en el Trabajo de España, en su guía técnica, especifica que su efectividad no se encuentra completamente demostrada y además en ciertos casos puede incrementar el valor de la vibración en la mano [2, p. 33]. Estudios experimentales a través de modelo animal [3, p. 9] así como el realizado por el Instituto Asturiano de Prevención junto con la Universidad de Oviedo [4, p. 107] lo avalan.

Todo esto indica que la mejor forma de cuidar la salud de los trabajadores es reducir la transmisión de la vibración en la máquina.

En la actualidad, la metodología para diseñar una máquina que permite ais-

lar la fuente de vibración, queda recogida en la norma armonizada “UNE-EN 1299:1997+A1” y en el informe técnico “UNE-CR 1030-1”, donde se definen las reglas generales de diseño, para reducir los efectos de la exposición a los riesgos derivados de las máquinas [5, p. 11].

Distintas investigaciones revelan y clarifican que los materiales que mejores resultados proporcionan son los elastómeros debido a su capacidad de amortiguación frente a la vibración. Como el caucho de butilo para optimizar la empuñadura de una sierra circular [6, p. 1], el SBR para una empuñadura de una motoazada [7, p. 1] o la combinación de materiales de lámina de caucho y Rexine para una máquina perforadora [8, p. 1].

Por otro lado, el diseño es un factor decisivo que contribuye a minimizar la transmisión de vibraciones y desde hace años ha llevado a empresas como Robert Bosch España, S.L.U, a desarrollar máquinas con empuñaduras suspendidas, cuyo sistema de amortiguación, se basa por un lado, en mantener en suspensión un tornillo que se enrosca una parte a la empuñadura y la otra a la cabeza de la máquina.

Y por otro lado en un diseño de la empuñadura con forma de fuelle que le permite mayor flexión y una mejor amortiguación [9, pp. 27–31].

Existe un gran abanico de combinaciones no estudiadas (materiales y diseños) que permiten minimizar la trasmisión de vibración en las empuñaduras.

El presente estudio se centra en mejorar la parte de la máquina por donde se trasmite la vibración y está en contacto

Imagen 1: (a) Modelo MS76 Segeda, (b) y (c) Ensamblaje empuñadura 126 | ISSN-L: 0012-7361 | 126-130 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

directo con el operario, esto es, la empuñadura. Además, se ha seleccionado una de las máquinas que más vibraciones trasmite al sistema mano-brazo [10, pp. 422– 423], el martillo neumático rotopercutor (Modelo MS76) fabricado por Segeda.

2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DEL MARTILLO NEUMÁTICO DE PARTIDA El martillo neumático rotopercutor MS76 está diseñado para perforar a mano percutiendo y rotando a la vez, realizando un agujero sobre un terreno duro o abrasivo. Características: Peso (21Kg), Frecuencia de Impactos (33Hz), Vibraciones (18,05m/s2).

Las características mecánicas, la composición química, la forma adecuada de mezclar todos los componentes de la empuñadura original y su diseño forman parte del know-how de la empresa (Segeda).

En la imagen (b) el pasador elástico DIN1481, fabricado en acero inoxidable austenítico, asegura sus componentes contra golpes y vibraciones. La pieza de polietileno APM500 tiene capacidad de amortiguación mecánica, es resistente al desgaste y a la abrasión. El acero F212, es de fácil mecanización debido al alto contenido en azufre y plomo.

El mango en la imagen (c) es de caucho sintético. Para los ensayos reales de materiales seleccionamos el caucho negro porque su composición comparte la mayoría de las características con el sintético entre ellas el negro de humo, este componente empleado en la industria actúa como reforzante, pigmento y agente conductor.

2.2. MATERIALES A ESTUDIAR Aquí, se describen las características de los materiales de estudio, el caucho negro, material de la empuñadura original MS76 y las nuevas propuestas de materiales elastoméricos: el caucho natural, dos tipos de EVA y dos de PU. El Caucho Negro se compone de: 40% cis-1, 4-poliisopreno; 20% negro de humo; 15% SBR; 15% aceites parafínicos; 5% ayudas de proceso, como peróxidos orgánicos; 3% azufre más acelerantes; 1% ZnO y 1% ácido esteárico.

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El Caucho Natural compuesto por: 70% caucho natural; 15% sílice; 10% aceites parafínicos; 3% azufre más acelerantes; 1% ZnO y 1% ácido esteárico.

Respecto al PU tanto para (PU-2) como para (PU-1), su formulación se estructura según la relación estequiometrica (75A/100B). La diferencia de los dos PUs viene marcada por los diferentes porcentajes que hay en el poliol, y en ambos el prepolímeroes común a los dos PUs. El poliol contiene poliéster más un porcentaje de adipato de etilenglicol (EG) y un porcentaje de 1,4 butanodiol (BD) o bien uno de ellos solo. Además, está compuesto por diclorobenzidina, un tipo de alargador de cadena, que permite una mayor polimerización del PU. También contiene antiestáticos como el estearato de butilo y la trietanolamina. Cuenta con colorantes, aditivos como el fosfato de éster clorado, catalizadores (aminas terciarias, DABCO), siliconas o aceites de silicona (polidimetilsiloxano), finalmente espumantes como el agua.

El prepolímero consta de un porcentaje de poliéster y MDI. El poliéster que lleva el poliol y el poliéster que lleva el prepolimero son el mismo producto para que exista compatibilidad en la reacción química.

En cuanto al EVA, tanto la composición del EVA-D50 como del EVA-D30 varían según los elementos que los integran. El EVA-D50 como el EVA-D30 se encuentra conformado por (vinil silano y parafina) fundamentalmente. La composición de ambos está integrada por un copolímero de acetato de vinilo del 18%, un porcentaje de ácido esteárico, un porcentaje de óxido de zinc, un porcentaje de sílice precipitada, un porcentaje de terbutilperoxiisopropilbenceno y por último un porcentaje de azodicarbonamida.

2.3. METODOLOGÍA DE ESTUDIO DE MATERIALES El presente estudio parte de un diseño físico original del martillo rotopercutor Modelo MS76 de Segeda, frente a los nuevos diseños “R1” y “R2” propuestos para mejorar la transmisión de la vibración.

Mediante distintos ensayos reales, se analizan las propiedades y características de cada uno de los elementos que los componen. Finalmente, con objeto de completar el análisis de vibración, se realiza la simulación por elementos finitos para cada uno de los diseños.

2.3.1. Diseños a estudiar La imagen 2 recoge los diseños de las empuñaduras “R1” compuesta por un

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Imagen 2: (d) ”R1”, (e) ”R2” y (f)” Segeda original”

Imagen 3: (g) Ensamblaje vástago de Acero F212 y elemento interno, (h) elemento externo

elemento interno y otro externo que se inserta sobre el elemento interno para facilitar la sustitución cuando se produzca su deterioro por el uso de la máquina. La empuñadura”R2” con sólo un elemento, y la empuñadura “Segeda Original”.

La principal característica del “R1” y “R2” radica en que el elemento interno en contacto con el vástago de acero F212, contiene unos dientes que se prolongan a lo largo del mismo. Su interior está diseñado con un pivote cuyo objetivo es crear espacio entre el vástago y el elemento interno. En las imágenes siguientes se aprecia el ensamblaje del vástago de Acero F212 y el elemento interno, así como el diseño del elemento externo.

2.3.2. Caracterización de los materiales con ensayos reales Para el análisis de materiales y con el fin de obtener su combinación óptima, se parte del concepto de histéresis y resiliencia de polímeros elastoméricos que son fenómenos relacionados entre sí.

Cuando un material es sometido a tracción, con varios ciclos de deformación y recuperación, se genera un calor debido a los ciclos que realiza, transformándose la energía de histéresis en calor [11, p.

312] (Ecuación 1, Material complementario).

El cálculo de la histéresis elástica se ha realizado mediante ensayos dinámicos de tracción cíclicos, tres por cada ensayo.

En ellos se han seguido las normas estandarizadas “UNE-EN ISO 527-1 y UNE-EN ISO 527-3” [12, p. 1] [13, p. 5], así como los parámetros fijados por el CETEC. Las imágenes muestran los gráficos sobre los ensayos dinámicos de tracción cíclicos de los materiales. El área entre las

dos curvas es la histéresis elástica generada por cada material.

Se ha realizado la media total de las 5 probetas de un mismo material y en cada probeta, se ha calculado la media de la energía recuperada y de la energía inicial aplicada (Ecuación 2, Material complementario). Obteniendo los siguientes resultados: - Resiliencia: EVA-D50: 40,48%, PU-2: 49,93 %, Caucho Negro: 63,45 %.

- Histeresis elástica: EVA-D50: 59,51%, PU-2: 50,06%, Caucho Negro: 36,54%.

El material con menor resiliencia y mayor histéresis elástica proporcionará mejor capacidad de amortiguación. Desde este punto de vista el mejor material será el EVA-D50, seguido del PU-2 y por último el Caucho Negro, similar al empleado en “Segeda original”.

2.3.3. Simulación por elementos finitos Se compara“R1” y “R2” con “Segeda original” y se selecciona aquella cuyos materiales que la componen aportan mayor amortiguación frente a la “Segeda original”.

Para ello, se realiza análisis modal, análisis de respuesta armónica y respuesta a la frecuencia de los materiales estudiados.

Se diseña las empuñaduras en Workbench de ANSYS. Así, en“R1”, el análisis tuvo por objeto el elemento interno, el elemento externo y el vástago de acero.

En“R2”, el producto interno y el vástago de acero. Finalmente, “Segeda original” de Caucho Negro y el vástago de acero.

Para el análisis modal en “R1” y “R2” se emplean las combinaciones de materiales: - Elemento interno PU-2 combinado con elementos externos: EVA-D50;

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Imagen 4: Gráficas ensayos dinámicos

EVA-D30; PU-1; Caucho Negro; Caucho Natural.

- Elemento interno Caucho Negro combinado con elementos externos: EVA-D50, EVA-D30, PU-1, PU-2, Caucho Natural.

- Elemento interno EVA-D50 combinado con elementos externos: EVAD30, PU-1, PU-2, Caucho Negro, Caucho Natural.

En “Segeda original”, el Caucho negro.

También, se determinan las frecuencias naturales de las empuñaduras de cada combinación de materiales. El objetivo es analizar las formas de modo y someter las empuñaduras a una carga armónica que varía en frecuencia de 0 a 33Hz, siendo ésta la frecuencia generada por la propia máquina y de esta manera, estudiar su respuesta en términos de desplazamiento y tensión [14, p. 1].

Análisis modal Para conocer las frecuencias naturales de los materiales, según el modelo de las empuñaduras, introducimos en ANSYS el módulo de Young, la densidad, el coeficiente de Poisson y el límite elástico(Apartado 1a, Material complementario), aplicándole restricciones para su posterior análisis de respuesta armónica [14, p. 1].

Como resultado, ANSYS mostrará las frecuencias naturales y la deformación.

Este proceso se realiza a todas las combinaciones de materiales de “R1”, “R2”y “Segeda original”.

Análisis de respuesta armónica Este análisis se basa en el empleo de coordenadas modales ya que, para obtener la solución armónica, se utiliza el método de superposición modal que requiere necesariamente del análisis modal previo.

De forma automática la simulación determina el número de modos necesarios (n)

para realizar una solución lo más precisa posible [14, p. 1].

Se aplica a los ensayos, una fuerza de 100N en –Y, fuerza máxima ejercida por la acción de la mano [15, pp. 3–4] [16, pp.

5–6] [17, pp. 6-7–8], determinando la deformación en dirección Y. Respuesta a la frecuencia Posteriormente, ANSYS representa la deformación a una frecuencia de 0 a 33Hz mediante una gráfica relacionando la amplitud y la frecuencia.

Tras obtenerla deformación se calcula la amortiguación a partir de la ecuación de movimiento de un movimiento amortiguado: Empleando la amplitud de un movimiento amortiguado:

Ecuación 3: Ecuación de movimiento de un movimiento amortiguado

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El estado del arte sobre las formas de minimización de las vibraciones mecánicas se ha revelado como un campo de estudio de gran interés. Si bien existe una gran cantidad de información y estudios científicos al respecto, como los

“R2” Caucho Negro “R1” Caucho Negro–EVA-D50 “R1” Caucho Negro–PU-2 “Segeda original”

relacionados con la efectividad de los guantes [2, p. 33] o las normas “UNE-EN 1299:1997+A1” y la “UNE-CR 1030-1” [5, p. 11] como métodos de reducción de las vibraciones, ninguno demuestra su eficiencia.

Sin embargo, se ha constatado que la mejor forma de minimizar la transmisión de vibraciones es mediante el estudio y análisis de materiales aplicado a las empuñaduras.

Al examinar y analizar los materiales en las investigaciones se constató que el uso de materiales elastoméricos proporcionan mejores resultados. El caucho de butilo, empleado para una empuñadura de una sierra circular [6, p. 1], el SBR para la empuñadura de una motoazada o la combinación de caucho y Rexine para una empuñadura de una máquina perforadora [8, p. 1], los hacen esenciales por su capacidad de amortiguación.

En base a las reflexiones y propuestas de mejora formuladas por otros autores, se ha determinado la necesidad de investigar en materiales distintos a los comúnmente empleados en las empuñaduras para determinar su eficiencia.

Se han estudiado dos tipos tanto de EVA como de PU y el Caucho Natural, realizando la simulación por elementos finitos para “R1”,”R2” y” Segeda original” con el objeto de saber la amortiguación que se produce en las distintas empuñaduras.

En el análisis modal se obtiene la frecuencia natural y su deformación que para “R1” corresponde a la tabla 1.

De las frecuencias naturales obtenidas para todos los materiales analizados se afirma que no va a existir resonancia si se le aplica una frecuencia externa a la empuñadura de 0 a 33Hz, las frecuencias naturales son muy altas respecto a la frecuencia externa de 33Hz. Para que exista resonancia, tienen que coincidir las frecuencias. Si coincidieran la frecuencia de trabajo y la frecuencia natural del material se producirá resonancia aumentando la vibración, generando mayor deformación.

Conocidas las frecuencias naturales y su deformación se realizó el análisis en dirección Y de respuesta armónica a todas

b(kg/s)

t=33s

t=1s

m(kg)

0,2248

0,6343%

19,1097%

0,53

0,2164

0,6345%

19,1163%

0,51

0,2248

0,6343%

19,1097%

0,53

0,2224

0,605%

18,306%

0,55

Tabla 1: Análisis modal empuñadura “R1” (PU-2)/(EVAD50) y su deformación

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las empuñaduras aplicando 100N en dirección –Y [15, pp. 3–4] [16, pp. 5–6] [17, pp. 6-7–8].

Como respuesta a la frecuencia, ANSYS representa la deformación a una frecuencia de 0-33Hz mediante gráfica que relaciona la amplitud y la frecuencia.

Posteriormente se realizan los cálculos de amortiguación a partir de la ecuación de movimiento para un movimiento amortiguado, a todas las empuñaduras con sus correspondientes materiales. De esta manera, el modelo “R1” con material PU-2/EVAD50 y el peso de 0,50kg, se obtiene una amplitud final Af=4,9617mm y una amplitud inicial Ao=4878,2 mm, con un coeficiente de amortiguamiento b=0,2088kg/s para t=33s una amortiguación del 0,624% y para t=1s; la amortiguación es del 18,845%.

Se calcula de cada una de las empuñaduras y sus materiales el porcentaje de amortiguación en t=33s y en t=1s. El tiempo 33s son los 33 periodos de oscilación amortiguada que son equivalentes a los 33Hz a los que opera la máquina y que son los introducidos en ANSYS. Respecto al tiempo de 1s es el periodo de oscilación amortiguado cuyo objetivo es conocer el

porcentaje de amortiguación que se produce en un periodo de oscilación.

Al examinar y comparar los cálculos obtenidos por cada empuñadura constatamos que, “R1” fabricada con Caucho negro-EVA-D50 genera la mayor amortiguación (0,6343% a los 33s) frente a “Segeda original” (0,605% a los 33s).

Como se aprecia en la tabla, los porcentajes de amortiguación son cercanos debido a los materiales elastoméricos empleados. No obstante, la diferencia sí que es significativa para evitar enfermedades profesionales en el sistema mano-brazo causadas por el uso de este tipo de máquinas.

Además, el grado de mejora relativa del porcentaje de amortiguamiento para 1s sería en el caso de “R1” fabricada con Caucho Negro-EVAD50 del 4,43%. Para “R1” con Caucho Negro-PU-2 y para la “R2” fabricada con Caucho Negro, se alcanza el mismo porcentaje del 4,39%.

También se comprueba, de los ensayos realizados, que el peso es un factor importante en la transmisión de la vibración, ya que las empuñaduras diseñadas, “R1”, “R2”tienen un rango de peso comprendido entre 0,51kg y 0,53kg, algo más ligeras que la de “Segeda original”.

colaboraciónnnnn En este sentido se puede fundamentar que el diseño es un factor decisivo, tanto para la amortiguación de la vibración como para el peso.

4. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

Existe un problema de salud provocado por las vibraciones mecánicas que afecta a los trabajadores con el uso de máquinas vibratorias, que en este caso se ha particularizado para un modelo concreto de martillo neumático.

Para esto, se ha optimizado el diseño de la empuñadura para la reducción de las vibraciones que llegan al operario.

Además, se han combinado dos propuestas de diseño de empuñadura con varias combinaciones de materiales debidamente caracterizados a través de ensayos reales, obteniendo su histéresis elástica y resiliencia. El amortiguamiento de cada combinación de diseño y materiales se ha obtenido a través de simulaciones por elementos finitos donde, en primer lugar, se ha comprobado que ninguna de estas combinaciones posee frecuencias propias resonantes gracias a un análisis modal.

Posteriormente, se ha obtenido a través del análisis de respuesta armónica y respuesta a la frecuencia, la amortiguación de las empuñaduras diseñadas. Los resultados muestran que la combinación del diseño denominado “R1”, con materiales Caucho Negro–EVA-D50, presenta un 4.43% de mejora respecto del diseño comercial.

Todos estos pasos, constituyen una metodología de trabajo que puede extrapolarse al estudio de más combinaciones de diseños y materiales para optimizar el amortiguamiento de las empuñaduras de otros modelos de martillos neumáticos rotopercutores así como otras máquinas vibratorias.

Como trabajos futuros, se pretende implementar el diseño optimizado y verificar la mejora obtenida. También, se puede ampliar el rango de materiales de estudio.

REFERENCIAS

Tabla 2: Amortiguación de las empuñaduras

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AGRADECIMIENTOS

El trabajo realizado en este artículo ha sido gracias a la colaboración de la empresa Segeda por la cesión del martillo neumático rotopercutor para su estudio, a la empresa Synthelast S.A. por la cesión de los materiales elastoméricos y al Centro Tecnológico del Calzado y del Plástico CETEC por la ayuda prestada para realizar los ensayos en sus instalaciones.

MATERIAL SUPLEMENTARIO

https://www.revistadyna.com/documentos/pdfs/_ adic/10297-1.pdf

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colaboraciónnnnn

Análisis del control climático en un invernadero de rotación de cultivos Analysis of climate control in a crop rotation greenhouse nnnn

Antonio Ruiz-Celma1, José-Luis Salmerón2, Elena Pulido-Granado1 y José-María Mera-Bravo1 1 Universidad de Extremadura (España) 2 Universidad de Pablo Ovide (España) DOI: https://doi.org/10.6036/10180

1. INTRODUCCIÓN

En Extremadura, la importancia del sector agrícola y sus industrias asociadas es sustancialmente superior a la media nacional. La mayor parte de la producción agrícola en Extremadura se realiza mediante cultivos tradicionales, sin embargo, debido a la alta insolación invernal y a las temperaturas moderadas, es factible el cultivo en invernaderos. El cultivo en invernadero es uno de los métodos más eficaces y utilizados que proporcionan un entorno adecuado para el crecimiento de las plantas, integrando tecnologías pasivas y energías renovables, como la biomasa local, como el hueso de aceituna, que se utilizará como combustible en el generador de aire caliente para calentar el invernadero en lugar de utilizar combustibles fósiles, como el gasóleo agrícola tradicional, puede contribuir significativamente a reducir el consumo de energía [1].

El estudio realizado en este trabajo trata de contribuir al ahorro energético a través de una adecuada gestión de los invernaderos, identificando el coste de la misma, utilizando los invernaderos para cultivar en terrenos que no son naturalmente aptos para el cultivo (MATERIAL SUPLEMENTARIO). Gracias a una mayor eficiencia, los costes unitarios se han reducido, pero al Cultivo Tomate Pepino Melón Frijol Pimienta Berenjena Calabacín Lilium

Temperatura mínima letal (°C) -2 - 0 0 0 0 -2 - 0 -2 - 0 0 0

Temperatura mínima biológica (°C) 8 - 10 10 - 13 12 - 14 10 - 14 10 - 12 9 - 10 4-8 10 - 12

mismo tiempo los precios de mercado han bajado y el beneficio obtenido por hectárea cultivada es menor, lo que obliga a gestionar una mayor superficie para obtener los mismos ingresos. En consecuencia, Extremadura ha perdido un 8,5 % de superficie cultivada entre 2013 y 2018. La principal aportación de este trabajo es proporcionar un método para el cálculo del consumo energético de un invernadero que mantenga las condiciones óptimas para el desarrollo del cultivo, a partir de la caracterización climática de la zona y del cultivo en cuestión, aportando como referencia el consumo por unidad de superficie obtenido de un caso práctico en Extremadura.

Los invernaderos son una alternativa a la línea de investigación dirigida a la utilización de estos terrenos menos productivos o “marginales” para los cultivos energéticos [2], ya que el sistema de cultivo de invernadero hidropónico puede aplicarse en la mayoría de las zonas, (MATERIAL SUPLEMENTARIO ) en este tipo de invernaderos se utilizan sistemas de calefacción para poder cultivar durante los meses más fríos; el uso de generadores de combustión conlleva unas elevadas emisiones de CO2 que se pretenden reducir mediante una evaluación de las necesidades energéticas y la utilización de huesos de aceituna como combustible.

Otro problema radica en la falta de control de los parámetros interiores, lo que afecta negativamente al cultivo, por lo que se propone el uso de equipos de registro de los parámetros climáticos interiores, logrando mejorar la productividad mediante la rotación de cultivos (MATERIAL COMPLEMENTARIO), buscando incrementarla y

Temperatura óptima (°C) Día 22 - 26 24 - 28 24 - 30 21 - 28 22 - 28 22 - 26 20 - 25 20 - 25

Temperatura óptima (°C) Noche 13 - 16 18 - 20 18 - 21 16 - 18 16 - 18 15 - 18 10 - 12 12 - 16

Temperatura biológica máxima (°C) 26 - 30 28 - 32 30 - 34 28 - 35 28 - 32 30 - 32 28 - 35 25 - 30

Temperatura mínima de germinación (°C) 9 - 10 14 - 16 14 - 16 12 - 14 12 - 15 12 - 15 14 - 16 12

adaptarla a la demanda, mediante el control climático, ya que muchos productores utilizan el cultivo en invernadero como medio para aumentar la salud del suelo y la productividad agrícola, pero los beneficios de esta práctica varían dependiendo de las condiciones ambientales y de manejo [3], logrando dichos climas controlados mediante el uso de energías renovables [1], los sistemas agrícolas modernos se caracterizan por un uso intensivo de la tierra y la energía para maximizar las producciones por lo que los invernaderos son una de las mejores formas de ayudar a los pequeños agricultores en la obtención de productos competitivos [4].

2. MATERIALES Y MÉTODOS

Los factores que intervienen son las condiciones climáticas externas, que dependen de la ubicación del invernadero, y las necesidades interiores de cultivo, que dependen de la especie cultivada en el invernadero, ya que hay rotación de cultivos a lo largo del año.

Las herramientas para conseguir los objetivos mencionados son la cubierta de invernadero y el suministro de energía auxiliar, así como la elección del cultivo adecuado. Para el análisis económico, se ha optado por recoger los costes tabulados de la bibliografía especializada, seleccionando los costes correspondientes al equipamiento disponible en el invernadero estudiado y los costes asociados a las actividades que en él se desarrollan: mano de obra, productos fitosanitarios, costes de la planta, etc.

El mismo proceso se realiza considerando el equipamiento y las actividades que se realizan para un invernadero tipo parral y el cultivo tradicional para su comparación.

En cuanto a los ingresos por venta de producto, se toma un rendimiento medio de Temperatura óptima de germinación (°C) 20 - 30 20 - 30 20 - 30 20 - 30 20 - 30 20 - 30 20 - 25 14

Humedad relativa (%)

pH óptimo

Luminosidad óptima (klx)

60 - 80 65 - 80 65 - 80 65 - 70 70 - 75 50 - 65 65-80 80 - 85

5,8 – 7,2 5,7 – 7,2 5,7 – 7,2 5,8 – 6,8 6,3 – 7,8 5,4 – 6,0 5,6 – 6,8 5,5 - 6,5

1-4 1-2 1-2 2-3 1-3 2-5 1-2 2-3

Tabla 1. Condiciones requeridas en interiores para diferentes cultivos Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 131-134 | ISSN-L: 0012-7361 | 131

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la cosecha por unidad de superficie según el tipo de invernadero y se comparan estos rendimientos considerando el mismo precio medio del producto, que se confronta con el coste de inversión por unidad de superficie y el coste de explotación anual de cada tipo de invernadero.

Se elabora un estudio técnico y económico para la consecución de estos objetivos, así como un caso práctico en Extremadura (MATERIAL SUPLEMENTARIO).

Así, el primer paso consiste en identificar el clima exterior teórico a lo largo del año en Extremadura. Para la temperatura, se ha utilizado la temperatura media de las medias mensuales de los últimos 15 años para cada mes (MATERIAL SUPLEMENTARIO).

El segundo paso consiste en identificar el clima interior adecuado para el cultivo, la temperatura máxima y mínima y la humedad relativa, entre las especies comunes a cultivar en invernaderos en España. Las condiciones climáticas interiores adecuadas para el cultivo se muestran en la Tabla 1.

La secuencia de rotación de cultivos seleccionada en este estudio consiste en un cultivo de calabacín (curcubitacea) de diciembre a febrero, seguido en marzo por un cultivo de tomate (solanácea) hasta mayo, de junio a agosto un cultivo de melón (curcubitacea) y concluyendo con un cultivo de pimiento (solanácea) de septiembre a noviembre (MATERIAL SUPLEMENTARIO).

La rotación natural de los cultivos tra-

en invierno hay un cultivo de brasicáceas, a la primavera siguiente comienza un cultivo de leguminosas y cuando este cultivo termina, comienza un cultivo de curcubitáceas [6] y [7].

En base a lo anterior, en este estudio se ha decidido dividir la rotación anual de los cultivos en función de las necesidades climáticas de los mismos, según su adecuación al clima exterior, con el fin de optimizar la demanda energética, teniendo en cuenta además la inversión en equipos, la adecuación de la productividad y la rentabilidad por importe. El diseño del invernadero es un problema de optimización multifactorial (MATERIAL COMPLEMENTARIO).

En cuanto al coste de inversión, una estructura multitúnel tiene un coste de inversión de 18 €/m2, la cubierta de polietileno triplast cuesta 1,36 €/m2, un sistema de calefacción indirecta (0,5 MW) cuesta 40.000 € y el sistema de riego por goteo cuesta 1,4 €/m 2[8]. Para un invernadero de tipo 4 dedicado al cultivo de tomate, que a pesar de tener unas dimensiones de altura de cumbrera y bajo cumbrera inferiores a las del invernadero de estudio en el caso práctico, tiene un equipamiento similar en cuanto a los materiales de cubierta, el sistema de ventilación lateral y cenital con mallas antiinsectos, el sustrato y la presencia de un sistema de calefacción tiene unos costes totales sin considerar el coste de oportunidad de 105.230 €/ha frente al

coste de 71.750 €/ha para un invernadero de tipo 1, de estructura metálica, cubierto con malla, con cultivo en suelo y sin calefacción y frente a un coste de 15.400 €/ ha para el cultivo tradicional (al aire libre), estimado a partir de la relación de costes de [8]-[10].

El desarrollo de los cultivos requiere un riego abundante, sin embargo el suelo no es apto para los cultivos, por lo que se aplica junto con el agua de riego un fertilizante complejo N-P-K-Ca-Mg, 4-1,8-5-5-0,7, cuya conductancia eléctrica es de 1,9 mS y pH 6,2, sobre un sustrato de fibra de coco con pH entre 5,5, suponiendo un aporte de 0,29 l/m 2∙día, con un volumen drenado del 20 %, y un tratamiento foliar con abono complejo N-P-K, 1-7-3.

Para estimar la demanda de energía, el balance energético en el invernadero utilizado se muestra en Fig.(1).

Los resultados teóricos de la demanda energética se contrastarán mediante experimentos, en los que se registrará la temperatura interior del invernadero en diferentes días y, en función de la temperatura exterior registrada en los mismos días, se estimará la demanda. Asimismo, la medición de las condiciones climáticas interiores sirve para identificar aquellos valores que favorecen el desarrollo de las plantas y para detectar posibles anomalías en la cubierta, a partir de lecturas como un gradiente térmico adverso, una luminosi-

Fig. 1. Balance energético en un invernadero (MATERIAL SUPLEMENTARIO)

dicionales consiste en un cultivo de cucurbitáceas (como el calabacín, el pepino o el melón), seguido de un cultivo de brassicáceas (como coliflor o brócoli), luego un cultivo de solanáceas (como tomate, pimiento, tabaco, patata o berenjena y terminando el ciclo con un cultivo de fabáceas (legumbres) [5] - [7], esta secuencia de cultivo tiene una duración habitual de dos años, si las condiciones climáticas son favorables y se acelera el crecimiento se puede añadir a la secuencia un cultivo de cereales de invierno [6]. La mayoría de estos cultivos en los sistemas de cultivo tradicionales comienzan en primavera, con un cultivo de solanáceas y terminan en verano, normalmente

Fig. 2. Diagrama de flujo de la operación con la referida restricción

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Cultivo Tomate Melón Pimienta Calabacín

Rango de temperatura (°C) Día 28 - 48 18 - 31 20 - 38 10 - 27

Rango de temperatura (°C) Noche 21 - 29 11 - 25 16 - 28 8 - 15

colaboraciónnnnn Rango de humedad relativa (%) 45 - 79 61 - 85 55 - 78 45-84

pH 6,2 6,1 6,5 6,1

Rango de luminosidad (klx) 2,0-2,5 1,2-1,8 2,5-2,8 1,0-1,5

Tabla 2. Mediciones de las condiciones interiores

Calefacción (GJ/m Radiación solar Ventilación (GJ/ Refrigeración Total (GJ/m 2) 2 ) (%) (GJ/m 2) (%) m2) (%) (GJ/m 2) (%) (%) 0,21 5,51 2,87 0,26 8,85 100 2 62 33 3 Tabla 3. Estimación de la demanda energética a lo largo del año con esta secuencia de cultivo

Temporada Calefacción (GJ) (%) Refrigeración (GJ) Antes del estudio (2018-2019) 720 690 Antes del estudio (2019-2020) 750 720 Después del seguimiento 529,2 655,2 Tabla 4. Estimación de la demanda energética a lo largo del año con esta secuencia de cultivo

dad inadecuada o altas fluctuaciones de humedad, entre otras.

La posible limitación de esta metodología radica en el cambio climático con valores de temperatura más extremos registrados que pueden limitar la idoneidad de las condiciones climáticas tomadas como referencia, fig. (2), en este caso habría que modificar los valores climáticos del exterior, así como modificar la secuencia de cultivos en busca de una mejor adecuación.

La explicación de la fig. (2) es la siguiente: partimos de un invernadero, con un equipamiento y características en una ubicación, la cual tiene unas condiciones climáticas de referencia que junto con el precio de los productos determinan la secuencia de cultivo y por tanto las necesidades climáticas interiores, la diferencia entre las condiciones climáticas interiores y las condiciones climáticas de referencia de la ubicación determinan las necesidades energéticas del invernadero, que al ser cubiertas por fuentes renovables (solar térmica y ventilación principalmente) no suponen un coste que amenace el beneficio para el empresario.

El cambio climático haría más adversas las condiciones climáticas de referencia en esa ubicacicón, lo que aumentaría las necesidades energéticas del invernadero, y podría darse el caso de que el sistema de ventilación o la cubierta del invernadero no pudieran proporcionar o extraer la energía demandada. Esto llevaría al empresario a tener que invertir en más equipos o a aumentar el aporte energético, gastando en combustible para la calefacción o en electricidad para la refrigeración, lo que pone en riesgo su beneficio.

3. RESULTADOS

vernaderos estima un rendimiento medio de la cosecha de 27,71 kg/m2 y 23,65 €/m2 para un invernadero de tipo parral con calefacción de aire con un coste total de inversión de 35,89 €/m2, coste fijo de 5,26 €/m2∙año, coste variable de 9,31 €/m2∙año [8].

En cuanto a la producción, pasa de 50 gramos por planta y día a obtener 80-100 gramos por planta y día debido al aporte de calefacción.

4. DISCUSIÓN

Las condiciones climáticas externas en Extremadura, temperatura, humedad relativa y radiación solar para cada mes se muestran en MATERIAL SUPLEMENTARIO, también la estación natural del cultivo [5] y [6], y la rotación anual del cultivo en función de las necesidades climáticas (la secuencia de cultivo establecida como óptimo para Extremadura).

La secuencia de cultivo tiene en cuenta la capacidad de modificar la duración del ciclo de cultivo y las hortalizas demandadas por el mercado, así como los cultivos con condiciones adecuadas similares, lo que evita cambios en el equipamiento del invernadero.

Las mediciones obtenidas de las condiciones climáticas interiores se muestran en la Tabla 2.

La demanda energética estimada (GJ/ m2 ) para la secuencia de cultivo y el porcentaje de esta demanda cubierto por cada fuente se encuentra en la Tabla 3.

La razón para mostrar la demanda de energía por unidad de superficie es permitir la comparación con otros invernaderos de diferentes tamaños.

En la Tabla 4 se muestra el consumo de energía antes y después de analizar el invernadero.

Un ejemplo de los resultados de la variación de la temperatura se encuentra en el MATERIAL SUPLEMENTARIO. El rendimiento económico del cultivo simulado aumentó considerablemente con el aumento de la tecnología, desde 9,77 €/ m2∙año para el tipo parral hasta 18,47 €/ m2∙año para el multitúnel equipado con todas las técnicas de modificación del clima.

El análisis económico de los diferentes in-

El clima exterior teórico a lo largo del año es representativo del año medio en Extremadura [11] y [12], zonificación más detallada y precisa que las existentes anteriormente (MATERIAL SUPLEMENTARIO).

Comparando los valores de las tablas 1 y 2 (MATERIAL SUPLEMENTARIO) , para los cultivos de melón y pimiento se han medido valores que incluyen un rango superior al óptimo [13] y [14], tanto para la temperatura como para la humedad, para el cultivo de tomate [15], el rango de temperatura es superior al óptimo tanto para el día como para la noche, y el rango de humedad es inferior, esto se debe a la influencia del clima de verano en los meses en que se desarrolla este cultivo, para el cultivo de calabacín el rango de temperatura medido es inferior al óptimo, lo que se debe a la influencia del clima de invierno con temperaturas frías, sin embargo el rango de humedad es inferior porque el aire de la calefacción es muy bajo en humedad [16].

Gracias al caso práctico, es posible notar otros parámetros que deben ser controlados, aunque no intervienen directamente en el balance energético: caudal y frecuencia de riego (que influye en la humedad, ya que debe ser abundante), a su vez se requiere un pH óptimo para el sustrato, también es necesario un alto nivel de luminosidad (Tabla 1 y 2), siendo necesario recurrir a una poda para evitar la sombra de las propias hojas de la planta del cultivo, se logró una distribución más uniforme de la temperatura y no se sufrió más el oídio, mejorando muy significativamente [11] y [17].

La secuencia de cultivos seleccionada se adapta al clima exterior, ya que, como se desprende de la evaluación de la demanda energética, se satisface principalmente con

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la ventilación y la radiación solar, con menos calefacción y biomasa.

Sobre la demanda de energía a lo largo del año, una observación de los resultados teóricos, es que en algunos meses: Noviembre, marzo, abril, junio y diciembre es necesario utilizar la ventilación durante el día cuando las temperaturas tienen que ser bajadas, mientras se usa la calefacción por la noche cuando la temperatura tiene que ser elevada, esto está de acuerdo con el estudio del invernadero en “Improving automatic climate control with decision support techniques to minimize disease effects in greenhouse tomatoes” (MATERIAL SUPLEMENTARIO).

En cuanto a los resultados de las temperaturas, la temperatura sube significativamente en las horas centrales del día lo que se debe a la mayor insolación en esas horas, siendo la radiación solar la causante de este aumento de temperatura, de acuerdo a lo esperado. En comparación con otros estudios, la tendencia es similar (MATERIAL SUPLEMENTARIO).

La adecuación de la productividad se consigue mediante el control climático, la secuencia de cultivo seleccionada y los aportes energéticos de calefacción (hueso de aceituna) o refrigeración (ventilación), el control climático permite adelantar o retrasar las fases de desarrollo del cultivo (crecimiento, polinización, formación de la flor y fructificación) para obtener el fruto en el momento de demanda en el mercado y la secuencia de cultivo seleccionada permite obtener el producto más atractivo para el mercado en ese momento. A la vez que una gran mejora en el bienestar del cultivo, basada en el aspecto del mismo, (MATERIAL SUPLEMENTARIO), la frondosidad y la calidad del fruto cosechado.

En cuanto a la equiparación del rendimiento de los cultivos (MATERIAL SUPLEMENTARIO), existen alternativas para diferentes tipos de invernaderos, las condiciones climáticas y las posibles mejoras en el rendimiento de los cultivos determinan la mejor elección para cada invernadero.

Para disminuir el riesgo a las trayectorias fluctuantes de los precios se debería operar con un invernadero de baja tecnología con bajas inversiones, un invernadero de alta tecnología cubriría mejor el riesgo climático, lo que permitiría a su vez un mayor precio, un invernadero de alta tecnología sería más beneficioso a precios altos (porque se mantiene la producción en tiempos de baja oferta) pero sufre más a niveles de precios bajos con hortalizas con precios más competitivos procedentes del cultivo tradicional [8].

De este estudio se deduce que un adecuado equipamiento del invernadero en

cuanto a sistema de ventilación conduce a minimizar el aporte energético de refrigeración y la elección del cultivo debe hacerse en función del clima exterior y del precio del mercado, de forma que la demanda energética a satisfacer por calefacción o refrigeración sea la menor posible pero el precio del producto sea suficiente para cubrir los costes, en el futuro, sería interesante controlar el gradiente de temperatura en el interior del invernadero utilizado en el caso de estudio para evitar el estrés térmico de las plantas.

CONCLUSIONES

El sistema de cultivo hidropónico en invernadero puede aplicarse en la mayoría de las zonas, consiguiendo una mejora de la productividad mediante la rotación de cultivos y el control del clima a través de las energías renovables.

Gracias al cultivo en invernadero con sistemas de fertirrigación, es posible cultivar en suelos inadecuados, mejorando la productividad mediante la rotación de cultivos (MATERIAL SUPLEMENTARIO). Este sistema de producción permite obtener mayores ingresos por la venta del producto, lo que compensa el elevado coste de un invernadero de este tipo.

El análisis de la demanda de energía permite discriminar entre los materiales de coberturao que llevarán a minimizar el consumo de energía, también seleccionando el cultivo que requiere condiciones climáticas que tienen menos disparidad con el clima exterior al mismo precio.

La demanda de energía se cubre con fuentes renovables: radiación solar, ventilación y calefacción por semillas de olivo, debido a su abundancia, su PCI y su bajo contenido en cloro y azufre.

REFERENCIAS

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AGRADECIMIENTOS

El profesor Ruiz-Celma fue financiado por el Gobierno de Extremadura y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional, a través del IB18008.

MATERIAL SUPLEMENTARIO

https://www.revistadyna.com/documentos/pdfs/_adic/10180-1.pdf

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Retos tecnológicos en la fabricación de medicamentos estériles: ¿está preparada la industria farmacéutica?

Technological challenges in sterile products manufacturing: is pharmaceutical industry trained? nnnn

Luis-Alberto del-Río-Alvarez y Nuria Salazar-Sánchez Universidad CEU San Pablo (Madrid)

en la seguridad del paciente, los requerimientos regulatorios y el incremento de las terapias biológicas, tal como se recoge en la Figura 1.

colaboraciónnnnn

anticuerpo monoclonal), vacunas, hemoderivados y otros productos como heparinas y alérgenos, medicamentos biotecnológicos (obtenidos mediante tecnología del ADN recombinante) y terapias avanzadas (terapia génica, celular e ingeniería de tejidos).

En este sentido, en 2018, la FDA aprobó 59 medicamentos, siendo el principio activo de origen biológico en 17 de ellos [2].

La fabricación de este tipo de productos implica el desarrollo y puesta a punto de procesos de fabricación de alta contención, flexibles y versátiles además de la utilización de maquinaria costosa.

En lo que respecta a las novedades en los vehículos e ingredientes, no se presen-

DOI: https://doi.org/10.6036/10288

1. INTRODUCCIÓN

La industria farmacéutica de productos parenterales, tras la aparición de la pandemia de la COVID-19, se ha visto avocada a una adaptación rápida a nuevos procesos que deben estar, además, optimizados para producir grandes volúmenes de producto, sumado a la necesidad de haberlo hecho en un corto espacio de tiempo. Como consecuencia a lo anterior, durante los últimos meses se ha llevado a cabo una auténtica revolución silenciosa tanto en las instalaciones como en los procesos para adoptar cambios en su diseño, llevar a cabo validaciones y solicitar las autorizaciones requeridas por las autoridades reguladoras.

La fabricación industrial de medicamentos creció exponencialmente a partir de la década de los 90 impulsada por el desarrollo de la biotecnología, esto se ha traducido en un aumento del portafolio de productos existentes unido a la incorporación de nuevas soluciones tecnológicas.

La experiencia acumulada ha desarrollado la llamada ciencia de la fabricación de productos estériles que refleja una visión multidisciplinar que combina la creciente complejidad de la producción industrial con los requisitos regulatorios y la seguridad y eficacia del producto esperada para el paciente.

El objetivo planteado en el presente trabajo es analizar los retos tecnológicos a los que se enfrenta la industria farmacéutica de fabricación de inyectables bajo el cumplimiento de las Normas de Correcta Fabricación (GMP) a las que está sometida [1]. Para ello se describen los distintos desafíos tecnológicos que permitan implementar los nuevos cambios que impacten

Fig. 1. Retos tecnológicos de la fabricación de inyectables

2. NUEVOS MEDICAMENTOS: PRODUCTOS DE ALTA POTENCIA Y BIOLÓGICOS

Los avances en la terapéutica de enfermedades oncológicas, inmunológicas y de la diabetes, entre otras, han propiciado la utilización de principios activos de alta potencia (en inglés, HPAPI). Debido a sus requerimientos en cuanto a estabilidad, biodisponibilidad y efecto clínico, la única vía de administración para estos productos es por vía intravenosa mediante formulaciones inyectables.

Los medicamentos biológicos son medicamentos que contienen uno o más principios activos producidos o derivados de una fuente biológica de origen recombinante o extractivo y poseen actividad biológica e indicaciones terapéuticas reconocidas, por lo que engloban una gran variedad de productos que se obtienen mediante procesos muy diferentes que van desde técnicas de fermentación hasta terapias avanzadas que permite avanzar en nuevos derivados biológicos (o híbridos, en el caso de una molécula citotóxica con un

tan cambios significativos, los excipientes mayoritariamente empleados son de carácter solubilizante y cosolvente por la necesidad de incorporar, en este tipo de formulaciones para administración intravenosa, el principio activo disuelto.

Sin embargo, los requerimientos en cuanto a la calidad de las materias primas se están volviendo cada vez más exigentes tanto desde el punto de vista del cumplimiento de GMP por parte de los fabricantes como por la implementación de los límites en cuanto al contenido en impurezas elementales, tal y como se especifica en la Guía ICH Q3D.

3. REGULACIÓN FARMACÉUTICA: ARMONIZACIÓN E INSPECCIÓN

En la actualidad, podemos afirmar que existe un alto grado de armonización a nivel regulatorio entre la industria y las Agencias Regulatorias, lo que permite el reconocimiento mutuo de las inspecciones y autorizaciones que implica una reducción en el número de actuaciones entre las par-

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tes. Al mismo tiempo se protege la seguridad de los consumidores, se reducen los costes para los fabricantes y mediante la aplicación de sistemas de gestión de riesgos se permite implantar mejoras en aquellas plantas que presenten una situación más crítica.

En la última revisión, la segunda del borrador sobre el Anexo I de las Normas de Correcta Fabricación de Medicamentos europeas [3], los reguladores piden a los fabricantes de medicamentos parenterales la aplicación de nuevas tecnologías, pero, por otro lado, establecen una serie de requisitos que hacen que todo esto sea cada vez más difícil, costoso y lento. Como ejemplo [4] de lo anterior, cabe destacar el artículo 9.41 del citado borrador del Anexo I de las Normas de Correcta Fabricación europeas en donde se abre la posibilidad real de tener que realizar hasta un total de 24 validaciones al año.

4. CADENA DE SUMINISTRO: FABRICACIÓN POR TERCEROS Y GLOBALIZACIÓN

Las empresas que fabrican por contrato o a terceros (en inglés por sus siglas CMO) se han convertido en los últimos 20 años en un elemento imprescindible en la mayoría de las operaciones farmacéuticas.

Actualmente, en Estados Unidos, la fabricación por terceros alcanza casi el 50% de las nuevas autorizaciones de medicamentos y supone una alternativa eficaz para las empresas farmacéuticas si bien requiere de un mayor control por parte de las agencias reguladoras en cuanto a la calidad de los productos. La mayoría de las CMO han reducido considerablemente su tamaño para disminuir costes de capital y mantenimiento y se especializan en una oferta de distintos servicios de la cadena productiva incluyendo la distribución y comercialización. Como elemento diferenciador, hay que destacar que en algunos casos estas CMO si han implementado tecnologías innovadoras por el alto valor añadido que supone a pesar de que el volumen de negocio sea bajo ya que su tecnología más avanzada, su mayor experiencia en materia de regulación, flexibilidad, riesgo compartido, know-how de transferencia de tecnología y cumplimiento les permite ser atractivas como socios.

Por otro lado, como consecuencia de la globalización, la fabricación de inyectables, en el caso más habitual por llenado aséptico, se está desplazando a países de economía emergente con costes bajos de mano de obra lo que implica personal con baja formación, regulación gubernamen-

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Fig. 2. Diagrama general de un proceso de fabricación de inyectables por llenado aséptico con o sin esterilización terminal

tal escasa y sin normativa que limite el impacto medioambiental. Con la finalidad de paliar la excesiva dependencia que se tiene de países asiáticos en la producción de principios activos y medicamentos algunos países europeos están promoviendo la creación de proyectos estratégicos orientados a recuperar la capacidad competitiva en la síntesis de materias primas y en la fabricación de medicamentos.

5. OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS: ESTERILIZACIÓN, TECNOLOGÍA DE AISLADORES Y PROCESADO ASÉPTICO

La fabricación clásica de inyectables contempla como esquema típico el descrito en la Figura 2 que incluye dos rutas críticas de procesado la que aplica la esterilización terminal del producto o bien la alternativa cuando esto no es factible, la fabricación por llenado aséptico; la calidad del aire para cada una de las zonas viene definida en el anexo I de las Normas de Correcta fabricación.

En su modelo de mejora continua, la fabricación de inyectables invierte en maquinaria altamente productiva, flexible, automatizada y de fácil cambio de formatos.

Hablamos de líneas de producción de alta velocidad que alcanzan un rendimiento de hasta 60.000 jeringas por hora capaces de cubrir una elevada demanda del mercado, la incorporación de mejoras en las agujas dosificadoras que utilizan elementos de limpieza y esterilización in situ (CIP/ SIP) para evitar desmontar las piezas que

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entran en contacto con el producto, y de disponer de balanzas electrónicas para el control de la dosificación por peso para el 100% de unidades. Una alternativa al modelo clásico es la utilización de instalaciones con módulos preconstruidos, que se pueden mover a una ubicación diferente, para dar respuesta a necesidades puntuales que requieran de tiempos de respuesta corto como puede ser el caso de las vacunas veterinarias y de vectores virales en el sector de terapias avanzadas.

La esterilización de los materiales es el eje central en cualquier proceso de fabricación de formas parenterales. La opción más eficaz, es la de carácter térmico y terminal, siendo el vapor y el calor seco los métodos más frecuentemente utilizados por lo que es poco probable que la situación cambie.

