Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

An overview of asphalt pavement design for streets and roads

ABSTRACT Pavements constitute a geotechnical problem since they are built on the ground and with materials obtained from it: untreated, such as soils and rocks, and processed as hydraulic and bituminous binders; consequently, a geotechnical framework is useful to describe their constitutive elements. The design of asphalt pavements for streets and roads evolved from empiric to mechanistic-empiric (M-E) procedures throughout the 20th century. The mechanistic-empiric method, based on layered elastic theory, became a common practice with the publication of separate procedures by Shell Oil, Asphalt Institute, and French LCPC, among others. Since its origin, the M-E procedure can consider incremental pavement design but, only until the beginning of the 21st century, the computational power became available to practicing engineers. American MEPDG represents the state-of-the-art M-E incremental design procedure with significant advantages and drawbacks, the latter mainly related to the extensive calibration activities required to assure a proper analysis and design according to subgrade, climate, and materials at a particular location and for an intended level of reliability. Perpetual pavements are a subset of M-E designed pavements with a proven history of success for the conditions where they are warranted. No design method, either the most straightforward empirical approach or the most elaborated incremental mechanistic one, is appropriate without proper knowledge about the fundamental design factors and calibration of the performance models for each distress mode upon consideration.

RESUMEN Los pavimentos constituyen un problema geotécnico pues se construyen sobre el terreno con materiales obtenidos del mismo: no tratados, como suelos y rocas, y procesados como los aglomerantes hidráulicos y bituminosos; en consecuencia, el marco de referencia geotécnico es útil para describir sus elementos. El diseño de pavimentos asfálticos evolucionó de procedimientos empíricos a mecanicistas-empíricos (M-E) durante el siglo veinte. El método mecanicista-empírico, basado en la teoría de capas elásticas, se convirtió en una práctica con la publicación de los procedimientos de la Shell Oil, el Asphalt Institute y el LCPC, entre otros. Desde su origen, el procedimiento M-E consideró el diseño incremental del pavimento, sin embargo, solo hasta comienzos del siglo veintiuno se dispuso de la potencia computacional necesaria. La MEPDG representa el estado del arte del diseño incremental con avances e inconvenientes significativos, estos últimos relacionados con las actividades de calibración requeridas para el adecuado análisis y diseño según la subrasante, clima y materiales del sitio y para un nivel requerido de confiabilidad. Los pavimentos perpetuos son un subconjunto diseñado con el método M-E y con una trayectoria exitosa para las condiciones en las cuales son apropiados. Ningún método de diseño, desde la aproximación empírica más sencilla hasta el más complejo método mecanicista incremental, es adecuado sin un conocimiento satisfactorio de los factores de diseño y la calibración de los modelos de comportamiento para cada modo de daño.

Nonintrusive energy disaggregation by detecting similarities in consumption patterns

ABSTRACT Breaking down the aggregated energy consumption into a detailed consumption per appliance is a crucial tool for energy efficiency in residential buildings. Non-intrusive load monitoring allows implementing this strategy using just a smart energy meter without installing extra hardware. The obtained information is critical to provide an accurate characterization of energy consumption in order to avoid an overload of the electric system, and also to elaborate special tariffs to reduce the electricity cost for users. This article presents an approach for energy consumption disaggregation in households, based on detecting similar consumption patterns from previously recorded labelled datasets. The experimental evaluation of the proposed method is performed over four different problem instances that model real household scenarios using data from an energy consumption repository. Experimental results are compared with two built-in algorithms provided by the nilmtk framework (combinatorial optimization and factorial hidden Markov model). The proposed algorithm was able to achieve accurate results regarding standard prediction metrics. The accuracy was not affected in a significant manner by the presence of ambiguity between the energy consumption of different appliances or by the difference of consumption between training and test appliances.

