Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Spectral signature of brown rust and orange rust in sugarcane

ABSTRACT Precision agriculture, making use of the spatial and temporal variability of cultivable land, allows farmers to refine fertilization, control field irrigation, estimate planting productivity, and detect pests and disease in crops. To that end, this paper identifies the spectral reflectance signature of brown rust (Puccinia melanocephala) and orange rust (Puccinia kuehnii), which contaminate sugar cane leaves (Saccharum spp.). By means of spectrometry, the mean values and standard deviations of the spectral reflectance signature are obtained for five levels of contamination of the leaves in each type of rust, observing the greatest differences between healthy and diseased leaves in the red (R) and near infrared (NIR) bands. With the results obtained, a multispectral camera was used to obtain images of the leaves and calculate the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). The results identified the presence of both plagues by differentiating healthy from contaminated leaves through the index value with an average difference of 11.9% for brown rust and 9.9% for orange rust.

RESUMEN: La agricultura de precisión, haciendo uso de la variabilidad espacial y temporal de las tierras cultivables, permite a los agricultores refinar la fertilización, controlar la irrigación de los campos, estimar la productividad de la siembra, así como detectar plagas y enfermedad en los cultivos. Con ese fin, en este trabajo se identifica la firma de reflectancia espectral de la roya parda (Puccinia melanocephala) y la roya naranja (Puccinia kuehnii), que contaminan hojas de caña de azúcar (Saccharum spp.). Mediante espectrometría se obtienen los valores medios y las desviaciones estándares de la firma de reflectancia espectral para cinco niveles de contaminación de las hojas en cada tipo de roya, observándose las mayores diferencias entre hojas sanas y enfermas en las bandas roja (R) e infrarroja cercana (NIR). Con los resultados obtenidos, se utilizó una cámara fotográfica multiespectral para obtener imágenes de las hojas y calcular mediante estas el índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI: Normalized Difference Vegetation Index). Los resultados permitieron identificar la presencia de ambas plagas diferenciando hojas sanas de contaminadas mediante el valor del índice con una diferencia promedio del 11.9% para roya parda y del 9.9% para roya naranja.

Potential infiltration and morphometry in the Arroyo Grande basin, Sucre Colombia

ABSTRACT For areas that supply underground water sources, it is important to identify the conditions of circulation and infiltration of surface water as a fundamental contribution to the recharge, sustainability and protection of aquifers. A study of the potential infiltration capacity considering the geomorphological aspects in the Arroyo Grande basin, Sucre, Colombia is presented. The aquifers of the study area are at risk of water supply due to the intense extraction and contamination by urban discharges in the surface currents of the basin. Morphometric indicators were applied to study the forms and dynamics of currents; For the estimation of the potential infiltration, the curve number method (CN-SCS) was used; all analyzes were performed with GIS tools. The results described the drainage conditions of the surface, identified the areas with the highest Infiltration potential over the Morroa aquifer, and the factors that directly influence the water regulation process.

RESUMEN Para las zonas que se abastecen de fuentes de agua subterráneas, es importante identificar las condiciones de circulación e infiltración del agua superficial como aporte fundamental para la recarga, sostenibilidad y protección de los acuíferos. Se presenta un estudio de la capacidad de Infiltración potencial considerando los aspectos geomorfológicos en la cuenca Arroyo Grande, Sucre, Colombia. Los acuíferos de la zona de estudio están en riesgo de oferta hídrica por la extracción intensa y contaminación por vertimientos urbanos en las corrientes superficiales de la cuenca. Los indicadores Morfométricos se aplicaron para estudio de las formas y dinámica de las corrientes; Para la estimación de la Infiltración potencial se utilizó el método del número de curva (CN - SCS); todos los análisis se realizaron con herramientas SIG. Los resultados describieron las condiciones de drenaje de la superficie, identificaron las zonas de mayor potencial de Infiltración sobre el acuífero Morroa, y los factores que influyen de forma directa en el proceso de regulación hídrica.