Para los materiales susceptibles al calor, la esterilización por radiación resulta una buena opción en los procesos de fabricación llevados a cabo en aisladores, en los que los sistemas de haz de electrones permiten su uso en continuo. Mientras que la esterilización con óxido de etileno (ETO) se usa ampliamente en materiales sensibles al calor y productos sanitarios a pesar de los problemas ambientales, de toxicidad y de explosión asociados a su uso. Posteriormente han surgido otras alternativas como el dióxido de cloro y el óxido de nitrógeno que están demostrando una amplia actividad antimicrobiana tanto contra células vegetativas como esporas y más recientemente, por razones de sostenibilidad, está irrumpiendo el tratamiento con CO2 supercrítico.

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colaboraciónnnnn como resultado viales con una morfología del producto diferente que puede ser causa de incumplimiento de las especificaciones del producto [11] lo que ha limitado su empleo ante la elevada demanda, por la emergencia sanitaria, de las vacunas para la COVID-19 en donde se ha optado por lanzar al mercado el producto en disolución en lugar de liofilizado.

6. NUEVAS PAUTAS ICH Y FDA: ESTERILIDAD POR DISEÑO Y LIBERACIÓN EN LÍNEA PAT Fig. 3. Modelo de aisladores para fabricación de medicamentos estériles con incorporación de robots (Stäubli – Stericlean)

En lo que respecta a los sistemas de filtración esterilizante, la tendencia es a reducir el tamaño de poro de las membranas, hasta 0.10 µm, siempre que la carga microbiana no limite el rendimiento del proceso, considerando los distintos tipos de sistemas de filtración y las características de los microorganismos a retener, crítico en el caso del género Mycoplasma por sus implicaciones clínicas [5]. En contraste, el uso de nanofiltros para la eliminación de virus [6] y pirógenos con tamaños de poro por debajo de 0.05 μm, presenta la dificultad de tiempos de filtración relativamente largos y costes elevados.

En la fabricación de productos inyectables por llenado aséptico, sin esterilización terminal, tradicionalmente se realizaba un dosificado manual, apoyado con filtros ambientales HEPA y sistemas de filtración esterilizante. Desde que dan comienzo estas operaciones, es inevitable la presencia de un nivel bajo de contaminación dado que las personas, aunque “con bata estéril “, son en realidad generadores portátiles de contaminación y, por tanto, de riesgo asociado en el contacto con los materiales estériles [7] lo que ha llevado a la consolidación de procesos que emplean tecnología de aisladores y sistemas de barrera de acceso restringido (RABS), sirva de ejemplo la ilustración de la Figura 3 [8].

Los aisladores proporcionan una separación física casi perfecta entre el operario y los materiales estériles y la forma más segura tanto de introducir como de retirar productos sin comprometer la integridad del aislador mediante el uso de puertos de transferencia. La limitación en este caso viene por el uso de peróxido de hidrógeno en fase gaseosa para descontaminar el equipo, que en el caso de medicamentos con péptidos puede llegar a ser un problema al ser estos extremadamente sensibles al agente oxidante aun cuando los residuos permitidos sean extremadamente bajos.

La Guía de norteamericana de fabricación de productos estériles por llenado aséptico recoge que la mayoría de retiradas por falta de garantía de esterilidad [9] se corresponden a productos fabricados mediante llenado aséptico lo que pone de manifiesto la necesidad de someter a los productos a un tratamiento letal adicional como puede ser su esterilización a temperaturas inferiores a la de referencia, 121ºC, o valores de Fo menores de 8 minutos.

Una opción complementaria al llenado aséptico es la participación de la tecnología de soplado – llenado - sellado (en inglés, BFS) [10], diseñada para que en una operación en continuo se formen los recipientes a partir de un granulado termoplástico de naturaleza poliolefínica en el que los recipientes se forman mediante el calor y la presión del moldeo bajo un flujo de aire unidireccional filtrado por filtros HEPA de Clase 5. Este proceso resulta interesante como alternativa al uso del vidrio por su fragilidad y permiten una capacidad desde poco menos de 1 mL hasta bolsas o frascos de un litro o incluso más. El inconveniente de este tipo de materiales poliolefínicos es su permeabilidad frente al vapor de agua, el paso de sus sustancias extraíbles hacia la formulación farmacéutica y la obtención de materiales de mayor transparencia que permitan la detección de presencia de partículas, como son los elaborados a base de copolímeros de olefinas cíclicas y lineales.

En cuanto al procedimiento utilizado para principios activos inestables en agua, la liofilización permite obtener productos en forma sólida. Este proceso no ha variado considerablemente desde sus inicios, si bien se espera que las presentaciones disponibles en el mercado aumenten con la aparición de nuevos productos biológicos y biosimilares. La limitación de este proceso radica en la naturaleza estocástica de la nucleación, un comportamiento desigual e imprevisible durante el secado que da

Históricamente la confianza en el producto farmacéutico se ha basado en el cumplimiento de las especificaciones de los distintos procesos avaladas por un buen desarrollo farmacéutico soportado clínicamente, lo que se ha venido llamando calidad construida sobre el producto. Los lotes fabricados se someten a los requisitos de la prueba de esterilidad a menos que se haya otorgado la aprobación por las agencias reguladoras, que permita la liberación paramétrica tras una validación satisfactoria previa. Sin embargo, todavía persiste un paradigma, los productos deben estar libres de microorganismos mientras se admite cierto grado de contaminación siempre que su probabilidad sea menor de 1/106 ya que al ser el control destructivo no se puede revisar el 100% de las unidades.

El ensayo de esterilidad recogido en las distintas Farmacopeas ofrece una relativa confianza en la detección de contaminación en el producto, puesto que tal y como se recoge en la Tabla 1 refleja el cálculo por el método de expansión binomial de la probabilidad [12] de encontrar una unidad contaminada y la escasa influencia del aumento del tamaño muestral. Esto es, si a un lote con una contaminación del 0.1% se le realiza un ensayo de esterilidad con 10 muestras, hay un 99% de probabilidad de que la contaminación no sea detectada. Al aumentar a 20 muestras, se discriminarían, según el modelo probabilístico, solo niveles de contaminación superiores al 20%.

Puesto que el proceso de fabricación debe asegurar el nivel de garantía de esterilidad requerido y conociendo las limitaciones del ensayo de esterilidad comentadas, se comprenden las exigencias para liberar un lote en cuanto a validación de los procesos de fabricación (incluyendo simulación con controles positivos), la realización de las pruebas de esterilidad [13] a un número limitado de unidades y los datos de monitorización ambiental.

Para una mayor seguridad, se deben establecer otros escenarios como son los basados en la Calidad por Diseño (QbD) [14],

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los procesos de fabricación de productos biológicos frente a la opción tradicional del acero inoxidable aun cuando éstos poseen Nº de positivos en las muestras Nº de muestras analizadas Contaminación una ventaja económica importante en la real 0 1 2 - 10 10 20 producción a gran escala y a largo plazo.

Los productos de un solo uso representan 99.0% 1.0% ----99.0% 98.0% 0.1 % una alternativa sencilla y rápida en la que 90.4% 9.1% 0.5% 91.0% 82.0% 1.0 % los componentes esterilizados en origen se 59.9% 31.5% 8.6% 61.0% 37.0% 5.0% ensamblan y conectan al equipo fácilmente 34.9% 38.7% 26.4% 37.0% 14.0% 10.0% a través de conexiones plug-and-play es2.8% 12.1% 85.1% 14.0% 2.0% 20.0% tériles evitando la exposición del producto al ambiente lo que reduce los tiempos de Tabla 1. Acierto probabilístico del Ensayo de Esterilidad según su grado de contaminación real trabajo proporcionando una mayor flexibilidad operativa. El factor crítico en este una adecuada gestión de los riesgos (ICH 7. TECNOLOGÍAS DISRUPTIVAS: caso pasa por realizar una cuidadosa selecQ9) [15], todo ello bajo un sólido sistema ELEMENTOS DE UN SOLO USO, ción y evaluación de los materiales a emde gestión de la calidad (ICH Q10) [16] de FABRICACIÓN EN CONTINUO Y plear pues al ser de naturaleza poliolefínica tal manera que se garantice que cualquier FARMA 4.0 pueden presentarse problemas con las suscambio definido dentro del espacio de diseEl tiempo que consumen los procesos tancias extraíbles. ño va a estar bajo control. Este nuevo pade limpieza, esterilización y validación ha Otra tecnología disruptiva sería la imradigma fue bien recibido por la industria sido durante mucho tiempo un obstáculo plantación real de la fabricación en contipara demostrar el control de sus procesos, en el logro de la eficiencia operativa. La nuo, ya que presenta menos riesgos, al ser sin embargo, la falta de armonización de limpieza de las instalaciones y los equipos su tecnología independiente de la mano las agencias regulatorias no ha promovido siempre ha sido necesaria, pero desde finade obra, tener tiempos de fabricación más su implantación por la dificultad asociada les del siglo pasado se convirtió en un mocortos y un menor número de interrupcioen la aplicación de los principios de mejora tivo de preocupación al tener que demosnes durante el proceso. Esta tecnología se continua [17] y el escaso retorno económitrar su idoneidad por medio de una robusta está aplicando en procesos de liofilización, co de la inversión. validación. Destacando en este sentido que en los que los viales dosificados se congeLa llamada Tecnología Analítica de los límites establecidos por las agencias relan utilizando un gas criogénico, se llevan Procesos PAT (por sus siglas en inglés) guladoras se han ido reduciendo cada vez a la cámara de nucleación y finalmente se asegura la calidad del producto basándose más lo que supone un quebradero de cabetransfieren al módulo de secado todo ello en unos parámetros definidos del proceso. za para los fabricantes, como se refleja en mediante conexiones de vacío [21].

La aplicación de esta tecnología, no se ha tono humorístico en una viñeta de Jewell Los procesos de fabricación de inyecmaterializado hasta ahora, en la fabrica[20] en la Figura 4. tables con principios activos potentes ción de inyectables, como cabría esperar Como si se tratara de resolver un nudo deben integrar por razones de seguridad debido quizás a la sencillez de las fórmugordiano, el empleo de materiales y equimicrobiológica y productividad, cada vez las y de los procesos de fabricación. En los pos de un solo uso puede evitar el problema más, distintas operaciones. La tecnología casos en que se ha aplicado ha sido esde la validación de la limpieza al eliminar el Farma 4.0 o de la fábrica inteligente pertableciendo atributos no biológicos como problema en sí. Si un elemento del equipo mite un control en continuo y en tiempo son el título de principio activo, título de no se reutiliza, no es necesario limpiarlo y real de los procesos de fabricación para impurezas y presencia de partículas [18]. si no es necesario limpiarlo, no es necesaque cualquier incidencia pueda predecirse En dichos procesos, se han introducido rio validar su limpieza. Nos referimos a una y rectificarse antes de que se convierta en sensores en línea de infrarrojo cercano panoplia de sistemas como los de llenado, una desviación, evitando el tiempo de inNIR y espectroscopía Raman. También se filtración, muestreo aséptico, mangueras, actividad asociado y la pérdida de producto ha empezado a hablar de la esterilización bolsas, etc. tan solo limitados por la ima[22]. En una planta 4.0 creada de acuerdo por diseño para las salas introduciendo ginación de los fabricantes. Los sistemas de con estos principios todos los equipos esdistintos sensores, si bien estos se deben un único uso han mejorado la eficiencia de tán robotizados y equipados con múltiples optimizar con el fin de mejorar su reprosensores monitorizando consducibilidad y abaratar costes. El aspecto tantemente cada aspecto del más importante a cubrir es asegurar la esproceso e incluso su propio terilidad de los productos y la ausencia de desgaste gracias a la captura endotoxinas bacterianas dados los requide todo el big data que hasta sitos propios de la vía de administración. ahora no eran fáciles de interPor otra parte, se están poniendo a punto pretar [23]. los llamados métodos rápidos en microLa fabricación aséptica es biología para la detección del crecimiento una actividad que requiere un con distintas técnicas analíticas aplicaalto grado de reproducibilidad bles también en la determinación de bioen la que la utilización de rofilm [19]. Actualmente su uso es bastante bots supone un gran avance. limitado, debido a los requisitos regulatoLa gran ventaja de los aislarios y de validación, si bien se espera que dores es la eliminación de la aumente con el tiempo por el desarrollo intervención humana directa, Fig. 4. -De acuerdo, yo me encargo de la validación del proceso, de nuevos kits comerciales. que resultaría eficaz con el pero la validación de la limpieza es todo tuyoProbabilidad (%) de encontrar el número de positivos en las muestras

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Probabilidad (%) de aceptación de lotes según el tamaño de la muestra

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uso de robots, mitigando el riesgo de contaminación, así como podrían llevar a cabo operaciones como la dosificación de 6 ejes que puede soportar cargas de varios kg con una precisión de una décima de mm, además de poder estar expuestos, de manera rutinaria al peróxido de hidrógeno. Son por tanto la plataforma ideal para llevar a cabo operaciones precisas y repetibles además de presentar niveles de partículas bajos. El futuro de la Inteligencia artificial permitirá que los modelos continúen recopilando información y aumentando el grado de conocimiento al pasar a la generación de procesos lógicos, pudiendo tomar decisiones y realizar análisis predictivos.

8. CONCLUSIONES

La industria farmacéutica debe tener una rápida respuesta en la comercialización de medicamentos novedosos y está además sometida a una regulación cada vez más exigente con el objetivo último de garantizar que estos sean seguros, eficaces y de calidad. El portafolio de nuevos fármacos que van apareciendo, cada vez más potentes, requiere de las ventajas de la vía parenteral para su administración lo que implica la puesta a punto de procesos de fabricación de alta contención, flexibles y versátiles que requieren de la utilización de maquinaria cada vez más costosa.

Por otro lado, la regulación e inspección farmacéutica se está orientando a exigir un mayor grado de conocimiento, por parte de los fabricantes, de los procesos de fabricación, lo que evitará situaciones de indefinición o disparidad en la interpretación entre los fabricantes y las autoridades reguladoras, garantizando con ello una mayor facilidad y rapidez en la puesta en el mercado de nuevos productos. El número de fabricantes a terceros, en el caso de medicamentos inyectables, ha aumentado considerablemente en los últimos años, esto supone un avance en la fabricación de este tipo de productos si bien conlleva un aumento del riesgo que implica un mayor control por parte de las agencias reguladoras. La fabricación de medicamentos estériles está sometida a la microbiología como ciencia logarítmica, presentando los métodos disponibles unos límites de detección que no aseguran crecimiento cero, es decir que el resultado de la prueba sea conforme no da una seguridad del 100% de “esterilidad” en el producto, sino simplemente pone de manifiesto su limitada capacidad para detectarlo.

Las plantas de fabricación se están especializando en la fabricación de productos estériles utilizando procesos de llenado

aséptico, la tendencia a futuro pasa por garantizar un elevado grado de contención microbiológica del proceso, unido a la utilización de materiales de un solo uso, con los que se elimina la necesidad de validar los procesos de limpieza. Si bien las operaciones de fabricación son de menor complejidad en comparación con otras formas farmacéuticas, queda todavía pendiente, la aplicación de la filosofía de Calidad por diseño (QbD) y la Tecnología Analítica de procesos (PAT) en tiempo real que permita la liberación paramétrica de los lotes. Hasta que se haga realidad la implantación de la fabricación en continuo, es de esperar que la filosofía Farma 4.0 alcance un elevado grado de implantación en la fabricación de medicamentos inyectables, que resultan de alto valor añadido tanto por los fármacos que contienen como por las exigencias en cuanto a sus requisitos de calidad debido a las características intrínsecas de la vía de administración para la que se emplean.

Por ello, podemos afirmar que la industria farmacéutica está preparada para los nuevos retos que plantea la fabricación de medicamentos estériles, gracias a la implantación de nuevas medidas por parte de los laboratorios, el cambiante entorno regulatorio así como las tareas de Inspección Farmacéutica de las Agencias gubernamentales de medicamentos.

REFERENCIAS

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Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 135-139 | ISSN-L: 0012-7361 | 139

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Estudiar la relación entre las competencias de trabajo en equipo y el éxito de los proyectos innovadores Studying the relationship between teamwork competences and successful innovative projects nnnn

Maria-Dolores Storch-de-Gracia1, Juan-Carlos Santamarta2, Luis Mazadiego1, Bernardo Llamas1, Jesica Rodríguez-Martín2 y Noelia Cruz-Pérez2 1 Universidad Politécnica de Madrid. ETSI (España) 2 Universidad de La Laguna, Tenerife (España) DOI: https://doi.org/10.6036/10362

1. INTRODUCCIÓN

La gestión de proyectos es una de las cuestiones más relevantes para el éxito de los mismos [1]. La toma de decisiones es un proceso de evaluación y selección entre diferentes alternativas, basado en un conjunto de criterios, para alcanzar uno o varios objetivos seleccionando la mejor opción posible.

Los métodos de evaluación y toma de decisiones multicriterio incluyen la selección entre un conjunto de alternativas, la optimización con varias funciones objetivo concurrentes y la toma de decisiones, procedimientos de evaluación racionales y coherentes [2]. Estos métodos permiten la evaluación de criterios tanto cuantitativos como cualitativos y, en general, las alternativas se clasifican en función de si la toma de decisiones es multiobjetivo o multiatributo. En este caso, se han considerado alternativas o atributos o criterios y la mejor elección se basa en la comparación entre las distintas alternativas [3].

Estos métodos no contemplan la posibilidad de encontrar una solución óptima, sino que en función de las preferencias del agente de decisión y de unas variables y objetivos predefinidos, el desarrollo del problema principal será seleccionar las mejores alternativas o aceptar las alternativas que parezcan buenas y reducir el valor de las que parezcan malas, de forma que el resultado final sea un ranking de las alternativas consideradas [4]. Entre los procedimientos matemáticos y algoritmos considerados, destaca el método AHP, cuyas ventajas son la sencillez y la claridad [5]. El método utiliza comparaciones por

pares para medir el impacto de los elementos en un nivel [6]. El número de elementos de cada nivel debe ser de al menos dos y menos de siete [7]. Además, el AHP permite realizar un análisis de sensibilidad y estudiar otras posibles soluciones realizando cambios en las ponderaciones relativas que definen la estructura jerárquica.

La selección de los proyectos más prometedores no es una tarea fácil, ya que los proyectos innovadores, por su riesgo inherente, hacen aún más difícil prever su éxito [8]. Además, en cualquier tipo de proyecto, el elemento más importante son las personas implicadas, lo que incluye los procesos que organizan, gestionan y dirigen un equipo de proyecto [9].

El equipo del proyecto está compuesto por personas a las que se han asignado funciones y responsabilidades para completar un proyecto. El tipo y el número de miembros del equipo del proyecto suelen variar a medida que éste avanza. Aunque a cada miembro del equipo del proyecto se le asigna una función y una responsabilidad específicas, la participación de todos los miembros en la toma de decisiones y la planificación del proyecto puede ser beneficiosa [10].

Fig. 1: Funciones de Belbin. Elaborado por los autores

140 | ISSN-L: 0012-7361 | 140-144 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

En este trabajo, proponemos un análisis de los roles basado en la Teoría de Belbin a través de la autoevaluación por cuestionario de los miembros de cada grupo de proyecto. Belbin define nueve roles (Figura 1), divididos en tres bloques según su función principal sea la reflexión, la acción o la social [11]: Roles de reflexión (Cerebro, Monitor/Evaluador y Especialista); Roles de acción (Formador, Implementador y Completador/Finalizador); Roles de personas (Trabajador en equipo, Coordinador e Investigador de recursos). Cada rol está asociado a un comportamiento clave y el éxito del equipo dependerá de su combinación de roles. Los puntos fuertes y débiles asociados a cada rol definen las características de cada uno de ellos (Figura 2).

2. MATERIAL Y MÉTODOS

Se consideraron 121 alumnos, que formaron 21 grupos de trabajo y presentaron una propuesta de proyecto en la asignatura Evaluación de Proyectos y Gestión de Riesgos del Máster en Ingeniería de Minas que imparte la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas y Energía de Madrid (UPM). Se estructuraron en equipos de entre 4 y 6 personas y no se tuvo en cuenta la diferenciación por género. Los alumnos analizaron la presencia de roles en cada grupo mediante un cuestionario de autoconocimiento en el que se repartieron 70 puntos respondiendo a diferentes situaciones que posicionaban al sujeto en los 3 tipos de Roles de Belbin (Social, Reflexión, Acción) [12].

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colaboraciónnnnn

Fig. 2. Principales características de los roles de Belbin. Elaborado por los autores

Cada grupo de trabajo debía proponer un proyecto de su elección y responder a un cuestionario que se le facilitó con datos sobre el proyecto. A partir de la información proporcionada para cada proyecto en cada sección y que representaba los criterios de selección, se propuso una herramienta matemática para predecir el éxito de los proyectos.

Además, este estudio incluye el análisis de cuatro competencias transversales: 1.

Creatividad: el objetivo es estudiar la capacidad de los ingenieros para proponer una idea innovadora y desarrollarla con el fin de obtener financiación para desarrollar un proyecto. Se consideraron dos prácticas: (a) un test de competencia completado por los inversores que consideraba diferentes aspectos: novedad, funcionalidad (enfoque técnico, económico y social) e impacto; y (b) un ejercicio para inversores, como gran innovación presentada en este trabajo. La metodología se basa en el pensamiento divergente, donde el juicio humano se aplica ampliamente para evaluar la creatividad [13]. El ejercicio se inspira en la técnica de evaluación consensuada (CAT) de Amabile [14, 15], como técnica de evaluación de productos más popular para medir la creatividad [16].

2. Trabajo en equipo: evaluar el rol de cada persona en un equipo y su capacidad para colaborar y proponer un proyecto innovador, considerando un test de autopercepción inspirado en la metodología propuesta

por Belbin [12]; En este trabajo se propone una metodología de autoconocimiento de los roles de equipo en la que se propone una revisión individualizada por parte de cada alumno que permita interpretar correctamente los resultados y confirmar si se siente reflejado en los resultados obtenidos. Será importante destacar que se trata de una autopercepción que arroja un resultado de gran interés pero que no considera la percepción del entorno ni tiene la complejidad del análisis completo de Belbin.

3. Actitud hacia el trabajo: la capacidad de cada ingeniero para incorporar diferentes habilidades y capacidades en un equipo específico (perfil y test de Jung). Para evaluar estas capacidades se utilizó un cuestionario que, a partir de 12 preguntas, permite analizar la tendencia o contribución a 4 aspectos: equipo, innovación, proceso y objetivo.

4.

Capacidad de comunicación: esta competencia se evaluó como resultado de la combinación de la expresión oral y escrita. La evaluación de esta competencia se llevó a cabo mediante el análisis de la estructura de la comunicación tanto para la comunicación escrita.

2.1. PAPEL DEL EQUIPO Como se indicó anteriormente, se realizó un test de autopercepción de roles Belbin en cada grupo para cada miembro.

Posteriormente, se calculó el peso relativo de los roles Social (Coordinador, Inves-

tigador de Recursos y Cohesionador), de Reflexión (Cerebro, Monitor y Especialista) y de Acción (Promotor, Implementador y Finalizador) para cada grupo. Para el análisis de los datos, se ha considerado que existe una presencia significativa de roles cuando la suma de las aportaciones de todos los miembros del grupo suma más de 25 puntos, y en caso de destacar dos tipos de roles, se ha considerado el más alto como el principal de ambos.

Los equipos se clasificaron en Absolutamente desequilibrados: tras el análisis de los miembros del equipo, se observa que en conjunto hay ausencia de uno de los tres tipos de roles (reflexión, acción, social), ya que ninguno de los miembros tiene una contribución significativa a ninguno de ellos; Desequilibrados: tras el análisis de los miembros del equipo, se puede concluir que en conjunto hay presencia de los tres roles (reflexión, acción, social), ya que al menos alguno de los miembros tiene una contribución significativa a uno de ellos, pero se considera desequilibrado; Equilibrados: hay una presencia significativa de los tres roles. Si el valor obtenido para cada tipo de rol es superior a 25 se considera representativo.

2.2. COMUNICACIÓN DE GRUPO Esto se midió a partir de la evaluación de la competencia comunicativa de cada miembro de los grupos. Para ello, se pidió a cada grupo que defendiera su propuesta ante el equipo de investigación de este estudio, que dio un valor a cada miembro del equipo en función de su competencia comunicativa entre 0 y 3: - 0 a 1,5: se asigna un valor final

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ponderado de 1 - 1,5 a 2: se asigna un valor ponderado final de 5 - 2 a 3: se asigna un valor ponderado final de 9

Se proponen dos análisis estadísticos para confirmar si existe una relación entre la Evaluación AHP y los Equipos de Proyecto: - Prueba de bondad de ajuste a la distribución normal (KolmogorovSmirnov): en primer lugar, se realizó la prueba de Kolmogorov de Smirnov, que es una prueba de bondad de ajuste a la distribución normal, para ver si la variable cuantitativa (valoración AHP) sigue la distribución normal. Si p > 0,05, la distribución de la variable no es normal.

- Prueba de Shapiro-Wilk para la variable Equipos de trabajo: la prueba de Shapiro-Wilk se utiliza para com-

2.3. ANÁLISIS ESTADÍSTICO El objetivo es confirmar si existe una correlación entre el valor asignado al proyecto como “éxito”, el valor asignado considerando la herramienta AHP y su posible relación con el diagnóstico de los equipos.

Para ello, se eligió IBM SPSS Statistics, el principal software estadístico del mundo utilizado para las ciencias sociales y aplicadas, así como para las empresas de investigación de mercado [17].

Proyecto A

Valor (Saaty)

I

II

III

Criterios

1

5

9

Peso

C1

V1(0)

V1(1)

V1(2)

P1

.....

...

C1

Pn

Total

1

Cuadro 1. Explicación de la matriz de ponderación y valoración de un proyecto Grupo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Detalle del proyecto Exploración geológica, exploración de cobre u otros minerales metálicos Reapertura de la minería metálica en España según la lista de 14 materias primas críticas de la UE Caracterización y exploración del yacimiento de petróleo y gas Energía de las olas: tecnologías, desarrollos y costes Regulación de la red eléctrica mediante cargadores de baterías de coches eléctricos Energía solar: selección de la tecnología (fotovoltaica, guiada o no, de concentración y otras), costes y ubicación Construcción sostenible, generación de energía en entornos urbanos, de un edificio a un jardín Desarrollo de un parque eólico marino: ubicación, tecnología y costes El sistema eléctrico, hacia un modelo de sostenibilidad: selección de tecnologías en función de los beneficios ambientales, los costes y la seguridad del suministro Construcción sostenible: sistemas de recuperación y generación de energía en entornos urbanos Implantación y funcionamiento de una red de energía undimotriz en las aguas de Santoña Coche eléctrico y movilidad: despliegue de puntos de conexión en un entorno urbano e interurbano Energía geotérmica: climatización de un edificio de viviendas en la Comunidad de Madrid Búsqueda de inversión inicial para una mina Construcción sostenible: sistemas de recuperación de energía, generación de energía en entornos urbanos, de un edificio a un jardín Almacenamiento de energía: caracterización y estudio de la tecnología CAES Captura y almacenamiento de CO2: tecnologías propuestas, costes y beneficios previstos Almacenamiento de energía: caracterización y estudio de la tecnología CAES Movilidad sostenible: tecnologías y opciones para la flota de vehículos de servicio público Producción de bioetanol a partir de materiales lignocelulósicos Energía solar: selección de la tecnología (fotovoltaica, guiada o no, de concentración y otras), costes y ubicación

Tabla 2. Resultados de la aplicación de la metodología AHP a los proyectos 142 | ISSN-L: 0012-7361 | 140-144 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

probar si un conjunto de datos sigue una distribución normal estimando la fuerza de ajuste con una línea recta. Se utiliza para comprobar la normalidad de un conjunto de datos.

Cuanto mayor sea el valor de este estadístico, mayor será el desacuerdo con la recta de normalidad, por lo que se rechaza la hipótesis nula.

- Prueba de comparación de medias de tres o más variables (ANOVA): que sirve no sólo para estudiar las dispersiones o varianzas de los grupos, sino también para estudiar sus medias y la posibilidad de crear subconjuntos de grupos con medias iguales.

El resultado final de la aplicación del método AHP será una matriz que resuma la evaluación de los criterios y el peso aplicado a cada uno de ellos, como se muestra en la Tabla 1.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El objetivo es estudiar la posible correlación entre la evaluación AHP y los equipos de trabajo, basándose en los procesos Criterios de valor total 43,33

Valor total de AHP 3,37

25,33

1,92

23,33 51,33

1,72 3,09

38,67

2,74

40,00

2,76

22,00

1,85

34,33

2,73

45,33

3,22

33,33

2,74

36,00

2,74

34,00

2,36

33,33

2,71

33,67

2,27

29,33

2,00

42,00

2,64

37,33

2,98

56,00

4,11

46,67

2,95

49,33

3,16

24,67

2,38

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colaboraciónnnnn

Grupo

Valor de los roles sociales > 25

Valor Roles Reflexión > 25

Valor Roles Acción > 25

Diagnóstico

1

2

2

2

Equilibrado

2

0

1

6

3

0

1

4

4

2

2

3

Equilibrado Absolutamente desequilibrado

5

2

0

5

6

2

4

1

7

5

1

0

8

0

0

6

Absolutamente desequilibrado Absolutamente desequilibrado

Desequilibrado Absolutamente desequilibrado Absolutamente desequilibrado

9

3

1

2

Equilibrado

10

1

1

4

Desequilibrado

11

4

1

1

12

2

0

4

13

1

3

1

Desequilibrado

14

3

2

1

Equilibrado

15

1

1

4

Desequilibrado

Absolutamente desequilibrado Absolutamente desequilibrado

16

3

0

3

Absolutamente desequilibrado

17

1

1

4

Desequilibrado

18

2

1

2

Equilibrado

19

1

2

3

Equilibrado

20

3

2

2

Equilibrado

3

Absolutamente desequilibrado

21

1

0

Tabla 3. Diagnóstico de los equipos de trabajo según la presencia de roles

definidos por el Project Management Institute (PMI) (https://www.pmi.org/), con la metodología descrita en el trabajo “Metodología multicriterio e innovación jerárquica en el sector energético” [18].

En primer lugar, los valores de éxito asociados a los proyectos se han calculado aplicando la metodología AHP a los proyectos (Tabla 2).

En cuanto a los criterios de valor total, los resultados varían entre 22 (para el grupo 7) y 56 (para el grupo 18) al analizar los diferentes aspectos mencionados anteriormente para cada propuesta (Criterios técnicos: Alcance, Tiempo, Coste y Calidad) y criterios organizativos: Recursos Humanos, Comunicación, Riesgos, Partes Interesadas). Después de considerar las diferentes ponderaciones para cada criterio de acuerdo con la propuesta expuesta en el documento “Metodología multicriterio e innovación jerárquica en el sector energético” [18].

En segundo lugar, se han clasificado los grupos identificando los roles de sus componentes y considerando las categorías propuestas anteriormente (Absoluta-

mente desequilibrado, Desequilibrado o Equilibrado) obteniendo los resultados del diagnóstico (Tabla 3).

Por último, los resultados se han analizado estadísticamente. Para ello, se realizará primero la prueba de bondad de ajuste a la distribución Normal (Kolmogorov - Smirnov) para la variable AHP y la prueba de Shapiro-Wilk (Figura 3) para la variable Equipos de trabajo, para concluir con la prueba de comparación de medias de 3 o más variables (ANOVA) para la variable AHP, con el fin de determinar si se puede confirmar que existe una relación entre el Valor AHP (éxito de los proyectos) y el Balance de roles de los equipos.

La prueba ANOVA mostró una significación de 0,001 para la variable AHP (véase la Fig. 4), por lo que existen diferencias que no se deben al azar. Esto confirma que existe una relación entre el valor de AHP (éxito del proyecto) y el equilibrio de roles del equipo.

Las personas que participan en un proyecto suelen enfrentarse a la incertidumbre, así como a entornos turbulentos en constante cambio [19]. Por ello, conocer los roles de las personas dentro de un equipo es uno de los factores que ayuda a los jefes de equipo a dirigirlos mejor. A la hora de identificar los diferentes roles en un equipo, la herramienta propuesta por el método Belbin es muy útil y, a pesar

Fig. 3. Resultados de la prueba de bondad de ajuste a la distribución normal (Saphiro Wilk) para la variable AHP

Fig. 4. Resultados de la prueba ANOVA para la variable AHP en las 3 categorías de equipos de trabajo Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 140-144 | ISSN-L: 0012-7361 | 143

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de haber recibido críticas, su cuestionario sigue siendo utilizado por multinacionales y procesos de selección de personal en Europa [20].

4. CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos muestran que existe una relación entre el éxito de los proyectos y la composición de los equipos que los desarrollan. De hecho, en general se asume que esto ocurre, pero la posibilidad de “categorizar” los equipos en función del equilibrio de roles presentes en ellos es una poderosa herramienta para trabajar la composición de los equipos.

Belbin ofrece la definición de hasta nueve roles de equipo diferentes que puede desempeñar un individuo. Un rol de equipo se define como el patrón de comportamiento que facilita el progreso de todo un equipo, o el comportamiento que un individuo muestra en los equipos de trabajo. Esta teoría establece que un equipo de trabajo será más fácil que tenga mejores resultados cuando exista un equilibrio entre todos los roles, en contraste con los equipos en los que alguno de los roles falta o está presente en exceso.

La metodología propuesta consiste, en primer lugar, en asignar una puntuación a los grupos en función de criterios definidos (metodología AHP) para predecir el posible éxito del proyecto en función de una serie de criterios (alcance, tiempo, coste, calidad, riesgos, partes interesadas, recursos humanos y comunicación) A continuación, se clasifican los equipos de los proyectos en función de su equilibrio según la presencia complementaria de los roles (diagnóstico de los equipos de trabajo), lo que permite diagnosticar el equilibrio de cada grupo (absolutamente desequilibrado, desequilibrado, equilibrado) Del análisis estadístico de los resultados se pueden extraer las siguientes conclusiones. Por un lado, es posible demostrar que existe una relación entre la madurez de las propuestas (Valor AHP) y el equilibrio de los equipos que no se debe al azar. Esta conclusión abre la posibilidad de analizar la composición de los equipos para asegurar el equilibrio de roles como aspecto clave para garantizar el éxito de los proyectos de innovación, en los que la limitación de recursos obliga a una selección entre ellos. Además, proponer una composición de equipo que aumente la probabilidad de éxito del proyecto podría utilizarse como herramienta para ayudar a seleccionar el mejor equipo para un determinado proyecto.

En futuras líneas de este trabajo se abordará el análisis exhaustivo de los roles del equipo para poder analizar con mayor detalle el equilibrio que presentan los diferentes roles y su complementariedad en parejas. Asimismo, se analizará la diferencia entre actuar de antemano proponiendo equipos con una composición equilibrada frente a otros en los que se analiza posteriormente la presencia de estos roles y su relación con el éxito de los proyectos que proponen.

Por último, será interesante analizar el papel del liderazgo como competencia clave para el éxito de los equipos de trabajo innovadores.

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Nanosílice para modificar la consistencia de arcillas lacustres de alta compresión Nanosilica to modify the consistency of high compressible lacustrine clays nnnn

Silvia García , Paulina Trejo , Joel Merlos y Ilce Castillo1 1 UNAM (México) 2 IPN (México) 1

1

2

DOI: https://doi.org/10.6036/10358

1. INTRODUCCIÓN

La construcción de infraestructura civil en suelos arcillosos, que se encuentran en la mayor parte del subsuelo del Valle de México, representa un reto mayor debido a su baja resistencia, alta compresibilidad, potencial de expansión y susceptibilidad a la erosión. Muchos constructores apuestan, como actividad preparatoria para la cimentación, por la alteración de las propiedades de los suelos principalmente para estabilizarlos. La estabilización del suelo puede producirse por medios mecánicos, físicos y químicos.

Para los suelos arcillosos de origen lacustre, como los de la metrópoli mexicana, se sabe que la resistencia y el volumen varían considerablemente cuando se modifica la relación agua/sólidos, por lo que se busca principalmente manejar su tasa de cambio volumétrico mediante la adición de materiales (cal, concreto hidráulico, fosfatos, sales de aluminio, polímeros, etc.) [1] [ 2].

La comprensión, el control y la reforma de los materiales a escala nanométrica (manipulación de la materia con al menos una dimensión de 1 a 100 nm, 1 nm = 10-9 m, ámbito de la nanotecnología),

es un enfoque novedoso que permite desarrollar materiales con nuevas constituciones y usos excepcionales [3] [4]. En ingeniería geotécnica, se ha trabajado en: (1) el estudio de la estructura del suelo a escala nanométrica para comprender mejor su naturaleza y (2) la manipulación de las masas de suelo mediante la adición de nanopartículas [5]-[9]. En el grupo de los nanoaditivos que más se han utilizado, están el nano-SiO2, los nanotubos de carbono, el nano-Cu, el nano-Mn y el nano-Al 2O3.

En este trabajo se presentan los resultados de una investigación sobre las ventajas de la nanosílice, nano-SiO2, para modificar algunas de las propiedades de los suelos arcillosos (específicamente masas con alto contenido natural de agua W%, muy compresibles). Al mostrar los efectos de la nanosílice sobre los límites de consistencia (Límite Líquido LL, Límite Plástico LP, Índice de Plasticidad IP e Índice de Fluidez IF) de las arcillas lacustres, la nanopartícula se presenta como una alternativa ventajosa a los ingredientes tradicionales (cal, polímeros, óxido de calcio y cemento-CaO, etc.) utilizados en la estabilización de este tipo de suelos.

2. MATERIALES Y PROGRAMA DE PRUEBAS

Los suelos arcillosos utilizados en estas pruebas provienen del antiguo lago de Texcoco (zona periférica de la Ciudad de México) en una variedad de ubicaciones

Suelo No.

% LL

% LP

%W

gm Ton/m3

SUCS

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

232 205 207 189 194 241 283 250 205 249 348

86 68 70 48 49 68 74 64 50 48 69

185 90 245 191 191 225 250 300 195 193 314

1.3 1.2 1.26 1.3 1.3 1.26 1.23 1.2 1.281 1.31 1.2

MC CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH

0 x x x x x x x x x x

0.5 x x x

0.7 x x x

1 x x x

y profundidades para tener un muestreo generalizado de esta formación lacustre (Tabla 1). El nano-SiO2 utilizado para las mezclas está contenido en una dispersión acuosa producida a partir de soluciones de sílice saturadas. El tamaño de las partículas en el mercado oscila entre 7 y 22 nm y, en esta investigación, se utilizó ≈10 nm. La sílice coloidal no es tóxica, tiene un origen biológico, es químicamente inerte y tiene excelentes características de durabilidad [10]. Su superficie específica es de 600-785 m2g-1con una densidad aparente de 0,1 gcm-3, densidad real de 2,4 gcm-3, una viscosidad < 30 mPa-s, su disolvente es el agua y su pH 10±1.

Para evaluar el efecto de la nano-SiO2, se analizaron grupos de muestras, incluyendo 11 conjuntos de materiales naturales y sus 29 derivados de masas mezcladas con la nanosustancia. En primer lugar, se ejecutaron los límites de Atterberg y, posteriormente, algunos ensayos de compresión no confinada para investigar la modificación de la UCS (resistencia a la compresión no confinada). Los porcentajes de Nano-SiO2 utilizados en esta investigación se basan en las experiencias registradas en publicaciones anteriores [6] [7], [10] [11], pero se cubrió un rango más amplio (del 0,5% al 18% del peso seco del suelo).

A partir de este momento, en el texto, este porcentaje se denominará simplemente contenido de nano-SiO2.

2.1. PREPARACIÓN DEL MATERIAL Y PRUEBAS Las recomendaciones de estudios anteriores [8] [12] sirvieron de punto de partida para el diseño de los procesos de mezcla. Los índices obtenidos fueron el % de nano-SiO2 añadido 3 5 9 10 11 x x x

13

15

18

x x

x

x x x x x x x

x x x x x

x x x

Tabla 1. Propiedades básicas de los suelos utilizados en el estudio Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 145-149 | ISSN-L: 0012-7361 | 145

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Contenido de Agua W%, el Límite Líquido LL, el Límite Plástico LP y los correspondientes Índice de Plasticidad IP e Índice de Fluidez IF. Los ensayos de compresión no confinada se realizaron de acuerdo con la norma ASTM D 2166-87 con una velocidad de deformación de 1 mm/min.

Para cada porcentaje de nano-SiO2 añadido a una masa natural, se ensayaron tres cilindros y se obtuvo el valor medio de resistencia.

3. RESULTADOS 3.1. LÍMITES DE ATTERBERG Los estadísticos de los valores de LL, LP, IP y IF obtenidos para las mezclas naturales y sus derivados con la adición de nano-SiO2 se representan en la Fig.1. Los boxplots muestran una variabilidad sustancial de los contenidos de agua y de los índices de fluidez de las muestras naturales frente a las cajas cortas y los bigotes prácticamente nulos de los límites líquidos y plásticos (Figura 1.a). La dispersión observada en W% (por encima de la mediana) y IF (por debajo de la mediana) está relacionada con el origen y la composición de estas arcillas, que se encuentran entre las más plásticas y compresibles del mundo.

Los gráficos construidos con los límites e índices de las mezclas nano-SiO2 (Fig. 1b) muestran un evidente crecimiento del tercer cuartil y del bigote hacia valores más altos de LL e IP. Las diferencias entre las mezclas naturales y las nanomodificadas en el tamaño de estos últimos cuartiles son notables. También destaca el efecto sobre el IF al concentrar el tamaño de la caja hacia abajo (el número de mezclas más suaves disminuye), reduciendo la dispersión en los valores más bajos de este índice.

En la Fig. 2 se muestra la modificación del LL a causa del nanoSiO2. Las mezclas nanomodificadas tienen límites líquidos mayores que los de los materiales naturales (%Nano-SiO2=0) y el aumento es más drástico cuando el W% es mayor. Es evidente que las nanosustancias aumentan el límite del contenido de agua entre los estados líquido y plástico de la arcilla moldeada, es decir, una nano-mezcla necesita más porcentaje de agua (respecto al peso del suelo seco) para fluir por vibración.

El caso del LP es más complejo. El límite plástico se determinó extendiendo un hilo de las mezclas sobre una superficie plana y no porosa (norma ASTM D 4318). Si el suelo tiene un contenido de humedad en el que su comportamiento es plástico, este hilo conservará su forma hasta un diámetro muy estrecho. A continuación, se pue-

de volver a moldear la muestra y repetir la prueba. A medida que el contenido de humedad disminuye debido a la evaporación, el hilo comenzará a romperse en diámetros mayores. El LP se define como el contenido de humedad gravimétrica en el que el hilo se rompe a un diámetro de 3,2 mm (aproximadamente 1/8 de pulgada), lo que significa que el suelo (natural o nano-modificado) se considera no plástico si un hilo no puede ser enrollado hasta 3,2 mm en cualquier humedad posible.

Los resultados de las pruebas de LP se muestran también en la Fig. 2. Como puede verse allí, el LP parece verse mínimamente afectado por la adición de nano-sustancias. Sin embargo, se observan comportamientos de patrones diferentes: cuando el W% es bajo (W%≤ 200) el LP de las mezclas nanomodificadas disminuye ligeramente y se mantiene constante más allá del 5% de nanoSiO2, mientras que para W% altos (W% > 200) el LP aumenta con adiciones de hasta ≈5% de nano-SiO2, los porcentajes superiores a este límite no parecen tener ningún efecto notable en el LP obtenido para la arcilla natural. Estos resultados concuerdan con la idea de Atterberg sobre la plasticidad en cuanto a que no es una propiedad permanente de las arcillas, sino circunstancial y dependiente de su contenido en agua.

Para las arcillas de los antiguos lagos mexicanos, la presencia de ostrácodos y diatomeas determina profundamente esta propiedad. El efecto más fuerte de la nano-sustancia en la masa natural es en la

transmisividad (conductividad hidráulica).

Para alcanzar la transición dúctil-frágil en las muestras naturales y nano-modificadas, fueron necesarias varias horas de laboratorio (incluso con un ventilador eléctrico activado). El retraso en la expulsión del agua en las masas nano-modificadas, en comparación con las naturales, da indirectamente, una idea de la transformación de la permeabilidad y la compresibilidad.

Por otro lado, el índice de plasticidad IP, como el rango de contenidos de agua en el que el suelo puede resistir deformaciones rápidas sin rebote elástico ni variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse o agrietarse, también se ve afectado por el nano-SiO2, como se muestra en la Fig. 3. Teniendo en cuenta los patrones de efecto LL y LP, el IP muestra dos tendencias. Cuando la arcilla natural tiene un IP bajo (<100) parece que sus mezclas derivadas de nano-SiO2 tienden a un crecimiento asintótico a medida que aumenta el porcentaje de adición, mientras que para el IP característico de las arcillas lacustres (>150%) se observa un aumento del índice de las masas nano-modificadas, proporcional al porcentaje de nanosustancia utilizado en las mezclas.

Las arcillas utilizadas en esta investigación superan con creces el umbral de LL de 50 para ser consideradas suelos altamente plásticos y la mayoría de ellas se sitúan por encima de la línea A del gráfico de Casagrande [13]. Cuando las arcillas son nano-modificadas, esta categorización no cambia (o lo hace muy ligeramen-

Fig. 1 Boxplot de los materiales ensayados: a) natural y b) mezclado con nano-SiO2

Fig. 2. Límites líquidos y plásticos para muestras naturales y nano-modificadas; el valor límite cuando Nano-SiO2= 0 corresponde a suelos arcillosos naturales, los números de cada círculo indican el IP de la muestra

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Fig. 3. Índices de fluidez y plasticidad para las muestras naturales y nano-modificadas; el valor del índice cuando %Nano-SiO2 = 0 es el obtenido para la arcilla natural, los números de cada círculo indican el PI de la muestra

te) ya que el IP y el LL crecen proporcionalmente entre sí y, juntos, permanecen trazados alrededor de la zona en la que se encuentran los materiales naturales. El IF, como medida de consistencia o facilidad relativa con la que se puede deformar un suelo (IF = (W% - LP) / IP), fue extremadamente sensible a la nanosílice (Fig. 3).

A través de los límites e índices mostrados anteriormente, se infiere que para las nano-mezclas existe una disminución de la compresibilidad y un aumento de la resistencia a medida que 2aumenta el porcentaje de nano-SiO2. En el caso del índice de fluidez, se reconoce que existe un valor de IF al que tienden la mayoría de las muestras una vez que el contenido de nano-SiO2 supera el 10% independientemente del W%. Las muestras naturales categorizadas como fluidas a muy blandas alcanzan la condición de firmes cuando se mezclan con nano-SiO2 por encima del 10%.

La relación agua-plasticidad (o IF) también se utiliza para tener una medida indirecta y aproximada de la resistencia del material. El IF también ayuda a evaluar el grado de desecación comparativo entre diferentes muestras de suelo, reduciendo la variación debida a la litología. Por ello, en general, para los materiales arcillosos, una disminución del FI está relacionada con una disminución de la compresibilidad, aumentando los parámetros de resistencia y el grado de preconsolidación (desde normalmente consolidado para IF>1 hasta fuertemente preconsolidado para IF~0) [14].

3.2 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN En la Fig. 4 se muestran los resultados de una batería de ensayos de compresión no confinada en arcillas estabilizadas con distintos contenidos de nano-SiO2. Se puede observar que el aumento del porcentaje de nano-SiO2 eleva la resistencia máxima de los suelos nº 1 (MC), nº 2 (CH) y nº 3 (CH). Este aumento se produce sin repercusión en la resistencia residual (no

disminuye), como han señalado otros investigadores sobre las mezclas de arcilla con nanosílice [6] [17].

Los incrementos máximos de resistencia en las mezclas con nano-SiO2 se sitúan en torno al 60% para el suelo nº 1, al 100% para el suelo nº 2 y al 70% para el suelo nº 3 (comparando las resistencias máximas de las muestras naturales con las obtenidas para las mezclas con nanosílice al 3%). A diferencia de otros resultados de ensayos de arcillas nanomodificadas [6] [17] (suelos mucho menos plásticos) donde se encontró un límite cercano al 1% de adición de nanosustancia para lograr el incremento de la resistencia, en el caso de las arcillas mexicanas ensayadas la tendencia es de mayores valores de pico con

Fig. 4. Curvas de tensión-deformación de la arcilla estabilizada con nano-SiO2 obtenidas a partir del ensayo de compresión no confinada, suelos: a) No.1, b) No.2 y c) No.3 (resistencia a la compresión no confinada UCS). Modificado de [20]

Fig. 5. Especies de nanofósiles calcáreos reconocidos en la muestra de suelo nº 9. Los elementos constitutivos de los escudos nanofósiles son claramente visibles. Los aumentos varían entre 10 000x y 100 000x, como indica la escala. Imagen obtenida con el SEM (microscopio electrónico de barrido) Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 145-149 | ISSN-L: 0012-7361 | 147

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mayores porcentajes de nano-SiO2. Esto también se infiere por las notorias modificaciones de IP y IF con porcentajes de adición mayores al 10%.