RESUMEN Desglosar el consumo energético agregado en un consumo detallado por electrodoméstico es una herramienta crucial para la eficiencia energética en edificios residenciales. El monitoreo no intrusivo de consumo energético permite implementar esta estrategia usando solo un medidor de energía inteligente, sin instalar hardware adicional. La información obtenida es crítica para caracterizar el consumo de energía con el fin de evitar sobrecargas del sistema eléctrico y para elaborar tarifas que reduzcan los costos de electricidad de los usuarios. Este artículo presenta un enfoque para la desagregación del consumo de energía en hogares, basado en la detección de patrones similares de consumo en conjuntos de datos registrados previamente. La evaluación experimental se realiza en cuatro instancias que modelan escenarios de hogares reales utilizando datos de un repositorio de consumo de energía. Los resultados experimentales se comparan con algoritmos del entorno de trabajo nilmtk (optimización combinatoria y modelo oculto de Markov factorial). El algoritmo propuesto alcanzó resultados precisos, de acuerdo con métricas estándar de predicción. La precisión no fue afectada significativamente por la presencia de ambigüedad entre el consumo de energía de diferentes dispositivos o por la diferencia de consumo entre los dispositivos de entrenamiento y de validación.

Optimal energy management strategies to reduce diesel consumption for a hybrid off-grid system

ABSTRACT Although climate change is a reality, many off-grid communities continue to use diesel generators for electricity supply. This document presents a strategy to reduce diesel consumption in an out-of-grid system formed by renewable sources (PV-HKT-WT-DG). Three energy dispatch strategies have been proposed to verify the impact on diesel consumption and generator operating hours. In addition, different energy storage technologies (acid lead, lithium-ion, vanadium redox flow, pump storage and supercapacitor) have been considered. The HOMER software has been used to calculate the optimal size of the systems through technical-economic indicators. The results show that it is possible to reduce diesel consumption progressively; however, the cost of energy increases. On the other hand, when using lithium-ion batteries under charge cycle control, the penetration of the diesel generator has been greatly reduced without affecting the cost of the system. Finally, sensitivity analyzes have shown that when demand increases, diesel consumption does not increase significantly by using redox vanadium flow batteries, whereas the diesel generator operating hours decrease significantly in all systems.

RESUMEN Aunque el cambio climático es una realidad, muchas comunidades fuera de la red continúan utilizando generadores diesel para suministrar electricidad. Por lo tanto, este documento presenta una estrategia para reducir el consumo de diesel en un sistema fuera de la red formado por fuentes renovables (PV-HKT-WT-DG). Se han propuesto tres estrategias de despacho de energía para verificar el impacto en el consumo de diesel y las horas de operación del generador. Además, se han considerado diferentes tecnologías de almacenamiento de energía (plomo ácido, iones de litio, flujo redox de vanadio, almacenamiento de bomba y supercondensador). El software HOMER se ha utilizado para calcular el tamaño óptimo de los sistemas a través de indicadores técnico-económicos. Los resultados muestran que es posible reducir el consumo de diesel progresivamente, sin embargo el costo de la energía aumenta. Por otro lado, al usar las baterías de ion litio bajo el control ciclo de carga, la penetración del generador diesel se ha reducido considerablemente sin afectar al costo del sistema. Finalmente, los análisis de sensibilidad han demostrado que: al incrementarse la demanda, el consumo de diesel no incrementa significativamente al usar baterías de flujo de vanadio redox y las horas de operacion del generador diesel disminuyen considerablemente en todos los sistemas.

Properties of modified concrete with crumb rubber: Effect of the incorporation of hollow glass microspheres

ABSTRACT In this study, the effect of incorporating hollow glass microspheres (HGM) on the mechanical properties of modified concrete with CR (crumb rubber) was evaluated. Different concrete samples replacing 15% of fine aggregates (total weight of CR + HGM = 15%) were prepared. It was found that the increase in the microsphere content was directly proportional to the slump, compressive strength, and the modulus of elasticity. The increase in the microsphere content was inversely proportional to density. Additionally, we found that in the modified concrete, the width, height and the number of cracks increased as the HGM content increases. The combined sample HGM12.5-CR2.5 (the one with the highest content of microspheres) resulted in concrete with the highest compressive strength of 19.1 MPa, which is 243% stronger than the concrete with only crumb rubber (9.2 MPa). From the XRD results, we were able to detect the presence of different phases formed by hydration during the process of preparing concrete mixtures. The micrographs allowed identifying the fracture in the microspheres during the preparation of the concrete mixtures when they came into contact with the aggregates. The addition of hollow glass microspheres to the mixtures prepared from crumb rubber improved their mechanical properties, and this makes it a potential system that can replace the traditional materials in the production of concrete.