Effect of the viscous damping on the seismic response of Low-rise RC frame building

ABSTRACT The equivalent viscous damping is a key parameter in the prediction of the maximum nonlinear response. Damping constitutes a major source of uncertainty in dynamic analysis. This paper studies the effect of using viscous damping, on the reduction of the seismic responses of reinforced concrete RC frame buildings modeled as three-dimensional multi degree of freedom (MDOF) systems, and the use of nonlinear time history analysis as a method of visualized behavior of buildings in the elastic and inelastic range. This study focuses on the implications of the available modeling options on analysis. This article illustrates the effect of using the initial or tangent stiffness in Rayleigh damping in analysis of structures. Correspondingly, this work is also concerned with the estimation of Rayleigh, mass-proportional or stiffness-proportional damping on engineering demand parameters (EDPs). As a result of a series of considerations, a damping modeling solution for nonlinear time history analysis (NLTHA) was carried out to compute the damage index. The application example is a building designed according to reinforced concrete code BAEL 91 and Algerian seismic code RPA 99/Version 2003 under seven earthquake excitations. The simulations demonstrated the accuracy and effectiveness of the proposed method to account for all of the above effects.

RESUMEN El amortiguamiento viscoso equivalente es un parámetro clave en la predicción de la respuesta máxima no lineal. La amortiguación constituye una fuente importante de incertidumbre en el análisis dinámico. Este artículo estudia el efecto del uso de la amortiguación viscosa, en la reducción de las respuestas sísmicas de los edificios de estructuras de concreto reforzado con hormigón reforzado modeladas como sistemas tridimensionales de múltiples grados de libertad, y el uso del análisis de historia de tiempo no lineal como un método de comportamiento visualizado de Construcciones en la gama elástica e inelástica. Este estudio se centra en las implicaciones de las opciones de modelado disponibles en el análisis. Además, este artículo ilustra el efecto del uso de la rigidez inicial o tangente en la amortiguación de Rayleigh en el análisis de estructuras. Este trabajo también se ocupa de la estimación de Rayleigh, la amortiguación proporcional a la masa o la rigidez proporcional en los parámetros de demanda de ingeniería. Como resultado de una serie de consideraciones, se llevó a cabo una solución de modelado de amortiguamiento para el análisis de historial de tiempo no lineal para calcular el índice de daño. El ejemplo de aplicación es un edificio diseñado de acuerdo con el código de hormigón armado BAEL91 y el código sísmico argelino RPA99/2003 bajo siete excitaciones de terremoto. Las simulaciones demostraron la precisión y la eficacia del método propuesto.

Attraction and repulsion forces in melt-textured and sintered YBCO-superconductors: a comparative study

ABSTRACT In this paper, we measure the attraction (suspension) and repulsion (levitation) forces produced by the interaction between a permanent magnet and different bulk superconductors. The measurements of the interaction force HTS-PM were carried out with a relatively simple technique developed by us, which is reproducible, reliable and low cost. The obtained results were analyzed with the Bean’s critical-state model assuming a uniform magnetic field applied to the superconductor. Two superconducting samples of YBa2Cu3O7-δ (YBCO) prepared by solid-state reaction method and by the melt-textured growth method (MTG) were used. Both samples presented a different hysteresis behaviour in the field cooling (FC) and zero field cooling (ZFC) regimes. Levitation and suspension phenomena were observed in the MTG sample; however, the sintered sample (S) with Oxygen deficiencies (δ > 0.15) displayed a slight levitation force but did not show a suspension force, the latter one attributed to a more efficient magnetic flux pinning. Additionally, the critical current density of both samples was determined from the maximum gap of the force (ΔF) in the FC regime. The obtained values were between 43.00 A/cm2 and 2,758 A/cm2 for the sintered and MTG samples, respectively. These values show a remarkable difference between sintered and MTG samples like that observed from magnetization measurements, which indicate that attraction and repulsion force measurements could provide a rapid and reliable characterization method of polycrystalline superconducting samples.

RESUMEN En este artículo medimos las fuerzas de atracción (suspensión) y repulsión (levitación) producidas por la interacción entre un imán permanente y diferentes superconductores. Las medidas de la fuerza de interacción HTS-PM fueron realizadas en un dispositivo sencillo, confiable y de bajo costo. Los resultados obtenidos fueron analizados utilizando el Modelo de Estado-Crítico propuesto por Bean bajo la suposición de un campo magnético uniforme aplicado al superconductor. Se utilizaron dos muestras superconductoras de YBa2Cu3O7-δ preparadas por el método de reacción de estado sólido (S) y por el método de texturizado y fundido (MTG). Las muestras presentaron diferente comportamiento de histéresis en los regímenes de field cooling (FC) y zero field cooling (ZFC). Los fenómenos de levitación y suspensión se observaron en la muestra MTG; sin embargo, la muestra sinterizada con deficiencias de oxígeno (δ > 0,15) sólo mostró una ligera fuerza de levitación, aunque no de suspensión, esta última propiedad atribuida a un anclaje del flujo magnético más eficiente. Se determinó la densidad de corriente crítica en ambas muestras a partir del máximo gap de la fuerza (∆F) en el régimen FC. Los valores obtenidos están entre 43,00 A/cm2 y 2.758 A/cm2 para la muestra sinterizada y MTG respectivamente. Las diferencias observadas entre las dos muestras coinciden con las determinadas a partir de medidas de magnetización, lo cual indica que estas medidas podrían utilizarse para una rápida caracterización de muestras superconductoras policristalinas.