Además, el pico de UCS de las arcillas nanomodificadas se produce a niveles de deformación ligeramente inferiores en comparación con las arcillas naturales y las muestras con nano-SiO2 no generaron grietas de tracción, por lo que no se reconoció el mecanismo de fallo típico en estas muestras. El aumento del porcentaje de nanosílice no contribuye a la creación de grietas por tracción, como sí ocurre cuando la arcilla se estabiliza con otros materiales, como, por ejemplo, el hormigón y la cal [6]. Los fallos mostrados en los ensayos están relacionados con el comportamiento de la nano-SiO2 como gel viscoso. Al desarrollarse una doble capa de gel entre dos láminas de arcilla, la distancia entre ellas es lo suficientemente pequeña como para que domine la atracción de Van der Waals.

La floculación con más enlaces superficiales conduce a una estructura con mayor resistencia y rigidez [18] [19]. Otro aspecto que podría contribuir a este aumento de la resistencia es la composición del suelo, es posible que la calcita y la sílice biogénica también permitan que el nano-SiO2 desarrolle conexiones más fuertes a través del gel viscoso. Algunas de estas características se observan en las imágenes obtenidas con ayuda de un microscopio electrónico de barrido SEM (Figs. 5 y 6).

4. CONCLUSIONES

En general, se concluye que existe una alta reactividad de las partículas de nanosílice con las láminas de arcilla que afecta a su consistencia, a su conductividad hidráulica y a su resistencia. A partir de los efectos que se reconocieron en las arcillas (fase sólido-agua) cuando éstas se encuentran con nano-SiO2 se puede decir

que la nanosustancia actúa como un gel que: a) aglutina las partículas de suelo cercanas, b) reduce los vacíos entre los sólidos, c) ralentiza la expulsión de agua (independientemente del método: carga o secado), y d) minimiza la cantidad de líquido que se puede expulsar.

En este proceso, conocido como solidificación, la solución coloidal silícea se transforma en un sólido similar a un gel: comienza en estructuras de cadena y luego en redes tridimensionales uniformes que continúan agregándose hasta que el proceso de gelificación se completa. En las mezclas de arcilla, los ostrácodos y las diatomeas también contribuyen a la formación de un gel aún más firme.

El Nano-SiO2 altera los suelos arcillosos de alta plasticidad del ex lago de Texcoco en su consistencia a través de dos posibles mecanismos: a) aumento de la

Fig. 6. Las micrografías MBE de las muestras revelan que cuando aumenta el porcentaje de adición de nano-SiO2, parece que hay concentraciones de gel viscoso en los espacios vacíos entre partículas y cadenas. Además, a. los cristales encontrados presentan morfología tubular mientras que en otras zonas predominan las lamas y láminas de diferentes tamaños; b. la textura es cerrada y hay una orientación preferente de las partículas, los dominios de hojas escalonadas con contactos cara a cara muestran algunas cadenas de arcilla y c. las partículas de caolinita pseudohexagonal aparecen en aglomerados de tamaños muy pequeños (que oscilan entre <0,5 - 1 µm), hay evidencia de disolución y bordes redondeados 148 | ISSN-L: 0012-7361 | 145-149 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

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fuerza de atracción entre partículas y/o b) disminución de la permeabilidad. El efecto sobre la LL es evidente al aumentar significativamente el contenido de humedad por encima del cual las mezclas nanomodificadas se comportan como fluidos viscosos. En el caso de la LP, la alteración no fue tan evidente en el valor del W% en el límite dúctil-frágil sino en la complicación para conseguir que el material expulse la cantidad de agua necesaria. La transmisividad de la arcilla cambia radicalmente incluso con pequeños porcentajes de nano-SiO2 añadidos.

El índice de plasticidad se modifica con la adición de nano-SiO2 y este hallazgo es de gran relevancia dadas las numerosas propiedades de ingeniería que se han correlacionado empíricamente con el IP. Para las actividades de construcción la condición deseada e ideal es un alto IP y un bajo LL (excepto en el caso de arcillas potencialmente expansivas), por lo que esta nanosustancia representa una alternativa atractiva para estabilizar propiedades específicas de la arcilla.

Por último, la alteración positiva en el índice de fluidez de las arcillas naturales cuando se mezclan con nano-SiO2 (la consistencia pasó de muy blanda a firme con la adición de ~10% de nanosustancia) y los resultados de los ensayos de compresión no confinada, dan certeza a las conclusiones derivadas de los índices de consistencia y animan a continuar la investigación sobre materiales nano-modificados.

Es importante mencionar que, a pesar de que la estabilización del suelo mediante nanoaditivos es una de las tendencias de la década, la capacidad de estos materiales en la estabilización del suelo necesita más investigaciones detalladas in situ o más allá del entorno de investigación controlado. Es un hecho que muchos nanoestabilizadores tienen limitaciones como la disponibilidad, el coste, la dificultad del método de aplicación, el impacto ecológico y la viabilidad práctica. La nano-sílice, sin embargo, es uno de esos materiales que se ha estado investigando durante más de quince años y ha mostrado resultados positivos prometedores. El presente trabajo muestra el potencial de la nanosílice como aditivo para transformar la mejora de la resistencia, la conductividad hidráulica y la compresibilidad de suelos arcillosos muy complicados (con capacidades extraordinariamente bajas), pero es importante definir con precisión (lo más posible) los mecanismos de reacción, el comportamiento cuando se utilizan otros aditivos y una discusión profunda sobre

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las lagunas que deben abordarse para transferir esta tecnología a las prácticas de campo.

Se están desarrollando líneas de investigación sobre los métodos de curado, el envejecimiento y las diferencias entre las mezclas de nano-sílice (con nanoSiO2 como único aditivo) frente a potenciadores como el cemento, la cal y las fibras, para situar adecuadamente este ingrediente en el catálogo de aditivos. En el futuro, al igual que ha sucedido con otras sustancias, habrá que añadir más estudios sobre la mejora de la resistencia en otros tipos de suelos, el impacto ecológico a corto y largo plazo, los métodos de producción biogénica más rentables para establecer la nanosílice como un aditivo competitivo, y cómo pueden implementarse las nanomezclas como materiales eficientes en el campo de la ingeniería geotécnica y para actividades de construcción específicas.

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Efecto de diferentes estrategias de pretratamiento físico en la biodegradabilidad de materiales lignocelulósicos Dolores Hidalgo-Barrio, Juan Castro-Bustamante, Jesús-María Martín-Marroquín, Francisco Corona-Encinas y Sergio Sanz-Bedate

Efecto de diferentes estrategias de pretratamiento físico en la biodegradabilidad de materiales lignocelulósicos Effect of different physical pretreatment strategies on the biodegradability of lignocellulosic materials nnnn

Dolores Hidalgo-Barrio, Juan Castro-Bustamante, Jesús-María Martín-Marroquín, Francisco Corona-Encinas y Sergio Sanz-Bedate CARTIF Centro Tecnológico. Parque Tecnológico de Boecillo, 205 - 47151 Boecillo, Valladolid (España) DOI: https://doi.org/10.6036/10179 | Recibido: 16/abr/2021 • Inicio Evaluación: 19/abr/2021 • Aceptado: 09/jul/2021 To cite this article: HIDALGO-BARRIO, Dolores; CASTRO-BUSTAMANTE, Juan; MARTÍN-MARROQUÍN, Jesús-María; CORONA-ENCINAS, Francisco; SANZ-BEDATE, Sergio. EFFECT OF DIFFERENT PHYSICAL PRETREATMENT STRATEGIES ON THE BIODEGRADABILITY OF LIGNOCELLULOSIC MATERIALS. DYNA, March-April 2022, vol.97, no.2, p.150-155. DOI: https://dx.doi.org/10.6036/10179

de biomasa triturada a 0.25 mm se reveló como el pretratamiento más eficiente de entre los ensayados, aumentando 360% y 240%, respectivamente, la producción de metano para sarmiento de vid y paja de cebada.

Palabras clave: biogás, biomasa lignocelulósica, cavitación, digestión anaerobia, extrusión, paja de cebada, peletizado, pretratamiento, sarmiento, torrefacción.

FINANCIACIÓN CYTED (Ref. 918PTE0539); Ministerio de Ciencia e Innovación de España (Ref. PCI2018-092948).

ABSTRACT •W hen lignocellulosic biomass is used as a substrate in anaerobic digestion processes, a pretreatment stage is always required to break the hard structure of the material and facilitate the attack of microorganisms and, with it, their degradation. Numerous methods have been developed to pretreat lignocellulosic biomass. Four of them: torrefaction, cavitation, pelletizing and extrusion have been comparatively evaluated in this article as ways to increase methane production through anaerobic digestion of two raw materials with different lignin content: barley straw and vine shoot. In addition, it was examined how these pretreatments and the nature of the feedstock influence the volatile fatty acid profiles that are generated during the digestion process. The cavitation of biomass milled at 0.25 mm was revealed as the most efficient pretreatment among those tested, increasing by 360% and 240%, respectively, the methane production for vine shoots and barley straw.

• Keywords: anaerobic digestion, barley straw, biogas, cavitation, extrusion, lignocellulosic biomass, pelletizing, pretreatment, torrefaction, vine shoot.

RESUMEN

1. INTRODUCCIÓN

Cuando se emplea biomasa lignocelulósica como sustrato en procesos de digestión anaerobia, siempre se requiere una etapa de pretratamiento para romper la dura estructura del material y facilitar el ataque de los microorganismos y, con ello, su degradación. Se han desarrollado numerosos métodos para pretratar la biomasa lignocelulósica. Cuatro de ellos: torrefacción, cavitación, peletizado y extrusión han sido evaluados comparativamente en este artículo como formas de incrementar la producción de metano mediante la digestión anaerobia de dos materias primas con diferente contenido en lignina: paja de cebada y sarmiento de vid.

Además, se examinó cómo estos pretratamientos y la naturaleza de la materia prima influyen en los perfiles de ácidos grasos volátiles que se generan durante el proceso de digestión. La cavitación 150 | ISSN-L: 0012-7361 |150-155 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

De todas las tecnologías de bioconversión existentes para la producción de biocombustibles, la digestión anaerobia (DA) es una de las más rentables y es por ello que se ha implementado a nivel mundial para la producción comercial de electricidad, calor y gas natural comprimido a partir de todo tipo de materiales orgánicos, incluidos los residuos [1]-[2]. Por otro lado, rara es la zona donde no se dispone de grandes cantidades de biomasa lignocelulósica que se acumula en actividades agrícolas, forestales y de otro tipo, que puede ser materia prima para la producción sostenible de biocombustibles [3]. La paja de cebada (PC) y los sarmientos de vid (SA) son buenos ejemplos. Se estima una producción mundial de 51.3 millones de toneladas de PC [4], mientras que la producción anual de SA es de aproximadamente 20 millones de toneladas [5]. Estos residuos agrícolas se queman con frecuencia en campo abierto, lo que genera contaminación ambiental por emisión de gases de efecto invernadero y pérdidas de nutrientes cuando, paradójicamente, podrían ser una fuente interesante para la producción de biometano a través de la DA. Sin embargo, el uso de estas biomasas lignocelulósicas para la producción de biogás mediante digestión anaerobia no está ampliamente extendido porque la estructura inherente y las propiedades químicas de la pared celular vegetal de estos materiales los hacen resistentes al ataque microbiano [6]. La biomasa lignocelulósica se compone principalmente de tres componentes: celulosa, hemicelulosa y lignina. La celulosa y la hemicelulosa (formando juntas la fracción de holocelulosa) son los principales componentes carbohidratos de la estructura de la biomasa, mientras que la lignina es una macromolécula polifenólica altamente reticulada que proporciona rigidez a la pared celular del material y brinda resistencia física y química frente a la acción de los microorganismos y, por ello, limita la etapa de hidrólisis de la DA [7]. Por tanto, para romper la estructura del complejo y recuperar los azúcares monoméricos presentes en las fracciones

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de carbohidratos para su posterior uso en bioprocesos, se requiere de una etapa de pretratamiento. Se han evaluado muchas estrategias diferentes en los últimos años para el pretratamiento de materias primas lignocelulósicas antes de la DA, todas con pros y contras [8]. Por otro lado, la efectividad del pretratamiento se ha mostrado claramente relacionada con la composición (relación lignina / holocelulosa) de la biomasa [9], por lo que un pretratamiento específico será más o menos conveniente, dependiendo siempre de la materia prima a digerir. La composición típica de la paja de cebada es celulosa 32-36%, hemicelulosas 25-38%, lignina 15-23% en peso seco, mientras que el contenido de lignina del sarmiento es mayor, 20-23% en promedio, con un contenido de holocelulosa en el intervalo de 65-71% [10]-[11]. De acuerdo con este hecho, es deducible que la PC y el SA pueden tener un comportamiento diferente ante los pretratamientos dada su diferente composición.

Los pretratamientos físicos, entendidos como aquellos que no utilizan microorganismos o productos químicos, tienen la importante ventaja de que no involucran compuestos tóxicos, que pueden inhibir el proceso de DA que viene después. Además, muchos de ellos se basan en tecnologías maduras ampliamente utilizadas en otras actividades industriales, por lo que esto las convierte en buenas candidatas para ser aplicadas en instalaciones a gran escala. Sin embargo, el principal inconveniente de este grupo de pretratamientos es su elevado consumo energético. Por eso es necesaria la recuperación de calor y el uso de energías renovables para que estos procesos sean económicamente viables [12]. La cavitación hidrodinámica (CAV) es una tecnología con potencial de aplicación en diferentes áreas, incluida la producción de biocombustibles. Aunque la cavitación es un fenómeno indeseable para los equipos hidráulicos, la energía neta liberada durante este proceso es suficiente para acelerar ciertas reacciones químicas.

La aplicación de energía de cavitación para mejorar la eficiencia del pretratamiento de la biomasa lignocelulósica es una estrategia muy interesante [13]. Los efectos beneficiosos de la CAV se atribuyen a la liberación de grandes cantidades de energía en un lugar muy pequeño (“puntos calientes”) durante el colapso de las cavidades, lo que resulta en densidades energéticas muy elevadas debido a la generación de condiciones locales de muy alta temperatura y presión. La densificación de la biomasa, que incluye procesos de peletización (PL) o extrusión (EX), puede emplearse para reducir el volumen de la misma y facilitar la logística en las actividades de gestión de biomasa, al mismo tiempo que pueden mejorar el rendimiento de la DA [14]. La granulación de la biomasa implica la reducción del tamaño y su acondicionamiento mediante la aplicación de calor y/o presión. Estas operaciones pueden hidrolizar la hemicelulosa y la lignina en carbohidratos de menor peso molecular, polímeros de azúcar y otros derivados. Por otro lado, la extrusión es un proceso que combina múltiples operaciones en una sola unidad. Las materias primas se introducen en la extrusora y, a medida que el material se mueve a lo largo del equipo, es sometido a calor por fricción, mezcla y cizallamiento vigoroso al liberar la presión en el extremo. La extrusión puede reducir significativamente el tamaño de las partículas, aumentando la superficie específica de la biomasa y provocando la despolimerización de la celulosa, hemicelulosa, lignina y proteínas, y también puede provocar la degradación térmica de azúcares y aminoácidos, dependiendo de la intensidad de tensión del tornillo de extrusión.

Finalmente, la torrefacción (TR) es un método de pretratamiento térmico que se realiza habitualmente a temperaturas que oscilan entre los 200 y 300 ºC. A estas temperaturas, el esqueleto de lignina y hemicelulosa puede descomponerse parcialmente, lo

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que es un efecto interesante que puede favorecer el proceso de DA. Sin embargo, la mayoría de los trabajos que se encuentran en bibliografía aceptan como temperatura óptima de pretratamiento térmico aquella que se mueve en el rango entre 120 y 180 °C, dependiendo de los componentes de la materia prima [12].

Por tanto, el objetivo de este estudio es analizar comparativamente el efecto sobre la producción de biogás de cuatro tecnologías maduras ampliamente utilizadas en procesos industriales a gran escala y, por tanto, fácilmente desplegables en instalaciones de digestión anaerobia a gran escala, como son, la cavitación, la extrusión, el peletizado y la torrefacción, como pretratamientos de dos materias primas abundantes con diferente contenido en lignina y holocelulosa, paja de cebada y sarmiento.

2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. SUSTRATOS Las biomasas objetivo en este estudio son la paja de cebada y los sarmientos de vid, ambos materiales lignocelulósicos derivados de procesos agrícolas. Ambos fueron recolectados directamente en campos de cultivo de Valladolid (España). Estas materias primas se secaron a temperatura ambiente y luego se molieron mecánicamente para que alcanzaran un tamaño de partícula adecuado.

El equipo utilizado fue un molino de cuchillas RESTCH SM 2000 (Haan, Alemania) para la PC y un molino de martillos MECAFA MH010 (Ciudad Real, España) para el SA, en ambos casos para conseguir un tamaño de partícula en torno a los 2 mm. Además, se realizó un refinado en una fracción de las biomasas para obtener reducciones de diámetro a 0.25 mm utilizando un molino de cuchillas EUROTECNO ME 26151 (Faenza, Italia). Alícuotas de la biomasa triturada fueron sometidas a diferentes pretratamientos (como se describe a continuación). Finalmente, se utilizaron PC y SA crudos o pretratados como materiales de entrada para la digestión anaerobia.

2.2. MÉTODOS ANALÍTICOS Los sólidos totales (ST) y los sólidos volátiles (SV) se determinaron de acuerdo con métodos estándar [15]. La capacidad de los diferentes pretratamientos para crear daños estructurales en la morfología de la biomasa fue analizada por microscopía electrónica de barrido (SEM, de sus siglas en inglés Scanning Electron Microscopy) (FEI Quanta 200, Hillsboro, Oregon, EE. UU.). Con el fin de estudiar la biodegradabilidad de la biomasa cruda y pretratada, se realizaron experimentos por lotes en botellas de vidrio con un volumen disponible para la fase líquida de 500 mL (1000 mL de volumen total). Después de llenar las botellas con la mezcla objetivo de sustrato e inóculo, se utilizó gas nitrógeno para purgar el aire que quedaba en los espacios de cabeza y mantener, así, las condiciones anaerobias. Cada experimento se realizó por triplicado a 34 ± 1 ºC en una sala termostática. Se realizaron pruebas de control (sin sustrato) para calcular la producción de biogás endógeno del inóculo y proceder con la correspondiente corrección de los resultados. Como inóculo para la prueba de digestión se empleó digestato de un reactor anaerobio que opera en una planta de tratamiento de aguas residuales municipal, con una concentración de SV de 7.1 ± 0.5 g/L. La concentración final de inóculo en el medio de prueba fue de 5.0 ± 0.5 g/L. La relación sustrato / inóculo se mantuvo para todas las muestras en 30 ± 5 gSVsustrato / gSVinoculo. La producción de biogás se midió automáticamente mediante el uso de transmisores de presión (Desin InstrumenST, TPR-14 / N, rango 0-1 bar) conectados en el espacio

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superior de cada reactor. La composición del biogás se midió en muestras recogidas en bolsas Tedlar utilizando un cromatógrafo Varian CP-4900 Micro-GC con un detector de conductividad térmica. Los ácidos grasos volátiles (AGV) individuales (es decir, ácido acético, propiónico, isobutírico, butírico, isovalérico, valérico, caproico e isocaproico) se cuantificaron utilizando un cromatógrafo de gases equipado con detector de ionización de llama (GC-FID) (GC2014, Shimadzu, Japón). La concentración total de AGV se calculó como la suma de las concentraciones de los AGV analizados individualmente.

2.3. PRETRATAMIENTOS 2.3.1. Cavitación hidrodinámica Como reactor de cavitación se ha utilizado un homogeneizador IKA Magic Lab (Staufen, Alemania), junto con un Módulo DISPAXREACTOR DR. El dispositivo de cavitación hidrodinámica es un conjunto de estator y rotor con sección cónica. El rotor está contenido en un cilindro y la fracción líquida consistente en biomasa molida suspendida en agua (en proporción 60-70 g de biomasa molida por litro de agua) se hace pasar a través de la abertura entre el estator y el rotor que se mueve a 10,000 rpm. En la superficie del rotor existen hendiduras que son responsables de la generación de las condiciones de cavitación. Durante el proceso, las fuerzas de cizallamiento que ocurren en la cámara de trabajo producen un aumento drástico de la transferencia de masa y aceleran las velocidades de mezcla de biomasa con agua. El resultado final es una especie de emulsión. Para las investigaciones experimentales se utilizó biomasa de PC y SA molida con un tamaño de alrededor de 0.25 mm, ya que el equipo no acepta tamaños de partículas superiores (aberturas rotor-estator de 0.7 mm de ancho). La cavitación se realizó a temperatura ambiente pero como consecuencia del rozamiento dentro del sistema durante la operación, se detectó una elevación de temperatura hasta 46ºC. 2.3.2. Peletizado Las biomasas molidas se granularon con una prensa granuladora de matriz plana KAHL 33-390 (Reinbek, Alemania) hasta un diámetro de granulado de 6 mm. El sistema requería alimentación manual de materia prima y una potencia de accionamiento de 30 kW, con un rendimiento de alrededor de 1,000 kg / h. La biomasa bruta (biomasa de PC y SA triturada hasta un tamaño alrededor de 2 mm) ingresó al sistema y se ajustaron las variables de la planta para que el proceso de peletizado y densificación fuera adecuado.

2.3.3. Extrusión Se empleó una extrusora de doble tornillo (CLEXTRAL EV25, Firminy, Francia) para pretratar la PC y el SA. Las condiciones de extrusión ensayadas fueron: caudal de biomasa 7 kg/h, caudal de

PC PC-CAVb PC-TR180 PC-TR220 PC-PL PC-EX Inoculoc

ST (%a) 93.0 3.9 95.5 96.6 93.9 94.5 10.7

SV (%ST / %a) 92.4 / 85.9 93.5 / 3.6 92.5 / 88.3 88.3 / 85.0 93.4 / 87.7 93.9 / 89.9 6.0

agua 1.3 L/h, velocidad del husillo 500 rpm y rampa de temperatura a lo largo del barril desde temperatura ambiente hasta 85 ºC. Durante el proceso, la biomasa (previamente triturada a 2 mm) se alimenta a través de la tolva, se agrega agua y la mezcla pasa a una zona de calentamiento controlada. Hay seis módulos en el barril con control de temperatura independiente. En el interior de los módulos continúa el mezclado de la biomasa con el agua, se produce un calentamiento progresivo y al mismo tiempo el material es sometido al cizallamiento producido por el doble husillo al girar.

2.3.4. Torrefacción Se torrefactó biomasa molida de 2 mm en modo discontinuo (0.5 kg de biomasa por lote) a 180 y 220 ºC durante 30 minutos en un pirolizador rotativo de fabricación propia consistente en un cilindro de acero inoxidable, provisto de palas radiales que facilitaban la mezcla del sólido. La parte delantera del equipo termina en una reducción cónica para facilitar la entrada de aire, mientras que la parte trasera consta de una tapa extraíble que facilita la descarga del sólido. En él se ha dispuesto de forma concéntrica una rejilla con un tamaño de malla inferior a 80 µm, con el fin de evitar la fuga del sólido y, al mismo tiempo, permitir la fuga de los gases.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. CARACTERÍSTICAS DE LA BIOMASA EMPLEADA El perfil de sólidos de la materia prima es un aspecto muy importante que influye significativamente tanto en el tiempo de arranque de la reacción como en la producción de metano en los procesos de DA. La Tabla 1 muestra las principales características de las biomasas bajo estudio, PC y SA solo molidas y pretratadas.

Según Yadav et al. [16], los SV son la fracción digestible que gobierna la producción específica de metano a partir de cualquier materia prima agrícola. Los SV de PC y SA, tanto del material crudo (solo molido) como pretratado, fue superior al 85% (en términos absolutos) en todos los casos (a excepción de las muestras cavitadas), coincidiendo, en términos generales, con estudios previos [11]. Este contenido relativamente alto de SV, que alcanza en todos los casos más del 90% de los ST, muestra una idoneidad de las biomasas estudiadas para la producción de biogás, por lo que pueden considerarse como potenciales materias primas para este propósito. El contenido de cenizas de PC y SA en bruto fue respectivamente del 7.2% y el 3.4%. El bajo contenido de cenizas es ventajoso para la digestión porque puede indicar una potencial digestibilidad [17].

3.2. ANÁLISIS MORFOLÓGICOS Se tomaron imágenes SEM de muestras de PC y SA antes y después de los procesos de pretratamiento para analizar las ca-

SA SA -CAVb SA -TR180 SA -TR220 SA -PL SA -EX

ST (%a) 91.5 7.9 95.8 95.8 93.4 96.8

SV (%ST / %a) 96.9 / 88.6 98.1 / 7.8 96.6 / 92.5 96.3 / 92.3 97.2 / 90.8 96.8 / 90.9

a) En base seca; b) Emulsión; c) Digestato de planta de tratamiento de aguas residuales Los valores son medias de triplicados.

La desviación estándar (SD) es en todos los casos <1% (aceptable, dada la variabilidad de las muestras de partida) Tabla 1. Características básicas de los sustratos y del inóculo utilizados 152 | ISSN-L: 0012-7361 |150-155 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

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Fig. 1. Imágenes SEM (x 1000) de la paja de cebada (a) y del sarmiento de (b) partículas si tratar (0) y pretratadas por cavitación (1), peletizado (2), extrusión (3) y torrefacción a 220 ºC (4)

racterísticas superficiales de las biomasas y los posibles efectos de degradación morfológica generados por la cavitación, torrefacción, extrusión y peletizado. Las imágenes SEM de la biomasa no tratada bajo varios aumentos mostraron claramente la estructura robusta y la superficie relativamente lisa de la PC y SA. Ambas biomasas no tratadas exhibieron una estructura de superficie empaquetada con muchas capas de fibras, que actúan como un obstáculo para la degradación microbiana durante la DA. Por otro lado, las imágenes SEM de la biomasa pretratada, sin importar la tecnología utilizada, muestran que los pretratamientos condujeron a la ruptura de la estructura robusta de los materiales y la estructura se aflojó y desordenó después de los procesos. Estos procesos dañaron la estructura de las células vegetales, observándose la aparición de grandes grietas que aumentaron la superficie expuesta al ataque microbiano durante la digestión y la remoción de la capa exterior (Figura 1).

Las fibras de la biomasa pretratada pueden incrementar el área de la superficie exterior accesible a los microorganismos y, por tanto, aumentar la digestibilidad de la biomasa lignocelulósica según Xin et al. [18]. El análisis SEM revela, por tanto, que la estructura de la PC y el SA fue modificada por todos los pretratamientos aplicados en este estudio, lo que sugiere que todos los pretratamientos podrían mejorar la biodegradabilidad de ambas materias primas.

muestras ya que las curvas obtenidas difieren muy poco de las de la biomasa sin pretratamiento. Por otro lado, el pretratamiento de TR220 incide negativamente en la biodegradabilidad de todos los ensayos, ya que la producción final de biogás y metano obtenido es ligeramente inferior a la correspondiente a las muestras sin pretratamiento. Por lo tanto, está claro que no todos los pretratamientos mostraron un aumento significativo en la producción de biogás y metano en comparación con las muestras no pretratadas.

Después de 70 días de DA, se obtuvo una producción de 97 y 63 mL de biogás/gSV para PC y SA sin pretratar, respectivamente, en las condiciones estudiadas. Estas cifras se encuentran en el rango bajo de los valores habituales para la paja y el sarmientos [8]-[19]-[20]. El pretratamiento con CAV fue ciertamente beneficioso para el proceso de DA, ya que se obtuvo una producción de 307 y 265 ml de biogás/gSV para la PC y el SA cavitados al final del ensayo, respectivamente, lo que confirmó con el pretratamiento basado en CAV se obtuvo un máximo de, aproximadamente, 240 y 360% de mejora en el rendimiento de producción de metano.

El aumento en la producción de biogás y metano se atribuye a la reducción de la barrera estructural y composicional de la biomasa lignocelulósica debido a las condiciones de la cavitación que generan una turbulencia intensa, así como a condiciones de alto cizallamiento. Debido a estos efectos, la superficie accesible aumenta y las cadenas de polímero de celulosa y hemicelulosa están expuestas a degradación microbiana lo que mejora la tasa de degradación de la biomasa y el rendimiento de biogás. Los requerimientos del proceso de cavitación, que exige moler la biomasa a partículas menores a 0.25 mm, se revelan como un efecto comple-

3.3. EFECTOS DE LOS DIFERENTES PRETRATAMIENTOS EN LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS La producción acumulada de biogás y metano para las dos biomasas en estudio, PC y SA, no tratadas y pretratadas por CAV, TR a 180º y 220 ºC, PL y EX, durante 70 días de DA se recoge en la Figura 2 (SD <10 %, aceptable para este tipo de ensayos). Todos los ensayos mostraron actividad metanogénica durante los primeros 2 días, lo que indica un rápido inicio de la degradación por los microorganismos anaerobios del inóculo. La tasa de producción de biogás más alta se observó durante los primeros 7-10 días en todos los experimentos, y el pretratamiento con CAV se reveló como el más eficiente con 23 y 21 mL de biogás/gSV.d para PC y SA, respectivamente, seguido de TR180 en el caso de PC y PL en el caso del SA, con 9 y 10 mL de biogás / gSV.d, respectivamente. Los pretratamientos PL y EX, en el caso de la PC y los pretratamientos TR180 y EX, en el caso de SA parecen no tener Fig. 2. Producción acumulada de biogás y metano para paja y sarmiento. SD<10% (aceptable para un gran efecto sobre la biodegradabilidad de las este tipo de ensayos) Cod. 10179 | Ingeniería y tecnología del medio ambiente | 3308.07 Eliminación de residuos

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no densificados [14]-[22], y este efecto es especialmente notable en el caso de SA extruido, con un aumento del 20% en el contenido de metano en términos absolutos.

3.4. EFECTO DE LOS DIFERENTES PRETRATAMIENTOS EN EL PERFIL DE AGV En general, los ensayos que utilizaron SA como sustrato dieron como resultado un rendimiento de AGV casi 2-3 veces mayor en comparación con la prueba de digestión de PC. Además, la distribución de los AGV individuales depende en gran medida del tipo de biomasa utilizada. La Figura 3 muestra algunos perfiles de AGV seleccionados. En las pruebas en las que se emplea biomasa sin pretratar, el propiónico fue, en términos generales, dominante durante Fig. 3. Perfiles de AGVs durante la digestion en modo batcht. SD<10% (aceptable para este tipo de ensayos) toda la duración de la experimentación, excepto en algunos períodos en los que el ácido acético mentario que afecta a la estructura de la biomasa lignocelulósica, también apareció en alta concentración. El butírico y el isovalérico disminuyendo el grado de polimerización y cristalinidad de la ce- también estuvieron presentes durante toda la prueba. Después de lulosa, mejorando también la digestibilidad [20]. los primeros días, el aumento de la concentración de propiónico En cuanto a la torrefacción, el efecto de la temperatura de se acompañó de una disminución de la concentración de acético pretratamiento sobre el comportamiento de la DA es muy notable. y butírico. Este efecto fue especialmente notable en el caso de la En la Figura 2, se observa claramente una disminución en los ren- paja. Otros ácidos como isobutírico, valérico, caproico o isocaproidimientos de producción de biogás y metano cuando aumenta la co aparecieron esporádicamente y en baja concentración. El hecho temperatura. Los rendimientos acumulados de biogás alcanzaron de que se encontraran AGVs en estas proporciones relativas puede 200 y 85 ml de biogás/gSV para la PC y el SA, respectivamente, deberse a las constantes de velocidad para su degradación, ya que cuando se pretrataron a 180º (TR180). Esto supone un incremento el propionato se degrada más lentamente que el acetato (kHBu = en la producción de metano del 81 y 25% en comparación con la 0.16098 h− 1> kHAc = 0.06119 h− 1> kHVa = 0.04504 h−1> kHi-Bu biomasa no tratada. En el lado opuesto, la torrefacción a 220 ºC = 0.04385 h−1> kHPro = 0.02878 h−1> kHi-Va 0.02169 h−1) [9]. La (TR220) fue negativa para la producción de biogás a partir de am- alta concentración de propiónico en la prueba indicó, según varios bas materias primas, que cayó a niveles de 74 y 34 ml de biogás/ autores [22], que la degradación de este ácido fue inhibida por gSV para PC y SA, respectivamente. En ambos casos, la producción una alta presión parcial de hidrógeno, con inhibición también de de metano se redujo en un 38%. Este resultado concuerda con metanógenos hidrogenotróficos. trabajos previos que muestran cómo el rendimiento de metano En el caso de materias primas pretratadas, los perfiles y conaumenta con el pretratamiento térmico hasta 190ºC pero, después centraciones de AGV cambiaron. La PC pretratada por PL (Figura de esta temperatura, el pretratamiento térmico puede tener un 3) muestra un perfil de AGV similar a la PC sin tratar, pero la conefecto negativo en la biodegradabilidad del sustrato debido a la centración alcanzada para todos los AGV individuales es mayor, acumulación de productos de reacción no deseados / inhibidores con un pico en el día 9 de 7.7 gAGV/L (frente a un pico de 4.7 en el sistema [12]. Las altas temperaturas pueden conducir a la gAGV/L mostrado por la PC sin tratar el mismo día). También el formación de compuestos inhibidores para la DA inducidos por el proceso de EX es capaz de liberar concentraciones más altas de calor, como productos fenólicos o moléculas de degradación del AGV al medio (10.9 g/L en el día 9, aunque, en este caso, aparecen azúcar [21]. Otro aspecto a tener en cuenta cuando se trata de picos posteriores en el día 27 con 13.2 gAGV/L y en el día 40 con torrefacción de biomasa es que la biomasa torrefactada es frá- 15.2 g/L). A diferencia del resto de pruebas, el butírico fue el ácido gil, y suele ser un material que se puede triturar a partículas más predominante durante toda la experimentación. En este caso, las pequeñas con menos requerimientos energéticos que la biomasa altísimas concentraciones de AGV alcanzadas podrían inhibir la bruta. Por tanto, puede favorecer la economía del proceso proce- actividad metanogénica. Según Ahring et al. [24], la producción de der primero con la torrefacción de la biomasa y luego triturarla biogás se inhibe por concentraciones de AGV individuales superioantes de introducirla en el digestor, ya que el gasto energético res a 50 mM. Esto también podría explicar por qué este pretrataasociado a la trituración de la biomasa pretratada es considerable- miento no mostró muy buenos resultados durante los ensayos. Un mente menor que la trituración de la biomasa sin torrefactar [8]. patrón similar al mostrado por la PC densificada puede verse en el En el caso de las estrategias de densificación, la biomasa PC no caso del SA densificado. El SA sin tratar tiene un pico máximo de parece verse afectada por los pretratamientos EX o PL en las con- 11.7 gAGV/L en el día 16, mientras que el pico de concentración diciones seleccionadas, ya que las curvas de producción de biogás máxima de AGV se anticipa hasta el día 6 en el caso del sarmiento y metano reproducen prácticamente la curva de la biomasa bruta. tratado por PL y EX, mientras que no se observa un aumento en la En el caso del SA, se encuentran algunos indicios de mejora en la concentración total de AGV. producción de biogás con EX como pretratamiento (aumento del Respecto a los otros pretratamientos, las muestras torrefac10%). Un mejor comportamiento muestra el SA granulado, lo que tadas mostraron una presencia mucho menor de ácidos grasos en produce un aumento en la producción de metano del 135%. En el medio. Como se puede ver en la Figura 3, los picos máximos de general, la biomasa densificada exhibió un contenido de metano AGV aparecen alrededor del día 6 con una concentración total de en el biogás ligeramente mayor en comparación con los sustratos AGV de 1.8 g/L. Las muestras CAV mostraron el pico de producción 154 | ISSN-L: 0012-7361 |150-155 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

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Efecto de diferentes estrategias de pretratamiento físico en la biodegradabilidad de materiales lignocelulósicos Dolores Hidalgo-Barrio, Juan Castro-Bustamante, Jesús-María Martín-Marroquín, Francisco Corona-Encinas y Sergio Sanz-Bedate

máxima de AGV muy temprano, alrededor del día 2, lo que indica que el pretratamiento favorece en gran medida el arranque de la reacción. En este caso, el acético y el propiónico fueron los ácidos mayoritarios durante todo el experimento.

4. CONCLUSIÓN

Los pretratamientos ensayados mostraron un grado diferente de eficiencia en la producción de metano cuando se aplicaron a la paja de cebada o al sarmiento de vid. En todos los casos, la aplicación de los pretratamientos reveló afectar en alguna extensión, aunque no siempre de manera positiva, el rendimiento de generación de metano del proceso de digestión. La cavitación hidrodinámica proporciona el enfoque más prometedor en las condiciones analizadas, ya que es capaz de aumentar notablemente la eficiencia de la DA de la biomasa lignocelulósica. El efecto de la torrefacción sobre la biodegradabilidad de la biomasa puede ser positivo o negativo según la temperatura. En general, con el aumento del grado de torrefacción, la capacidad de producción de biogás se debilita. Finalmente, se encontraron efectos neutros o moderados con los pretratamientos de densificación en la presente experimentación, probablemente debido a concentraciones excesivas de AGV en las condiciones estudiadas.

NOMENCLATURA

AGV: ácidos grasos volátiles CAV: cavitación hidrodinámica DA: digestión anaerobia EX: extrusión PC: paja de cebada PL: peletización SA: sarmientos de vid SEM: microscopía electrónica de barrido SD: desviación estándar ST: sólidos totales SV: sólidos volátiles TR: torrefacción

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AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo a este trabajo a CYTED (Ref. 918PTE0539) y al Ministerio de Ciencia e Innovación de España (Ref. PCI2018-092948) en el marco del proyecto BIOMETRANS.

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de investigación / research article

Residual performance analysis of bridge structure considering heavy load effect Ruyu Gao, Qin Xin, Xiuquan Hu and Chunyu Liang

Residual performance analysis of bridge structure considering heavy load effect Análisis del rendimiento residual de la estructura de un puente teniendo en cuenta el efecto de las cargas pesadas nnnn

Ruyu Gao1, Qin Xin1,2,*, Xiuquan Hu1 and Chunyu Liang1 School of Civil Engineering, Hebei University, No.180, Wusi East Road, Baoding, 071000, China.

Technology Innovation Center for Testing and Evaluation in Civil Engineering of Hebei Province, No.180, Wusi East Road, Baoding, 071000, China * Corresponding author, Email: qinxin521@hbu.edu.cn 1 2

DOI: https://doi.org/10.6036/10440 | Received: 29/oct/2021 • Reviewing: 29/oct/2021 • Accepted: 07/feb/2022 To cite this article: GAO, Ruyu; XIN, Qin; HU, Xiuquan; LIANG, Chunyu. RESIDUAL PERFORMANCE ANALYSIS OF BRIDGE STRUCTURE CONSIDERING HEAVY LOAD EFFECT. DYNA. March-April 2022, vol. 97, no.2, p. 156-161. DOI: https://dx.doi.org/10.6036/10440

FUNDING This work was supported by Science and Technology Project of Hebei Education Department BJ2019042, and Advanced Talents Incubation Program of the Hebei University 521000981264.

RESUMEN • Las prestaciones estructurales de los puentes acaban disminuyendo y el riesgo en la utilización de los mismos aumenta, así como el efecto equivalente de las cargas de los vehículos, especialmente del tráfico pesado. Para aclarar la relación entre el rendimiento residual del puente bajo tráfico pesado y el daño por fatiga, se diseñó un lote de vigas de ensayo de fatiga de hormigón pretensado. La carga de fatiga equivalente, considerando el efecto de la carga pesada, se determinó mediante la investigación y las estadísticas de los datos de carga de tráfico real. Se analizó la morfología del fallo por fatiga y el desarrollo de grietas de la viga de prueba bajo la carga de fatiga equivalente, basándose en el principio de daño por fatiga. Se utilizó el método de ensayo de fatiga de amplitud constante para analizar la ley de desarrollo de la deformación residual del hormigón, la deformación residual del tirante no pretensado y la deformación residual del tirante pretensado. Basándose en la teoría del modelo de daño, se encontró la ecuación de daño entre la variable de daño D y la deformación plástica residual acumulada ?p considerando los efectos del tráfico pesado. Además, a través de los datos del ensayo, se obtuvo la curva de evolución del daño por fatiga basada en el desarrollo de la deformación residual.

Los resultados de la investigación muestran que el fallo de la prueba de fatiga es un fallo de flexión de la fractura por fatiga del tirante no pretensado. La resistencia a la fatiga de la viga se reduce drásticamente cuando se considera el efecto de la carga pesada. Desde la perspectiva del rendimiento residual, la deformación residual del hormigón es un buen indicador para calcular el índice de daño por fatiga de las vigas. Los resultados de la investigación proporcionan una alerta temprana del fallo por fatiga y la evaluación del rendimiento.

• P alabras clave: tráfico pesado, ensayo de fatiga, deformación residual, daño por

ABSTRACT

The structural performance of bridges eventually decreases, and risk in bridge operations increase, as well as the equivalent 156 | ISSN-L: 0012-7361 | 156-161 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

effect of vehicle loads, particularly heavy traffic. To further clarify the relationship between the residual performance of the bridge under heavy traffic and the fatigue damage, a batch of prestressed concrete fatigue test beams was designed. The equivalent fatigue load, considering the heavy load effect, was determined through investigation and statistics of actual traffic load data. The fatigue failure morphology and crack development of the test beam under the equivalent fatigue load were analyzed based on the fatigue damage principle. The constant amplitude fatigue test method was used to analyze the development law of concrete residual strain, non-prestressed tendon residual strain, and prestressed tendon residual strain. Based on the damage model theory, the damage equation between the damage variable D and the cumulative residual plastic strain εp considering the effects of heavy traffic was found. In addition, through the test data, the fatigue damage evolution curve based on the development of residual strain was obtained. Research results show that the fatigue test failure is a bending failure of the non-prestressed tendon fatigue fracture. The fatigue life of the beam reduced drastically when the heavy load effect is considered. From the perspective of residual performance, the residual strain of concrete is a good indicator for calculating the fatigue damage index of beams. The research results provide an early warning of fatigue failure and performance evaluation.

Keywords: heavy traffic, fatigue test, residual strain, fatigue damage.

1. INTRODUCTION

The structural performance of partially prestressed concrete (PPC) is obtained between ordinary steel bar and fully prestressed concrete bridge. The advantages of this concrete type are high strength and good ductility [1]. PPC is widely used in highways and bridges. The increasing demand for PPC is still maintained.

Relevant designs and construction technology studies have also made great progress. An increasing number of design and construction units are involved in the design, construction, and application of prestressed concrete beam components. Most studies on prestressed concrete beams focus on the fatigue life under the reciprocating action of the design load [2]. The Japan Society of Civil Engineers (JSCE), the Japanese Railways Engineering Association (JREA), the European Convention for Constructional Steelwork Cod. 10440 | Building technology | 3305.04 Bridges

Residual performance analysis of bridge structure considering heavy load effect Ruyu Gao, Qin Xin, Xiuquan Hu and Chunyu Liang

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(ECCS), and the China Academy of Railway Sciences have succes- such as mid-span displacement and bending stiffness, and fitted sively provided the fatigue life prediction formula of reinforced the residual deformation empirical formula of the residual strain concrete members based on the stress amplitude of reinforcement of the concrete in the compression zone, but the influencing fac[3]. However, with the increase in the service life and traffic flow tors are still unclear. Literature [19] confirmed the existence of of high-speed bridges, the deformation and crack width of some residual strain in concrete in the compression zone of PPC beams, components exceed the specification limit in the normal service and its magnitude is closely related to the stress level and the period, thereby endangering the safety of bridge operations. The cumulative deformation under cyclic loading. In fact, based on the existing experimental results showed that fatigue failure may oc- conditions of the strain coordination body, the steel bars in the cur in prestressed concrete beams with cracks under far less than tension zone inevitably produce residual strains, such as the conthe ultimate load [4]-[5]. Based on this finding, researchers have crete in the compression zone. However, due to the limitation of conducted considerable studies on bridges, structural deforma- the test method, the early research has not yet obtained the chartion, static performance after fatigue, and residual bearing ca- acteristics of the fatigue change of the residual strain of the steel pacity after fatigue [6]-[8]. However, deviation from the actual bars. In the fatigue analysis of the PPC structure, the influence is service state in terms of the relationship between the fatigue ignored, and the actual stress of the steel bar is underestimated. load stress level and the fatigue performance of the component Studies on the residual performance of PPC beams after fatigue is still a problem. Therefore, accurately considering the fatigue loads are limited. Thus, relevant research should be carried out to characteristics of the bridge structure under the actual operating accumulate sufficient test data. Many fatigue test results show vehicle load and clarifying the development law of the residual that the fatigue failure of PPC beams starts from non-prestressed performance of the components after fatigue damage are urgent steel bars. Evidently, the residual strain directly affects the fatigue problems to be solved. For this reason, the residual performance life of the beam. However, the most characteristic parameter of of the test beam is analyzed through the methods of fatigue test fatigue damage is not proposed from the perspective of material and theoretical analysis, and the fatigue damage equation is es- residual strain. In addition, the serious overloading phenomenon tablished. The aim is to accurately predict the coupling relation- in the actual operation of the existing bridges is not comprehenship between fatigue damage and residual performance of bridge sively considered. At the same time, considering that the residual structures under heavy loads and to provide references for bridge strain changes are relatively stable and easy to monitor during the fatigue design optimization and failure warning. fatigue loading process, this study focused on the residual perAt present, researchers have conducted considerable studies formance of the PPC beam after the fatigue load, and carried out on the fatigue performance of some prestressed concrete bridge the fatigue performance test of five PPC beams, focusing on the structures. Allawi, A. A [9]-[10] used experimental testing and analysis of the concrete residual strain and steel reinforcement. numerical analysis methods to carry out research on the flexural The changing law of residual strain and its influencing factors is bearing capacity of reinforced concrete beams after fatigue loads. expected to provide reference for bridge monitoring and inspecHowever, detailed studies and analyses on the ductility after de- tion. The remainder of this article is organized as follows. The secstruction are limited. Banjara, N. K. [11] established an S-N fatigue ond section describes the test design and the analysis of the test life curve that can evaluate the effect of damage on the fatigue results. The third section proposes that the residual strain of conultimate bearing capacity of reinforced concrete members after crete is a good indicator for calculating the fatigue damage index damage. However, the method of damage assessment is not clear- based on the analysis of the test data. The last section summarizes ly stated. Remitz, J. [12] also focused on studying fatigue life. A the study and provides relevant conclusions. test result database method that can identify and quantify the influence of different structural forms and different system actions on the fatigue life of the prestressed bridge was established. Sa- 2. MATERIAL & METHODS nio, D. [13] used wavelet analysis to quantify the influence of the In this experiment, six PPC beam specimens were produced variance of a single parameter on the total variance of the model in the same batch. Among them, specimen C0 was subjected to and comprehensively considered the influence of load frequency a static load test to determine the ultimate load, and the five and stress amplitude on life prediction. However, the fatigue load remaining specimens were subjected to fatigue test. According to was not determined. The impact of the actual traffic volume on the different upper limits of loading, they were serially numbered the service was not considered. KHATTAB, M. M. [14] analyzed the as follows: C1, C2, C3, C4, and C5. The cross-sectional dimeneffects of bonded stress and unbonded stress on fatigue deforma- sions of the test piece are shown in Figure 1. The beam tension tion and crack development through test methods. Prashanth, M. area adopts prestressed steel wire with a diameter of 7mm and H. [15] started from the point of view of the material properties non-prestressed steel bars with a diameter of 6mm. The stirrups of longitudinal bars. Jeong, Y. [16] analyzed the difference in the are made of 12# iron wire, and the spacing is 100mm. In addition, fatigue characteristics of CFRP bars with bond stress and ordinary steel bars. Murthy A.R. [17] focused on the fatigue behavior of high-strength concrete materials. These studies focused on the material level and lacked a detailed analysis of the coupling effect of the load amplitude. A few studies have shown that the beam has unrecoverable residual deformation after fatigue loading [6]-[8][18]-[20].