RESUMEN Este estudio se evaluó el efecto de la incorporación de microesferas de vidrio en las propiedades mecánicas de concretos modificados con residuos de llantas (CR). Se prepararon especímenes cilíndricos con reemplazos del 15% de los agreados finos (peso total = peso HGM + peso CR). Se encontró que un incremento en el contenido de microesferas fue directamente proporcional al asentamiento, la resistencia a la compresión y al modulo de elasticidad. El incremento en el contenido de microesferas fue inversamente proporcional a la densidad. Adicionalmente, se encontró que en los concretos modificados, el ancho, la altura y el numero de grietas aumenta con el aumento en el contenido de microesferas. La mezcla combinada HGM12,5-CR2,5 (la de mayor contenido de microesferas) resultó ser la de mayor resistencia a la compresión, 19,1 MPa, la cual presenta un aumento del 243% con respecto a la muestra preparada solo con llantas trituradas 9,2 MPa. Los resultados de DRX permitieron identificar la presencia de fases cristalinas formadas en las mezclas con adición de microesferas. Adicionalmente, las micrografías permitieron identificar fracturas en las microesferas, durante la preparación de las mezclas de concreto, al entrar en contacto con los agregados. La adición de microesferas a las mezclas preparadas a partir de llantas trituradas mejora las propiedades mecánicas y se convierte en un sistema potencial como reemplazo de los materiales tradicionales en la elaboración de concreto.

Numerical study of airfoil with wavy leading edge at high Reynolds number regime

ABSTRACT In this work, a numerical study of flow around an airfoil with wavy leading edge is presented at a Reynolds number of 3X106. The flow is resolved by considering the RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) equations. The baseline geometry is based on the NACA 0021 profile. The wavy leading edge has an amplitude of 3% and wavelength of 11%, both with respect to the airfoil chord. Cases without and with wavy leading edges are simulated and compared. Initially, studies of the numerical sensitivity with respect to the obtained results, considering aspects such as turbulence modeling and mesh refinement, are carried out as well as by comparison with corresponding results in the literature. Numerical data such as pressure distribution, shear stress lines on the wing surface, and aerodynamics coefficients are used to describe and investigate the flow features around the wavy leading airfoil. Comparisons between the straight leading edge and the wavy leading edge cases shows an increase of the maximum lift coefficient as well as stall angle for the wavy leading edge configuration. In addition, at an angle of attack near the stall, the present numerical results shows an increase of the drag coefficient with the wavy leading edge airfoil when compared with the corresponding straight leading edge case.

RESUMEN En este trabajo, se presenta un estudio numérico del flujo alrededor de una superficie con borde de ataque ondulado a un número de Reynolds de 3X106. El flujo se resuelve considerando las ecuaciones RANS (Reynolds Average Navier-Stokes). La geometría de referencia se basa en el perfil NACA 0021. El borde de ataque ondulado tiene una amplitud del 3% y una longitud de onda del 11% respecto a la cuerda media aerodinámica. Casos con y sin borde ondulados son simulados y se comparan. Inicialmente, se llevan a cabo estudios respecto a la validación numérica de las simulaciones, considerando aspectos como el modelado de turbulencias y el refinamiento de malla, además de la comparación con los resultados correspondientes en la literatura. Datos numéricos, como la distribución de la presión, las líneas de esfuerzo cortante en la superficie del ala y los coeficientes aerodinámicos se utilizan para describir e investigar las características del flujo alrededor del perfil ondulado. Las comparaciones entre los casos con borde de ataque recto y borde ondulado muestran un aumento del coeficiente de elevación máximo para la configuración con borde de ataque ondulado. Además, en un ángulo de ataque cerca de la pérdida de sustentación, los resultados numéricos presentados, muestran que el valor del coeficiente de arrastre es mayor para el perfil del borde de ataque ondulado que el de borde de ataque recto.