The solid waste in Colombia analyzed via gross domestic product: Towards a sustainable economy

ABSTRACT The main goal in this research is to study the Colombia’s solid waste in relation to the general trends of the gross domestic product of the country, a more general overview of the situation with respect to other neighbor countries and some leading economies. The method followed was the analysis and processing of the official and unofficial data of the country, for constructing useful information such as the gross domestic product (GDP), discussed in relation to the generated waste. Since waste related issues demand and requires multi-disciplinary solutions, legal and cultural aspects are also considered in the discussion. The main contribution of this research is new, analized and consolidated data regarding the current economic model in Colombia towards the implementation of a sustainable economy, presented with respect to Latin American and to some leading world economies as well. The investigation has been focused on the sectors that are less-known with respect to the solid waste generation, particularly to the GDP of the construction and demolition waste, and mining wastes, which are of great interest in Colombia for its type of industry.

RESUMEN El principal objetivo de esta investigación es estudiar los residuos sólidos de Colombia con respecto a la tendencia general del producto interno bruto del país. El método seguido fue el análisis y el procesamiento de datos oficales y no oficiales para construir información útil, tal como el producto interno bruto, discutido con respecto a los residuos generados. Dado que los problemas de los residuos generados exigen y requieren soluciones multidisciplinares, los aspectos legales y culturales también se consideran en la discusión. La principal contribución de esta investigación son los datos nuevos, analizados y consolidados con respecto al modelo económico actual en Colombia para la implementación de una economía sostenible, presentada con respecto a América Latina y a algunas de las principales economías mundiales. La investigación se ha centrado en los sectores que están menos desarrollados con la generación de desechos sólidos, particularmente con el PIB de los desechos de construcción y demolición, y desechos mineros, que son de gran interés en Colombia por su tipo de industria.

Redesign of a water quantity, quality, and sediment-monitoring network in a tropical region

ABSTRACT The CORNARE region, located in Antioquia (Colombia), required a redesign of its water quantity, quality, and sediment-monitoring network, in order to collect convincing data to help decision-makers to respond to different technical and environmental issues. This paper proposes a methodology which is based on secondary information and which employs Geographical Information System -GIS- tools and knowledge of the region, given that historical data are unavailable in most of the region. Although the main methodology, which applied physical, anthropic, and economic factors was the same for all networks, specific strategies were used for water quantity, quality, and sediment networks in the region. These used expert criteria and weight distance methods. The results were satisfactory. Macro-location was implemented for the sites monitored in the CORNARE region, and this indicated that the proposed methodology was adequate for tropical Andean watersheds, where historical data were insufficient and did not permit the use of more complex techniques. This methodology integrates water quantity, water quality and sediment in an integrated hydrological monitoring network.

RESUMEN La región de CORNARE, ubicada en Antioquia (Colombia), requirió un rediseño de su red de monitoreo de sedimentos, cantidad y calidad de agua, con el fin de recopilar datos convincentes para ayudar a los tomadores de decisiones a responder a diferentes problemas técnicos y ambientales. Este artículo propone una metodología que se basa en información secundaria y que emplea herramientas de Sistemas de Información Geográfica SIG y el conocimiento de la región, dado que los datos temporales de las series históricas no están disponibles en la mayor parte de la región. Si bien la metodología principal, que aplica factores físicos, antrópicos y económicos, fue la misma para todas las redes, se utilizaron estrategias específicas para las redes de monitoreo de cantidad de agua, calidad de sedimentos en la región. Estos factores fueron seleccionados de acuerdo con criterios de expertos y métodos de distancia y de peso. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios. Se implementó la macro localización para los sitios de monitoreo en la región de CORNARE, lo que indicó que la metodología propuesta es adecuada para las cuencas hidrográficas andinas tropicales, donde los datos temporales históricos son insuficientes y no permitía el uso de técnicas más complejas. Esta metodología integra la redes de monitoreo de cantidad de agua, de calidad del agua y de los sedimentos en una red integrada de monitoreo hidrológico.