Literature [18] comprehensively studied Figure 1. Reinforcement and loading mode of the test beam the fatigue behavior of classic materials, Cod. 10440 | Building technology | 3305.04 Bridges

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Material types Test cube Prism block Prestressed wire Regular reinforcement

Cube crushing strength (MPa) 41.6 — — —

Residual performance analysis of bridge structure considering heavy load effect Ruyu Gao, Qin Xin, Xiuquan Hu and Chunyu Liang

Axial compressive strength (MPa) — 29.8 — —

Yield strength (MPa) — — 1410 316

Ultimate strength (MPa) — — 1,603 420

Elongation (%) — — 4.2 25

Table 1. Measured concrete and steel strength

stirrups lay with a spacing of 50mm within 500mm of each end of the beam. Simultaneously with the pouring of the beams, three concrete cube test blocks were made simultaneously. The beam and the cube test block were cured at the same time, and the curing method was steam curing and natural curing. When carrying out the beam test, the compressive strength test is carried out on the concrete test block of the corresponding beam to obtain the concrete strength of the beam during the actual test. The effect of equivalent fatigue load on the failure form and stiffness degradation of PPC beams is analyzed by changing the magnitude of the fatigue stress amplitude.

According to the standard material test requirements, the specimens should be subjected to compressive strength test and tensile test on concrete and steel bars during production, including their compressive strength, yield strength, and ultimate tensile strength, as shown in Table 1.

The ultimate load capacity measured by the static test is 24 kN. The fatigue test adopts concentrated force loading, the loading method is sine wave loading, and the loading frequency is set at 2 Hz [5]. In the fatigue test, to compare the changes in the mechanical performance of the specimen after fatigue loading, the static load test before fatigue is performed prior to formal loading, and the load is added to the upper limit of the load in five levels. When the cycle is loaded: 10,000 times, 20,000 times, 50,000 times, 100,000 times, 300,000 times, 500,000 times, 1 million times, 1.5 million times, and 2 million times, stop fatigue loading and do a static load test. The static load test is divided into five stages of loading and five stages of unloading. Then, data are collected after the load is stabilized. After the fatigue effect, the grading loading data collection is carried out again. When the specimen reaches 2 million times without fatigue failure, stop the machine to carry out a static load test, and perform static load failure to obtain its residual ultimate bearing capacity. Prior to static load test measurement, the strain gauge acquisition system should be re-initialized to eliminate the influence of component weight. Each test piece is secured with four laser displacement

meters at the mid-span, third-point section, and the support.

In addition, three resistance strain gauges are arranged to correspond to the reinforcement loading point and the third-point section. Five resistance strain gauges are arranged on the surface of the concrete. The test load setting is shown in Figure 1. The measurement contents of this test include the following:(l) Displacement value of the loading point; (2) Concrete strain, steel bar strain, and prestressed tendon strain. These measured data are analyzed to evaluate the residual performance of the test piece.

The lower limit of the fatigue load, considering the self-weight of the structure, bridge deck paving, vehicle driving conditions, and laboratory conditions, is considered 0.15 times the ultimate load [5]-[7]. The upper limit of the fatigue load is determined by the statistical results of actual traffic volume surveys. According to the different axle types, heavy-duty vehicles are divided into five types, namely, two-axle vehicles, three-axle vehicles, fouraxle vehicles, five-axle vehicles, and six-axle vehicles. According to the principle of coaxial merging and miner criterion [13], the axle load is equivalently converted according to the principle of equal accumulation of fatigue damage, and the load spectrum model of the heavy-duty vehicle is obtained. On the basis of this result, the maximum bending moment effect of the actual operating heavy-duty traffic vehicle load and the highway-I class vehicle load under the simply supported girder bridges of different spans is calculated [20]-[24], as shown in Figure 2. The ratio of the investigated heavy traffic load bending moment effect Sht to the Highway-I level cycling load bending moment effect S0 is defined as follows: ratio ηi=Sht / S0, where i represents different spans. According to statistics, the value of ηi is between 1.07 and 1.35. Therefore, for some transportation routes with a large traffic volume, the standard load is smaller than the actual vehicle load on the current bridge. For example, in the 16 m span beam that collects traffic flow, η16 is 1.29, indicating that the actual operating traffic load (car) is close to 1.29 times the Highway-I level load.

Further considering the live load subfactor of 1.5 and the important factor of 1.1, the carload effect is approximately 2.0 times the ultimate load of the bridge. In the standard load effect, if the fatigue damage is analyzed according to the normal rated load of the vehicle, the load effect due to the rated load of the vehicle is about 0.7 times the standard effect M. For the serviceability limit states, the upper limit of the fatigue test is 0.4M~0.6M, which is equivalent to 0.28~0.42 of the ultimate load effect Mu. So, in the case of ignoring the self-weight effect, according to the commonly used classification method of fatigue test, the upper limit of the fatigue load considering the overload effect should be taken as (a) Maximum bending moment of simply supported beam bridges with different spans (b) Heavy load and is 0.56 Mu~0.84 Mu. After comprehenstandard load action ratio sively considering the randomness of Figure 2. Diagram of maximum bending moment and ratio of simply supported girder bridges with different spans 158 | ISSN-L: 0012-7361 | 156-161 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

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the field survey data and the limitations of the laboratory, the upper limit of loading during the fatigue load test of the prestressed concrete beam starts with 0.50 times the ultimate load, that is, 0.5, 0.6, 0.7, 0.75, and 0.8 Mu, thereby representing five levels.

3. RESULTS 3.1. FATIGUE FAILURE The test beams C1, C2, and C3 did not undergo fatigue failure after being loaded with 2 million fatigue cycles. The static load failure test was carried out on the three specimens, and the failure showed bending failure. The test beams C4 and C5 have fatigue failure, and the fatigue life is 108,000 times and 53,000 times, respectively. The failure starts from the fatigue fracture of the non-prestressed steel bar at the bottom of the beam, and the fatigue fracture occurs at a certain main crack section (near the loading point). The fatigue fracture of the steel bar is divided into evident instantaneous fracture zones, and the fatigue failure form is shown in Figure 3.

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loading history and the upper limit of the fatigue loading, with obvious stages. In the initial stage of fatigue loading, the concrete strain increases, and deformation is large, which makes the residual strain increase rapidly; after that, the residual strain increases slightly, and the change is linear. Figure 4(b) shows that in the third stage of fatigue loading for beams C4 and C5, the residual strain of concrete increases significantly before fatigue failure. Comparing the residual strain values of beams C4 and C1 after 100,000 loading times, the ratio is 1.35, which indicates that for the same loading times, the larger the upper limit of loading, the greater the damage to the structure.

3.2.2. Development of a residual strain of steel and prestressed reinforcement Similarly, the development of the residual strain of the steel bar and of the residual strain of the prestressed reinforcement is analyzed. Figure 5(a) shows that the test beams C1, C2, and C3 experienced 2 million fatigue cycles without failure, and the residual strain development presents evident two-stage characteristics. The fatigue life of the test beams C4 and C5 is short, and the residual strain develops rapidly, presenting an evident “three3.2. RESIDUAL PERFORMANCE stage” characteristic, that is, the residual strain at the initial stage of loading increases rapidly, and then enters the gentle growth 3.2.1. Development of concrete residual strain stage. In addition, the residual strain shows a linear change, and Residual strain indicates that after a certain load is applied to the development rate is constant; the residual strain in the failure the material, the deformation of the material is very small, and stage develops rapidly. From this point of view, the residual strain the internal stress is not released due to its high compressive and of ordinary steel bars also corresponds to fatigue damage. tensile strength. Concrete continuously absorbs energy, resulting Figure 5(b) shows the relationship curve between the residual in damage, such as microcracks inside, thereby increasing the re- strain of prestressed reinforcement and the number of cycles of sidual strain of concrete. The change curve of concrete residual fatigue loading. The development law of residual strain ∆ε of prestrain with loading history is shown in Figure 4. In the figure, N stressed reinforcement is consistent with the law of residual strain represents the fatigue life of the beam, and n represents the load- of steel bars, and they increase with the increase in the maximum ing times in the fatigue test. stress level and the number of loading cycles. The larger upper limFigure 4(a) shows that the residual strain of the concrete in it of loading indicates faster increase in residual strain. The trend the beam compression zone increases with the increase of the of the curve is phased: the initial stage of loading (approximately 10% of the loading process) grows rapidly, the growth rate is constant, and it grows rapidly prior to destruction. The residual strain amplitudes of the test beams under the same number of loading times were compared and found that after 100,000 fatigue loadings, the residual strain amplitudes of the prestressed reinforcement of beams C2, C3, and C4 were higher than those of Figure 3. Failure mode of specimens: (a) fatigue bending failure shape and (b) rebar fatigue fracture beam C1. The residual strain amplitude increased by 4.25%, 31%, and 55%, indicating that the residual strain amplitude increase of the prestressed reinforcement is the same as the fatigue upper limit loading increase.

3.2.3. Fatigue damage According to the existing damage model [25]-[26], the damage evolution equation of the isotropic medium is obtained as follows: (1) (a) Variation curve of maximum residual strain with loading times (b) C4 and C5 concrete residual strain loading history where is the dissipation potencurve Figure 4. Change in residual strain of concrete with the number of fatigue loading tial after Legendre transformation; Cod. 10440 | Building technology | 3305.04 Bridges

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Residual performance analysis of bridge structure considering heavy load effect Ruyu Gao, Qin Xin, Xiuquan Hu and Chunyu Liang

The boundary conditions are considered, as follows: When , D = 0, , D = 1.

Points can obtain the following: (6) Where, is the residual plastic strain of the material. is the cumulative residual plastic strain at the beginning of the damage of the material. is the cumulative residual plastic strain during fatigue failure.

Figure 5. Development curve of the maximum residual strain of (a) steel bars and (b) prestressed reinforcement Equation (6) is the damage equation between the damage variable and cumulative residual plastic strain established is the damage energy release rate; is the cumulative plastic based on theoretical derivation. By collecting the residual strain strain rate; is the microplastic strain rate; and are the data of the material utilizing testing or monitoring, it can be used temperature-dependent material characteristic parameters. to calculate the fatigue damage value of concrete, steel bars, and According to the literature [27], in most cases, the damage prestressed steels. And it can indicate the evolution law of fatigue rate is linearly related to the cumulative plastic strain rate, that damage of structural (which is shown in Figure 6.), and the law is, when is zero, the damage evolution rate of fatigue damage can give early warning of fatigue damage. is as follows: The Figure 6 shows that the fatigue damage development of materials presents phased characteristics. The first and second (2) stages of concrete strain are damaged by 5% to 15%, respectively, and the third stage is damaged by approximately 15%. When faIn a one-dimensional state, the free energy density function tigue failure occurs, the overall damage is approximately 40%. Cuand D are unrelated. Therefore, the dam- mulative fatigue damage of steel bars and prestressed reinforceage energy release rate can be obtained , ment is not evident in the first and second stages, and damage substituting into the above formula, we obtain the following: growth rate is constant. As the number of load actions increases, the damage during the entire fatigue process is small, at approxi(3) mately 5%–10%. The cumulative fatigue damage of beams C1–C5 was compared and found that the damage of beams C4 and C5 dt is subtracted from the differential form of the above formula developed the fastest. This finding further proves that the degree (that is, time differentiation), and then the following equation is of damage to the beam body caused by overloading is significantly integrated: higher than that of normal operating loads. Therefore, the durability and fatigue life of beam members in the actual service should (4) be analyzed through the magnitude of normal operating loads. The comprehensive analysis of Figure 6 also shows that the residual strain of concrete and steel bars develops. In addition, for C4 and Further, we obtain the following: C5 beams with high levels of load, the residual strains of nonprestressed steel bars are significantly higher than those of other (5) test beams. This condition is mainly because, during the fatigue loading process, the non-prestressed steel bar in the beam yielded prematurely, causing it to produce additional plastic strain. In ad-

(a) Evaluation of concrete fatigue damage (b) Fatigue damage Evaluation of ordinary steel under tension at the bottom of the beam (c) Evaluation of fatigue damage of prestressed reinforcement Figure. 6 Evaluation of material fatigue damage 160 | ISSN-L: 0012-7361 | 156-161 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

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Residual performance analysis of bridge structure considering heavy load effect Ruyu Gao, Qin Xin, Xiuquan Hu and Chunyu Liang

dition, the measured residual strain of the non-prestressed steel bar of the three test beams C1–C3 with the relatively low level of load was closer. This finding showed that the residual strain is insignificantly affected by the load level when the steel bar does not yield. It is mainly related to the closure of the concrete microcracks around the steel bar and the degree of fatigue damage of the concrete in the compression zone. Therefore, the residual concrete strain index is used to describe that the fatigue damage index of the beam is preferable.

4. CONCLUSION

To analyze the residual performance of the prestressed concrete beams under the equivalent fatigue load and reveal the relationship between the residual strain and the fatigue damage, the residual strain is considered, and a combination of experimental research and theoretical analysis is used to analyze six prestressed concrete beams. The fatigue failure form of the beam, the residual strain in the concrete in the compression zone, and the residual strain of the steel in the tension zone are analyzed, and the following conclusions are finally obtained:(1) Overload failure greatly reduces the fatigue life of beam members. The final failure mode of the beam is the bending failure starting from the fatigue fracture of the ordinary steel bar under longitudinal tension at the bottom of the beam; the main cracks mostly appear near the middle of the test beam.(2) The mid-span residual deflection of the prestressed concrete beam under constant amplitude load, the residual strain of the concrete in the compression zone, and the residual strain of the reinforcement and prestressing tendons in the tension zone are positively correlated with the maximum stress level and the number of fatigue cycles; its development has evident stages.(3) The damage equation between damage variable and cumulative residual plastic strain established based on theoretical derivation proposes that the residual strain of concrete is a better indicator for calculating the fatigue damage index.

This research combines indoor tests with theoretical research and puts forward a new understanding of residual performance and fatigue damage. The proposed fatigue damage index characterization parameters are closer to the actual site and have certain references for the follow-up research on overload fatigue. The coupling effect of the environment and load should be comprehensively considered, and the proposed analysis methods should be combined and revised in future research given the lack of actual data for on-site environmental corrosion testing. This approach shall provide much accurate understanding of the fatigue residual performance of the bridge

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Spatial effects of climate warming on the health risks due to urban heat exposure: a case study of China Huanchun Huang, Xinhui Zhou, Yongchao Qu and Hao Zhang

Spatial effects of climate warming on the health risks due to urban heat exposure: a case study of China Efectos espaciales del calentamiento climático sobre los riesgos para la salud debidos a la exposición al calor urbano: un caso de estudio en China nnnn

Huanchun Huang1, Xinhui Zhou1, Yongchao Qu2 and Hao Zhang3,* College of Landscape Architecture of Nanjing Forestry University, Longpan Road 159#, Nanjing, 210037, Jiangsu, China.

Beijing Municipal Institute of City Planning & Design, Nanlishi Road 60#, Beijing, 100045, China.

3 College of Economics and Management of Nanjing Forestry University, Longpan Road 159#, 210037, Jiangsu, China. * Corresponding author, email: zh400754@gmail.com 1 2

DOI: https://doi.org/10.6036/10426 | Received: 15/nov/2021 • Reviewing: 15/nov/2021 • Accepted: 14/feb/2021 To cite this article: HUANG, Huanchun; ZHOU, Xinhui; QU, Yongchao; ZHANG, Hao. SPATIAL EFFECTS OF CLIMATE WARMING ON THE HEALTH RISKS DUE TO URBAN HEAT EXPOSURE: A CASE STUDY OF CHINA. DYNA. March-Abril 2022, vol. 97, no.2, p. 162-168. DOI: https://dx.doi.org/10.6036/10426

FUNDING This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (NSFC) under Grant NO.31971717, the Top-notch Academic Programs Project of Jiangsu under Grant No. PPZY2015A063.

Huanchun Huang and Xinhui Zhou contribute equally to this work and should be considered co-first authors.

RESUMEN • L os efectos de la urbanización global y el calentamiento global sobre la salud pública, incluyendo el riesgo para la salud causado por el ambiente de calor urbano, han llamado mucho la atención. Por lo tanto, es necesario investigar métodos para evaluar el mecanismo de respuesta espaciotemporal del calentamiento climático y la dosis de exposición a altas temperaturas (HTED) de los residentes urbanos para lograr ciudades sostenibles. Basándose en un modelo de evaluación del riesgo para la salud ambiental y utilizando las seis carreteras de circunvalación de Pekín (China), este estudio simuló la distribución espacial de las futuras altas temperaturas en tres vías socioeconómicas compartidas (SSP), SSP1-2.6, SSP3-7.0 y SSP5-8.5, determinando la correlación entre las futuras temperaturas máximas medias y las temperaturas medias en días soleados. Además, se evaluó el HTED de los desplazamientos a pie o en bicicleta basándose en los datos de los puntos de interés de las estaciones de metro, la composición arquitectónica y las encuestas de tráfico. Los resultados demuestran que, durante el periodo 2020-2040, el 66,57% y el 50,07% de las zonas de desplazamiento a pie y en bicicleta dentro del sexto anillo están expuestas a altas temperaturas (incluyendo zonas de riesgo bajo, medio y alto). Los riesgos de exposición de ambos métodos de desplazamiento se concentraron, y la dosis de exposición fue la más alta entre la quinta y la sexta circunvalación, mientras que entre la primera y la cuarta circunvalación predominaron las zonas sin riesgo, de riesgo mínimo y de riesgo bajo. Además, en comparación con SSP1-2.6 y SSP5-8.5, SSP3-7.0 mostró una baja HTED en ambos métodos de desplazamiento. El método propuesto proporciona una base científica para ayudar a identificar las zonas urbanas con alto riesgo de exposición a la temperatura y una referencia para ayudar a la planificación de ciudades resilientes y sostenibles.

• Palabras clave: Calentamiento climático; Dosis de exposición a altas temperaturas; Simulación de escenarios; Modos de desplazamiento; Salud pública.

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ABSTRACT

The effects of global urbanization and climate warming on public health, including the health risk caused by the urban heat environment, have drawn extensive attention. Therefore, methods to appraise the spatiotemporal response mechanism of climate warming and the high temperature exposure dose (HTED) of urban residents need to be investigated to achieve sustainable cities.

Based on an environmental health risk appraisal model and using the six ring roads in Beijing of China, this study simulated the spatial distribution of future high temperatures in three shared socioeconomic pathways (SSPs), SSP1-2.6, SSP3-7.0, and SSP5-8.5, by determining the correlation between the future mean maximum temperatures and sunny-day mean temperatures. Additionally, the HTED of commuting on foot or by bicycle was assessed based on the point of interest data of subway stations, architectural composition, and traffic surveys. Results demonstrate that during 2020–2040, 66.57% and 50.07% of areas for commuting on foot and by bicycle within the sixth ring road exposed to high temperatures (including low, medium, and high-risk areas). The exposure risks of both commuting methods were concentrated, and the exposure dose was the highest between the fifth and sixth ring roads, whereas the first to fourth ring roads were dominated by non-risk, minimum-risk, and low-risk areas. Moreover, compared with SSP1-2.6 and SSP5-8.5, SSP3-7.0 exhibited low HTED in both commuting methods. The proposed method provides a scientific basis to aid in identifying urban areas with high temperature exposure risk and a reference in assisting the planning of resilient and sustainable cities.

Keywords: Climate warming; High temperature exposure dose; Scenario simulation; Commuting modes; Public health.

1. INTRODUCTION

Global warming increases ambient temperatures and consequently causes more frequent extreme temperature events. Therefore, future temperatures must be simulated, and potential health risks must be analyzed. The urban heat environment in cities is a physical environmental system comprising various external factors related to heat [1]. It has a strong influence during climate warming [2] and a long-term impact on the health and wellbeing of residents [3–5]. Despite experiencing the exacerbating effects of urban heat environments, we cannot yet efficiently manage the Cod. 10426 | Environmental engineering and technology | 3308.99 Otras (especificar)

Spatial effects of climate warming on the health risks due to urban heat exposure: a case study of China Huanchun Huang, Xinhui Zhou, Yongchao Qu and Hao Zhang

associated health risks owing to the lack of quantitative studies on the high temperature exposure dose (HTED) of residents.

The combined effect of climate change and urban heat islands has caused severe risks to public health. In 2019, high temperature was listed for the first time as a risk factor by the Global Burden of Disease [6]. High temperatures reduce the urban environmental quality by reducing the cooling capacity, thereby directly affecting the living standards of residents [7]. Consequently, the health and wellbeing of vulnerable people would be at higher risks. In addition, global warming makes extremely high temperatures more severe and frequent, with its direct impacts reflected by the high mortality rates of residents exposed to high temperatures [8]. The urban heat environment also leads to heat stress, which causes mental and physical discomfort among residents [9].

Given the negative consequences of high temperatures, many field studies focusing on urban high temperatures have been conducted in various outdoor spaces and under various climatic conditions. Air temperature, wind velocity, water vapor pressure, short-and long-wave radiant fluxes, physiological strain, and behavior were all used to depict past and present human thermal stress and discomfort [10]. Climate change will play a major role in affecting exposure in the coming decades, and its impact will amplify as temperatures rise. There are also many studies on Beijing, which use the HDD (high degree days) index and heat wave risk, as well as land surface temperature and single extreme heat day, to assess the heat health risk in Beijing [11]. However, studies on the daily average temperature and the dynamic heat exposure hazards of residents are scarce. The assessment of the temperature-commuting scenario relationship, as well as the measurement of HTED of residents using daily average temperature and commuting data, can observe the risk of residents’ heat exposure while they are active in the city, which is a further investigation of the heat health warning system. [12].

Therefore, to ensure physical and mental health of residents and create comfortable outdoor spaces, the high temperature exposure risk posed to urban residents must be assessed by simulating climate change events and high temperature environment.

2. STATE OF THE ART

The Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) is widely used to simulate future climate changes, and the subsequent results are used to compile the assessment reports of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). The energy modelling community has developed a new set of emission scenarios driven by different socioeconomic assumptions, which are the “Shared Socioeconomic Pathways” (SSPs), including population, economic growth, education, urbanization, and the rate of technological development. The Representative Concentration Pathways (RCPs), RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0, and RCP8.5 have new versions in CMIP6; these updated scenarios are called SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP4-6.0, and SSP5-8.5. The SSP3-7.0 is a new scenario for CMIP6, which lies right in the middle of the range of baseline outcomes produced by energy system models.

Researchers have compared CMIP6, CMIP5, and other climate simulation models using a previous reliable data verification model [13-15] to prove the efficiency and accuracy of the CMIP6. Additionally, researchers have simulated regional climate via CMIP6 including precipitation and aridity risk predictions, extreme temperature simulations, and ground-level wind speed assessments [16–19]. On a large scale, these studies have provided a strong foundation for analyzing quarterly or yearly future climate changCod. 10426 | Environmental engineering and technology | 3308.99 Otras (especificar)

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es. Furthermore, specific climatic issues need to be addressed to understand how future climate hazards may influence the health of residents, and how to scientifically evaluate the impact of urban high temperature environments on the health of residents in different urban spaces. Subsequently, the spatial distribution characteristics of the risks posed by future urban high temperature exposure must be explored, which has become an important theoretical and practical scientific problem.

Quantitative studies on urban high temperature environment have primarily analyzed the spatial distribution of cities at a macro level using previously recorded data from meteorological stations and remotely sensed temperature data [20,21]. Such studies have dynamically simulated the heat environment at different scales via multiple technologies such as surface meteorological observation, remote sensing technology, and numerical modeling [22,23]. Complicated underlying surfaces in modern cities indicate that various factors can affect the urban heat environment [24].

Therefore, most numerical modeling methods originating from a single climate model may cause large errors; thus, conducting more accurate quantitative assessments via effective-coupling climate models is critical.

Moreover, quantitative studies on urban high temperature environments are the foundation for assessing high temperature exposure risks. Although a high temperature environment is classified as a health risk factor, HTED has not been studied extensively, which is a prevailing issue for efficient assessments of high temperature exposures and verification of risk characteristics.

High temperature exposure has recently been studied primarily by analyzing the influencing factors of high temperature exposure based on heat-related cases and mortality from medical data, questionnaires, and surveys [25,26]; determining the characteristics, duration, and frequency of extreme temperatures by confirming the threshold temperature based on demographic data, mean maximum temperature, and extreme temperature [27]; and exploring the spatial distribution of high temperature exposure based on temperatures from different climate coupling scenarios [28,29]. These studies mostly analyzed the risks of high temperature exposures at regional, national, or global scales, rather than investigating the risks at the city scale. Moreover, previous studies have analyzed and evaluated population exposure based on demographic data, which involves multiple factors that may lead to limited or deficient results, such as lack of consideration about the activity dynamics of residents, and the measurement of high temperature exposure in daily life. Therefore, to accurately assess the risks of high temperature exposure to urban residents, a dose– response relationship is required to establish a foundation for effectively assessing exposure and analyzing risk characteristics.

This study explored how high temperature exposure affects public health in two commuting methods, that is, on foot and by bicycle, using administrative districts within the sixth ring road of Beijing as a case study, and assessed the HTED of residents in different urban spaces. A scenario analysis was applied (i.e., a method of environmental health risk appraisal) by combining the CMIP6 dataset for future climate projection (based on the “sustainable” socioeconomic pathways [SSP]: SSP1-2.6, “middle and high-reference” SSP3-7.0, and “upper edge” SSP5-8.5) for July during 2020– 2040 using extensive data on buildings, traffic, and infrastructure of Beijing to measure the average annual daytime HTED of urban residents through the two commuting methods. Furthermore, the characteristics of spatial distribution of the future exposure risk were investigated to assist in developing an adaptive design to create resilient cities with respect to the changing urban climate.

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Spatial effects of climate warming on the health risks due to urban heat exposure: a case study of China Huanchun Huang, Xinhui Zhou, Yongchao Qu and Hao Zhang

3. METHODOLOGY 3.1 DATA COLLECTION AND PROCESSING 3.1.1 Climate data Future climate simulation data were collected (i.e., mean maximum temperature data in July during 2020–2040) from the WorldClim database (https://www.worldclim.org), and three SSPs were applied: “sustainable” SSP1-2.6, “middle and high-reference” SSP3-7.0, and “upper edge” SSP5-8.5, with 5-km spatial resolution. The WorldClim dataset reduces and calibrates data generated from nine general circulation models (GCMs) (Table 1), and inserts climate change data into a 1-km resolution grid, which aligns with the hypothesis that climate change is spatially stable (high spatial autocorrelation). Because GFDL-ESM4 and MRI-ESM2-0 models lack certain SSPs data, they were eliminated in this study; thus, this study applied an average of seven GCMs. HTED measurements require future sunny-day mean temperature in July; however, the CMIP6 dataset only includes the mean maximum temperature. Hence, historical data were collected to determine the correlation between the above mean temperature and the mean maximum temperature. Specifically, this study used the mean temperature and mean maximum temperature in July from 1986–2020 as historical data, which was acquired from China Meteorological Data Network (http://data.cma.cn), and the sky condition data in July from 2011–2020 was acquired from Beijing Meteorological Service (http://bj.cma.gov.cn/). The two datasets were consistent and thus guaranteed a reliable regression result.

Model

Country

Resolution (longitude × latitude)

BCC-CSM2-MR

China

320 × 160

CNRM-CM6-1

European

256 ×128

CNRM-ESM2-1

European

256 × 128

CanESM5

Canada

128 × 64

IPSL-CM6A-LR

France

144 × 143

MIROC-ES2L

Japan

128 × 64

MIROC6

Japan

256 × 128

During data processing and analysis, the coordinate systems of future climate data and current average exposure temperature were uniformly set as WGS_1984_UTM_ Zone_50N to ensure data consistency. The pixels were then scaled to the same size and resampled to 30 m. Finally, the errors were reduced within one pixel.

3.1.3 Point of interest data Point of interest (POI) refers to spatial data of the infrastructure locations and attributes in the city, which reflects the intensity of anthropogenic activities to some extent [32]. POI data are diversified, and different POI data types have different influences on the urban thermal field. This study obtained the POI data, including information on the names, types, coordinates, and categories of residence, business, traffic, medical care, catering, service, infrastructure, and tourist attractions, of the sixth ring road of Beijing in 2013 and 2017. After pre-processing, the locations and layouts of all types of buildings, subway stations, and bus stations were extracted. Furthermore, traffic survey data were collected from the Beijing Transport Annual Report published by the Beijing Transport Institute in 2018 and 2020. Based on the current public transportation situation, this study combined future temperature simulation to provide suggestions for future urban construction.

3.2 CORRELATION ANALYSIS This study correlated the mean maximum temperature, mean temperature, and sunny-day mean temperature in July during 1986–2020 and developed a regression equation using P < 0.01 as the significance level (Figs. 1 and 2). During 1986–2020, significant correlations were observed between the mean maximum temperature and mean temperature (r = 0.963, R2 = 0.927, P < 0.01; regression equation: y = 0.89 + 1.04x) and the mean temperature and sunny-day mean temperature (r = 0.816, R2 = 0.666, P < 0.01; regression equation: y = 1.71 + 0.79x) in July. The results showed a good fit of the regression curves, and the relationship between the two above-mentioned temperatures in CMIP6 could be used to measure future HTED.

Table 1. General circulation model (GCM) information in CMIP6, including model names, countries of origins, and spatial resolution

3.1.2 Retrieval of current temperature field The current temperature field data were retrieved based on the relational model between land surface temperature (LST) and 117 surface meteorological stations. LST was obtained by retrieving Landsat8 satellite images via atmospheric correction [30]. Satellite images provided by the United States Geological Survey were captured on July 10, 2017 at 10:35 h. No precipitation was observed on the day of imaging. The selected images represented sunny days with a low wind speed and high atmospheric visibility. Remote sensing images are of high quality and are suitable for temperature retrieval. LST and air temperature 1.5 m aboveground exhibited synergistic variations. Therefore, based on our previous findings [31], a strong linear relationship was observed between LST, normalized difference vegetation index (NDVI), and daily mean temperature.

The formula of the daily mean temperature is as follows: (1) where TA is the daily mean temperature, TL is the LST, and y represents NDVI. R2 of the regression equation was 0.95, and the root mean square error was 0.13.

164 | ISSN-L: 0012-7361 | 162-168 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

Fig. 1. Mean maximum temperature and mean temperature in July

3.3 HIGH TEMPERATURE EXPOSURE DOSE MEASUREMENTS This study applied the environmental exposure formula [33] to measure two commuting methods: walking and riding a bicycle.

First, the duration of commute from a building to a public transport station was determined via network analysis to calculate the total exposure dose based on the temperatures of the three SSPs. Afterward, according to traffic surveys in Beijing in 2020 and the Cod. 10426 | Environmental engineering and technology | 3308.99 Otras (especificar)

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temperate zone, with annual mean temperature of 10–12 °C and rainfall of 400–800 mm (Fig. 3).

As a globally leading metropolis and the political center of China, Beijing generates large proportions of heat and has a considerably larger heat island effect in summer than in other seasons [36]. The population of Beijing in November 2020 comprised 21.542 million permanent residents, among which 18.634 million (86.5%) resided in urban areas [37]. The urban area is primarily a six-ring concentric circle structure, with high-density artificial construction areas and 76% of the population living within the sixth ring road, thereby suggesting an extremely high risk of high temperature exposure with the expansion of urbanization.

The study area covering 2 500 km2 included Dongcheng, Xicheng, Chaoyang, Haidian, Fengtai, Shijingshan, east Mentougou, east Fangshan, west Tongzhou, southwest Shunyi, south Changping, and north Daxing districts.

Fig. 2. Mean temperature and mean sunny-day temperature in July

average total exposure temperature, duration, and frequency, the average exposure levels of both commuting methods were calculated. The average daily exposure dose was calculated as follows: (2) where ADD is the average daily exposure dose at high temperature (°C · d), C is the exposure temperature (°C), E is the frequency of the average exposure level (d/min), and ED is the duration (min).

3.4 APPRAISAL OF RELATIVE RISK OF HIGH TEMPERATURE EXPOSURE Based on the HTED of the three SSPs, this study ran spline interpolation in ArcGIS (ESRI U.S.A.) and created a warning map of high temperature exposure risk for 2020–2040 in the study area.

Subsequently, classification standards were established according to the threshold temperature of the human body. Specifically, when air temperature exceeds 35 °C, energy metabolism increases, thereby increasing the susceptibility of humans to heatstroke; therefore, 35 °C was selected as a reference temperature. Moreover, this study considered the average duration of both commuting methods, with total exposure duration of 30 min as the interrupt value of risk level appraisal [34], and then determined the average daily exposure dose value as 1.5. Afterward, based on the methods used to grade environmental health levels [35], this study divided the entire area within the sixth ring road of Beijing into five areas with different exposure risk levels: non, minimum, low, medium, and high-risk areas, and graded the exposure from Levels 1–5 (Table 2).

ADD/°C · d

Exposure level

Risk zone level

<0.4

1

Non-risk

0.4–0.7

2

Minimum-risk

0.7–1.1

3

Low-risk

1.1–1.5

4

Medium-risk

>1.5

5

High-risk

Table 2. Relative risk level of average daily exposure dose (ADD)

3.5 STUDY AREA Beijing City is located at the northwestern edge of the North China Plain (39.4–41.6° N, 115.7–117.4° E) and has a declining terrain from northwest to southeast. It experiences a typical subhumid continental monsoon climate in summer in the northern Cod. 10426 | Environmental engineering and technology | 3308.99 Otras (especificar)

Fig. 3. Location of the six ring roads in Beijing

4. RESULT ANALYSIS AND DISCUSSION 4.1 SPATIAL DISTRIBUTION OF FUTURE HIGH TEMPERATURE The spatial distribution of the mean maximum temperature in July during 2020–2040 is shown in Fig. 4. All three SSPs suggested that high temperature areas are concentrated at downtown within the fourth ring road in a radial pattern from downtown areas to outskirts, whereas lower temperature areas are scattered between the fifth and sixth ring roads mostly comprising mountain ranges.

The mean maximum temperature recorded by meteorological stations in Beijing was 31.40 °C, which differed by -0.88–1.38 °C from the simulated future mean maximum temperature. The future mean maximum temperature of SSP3-7.0 was lower than those of SSP1-2.6 and SSP5-8.5. Sustainable SSP1-2.6 showed that the future mean maximum temperature would be maintained at 31.17– 32.78 °C, which is important because the Paris Climate Agreement states that the temperature should stay “well-below” 2 °C by 2100, and countries should make efforts to limit temperature increase to 1.5°C. Moreover, the “medium and high-reference” SSP3-7.0 showed that the future mean maximum temperature would be maintained at 30.52–32.10 °C. The SSP3-7.0 provides multiple land-use scenarios suitable for describing the ever-increasing built-up area of Beijing [38]. Conversely, the “upper edge” SSP5-8.5 suggested a temperature range of 31.16–32.77 °C, which was similar to that of SSP1-2.6.

This is because 1) during 2020–2040, the marginal effect of SSP5Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 162-168 | ISSN-L: 0012-7361 | 165

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8.5 expands gradually, causing a small temperature increase; and 2) several CMIP6 models project greater rates of temperature increase than others in the near-term (2020-2040) under SSP1-2.6, such as CanESM5, IPSL-CM6A-LR, and BCC-CSM2-MR [39].

The temperature decreases gradually from downtown to the suburbs in all three SSPs. The Beijing Capital International Airport area in the northeast and the residential clusters in the southwest reflect the most significant differences between the three SSPs. The reason for the difference between SSP3-7.0 and SSP1-2.6, SSP5-8.5 is, SSP1 and SSP5 see “substantial investments in education and health, rapid economic growth, and well-functioning institutions” as indicators of human development, whereas SSP3 is more pessimistic in the future economic and social development.

4.2 APPRAISAL OF FUTURE HIGH TEMPERATURE EXPOSURE DATA Beijing is a typical megacity in China and a first-tier city worldwide. SSPs predicted that the population of China, similar to the Chinese GDP, exhibits a unique growth pattern. The population peak is expected to exceed 1.4 billion in 2030 [40]. Under the influence of population pressure and climate warming, commuting behavior, as the main daily activity of residents, has reference value for the measurement of high temperature exposure.

Therefore, HTED that considers both the commuting method and temperature is an effective method to measure the climate health risk of a city. The HTED within the sixth ring road of Beijing during 2020–2040 is shown in Fig. 5.

All three SSPs suggested that the areas of exposure risk of the two commuting methods are concentrated; urban outskirts exhibited high HTED (primarily between the fifth and sixth ring roads), downtown areas exhibited low HTED, and the first to fourth ring roads primarily comprised non, minimum, and low-risk areas. Regarding the spatial distribution, the medium-risk and high-risk areas exhibited a radial pattern along the subway lines, whereas the minimum and low-risk areas showed a star-shaped radial pattern along the subway lines. High-risk areas decreased from the outskirts to downtown areas. This is because the current buildings are clustered within the fourth ring road, and high-risk buildings and sidewalk trees shade the surroundings. Moreover, subway stations are in closer proximity in downtown areas; therefore, residents take less time to travel from downtown areas to a subway station than from outskirts to a subway station, thereby resulting in a low HTED. The analysis suggested that small cooling stops should be constructed around the green and public spaces of the ring roads to reduce future heat exposure intensity and improve the health of urban residents.

Figure 5 shows that the overall HTED of SSP3-7.0 was lower than those of SSP1-2.6 and SSP5-8.5. Within the fourth ring road, some minimum-risk areas were converted into non-risk areas, primarily in the Haidian and Dongcheng districts. Between the fifth and sixth ring roads, some high-risk areas were converted into medium-risk areas, primarily in the Haidian, south Changping, north Daxing, and Chaoyang districts. The HTED of SSP1-2.6 and SSP5-8.5 were similar between the two adjacent ring roads.

Furthermore, the temperature variation from SSP1-2.6 to SSP58.5 stabilized with peak reductions and coverage expansions, and extreme climate events occurred more frequently and had a wider influence. Moreover, high temperature risk appraisal considers only the duration and frequency of the total exposure temperature. Thus, the HTED of SSP5-8.5 increased when high temperature events occurred more frequently in the future.

166 | ISSN-L: 0012-7361 | 162-168 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

Fig. 4. Simulation results of the mean maximum temperature in Beijing in July during 2020–2040 in (a) SSP1-2.6, (b) SSP3-7.0, and (c) SSP5-8.5

Fig. 5. Appraisal results of future high temperature exposure risk within the sixth ring roads of Beijing. Risk distributions of commuting on foot in (a) SSP12.6, (b) SSP3-7.0, and (c) SSP5-8.5; and of commuting by bicycle in (d) SSP1-2.6, (e) SSP3-7.0, and (f) SSP5-8.5

4.3 ANALYSIS ON HIGH TEMPERATURE EXPOSURE RISKS OF DIFFERENT COMMUTING METHODS In the three SSPs, 66.57% and 50.07% of areas are available during 2020–2040 for commuting on foot and by bicycle, respectively, within the sixth ring road of Beijing that faces high temperature exposure risk (i.e., low, medium, and high-risk areas). The high-risk area of commuting on foot includes 888.64 km2, which is 2.64 times more than that of commuting by bicycle (336.10 km2). However, the none, minimum, low, and medium risk areas of commuting by bicycle are larger than those of commuting on foot, with non-risk areas being the most prominent. This may be because the downtown areas have multiple subway lines, thereby facilitating shorter commute times for residents between subway stations, so residents are less exposed to high temperature by bicycle than on foot. However, the number of subway lines decline along remote ring roads; therefore, residents take comparatively more time to commute between work place and home, and are more exposed to high temperatures particularly those residents commuting on foot. Therefore, the proportion of high-risk areas of commuting on foot is larger than that of areas of commuting by bicycle.

According to the different exposure risks simulated by the three SSPs (Table 3) for both commuting methods, SSP1-2.6 had the maximum proportion of high-risk areas, with those of commuting on foot accounting for the largest proportion (49.25%) between the fifth and sixth ring roads. Furthermore, SSP3-7.0 had the maximum proportion of non-risk areas, with those of commuting by bicycle accounting for the largest proportion (74.84%) Cod. 10426 | Environmental engineering and technology | 3308.99 Otras (especificar)

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between the second and third ring roads. In SSP3-7.0, the proportion of low-risk areas between the fourth and sixth ring roads was higher than that in SSP1-2.6 and SSP5-8.5. In addition, with the future temperature increase restricted to 2 °C, commuting on foot faces the highest level of high temperature exposure risk between the fifth and sixth ring roads; however, this can be alleviated by adjusting the green space layout and building buffer strips.

4.4 DISCUSSION This study provides a quantitative assessment of the expected future exposure of residents to high temperatures within the sixring road of Beijing under three social sharing economy pathways.

The findings indicate an overall upward trend in the future temperature pattern of Beijing and a gradual decrease in temperature from the urban center to the suburbs, which is consistent with the findings of previous studies, but the quantitative findings of high temperature exposure are significantly different from previous static population survey studies.

Related studies assessed vulnerability of Beijing to heat waves and proposed that spatial distribution of exposure in Beijing has characteristics of high internal and low external exposure [11], whereas this study shows that the risk of heat exposure within Beijing’s sixth ring is concentrated in the urban periphery. On the one hand, the discrepancy could be due to the different indicators chosen. Previous studies on exposure used daytime surface temperature, NDVI, and population density factors, which ignored residents’ mobility within the city, whereas this study used indicators directly related to exposure, air temperature and daily commuting, which allowed for measurement of the HTED to which residents were exposed outdoors. On the other hand, urban center has a higher density of infrastructure services and a more comprehensive system, so residents are less exposed to high temperature, whereas the urban periphery has a low density of infrastructure services, resulting in high relative exposure. As Beijing’s non-capital functions are decommissioned over the next 20 years, the population distribution will be differentiated, and the periphery of city will accept more people. This study can help residents understand the future high temperature risks and assist planning and design personnel in taking steps to mitigate potential risks ahead of time.

There are two limitations in this study: 1) Due to data limitations, the future climate data used in this study only included future mean maximum temperature data in July, which differed by more than 5.74% from the daily mean maximum temperature on sunny days, and the calculations may understate the risk of future high temperature exposure. 2) Influencing factors (e.g., age and gender of residents) were not considered, which may have various impacts on the research findings. In addition, the risks of hourly high temperature on the human body exhibited a bimodal distribution, and residents may travel during different time periods, which could also significantly influence the HTED. Therefore, the analysis of the effects of gender and time period are interesting research lines.

5. CONCLUSIONS

To quantitatively assess the spatial characteristics of future high temperature exposure risks posed to urban residents, this study used the future climate dataset from WorldClim and traffic big data for Beijing to measure the future HTED of commuting on foot and by bicycle in Beijing in SSP1-2.6, SSP3-7.0, and SSP5-8.5.

The following conclusions could be drawn: (1) During 2020–2040, the exposure risk areas from commuting on foot and by bicycle in Beijing are concentrated, with higher HTED observed in the outskirts and lower HTED observed in downtown areas. In terms of spatial distribution, the medium and high-risk areas exhibited a radial pattern along the subway lines, whereas the minimum and lowrisk areas exhibited a star-shaped radial pattern along the subway lines.

(2) Briefly, 66.57% and 50.07% of areas are available during 2020–2040 for commuting on foot and by bicycle, respectively, within the sixth ring road of Beijing that faces high temperature exposure risk (including low, medium, and high-risk areas). SSP1-2.6 had the largest proportion of high-risk areas of commuting on foot (49.25%) between the fifth and sixth ring roads, whereas SSP3-7.0 had the largest proportion of non-risk area of commuting by bicycle (74.84%) between the second and third ring roads.

Commuting on foot

6 –5 (%) th

th

5th­–4th (%)

4 –3 (%) th

rd

3 –2 (%) rd

nd

Within 2nd (%)

Commuting by bicycle

None

Minimum Low

Medium

High

None

Minimum Low

Medium

High

SSP1-2.6

5.70

13.47

15.43

16.15

49.25

13.06

21.69

24.17

19.70

21.38

SSP3-7.0

5.93

14.05

15.61

17.21

47.20

13.51

22.38

24.69

19.52

19.90

SSP5-8.5

5.70

13.48

15.44

16.19

49.19

13.08

21.69

24.18

19.71

21.33

SSP1-2.6

11.77

33.42

28.83

16.22

9.76

29.92

44.50

18.03

7.24

0.31

SSP3-7.0

12.65

33.73

30.34

14.57

8.71

31.27

44.19

17.43

7.07

0.04

SSP5-8.5

11.80

33.43

28.83

16.23

9.71

29.95

44.49

18.03

7.23

0.30

SSP1-2.6

28.20

61.56

8.18

2.06

0

62.65

34.57

2.78

0

0

SSP3-7.0

32.19

58.46

7.39

1.96

0

66.76

31.21

2.03

0

0

SSP5-8.5

28.28

61.49

8.17

2.06

0

62.72

34.52

2.76

0

0

SSP1-2.6

28.13

64.81

7.06

0

0

70.67

28.40

0.93

0

0

SSP3-7.0

31.85

61.81

6.34

0

0

74.84

24.32

0.84

0

0

SSP5-8.5

28.17

64.77

7.06

0

0

70.74

28.33

0.93

0

0

SSP1-2.6

28.13

71.87

0

0

0

68.89

30.35

0.76

0

0

SSP3-7.0

32.40

67.60

0

0

0

72.74

26.81

0.45

0

0

SSP5-8.5

28.17

71.83

0

0

0

68.93

30.31

0.76

0

0

Table 3. Proportions of high temperature exposure risk areas in different ring roads Cod. 10426 | Environmental engineering and technology | 3308.99 Otras (especificar)

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(3) Compared with SSP1-2.6 and SSP 5-8.5, SSP3-7.0 had the lowest HTED for both commuting methods. Some minimum-risk areas within the fourth ring road were converted to non-risk areas, which are primarily located in Haidian and Dongcheng districts; moreover, some high-risk areas were converted to middle-risk areas between the sixth and fifth ring roads, and were primarily distributed in Haidian, south Changping, North Daxing, and Chaoyang districts.

(4) The high temperature exposure in cities was quantitatively analyzed; subsequently, future temperature increase was found to expand the high-risk area between the fifth and sixth ring roads of Beijing, particularly in SSP1-2.6 and SSP5-8.5.

Extreme climate change and its consequent events pose severe challenges to the sustainable development of cities, and it is feasible to assess the health risks of future high temperatures in summer using CMIP6 climate data. Nonetheless, the present findings can serve as a reference for monitoring future HTED in Beijing. The next step, in conjunction with simulations of future urban growth, will assist in developing policies and plans to reduce the high temperature exposure risk areas, and alleviate future potential high temperature risks to safeguard the health of the residents and promote sustainable development of the city. For other cities, this study provides a methodology for dynamic high-temperature exposure studies that are applicable to densely populated, well-traveled cities.

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artículo de investigación / research articlennnn

Análisis de influencia de factores ambientales en el bienestar emocional Arturo Peralta

Análisis de influencia de factores ambientales en el bienestar emocional Analysis of the influence of environmental factors on emotional well-being nnnn

Arturo Peralta UNIVERSIDAD INTERNACIONAL DE LA RIOJA. Avenida de la Paz, 137 - 26006 Logroño (La Rioja).

DOI: https://doi.org/10.6036/10201 | Recibido: 08/jun/2021 • Inicio Evaluación: 10/jun/2021 • Aceptado: 29/sep/2021 To cite this article: PERALTA, Arturo. ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF ENVIRONMENTAL FACTORS ON EMOTIONAL WELL-BEING. DYNA, March-April 2022, vol. 97, no 2, p. 169-175.

DOI: https://dx.doi.org/10.6036/10201

FINANCIACIÓN Esta investigación ha contado con la financiación de la Universidad Internacional de la Rioja.

ABSTRACT •D uring the development of an activity, the set of external factors that accompany it can influence its result. However, there are few studies that jointly analyze the influence of a selection of factors for the conformation of environments where well-being is favored. In this context the present investigation arises, with the objective of determining the influence that a set of eight factors has on the emotional wellbeing of people.

For this, a set of 15 experiments is carried out, using collections of images to assess the emotional interpretation of each individual under the influence of the conditions of their environment, treating and analyzing the data obtained through Soft Computing techniques.

The analysis carried out indicates that the lighting and ambient temperature are the most influential factors in emotional wellbeing. At its second level, the possibility of having food / drink, is relatively decisive. This knowledge can be used to design environments where emotional well-being is favored.

• Key Words: Emotional interpretation, environmental factors, pattern recognition, Soft Computing, clustering.

RESUMEN

Durante el desarrollo de una actividad, el conjunto de factores externos que la acompañan puede influir en su resultado. Sin embargo, son escasos los trabajos que analizan, conjuntamente, la influencia de una selección de factores para la conformación de entornos donde se favorezca el bienestar. En este contexto surge la presente investigación, con el objetivo de determinar la influencia que un conjunto de ocho factores tiene sobre el bienestar emocional de las personas.