Biomass gasification under external heating and using steam as a gasifying agent: Numerical analysis

ABSTRACT Gasification using an external heat source is considered as a high potential alternative to take high moisture content biomass into a fuel gas. This gas could reach energy densities close to 12 MJ/Nm3, which allows its use as a fuel in conventional thermal machines or as a precursor for higher fuel gases. Given this, in the present work allothermal gasification for a 50 %w.t. moisture content biomass was analyzed computationally aiming to yield a high hydrogen content syngas. Using a power supply of 8 kW, the dry tar-free gas yield was around 51.9 mol/kg of biomass with an average concentration of 45.7% CO, 44.8% H2, 4.8% CH4 and 4.6% CO2. A peak temperature of 1,070 K and 33% for chemical efficiency were achieved. In spite of using homogeneous heating along the reactor wall, the process temperature decreases near the gas outlet. This is due to solid material depletion decreasing the process thermal inertia. During the final stages, H2 and CO concentration also record an increase due to the endothermic carbon gasification as well as water-gas shift and methanation reactions.

RESUMEN La gasificación con fuente de calor externa se presenta como una alternativa de gran potencial para la generación de gas combustible a partir de biomasas con alto contenido de humedad. Mediante este proceso se obtiene un gas con densidades energéticas cercanas a 12 MJ/Nm3 característica que le permite ser utilizado directamente en máquinas térmicas o como precursor de otros combustibles de mayor calidad. Considerando lo anterior, en el presente trabajo se analiza computacionalmente el proceso de gasificación alotérmica de biomasa lignocelulosa con 50% de humedad con miras a la generación de gas de síntesis con alto contenido de hidrógeno. Para un suministro de potencia de 8 kW, la tasa de producción de gas seco fue de 51.9 mo l gas /k g bms y su concentración promedio de 45.7% CO, 44.8% H2, 4.8% CH4 y 4.6% CO2 con temperaturas máximas cercanas a 1,070 K y eficiencia química de 33%. A pesar de utilizar un suministro de calor homogéneo para el calentamiento del reactor, su temperatura disminuye sutilmente cerca a la salida del mismo debido a la reducción del material sólido y a la consecuente disminución de la inercia térmica del sistema. Durante las últimas etapas se tienen incrementos en la concentración del H2 y el CO debido a la contribución de las reacciones endotérmicas de gasificación del carbón, agua-gas y metanación.

A kinetic study of the photoinduced oxo-transfer using a Mo complex anchored to TiO₂

ABSTRACT Kinetic study of the photo-assisted oxygen atom transfer reaction (OAT) using a dioxo-Mo complex anchored on TiO2, stimulated by light, was performed at ambient conditions using triphenylphosphine (PPh3) as a model molecule. The kinetic of the OAT reaction was studied with three catalytic systems: 4,4’-dicarboxylate-2,2’-bipyridine-dioxochloromolybdenum (MoO2L/TiO2), H2MoO4 (H2MoO4/TiO2) and molybdenum oxide (MoO3/ TiO2) anchored to TiO2. The MoO2L/TiO2 gives conversion higher than 90% and selectivity (to phosphine oxide) close to 100%. MoO3/TiO2 did not allow the oxo-transference, suggesting the importance of the bipyridine ligand as an electronic connector between MoO2L unit and TiO2. With the MoO2L/TiO2 system was observed that when the photonic flux increases, the quantum yield, and the OAT reaction rate increases.

RESUMEN El estudio cinético de la reacción de transferencia de átomos de oxígeno (TAO) foto asistida se estudió usando un complejo de dioxo-Mo anclado al TiO2, estimulada por la luz en condiciones ambientales usando trifenilfosfina como molécula modelo. La cinética de la reacción TAO fue estudiada con tres sistemas catalíticos anclados al TiO2: 4,4’-dicarboxilato-2,2’-bipiridina-dioxocloromolibdeno (MoO2L/TiO2), H2MoO4 (H2MoO4/TiO2) y óxido de molibdeno (MoO3/ TiO2).. El catalizador MoO2L/TiO2 permitió la conversión más alta del 90% y una selectividad (al óxido de fosfina) cercana al 100%. MoO3/TiO2 no permitió la oxo-transferencia sugiriendo la importancia del ligando bipiridinico como una conexión electrónica entre la unidad MoO2L y el TiO2. Adicionalmente, se observó que cuando se incrementa el flujo fotónico, el rendimiento cuántico y la concentración inicial de la PPh3, aumenta la velocidad de reacción de la TAO para el sistema MoO2L/TiO2.