Cr(VI) biosorption: Effect of temperature, particle size and bed height

ABSTRACT The present work aimed to evaluate the effect of temperature, particle size and bed height of the chromium (VI) adsorption process using plantain peels in a continuous system. The experiment was carried out on a packed bed column, adjusting the feed temperature of the solution with a REX-C100 controller coupled to a type K thermocouple. The initial concentration of Cr (VI) was set at 100 ppm, the pH at 2 and the feed rate of 0.75 mL/s. The analyses were performed by UV-Vis spectroscopy using the colourimetric method of 1.5-diphenylcarbazide. The material was characterized by infrared spectrometry by Fourier Transforms (FTIR), from this analysis, it was determined that the OH and NH2 functional groups are the main responsible for the formation of complexes with the cations in solution. Also, it was established that only the particle size is statistically significant. According to the response surface analysis, the optimum conditions of the process were 353.15 K, a particle size of 0.819 mm and a bed height of 67.768 mm. From the thermodynamic study of the process, it is established that it is endothermic and the chemical adsorption prevails in it. The results obtained in the process modelling suggest that Dose-Response can be used reliably to scale the process.

RESUMEN El objetivo de la presente investigación fue evaluar el efecto de la temperatura, tamaño de partícula y altura de lecho del proceso de adsorción de Cromo (VI) usando cáscaras de plátano en sistema continuo. La experimentación se realizó en una columna de lecho empacado, ajustando la temperatura de alimentación de la solución con un controlador REX-C100 acoplado a un termopar tipo K. La concentración inicial de Cr (VI) fue fijada en 100 ppm, el pH en 2 y el caudal de alimentación de 0,75 mL/s. Los análisis fueron realizados por espectroscopia UV-Vis usando el método colorimétrico de la 1,5-Difenilcarbazida. La caracterización del material se realizó mediante espectrometría infrarroja por Transformadas de Fourier (FTIR), a partir de este análisis se determinó que los grupos funcionales OH y NH2 son los principales responsables de la formación de complejos con los cationes en solución. Además, se estableció que solo el tamaño de partícula es estadísticamente significativo. De acuerdo con el análisis de superficie de respuesta, las condiciones óptimas del proceso fueron 353.15 K, tamaño de partícula de 0,819 mm y altura de lecho de 67,768 mm. Del estudio termodinámico del proceso, se establece que es endotérmico y prevalece una adsorción química en el mismo. Los resultados obtenidos en el modelado del proceso sugieren que el modelo de Dosis-Respuesta se puede usar de manera confiable para escalar el proceso.

Hotspots, daily cycles and average daily dose of PM_2.5 in a cycling route in Medellin

ABSTRACT Bicycle sharing systems are an alternative to promote sustainable transportation and active living. Bicycle users are exposed to traffic and to pollutants in their trips; therefore, the analysis of pollutant concentrations and user exposure is of utmost importance for planning the expansion of creation of these transportation systems. In order to evaluate the concentrations and exposure of cyclists to PM2.5, we designed a route within the bicycle sharing system of Medellin and implemented a sensor-based monitoring protocol. Measurements were carried out with a low-cost sensor validated with local information. Potential average daily dose of PM2.5 was calculated based on the average time of exposure and the level of effort made by the user while riding. Hotspots were identified as the zones on the route with concentrations three standard deviations above the average for each route. PM2.5 concentrations were found to be highly variable in terms of hour of the day and season of the year. When the concentrations are higher, the potential average daily dose is doubled. There are two types of hotspot according to the built environment configuration on the route, and the concentrations in these hotspots are reaching values considered as harmful for sensitive population groups. The present results are key for the discussion leading to the implementation of measures that will improve the welfare of cyclists in Medellin, that may span from infrastructure intervention to early warning systems.

RESUMEN Los sistemas de bicicletas compartidas son una alternativa para promover el transporte sostenible y la vida activa. Los ciclistas están expuestos al tráfico y a contaminantes en sus viajes; por lo tanto, el análisis de concentraciones de contaminantes y la exposición de los usuarios es importante para planificar la expansión de estos sistemas. Diseñamos una ruta dentro del sistema de bicicletas compartidas de Medellín para evaluar concentraciones y la exposición de ciclistas a PM2.5, las mediciones se realizaron con un sensor de bajo costo validado con información local. La dosis diaria promedio de PM2.5 se calculó con base en el tiempo promedio de exposición y el nivel de esfuerzo al usar la bicicleta. Los puntos críticos se identificaron como las zonas en la ruta con concentraciones de tres desviaciones estándar por encima del promedio. Se encontró que las concentraciones de PM2.5 son muy variables en términos de hora del día y temporada del año. Cuando las concentraciones son más altas, la dosis diaria promedio se duplica. Hay dos tipos de puntos críticos de acuerdo con la configuración del entorno en la ruta, y las concentraciones en estas zonas alcanzan valores considerados perjudiciales para grupos de población sensibles. Los resultados son clave para procesos de implementación de medidas que mejorarán el bienestar de los ciclistas en Medellín, que pueden abarcar desde la intervención de infraestructura hasta los sistemas de alerta temprana.