Para ello, se realiza un conjunto de 15 experimentos, utilizando colecciones de imágenes para valorar la interpretación emocional de cada individuo bajo la influencia de las condiciones de Cod. 10201 | Psicología industrial | 6109.02 Motivación y actitudes

su entorno, tratando y analizando los datos obtenidos mediante técnicas de Soft Computing.

El análisis realizado indica que la iluminación y temperatura ambiente son los factores más influyentes en el bienestar emocional. En su segundo nivel, la posibilidad de contar con comida/ bebida, resulta relativamente determinante. Este conocimiento puede ser utilizado para el diseño de entornos donde se favorezca el bienestar emocional.

Palabras clave: Interpretación emocional, factores ambientales, reconocimiento de patrones, Soft Computing, clustering.

1. INTRODUCCIÓN

En cualquier entorno de convivencia, el conjunto de factores ambientales que rodean a una persona es capaz de influir en su bienestar emocional [1] [3]. En algunas ocasiones, la existencia de dichos factores puede ser conocida a priori, y en otras los factores resultan ser de naturaleza totalmente imprevisible, siendo aún más difícil prever o paliar los efectos que su presencia pudiera ocasionar. Por esta razón, valorar la influencia que ciertos parámetros ambientales pueden tener sobre el estado anímico o mental de una persona resulta un ámbito de gran interés [4].

Por esta razón, revisiones de la literatura [10] [3] recogen la existencia de diferentes investigaciones centradas en valorar la influencia de ciertos factores sobre el estado anímico o la productividad en diferentes contextos.

Así pues, investigaciones centradas en el ámbito académico, como [11] y [4], tratan de analizar la influencia del color de las aulas en el bienestar de sus estudiantes, considerando además el efecto de la iluminación en el color percibido [12].

De modo análogo, pero centrados en la edad adulta, son relevantes los trabajos que tratan de analizar la influencia de la música, mediante sesiones basadas en terapia musical [13], el ruido ambiental [8] [16] -[5], el clima [20] [23], el ambiente social [5] [24] [25], la cercanía de espacios verdes [18] [26], y el estrés ambiental[27]. Adicionalmente resultan significativos trabajos como [28] y [29] en los que se incorpora el uso sensores para monitorear la expresión facial y gestual, parámetros fisiológicos, la actividad y el comportamiento de personas avanza, con el objetivo de reconocer sus emociones, analizando como la música, el color y la luz son capaces de estimular sus emociones hacia un estado de ánimo positivo y agradable.

Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 169-175 | ISSN-L: 0012-7361 | 169

nnnnartículo

de investigación / research article

Por último, en el ámbito laboral, distintos trabajos investigan la influencia de la luz ambiental artificial [30], de la iluminación natural [33], de la temperatura [34], o incluso conjuntamente de la luz y temperatura [2] [35].

Sin embargo, la mayoría de los estudios actuales se centran en verificar si un conjunto de factores resulta determinantes o no en el desempeño de una tarea concreta, dejando en un segundo plano conocer su grado de influencia dependiendo del resto de circunstancias, así como la valoración de otros factores, hasta el momento menos analizados (como la presencia de comida/bebida, el color de las paredes o el nivel de interrupciones), que igualmente pudieran ser relevantes.

En este contexto surge el presente trabajo, con el objetivo de determinar qué factores resultan más relevantes, tratando de determinar su grado de influencia. Para ello, se realiza un conjunto de experimentos con una selección de personas de similares características (edad, formación, etc.), simulando distintas situaciones y factores externos, durante el desarrollo de una sencilla tarea: observar un conjunto de imágenes, de distintas categorías, y valorar el sentimiento que les produce cada una de ellas de acuerdo con una escala de valores determinada. Sin embargo, obtener el grado de influencia de cada uno de los factores, cuando son conjugados para conformar distintas situaciones, resulta un proceso complejo.

Por este motivo, son utilizadas distintas técnicas de Soft Computing, un subconjunto de herramientas pertenecientes al ámbito de la Inteligencia Artificial con capacidad para abordar problemas que manejan información incompleta o con incertidumbre, como las matrices de similitud [36], los dendrogramas [37] y los árboles de decisión tipo CART [38] [39], con el objetivo de determinar qué factores resultan más influyentes en la interpretación emocional de distintos conjuntos de estímulos visuales.

2. MATERIAL Y MÉTODO

Con el objetivo de conseguir determinar qué factores externos resultan más influyentes durante la ejecución de una tarea se propone un modelo basado en analítica de dato y el uso de técnicas de Soft Computing que permite identificar aquellos que consiguen un mayor impacto. Conocer dichos factores resulta especialmente importante para tratar de conseguir entornos que permitan un mayor confort, ya sea con el objetivo de conseguir un mayor bienestar o de desempeñar tareas con una mayor productividad.

Análisis de influencia de factores ambientales en el bienestar emocional Arturo Peralta

La Figura 1 muestra el esquema general del método propuesto.

A continuación, se describen los actores involucrados y las fases llevadas a cabo.

Participantes Para llevar a cabo los experimentos se seleccionan cinco voluntarios (100% hombres) con características epidemiológicas sin diferencias significativas, en el mismo rango de edad comprendido entre 29 y 34 años (M: 32,3; DT: 3,1), con similar formación (ingeniería) y profesión (diseño de software). Todos ellos realizan su trabajo en oficina haciendo uso intensivo de PVD (pantallas de visualización de datos).

Para conocer la capacidad de la muestra, se calcula el tamaño del efecto requerido (grado en el que la hipótesis nula es falsa, [40] ) utilizando G*Power (versión 3.1.9.6). En un experimento de medidas repetidas, con 5 participantes y 15 condiciones experimentales diferentes, con un error α=0.05, una potencia (1-β err prob) = 0.95, un parámetro de no centralidad λ=33.18, corrección de no esfericidad ε=1, con 14 y 56 grados de libertad, se ha obtenido un valor crítico de F = 1.87 y un tamaño del efecto f = 0.47.

La misión de los participantes durante los experimentos, en los que se simulan distintas condiciones ambientales (Tabla 1), es valorar la impresión que les produce observar distintos conjuntos de fotografías de acuerdo con unas escalas concretas.

Instrumentos Para la realización de los experimentos se utiliza el conjunto de 1200 imágenes proporcionadas por Sistema Internacional de Imágenes Afectivas (IAPS) [41] desarrolladas y distribuidas por el Centro NIMH para la Emoción y la Atención (CSEA) de la Universidad de Florida con el objetivo de proporcionar materiales estandarizados para investigadores especializados en el estudio de la emoción y la atención. Esta colección de imágenes contiene fotografías de distintas categorías: personas felices, paisajes, animales, escenas violentas, etc., con el objetivo de conseguir provocar distintas emociones.

Partiendo del conjunto de 1200 imágenes¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. con el objetivo de realizar 15 experimentos se divide la colección en 15 conjuntos de 80 imágenes cada uno. Para configurar los 15 entornos asociados a cada uno de los experimentos se seleccionan 8 factores fácilmente configurables.

Figura 1. Esquema general (fuente: elaboración propia) 170 | ISSN-L: 0012-7361 | 169-175 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

Cod. 10201 | Psicología industrial | 6109.02 Motivación y actitudes

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Análisis de influencia de factores ambientales en el bienestar emocional Arturo Peralta

Factor externo

Posibles valores

F1: Horario

1: Mañana (9:00h)

2: Mediodía (15:00h)

3: Tarde (19:00)

F2: Iluminación

1: Alta

2: Media

3: Baja

F3: Temperatura

1: Calor (28ºC)

2: Confort (21ºC)

3: Frio (16ºC)

F4: Música ambiente

1: Sin música

2: Música clásica

3: Música pop

F5: Interrupciones

1: Sin

2: Moderadas

3: Numerosas

F6: Color de paredes

1: Blanco

2: Azul

3: Combinación

F7: Comida/bebida

1: Nada

2: Agua

3: Comida y agua

F8: Tiempo

1: Soleado

2: Nuboso

3: Lluvioso

Tabla 1. Factores externos y posibles valores

A continuación, se describe cada uno de ellos.

•H orario: representa el momento del día en el que se lleva a cabo el experimento.

• I luminación: se utiliza iluminación artificial, con diferentes intensidades.

• T emperatura ambiente: mediante aparatos de aire frío/calor se establece la temperatura.

•M úsica ambiente: utilizando un reproductor musical se establecen diferentes tipos de música ambiente.

• I nterrupciones: número de interrupciones planificadas.

•C olor de las paredes: relativo a la sala donde se realiza el experimento.

•C omida/bebida: presencia o ausencia de comida y/o bebida.

• T iempo: clima exterior durante el experimento.

La Tabla 1 muestra los factores considerados y sus valores posibles.

Tomando en cuenta los anteriores factores, sería posible llegar a conformar 38=6521 diferentes entornos. Considerando que resultaría inviable realizar tal número de experimentos, se seleccionan las combinaciones de factores más habituales, dando lugar a 15 configuraciones, y por tanto a la realización de 15 experimentos, como muestra la Tabla 2.

Procedimientos Para llevar a cabo los experimentos se seleccionan un conjunto de participantes, con características similares en cuanto a edad, formación y profesión. Su misión es observar una colección de fotografías específicamente diseñadas para la evaluación de Experimento Exp0 Exp1 Exp2 Exp3 Exp4 Exp5 Exp6 Exp7 Exp8 Exp9 Exp10 Exp11 Exp12 Exp13 Exp14

Valor para cada factor externo F1

F2

F3

F4

F5

F6

F7

F8

1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3

1 2 3 1 3 3 1 1 1 2 3 2 2 1 3

2 3 3 2 1 1 2 2 2 3 1 3 3 2 1

1 1 2 2 1 3 1 3 1 2 1 1 3 1 3

1 1 2 1 2 3 1 1 1 2 1 1 3 1 2

1 1 3 1 1 2 1 3 2 1 3 1 1 3 1

2 3 3 2 1 1 2 2 2 3 1 3 3 2 1

1 1 2 1 3 1 1 2 1 1 3 1 1 2 1

Tabla 2. Experimentos realizados Cod. 10201 | Psicología industrial | 6109.02 Motivación y actitudes

emociones percibidas, y valorar de 1 a 10 los siguientes pares de sentimientos producidos por cada una: • Felicidad vs. Tristeza (valencia).

• Calma vs. Excitación (excitación).

• Bajo Control vs. Fuera de Control (dominancia).

Durante cada experimento los participantes visualizan un conjunto de 80 imágenes específicamente seleccionadas del total de 1200 proporcionadas por el Sistema Internacional de Imágenes Afectivas (IAPS)[41]. Dado que la colección original contiene imágenes pertenecientes a diferentes categorías, se seleccionan 4 de cada una de las siguientes 20 categorías, tratando de mantener los valores medios de excitación, valencia y dominancia: personas vestidas y desnudas, casas, objetos de arte, objetos domésticos, proyectos de vivienda, funerales, contaminación, baños sucios, paisajes urbanos, paisajes marinos, eventos deportivos, guerras, desastres, tratamientos médicos, pacientes enfermos, animales peligrosos, insectos, familias, cascadas y niños jugando.

Antes de comenzar los experimentos, se explica a cada participante las condiciones bajo las que lo llevaría a cabo. También se les ofrece la posibilidad de no evaluar imágenes que pudieran herir su sensibilidad. Adicionalmente, deben aceptar y firmar una hoja de consentimiento informado, autorizando la difusión de los resultados del experimento, manteniendo el anonimato.

La ejecución de los experimentos se lleva a cabo en diferentes salas, en las que se controla o simula la existencia de diferentes factores, concretamente: la hora, la iluminación, la temperatura ambiente, la música de fondo, el nivel de interrupciones, el color de las paredes, la presencia o no de comida/bebida, y el tiempo. Considerando distintas combinaciones de estos factores, se realizan un conjunto de experimentos con el objetivo de simular distintos entornos que permitan determinar los factores más influentes en los resultados obtenidos.

El conjunto de respuestas dadas por cada participante en cada experimento se considera como fuente de datos para las siguientes fases de análisis de datos y de extracción de conocimiento. Así pues, mediante agregación y media de las valoraciones aportadas por los participantes para cada par de emociones al observar cada imagen es posible obtener los valores medios para cada emoción en cada experimento.

Análisis de datos Durante esta fase se pretende descubrir qué factores externos son los que resultan más influyentes para la interpretación emocional de estímulos visuales. Puesto que el objetivo es calcular el grado de influencia de cada uno de los factores, algo que resulta complejo cuando dichos factores son conjugados con distintas parametrizaciones para conformar diferentes situaciones, se recurre al uso de técnicas de Soft Computing, rama de la Inteligencia ArDyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 169-175 | ISSN-L: 0012-7361 | 171

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Análisis de influencia de factores ambientales en el bienestar emocional Arturo Peralta

tificial que engloba diversas técnicas con capacidad para abordar problemas que manejan información incompleta, con incertidumbre y/o inexacta. Concretamente, se propone la ejecución de un proceso basado en 2 fases, donde se combinan diferentes técnicas de Soft Computing: 1. Generación de un dendrograma mediante la aplicación de un algoritmo de clustering jerárquico [37] apoyado en el uso de la plataforma de aprendizaje automático Weka [42] y el desarrollo específico en lenguaje de programación Python y el entorno de desarrollo Spyder IDE. Los dendrogramas son potentes herramientas para la generación de clusters, o grupos de elementos, de similares características. Para ello, se parte de los datos de valoración media obtenida para cada par de sentimientos en cada experimento, aplicando sobre ellos un proceso, obtenido una clasificación, forzada a tres grupos, en relación el resultado de los experimentos.

Aquellos en los que se obtienen un valor bajo (menor de 5) para los 3 pares de emociones considerados son catalogados como experimentos en los que el entorno configurado es “negativo”, aquellos en los que se obtiene un valor medio elevado (mayor de 7,5) son considerados como “positivos”, y el resto como “neutros”.

2. Aplicación de árbol de decisión tipo CART como los propuestos originalmente por [43] [44] o evolucionados por Alsolami [38] y Kretowski [39], desarrollados específicamente en esta investigación mediante el lenguaje de programación Python y el entorno de desarrollo Spyder IDE. Los árboles de decisión son herramientas con capacidad de detectar reglas y relaciones, capaces, en este contexto, de determinar las relaciones de influencia entre los factores externos considerados en cada experimento y el resultado obtenido. Para ello, se parte de clasificación obtenida para cada experimento y los valores de los factores establecidos en cada uno de ellos. Así pues, tras la aplicación del árbol de decisión, es posible obtener una selección y ordenación de los factores que resultan más influyentes en la conformación de entornos más favorecedores de bienestar.

Una vez descubiertos qué factores resultan más influyentes en la interpretación emocional de las imágenes, es posible tomar las decisiones correctas para establecer entornos de trabajo o de convivencia que ofrezcan un mayor bienestar.

Experimento

Valencia

Excitación

Dominancia

Exp0

6,62

7,23

8,03

Exp1

6,21

5,42

6,05

Exp2

5,91

5,35

4,39

Exp3

8,11

6,86

6,55

Exp4

4,83

4,26

4,60

Exp5

5,15

4,35

4,12

Exp6

6,47

7,41

4,72

Exp7

7,36

7,35

7,20

Exp8

7,59

7,44

6,78

Exp9

6,14

6,15

4,58

Exp10

4,42

5,29

4,40

Exp11

4,62

5,90

6,15

Exp12

6,31

5,20

5,65

Exp13

6,55

7,58

6,86

Exp14

3,81

4,91

4,31

Tabla 3. Resultados de los experimentos 172 | ISSN-L: 0012-7361 | 169-175 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

3. RESULTADOS

Tras la realización de los experimentos, se calculó la media de las valoraciones realizas por los participantes, obteniendo de ese modo una valoración global para cada experimento respecto de los 3 grupos de emociones considerados. La Tabla 3 muestra los valores medios obtenidos para cada par de sentimientos valorados en cada experimento.

Figura 2. Clasificación de los experimentos mediante dendrograma

Posteriormente, fue llevada a cabo la fase de extracción de conocimiento. Mediante la generación de un dedrograma con los datos obtenidos se obtiene una calificación del resultado de los experimentos, considerando que los mejores entornos son aquellos que promueven mejores sentimientos de felicidad, control y calma.

En la Figura 2 quedan representados los 3 grupos de experimentos obtenidos.

En la Figura 2, el eje de abscisas representa el identificador de cada experimento, y el eje de ordenadas indica la similitud entre los resultados obtenidos por los experimentos según las calificaciones obtenidas para cada par de emociones. Así pues, cuanto más baja sea la línea horizontal que une cada par o cada grupo de experimentos, más similares serán entre sí.

El dendrograma revela tres grupos considerablemente homogéneos. El primer grupo, categorizado como experimentos con un resultado “negativo”, es el compuesto por los experimentos con las puntuaciones más bajas para las tres dimensiones: Exp2, Exp4, Exp5, Exp10, Exp14. El segundo grupo, al que llamamos “neutro”, comprende los experimentos con calificaciones medias: Exp1, Exp6, Exp9, Exp11, Exp12. Finalmente, el tercer grupo, que llamamos “positivo”, incluyó los experimentos que obtuvieron la puntuación más alta en emociones positivas: Exp0, Exp3, Exp7, Exp8, Exp13.

La Tabla 4 muestra los valores medios obtenidos para cada par de sentimientos de acuerdo con la agrupación conseguida.

Experimento

Valencia Excitación Dominancia

Experimentos con resultado 7,20 “positivo” Experimentos con resultado “neutro” 5,86 Experimentos con resultado 4,72 “negativo”

7,28

7,09

5,93

5,35

4,79

4,36

Tabla 4. Valoración media de experimentos Cod. 10201 | Psicología industrial | 6109.02 Motivación y actitudes

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Análisis de influencia de factores ambientales en el bienestar emocional Arturo Peralta

Según los datos obtenidos, los factores F2 y F3 tendrían un gran poder clasificador, mientras que el factor F7 tendría un nivel de influencia significativa menor.

Una vez conocidos los factores más influyentes y sus valores óptimos, se prepara un nuevo entorno en el que se establecen las condiciones consideradas más adecuadas (iluminación alta, temperatura comfortable y presencia de comida y bebida), conformando así un ambiente optimizado para favorecer el bienestar emocional. Tras ello, se realiza un último y nuevo experimento, siguiendo los mismos pasos detallados anteriormente, obteniendo los resultados mostrados en la Tabla5.

Los valores obtenidos en este último experimento con una configuración óptima en los factores más influyentes son claramente mejores que los obtenidos en los 15 experimentos realizados inicialmente, aun considerando la clasificación por grupos realizada, tal y como muestra la Figura 5.

La comparativa entre los resultados calculados en todos los experimentos realizados y los valores conseguidos en el nuevo entorno bajo condiciones optimizadas obtiene puntuaciones significativamente mejores en los tres pares de emociones analizados (“valencia”, “excitación” y “dominancia”).

Figura 3. Influencia de los factores mediante árbol de decisión

Una vez obtenidos los diferentes grupos, el objetivo es determinar qué factores son los más influyentes. Para ello se realiza un análisis basado en árboles de decisión. El proceso para su generación parte de la clasificación obtenida para cada uno de los experimentos y de los valores establecidos para cada uno de los factores determinantes, detectando qué factores y valores son los que conducen a una u otra clasificación. La Figura 3 muestra un árbol de decisión generado a partir de la clasificación obtenida por el dendrograma. Para su elaboración se ha aplicado una extensión del algoritmo del árbol de decisión CART [38] [39], estableciendo una poda de tipo estadístico para evitar sobreaprendizaje.

Con esta representación se observa que los que los factores F2 (iluminación), F3 (temperatura) y F7 (comida/bebida) resultan los más influyentes. El resto de los factores son discriminados, al considerarse que no afectan en la valoración del resultado de los experimentos. No obstante, para cuantificar el nivel de influencia de cada factor, la Figura 4 muestra el porcentaje de significancia obtenido mediante la ejecución del algoritmo utilizando la plataforma de machine learning BigML [45].

4. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

Determinar el grado de influencia de una selección de factores en el bienestar emocional de adultos jóvenes en situación laboral activa es un reto de interés y objeto de estudio en distintas disciplinas. En este trabajo se han modelado y realizado un conjunto de experimentos controlados, cuyos resultados han sido procesados y analizados mediante el uso de diferentes técnicas pertenecientes al ámbito del Soft Computing, demostrando su utilidad para cuantificar la influencia de cada uno de los factores seleccionados. Los resultados obtenidos destacan la importancia de 3 de ellos, descartando el resto. Además, mediante la revisión de los resultados obtenidos es posible conocer las parametrizaciones más adecuadas para conseguir un mayor bienestar emocional.

Según los datos obtenidos, en primer lugar, la iluminación supone un factor claramente influyente (43,25%), algo compartido

Figura 5. Comparativa de resultados obtenidos Figura 4. Importancia de cada factor

Experimento

Valencia Excitación Dominancia

Experimento en entorno optimizado 7,78

7,92

Tabla 5. Valores medios en entorno optimizado Cod. 10201 | Psicología industrial | 6109.02 Motivación y actitudes

7,63

Factor

Relevancia

Valor óptimo

F2: Iluminación F3: Temperatura ambiente F7: Presencia de comida y/o bebida

43,25% 34,40% 6,40%

1: Alta 2: Confort (21ºC) 3: Comida y agua

Tabla 6. Relevancia y valores óptimos de factores más influyentes Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 169-175 | ISSN-L: 0012-7361 | 173

nnnnartículo

de investigación / research article

por otras investigaciones [32] [30], confirmando que la presencia de una fuente de luz potente que aporte claridad está directamente relacionada con una mayor sensación de confort y bienestar. Es importante señalar que en los experimentos realizados se utilizaron fuentes de iluminación artificial, sin discriminar por tonalidad.

Este hecho impide aportar conclusiones sobre la influencia de la tonalidad y de la luz natural, efectos analizados por [31] [33].

En segundo lugar, la temperatura ambiente se muestra también como factor de significante influencia (34,40%), señalando que un valor confortable (21ºC) puede favorecer la sensación de bienestar. Estudios previos relevantes [2] [35] confirman este hecho.

Por último, la existencia de comida/bebida muestra una relativa capacidad de influencia (6,47%). Sin embargo, no se han encontrado estudios que, en situaciones equiparables, confirmen o refuten este resultado.

El resto de los factores analizados son descartados, al ser valorados como poco influyentes, siempre tomando en cuenta como limitación del trabajo el conjunto de experimentos realizados y la limitación de la muestra. En el grupo de factores con relevancia no significativa, es interesante destacar el relativo al color de las paredes, debido a la existencia de trabajos centrados específicamente en el análisis de su influencia [46], en los que sí se detecta una influencia de sus tonalidades en el bienestar percibido. Aunque este hecho pudiera parecer contradictorio, es importante considerar que los colores utilizados en los experimentos realizados (azul, blanco y mixto) eran en todos los casos en intensidad baja o muy baja. Este hecho podría justificar y alinear los resultados obtenidos con el de los estudios citados.

El conocimiento obtenido sobre el nivel de influencia de los factores analizados puede ser usado para tratar de conformar mejores entornos de convivencia, capaces de favorecer la sensación de bienestar, como se comprobó mediante la repetición del experimento bajo las consideradas condiciones óptimas, mostrando una mejora del 31,27%, 32% y 36,25%, respectivamente, en los tres sentimientos analizados (valencia, excitación y dominancia) en comparación con los valores medios de los 15 experimentos realizados. Esta información resulta clave para el diseño de entornos laborales en oficina, especialmente destinados a adultos jóvenes con uso habitual de PVD, considerando que el establecimiento de una fuente de iluminación potente, una temperatura alrededor a los 21ºC, y la posibilidad de contar con suministro de bebida y comida, puede mejorar más de un 30% la sensación de bienestar.

5. LIMITACIONES Y PERSPECTIVAS FUTURAS

Además de la ya mencionada limitación derivada del tamaño de la muestra, es importante señalar que el hecho de que no se incluyeran participantes de diferente grupo de edad o tipo de trabajo, lo que nos hubiera permitido obtener resultados específicos por edad y profesión.

También es necesario considerar que la participación total de cada voluntario supuso un total de unos 180 minutos como suma de su intervención en los diferentes experimentos, un intervalo de duración relevante que pudiera haber influido en las capacidades y nivel de desempeño de cada uno, así como en los resultados obtenidos. No obstante, habiendo realizado los experimentos en diferentes días, sin superar nunca su participación diaria en más de 30 minutos, se considera que la influencia de este factor haya sido muy limitada.

Por último, el hecho de haber utilizado diferentes agrupaciones de 80 imágenes en los 15 experimentos realizados, a pesar de 174 | ISSN-L: 0012-7361 | 169-175 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

Análisis de influencia de factores ambientales en el bienestar emocional Arturo Peralta

mantener la misma tipología y peso por categorías, podría haber afectado en los resultados obtenidos, algo que será considerado en siguientes investigaciones.

En futuros trabajos se valorará la posibilidad de utilizar algoritmos particionantes como K-means o Fuzzy C-means [47], o algoritmos basados en densidad como DBSCAN [37] para comparar los resultados de agrupación obtenidos en esta investigación mediante el uso de algoritmos jerárquicos.

Además, se considerará un mayor número de participantes con menor sesgo, así como una mayor cantidad de factores externos, y valorándose también un número más amplio de emociones, con el objetivo de conseguir un conocimiento más amplio acerca de los factores que resultan más influyentes a la hora de determinar un entorno de trabajo óptimo.

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Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 169-175 | ISSN-L: 0012-7361 | 175

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de investigación / research article

Estudio de la dinámica de fluidos y la transferencia másica de azufre entre el acero y la escoria en un horno-cuchara considerando fuerzas de arrastre y no-arrastre Antonio Urióstegui-Hernández, Pedro Garnica-González, Constantin-Alberto Hernández-Bocanegra, José-Ángel Ramos-Banderas, José-Julián Montes-Rodríguez y José-Raúl Ortiz-Castillo

Estudio de la dinámica de fluidos y la transferencia másica de azufre entre el acero y la escoria en un hornocuchara considerando fuerzas de arrastre y no-arrastre Study of fluid dynamics and sulfur mass transfer between steel and slag in a ladle furnace considering drag and non-drag forces nnnn

Antonio Urióstegui-Hernández, Pedro Garnica-González, Constantin-Alberto Hernández-Bocanegra, José-Ángel Ramos-Banderas, José-Julián Montes-Rodríguez y José-Raúl Ortiz-Castillo Tecnológico Nacional de México. Instituto Tecnológico de Morelia. Av. Tecnológico #1500 – 58120 Morelia (México) DOI: https://doi.org/10.6036/10206 | Recibido: 03/may/2021 • Inicio Evaluación: 06/may/2021 • Aceptado: 21/sep/2021 To cite this article: URIÓSTEGUI-HERNÁNDEZ, Antonio; GARNICA-GONZÁLEZ, Pedro; HERNÁNDEZ-BOCANEGRA, Constantin-Alberto; RAMOS-BANDERAS, José-Ángel; MONTES-RODRÍGUEZ, José-Julián; ORTIZ-CASTILLO, José-Raúl. STUDY OF FLUID DYNAMICS AND SULFUR MASS TRANSFER BETWEEN STEEL AND SLAG IN A LADLE FURNACE CONSIDERING DRAG AND NON-DRAG FORCES. Dyna, Marzo-Abril 2022, vol. 97, no. 2, p. 176-183. DOI: https://doi.org/10.6036/10206

ABSTRACT • In this work fluid dynamics and a basic study of the sulfur transfer at the steel/slag interface in the ladle during argon gas agitation was developed. Mass transfer and chemical reaction models coupled with Computational Fluid Dynamics (CFD) were employed. The multiphasic simulation was solved using the Eulerian model considering drag and non-drag forces, and the flow pattern was validated through Particle Image Velocimetry (PIV) technique. The sulfur transfer rate was tracked by two approximations: (1) unidirectional constant rate Mass Transfer Model (MTM), and (2) unidirectional constant rate Mass Transfer Model coupled with Chemical Reaction Model (MTM+CRM) using Arrhenius equation. It was found that including the non-drag forces affects the fluid dynamics structure. Otherwise, the desulfurization rates increase as the argon gas flow rate increases, finding that the MTM model predicts ~15% less sulfur in the steel than the MTM+CRM, whose results were compared with plant measurements reports.

• Keywords: Simulation; mathematical model; secondary steelmaking.

RESUMEN

En este trabajo, se desarrolló un estudio básico de la dinámica de fluidos y la transferencia de azufre en la interface acero/ escoria en un horno-cuchara durante la agitación con gas argón.

Se empleó la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) acoplada con los modelos de transferencia másica y reacción química. La simulación multifásica fue resuelta usando el modelo Euleriano, considerando las fuerzas de arrastre y no-arrastre, mientras que los patrones de flujo se validaron mediante la técnica de Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV). La tasa de transferencia de azufre se monitoreó a través de dos aproximaciones: (1) el Modelo de transferencia másica constante unidireccional (MTM) y (2) el Modelo de transferencia másica constante unidireccional acoplado con el Modelo de Reacción Química (MTM+CRM) que usa la ecuación de Arrhenius. Se encontró que la inclusión de las fuerzas 176 | ISSN-L: 0012-7361 | 176-183 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

de no-arrastre afecta la estructura de la dinámica de fluidos. Por otra parte, las velocidades de desulfuración se incrementan conforme el flujo de gas argón inyectado aumenta, encontrándose que el modelo MTM predice un ~15% menos azufre en el acero que el modelo MTM+CRM, y cuyos resultados fueron comparados con mediciones de planta.

Palabras clave: Simulación; modelo matemático; metalurgia secundaria.

1. INTRODUCCIÓN

El proceso de la metalurgia secundaria es un conjunto de operaciones que permite mejorar la calidad del acero. En este proceso, se lleva a cabo el ajuste térmico y químico del acero, así como el control de la limpieza a través de la remoción de inclusiones no-metálicas. El reactor usado para este propósito fue el hornocuchara y es esencial en el proceso moderno de fabricación del acero; es esta, una operación común que se lleva a cabo con la inyección de un gas inerte a través de un tapón poroso localizado en el fondo. El propósito de la agitación del acero líquido es la mejora de la cinética de las reacciones químicas entre el acero y la escoria, así como una mayor homogenización térmica del baño.

La operación más importante en este proceso es la remoción de azufre del acero mediante una escoria sintética, a través de varios mecanismos de reacción [1]. El azufre es uno de los elementos más perjudiciales en el acero, ya que reduce su ductilidad y resistencia al impacto [2][3]. A causa de esto, la demanda de acero con un contenido ultra-bajo de azufre (<10 ppm) se ha incrementado, y con este acero se han fabricado tuberías de alta presión, plataformas marinas, piezas automotrices, rodamientos, etc. Normalmente, el proceso de desulfuración consiste en la conversión de azufre a sulfuro de calcio (CaS) mediante la reacción con óxido de calcio (CaO). Así, la metalurgia secundaria ha sido el objeto de diversos estudios [4]-[6] para analizar el comportamiento de la dinámica de fluidos y la desulfuración; estos estudios han empleado herramientas como los programas de simulación y termodinámicas.

Algunos estudios [7]-[9] han establecido modelos que permiten predecir el comportamiento y eliminación del azufre en el hornoCod. 10206 | Ciencia de los ordenadores | 1203.26 Simulación

Estudio de la dinámica de fluidos y la transferencia másica de azufre entre el acero y la escoria artículo de investigación en un horno-cuchara considerando fuerzas de arrastre y no-arrastre Antonio Urióstegui-Hernández, Pedro Garnica-González, Constantin-Alberto Hernández-Bocanegra, José-Ángel Ramos-Banderas, José-Julián Montes-Rodríguez y José-Raúl Ortiz-Castillo

cuchara. Sin embargo, estos no han tomado en cuenta el comportamiento fluidinámico, y por tanto, han afectado directamente los resultados. Otros estudios [10]-[14] se han enfocado en la observación del comportamiento de la dinámica de fluidos en la cuchara en procesos como la formación y desarrollo de la pluma de gas, la apertura de la capa de escoria, el tiempo de mezclado y la estructura fluidinámica. No obstante, estos estudios han omitido el comportamiento químico, que es parte fundamental del proceso de refino. Ha habido intentos por acoplar la dinámica de fluidos y el análisis químico en una única simulación [15]-[19], por lo que es requerido tener un programa compatible para cada disciplina, lo que significa un costo económico extra. Algunos trabajos [20][22] han descartado este acoplamiento mediante la programación de algunas funciones y modelos de reacción en el modelo multifásico Euleriano. Sin embargo, su trabajo tiene ciertas consideraciones que podrían afectar la precisión de los resultados, como la supresión de una superficie libre y el comportamiento programado de la capa de escoria mediante una función. De acuerdo a [23], estas consideraciones no simulan correctamente la disipación de la energía cinética turbulenta y por tanto, afectan a la transferencia másica entre el acero y la escoria. Actualmente, hay pocos estudios [13,17,20,21] que han usado el modelo multifásico Euleriano para simular sistemas multifásicos en el horno-cuchara. Los estudios más recientes agregan códigos externos para resolver la cinética de las reacciones químicas, conduciendo en los siguientes inconvenientes: alto costo computacional, mayor complejidad, tiempo y dinero. Por el contrario, en este trabajo se ha desarrollado un simple estudio de la transferencia másica durante la inyección de gas argón. Se usaron dos modelos precargados de Ansys Fluent® (MTM y MTM-CRM) para predecir correctamente las tasas de remoción de azufre; esta nueva metodología propuesta para monitorear la velocidad de desulfuración en el acero en cucharas agitadas por gas inyectado desde el fondo evita altos costos computacionales comparado con aquellos que usan termodinámica-cinética compleja y modelos acoplados de dinámicas de flujo.

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Figura 1. Malla computacional, dimensiones y condiciones frontera

donde es la densidad de la fase q (kg·m-3); es la velocidad de la fase q (m·s-1); es la transferencia másica desde la fase pth hacia la fase qth (kg); es la transferencia másica desde la fase qth a la fase pth (kg); es la fracción volumétrica de la fase q; y n, es el número de total de fases en el sistema [24].

La Ec. (2) describe los esfuerzos y la momentum dentro del dominio para la fase q:

(2) donde es el tensor esfuerzo-deformación de la fase qth definida por la Ec. (3):

2. METODOLOGÍA

(3)

2.1. MODELOS MATEMATICOS 2.1.1. Dominio computacional La Figura 1 muestra la geometría axisimétrica usada para representar el domino axisimétrico completo de la cuchara así como las condiciones frontera. Las condiciones iniciales de la simulación fueron establecidas como sigue: no hay gradientes de concentración de las especies, la capa de escoria tiene un espesor uniforme, el diámetro de la apertura de la escoria permanece constante una vez alcanzada la máxima apertura, la temperatura y distribución de elementos son homogéneas en todo el volumen de la cuchara.

La concentración inicial del azufre en el acero se varió con valores desde 0.022 y 0.031% peso, basados en un estudio previo con la metodología y condiciones similares a las desarrolladas en este trabajo [15].

2.1.2. Ecuaciones gobernantes Se empleó el modelo multifásico Euleriano [24], por lo que las siguientes ecuaciones fueron resueltas.

La conservación de la masa para la fase q se describió por Ec. (1):

donde y son la viscosidad volumétrica y el esfuerzo de cizalla de la fase qth; p es la presión compartidas por todas las fases (Pa); , es la velocidad de la interfase (m·s-1); , es la interacción entre fases (N); y , es la aceleración gravitacional (m·s-2) [24].

Basado en las ecuaciones de transporte para la energía cinética (k) y la velocidad de disipación (ε), el modelo de turbulencia estándar resuelve las Ecs. (4) y (5) para la fase q [25]:

(4)

(5)

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Los términos y , representan la influencia de la fase dispersa en la fase continua q, y , es la producción de energía cinética turbulenta. La viscosidad turbulenta ( ) está escrita como una función de la energía cinética turbulenta (k) de la fase q, tal como lo muestra la Ec. (6):

(14)

(6)

(16)

los valores de las constantes son C1ε = 1.44, C2ε = 1.92, σk = 1.0, σε = 1.3 y Cμ = 0.09 [25].

Los términos y son calculados usando el modelo Troshko-Hassan [26] para representar el efecto de la turbulencia de la fase dispersa en la fase continua, que usa las Ecs. (7) y (8):

(17)

(7) (8) y son dos constantes cuyos valores son 0.75 y 0.45, respectivamente. y son la velocidad ponderada de las fases p y q, respectivamente. , es el tiempo característico de la turbulencia inducida. Kpq es el coeficiente de intercambio de momentum interfacial [24].

La fuerza de arrastre es la fuerza de oposición al movimiento en una burbuja ascendente dentro de un fluido y tiene un impacto en la velocidad de la burbuja, así como en su forma. Por lo tanto, es necesario incluir esta fuerza dentro de la simulación [27]. El coeficiente de intercambio interfacial de momentum entre las fases q y p se describe mediante la Ec. (9): (9) donde Ai, es el área interfacial, dp, es el diámetro de la burbuja de la fase p; , es el tiempo de relajación particular; y f, es una función de arrastre descrita por la Ec. (10): (10) El término Re es el número de Reynolds y CD es el coeficiente de arrastre, el cual está calculado de acuerdo a las condiciones definidas en el siguiente criterio Ec. (11) [24]: (11) El efecto de la sustentación fue incluido usando el modelo de sustentación de Tomiyama [28]. De acuerdo a este modelo, la fuerza de sustentación está determinada por la Ec. (12): (12) donde es el coeficiente de sustentación y es calculado de acuerdo a las Ecs. (13)-(17):

(15)

representa el número adimensional de Eötvös; este número relaciona las fuerzas boyantes y tensión superficial. es una modificación del número de Eötvös y está basado en el eje más largo de la burbuja, . es la tension superficial, N·m-1; g es la aceleración gravitacional, m·s-2; y es el diámetro de la burbuja.

La fuerza debida al efecto de la dispersión turbulenta está modelada usando el modelo de Burns y cols. [29]. Aquí, el escalar de la dispersión, , es calculado con la Ec. (18): (18) donde y son escalares de la dispersión para la fase continua y dispersa, respectivamente. Así, la dispersión turbulenta puede ser determinada por la Ec. (19): (19) es el número de Prandtl de la dispersión y el valor es 0.9; es una constante cuyo valor se estableció en 1 [29].

Para flujos turbulentos, la difusión másica de la especie i se calcula mediante la Ec. (20) [24].

(20) donde Dm,i es el coeficiente de difusión de masa para la especie i en la mezcla, Yi es la fracción másica local de la especie i y DT,i es el coeficiente de difusión térmica (en este caso igual a 0). Sct es el número de Schmidt turbulento, que está definido por la Ec. (21): (21) Dt es la difusión turbulenta para la especie i.

La transferencia unidireccional de masa entre dos fases está definida como una variación positiva del flujo másico por unidad de volumen desde la fase p hacia la fase q, la cual está determinada por la Ec. (22) [24]: (22) donde es una tasa constante de contracción de una partícula; y yp,i es la fracción másica de la especie i en la fase p. Para calcular , se usó la potencia de agitación generada por la pluma de gas inyectado, de acuerdo a la Ec. (23) [30]: (23)

(13) 1

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donde es la potencia de agitación del gas en la cuchara (W∙t); Qg, es el flujo entrante de gas (Nm3·min-1); M, es la masa de Cod. 10206 | Ciencia de los ordenadores | 1203.26 Simulación

Estudio de la dinámica de fluidos y la transferencia másica de azufre entre el acero y la escoria artículo de investigación en un horno-cuchara considerando fuerzas de arrastre y no-arrastre Antonio Urióstegui-Hernández, Pedro Garnica-González, Constantin-Alberto Hernández-Bocanegra, José-Ángel Ramos-Banderas, José-Julián Montes-Rodríguez y José-Raúl Ortiz-Castillo

acero en toneladas; T, es la temperatura en Kelvin; H, es la profundidad de inyección (m); y P0 (atm), es la presión en la superficie del baño.

Mediante la potencia de agitación, es posible calcular la velocidad constante ks (s-1) por medio de la Ec. (24) [31]: (24) Ec. (25) relaciona la velocidad constante con el coeficiente de transferencia másica K, (m·s-1) como sigue [32]: (25) donde Vsteel (m3) es el volume del acero en la cuchara; y Ai es el área interfacial entre el acero y la escoria (m2). Para el cálculo de la tasa de transferencia másica del azufre entre el acero y la escoria fue usada la Ec. (26) [33]: (26) donde es la tasa de transferencia másica (kg·s-1); Ci y Cf son las concentraciones inicial y final del azufre en el acero (kg·m-3), respectivamente. Como un requisito de programa, la tasa de emisión del término fuente, (kg·m-3·s-1) fue calculada por la Ec. (27): (27) La reacción química de la desulfuración – llevada a cabo con óxido de calcio – fue simulada de acuerdo a la reacción descrita por la Ec. (28) [32]: (28) Mediante el modelo de Arrhenius, descrito en la Ec. (29), es posible determinar la constante de velocidad de la reacción, kc, como sigue: (29) donde A es el factor de frecuencia (s-1), Ea es la energía de activación (kJ∙mol-1), R es la constante universal de los gases (kJ·mol1 -1 ·K ) y T es la temperatura (K). En regiones de flujo laminar, así como zonas de baja velocidad, se emplea la ecuación de Arrhenius para determinar la constante de reacción química. Para zonas turbulentas, esta aproximación también es usada, pero en este caso, también se resuelve el modelo de disipación de remolinos. La producción, , de la especie i para la reacción r considera el tiempo de mezclado a escala (que relaciona y ). El modelo es mostrado en las Ecs. (30) y (31) [34].

(30) (31) Aquí, y son las fracciones másicas de las especie producto y reactivo , respectivamente. A y B son constantes cuyos valores son 4.0 y 0.5, respectivamente [34]. En este modelo, la tasa de producción se calcula con el valor más pequeño de las dos ecuaciones.

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Propiedades Valor Densidad del acero [14] 7020 kg·m-3 Densidad de la escoria [14] 3500 kg·m-3 Densidad del argón [14] 1.6228 kg·m-3 Tensión superficial acero-escoria [14] 1.15 N·m-1 Tensión superficial acero-argón [14] 1.82 N·m-1 Tensión superficial escoria-argón [14] 0.58 N·m-1 Viscosidad del acero [14] 0.0055 Pa·s Viscosidad de la escoria [14] 0.06 Pa·s Viscosidad del argón [14] 2.125×10-05 Pa·s Diámetro de la burbuja de argón 0.01 m Difusividad del azufre en la escoria [14] 1×10-10 (m2·s-1) Difusividad del azufre en el acero [14] 4.43×10-08 (m2·s-1) Configuración fluidinámica de los casos Caso Fuerzas Fuerza de arrastre, Fuerza 1 boyante, Fuerza de tensión superficial Fuerza de arrastre, Fuerza de sustentación, Fuerza de 2 dispersión turbulenta, Fuerza de tensión superficial.

Tabla 1. Propiedades de los materiales usados en la simulación y configuración de los casos

2.1.3. Supuestos, condiciones de contorno y propiedades de los materiales La malla computacional empleada consistió en 8056 elementos, que se refinó en la interfaz acero-escoria, así como en la zona de la pluma. El tamaño de la malla se determinó mediante la técnica de sensibilidad de la malla. Se probaron diferentes mallas (de 2000 a 50000 elementos) y se midieron sus efectos en los resultados de velocidad. Además, se consideraron diferentes tipos de estructura y con el 100% de ortogonalidad se obtuvieron los mejores resultados. La velocidad axial del agua se utilizó como variable de respuesta con diferente refinamiento de la malla y más allá de los 8056 elementos no hubo una diferencia significativa. Para la simulación se realizaron las siguientes consideraciones: los cálculos se desarrollaron en estado transitorio e isotérmico, el flujo de gas era constante y se inyectó a través de una tobera localizada en el centro del fondo de la cuchara, las burbujas de gas eran esféricas y de diámetro constante, y no había reacción entre acero y gas. Las concentraciones iniciales de oxígeno en el acero se establecieron en 0,00044 wt. % según L. Jonsson y cols. [15]. Para la escoria, la composición química fue de CaO 55% peso, Al2O3 30% peso, MgO 7.5% peso y SiO2 7.5% peso tal como L. Jonsson y cols. [15]. La Tabla 1 muestra las propiedades del acero, la escoria y el argón utilizados en las simulaciones y menciona las fuerzas incluidas en cada caso. Se propusieron dos casos diferentes para comparar los efectos de las fuerzas de arrastre y no arrastre. El caso 1 es una configuración simple y el caso 2 incluye todas las fuerzas relacionadas con el proceso de agitación por gas del horno cuchara. Las ecuaciones fueron resultas con el programa computacional CFD ANSYS Fluent 15.0®. El método de solución empleado fue el SIMPLE acoplado a la fase, con un criterio de convergencia de 1×10-04 para cada variable. Se usó una estación de trabajo equipada con un procesador Intel® Xeon® E3-1241 v3.

3. RESULTADOS

El modelo fluidinámico propuesto fue validado usando los resultados expresados en la literatura [36] en la que se empleó un Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 176-183 | ISSN-L: 0012-7361 | 179

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Figura 2. Distribución radial de la velocidad axial a diferentes alturas para ambos casos

modelo a escala (1:17) de la cuchara, utilizando un sistema trifásico (agua/aceite/aire) para representar el comportamiento del acero, la escoria y el argón. Para validar la dinámica de fluidos obtenida por simulación numérica se empleó la técnica de Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV), esta técnica fue descrita en un trabajo previo [37]. En la Figura 2, las velocidades axiales experimentales fueron comparadas con las velocidades axiales numéricas a lo largo de la distancia radial en diferentes alturas: z = 4, 8, 12 y 16 cm. En las alturas menores (4 y 8 cm) el ajuste es mejor mientras que es menor cerca de la superficie libre. La técnica PIV toma en cuenta todo el fenómeno ocurrido en un sistema multifásico, no obstante, la técnica CFD omite en este caso, la deformación de burbuja, la aglomeración, el rompimiento y la coalescencia; esto afecta el ajuste en cierta manera, y por tanto, se eligió un ajuste basado en la tendencia.

En la Figura 3, se muestran los vectores de velocidad del acero de los dos casos para diferentes tiempos usando el mismo flujo de gas. Las velocidades más altas del acero se encuentran principalmente en la región de la pluma en ambos casos, sin embargo, el caso 2 tiene una velocidad de ascenso ligeramente menor.

Inicialmente, en ambos casos la pluma comienza a desarrollarse

desde los primeros segundos de la inyección y se forman dos recirculaciones cerca de la punta de la columna de gas (puntos A y A’). A los 3 s, la pluma ha aumentado su altura y se han movido las recirculaciones como lo indican los puntos B y B’. En el Caso 1, a este tiempo la pluma ha alcanzado la superficie libre del acero, mientras que en el Caso 2, se encuentra por encima de la mitad de la altura del acero. Esta diferencia de velocidades se debe a la incorporación de la fuerza de dispersión turbulenta en el Caso 2, que produce la propagación de la velocidad del gas ascendente y por lo tanto reduce la energía cinética turbulenta. A los 9 s de inyección, la pluma se ha desarrollado completamente en ambos casos, no obstante, el comportamiento fluidinámico en la superficie libre es diferente entre ellos. En el caso 1, la erupción de la pluma es homogénea y no produce muchas perturbaciones en el acero. Por otro lado, en el caso 2, la columna de gas produce un mayor movimiento del acero sobre la superficie libre y provoca la formación de regiones de alta velocidad cercanas a las paredes. Las formas de las recirculaciones formadas en el Caso 1 están bien definidas (puntos C), mientras que en el Caso 2 se deforman como consecuencia de la reintroducción del acero (puntos C’). Finalmente, el estado cuasi-estable se alcanza después de 15 s de simulación y el Caso 1 reportó una estructura fluidinámica más definida y suavizada con la formación de dos recirculaciones adyacentes a la columna de gas (puntos D). Por otra parte, en el Caso 2 la estructura fluidinámica del acero es completamente diferente con un fenómeno de reintroducción del acero más marcada. Finalmente, las recirculaciones formadas en este caso están más alejadas de la pluma (puntos D’).

Cuando se usa MTM para calcular la transferencia másica de azufre, fue necesario calcular la tasa de emisión del término fuente para ambos flujos de gas de 1.07×10-03 kg∙m-3∙s-1 y 1.23×10-03 kg∙m3 -1 ∙s , respectivamente, empleando las Ecs. (15)-(19). Se empleó la Ec. (29) para calcular la tasa de transferencia másica mediante CRM. Esta ecuación fue transformada por las propiedades de los logaritmos para obtener el ln k contra el inverso de la temperatura de la literatura [38], y los valores calculados fueron: Ea= 104.6 kJ∙mol-1 y A= 0.4130 s-1. Para validar la tasa de desulfuración, la Figura 4 compara las predicciones del modelo completo del Caso 2 con los datos experimentales de literatura [39], observándose un buen ajuste entre los valores finales de ambas técnicas. Sin em-

Figura 3. Estructura fluidinámica del acero a diferentes tiempos en el plano axisimétrico para ambos casos usando un flujo de gas de 500 Nl·min-1 180 | ISSN-L: 0012-7361 | 176-183 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

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bargo, también se observa mediante la pendiente de las curvas que la tasa de desulfuración es más rápida en los datos experimentales durante los primeros 260 s. Este resultado probablemente pueda predecirse mejor utilizando modelos más robustos para la cinética química que incluyan parámetros de interacción termodinámica y variaciones de la temperatura, sin embargo, esto estaba fuera de los objetivos de esta investigación. La Figura 5 muestra la variación del contenido de azufre frente al tiempo de refinado para cuatro

Figura 5. Variación de azufre en el acero con diversos flujos de gas inyectado y modelos numéricos

Figura 4. Contenido de azufre calculado mediante experimentación [39] y técnica numérica (Caso 2)

casos: en dos, se usó el Modelo de transferencia másica (MTM); y en los otros dos, el MTM se usó en combinación con el Modelo de Reacción Química (CRM). Se puede observar un comportamiento similar en la disminución del contenido de azufre para todos los casos con diferente concentración inicial de azufre. Sin embargo, el contenido de azufre más bajo se obtiene cuando solo se utilizó el MTM, alcanzando un contenido de azufre de 0.01% peso con

Figura 6. Efecto de las fuerzas y el contenido inicial de azufre sobre la tasa de desulfuración

Figura 7. Concentración de azufre en el acero a diferentes tiempos empleando a) MTM y c) MTM+CRM, y el contenido de azufre en la escoria calculado mediante b) MTM y d) MTM+CRM Cod. 10206 | Ciencia de los ordenadores | 1203.26 Simulación

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una inyección de argón de 500 Nl∙min-1. Cuando se usa el CRM junto con el MTM, se encontró que el flujo de gas causa una ligera diferencia entre el contenido final de azufre. Esta diferencia entre los diferentes mecanismos se produce porque hay una disminución gradual en el contenido de azufre que conduce a una reducción de la velocidad de la reacción química. Por tanto, el consumo de azufre es menor, como se observa en los casos que emplean el Modelo de Reacción Química. También se puede ver que, independientemente del enfoque utilizado, la tasa de desulfuración es siempre mayor a medida que se utilizan mayores flujos de argón, como se esperaba debido al estado de agitación del acero.

La Figura 6 compara el efecto del contenido inicial de azufre para los dos casos estudiados. Se observa claramente que la incorporación de fuerzas de arrastre no afectó significativamente la tasa de desulfuración, sin embargo, la disminución en el contenido de azufre inicial redujo la tasa de remoción de azufre. Por lo tanto, la reducción del gradiente de concentración de azufre ralentiza la velocidad de eliminación debido a la generación de una menor fuerza impulsora.

La Figura 7 muestra el azufre contenido en el acero y en la escoria a diferentes tiempos utilizando los modelos MTM y MTM + CRM para el Caso 2. En ambos enfoques, se nota una disminución del azufre en todo el volumen del acero. Sin embargo, utilizando solo el Modelo de transferencia másica (Figura 7a), se alcanza una menor cantidad de azufre que cuando se combinan los modelos de transferencia másica y Reacción Química (Figura 7b). Este comportamiento se atribuye al hecho de que la velocidad de reacción está definida por la concentración remanente de azufre y, por lo tanto, disminuye a medida que reacciona. El contenido de azufre transferido a la escoria mediante el mecanismo de transferencia másica (Figura 7c) muestra que el intercambio ocurre principalmente en las áreas cercanas a las paredes de la cuchara debido a perturbaciones del acero. Además, hay un ligero aumento de azufre del acero debido a la pequeña reintroducción de escoria.

Por otro lado, el azufre presente en la escoria empleando el MTM + CRM se determina mediante la formación de CaS (Figura 7d).

Aquí está claro que el área principal donde se produce el sulfuro es en la apertura de la capa de escoria, donde la agitación mejora la interacción acero-escoria, y progresa a lo largo del tiempo a través de las áreas de contacto acero-escoria.

4. CONCLUSIONES

En el presente trabajo se simuló numéricamente la dinámica de fluidos y la transferencia másica de azufre del acero a la escoria considerando fuerzas de arrastre y no arrastre. Se realizó una agitación concéntrica mediante gas argón con diferentes flujos y luego se probaron los modelos de transferencia másica y reacción química disponibles en Ansys Fluent® v.15. Las conclusiones de este estudio se dan a continuación: 1. Los resultados de la dinámica de fluidos han mostrado una concordancia aceptable con los obtenidos experimentalmente mediante la técnica PIV en un modelo a escala.

2. A pesar de la simplicidad y los enfoques de bajo costo computacional de los modelos de transferencia másica y reacción química, se observó una buena concordancia en los valores finales de azufre con los experimentales publicados.

3. Las velocidades de desulfuración usando un flujo de argón de 500 Nl∙min-1 son más grandes que los obtenidos con un flujo de 300 Nl∙min-1, para los dos enfoques, MTM y MTM en combinación con CRM. 4. La mayor tasa de desulfuración ocurre en los primeros se182 | ISSN-L: 0012-7361 | 176-183 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

NOMENCLATURA Símbolo A Ai C1ε, C2ε, Cμ

M

Descripción Factor de frecuencia, s-1 Área interfacial, m2 Constantes del modelo de turbulencia, adimensional Constantes del modelo de interacción turbulenta, adimensional Coeficiente de arrastre, adimensional Concentración inicial y final, % peso Coeficiente de difusión de masa de la especie i, m2·s-1 Coeficiente de difusión turbulenta de masa de la especie i, m2·s-1 Diámetro de la burbuja, m Energía de activación, kJ∙mol-1 Función de arrastre, adimensional Producción de energía cinética turbulenta, m2·s-2 Aceleración gravitacional, m·s-2 Altura de la cuchara, m Flujo másico de la especie i, kg·m-2·s-1 Coeficiente de transferencia de masa, min-1 Coeficiente de intercambio de momentum interfacial entre p y q, adimensional Energía cinética turbulenta, J·kg-1 Constante de reacción química, s-1 Constante de transferencia de masa, m·s-1 Masa de acero, ton

 m

Flujo másico entre fases, kg·s-1

n

Velocidad de transferencia de masa, kg·s-1

P0

Presión atmosférica, atm Presión, Pa Fase q, adimensional Flujo de inyección de gas, m3·min-1 Constante universal de los gases, kJ·mol-1·K-1

Cke, Ctd CD Ci, Cf Di Dt dp Ea f Gk g H Ji K Kpq k kc ks

p qth Q R

 R

Fuerza de interacción entre fases, N

r

Tasa de emisión de masa, kg·m-3·s-1

Re Sct

Número de Reynolds, adimensional Número turbulento de Schmidth, adimensional Temperatura, K Velocidad ponderada, m·s-1 Volumen de acero en la cuchara, m3 Velocidad, m·s-1 Fracción másica local de la especie i, adimensional Simbolos griegos Fracción volumétrica, adimensional Tasa de disipación turbulenta, m2·s-3 Potencia de agitación, W·ton-1

T U V v Yi α ε

μ Π ρ τ

Viscosidad volumétrica, Pa·s Viscosidad dinámica, Pa·s Influencia de la fase dispersa en la fase continua, adimensional Densidad, kg·m-3 Tiempo característico, s Tensor esfuerzo-deformación, Pa Transferencia de masa unidireccional, kg·s-1

gundos del proceso en la región de la apertura de la capa de escoria, donde el mecanismo convectivo es el principal impulsor de la reacción de desulfuración. Sin embargo, en la Cod. 10206 | Ciencia de los ordenadores | 1203.26 Simulación

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región cercana a la pared de la cuchara prevalece una zona de estancamiento de acero como mecanismo difusor.

5. Empleando MTM, se obtuvo ~ 15% menos de azufre que el obtenido con MTM + CRM al final de la simulación. Lo anterior se atribuye a la disminución de los reactivos a medida que evoluciona la reacción, lo que no ocurre en el MTM. Este resultado es más realista y, además, permitirá simular mejor el proceso de refinado del acero para trabajos futuros.

REFERENCIAS

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AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por la beca de estudios de posgrado de Antonio Urióstegui Hernández y a TecNM/I.T. Morelia, Cátedras-CONACYT, CIDESI y SNI por su apoyo constante al grupo de Modelación de Procesos Metalúrgicos.

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de investigación / research article

Influencia del proceso de bruñido en la rugosidad de superficies inclinadas de piezas fabricadas en X40CrMoV5 Jaume Rue-Mascarell, Eric Velázquez-Corral, Jordi-Adalbert Marqués-Salvador, José-Antonio Travieso-Rodriguez y Ramón Jerez-Mesa

Influencia del proceso de bruñido en la rugosidad de superficies inclinadas de piezas fabricadas en X40CrMoV5 Influence of the brushing process on the roughness of inclined surfaces of pieces manufactured in X40CrMoV5 nnnn

Jaume Rue-Mascarell, Eric Velázquez-Corral, Jordi-Adalbert Marqués-Salvador, José-Antonio Travieso-Rodriguez y Ramón Jerez-Mesa Universitat Politècnica de Catalunya. Departamento de Ingeniería Mecánica. Calle Jordi Girona, 1 - 08034 Barcelona (España).

DOI: https://doi.org/10.6036/10281 | Recibido: 09/jul/2021 • Inicio Evaluación: 12/jul/2021 • Aceptado: 08/oct/2021 To cite this article: RUE-MASCARELL, Jaume; VELÁZQUEZ-CORRAL, Eric; MARQUÉS-SALVADOR, Jordi-Albert; TRAVIESO-RODRIGUEZ, José-Antonio; JEREZ-MESA, Ramón. INFLUENCE OF THE BRUSHING PROCESS ON THE ROUGHNESS OF INCLINED SURFACES OF PIECES MANUFACTURED IN X40CrMoV5. DYNA, March-April 2022, vol. 97, no 2, p. 184-188. DOI: https://dx.doi.org/10.6036/10281

FINANCIACIÓN El apoyo financiero para este estudio fue proporcionado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España, a través de la subvención RTI2018-101653-B-I00. También por la Generalitat de Catalunya y de fondos FEDER para el desarrollo regional a través de la subvención IU68-016744.

ABSTRACT •H e purpose of the burnishing process is to achieve a good surface finish, improve mechanical properties and increase the useful life of parts with different geometries. This paper analyzes the effect of this process on the surface topology of parts made of X40CrMoV5 steel tempered to 40-42 HRC, used for the manufacture of molds. The starting surfaces are prepared by applying a standard milling process for their subsequent ball-burnishing process. This is done with a new burnishing tool designed for this purpose. Subsequently, the surface roughness values are evaluated, depending on the feed and the force, to obtain the best parameters to apply the burnishing. These roughness values will be measured parallel and perpendicular to the burnishing direction. It starts from a previous experience to take the best values found to decide the force and feed values to use. Each condition is tested 3 times to validate the repeatability of the obtained results. Burnishing has been demonstrating to improve the surface properties of the material, and a technological recommendation resulting on the best parameters to apply this process on this type of surface.

• Keywords: Burnishing, Textures, Roughness, Mechanical properties.

RESUMEN

El proceso de bruñido tiene como finalidad lograr un buen acabado superficial, mejorar las propiedades mecánicas e incrementar la vida útil de piezas con diferentes geometrías. En este estudio se analiza qué efecto tiene este proceso sobre la topología superficial de piezas fabricadas en acero X40CrMoV5 templado a 40-42 HRC, utilizado para la fabricación de moldes. Las superficies de partida son preparadas aplicando un mecanizado estándar con fresa para su posterior proceso de bruñido. Este se realiza con una nueva herramienta de bruñido de punta redonda diseñada para tal efecto.

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A continuación, se evalúan los valores de rugosidad superficial, en función del avance y de la fuerza, para obtener los mejores parámetros para aplicar el bruñido. Estos valores de rugosidad se medirán paralela y perpendicularmente a la dirección de bruñido. Se parte de un trabajo previo para tomar los mejores valores encontrados para decidir los valores de fuerza y avance a utilizar.

Cada condición es ensayada 3 veces para validar la repetibilidad de los resultados obtenidos. Se demostró que el bruñido mejora las propiedades superficiales del material y se obtiene una recomendación tecnológica sobre los mejores parámetros para aplicar dicho proceso en este tipo de superficies.

Palabras clave: Bruñido, texturas, rugosidad, propiedades mecánicas.

1. INTRODUCCIÓN

Durante las últimas décadas se han llevado a cabo numerosas investigaciones que confirman la mejoría que supone el bruñido a ciertas propiedades mecánicas de una pieza. En concreto, el proceso permite simultáneamente reducir la rugosidad, incrementar la dureza superficial y aumentar las tensiones residuales compresivas de los materiales sometidos a estudio. El bruñido con bola consiste en deformar plásticamente las irregularidades de una superficie usando una herramienta que aplica una fuerza regulada a través de pasadas adyacentes entre sí, todo ello controlado por una rutina programada en una máquina de CNC [1].

En lo referente a la dureza superficial, Travieso-Rodriguez et al. [2] investigaron el efecto del bruñido con bola sobre varios materiales, y explicaron cómo la variación de parámetros de entrada para el bruñido afectan a la dureza superficial final. También Travieso-Rodriguez et al. [3] demostraron que el paso lateral en probetas de acero G10380 no tenía ningún efecto significativo sobre la dureza superficial final medida después de aplicar un el bruñido. Por otro lado, otras investigaciones han demostrado que el bruñido mejora, entre otras propiedades, la rugosidad y la dureza superficial en piezas fabricadas con polímeros como el polipropileno [4], aleaciones de titanio Ti-6Al-4V [5] o acero AISI 1045 [6]. Se ha demostrado que estas mejoras pueden ser cercanas al 90% en el caso de la rugosidad superficial y el 34% en dureza, en el caso de aceros inoxidables.[7] En la actualidad, hay poca oferta comercial de herramientas que sean capaces de realizar el proceso de bruñido y por consiCod. 10281 | Tecnología e ingeniería mecánicas | 3313.17 Operaciones mecanizadas

Influencia del proceso de bruñido en la rugosidad de superficies inclinadas de piezas fabricadas en X40CrMoV5 Jaume Rue-Mascarell, Eric Velázquez-Corral, Jordi-Adalbert Marqués-Salvador, José-Antonio Travieso-Rodriguez y Ramón Jerez-Mesa

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tridimensionales. En este caso, los resultados se presentan en términos de medidas tridimensionales de rugosidad.

En la primera fase experimental desarrollada en el trabajo, como las superficies son planas, se ha decidido utilizar los parámetros 2d para medir las rugosidades, ya que es un método más sencillo y se puede realizar en la propia máquina mientras se realiza el proceso de bruñido sin desmontar la pieza. Sin embargo, en la segunda fase experimental, siguiendo recomendaciones de trabajos anteriores [9] donde se ha comprobado que las superficies bruñidas, sobre todo cuando tienen un cierto nivel de complejidad geométrico, presentan topologías muy anisotrópicas, se ha decidido analizar las texturas 3D una vez desmontada la pieza de la máquina. Esto permitirá minimizar el error y llegar a conclusiones más precisas, ya que dependiendo de en qué zona bruñida se realice la medición, y en qué dirección, los resultados pueden ser muy diferentes.

Cabe destacar que la novedad que supone en la industria la utilización de esta herramienta de creación propia, dada la versatilidad de ésta en centros de mecanizado de 3 ejes y un sistema de puntas intercambiables. El diseño está pensado para conseguir mayor accesibilidad a cavidades de moldes y matrices. Este estudio es pionero en el bruñido de superficies complejas en 3 dimensiones.

Figura 1: Representación esquemática de la herramienta utilizada en el estudio

guiente tienen un coste y tiempo de fabricación elevados, siendo poco accesibles para muchos fabricantes. Además, en muchos casos las herramientas existentes sólo son válidas para bruñir superficies planas o de baja inclinación. Para contribuir a subsanar este problema, en esta publicación se presenta un nuevo prototipo de herramienta de diseño propio con una tecnología basada en bruñir con punta redonda [8], que además es validada a través de dos fases experimentales que suponen resultados preliminares para confirmar la adecuación de la herramienta y conocer si su funcionamiento es similar al de otras herramientas de bruñido más estudiadas. La novedad que la herramienta introduce es que está concebida de forma que la superficie que deforma no rueda sobre la superficie, sino que está fija, pese a tener en común con otros procesos de bruñido con bola en que tiene geometría esférica. Lo más relevante de este diseño es que esta configuración permite acceder a superficies que con un diseño con bola y carcasa no serían accesibles. Como ejemplo puede citarse superficies cóncavas de radio de curvatura bajo o inclinaciones altas, que son superficies presentes en piezas de alto interés industrial, como por ejemplo las de moldes o matrices, que requieren de largos tiempos de pulido manual que podría ser sustituido por un proceso automático. La herramienta de bruñido foco de análisis en este trabajo ha sido sometida a diferentes pruebas para poder comprobar el correcto funcionamiento de esta tecnología.

El material seleccionado para los ensayos será el acero X40CrMoV5-1, debido a su gran demanda industrial para piezas de matricería y formación de moldes. En el primer estudio, se explora la modificación superficial de piezas planas acabadas mediante fresado y aplicando posteriormente un bruñido con diferentes valores de fuerzas para comprobar el efecto que este factor tiene sobre los diferentes parámetros de rugosidad superficial de piezas fabricadas en este acero en particular. En el segundo estudio realizado se utiliza una pieza similar a un molde de inyección, para comprobar el comportamiento de la herramienta sobre superficies

2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. HERRAMIENTA DE BRUÑIDO La Figura 1 muestra un esquema de la herramienta empleada para este estudio, que se compone de dos partes: el módulo de transmisión de fuerza y el módulo de regulación de fuerza.

El módulo de regulación de fuerza consiste en un muelle, que al ser precomprimido mediante una tuerca externa, permite ajustar la fuerza de precarga estática que se ejercerá sobre el material tratado. Por otro lado, la unidad de transmisión de fuerza consta de una punta en forma cónica acabada en una sección esférica, fabricada en acero 1.2379 (según norma UNE-EN ISO 4957:2019) tratado de manera que su dureza es de 63 HRC, y con un diámetro de la punta de 3,386 ± 0,004 mm. Esta punta es la responsable de sumar la fuerza de la precarga y la ejercida por el centro de meca-

Composición química: (%) Elemento Min Max

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

V

0,35

0,80

0,25

-

-

4,80

1,20

0,85

0,42

1,20

0,50

0,03

0,02

5,50

1,50

1,15

Propiedad

Valor

Unidad

Módulo de Young

200

GPa

Límite elástico

350-550

MPa

Tensión de ruptura

650-880

MPa

Coeficiente de Poisson

0,30

-

Elongación máxima

8-25

%

Tabla 1: Propiedades químicas y mecánicas del acero X40CrMoV5-1 Cod. 10281 | Tecnología e ingeniería mecánicas | 3313.17 Operaciones mecanizadas

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partes de esta pieza se obtuvieron por fresado.

Se utilizó para ello una fresa de bola de metal duro de diámetro 16 mm, mecanizando a una velocidad de rotación de 8000 rpm y una velocidad de avance de 11800 mm/min. Seguidamente se bruñeron dichas suFigura 3: (a) Superficie compleja utilizada en el segundo experimento. (b) Esquema de las huellas de bruñido que se efectuarán perficies. Con el objetivo de estudiar la evolución nizado. La herramienta está protegida según la patente española de las características superficiales de la pieza, se realizaron meP201931092 [8]. didas de textura sobre la pieza, después de fresar y después de bruñir.

2.2. DESCRIPCIÓN DE LAS PIEZAS DE TRABAJO El material utilizado en este estudio es el acero X40CrMo5V5-1 2.3. EXPERIMENTACIÓN (de composición indicada en la Tabla 1)con una dureza de 40-42 De experiencias anteriores [10] se sabe que en este tipo de HRC, comúnmente utilizado en la fabricación de moldes para in- material, la fuerza de bruñido es el parámetro que más influye yección debido a su alta resistencia al choque térmico, así como sobre la calidad superficial obtenida tras el proceso. Para el acero su buena tenacidad y conductividad térmica. Tambien se muestran que se está utilizando, una fase de test previa permitió establecer algunas de sus propiedades mecánicas tal y como son informadas los valores de 60, 90 y 120 N como fuerza de bruñido fundamenpor el proveedor del material en bruto. tal a comparar entre sí. Cada nivel de fuerza fue usada en tres La etapa experimental expuesta en esta contribución se rea- huellas diferentes para comprobar la repetibilidad. Tomando en lizó en dos fases, con dos piezas diferentes respectivamente. El consideración el trabajo desarrollado en [3] se decidió que el valor primer experimento se realiza sobre una superficie plana, la cual del paso lateral de la herramienta entre pasadas se tomará como se prepara fresando una de sus caras de dimensiones 50 x 50 mm, constante y con un valor de 0,1 mm y la velocidad de avance de para eliminar posibles imperfecciones y mejorar la rugosidad ini- 1000 mm/min. cial del bruto antes del bruñido. Este proceso se realiza simulando Con el fin de evaluar los resultados obtenidos en el experimenlas condiciones del proceso real que se realiza en una superficie to descrito anteriormente, se utilizará un equipo de adquisición de de un molde de inyección [9]. Las condiciones de corte utilizadas rugosidades 2D Mitutoyo SJ-210 para cada una de las 9 superficon planeador de 5 insertos de diámetro 60 mm, con 5 plaquitas cies bruñidas, así como sobre la superficie fresada para este enson:velocidad de corte de 294 m/min y velocidad de avance de sayo, con un cut-off de 0,8 mm. Se realizaron 10 mediciones para 600 mm/min. cada superficie con la finalidad de obtener una representación Como se puede apreciar en la Figura 2, la pieza de trabajo ha completa de la superficie en cada muestra, siendo 5 mediciones sido dividida en 9 secciones distintas, sobre las cuales se realizará perpendiculares y 5 paralelas a las pasadas de bruñido para así obel bruñido utilizando diferentes valores de fuerza. Las huellas 1.1, tener el perfil de la misma superficie en dos direcciones diferentes.

1.2 y 1.3, son 3 repeticiones bruñidas con una fuerza de 60 N, las Los parámetros de rugosidad superficial medidos en cada una de 2.1 a 2.3 con 90 N y las 3.1 a 3.3 con 120 N. Las dimensiones de las muestras obtenidas siguiendo la norma ISO4287:1999 [9], se cada sección de bruñido son de 10x10 mm, y las secciones están seleccionó Ra que es la media aritmética y Rz que es la medía de los separadas entre sí por 5 mm en horizontal y en vertical. Al final valores absolutos de los 5 picos más altos y las 5 crestas más bajas. se midieron las rugosidades tanto en la parte de la pieza fresada, Lo anterior para la longitud del cut-off analizado. Estos valores se como en las huellas bruñidas. La mejor fuerza resultante de este midieron tanto paralelos como perpendiculares al avance de la análisis se toma como recomendación para el bruñido de la pieza herramienta de bruñido. Con el fin de tomar decisiones acerca del del segundo experimento. nivel de fuerza a utilizar en la segunda fase experimental, estos La segunda pieza utilizada simula la forma de un inserto de valores serán analizados para comprobar su significación desde el un molde de inyección para fabricar pìezas de plástico. La Figura punto de vista estadístico.

3 muestra la forma de la segunda pieza en estudio. Las diferentes En el segundo experimento, y teniendo en cuenta los resultados obtenidos en el primero, se realizó el proceso de bruñido sobre toda la superficie interior de la pieza mostrada en la Figura 3. El proceso se realizó en continuo y el objetivo era evaluar el funcionamiento de la herramienta en una pieza real. Para ello, se utilizó el nivel de fuerza de bruñido que supuso una mejoría más alta de rugosidad superficial sobre la superficie plana de la pieza utilizada en el primer experimento. Para garatizar que los experimentos se desarrollen a los niveles de fuerza marcados, se realizó previamente una curva de calibración de la herramienta, donde se puede relacionar los valores de fuerza con los correspondientes valores de profundidad en la coordenada Z, según se muestra en la figura 4.En esta segunda estapa experimental, para evaluar los Figura 2: (a) Superficie plana utilizada en el primer experimento. (b) Esquema de las huellas de bruñido que se efectuarán a diferentes niveles de fuerzas resultados del proceso de bruñido sobre las superficies inclinadas, 186 | ISSN-L: 0012-7361 | 184-188 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

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Influencia del proceso de bruñido en la rugosidad de superficies inclinadas de piezas fabricadas en X40CrMoV5 Jaume Rue-Mascarell, Eric Velázquez-Corral, Jordi-Adalbert Marqués-Salvador, José-Antonio Travieso-Rodriguez y Ramón Jerez-Mesa

Figura 4: Curva de calibración de la herramienta de bruñido

Figura 6: Gráficas de texturas medidas en las diferentes zonas de la pieza del segundo experimento. (A) Zona fresada. (B) Superficie bruñida 1. (C) Superficie bruñida 2. (D) Superficie bruñida 3

Figura 5: Gráficas de regresiones lineales para (A) Valores de Ra medidos paralelos al bruñido; (B) Valores de Rz medidos paralelos al bruñido, (C) Valores de Ra medidos perpendiculares al bruñido, (D) Valores de Rz medidos perpendiculares al bruñido

se realizan mediciones de textura 3d y no de rugosidad 2d. Se ha demostrado en trabajos anteriores [10] que las superficies bruñidas, sobre todo cuando tienen un cierto nivel de complejidad geométrico, presentan topologías muy anisotrópicas. Esto hace que si se miden solo perfiles de rugosidad 2D secometa el error de llegar a conclusiones parciales, ya que dependiendo de en qué zona bruñida se realice la medición, y en qué dirección, los resultados pueden ser muy diferentes. De ahí que en este caso se utilice la medición de los parámetros 3D que caracterizan las texturas de una superficie. La definición de estos parámetros está recogida en la norma ISO 25178 [11]. Para ello se utiliza un perfilómetro marca3D micromesurestation de la casa STIL.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 3.1. PRIMER EXPERIMENTO: BRUÑIDO SOBRE UNA PIEZA PLANA Como muestran los resultados de la Tabla 2, los mejores valores de Ra medidos paralelos al bruñido se obtuvieron en la zona 3, donde la fuerza utilizada era de 120 N (la mayor). Los porcentajes de mejora son como máximo en la Ra del 40,15 % y en la Rz el 43,45 %. Sucede lo mismo en las mediciones tomadas en perZona

Ra// (μm)

ΔRa//(%)

artículo de investigación / research articlennnn

Ra⊥(μm)

pendicular al bruñido, donde los porcentajes de mejora son como máximo en la Ra del 37,16 % y en la Rz el 12,35 %.

Para buscar la coherencia estadística de los resultados obtenidos se realizan pruebas correlación lineal. Con un 95% nivel de confianza, se realiza la prueba de significación a través de la correlación F de Fisher. En los gráficos de la Figura 5, puede observarse que en todos los casos hay una correlación lineal entre la fuerza de bruñido y los resultados de rugosidad medidos. Esto permite argumentar no sólo que el nivel de fuerza define los resultados del bruñido, sino que existe una dependencia entre las rugosidades media y pico-valle. Esto refuerza la teoría planteada por diferentes publicaciones encontradas en la bibliografía [12].

3.2. SEGUNDO EXPERIMENTO: BRUÑIDO SOBRE UN INSERTO DE MOLDE En el segundo experimento, el proceso de bruñido se realizó aplicando 120 N de fuerza, a la vista de los resultados anteriores.

De los resultados mostrados en la Tabla 3, analizando la evolución de los diferentes parámetros medidos, se puede ver que la textura media Sa en las zonas bruñidas mejoró aproximadamente hasta un 80%, la Sz en un 64%, la Spen un 69% y la Sv en un 58%; respecto a la textura del fresado previo. En las diferentes zonas los valores de los parámetros que caracterizan la textura son diferentes. Sin embargo, en las zonas 1 y 3 son relativamente más bajos. Esto se debe a que estas dos zonas son completamente planas, con lo cual la herramienta está bruñéndolas con la zona esférica más baja de su punta. Sin embargo, la zona número 2, no es completamente perpendicular al eje de la herramienta, con lo cual se bruñe con uno de los lados de la punta de la herramienta de bruñido. Este efecto provoca que en verdad la fuerza que se está aplicando sobre la superficie no sea la esperada (120 N), sino una componente de ésta, que es ligeramente inferior y dependerá de la parte de la herramienta que pase por encima de la superficie. Por otro lado, los valores de Sp y Sv en cada experimento tienen valores bastante similares entre sí, lo cual hace pensar que los puntos extremos de las superficies bruñidas son muy similares entre sí. Todo lo planteado anteriormente se puede verificar en la observación de los gráficos de la Figura 6, donde se ve por ΔRa⊥ (%)

Rz//(μm)

ΔRz//(%)

Rz⊥ (μm)

ΔRz⊥ (%)

Fresada

1,37

-

1,48

-

7,02

-

4,86

-

Bruñida 1, 60N

0,90 ± 0,08

34,31

0,99 ± 0,04

33,11

4,35 ± 0,31

38,03

4,57 ± 0,18

5,97

Bruñida 2, 90N

0,85 ± 0,08

37,96

0,97 ± 0,04

34,46

4,14 ± 0,37

41,03

4,42 ± 0,12

9,05

Bruñida 3, 120N

0,82 ± 0,09

40,15

0,93 ± 0,04

37,16

3,97 ± 0,44

43,45

4,26 ± 0,13

12,35

Tabla 2: Resultados de la mediciones paralelas al bruñido de los diferentes parámetros de rugosidad Cod. 10281 | Tecnología e ingeniería mecánicas | 3313.17 Operaciones mecanizadas

Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 184-188 | ISSN-L: 0012-7361 | 187

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Influencia del proceso de bruñido en la rugosidad de superficies inclinadas de piezas fabricadas en X40CrMoV5 Jaume Rue-Mascarell, Eric Velázquez-Corral, Jordi-Adalbert Marqués-Salvador, José-Antonio Travieso-Rodriguez y Ramón Jerez-Mesa

Zona

Sa(μm)

ΔSa(%)

Sz(μm)

ΔSz(%)

Sp(μm)

ΔSp(%)

Sv (μm)

ΔSv(%)

Fresada

1,11

-

6,97

-

3,79

-

3,18

-

Bruñida 1

0,44

60,36

4,30

38,31

2,37

37,47

1,93

39,31

Bruñida 2

0,79

28,83

6,83

2,01

3,41

10,03

3,42

-7,55

Bruñida 3

0,22

80,18

2,51

63,99

1,17

69,13

1,34

57,86

Tabla 3: Resultados de la mediciones y mejoras porcentuales de los diferentes parámetros de rugosidad

Figura 7: Izquierda: Histogramas de medidas de las texturas en las diferentes zonas de la pieza del segundo experimento. (A) Zona fresada, Superficies bruñidas (B) Zona 1, (C) Zona 2, (D) Zona 3 Derecha: Valores de kurtosis y skewness en las distintas zonas

una parte la mejora significativa de la textura de la pieza en las zonas bruñidas respecto a la fresada, y las superficies planas que también se han comentado.

El efecto del bruñido con bola puede también apreciarse en cómo la distribución de alturas de la superficie se redistribuye a medida que se deforman plásticamente los picos de la superficie original. La Figura 7 representa la distribución de alturas de las superficies fresada y bruñidas. Puede observarse la bimodalidad de la superficie fresada, lo cual indica una distribución no óptima de superficie portante junto con huecos que permitan evacuar partículas provenientes del desgaste eventual de la superficie junto con el alojamiento necesario de lubricante. Los histogramas de las superficies bruñidas muestran que la aplicación del proceso tiene un efecto redistribuidor de las alturas del perfil, eliminando la bimodalidad, y acercando la distribución de alturas a un estado más próximo a la distribución Gaussiana, vista como el estado óptimo topológico de las superficies en términos funcionales.

Particularmente, son las superficies de las zonas 1 y 3, las que muestran una distribución más Gaussiana, también a la vista de sus valores representativos de kurtosis y skewness (más próximos a 3 y 0 respectivamente). Que el mejor efecto redistribuidor vaya acompañado de la mayor reducción de amplitud de la textura es una combinación de efectos positiva nada extraña para este tipo de proceso, como ya fue observado y destacado a raíz de los trabajos de Jerez-Mesa et al.[9].

4. CONCLUSIONES

Después de realizar el presente estudio, y analizando sus resultados se puede llegar a las siguientes conclusiones: 188 | ISSN-L: 0012-7361 | 184-188 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

1. El proceso de bruñido es adecuado para mejorar la calidad superficial de piezas fabricadas en X40CrMoV5-1, utilizado para fabricar moldes de inyección.

2. La rugosidad superficial obtenida en las piezas después de bruñidas es inversamente proporcional a la fuerza empleada, dentro del conjunto de valores en estudio.

3. Aunque la herramienta de bruñido ensayada en la etapa experimental ha demostrado ser eficaz en la mejora de parámetros de textura, los resultados son desiguales en función de la inclinación de la superficie objetivo, concluyendo que a mayor inclinación se obtiene mayor desigualdad (especialmente en Zona 2). La profundización en este aspecto permite abrir nuevas líneas de investigación en torno a este tema para el desarrollo de un prototipo viable comercialmente.

4. La fuerza de bruñido utilizada de 120 N ha demostrado ser eficaz no solo en la reducción de los descriptores de amplitud de topología de la superficie, sino también en su efecto redistribuidor de picos y valles de la superficie a una superficie gaussiana de distribución óptima de material para disminuir el desgaste y reducir el riesgo de fractura por fatiga.

Estos aspectos son fundamentales en superficies de moldes, por el tipo de régimen de trabajo al que están sometidos.

REFERENCIAS

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[7] Fernández-Lucio, P., Gonzàlez-Barrio, H., Gómez-Escudero, G., Pereire, O., Lopez de Lacalle, L.N., Rodríguez, A. “Analysis of the influence of the hydrostatic ball burnishing pressure in the surface hardness and roughness of medium carbon steels.” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 968. (2020) [8] Herramienta para súper-acabado de moldes y matrices para inyección. 2019. Patente española P201931092, presentada el 10 diciembre 2019.

[9] Blanco-Antón, V. “Caracterització superficial d’un motlle d’injecció brunyit”. BS thesis. Universitat Politècnica de Catalunya(2020).

[10] Jerez-Mesa, R., Landon, Y., Travieso-Rodriguez, J.A., Dessein, G., Lluma-Fuentes, J., Wagner, V.,“Topological surface integrity modification of AISI 1038 alloy after vibration-assisted ball burnishing”,Surface and CoatingsTechnology 349, 364-377 (2018) [11] ISO Standard 25178: “Geometricalproductspecifications (GPS) – Surfacetexture”, Areal(2016).

[12] Hassan, A.M.,“The effects of ball-and roller-burnishing on the surface roughness and hardness of some non-ferrous metals”,Journalofmaterialsprocessingtechnology72(3), 385-391 (1997).

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Opinion mining for user experience evaluation model using bayesian estimation of MCMC technique Rajkumar Pandiyarajan and Kogilavani Shanmugavadivel

artículo de investigación / research articlennnn

Opinion mining for user experience evaluation model using Bayesian estimation of Markov Chain Monte Carlo technique Minería de opinión para el modelo de evaluación de la experiencia del usuario mediante estimación bayesiana de la técnica Monte Carlo de la Cadena de Markov nnnn

Rajkumar Pandiyarajan1 and Kogilavani Shanmugavadivel2 1 2

MOUNT ZION COLLEGE OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY. Lena Vilakku, Pilivalam P.O, Thirumayam TK – 622507 Pudukkottai, Kerala (India).

KONGU ENGINEERING COLLEGE. Kongu College Road - 638060 Perundurai, Tamil Nadu (India).

DOI: https://doi.org/10.6036/10303 | Received: 6/aug/2021 • Reviewing: 06/aug/2021 • Accepted: 12/jan/2022 To cite this article: PANDIYARAJAN, Rajkumar; SHANMUGAVADIVEL, Kogilavani. OPINION MINING FOR USER EXPERIENCE EVALUATION MODEL USING BAYESIAN ESTIMATION OF MCMC TECHNIQUE. DYNA, March-April 2022, vol. 97, no 2, p. 189-194. DOI: https://dx.doi.org/10.6036/10303

RESUMEN • E l marketing online se basa en la tecnología digital, incluyendo el marketing de comercio electrónico, la automatización de contenidos, el marketing de redes sociales y el marketing directo por correo electrónico proporciona tecnología avanzada en el sistema de marketing digital. La experiencia del usuario es una de las estrategias comunes para el éxito del producto.

El trabajo de investigación anterior proporciona la mejora de la experiencia del usuario en el marketing ordinario. El trabajo de investigación propuesto evalúa los principales aspectos del análisis de la experiencia del usuario a partir de los datos del sitio web. El proceso de extracción se centra en la interfaz de Google Analytics a través de las respectivas tiendas web. Google Analytics ayuda a entender los grupos de componentes de comportamiento de la lucha del usuario.

Se presentan teorías de perspectivas acumulativas en las que la participación del usuario se percibe desde la perspectiva del procedimiento de estrategia de dos imágenes de modelos diferentes. Investigar los estados afectivos en la evaluación del conjunto de datos de la experiencia del usuario a través de las características afectivas involucradas en el diseño de la experiencia del usuario. Además, estudiamos la cuenta de múltiples conjuntos de datos de incertidumbres y mejoramos una base de datos jerárquica Probabilidad previa y Probabilidad posterior. Presentamos una técnica avanzada de Monte Carlo con cadena de Markov para la evaluación de características de menos de cuatro estados afectivos mediante el uso de métodos de procesamiento de imágenes. Un resultado concluye los impactos mediante la asignación de sus parámetros en la función de experiencia de usuario percibida. Concentrándose en la tendencia central de los datos, se pueden construir modelos de experiencia de usuario idiosincrásicos en el proceso de estimación.

• Palabras clave: Modelo de experiencia de usuario; minería de opinión; función bayesiana; MCMC; datos de Google Analytics.

ABSTRACT

Online marketing is based on digital technology, including e-commerce marketing, content automation, social media marketing, and e-mail direct marketing provides advanced technology in the digital marketing system. User experience is one of the common strategies for product success. The previous research Cod. 10303 | Sectorial economy | 5312.09 Mining

work provides user experience improvement in ordinary marketing. The proposed research work evaluates the major issues of analyzing user experience based on website data. The extraction process focuses on interfacing Google Analytics through the respective web stores. Google analytics helps to understand the behavior component groups of user’s struggle. Presented cumulative prospect theories in which user involvement is perceived from the perspective of strategy procedure of two various model images.

Investigate the affective states on user experience dataset evaluation through affective characteristics involved in user experience design. Furthermore, we study the account for multiple data sets of uncertainties and improve a hierarchical database Prior Probability and Posterior Probability. Presented advanced Markov chain Monte Carlo technique for characteristics evaluation fewer than four affective states by using image-processing methods. A result concludes impacts by mapping its parameters in the perceived user experience function. Concentrate on the central tendency of the data, idiosyncratic user experience models can be built in the estimation process.

Keywords: User experience model; opinion mining; Bayesian Function; MCMC; Google Analytics data.

1. INTRODUCTION

The data mining approaches are used in various statistical analyses on the real time applications. User evaluation based on experience is calculated to improve the product availabilities.

Recent days, internet based life reached out to the business domain by implementing new and advanced products through rating, comments, usage verification and number of buyers, etc. It assumes a basic job in promoting procedures by expanding traffic and satisfied as a piece of your SEO (Search Engine Optimization) technique. Organizations required performing over at their social attitudes and how they communicate with their clients online for the best outcomes. Accomplishment in internet based life advertising includes being vital and creative. User purchase items and administrations yet additionally client encounters and enthusiastic delight. The purchasing choice is associated, very individual and exceedingly passionate that enthusiastic measurement helps to the customer satisfaction. Client venture mapping is a generally clear technique to outline these components. User experience calculation spending time on the assignments like content Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 189-194 | ISSN-L: 0012-7361 | 189

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mapping, rating measurement and changing the advancement of procedures; all it is based on the advertisement. These procedures are performed through various approaches and techniques. By structuring these techniques upon the client venture, we take the situation of the client and go for client centricity. This encourages us to abstain from taking back to front perspectives that do not consider the client reality and experience enough. Here the cumulative measurements are utilized to perform with various algorithms. The client-driven view is based on content-centricity by putting content and taking a gander at appropriation systems to target frequently inadequately characterized portions, not to mention understanding the individual purchasing choice and the channel-centricity being excessively blind by the different, frequently separated, channels and media used to cooperate with clients or empowering connection. The current state and development needs are determined by user experience model [1].

The client venture map creates the ups and downs on the product availability peaks. But it is our conviction this is not sufficient either. The client experience is by a long shot a passionate given, regardless of whether in purchasing choices normal components are frequently a posteriori referred to as criteria by purchasers.

User dependent multimedia service quality improvement is performed with audio based analysis [2]. Also, the mobile game based UX design is presented in [3]. Multimedia communication based data utility for UX design is described in [4]. The client experience is for the most part about feelings in the first place, in any case. i. Go past sound personas and purchaser person as if necessary and incorporate mental models when important. ii. Be careful with speculations and severe reason result approaches.

The QoE result is evaluated by means of fittingly characterized utilization capacity and it express client fulfillment in social frameworks. Research work address the issue of joining and surveying the effect of guest conduct factors inside the social legacy space, by abusing the intensity of prospect hypothesis. Longitudinal field study for work experience of customer is presented in [5]. The QoE communicated by means of the prospect-theory utility capacity, intensely relies upon the aggregate time spent by all guests, along these lines settling on their practices choices interrelated, and acting progressively like a social-focused condition. Sentence completions on user’s comments are used for experience calculation [6]. E-banking based user evaluation on the web page data processing is presented in [7]. The UX model utilized the cultural heritage space use case is applied on the survey of UX design [8].

Vision based user experience calculation is presented in [9]. The prospect theory on affective characteristic is described in [10]. The reaction based face recognition while performing web page access also used on the user experience calculations [11]. Bayesian approach on cumulative prospect theory evaluation is studied on the [12]&[13]. The survey presented with audio visual evaluation on the UX model and it presented with the QoE results [14]&[15].

Genetic algorithm used on the cumulative prospect theory evaluation is described in [16]. Bayesian parameter evaluation model is described on various applications of data mining and the lowa gambling task is presented in [17]. This user experience evaluation model is also used in the medical applications. Heart rate based collective data set is used on the experience evaluation model [18]. Also, the behaviors, facial expressions are collected as emotion data for UX design [19]. To decide customer choice uses time interest in various sorts of displays like web page, while considering the potential reliance of customer choices are tackled 190 | ISSN-L: 0012-7361 | 189-194 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

in a dispersed way, with the end goal that every customer expands his prospect-theory value. Clustering and Bayesian estimation is presented in [20] and facial expression based emotion evaluation is presented in [21]. This proposed research contributes to use the UX model on various domains of applications and enhances the various applicability of parameter evaluation in UX model. The different information sets of uncertainties and improve a hierarchical database helps to obtain the Prior Probability and Posterior Probability. Here, Presented advanced Markov Chain Monte Carlo (MCMC) technique for characteristics evaluation fewer than four affective states of Google analytic data.

The following sections are provides the proposed research work in an efficient manner. Section II is a literature survey. Section III describes the proposed system demonstration. Section IV is Results and performance analysis and final section of V presented the conclusion and future scope.

2. LITERATURE SURVEY

Vermeeren, A. P., et al., (2010) the ongoing movement of accentuation to client experience (user experience) has accomplished it a focal point of item structure and assessment. A huge number of techniques for user experience structure and assessment exist, yet a reasonable review of the present condition of the access user experiences assessment strategies are absent. This is halfway because of an absence of concurrence on the fundamental qualities of user experience. This research presents the consequences of our differences-duration exertion of gathering user experiences assessment strategies from the scholarly world and industry with various methodologies, for example, writing audit, workshops, Special Interest Groups sessions, and an online study. Here synthesis ninetysix strategies and broke down them, over various criteria, in light of the item improvement stage and the examined time of understanding. Our examination uncovers improvement requirements for user experiences assessment strategies, for example, beginning time techniques, techniques for social and synergistic user experience assessment, setting up practicability and logical quality, and a more profound comprehension of user experience.

The advancement of the cell phone industry, portable applications advertises winds up flourishing. Nonetheless, the youthful data innovation and unpleasant interface bring negative client experience (UX) to the portable clients and therefore influence the administrative life of versatile applications, particularly for the most concerned were engaging applications, portable amusements. Therefore, assessing UX and a finding essential variety of UX becomes a test. Throughout the most recent decades, various looks into have attempted to manage this issue, however, none of them has obviously distinguished the relations among positivenegative UX, adequate human qualities and explicit occasions of uses. Research work proposes an emotional target assessment strategy. Abstract UX of portable recreations is adequately gotten and objective UX is confirmed through the electrocardiogram signs and pulse changeability. So as to uncover particular relations among UX factors, adequate client attributes and classifications of amusement occasions, an improved RIPPER calculation is proposed by this paper to get the relations. Investigations are performed with 300 analyzers who played Portable Park our diversions for somewhere around five minutes. The precision and effectiveness of the proposed strategy have been checked through genuine examinations and target measures. What’s more, this paper gives a compelling inspecting strategy and an information investigation calculation to acquire vital UX factors for versatile applications.

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A lightweight assessment framework, which can be conveyed on regular client gear in business versatile systems, is proposed for estimating the client experience of interactive media administrations. The client experience assessments framework can quantify the key quality pointers of conventional and rising administrations in various situations. As opposed to traffic models, this framework models common client conduct to develop complex situations of correspondence systems. In business arrange tests, the proposed assessment framework accomplishes steady and proficient execution in complex situations, which comprise of various sorts of administrations and average client practices.

The theoretical numerous ideas of client/user experience (UX) is a couples location UX in the work area. Moreover, while most underline the dynamic idea of UX, very few examinations adopt an express longitudinal strategy. This article presents information about how the user experience of business-related intuitive frameworks changed throughout the 13 weeks. In particular, we contemplated the adjustment in four gatherings of practices—execute, advance, grow and connect with—which we consider imperative for objective accomplishment. We analyzed the effect of client characteristics (energy, PC mastery) just as item properties (practical quality, epicurean quality). Staggered investigation (MLA) gave the methodological edge to the factual examination.

Since MLA is phenomenal in human– PC communication, we completely talk about it and clear up its points of interest over rehashed estimates investigation of change. Our investigation checked that time is an imperative indicator, affirming that UX (for example, specific objective accomplishment related practices and the impression of item qualities) changes after some time.

The example of progress varied among members as far as rate and heading of progress, and those distinctions even expanded through the span of our examination. Item properties affected change extensively, while fun-loving nature affected connecting with conduct as in progressively fun-loving members lost intrigue considerably quicker.

Experience the board alludes to the catch, organizing, examination, union, and reuse of an association’s involvement as reports, plans, formats, forms, information, and so on. The issue of overseeing knowledge successfully is not one of a kind for programming advancement, yet the field of programming, designing has had an abnormal state path to compromise with this problem for quite a while. The Experience Factory is a hierarchical foundation whose objective is to create, store, and reuse encounters picked up in a product improvement association. This paper portrays The Q-Labs Experience Management System (Q-Labs EMS), which depends on the Experience Factory idea and was created for use in a worldwide programming building consultancy. A basic part of the Q-Labs EMS venture is its accentuation on observational assessment as a noteworthy driver of its improvement and development. The underlying model necessities were grounded in the authoritative needs and vision of Q-Labs, similar to the objectives and assessment criteria later used to assess the model. In any case, information model, and UI were intended to advance, in view of developing client needs. This paper portrays this methodology, including the assessment that was led to the underlying model and its suggestions for the further improvement of frameworks to help to program background the executives.

Projective strategies are utilized in brain science and purchaser’s research to give data about people’s inspirations, considerations, and sentiments. This paper surveys the utilization of projective procedures in advertising exploration and client experience (UX) examine and talks about their potential job in getting clients, Cod. 10303 | Sectorial economy | 5312.09 Mining

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their necessities and values, and assessing UX in pragmatic item improvement settings. A projective procedure called sentence culmination is assessed through three contextual investigations.

Sentence fruition produces subjective information about client’s perspectives in an organized structure. The outcomes are less tedious to examine than meeting results. Contrasted and quantitative strategies, for example, the outcomes are additional tedious to break down, however, more data is recovered on negative sentiments. The outcomes demonstrate that sentence consummation is helpful in understanding clients’ observations and that the procedure can be utilized to supplement different techniques. Sentence consummation can likewise utilize to achieve more extensive client gatherings.