Study of the lateral vibration in a multistage rotor

ABSTRACT This paper presents the development of theoretical and experimental models for the study of rotodynamic behavior of a multistage rotor. The transfer matrix method, which includes the characteristics of stiffness and damping for the supports and the stages respectively as well as the characteristics of unbalance in the stages, is used for the theoretical model. The data from a physical model was employed as a way of validating the theoretical results. The first two critical speeds were determined with the theoretical model and they differ in a low percentage with respect to the values measured experimentally. Moreover, the vibration level recorded in the physical model rises 2.5 times when the multistage rotor approaches the first two critical speeds. In addition to this, significant displacements of the lateral critical speeds are noticeable when an increase in mass imbalance is induced in several of the rotor impellers.

RESUMEN Este artículo presenta el desarrollo de modelos, teórico y experimental, para el estudio del comportamiento rotodinámico de un rotor multietapas. El modelo teórico se obtiene a partir de las ecuaciones de Lagrange y se resuelve empleando el método de la matriz de transferencia. En el análisis se incluyen las características de rigidez y amortiguamiento de los apoyos y de las diferentes etapas del rotor, así como el desbalance másico de estas últimas. Como vía de validación de los resultados teóricos se emplearon los datos provenientes de un modelo físico rotodinámico, especialmente desarrollado para la investigación. Las dos primeras velocidades críticas fueron determinadas con el modelo teórico y difieren en un bajo porcentaje con respecto a los valores medidos experimentalmente. Por otro lado, el nivel de vibración registrado en el modelo físico se eleva 2,5 veces cuando el rotor multietapas se aproxima a cualquiera de las primeras dos velocidades críticas. Adicionalmente, se describe un corrimiento apreciable en la magnitud de las velocidades críticas laterales cuando se aumenta el desbalance másico en varios de los impulsores del rotor.

A model for collection of Waste Electrical and Electronical Equipment in Metropolitan Area of Bucaramanga

ABSTRACT In this paper, a model for the collection of waste electrical and electronic equipment is designed based on a problem of location and vehicle routing. Two main phases are carried out: The localization phase, in which the WEEE collection points are defined from a series of potential points, involving the novelty about the assignment of different types of devices to each of those points. And, the routing phase in which the collection routes are designed to minimize the associated costs. A case study is analyzed for the collection of WEEE in communes 6, 7 and 8 of Bucaramanga. For the localization phase, a mixed integer linear programming model is developed, which is solved with the GAMS software. The capacitated vehicle routing problem CVRP is addressed with the objective of minimizing the costs associated with the distance traveled by the vehicle for each of the assigned collection points, and a GRASP metaheuristic with local search operators is proposed as a solution technique to solve this second phase. The algorithm was programmed in MATLAB Software and validated with instances of the literature, showing good results for the defined case study.

RESUMEN En este artículo se diseña un modelo de recolección de equipos eléctricos y electrónicos, como un problema de localización y ruteo de vehículos. El modelo es planteado en dos fases, a saber: la primera fase de localización, en la cual los puntos de recolección de desechos son definidos entre un conjunto potencial de ellos e involucran como aspecto novedoso, la asignación de diversos dispositivos para la recolección; y una segunda fase de ruteo de vehículos, donde se trazan las rutas para la recolección minimizando el costo asociado. Este modelo es probado en un caso de estudio en las comunas 6, 7 y 8 de Bucaramanga. Para la fase de localización, se desarrolla un modelo de programación lineal entera mixta y se resuelve a través del software GAMS. Luego, el ruteo de vehículos capacitado (CVRP por su sigla en inglés) se trabaja en la segunda fase asociado a la minimización de los costos de viaje entre los puntos de recolección definidos, y como técnica de solución se propone en este trabajo una metaheurística GRASP con operadores de búsqueda local para resolver esta segunda fase. El algoritmo propuesto fue programado en el software MATLAB y es probado con instancias de la literatura, mostrando buenos resultados para el caso de estudio tratado.