Multifaceted validation includes the utilization mode in confirmation forms, and is ordinarily utilized to expand security contrasted with a fixed secret key (learning based mode). This exploration looked at three changed eBanking verification forms, a two-layer secret phrase (1-factor) technique and two elective 2-factor arrangements. The two manufacturing plant forms utilized One-Time-Pass codes (OTPs) conveyed either by means of a little, single-use gadget or by instant message to a cell phone. The three validation techniques were contrasted in a rehashed measure, test, and 141 members. Three client bunches were adjusted in the examination to explore the impact of understanding (current clients of the administration) on view of ease of use and security.

Dispositions toward calm of adoption and perceptions were taken for each procedure. Other information assembled quality appraisals, inclinations and positioned examinations with respect to accommodation and security issues. Both 2-factor techniques scored fundamentally larger than the 1-factor strategy for eBanking verification the convenience measurements, generally speaking, however experienced clients gave higher scores to the 1-factor technique they use right now. In general, inclinations were spread uniformly between the three techniques. Nonetheless, most of the member test apparent the 1-factor strategy they had most involvement with, similar to the most secure and most helpful alternative.

The outcomes offer knowledge into client frames of mind essential in their choice of confirmation choices: comfort, individual proprietorship and constant experience of the procedures.

While designing UX model, the info about gadget for clients to speak with PCs, have to consider that end-clients must think about the usage of the gadget to be viable, proficient and agreeable. Clients whose desires are neglected by the interface will in general desert it. Research work presents a dream based interface for engine disabled clients; a multidisciplinary assemble built up this interface. The client’s inclinations are a basic issue while choosing an entrance gadget; in this way, client necessities ought to be integrated the structure. Ease of use assessment ought to be coordinated into applicable periods of programming improvement.

So as to assess the plan, we present a procedure with numerous client learns at various advanced stages. We depict the mix of an improvement undertaking and its usage, with client experience contemplations inserted all the while. At last, we considered the execution of the interface through a few tests, considering fulfillment and exhaustion. From our outcomes we saw that, albeit a few clients found the interface, tiring, their fulfillment level was empowering, recommending the interface is usable.

3. PROPOSED METHODOLOGY

The proposed research work consists of particular dataset as an input of UX design and the extraction process focuses on interDyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 189-194 | ISSN-L: 0012-7361 | 191

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facing Google analytics through the respective web stores. Google analytics helps to understand the behavior component groups of user’s struggle. Presented cumulative prospect theories in which user involvement is perceived from the perspective of strategy procedure of two various model images. Investigate the affective states on user experience dataset evaluation through affective characteristics involved in user experience design. The multiple data sets of uncertainties and improve a hierarchical database Prior Probability and Posterior Probability are described. The Advanced Markov Chain Monte Carlo technique is used for characteristics evaluation. A result concludes impacts by mapping its parameters in the perceived user experience function. Concentrate on the central tendency of the data, idiosyncratic user experience models can be built in the estimation process. A typical weighting function in Cumulative Prospect Theory. It transforms objective cumulative probabilities into subjective cumulative probabilities.

The block diagram of proposed UX model is designed using machine learning and MCMC methods, which is given in the figure 1.

Where, 𝑎kl* is the attribute level s of { kl*}Lk, here, k is the design attributes and L is the level of attributes. The Kref is the attribute based cumulative prospect theory evaluation by combining reference attributes on the Bayesian function. Lk is the total number of levels in the design attributes with limits of 1 to 𝜆. The weighting function of UX design is given by, (2) Here, the s is a s- shaped weighting function, which takes two different parameter (𝛾 and 𝛿) for UX domain. The Maximum likelihood estimation is to determine the parameters, 𝜃 ̂ = {𝛼̂ ,̂ ,𝜆 ̂ , 𝛾̂ ,𝛿 ̂ } =argmax 𝐿(𝜃 )

(3)

Where, 𝛼̂ is Power of gain function 𝛽 ̂ is Power of loss estimation 𝜆 ̂ is loss aversion 𝛾̂ is a probability of weighting parameter of gain 𝛿 ̂ is a probability of weighting parameter of losses These parameter’s outcomes are based on the cumulative prospect theory. Here we also define the likelihood function (), (4) Where 𝑑 represents the i-th decision making result and we can also obtain the logarithmic function of maximum likelihood estimations.

Figure 1. Proposed UX design using Bayesian Estimation of MCMC techniques

The proposed two hypotheses potential influence on decisionmaking based on user experience is that, UX-1: When the decision maker is pleasant and motivated, he or she is likely to be more risk seeking and tend to be more sensitive to positive user experiences and is likely to be more risk-averse and tend to be more sensitive to negative user experience. When the decision maker is in a neutral state; UX-2: When the decision maker is worried and fearful, he or she would be likely to be more risk-averse and less sensitive to positive user experience and prone to be more risk-seeking and less sensitive to negative user experience than when the decision maker is neutral.

3.1. HIERARCHICAL BAYESIAN ESTIMATION In many cases, the parameters are connected to each other with meaningful functions. The Bayesian reasoning functions have reallocation credibility over the possibility of new datasets. Here the decision maker selects the possibility function of probability A if it is 1, the data generates the decision regarding dataset.

Otherwise Possibility function of probability B is activated to repeat the process.

(1) Where, 𝜂j represent the parameter sensitivity and Qij represent Bernoulli function. The i and j are the probability indices on the cumulative prospect theory. PA and PB represents the possibility of A and B value and PA and PB are the probability function of possibility selection on A and B. The cumulative prospect theory is formed as, 𝑣 k= (𝑎kl* )= {(𝑎kl* − 𝑎kl* ,K𝑟𝑒𝑓),𝑎kl*− 𝑎kl* ,K𝑟𝑒𝑓 ≥ 0 =(𝑎kl* K𝑟𝑒𝑓 − 𝑎kl*) , 𝑎kl* − 𝑎kl* ,K𝑟𝑒𝑓 < 0,}

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∑ Mi=1 log ((𝑑j ; 𝜃j ))

(5)

Figure 2. Hierarchical Bayesian function representation

The process function of Bayesian function is given in the figure3. The parameter j decision maker contains the function of 𝜂, 𝛼, 𝛽, 𝜆, 𝛿, and 𝛾. If the mode is hierarchical, the probability of one parameter is to depend on the value of another parameter. The Bayesian distribution function is, p( θ| XM ) = p(XM | θ)p(θ) p(XM )

(6) (7)

where p(θ) is the prior density The MAP estimation is the value of θ, that maximizes the posterior density: (8) Cod. 10303 | Sectorial economy | 5312.09 Mining

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3.2. ADVANCED MCMC FOR PARAMETER ESTIMATION The GIBBS sampling theorem is used for estimation of Metropolis algorithm. The Metropolis Hasting Algorithm initializes the ‘n’ number of hasting parameters and based on number of samples the jth decision maker selects the coordinates.

(9) The prior distribution functions are updated by decision-making data of posterior function. Affective shaping does the estimation of Cumulative prospect theory.

Figure 5. Page return level estimation in Advanced MCMC

(10) The decision weighting functions are defined as, From the equatiom (10), If ∏-1 = w(p1), ∏-1 = w- (p1 +p2+….+pi) –w- (p1+p2+…….+pi-1) If ∏+1 = w(pn), ∏+n = w+ (pi+….+pn) –w+ (pi+1+…….+pn)

(11) (12)

By the use of cumulative prospect theory, we can obtain the UX model. The user tends to think the possibility of outcomes which relates to the certain reference point by the final status of outcomes the framing effect phenomena is modeled and it is based on predecessor prospect theory.

4. RESULTS AND DISCUSSION

Thus, the design of UX model is used to estimate the affective graph by using novel techniques. The dataset of Google analytic page is collected to form the statistical data to perform the user experience model. the statistical data is shown in fig3. Here it performed with the kernel based naïve bayes classifier and advanced MCMC technique. The Ml algorithm utilizes the opinion mining

Figure 3. Statistical data from Google analytics

Figure 4. Simulated result of kernel based naïve bayes classifier Cod. 10303 | Sectorial economy | 5312.09 Mining

Figure 6. Pages return level versus page return period

for classification, which obtains the result user’s feedback either it is positive or negative. In the kernel based naïve bayes classifier, predicted classes form the confusion matrix, which is shown in the fig4.

The training data is selected randomly to process with the statistical features. The labeled class value is predicted by input vector, which assigns from the classifier. The confusion matrix formed based on the true positive, true negative, false positive and false negative values, which determines the accuracy of the classifier. In A-MCMC technique, the statistical data is analyzed to provide the results as below. The page return level versus density is estimated for 50 pages of data, which is given in the figure 5.

The web page evaluation is performed by proposed UX design and it optimized with the advanced MCMC technique. Number of customer to visit the website and its page return level is shown in the fig6. Here the prospect theory is applied to perform the posterior distribution function. Prior and posterior distribution is performed to evaluate the user experience data. The statistical data analyzed with the report of behavior, web page details, user’s feedback, page visitors, etc. in this the A-MCMC calculates the probability to perform posterior distribution function. A page with maximum users is measured to find the most likely web page. The statistical data from the Google analytic report is evaluated to improve the product through UX design. The minimum page value is taken to improve the product/page through feedback from the user.

The UX evaluated report of statistical data is shown in figure 7.

In this proposed research work, the UX design model is constructed with the kernel based naïve bayes classifier and advanced MCMC technique. The web page evaluation is done along with the use of cumulative prospect theory. Here the naïve bayes classification provides the 65% of accuracy for this proposed method. The previous work only analyzed with the MCMC since it not providing accurate result since the proposed method achieves the result classification accuracy. The comparison result of proposed and existing work is given in the table 1. Behavior flow rate, scaling Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 189-194 | ISSN-L: 0012-7361 | 193

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Figure 7. Web page evaluated report

factor, website visitor and most likely product’s rates are evaluated to improve the web page/product.

The accuracy of various existing works like SVM, random forest, fuzzy based sentiment analysis is performed; the comparison shows the better performance of proposed work. Accuracy result of comparison is shown in table 2. Thus, the proposed result of UX design estimation is done with the help of MATLAB 2018a. Here the statistical data is used to analyze the performance of the webpage, which improves the page through feedback of user and it is evaluated by UX design. The computation time of proposed method is 4.566seconds, which reduces than the existing work. The ML algorithm and MCMC method improves the performance of the proposed UX design. Here the affective graph models provided the gain and loss of the product, which is obtained through MCMC approach. Therefore, the machine learning and MCMC based UX design model gives the best result than the existing work.

Parameter Rate of customer flow Scaling factor % of same website used % of most preferable brand Elapsed time (sec) Computation time (SVM classifier) Table 1. Comparison results

Existing work 0.351 0.4493 2.5718 0.66 5.221 7.1sec

Methods SVM based opinion mining Fuzzy for ontology based sentiment analysis Random forest for lexicon based sentiment analysis Proposed work

Proposed work 0.904 0.0754 1.579 0.73 4.566 4.566sec

Accuracy 44% 61% 55% 65%

Table 2. Comparison of Accuracy

5. CONCLUSION AND FUTURE SCOPE

Thus, it concludes that quantitative information is progressively turning into a key fixing in ease of use and client experience work. With this change comes the requirement for User experience experts to get comfortable with the language and devices and figure out which measurements and highlights are helpful in User experience practice. Adding examination to User experience work empowers us to: • Take an early activity to anticipate superfluous change diminishes • Quickly demonstrate / invalidate causation / relationship hypotheses • Better induce the more information situated partners in our associations Learning investigation frameworks can be overwhelming because they are overwhelming and have been reason worked for showcasing exercises, not User experience. The learning procedure can be improved by beginning with existing user experience forms 194 | ISSN-L: 0012-7361 | 189-194 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

and figuring out where measurements can include an incentive in those procedures. In the past, what is secured here and there is a lot more investigation, measurements that can be joined into user experience research and configuration forms. Therefore, this proposed work provides the flexibility and comprehensiveness needed to explain the decision-making behavior in user experience design. In future work, the UX design model describes with novelty Markov Chain Monte Carlo technique and efficient analysis for the UX behavior for new product executor/manufacturer. The parameter of cumulative prospect theory is verified for a different aspect.

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Estudio de la influencia de la adición de fibras en la rotura en modo II de materiales cuasifrágiles Fernando Suárez, Luis Felipe-Sesé, Francisco-José Castilla-Gonzalo y Francisco Díaz-Garrido

artículo de investigación / research articlennnn

Estudio de la influencia de la adición de fibras en la rotura en modo II de materiales cuasifrágiles Study of the effect of fibre addition on mode II fracture of quasi-brittle materials nnnn

Fernando Suárez1, Luis Felipe-Sesé1, Francisco-José Castilla-Gonzalo1 y Francisco Díaz-Garrido2 1 Universidad de Jaén. Dpto. de Ingeniería Mecánica y Minera. Campus Científico-Tecnológico. Avda. de la Universidad, s/n - 23700 Linares, Jaén (España).

2 Universidad de Jaén. Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera. Campus De Las Lagunillas, s/n – 23071 Jaén (España).

DOI: https://doi.org/10.6036/10161 | Recibido: 31/mar/2021 • Inicio Evaluación: 24/may/2021 • Aceptado: 02/ago/2021 To cite this article: SUÁREZ, Fernando; FELIPE-SESÉ, Luis; CASTILLA-GONZALO, Francisco-José; DÍAZ-GARRIDO, Francisco. STUDY OF THE EFFECT OF FIBRE ADDITION ON MODE II FRACTURE OF QUASI-BRITTLE MATERIALS. DYNA, March-April 2022, vol. 97, no 2, p. 195-202. DOI: https://dx.doi.org/10.6036/10161

FINANCIACIÓN Estudio financiado por la Universidad de Jaén a través de la acción 1 de su Plan de Apoyo a la Transferencia del Conocimiento, el Emprendimiento y la Empleabilidad.

ABSTRACT • F racture of quasi-brittle materials, such as concrete or gypsum, has been studied for decades. These studies have given light on the fracture mechanisms as well as on the parameters that drive these processes, allowing producing numerical models that reproduce fracture using tools such as the Finite Element Analysis. On another note, the three possible Modes of fracture that can be identified in the field of Fracture Mechanics, Mode I is very well known, experimentally reproduced and used as the base for most numerical models. Nevertheless, in some cases fracture takes place as a combination of a stress state that induces a fracture mechanism where Modes I and II are involved. In this sense, Mode II fracture has been studied less often, partly because Mode I fracture is more usual, but also because reproducing Mode II experimentally is quite more complex. This study is focused on inducing Mode II fracture on fibre-reinforced gypsum specimens by using two different experimental tests. More specifically, the experimental test proposed by the Japanese standards JSCE and the push-off test are employed. The displacement field is obtained by means of the digital image correlation technique (DIC), which helps to understand how fibres modify the fracture mechanisms of the gypsum matrix when this takes place under Mode II conditions.

• Keywords: Fibre-reinforced gypsum, Mode II fracture, Push-off test, Shear test, Digital image correlation.

RESUMEN

La rotura de materiales cuasifrágiles, tales como el hormigón o el yeso, ha sido objeto de estudio desde hace décadas. Estos estudios han ampliado el conocimiento de los mecanismos de rotura así como de los parámetros que gobiernan este fenómeno y han permitido proponer modelos numéricos que lo reproducen mediante herramientas tales como el método de los elementos finitos. Por otro lado, de los tres posibles Modos de rotura que se diferencian a la hora de analizar problemas de Mecánica de la Fractura, el Modo I es sin duda el mejor conocido, reproducido experimentalmente y empleado como base para los modelos Cod. 10161 | Tecnología de materiales | 3312.03 Materiales cerámicos

numéricos. No obstante, existen situaciones en las que la rotura es el resultado de un estado de tensiones que moviliza un mecanismo en el que participan los Modos I y II simultáneamente.

A este respecto, la rotura en Modo II ha sido estudiada con menos profundidad, en parte porque las roturas en Modo I son más habituales, pero también porque su reproducción experimental y, por tanto, su estudio, resulta más complejo. En este estudio se presentan resultados experimentales de ensayos que movilizan la rotura en Modo II en probetas de yeso adicionadas con fibras de refuerzo. En concreto se emplean el ensayo de cortante definido por la norma japonesa JSCE y el ensayo de push-off. El campo de desplazamientos se obtiene empleando la técnica de correlación digital de imágenes (DIC), lo cual ayuda a entender cómo las fibras modifican los mecanismos de rotura de la matriz cuando ésta se produce en condiciones de Modo II. Palabras clave: Yeso reforzado con fibras, Fractura en modo II, Test de Push-off, Test de cortante, Correlación digital de imágenes.

1. INTRODUCCIÓN 1.1. EL REFUERZO DE MATRICES CUASIFRÁGILES MEDIANTE ADICIÓN DE FIBRAS El uso de fibras como adición de refuerzo en materiales de construcción ha experimentado un gran impulso en los últimos años. El caso del hormigón es, probablemente, el caso más significativo, pues la utilización de fibras ha comenzado contemplarse recientemente tanto en códigos nacionales —Italia y España [1-2] — como internacionales — fib Model Code 2010 [3] —, regulando su uso y aplicación a nivel de proyecto, lo que ha potenciado enormemente su utilización. Los beneficios de añadir fibras en matrices cuasifrágiles son bien conocidos y, en el campo de los materiales de construcción, ha permitido desarrollar el hormigón reforzado con fibras (HRF), que se usa en ciertas aplicaciones, tales como los recubrimientos interiores de túneles empleados durante el proceso de excavación, elementos prefabricados sometidos a condiciones de carga temporales durante su almacenamiento y transporte y suelos con alta durabilidad frente a efectos de retracción del hormigón.

En los últimos años han aparecido en el mercado nuevas fibras poliméricas para el refuerzo del hormigón. Estas fibras han demostrado proporcionar capacidad estructural sin adolecer de importanDyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 195-202 | ISSN-L: 0012-7361 | 195

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tes inconvenientes de las fibras de acero, tales como la corrosión o problemas derivados de la capacidad del acero para transmitir electricidad (que puede resultar problemático en ciertos elementos prefabricados, como las traviesas prefabricadas de hormigón pretensado para ferrocarril). En los últimos años, ciertas macrofibras poliméricas han demostrado proporcionar muy buenas capacidades resistentes en hormigón convencional vibrado y hormigón autocompactante [4], así como mezclado con fibras de acero [5]. Estas fibras están comenzando a ser utilizadas en aplicaciones reales como refuerzo estructural [6,7]. Los principales mecanismos que garantizan su correcto comportamiento están bien identificados, siendo la longitud de las fibras y las propiedades mecánicas del polímero con el que están fabricadas las más relevantes [8].

1.2. EL YESO REFORZADO CON FIBRAS El yeso es el material de construcción más ampliamente utilizado como revestimiento interior en edificios debido, entre otros motivos, a su bajo coste, fácil manipulación, amplia tradición en su puesta en obra, diferentes niveles de acabado y a las buenas condiciones de habitabilidad que proporciona. Asimismo, la industria del yeso ha evolucionado, encontrando nuevas aplicaciones y productos, como los paneles reforzados con fibra de celulosa o los paneles de yeso laminado (PYL). Esto ha permitido ampliar el uso de este material en el sector de la construcción. No obstante, no se han observado recientemente grandes desarrollos e innovaciones en los productos y aplicaciones prácticas del yeso en el mercado.

Existen estudios sobre las propiedades mecánicas del yeso reforzado con fibras (YRF) como los de García-Santos [9], que analizan las propiedades mecánicas de las mezclas empleando diversos tipos de fibras poliméricas. Estos estudios, además de ser antiguos (más de 30 años), no incluyen información de las propiedades de fractura. Recientemente, se observa interés en emplear ciertas fibras naturales, como el lino o el cáñamo, que mejoran las propiedades mecánicas, acústicas y térmicas del yeso a la vez que suponen una solución respetuosa con el medioambiente [10,11].

Algunos estudios analizan el refuerzo de fibras poliméricas en matrices de yeso [12], incluso adicionando filler de grafito [13,14], comprobando cómo estas adiciones afectan no sólo a su comportamiento mecánico, sino también a otras propiedades físicas, como el aislamiento térmico.

En general, cuando se estudian las propiedades mecánicas del YRF, los ensayos mecánicos suelen estar limitados a determinar la resistencia a compresión, el módulo de elasticidad y la resistencia a flexión. No obstante, la energía de fractura absorbida por el material antes de perder completamente su capacidad resistente es de gran importancia en algunos casos, como en situaciones bajo acciones sísmicas, ciertos movimientos estructurales (asientos diferenciales, retracciones térmicas, etc…) o protecciones estructurales frente al impacto. En estas situaciones, conocer y modificar la energía que un material puede absorber antes de su rotura catastrófica, es de esencial importancia de cara a diseñar estrategias encaminadas a la seguridad estructural, a disminuir las pérdidas económicas materiales en eventos de este tipo e incluso a mitigar la alarma social que produce la aparición de fisuras o grietas en particiones y cerramientos de edificios. En este sentido, es precisamente la energía de fractura una de las propiedades que se ven notablemente mejoradas con la adición de fibras en las mezclas de yeso [15].

1.3. MODOS DE ROTURA I Y II La fractura en materiales cuasifrágiles ha sido objeto de estudio durante las últimas décadas, lo que ha permitido conocer con gran detalle los mecanismos involucrados. En este sentido, 196 | ISSN-L: 0012-7361 | 195-202 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

se distinguen tres modos de rotura: el Modo I, correspondiente a una apertura de fisura perpendicular a la dirección de la fisura y que está relacionado con las tensiones normales a la misma, el Modo II, correspondiente a un desplazamiento de los labios de fisura paralelo a la fisura y que está relacionado con las tensiones tangenciales, paralelas a la misma, y el Modo III, correspondiente a un desplazamiento de los labios de fisura fuera del plano del elemento fisurado.

Existen en la literatura un gran número de estudios centrados en la rotura en Modo I, probablemente por ser la más habitual en este tipo de materiales. Fruto de estos estudios, se han desarrollado una gran variedad de modelos numéricos que permiten reproducir la rotura en estos materiales, destacando los modelos de fisura cohesiva [16,17], que se caracterizan por una notable sencillez en su formulación y una respuesta numérica que permite reproducir con bastante precisión estos fenómenos.

También se han desarrollado modelos de rotura para materiales reforzados con fibras. En este sentido, el Modo I de fractura (debido a esfuerzos de tracción o flexotracción) se ha reproducido con éxito en hormigón reforzado con diferentes tipos de fibras, tales como las de vidrio, acero y poliolefina [18,19]. En estos casos, la teoría clásica de la fisura cohesiva, propuesta por Hillerborg et al. [20] ha demostrado ser muy adecuada si la curva de ablandamiento se modifica para su adecuación al comportamiento del hormigón reforzado con fibras. Las curvas de ablandamiento (strain softening) habituales cuando se estudia la fractura del hormigón son lineales, bilineales o exponenciales, pero cuando se desea reproducir el comportamiento del hormigón reforzado con fibras, adoptar una función trilineal permite reproducir su comportamiento de una manera razonablemente aproximada.

La mayor parte del trabajo numérico desarrollado basa su formulación en los mecanismos de rotura en Modo I, encontrándose un número menor de modelos que contemplen la rotura en Modo II. Esto es debido, en parte, porque el Modo I es el que más fácilmente se moviliza en este tipo de materiales, pero también porque su análisis es más sencillo. El análisis de la rotura en Modo II plantea dificultades por dos motivos, por un lado, movilizar el Modo II a menudo no resulta fácil y, por otro lado, una vez se moviliza una rotura en la que participa el Modo II, resulta complicado asegurar que ésta se produzca puramente debido a un Modo II, sin intervención de modos adicionales.

El objetivo del estudio que aquí se presenta es profundizar en los mecanismos de rotura movilizados cuando se somete a una probeta de un material cuasifrágil reforzado con fibras a un estado de cortante puro. Para ello se emplean probetas de yeso reforzados con microfibras de polipropileno y se realizan ensayos de push-off y ensayos de cizalladura según la normativa japonesa JSCE [21]. El primero de los ensayos mencionados ha sido seleccionado por estar siendo empleado con éxito en recientes ensayos que estudian la cizalladura en hormigón reforzado con fibras [22] y el segundo por tener un procedimiento estandarizado para estudiar estos mecanismos de rotura.

2. DISEÑO DEL ESTUDIO

En este estudio se ha analizado la rotura en Modo II empleando dos ensayos experimentales, uno denominado push-off, que está últimamente empleándose con éxito para analizar la rotura por cizalladura en hormigón reforzado con fibras de poliolefina, y otro, al que se denominará en lo que sigue ensayo JSCE, que tiene la ventaja de estar normalizado por la Sociedad Japonesa de Ingenieros Civiles.

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Estudio de la influencia de la adición de fibras en la rotura en modo II de materiales cuasifrágiles Fernando Suárez, Luis Felipe-Sesé, Francisco-José Castilla-Gonzalo y Francisco Díaz-Garrido

A continuación se describen brevemente los ensayos y se justifica el estudio experimental que se describe más adelante.

2.1. ENSAYO DE PUSH-OFF La Figura 1(a) muestra un esquema de este ensayo. Se somete a una probeta en forma de Z a una compresión uniaxial, el ligamento vertical que une la mitad superior con la inferior es un rectángulo vertical sometido a fuertes tensiones de cizalladura.

Este ensayo, tal y como demuestran las experiencias de Picazo et al. [22], es muy sensible a posibles desalineamientos de la carga o ligeros cabeceos de la probeta bajo la carga impuesta, es por ello que resulta fundamental una precisa alineación de la carga y el ligamento cuya rotura por cizalladura se desea provocar. Asimismo, el apoyo superior que experimenta la carga vertical debe garantizar una libertad de giro que evite una introducción de momentos que induzcan una mayor compresión en unas caras de la probeta que en otras. A este efecto, se ha materializado el punto superior con una unión con doble cilindro. La geometría de esta probeta fue definida tras diversos tanteos iniciales hasta lograr una rotura en el ligamento cizallado que se desea estudiar.

2.2. ENSAYO JSCE La Figura 1(b) muestra esquemáticamente la configuración de este ensayo. Se emplea una probeta prismática doblemente entallada en dos secciones y se apoya en dos puntos en su cara inferior y dos puntos en su cara superior, aplicando una carga perpendicular a la probeta en dos puntos centrales sobre su cara superior, tal y como muestra la figura. De esta manera se somete a la probeta a fuertes esfuerzos de cizalladura en las secciones entalladas. Los apoyos inferiores y los superiores exteriores impiden la rotación de la probeta, garantizando un esfuerzo de cortante sin colaboración de momentos flectores no deseados.

3. TRABAJO EXPERIMENTAL En este apartado se describe el trabajo experimental. En primer lugar se presentan los materiales y mezclas empleadas, a continuación de detalla la geometría de las probetas utilizadas en cada ensayo, posteriormente se describe brevemente la técnica de correlación digital de imágenes y, finalmente, los montajes experimentales.

(a) Esquema y dimensiones del ensayo

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3.1. MATERIALES Y MEZCLAS 3.1.1. Yeso El yeso empleado es una escayola E-35 (A1) del fabricante Escayescos. Es un yeso de alta calidad con grano muy fino y de una pureza mayor del 90% que está compuesto por sulfato cálcico semihidratado (CaSO4 · 0.5 H2O), con una resistencia a compresión ≥3.5 N/mm2.

3.1.2. Fibras El refuerzo consiste en microfibras monofilamento de polipropileno que presentan una longitud de 12 mm. y un diámetro de 31 μm. Están fabricadas por Sika bajo la denominación Sikafiber M-12, son de color blanco y su aspecto se muestra en la Figura 2.

3.1.3. Mezclas Se ensayaron dos tipos de mezclas para ambos tipos de ensayos: yeso sin refuerzo y yeso con un refuerzo de fibras en una proporción de 10 kg/m3. En la Figura 2 se muestra la composición de cada mezcla, especificando la proporción agua/yeso (a/y), que se obtuvo mediante el método de amasado a saturación descrito en la norma UNE-EN 13279-2 [23], así como el porcentaje de fibras adicionado.

Figura 2: Fibras de polipropileno empleadas como refuerzo y detalle de los extremos de las fibras y proporción de fibras empleada en cada mezcla

(b) Esquema del ensayo de cizalladura descrito en la norma japonesa [21]

Figura 1: Esquemas de los ensayos empleados en este trabajo Cod. 10161 | Tecnología de materiales | 3312.03 Materiales cerámicos

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(a) Aspecto general del montaje

(c) Aspecto general del montaje

(b) Detalle del refuerzo exterior

(d) Colocación de la cámara para uso de DIC

Figura 3: Fotografías del montaje experimental del ensayo de push-off (imágenes (a) y (b)) y fotografías del montaje experimental del ensayo japonés (imágenes (c) y (d))

Todas las mezclas se realizaron siguiendo el procedimiento indicado en la norma UNE-EN 13279-2 [23], aunque para la mezcla A10 se empleó una leve modificación del mismo que ya se ha empleado en estudios anteriores [15, 24], en el que se añaden las fibras en los últimos 20 segundos del amasado manual inicial.

3.2. PROBETAS Ensayos de push-off Para el ensayo de push-off se emplean probetas con un espesor de 4 cm., cuya geometría se muestra en la Figura 1(a). Con esta geometría se define un ligamento expuesto a la solicitación de cortante que consiste en un rectángulo de 14 mm x 40 mm. Esta geometría quedó definida tras unas pruebas iniciales en las que, empleando un ligamento mayor se observaba un ensayo fallido, ya que en lugar de producirse una rotura en dicho ligamento se producía una penetración de los apoyos superior e inferior en el material, impidiendo la rotura en el ligamento medio.

Ensayo japonés Para realizar el ensayo japonés se emplearon probetas prismáticas de 160 mm x 40 mm x 40 mm con cuatro entallas de 8 mm, tal y como muestra el esquema de la Figura 1. Esta configuración define dos ligamentos sanos de 24 mm x 40 mm, uno a cada lado del bloque central en que queda dividida la probeta.

3.3. CORRELACIÓN DIGITAL DE IMÁGENES Para observar la evolución de las deformaciones lineales y angulares en las regiones donde se produce la rotura en cada ensayo 198 | ISSN-L: 0012-7361 | 195-202 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

se empleó un sistema de correlación de imágenes, o DIC. Mediante la comparación de las imágenes adquiridas durante el ensayo con la imagen inicial de referencia, esta técnica proporciona el campo de desplazamientos en toda la superficie analizada, que permite operar el campo de deformaciones asociado [25]. La superficie de las probetas debe estar marcada para que el software de análisis de imágenes sea capaz de identificar los puntos de la imagen de la probeta deformada con los de la imagen de referencia. En este estudio las probetas se marcaron aplicando un espray negro sobre las superficies a analizar, obteniendo un patrón aleatorio fácilmente identificable por el programa de análisis.

Las capturas se realizaron con una cámara Allied Stingray F080C, con una resolución de 1032 x 766 píxeles y las imágenes se procesaron empleando el software Ncorr [26].

3.4. MONTAJES EXPERIMENTALES Ambos ensayos se realizaron con una máquina universal de ensayo bicolumna de la casa Instron, perteneciente a la serie 5960, con una célula de carga de 30 kN, con una exactitud de medición de carga del ±0.5% de lectura hasta 1/500 de la capacidad de la célula.

Ensayos de push-off Las imágenes superiores de la Figura 3 muestran el montaje experimental de este ensayo. La probeta se reforzó con unas chapas metálicas fijadas con gatos mecánicos, tal y como muestra la Figura 3(b) para evitar efectos espurios provocados por daños locales no relacionados con la rotura por cortante. En otros estudios realizados sobre probetas de hormigón reforzado con fibras Cod. 10161 | Tecnología de materiales | 3312.03 Materiales cerámicos

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plásticas, estos problemas se solventaban pegando láminas de fibra de carbono sobre la probeta [22], pero en este caso, el refuerzo mostrado en la figura ha demostrado ser suficiente, con el beneficio añadido de facilitar el montaje del ensayo para cada una de las probetas. Para garantizar la alineación del ligamento con la carga se empleó un nivel láser autonivelante, tal y como se puede observar en la Figura 3(a).

La aplicación de la carga se realizó mediante un desplazamiento del bastidor superior de 5 mm. a una velocidad de 0.1 mm/min y la frecuencia de la adquisición de imágenes para su posterior procesado con DIC fue de una cada 5 segundos.

Ensayo japonés Para realizar este ensayos fue necesario diseñar y fabricar unas piezas de acero que permitiese ejecutar el ensayo tal y como se describe en el esquema de la Figura 1; el montaje de este ensayo puede observarse en las imágenes inferiores de la Figura 3.

Para garantizar una aplicación perfectamente centrada de la carga, así como para evitar posibles problemas de esfuerzos torsores inducidos por una falta de paralelismo entre los ejes de apoyo de las piezas inferiores y los de las piezas superiores, la conexión entre el bastidor superior de la máquina universal y la pieza central del dispositivo se materializó con un apoyo de bola.

La aplicación de la carga se realizó imponiendo un desplazamiento del bastidor superior de 0.25 mm/min hasta completar un desplazamiento total de 3 mm. y la toma de imágenes para su procesado con DIC se realizó con una frecuencia de una imagen cada 5 segundos.

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1. ENSAYO DE PUSH-OFF 4.1.1 Curvas carga-desplazamiento La Figura 4 muestra las curvas carga-desplazamiento obtenidas para los dos conjuntos de probetas analizados. En color rojo se muestran los resultados de las probetas sin refuerzo de fibras (serie 0) y en color azul las reforzadas con una proporción de 10 kg/m3 de fibras de polipropileno (serie A10); las líneas de diferentes trazos empleadas identifican cada una de las tres probetas de cada grupo.

Atendiendo exclusivamente a estas curvas, más allá de la dispersión experimental, por otro lado habitual en este tipo de mate-

(a) Probeta 1 de la serie 0

Figura 4: Curvas carga-desplazamiento de los ensayos de push-off

riales, se observa que la adición de fibras tiene tres efectos sobre el comportamiento del material en este ensayo: • Leve incremento del módulo elástico del material, reflejado en una mayor relación carga-desplazamiento en el tramo elástico inicial.

• Incremento de la carga pico; el refuerzo parece inducir un cierto confinamiento del material, permitiendo soportar una mayor carga límite y retrasando el momento de la rotura.

•C apacidad resistente tras la carga pico. Mientras que en las probetas sin refuerzo, la capacidad resistente es nula una vez alcanzada la carga pico, en las probetas reforzadas se observa una cierta capacidad resistente tras alcanzar la carga máxima.

Analizando los resultados mostrados en la Figura 4, se observa que en el caso de las probetas de yeso no reforzado (serie 0) se observa una notable dispersión entre la probeta 1 y las otras dos.

Cabe reseñar esta diferencia, pues en el caso de la probeta 1, la rotura se produjo en el ligamento sometido al esfuerzo cortante (Figura 5(a)), mientras que en el caso de las otras dos probetas la rotura se produjo por un fallo en Modo I a una cierta distancia del ligamento (Figura 5(b)). Esto parece indicar que en el caso de la probeta 0_1 la rotura se produce por efecto del cortante puro (Modo II) inducido en el ligamento de unión de las dos mitades de la misma, mientras que en el caso de las probetas 0_2 y 0_3 parece que la rotura realmente se produce como consecuencia de un mecanismo de rotura en Modo I. En el caso de las probetas de la serie A10, reforzadas con fibras de polipropileno, las tres roturas presentaron un aspecto similar al que se muestra en la Figura 5(b), es decir, en estas probetas la rotura se produce realmente como consecuencia de un Modo I en las cercanías del ligamento.

(b) Probeta 2 de la serie 0

Figura 5: Aspecto de dos probetas de push-off de la serie 0 al final del ensayo. En rojo se señalan las fisuras Cod. 10161 | Tecnología de materiales | 3312.03 Materiales cerámicos

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(a) Probeta 1 de la serie 0

(b) Probeta 1 de la serie A10

Figura 6: Imágenes de campos de deformaciones horizontales (εxx) y angulares (εxy) justo antes y justo después de iniciarse la rotura en dos probetas representativas del ensayo de push-off

DIC

4.1.2. Análisis de los campos de deformaciones mediante

La Figura 6 muestra los campos de deformaciones obtenidos mediante correlación digital de imágenes para una probeta de cada serie. Para cada probeta se muestran los campos de deformaciones εxx y εxy, pues permiten identificar fácilmente la concentración de deformaciones angulares y la de deformaciones horizontales, asociada a la apertura en Modo I de las grietas provocadas por la rotura. En ambas probetas se muestran la pareja de campos de deformaciones en la imagen obtenida inmediatamente antes de la rotura (I) y la obtenida inmediatamente después (II).

Es interesante observar que en ambos casos, Figuras 6(a) y 6(b), inmediatamente antes de producirse la rotura hay una concentración de deformaciones angulares a lo largo del ligamento de unión entre ambas mitades de la probeta y una concentración de deformaciones horizontales en los bordes horizontales de las entallas.

En el caso de la probeta 1 de la serie 0 (Figura 6(a)) el mecanismo de cortante parece ser el que finalmente se desarrolla, mientras que en el caso de la probeta 1 de la serie A10 (Figura 6(b)) la rotura termina desarrollándose en Modo I en el borde horizontal de la entalla superior. Estos resultados parecen indicar que hay dos mecanismos de rotura que compiten entre sí y que, en el caso de la probeta 1 de la serie de yeso sin refuerzo mostrada se produce una rotura en Modo II mientras que en el caso de las probetas de la serie reforzada con fibras es el Modo I el que desencadena la rotura. Esto puede indicar que el refuerzo incrementa la resistencia del material frente a rotura por cizalladura, reforzándola frente a esta solicitación de manera más efectiva que frente a rotura en Modo I.

No obstante, la interpretación de las curvas es más complicada que en el caso de los ensayos de push-off. Si observamos los diagramas correspondientes a las probetas de la serie 0, a diferencia de los ensayos de push-off, las probetas no pierden por completo su capacidad resistente tras la carga pico. Esto es debido a que en este ensayo, una vez se desarrolla la rotura en uno de los dos ligamentos sometidos a cortante, el otro no llega a romper, provocando un cierto acodalamiento que impide una pérdida de carga repentina e, incluso, permite una recuperación de carga posterior.

En el caso de los diagramas correspondientes a las probetas reforzadas con fibras (curvas de color azul), se observan pérdidas de carga puntuales tras la carga pico inicial. Mientras la rotura del primer plano de rotura se produce en el último tramo de la curva previo a la carga pico, la pérdida de carga puntual post-pico identifican la rotura en el segundo plano de rotura. A diferencia de las probetas no reforzadas con fibras, en éstas el refuerzo permite recuperar capacidad resistente tras la fisuración del primer plano de rotura e incrementar la carga hasta provocar la rotura del segundo ligamento. Esto se observará con más claridad en los campos de deformaciones obtenidos con DIC que se muestran a continuación.

Al igual que en el caso de los ensayos de push-off, se observa un leve incremento de la carga pico en las probetas reforzadas con fibras, así como un comportamiento resistente tras la carga pico más destacado en éstas respecto a las probetas de yeso sin refuerzo de fibras.

4.2. ENSAYO JAPONÉS 4.2.1. Curvas carga-desplazamiento La Figura 7 muestra las curvas carga-desplazamiento obtenidas para los dos conjuntos de probetas analizados. El código de colores y trazos empleado es el mismo que el descrito para los ensayos de push-off.

Al igual que en el caso de los ensayos de push-off, se observa un leve incremento de la carga pico en las probetas reforzadas con fibras, así como un comportamiento resistente tras la carga pico más destacado en éstas respecto a las probetas de yeso sin refuerzo de fibras.

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Figura 7: Curvas carga-desplazamiento de los ensayos realizados según la norma japonesa [21] Cod. 10161 | Tecnología de materiales | 3312.03 Materiales cerámicos

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No obstante, la interpretación de las curvas es más complicada que en el caso de los ensayos de push-off. Si observamos los diagramas correspondientes a las probetas de la serie 0, a diferencia de los ensayos de push-off, las probetas no pierden por completo

(b) Probeta 1 de la serie 0

(c) Probeta 1 de la serie A10

Figura 8: Imágenes de campos de deformaciones horizontales (εxx) y angulares (εxy) justo antes y justo después de iniciarse la rotura en dos probetas representativas del ensayo japonés

su capacidad resistente tras la carga pico. Esto es debido a que en este ensayo, una vez se desarrolla la rotura en uno de los dos ligamentos sometidos a cortante, el otro no llega a romper, provocando un cierto acodalamiento que impide una pérdida de carga repentina e, incluso, permite una recuperación de carga posterior.

En el caso de los diagramas correspondientes a las probetas reforzadas con fibras (curvas de color azul), se observan pérdidas de carga puntuales tras la carga pico inicial. Mientras la rotura del primer plano de rotura se produce en el último tramo de la curva previo a la carga pico, la pérdida de carga puntual post-pico identifican la rotura en el segundo plano de rotura. A diferencia de las probetas no reforzadas con fibras, en éstas el refuerzo permite recuperar capacidad resistente tras la fisuración del primer plano de rotura e incrementar la carga hasta provocar la rotura del segundo ligamento. Esto se observará con más claridad en los campos de deformaciones obtenidos con DIC que se muestran a continuación.

4.2.2. Análisis de los campos de deformaciones mediante DIC En la Figura 8 se pueden observar los campos de deformaciones εxx y εxy en ciertos instantes del ensayo. En el caso de la probeta de la serie 0 sólo se produce una fisura en uno de los planos solicitados a cortante pues la ausencia de refuerzo no permite la recuperación de capacidad resistente en la zona dañada y, por tanto, el desarrollo de daño en el otro plano. En el caso de la probeta de la serie A10 se produce la rotura en ambos planos solicitados, pero no simultáneamente.

En el caso de la probeta de la serie 0 (Figura 8(a)), se analizan el instante inmediatamente previo a la aparición de la fisura (I) y el inmediatamente posterior (II), mientras que en el caso de la probeta de la serie A10 (Figura 8(b)), además se analiza el instante inmediatamente posterior a la aparición de la segunda fisura (III).

Es interesante observar cómo en ambas probetas se acumula la tensión tangencial a lo largo de los planos definidos por las entallas y con valores similares (obsérvense cuidadosamente los códigos de colores para apreciar esto). En el caso de la probeta sin fibras, una vez abierta la fisura, el resto del proceso de rotura Cod. 10161 | Tecnología de materiales | 3312.03 Materiales cerámicos

está condicionado por la apertura de esa grieta, sin dar lugar a una segunda fisuración. En el caso de la probeta reforzada con fibras, una vez se produce la primera fisura el refuerzo permite recuperar capacidad resistente en esa zona y la formación de una segunda fisura en el otro plano definido por las entallas.

5. CONCLUSIONES

En este trabajo se han ensayado dos mezclas de yeso, una sin refuerzo de fibras y otra reforzada con microfibras de polipropileno en una proporción de 10 kg/m³ empleando dos ensayos mecánicos para evaluar la resistencia a cortante y analizando la rotura mediante correlación digital de imágenes. Los resultados obtenidos permiten extraer algunas conclusiones que facilitan el empleo de estos ensayos y técnicas experimentales para posteriores estudios: • El empleo de la correlación digital de imágenes permite observar la concentración de deformaciones previa a la rotura y su evolución posterior. Esto permite identificar otros mecanismos de rotura que pueden entrar en competición con el de cortante, como se ha observado en los ensayos de push-off.

• En relación al ensayo de push-off: - El refuerzo con fibras no sólo induce un incremento en la carga pico, sino que proporciona una capacidad resistente tras la fisuración que no tiene el material sin refuerzo, lo cual tiene consecuencias de interés sobre la energía de fractura del material en Modo II. - Demuestra ser muy adecuado para estudiar el Modo II sin inteferencia de otros efectos, pues la rotura se produce únicamente en el ligamento central.

- La alineación del ligamento sometido a cortante con los puntos de aplicación de la carga debe ser muy cuidadosa, pero el uso de un nivel láser demuestra ser suficiente.

- En el caso del yeso y del yeso reforzado con fibras de polipropileno parece recomendable estudiar la posibilidad de reforzar ciertas zonas de la probeta para evitar la rotura en Modo I en torno al ligamento central.

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• E l relación al ensayo de cortante definido por la norma japonesa: - Se observa un incremento en la carga pico, así como en el valor posterior de la carga a lo largo del resto del ensayo, en las probetas reforzadas con fibras (serie A10) en relación con las de yeso sin refuerzo (serie 0).

- Este ensayo plantea dificultades en su ejecución, pues la alineación de las piezas de apoyo de la probeta ha de ser extremadamente cuidadosa para lograr un ensayo válido.

- La evaluación de la rotura en Modo II para el caso estudiado no resulta sencilla, pues, una vez desarrollada la rotura en un ligamento, la interpretación del ensayo es dificultosa.

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AGRADECIMIENTOS

Los autores desean agradecer la ayuda proporcionada mediante la acción 1 del Plan de Apoyo a la Transferencia del Conocimiento, el Emprendimiento y la Empleabilidad de la Universidad de Jaén, que ha permitido realizar los ensayos experimentales descritos.

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Bioplástico elaborado de cáscaras de naranja Julieta Domínguez-Soberanes, Pia Berger, Linda-Carolina Hernández-Lozano, Denise Ortega-Fraustro, María-Fernanda Macías-Ochoa y Crisdalith Cachutt-Alvarado

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Bioplástico elaborado de cáscaras de naranja Bioplastic made of orange peels nnnn

Julieta Domínguez-Soberanes1, Pia Berger*, 2, Linda-Carolina Hernández-Lozano1, Denise Ortega-Fraustro2, María-Fernanda Macías-Ochoa2 y Crisdalith Cachutt-Alvarado2 Universidad Panamericana. 1 Escuela de Dirección de Negocios Alimentarios y Villas Bonaterra - 20296 Aguascalientes (México).

2

Facultad de Ingenieria. Av. Josemaría Escrivá de Balaguer #101. Fracc.

DOI: https://doi.org/10.6036/10212 | Recibido: 05/may/2021 • Inicio Evaluación: 10/may/2021 • Aceptado: 07/oct/2021 To cite this article: DOMÍNGUEZ-SOBERANES, Julieta; BERGER, Pia; HERNÁNDEZ-LOZANO, Linda-Carolina; ORTEGA-FRAUSTRO, Denise; MACÍAS-OCHOA, María-Fernanda; CACHUTT-ALVARADO, Crisdalith. BIOPLASTIC MADE OF ORANGE PEELS. DYNA. March-Abril 2022, vol. 97, no. 2, p. 203-209. DOI: https://doi.org/10.6036/10212

FINANCIACIÓN Esta investigación fue patrocinada por la Universidad Panamericana, México a través del fondo “Fomento a la Investigación UP 2018”, bajo la clave UP-CI-2018-ING-AGS.

ABSTRACT • Plastics have prohibited its use in certain applications because of environmental issues. Therefore, a more eco-friendly option is needed for food packaging and containers. This study uses the waste of orange peel to create a biopolymer that can be used for these purposes. Orange peel of 100 and 250 micrometers, starch, from two sources: corn and potato (7.5%), glycerol (6.0%) and water (71.5%) are the main materials used in these formulations. In addition, two technological procedures were evaluated: the cooling gel method (room temperatures, refrigeration (4ºC) freezing (-18ºC) and the way in which water was eliminated: solar, oven (120ºC) and dehydration (42ºC). In order to obtain the best results, 54 experiments were carried out in triplicate and the parameters were evaluated: flexibility, porosity, water absorption, fracture force and biodegradability. Best results were obtained when utilizing orange powder of 250 micrometers, the bioplastic showed a better texture than the one utilizing powder of 100 micrometers. Different ratios of corn and potato starch hardly reveal any differences in the final biopolymer properties, however, from an economical point of view; corn starch is the best option. The best cooling methods of the gel are both refrigeration and room temperature; whereas the latter implies less energetic consumption and therefore it is suggested. The biopolymer made with 100% corn starch and using solar drying showed to be the most flexible one, as well presented less porosity, which is translated into less water absorption; exhibiting a biodegradability of 63% in 21 days. In future studies.

• Keywords: bioplastic, biopolymer, orange peels, circular economy, economic prosperity.

RESUMEN

Los plásticos han sido prohibidos en ciertos países para ciertas aplicaciones ya que existe una preocupación ambiental por su uso. Por lo que, este estudio usa los desperdicios de las cáscaras de naranja para crear biopolímeros, utilizando como ingredientes principales: cáscara de naranja de 100 y 250 micrómetros (15%); almidón de maíz y papa (7.5%), glicerol (6.0%) y agua (71.5%).

Además, se evaluaron dos procedimientos tecnológicos para su Cod. 10212 | Nuevos materiales y nanotecnologías | 0404.01 Nuevos materiales

elaboración: forma de enfriar el gel ya sea a temperatura ambiente, refrigeración (4ºC) y congelación (-18ºC). Así como la forma de eliminar el agua de la mezcla: al sol, en horno y mediante deshidratación. Para evaluar las mejores condiciones de obtención, se llevaron a cabo 54 experimentos por triplicado, donde se evaluaron: flexibilidad, porosidad, absorción de agua, fuerza de fractura y biodegradabilidad. Los mejores resultados se obtuvieron al utilizar polvo de cáscara de naranja con un tamaño de 250 micrómetros. El almidón de papa y de maíz, fue analizado en distintas proporciones, identificando que no existieron diferencias entre proporciones, sin embargo, se sugiere utilizar el almidón de maíz únicamente por que es un componente con un costo menor. El enfriamiento de la masa de gel presenta mejores resultados tanto a refrigeración como a temperatura ambiente; se sugiere utilizar el último ya que implica menor consumo energético. El biopolímero formado con 100% de almidón de maíz y secado al sol presenta los mejores valores de flexibilidad, así como mínima porosidad y por ende menor absorción de agua; obteniendo una biodegradabilidad de un 63% en 21 días.

Palabras clave: bioplástico, biopolímero, cáscaras de naranja, economía circular, prosperidad económica.

1. INTRODUCCIÓN

Existe un creciente interés por desarrollar biopolímeros, que pueden convertirse en una alternativa a los materiales existentes, en particular a los plásticos convencionales. Los biopolímeros pueden producirse a partir de materiales naturales o ser sintetizados por microorganismos (1). Hoy en día, la sociedad quiere cambiar hacia enfoques más sostenibles, y utilizar los residuos agroalimentarios y transformarlos en productos de valor añadido se ha convertido en un reto (2).

Los plásticos convencionales ofrecen propiedades útiles y, por tanto, se han convertido en un material indispensable en nuestra vida cotidiana que se utiliza ampliamente, por ejemplo, en el envasado de alimentos. Sin embargo, los plásticos se convierten en residuos difíciles de gestionar cuando ya no se necesitan (3,4).

Además, los plásticos que se depositan en los vertederos son difíciles de degradar debido a sus propiedades duraderas (5). Esta resistencia provoca una alarmante acumulación de plásticos en el suelo, los ríos y los océanos e incluso en los organismos vivos.

Inspirados por esos crecientes problemas medioambientales y por la preocupación por la salud, los envases alimentarios biodegradables con propiedades respetuosas con el medio ambiente Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 203-209 | ISSN-L: 0012-7361 | 203

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han recibido un gran interés en la industria alimentaria. Por ello, cada vez se investiga más sobre nuevos métodos para desarrollar envases seguros, no tóxicos y biodegradables, ricos en fuentes biológicas, que estabilicen el ciclo del dióxido de carbono, mejoren el compostaje y eviten las emisiones tóxicas al medio ambiente (6,7,8). Los plásticos biodegradables tienen propiedades similares a los plásticos comunes, la diferencia se hace evidente, cuando ya no se necesitan. Los microorganismos de origen natural, como las bacterias, los hongos y las algas, pueden descomponer los plásticos biodegradables sin causar sustancias nocivas (9,10). Por lo tanto, los polímeros biodegradables basados en componentes orgánicos naturales representan la alternativa inteligente a los materiales de envasado de plástico sintético a base de petróleo porque son, sostenibles, biocompatibles, no tóxicos y, por lo tanto, seguros para el medio ambiente y la salud humana (11,12, 13).

La investigación sobre biopolímeros está creciendo muy rápido, una tendencia, que se nota en el creciente número de artículos y patentes, relacionados con nuestra investigación (14).

La Universidad Panamericana realizó un estudio en diciembre de 2020, y encontró 40 patentes relacionadas con los biopolímeros, utilizando la cáscara de cítrico como ingrediente. Cuatro de estas patentes fueron detectadas como estrechamente relacionadas con este estudio: KR100879528B1, CN105766840A, KR101816786B1, CN107446361A (5, 15, 16, 17) (Elaboración propia de la Universidad Panamericana, México, utilizando datos de Orbit, V.1.9.8; Orbit Intelligence by Questle, diciembre 2020). Los países con más patentes en esa área son Estados Unidos y China, seguidos por Reino Unido, Alemania, Francia e India. Entre 1979 y 2019 se publicaron más de 400 artículos científicos relacionados, con un aumento exponencial de las publicaciones en los últimos años.

La urgencia de contar con productos no tóxicos diseñados de forma inteligente es tan importante como la integración de la gestión de residuos, en la que éstos se reconocen y utilizan como materia prima secundaria, una estrategia conocida como economía circular (18,19, 20, 21). Los bioplásticos que utilizan biorresiduos, como las cáscaras de naranja, como ingrediente y energías renovables en su proceso de producción son económicamente interesantes debido a sus reducidos costes de producción (22, 23, 24, 25, 26). El objetivo de este estudio es, por tanto, encontrar una nueva formulación de un novedoso polímero biodegradable a base de cáscaras de naranja.

2. MATERIAL Y MÉTODOS

La metodología utilizada para elaborar el bioplástico consistió en evaluar la formulación del biopolímero y los parámetros tecnológicos asociados al proceso.

2.1. COMPOSICIÓN GENERAL DEL BIOPOLÍMERO DE NARANJA La elaboración de la formulación se basa en cuatro ingredientes principales que son cáscara de naranja de 100 y 250 micrómetros, almidón de dos fuentes: maíz y papa (7,5%), glicerol (6,0%) y agua (71,5%). La composición de esta formulación se basó en estudios previos realizados por nuestro grupo de investigación (27), donde los ingredientes se mezclaron según la metodología explicada generando una emulsión o/w. Es importante destacar que todos los ingredientes utilizados en la formulación son GRAS (Generally Recognized as Safe) para asegurar que la formulación cumple con los requisitos para el consumo humano ya que este bioplástico podría ser utilizado para la producción de platos desechables o en el envasado de alimentos.

2.2. PROCEDIMIENTO DEL BIOPOLÍMERO NARANJA La figura 1 muestra la metodología para la obtención del biopolímero, incluyendo las variables que se estudiaron para obtener el mejor biopolímero que se explicará en detalle.

Fig. 1. Metodología seguida para la obtención del biopolímero de naranja 204 | ISSN-L: 0012-7361 | 203-209 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

2.2.1. Materiales sólidos Se estudió la influencia de los ingredientes sólidos. El polvo de naranja se obtuvo mediante cuatro procesos (Figura 2). En primer lugar, se trituró la cáscara de las naranjas (Thermomix TM31, Alemania), seguido de un proceso de deshidratación (Ecalibur 3526T EUA) a 60ºC durante 24 h. Después, se volvió a triturar el material (Thermomix TM31, Alemania). Por último, se tamizó el polvo, de forma que se obtuvieron las fracciones de 250 nm y 100 nm (Figura 2). La primera variable estudiada en este trabajo es la influencia del tamaño de partícula en las propiedades finales del bioplástico. Se ha establecido que existen diferentes formas de realizar una medición y clasificar las partículas según el tamaño. Para este estudio se ha utilizado la norma ASTM E-11-61 que utiliza diferentes tamices de la serie Tylor para separar los diferentes extractos según su tamaño (28).

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Fig. 2. Pasos para la obtención de polvo de cáscara de naranja

En este estudio se evaluaron dos tipos de almidón: almidón de maíz (CS) y almidón de papa (PS) (Figura 3). Se añadieron en diferentes proporciones y se investigó su influencia en las propiedades finales del bioplástico obtenido. Se estudiaron diferentes mezclas: 100% de almidón de maíz; 70% de almidón de maíz con 30% de almidón de papa y 50% de almidón de maíz con 50% de almidón de papa.

2.2.2. Formación de polímeros El polímero se formó cuando se redujo el pH de la mezcla. En primer lugar, se midió el pH y se redujo a un rango de 2 - 3 donde se utilizó ácido clorhídrico 1N (Karal, México). En el proceso de calentamiento descrito en 2.2.3, el pH se devolvió a un pH neutro de 7,0 con una solución de NaOH al 10% (J.T.Baker, EUA).

2.2.3. Calentamiento y formación de gel La formación del gel se inició a 65ºC, pero el proceso de calentamiento continuó hasta los 90ºC para eliminar el agua y obtener una pasta moldeable.

2.2.4. Refrigeración La tercera variable estudiada (Figura 3) fue la influencia del proceso de enfriamiento. Seleccionamos tres métodos: refrigeración (True T49, EUA) durante 6 h, congelación a -18ºC durante 6 h en un congelador (True T49, EUA) y enfriamiento a temperatura ambiente.

Queríamos estudiar la influencia del almidón calentado al ser expuesto a la hidratación y gelatinización y posteriormente al pasar al enfriamiento con el objetivo de obtener un gel de alta calidad.

2.2.5. Métodos de secado Se probaron tres métodos de secado para la eliminación del agua: horno de convección con una temperatura de 120ºC (Rational 61, Alemania), deshidratación a 42ºC (Ecalibur 3526T, EUA) y secado solar.

Utilizando la metodología establecida, se probaron 54 tratamientos diferentes, como se muestra en la figura 4.

2.3. EVALUACIONES 2.3.1. Flexibilidad y porosidad La flexibilidad se refiere a la capacidad del biomaterial de doblarse fácilmente sin riesgo de rotura. La escala de evaluación se realizó según la escala presentada en la Figura 4a, mientras que la porosidad se refiere a la existencia de poros redondeados en el biomaterial que pueden afectar a la apariencia de suavidad deseable. La figura 4b muestra la escala de evaluación (29).

Medición de la flexibilidad

Escala presentada Descripción

Alta flexibilidad

3

Moderadamente flexible

2

No es flexible

1

El material muestra una gran flexibilidad y dureza del material El material presenta una flexibilidad y una tenacidad medias El material se rompe fácilmente y no muestra ninguna flexibilidad a la flexión o a la torsión

a Medición porosa

Escala presentada Descripción

No es poroso

3

Cualquier tipo de líquido puede penetrar en el polímero El líquido puede penetrar ligeramente en el polímero Cuando el líquido penetra en el polímero

Moderadamente poroso 2 Alta porosidad

1

b Fig. 3. Diferentes tratamientos estudiados Cod. 10212 | Nuevos materiales y nanotecnologías | 0404.01 Nuevos materiales

Fig. 4 a. Escala de flexibilidad (arriba); Fig.4 b. Escala de porosidad (abajo) Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 203-209 | ISSN-L: 0012-7361 | 205

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Fig. 5a. Absorción de agua (izquierda) y Fig. 5b. Fuerza de fractura del biopolímero (izquierda)

2.3.2. Absorción de agua Se sumergieron muestras de peso de 3 x 1 cm durante 30 s en agua destilada (Figura 5a). Las muestras se dejaron secar y se pesaron a peso constante; el proceso se realizó dos veces, de modo que el primer punto duró 1 minuto. Esta prueba se realizó 4 veces, lo que permitió sumergir las muestras durante 4 minutos. Esta prueba se realizó de acuerdo con la metodología establecida por (36). El porcentaje en mol de absorción (Qt) se calculó según la ecuación 1. Se graficaron los cambios en el tiempo y se estableció la ecuación que caracterizó este comportamiento.

(1) 2.3.3. Fuerza de fractura Para la fuerza de fractura, la muestra se cortó en trozos de 3 x 1 cm, y se analizaron en el analizador de textura TAXT2i (Stabler Microsystem Ltd. Haslemere, U.K) a 20ºC a una velocidad de 5mm/s realizando tres repeticiones. La fuerza de fractura se realizó por punción, utilizando una sonda cilíndrica como se muestra en la Fig. 5. Los resultados se analizaron mediante ANOVA Minitab.

2.3.4. Biodegradabilidad La prueba de biodegradabilidad se realizó desenterrando la muestra en el suelo. El biopolímero se pesó previamente y se colocó en una profundidad de 5 cm de tierra durante 20 días. El material se recogió y se pesó de nuevo. El porcentaje de biodegradabilidad se calculó según la ecuación 2.

(2)

3. RESULTADOS

Es importante establecer que se estudiaron 54 tratamientos diferentes, según la Fig. 3. El procedimiento seguido fue probar cada parámetro, teniendo en cuenta que si alguna variable no era viable se paraban los experimentos, tal y como se establece en la bibliografía consultada (27).

Encontramos que la interacción en la mezcla que genera el polímero depende en gran medida del tamaño de partícula del polvo de cáscara de naranja, que se midió con un tamiz según la norma ASTM E-11-61. En consecuencia, el tamaño de partícula fue crucial para el biomaterial resultante y mostró mejores resultados con un tamaño de partícula de 250 micrómetros, ya que esto permitió una consistencia homogénea al producto final en compara206 | ISSN-L: 0012-7361 | 203-209 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

ción con el de 100 micrómetros. Al utilizar el polvo de cáscara de naranja de 100 micrómetros, el pH de la mezcla no pudo volver a ser de pH 7, por lo que el valor basado en la escala de flexibilidad es nulo, mientras que al utilizar el polvo de naranja de 250 micrómetros se considera muy flexible.

En cuanto al tipo de almidón, se ensayaron tres formulaciones, incluyendo (CS) y almidón de papa (PS). Los resultados muestran que las características observadas en los biopolímeros con diferentes concentraciones de almidón de maíz y almidón de papa (50:50, 70:30 y 0:100%, respectivamente) no mostraron diferencias en cuanto a flexibilidad y porosidad.

El método de enfriamiento que mostró los mejores resultados fue la temperatura ambiente, lo que podría significar que la estructura se forma lentamente en este tipo de biopolímeros. Probablemente, al congelar, se forman cristales que hacen que la estructura sea frágil, dando bajos resultados en flexibilidad y porosidad.

El secado solar formó materiales menos fraccionables y con menos porosidad. El biopolímero formado es más suave y con más características de plasticidad cuando se utiliza almidón de maíz en combinación con el secado al sol. Al analizar la fuerza de fractura (Fig. 6b) podemos observar que hubo una diferencia significativa (α ≥ 0,014) en este parámetro al tener en cuenta el método de secado, y el biopolímero que ofreció más resistencia fue el que se secó al sol. Se observó una diferencia no significativa al analizar la interacción de ambas variables (tecnología de secado y fuentes de almidones en diferentes proporciones).

Así, los mejores resultados de los biopolímeros se obtuvieron en los siguientes cuatro tratamientos: a) 100% de biopolímero de almidón de maíz obtenido con secado al sol; b) 70% de almidón de maíz combinado con 30% de almidón de papa aplicando secado al sol, c) 100% de biopolímero de almidón de maíz obtenido con deshidratación y d) 70% de almidón de maíz combinado con 30% de biopolímero de almidón de papa obtenido con secado al sol (Figura 6). Al analizar las muestras podemos observar que los biopolímeros con mayor escala de porosidad/flexibilidad se dan cuando los biopolímeros fueron secados al sol como se discutió anteriormente (Fig. 6a).

Al analizar la absorción de agua, podemos observar que los biopolímeros secados al sol son los que menos agua absorben, como se muestra en la Fig. 6c. Ésta es una característica importante de este tipo de material que podría utilizarse en la industria alimentaria, mientras que los biopolímeros secados al horno absorbieron más agua (Fig. 6c) La Figura 7 muestra que después de 21 días la biodegradabilidad del biopolímero que fue hecho con 100% de almidón de maíz y sometido a secado solar, fue de 67.3 ± 0.1607, que se refiere al porcentaje de pérdida de peso como se establece en la Ecuación 2.

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Fig. 6. Análisis de las formulaciones bioplásticas en función de la porosidad y la flexibilidad (a: arriba a la izquierda) y la fuerza de fractura (b: arriba a la derecha) y la capacidad de absorción de agua (c: abajo)

4. DISCUSIÓN

A la hora de generar biopolímeros es importante analizar los diferentes materiales que se pueden utilizar, así como la proporción en la que se tienen que juntar. El biopolímero formulado en este estudio estaba compuesto por cuatro materiales principales: agua (71,5%), glicerol (6%), cáscara de naranja en polvo (15%) y almidón (7,5%). Lo que significa que la formulación correcta puede generar propiedades adecuadas del biopolímero, siendo flexible y teniendo una alta fuerza de fractura; en consecuencia, deberían absorber menos agua.

Al analizar la formulación de nuestro bioplástico, podemos observar que el tamaño del polvo puede influir en las propiedades mecánicas del bioplástico. Hemos comprobado que el tamaño del polvo no debe ser demasiado pequeño (100 micrómetros) porque el biopolímero no se forma. Teniendo en cuenta esto se decidió seguir trabajando con el tamaño de polvo de 250 micrómetros que Cod. 10212 | Nuevos materiales y nanotecnologías | 0404.01 Nuevos materiales

está en concordancia con los estudios publicados (31) que informaron haber desarrollado bioplásticos con un tamaño de >300 micrómetros.

Se ha reportado que al utilizar diferentes tipos de materiales biodegradables que están compuestos principalmente por polisacáridos (almidón y celulosa) y proteínas, los biopolímeros se forman por diferentes interacciones de moléculas (32). El almidón es uno de los principales ingredientes que se ha utilizado, está formado por amilosa y amilopectina, la proporción en la que estén presentes estos dos tipos de moléculas tendrá una relación directa con las características fisicoquímicas. Por ejemplo, si la cantidad de amilosa es alta, las elongaciones del bioplástico serán mayores.

Además, la fuerza de rotura sería mayor y esto podría dar lugar a un material que sirviera para una buena permeabilidad a los gases (33). El almidón se utiliza habitualmente en los bioplásticos porque se considera que tiene una alta sensibilidad a la humedad Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 203-209 | ISSN-L: 0012-7361 | 207

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Fig. 7 a. Fórmulas de bioplásticos basadas en la composición y el método de secado (izquierda) A: Almidón de maíz 100 % / Deshidratación 42°C; B: Almidón de maíz 70 %; almidón de papa 30% / Deshidratación 42°C; C: Almidón de maíz 100 % / Secado solar; D: Almidón de maíz 70 % ; almidón de papa 30% / Secado solar; Figura 8 b. Biodegradabilidad del 100% del biopolímero de almidón de maíz obtenido con el secado solar

(34). En este estudio, quisimos evaluar si el tipo de almidón influía en la bioplasticidad, sin embargo, los resultados no muestran evidencia de diferencias entre ellos. Sin embargo, consideramos que el biopolímero formado con 100% de almidón de maíz debe ser elegido, con relación a su menor costo en comparación con el almidón de papa, lo que representa una ventaja económica.

El glicerol es el principal subproducto de la industria del biodiesel (35), en particular, el glicerol se utiliza como plastificante que impide la adhesión de las células bacterianas (32, 36). Además, el glicerol, evita que el biopolímero se vuelva quebradizo (37).

Además, es importante establecer que el glicerol promueve la formación de una emulsión, característica que se desea obtener antes de la adición de sólidos (38, 39).

Además, analizamos la tecnología utilizada para nuestro biopolímero. Nuestros resultados revelan que el secado tuvo una influencia significativa en el biopolímero, cuando fue secado al sol era menos poroso y por lo tanto presentaba menos absorción de agua. Los biomateriales secados a 120ºC se rompieron fácilmente; se eligió esa temperatura porque pensamos que una temperatura alta podría promover un material biopolímero altamente resistente, que sería menos poroso. Sin embargo, este fenómeno podría explicarse porque cuando se aplica una alta temperatura la evaporación del agua se produce más rápidamente afectando a la estructura interna de los biopolímeros, que tienen efecto principalmente en el almidón (40).

Nuestros resultados muestran que el proceso aplicado al biopolímero tiene también un efecto sobre las propiedades finales del bioplástico, mostrando que el enfriamiento debe realizarse lentamente y el secado debe ser con un proceso solar para obtener mejores resultados. Sin embargo, esto abre una brecha para futuros trabajos porque probablemente una temperatura baja y controlada podría dar mejores resultados. Además, el biopolímero era biodegradable.

En conclusión, con base en las variables estudiadas se logró desarrollar un biopolímero a partir de cáscaras de naranja biodegradable. Los mejores parámetros de formulación son los siguientes: cáscara de naranja de 250 micrómetros, mezclada con almidón de maíz. La mezcla debe ser enfriada lentamente y secada a 42ºC o menos de temperatura para obtener un biopolímero con 14,28 ± 0,96 de humedad con buenas características mecánicas y que sea menos poroso.

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Este estudio es una base importante para el desarrollo de futuras investigaciones, donde se podrían analizar diferentes ingredientes para su aplicación en la industria de los biopolímeros.

Teniendo en cuenta que, la mayoría de ellos pueden ser recuperados de subproductos de la industria agroalimentaria, lo que podría tener un gran impacto en la economía circular (24, 26, 29, 33).

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de investigación / research article

Security enhanced ROI based reversible watermarking for medical images Amsaveni Avinashiappan, Bharathi Mayilsamy and Jude Hemanth

Security enhanced ROI based reversible watermarking for medical images Marca de agua reversible basada en ROI con seguridad reforzada para imágenes médicas nnnn

Amsaveni Avinashiappan, Bharathi Mayilsamy and Jude Hemanth 1 2

Kumaraguru College of Technology. Department of ECE - 641049 Chinnavedampatti, Coimbatore, Tamil Nadu, (India).

Karunya Institute of Technology and Sciences. Department of ECE – 641114 Karunya Nagar, Coimbatore, Tamil Nadu (India).

DOI: https://doi.org/10.6036/10148 | Received: 22/feb/2021 • Reviewing: 24/feb/2021 • Accepted: 12/may/2021 To cite this article: AVINASHIAPPAN, Amsaveni; MAYILSAMY, Bharathi; HEMANTH, Jude. SECURITY ENHANCED ROI BASED REVERSIBLE WATERMARKING FOR MEDICAL IMAGES. DYNA. MarchApril 2022, vol. 97, no.2, p. 210-216. DOI: https://dx.doi.org/10.6036/10148

RESUMEN • E l número cada vez mayor de imágenes médicas digitales y la necesidad de intercambiarlas entre expertos médicos y hospitales para obtener un diagnóstico mejor y más preciso exigen que se proteja la privacidad de los pacientes. Por ello, las imágenes médicas enviadas por Internet deben llevar una marca de agua con la información del paciente para que los médicos puedan validar la imagen médica. En este artículo de investigación, se propone un novedoso esquema de marca de agua que combina dos técnicas, la expansión de diferencias y la transformación wavelet de entero a entero. Los datos del paciente se insertan en el ROI1 utilizando la expansión de diferencias y las coordenadas del ROI1 se incrustan en el ROI2 utilizando la transformación wavelet de entero a entero. A continuación, las coordenadas del ROI2 se insertan en una región secreta predefinida mediante la técnica de expansión por diferencia. Se realizan experimentos de simulación para calcular el PSNR, el SSIM y el TPM para evaluar la imperceptibilidad de las imágenes médicas con marca de agua.

Aplicando varios ataques a las imágenes con marca de agua, se examina la robustez y reversibilidad de la estrategia de marca de agua propuesta mediante el cálculo de la tasa de error de bits y el coeficiente de correlación cruzada normalizado, respectivamente.

• Palabras clave: Marca de agua reversible, Imagen médica, Expansión de diferencias, Transformación wavelet de entero a entero.

ABSTRACT

The ever-increasing number of digital medical images and the need to exchange them between medical experts and hospitals for a better and more precise diagnosis demand that the privacy of patients be protected. As a result, medical images sent over the internet must be watermarked with the patient’s information so that doctors can validate the medical image. In this research article, a novel watermarking scheme combining two techniques, Difference Expansion and Integer-to-Integer wavelet transformation is proposed. The patient data is inserted into ROI1 using difference expansion and the ROI1 coordinates are embedded in ROI2 using Integer-to-Integer wavelet transform. The ROI2 coordinates are then embedded into predefined secret region using difference expansion technique. Simulation experiments are carried out to 210 | ISSN-L: 0012-7361 | 210-216 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

compute PSNR, SSIM and TPM to assess the imperceptibility of water-marked medical images. By applying various attacks on watermarked images, the robustness and reversibility of the proposed watermarking strategy is examined by computing bit error rate and normalized cross correlation co-efficient, respectively.

Keywords: Reversible watermarking, Medical image, Difference Expansion, Integer-to-Integer wavelet transform, ROI, imperceptibility, robustness.

1. INTRODUCTION

Digital watermarking is a technique where the most valuable data is hidden in a noise tolerant original signal. It is one of the efficient techniques to secure information when it is being transmitted over the internet. Watermarking is not only used to secure the data but also to provide authenticity, copyright protection and integrity. The two main considerations in reversible watermarking techniques are the ability to retrieve the hidden message from the watermarked image and the robustness of the watermarking technique for different type of attacks. Fidelity, Capacity, and Imperceptibility are the other important properties of water marking schemes. Fidelity relates the amount of distortion introduced to the host image due to watermarking. Higher the fidelity the distortion introduced is lower. The capacity of a host image refers to the number of bits that can be embedded. Imperceptibility specifies the amount of distortion that is visible on the watermarked image after inserting a watermark. Lower the value of imperceptibility, the distortion is less [1]-[3].

Watermarking may be performed either in spatial domain or in spectral domain. In spatial domain, the data is hidden directly on the pixel of the original data. Spatial domain methods are simple, fast and provide greater capacity. But these methods are vulnerable to attacks. In spectral domain, the data is hidden inside the transform coefficients of the original data. The robustness of the spectral domain methods can be improved by embedding the data into the coefficients that are less sensitive to human visual system. With the advances in telemedicine, transfer of medical records over internet is increasing. This necessitates the need for medical image watermarking. Securing medical image is very important because any small modification may lead to incorrect diagnosis and improper treatment. Reversibility and reliability are the important performance metrics that need to be considered in Cod. 10148 | Optics | 2209.90 Digital image processing

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medical image watermarking. Any change in the data in the process embedding or extracting may result misdiagnosis and possible life threatening irrespective of its validity. As a result, the need to strictly extract the original information from the watermarked image is challenging [4]-[6].

Reversible or lossless watermarking methods fulfil this requirement by guaranteeing the extraction of the watermark along with the exact reconstruction of the medical image. Nevertheless, a watermarked image may contain distortions, particularly in reversible methods, but the changed image is used as a cover for inserting a watermark, not for diagnostic purposes, and the recovered image is used for diagnosis, intervention preparation, etc.

Reliability refers to integrity and authentication. Integrity refers to the ability to demonstrate that data has not been tampered with without authorization. Authentication is the ability to determine the sources of the information and to ensure that the data corresponds to the correct patient. Medical image watermarking needs to be carried out with at most care as compromising on the quality of the retrieved image and on the security is not possible [7]-[9].

The watermarking of medical images involves the inclusion of patient details in the medical image. More care is needed to integrate patient data into medical images without losing image quality. Several watermarking techniques are being developed for this purpose. In wavelet transform-based watermarking, the downside is that medical images are overwritten, which may be inappropriate for diagnostic purposes. Watermarking must not degrade the quality of the medical image, and the information obtained from the watermark must be correct and transferable without error.

There are several reasons for transmitting the patient data, e.g., telemedicine, where teleconsultation, tele diagnosis and telesurgery have been identified, to provide medical practitioners with an e-learning purpose. On the other hand, the Electronic Patient Record (EPR) has replaced the hard copy format of medical records.

Typically, EPR contains diagnostic records, medical images, and biomedical signals, but may also contain medical documents such as demographic data, medical test results, procedures, medical prescriptions, among others, which are highly confidential [10][11].

The advances in medical information management technology have resulted in new threats resulting from the improper use of medical information, given the ability to manipulate and distribute digital data. Therefore, the security needs to be strengthened.

Moreover, the implementation of adequate storage and delivery systems for medical images, with managed and limited access to medical images, must be developed, maintaining authentication, integrity, and confidentiality standards of medical records unchanged with a view to successful management [12]-[13].

However, numerous concerns pertaining to the confidentiality of knowledge may impact the management of medical imaging.

Amongst other concerns, the authentication of applications focusing on the verification of the image source, validation of a patient’s medical image and preventing the distinction of medical images and their corresponding EPR are main issues [14].

A promissory way of coping with these safety issues is to build a digital watermarking solution for improving medical imaging management and security. Initially, ownership authentication and copyright of multimedia data were the primary motivating factor of digital watermarking, but over the years a broad spectrum of applications has been expanded to include the security of medical images, in compliance with the Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) international standard. In regionbased watermarking algorithm for DICOM images, the digitized Cod. 10148 | Optics | 2209.90 Digital image processing

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transmission and storage of medical images for current image archiving and communication systems had been used. However, privacy and confidentiality of medical images must be considered.

Consequently, this method first divides the medical image areas into regions of interest (ROI) and regions of non-interest (RONI).

The ROI of a medical image is a portion of the image that includes confidential data and must be kept free of distortion. The content in ROIs is directly related to the function of the medical image; watermarks of various embedding strengths are thus incorporated into ROIs and RONIs in order that changes to medical images cannot be seen after the incorporation of watermarks [15]-[17].

This article is organized as follows. Section 2 discusses the related background. Section 3 describes proposed methodology.

The experimental results are reported in Section 4. Finally, Section 5 concludes the paper.

2. RELATED BACKGROUND

Conventional wavelet transformation cannot be used in reversible watermarking since it does not lead to the reversibility.

The pixel values are integer numbers in all images like a grey 8-bit image; transformation into wavelet domain using floating point wavelet transform implies the risk of floating-point pixel values of the watermarked image due to the changes in the wavelet coefficients. Furthermore, as in conventional floating-point wavelet transform rounding or truncation is applied to the wavelet coefficients, the overall forward and inverse transform is not lossless; hence, if this method is used during the embedding process, the original image cannot be recovered from the watermarked image. To avoid these issues and preserve reversibility during image transformation, invertible integer-to-integer wavelet transformation is used. This transform converts integers to integers while avoiding information loss caused by forward and inverse transformations [18].

The proposed scheme’s interpolating transform is an example of a family of symmetric, biorthogonal wavelet transforms constructed by interpolating Deslauriers-Dubuc scaling functions. Every wavelet transform associated with finite length filters. Among the instances defined in integer wavelet transform, also known as LeGall wavelet, showing one of the optimal coding performances compared to others, is the chosen transform to be employed in the proposed watermarking technique. For a one-dimensional signal, s = [s0,1, s0,2, ..., s0,N], where s0,j’s are integers,the low and high frequency coefficients s1,m and d1,m describe the forward transform of the single level decomposition as, (1) (2) where and are the mth low frequency and high frequency wavelet coefficients respectively at the ith wavelet transform level. The low and high frequency coefficients generated in the first step of decomposition can be further subdivided into stages [19]. To perform one level decomposition on a two-dimensional signal, such as an image, the equations are applied in both the horizontal and vertical directions. The reverse decomposition transformation is easily determined as (3) Dyna | Marzo-Abril 2022 | Vol. 97 nº2 | 210-216 | ISSN-L: 0012-7361 | 211

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(4) Integer-to-integer wavelet transformations, such as floatingpoint wavelet transform and other wavelet transforms, do not exhibit normalized behavior in the decomposed signal ‘s different frequency sub-bands. The interpolating transformation used in this scheme follows the same pattern, and changes in different frequency sub-bands result in different effects of varying intensities in the spatial domain. For example, increasing by 1 results the original data to be increased by 1. However, the same effect can only be achieved if is increased by 2, given that all other coefficients stay the same. Changes in low frequency coefficients are found to have a greater impact on the reconstructed signal because of such characteristic pattern through observations and analysis. In other words, and from the energy point of view, this behavior shows that wavelet transform does not conserve the total energy and its homogeneity in the transform process.

In a one-dimensional signal, to retrieve the total energy in a one-level transform it is required to scale the low frequency coefficients by K and high frequency coefficient by 1/K. In the case of an image, the scaling factors to obtain the total energy for the LL, LH, HL, and HH sub-bands are K, 1, 1, and 1/K respectively. In Integer wavelet transforms, such a scaling is not exact; however, the scaling factors provide a fair approximation of the effect of the sub-band coefficients tested on the reconstructed signal. The scaling factor, K, for the (2, 2) interpolating transform, which approximates LeGall 5/3 filters [20]-[21].

An image that has integer intensity values in the spatial domain is converted into decimal wavelet coefficients. The wavelet coefficients are modified appropriately during data hiding operation and inverse wavelet transform is carried out to reconstruct the image in the spatial domain. A serious note here is that practically wavelet coefficients are truncated or rounded as it is not viable to represent the coefficients to its full accuracy. Information is potentially lost while reconstructing the image by inverse wavelet transform. But reversible data hiding schemes must recover the host image without distortion along with the secret payload.

To address this specific issue, an integer -to -integer wavelet transform is used in the proposed scheme. The system operates on integer arithmetic and alleviates the loss of any information via forward and inverse transforms.

2.2. DIFFERENCE EXPANSION TECHNIQUE Difference expansion technique has been used in reversible watermarking scheme. It is focused on the concept of expanding the difference between two pixels to embed messages. Normally, these schemes generate small values to reflect the features of the original image. The generated values are then expanded to embed the watermark information. The watermark information is usually embedded in the LSB portions of the expanded values [22].

Reversible integer transforms can be used in difference expansion-based data embedding schemes to create a one-to-one mapping between two pairs (p, q) and (m, n). If the Haar wavelet transform is used to map this data, then, (5) where m is the average of p and q, n is the difference between p and q.

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The inverse transform of the equation (5) is (6) To avoid overflow/underflow problems for an 8-bit grayscalevalued pair (p, q) with 0 ≤ p, q ≤ 255, the following condition should be satisfied.

(7) Since the difference expansion embeds a bit b into the difference value n, the expanded difference value n‘ is (8) and the pair (p’, q’) after difference expansion becomes (9)

Again, n’ must satisfy to avoid overflow/underflow problems, (10) To deal with a pair of pixels in an image, the above transforms are used in difference expansion-based data embedding schemes.

There is another type of reversible integer transform that maps (p, p´) to (m, ), where is a predicted value of the original pixel value p and m is the difference between p and .

The forward transform is, (11) the inverse transform is, (12) The difference m is also called as prediction error for p. Now we expand m with (8) to obtain the expanded value m´. Then (11) becomes (13) Generally has been modified to the range of [0, 255] with the following constraint, (14) The overflow/underflow problems in equ(13) are determined by the prediction algorithm itself for predicting .

The proposed scheme uses 2-D Difference Expansion technique and is an existing version of the previous difference expansion technique. The ROI recovery information can now be inserted without the lossy compression. This technique can be used to validate ROI, insert patient data, and detect tampered areas within ROI. Furthermore, the original image is precisely restored at the receiver end after the watermark retrieval. The image is divided into 16x16 non-overlapping blocks in this process. Then 16 bits are hidden in blocks that do not induce overflow or underflow using difference expansion [23].

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3. PROPOSED METHODOLOGY

Because of the rapid and significant advancements in information and communication technology, medical data management systems have modified. The sharing of databases between hospitals via efficient channels of transmission is one of the most popular activities involving the medical data management system.

When such a large amount of data is distributed individually over Internet, it absorbs excess memory, increases processing time, and costs, and often makes the data available to unauthorized people.

To satisfy the requirements of medical image watermarking, a reversible ROI-based watermarking scheme is proposed to hide patient’s data and authenticate ROI. A ROI based reversible watermarking system that operates in the wavelet transform domain and differential expansion technique has substantial payload capacity and enhanced visual quality compared to most current lossless data hiding algorithms. The methodology of the proposed system is as follows, 3.1. EMBEDDING PROCESS 1. In this technique, two ROIs of medical image are selected, and a predefined secret area is set.

2. ROI1 is split into nonoverlapping blocks of size 16×16 pixels and patient data is converted into ASCII form.

3. Then the first watermark consisting of patient data is embedded into ROI1 using the Difference Expansion technique, which has a high capacity to embed.

4. The DE technique reversibly embeds one bit data into two integers. As there are lots of redundancies in a digital image, even if the pixel values altered to some extent, the image almost looks identical to the original. The DE technique makes use of the difference between two-pixel values to embed one bit and the coordinates of ROI1 are generated after embedding data.

5. These coordinates are embedded into ROI2 using integer to integer wavelet transformation technique.

6. The wavelet coefficients are modified appropriately during data hiding operation which in turn generates the ROI2 coordinates as given in Fig.1.

7. The ROI2 coordinates are inserted in the predefined hidden area using the DE technique, which is known to both the sender and the receiver. As a result, the extraction process begins in the predefined secret region.

3.2. EXTRACTION PROCESS 1. T he watermarked image is received.

2. In the extraction process, the coordinates of ROI2 are retrieved from predefined secret area using its coordinates.

In case of intruders entering wrong secret area coordinates then the image gets blurred.

Fig. 2. Extraction Procedure

3. Using the ROI2 coordinates the embedding map of ROI1 is retrieved from ROI2.

4. The patient data is then retrieved from ROI1 using these coordinates and the original image is restored as shown in Fig. 2.

5. Then using the difference expansion technique, the data is embedded into image and retrieved from it without any change in original image and thus the process becomes reversible. Authentication and tamper detection is also done.

3.3. QUANTITATIVE MEASURES OF PROPOSED ALGORITHM A good reversible watermarking system should have properties like imperceptibility, robustness, and reversibility [24].

3.3.1. IMPERCEPTIBILITY The distortion caused by embedding secret data in the original cover image is measured by imperceptibility. Peak Signal to Noise Ratio (PSNR), SSIM and total perceptual error (TPE) are used to calculate imperceptibility. Higher the PSNR, more invisible the embedded message, i.e., highly imperceptible. The human visual system is incapable of detecting any distortion in a watermarked image with a PSNR greater than 42 dB. The PSNR for an image with dimensions M x N is determined as follows: (15) (16)

Fig.1. Embedding Procedure Cod. 10148 | Optics | 2209.90 Digital image processing

where the pixel value in the cover image is denoted by p(x, y), and the pixel value in the watermarked image after embedding the hidden message is denoted by p’(x, y). The image’s rows and columns are denoted by M and N, respectively, and the pixel coordinates are denoted by (x, y).

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de investigación / research article

Security enhanced ROI based reversible watermarking for medical images Amsaveni Avinashiappan, Bharathi Mayilsamy and Jude Hemanth

SSIM (Structural Similarity Index Measure) is used to calculate the degree of resemblance between the cover image and the watermarked image. If the value of SSIM is zero, there is no similarity between the cover image and the watermarked image; if the value is one, the watermarked image strongly resembles the cover image.

(17) where x and y represent cover and watermarked images and and are the means of x and y respectively. and are the variances of x and y and is the covariance of x and y. and

where h is uniformly distributed random noise with mean 0 and variance V. Robustness refers to the secret payload’s ability to withstand against different intentional attacks and unintentional attacks.

The more robust the watermarking algorithm, the more efficient it is. Because of the attacks, hidden data may be corrupted or deleted. The bit error rate (BER) of the extracted payload versus the original payload is the metric used to assess a data hiding technique’s robustness to various attacks. The number of bit errors per unit time is known as the Bit Error Rate (BER). It is estimated by dividing the number of bit errors by the total number of transmitted bits over a specified time interval.

The Bit Error Rate (BER) representing the robustness of the watermarked image is defined as:

To determine the degree of deterioration in a watermarked medical image, total perceptual error (TPE) is used. A lower TPE value means that the watermarked image is less degraded.

3.3.2. Robustness The embedded image is transmitted through a wired or wireless communication channel. But the communication channel may be vulnerable to intentional and unintentional attacks, which may tend to degrade the quality of the received data. Intentional attacks such as cropping, scaling, rotation, image enhancement operations and filtering are introduced on the embedded image by a third person to destroy, recover or degrade the quality of the transmitted data. Unintentional attacks refer to the presence of noise, which remain in nature and are not imposed. the attacks measure the robustness and security of the entire data hiding system. The various unintentional attacks are Gaussian noise, Poisson noise, Impulse noise and Speckle noise.

The probability density function (PDF) PG(z) of Gaussian noise, known as the Gaussian distribution, is given by: (18) where z represents the gray level, µ is the mean value and s is the standard deviation.

The probability density function (PDF) of Poisson noise, known as the Poisson distribution, is given by:

(22) where bk and bk’ are the embedded and extracted bits respectively, N is the total number of secret bits embedded. The BER value will range between 0 and 1. If the BER value is identical to one, the extracted data’s error value would be higher. The value of BER is calculated after retrieving the secret data from the watermarked image.

3.3.3. Reversibility The ability to retrieve the original cover image from the embedded image is referred to as reversibility. The extracted cover image and the original cover image are compared to ensure reversibility. If the extracted cover image is identical to the original cover image, the algorithm is said to be reversible. Normalized Correlation Coefficient is the metric used to compare the similarity of the two images (NCC). The NCC value varies between -1.00 and +1.00. A value of -1.00 indicates a perfect negative correlation, while +1.00 indicates a perfect positive correlation. A value of 0 indicates that there is no correlation. If the extracted cover image matches the original cover image, NCC will be closer to one.

The Normalized Correlation Coefficient between cover image and extracted cover image is defined as, NCC (23)

(19) where x represents the gray level and lis the mean value.

The general model of impulse noise is (20)

where f (x, y) is the original cover image, g (x, y) is the extracted cover image.

4. RESULTS AND DISCUSSIONS

Several tests are carried out in a computer system equipped with an Intel core i5 processor, 8 GB RAM, and a clock speed of 2.5 GHz to investigate the performance of the proposed watermarking

where f (x, y) is the original image, d (x, y) is the degraded image, h(x, y) is the additive noise term. pn is the probability of distortion.

Speckle Noise is a granular noise which adds multiplicative noise to embedded image I, with uniformly distributed random noise with mean 0 and variance V. Speckle noise affects the mean gray level of a local area. Degraded image after adding speckle noise, J = I + hI (21) 214 | ISSN-L: 0012-7361 | 210-216 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

Fig. 3. Different DICOM medical images used as cover images (a) Brain MRI (b) Brain CT scan, (c) Brain Ultrasound ; Solid line- ROI 1; Spaced Dotted line- ROI2; Closed Dotted line- Secret area Cod. 10148 | Optics | 2209.90 Digital image processing

artículo de investigación / research articlennnn

Security enhanced ROI based reversible watermarking for medical images Amsaveni Avinashiappan, Bharathi Mayilsamy and Jude Hemanth

Fig. 4. Extracted medical images (a) Brain MRI (b) Brain CT scan, (c) Brain Ultrasound

algorithm. The simulation software used to implement this algorithm is MatLab R2018a. As shown in Fig.3, three DICOM images of size 512 x 512, obtained from National Library of Medicine’s(NLM) MedPix database, have been used as cover images in our simulation experiments: (a) Brain MRI, (b) Bain CT scan, and (c) Brain ultrasound.

For simulating the proposed technique, a rectangular shaped ROI is selected in each medical image and patient data is embedded into the ROI1 using Difference Expansion technique. In the

Cover Image

Size of ROI1

same DICOM image a ROI2 region is selected in which the average value of ROI1 and the coordinates of ROI1 are embedded using Integer-to-Integer Wavelet Transform.Fig.4 depicts the cover images after extracting patient data and ROI 1 and ROI2 co-ordinates at the receiver end.

Table 1 displays the results of experiments performed on the three medical images depicted in Figure 3.

As the PSNR values of watermarked and recovered medical images are higher than 45 dB in this algorithm, the watermarking technique is said to be imperceptible. The visible difference in the structural details of the watermarked medical images is negligible because the SSIM values of all medical images are very closer to 1. Similarly, low TPE values suggest that the watermarked medical images are less degraded.

The experimental results of the proposed scheme are compared with two existing schemes [25,26] and summarized in Table 2. The PSNR offered by the proposed scheme is better than then existing schemes.

Table 3 summarizes the experimental results of the proposed watermarking scheme against various attacks. As the BER is 0.1

No. of blocks in ROI1 Size of ROI2

No. of blocks in ROI2

154x172 103 78x64 20 Brain MRI 214x202 168 86x68 22 Brain CT scan 97 72x62 17 Brain Ultrasound 148x164 Table.1 Performance comparison of proposed method in terms of PSNR, SSIM and TPM

Cover image Brain MRI Brain CT Scan Brain Ultrasound

PSNR in dB 51.03 50.56 52.04

SSIM

TPM

0.9607 0.9504 0.9724

0.042 0.053 0.036

PSNR (dB) Existing Scheme [26] 38.21 38.92 38.51

Existing Scheme [25] 48.99 47.18 50.27

Proposed Scheme 51.03 50.56 52.04

Table. 2 Comparison of proposed scheme with the schemes in the literature

Attacks Gaussian Noise (s2 =0.5 ) Poisson Noise Impulse Noise (s2=0.04) Speckle Noise (s2=0.04) Rotation (15°) Scaling (300%) Blurring (15) Cropping (15%)

Bit Error Rate (BER) Brain MRI

Brain CT scan

Brain Ultrasound

0.0010 0.0012 0.0011 0.0014 0.0013 0.0008 0.0012 0.0018

0.0010 0.0012 0.0014 0.0010 0.0012 0.0010 0.0011 0.0015

0.0016 0.0012 0.0014 0.0014 0.0015 0.0011 0.0012 0.0015

Table. 3 Effect of various attacks on BER after embedding watermark into cover image

Attacks

Normalized Correlation Co-efficient (NCC) Brain MRI

Brain CT scan

0.9861 0.9842 Gaussian Noise (s2 =0.5 ) 0.9852 0.9821 Poisson Noise 0.9847 0.9835 Impulse Noise (s2=0.04) 0.9876 0.9875 Speckle Noise (s2=0.04) 0.9811 0.9833 Rotation (15°) 0.9833 0.9820 Scaling (300%) 0.9821 0.9802 Blurring (15) 0.9820 0.9821 Cropping (15%) Table. 4 Effect of various attacks on NCC after embedding watermark into cover image Cod. 10148 | Optics | 2209.90 Digital image processing

Brain Ultrasound 0.9834 0.9832 0.9816 0.9846 0.9832 0.9828 0.9812 0.9814

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de investigación / research article

to 0.2 % of watermarked payload, the algorithm is robust against various attacks.

Table 4 summarizes the NCC values measured against various attacks. As the NCC is about 0.98 against all types of attacks, it is concluded that the extracted cover image almost resembles the original cover image. Hence, the proposed algorithm is said to be reversible.

5.CONCLUSION

In this article, we suggested a reversible watermarking scheme that incorporates DE and Integer-to-Integer wavelet transform.

The DE technique embeds patient’s data into ROI1 and to embed ROI2 coordinates in predefined secret area. The Integer-to-Integer wavelet transform is used to embed data in ROI2. This scheme not only detects the tampered area inside ROI of the watermarked image but also can recover the content of those areas with high visual quality. Besides our scheme is completely lossless in which the data and original image is retrieved perfectly. The peak signal to noise ratio (PSNR) is high which shows that our retrieved image is exactly same as our original image. If any attempt is made by the intruder to retrieve the data by entering the value of the coordinates, then the image gets blurred if the coordinates mismatches with the selected ROI which improves security. Since the BER and NCC are 0.20 percent of the embedded payload and greater than 0.98, the watermarked image can withstand against noise and image processing attacks during transmission.

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216 | ISSN-L: 0012-7361 | 210-216 | Vol. 97 nº2 | Marzo-Abril 2022 | Dyna

Security enhanced ROI based reversible watermarking for medical images Amsaveni Avinashiappan, Bharathi Mayilsamy and Jude Hemanth

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RESUMIDAS PARA LOS AUTORES DE ARTÍCULOS BRIEF PAPER’S INSTRUCTIONS FOR AUTHORS nnnn

23, 24 y 25 de marzo de 2022

• Los artículos deberán ser originales e inéditos y no deben de haber sido enviados simultaneamente a otros medios de comunicación.

• Tendrán siempre preferencia los que versen sobre temas relacionados con el objetivo, cobertura temática y/o lectores a los que se dirige la revista.

• Todos los trabajos serán redactados en castellano o inglés y deberán cumplir los siguientes requisitos: • Título en castellano e inglés de 150 caracteres máximo • Un breve resumen (Abstract), de unas 300 palabras, en castellano e inglés.

• Nombres y apellidos completos de los autores (sin abreviaturas).

• Entre 10 o 12 palabras clave (Key words) en castellano e inglés, que permitan identificar la temática del artículo • No deberían de tener más de 5.500 palabras, o 17 páginas formato A4 en fuente Arial 10 con interlineado simple (Consultar con DYNA extensiones superiores).

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Año 97 | Nº2 | Marzo - Abril 2022

ENGINEERING AND INDUSTRY

Algoritmos de optimización inspirados en la naturaleza

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Protección de imágenes médicas por marca de agua

Adición de fibras de polipropileno a materiales cuasifrágiles

Ensayo de tracción en conductores aéreos

Revista de Ingeniería Multidisciplinar con factor de impacto en JCR

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Efectos del cambio climático en la salud por causa del calor urbano