Passengers’ comfort in horizontal curves on mountain roads: A field study using lateral accelerations

ABSTRACT The comfort of passengers is one of the most significant advances in modern passenger transport. Despite its subjectivity, it could be related to the lateral accelerations on horizontal curves. This study aimed to analyze the relationship between passengers' comfort and lateral acceleration in two-lane rural mountain roads. Real-vehicle experiments were performed with 58 passengers on one road in the Ecuadorian Andes. They explored the influence of age, sex, level of stress, level of physical pain, speed, and lateral acceleration on passenger comfort. Two instruments were employed to collect data: a survey conducted to the passengers and a precise GPS device. In the survey, the passengers selected their comfort or discomfort within the curve. The GPS collected the vehicle speed, lateral accelerations and, its trajectory. As a result, it calibrated two models using Structural Equation Modeling (SEM) with the factors: comfort values, stress level and lateral acceleration. Besides, it calibrated six models using linear regression with several thresholds of speed. Differences were found between right and left curves, which had not been detected by previous researchers. The research suggests thresholds of lateral acceleration in mountain roads in a Latin American country that would improve their design for better performance and safety.

RESUMEN La comodidad del pasajero es uno de los avances más significativos en el transporte moderno. A pesar de su subjetividad, se la puede relacionar con las aceleraciones laterales en curvas horizontales. Este estudio tuvo como objetivo analizar la relación entre la comodidad del pasajero y la aceleración lateral en carreteras rurales de dos carriles en zonas montañosas. Se realizaron experimentos con vehículos in-situ donde participaron 58 pasajeros en los Andes ecuatorianos. Se explora la influencia de la edad, género, nivel de estrés, nivel de dolor físico, velocidad y aceleración lateral con la comodidad del pasajero. Se utilizaron dos instrumentos para recopilar datos: encuesta a los pasajeros y un dispositivo GPS de precisión. En la encuesta, el pasajero seleccionó su comodidad o molestia durante la circulación en la curva. El GPS recopiló la velocidad del vehículo, aceleraciones laterales y trayectoria. Como resultado, se calibraron dos modelos usando los modelos de ecuaciones estructurales (SEM por sus siglas en inglés) con los factores: valores de confort, nivel de strees y aceleración lateral. Además, se calibraron seis modelos usando regresión lineal con varios umbrales de velocidad. Se encontraron diferencias entre la curva derecha e izquierda, que no fueron detectadas anteriormente. La investigación propone umbrales de aceleración lateral en carretera de montaña en un país de América Latina, lo que ayudaría a mejorar el diseño geométrico de la carretera para un mejor rendimiento y seguridad.

Strategic planning of freight transportation to support smart cities design: The Brazilian soybean case

ABSTRACT Freight transportation can impact the effectiveness of smart city development if it is not well planned. Commodities with international flows such as soy can cause traffic in urban areas where ports are installed, negatively influencing economic (e.g. delays and fines), social (e.g. population quality of life) and environmental (e.g. intensification of pollutant and greenhouse gases emissions) dimensions. Thus, this paper aims to apply a location-allocation mathematical model to determine the ideal location of logistics integration centers - LICs dedicated to soybean transportation. We believe that, by properly locating structures that allow intermodality, the use of road transport would decrease by replacing it with intermodal alternatives with less environmental impact, reducing road congestion in urban centers under port influence. In addition, the total costs of the network would be optimized, promoting positive economic impacts on the soybean logistics chains. Therefore, eight scenarios were established varying the model's input parameters (such as investment and minimum volume of soybean moved through a LIC). The model was implemented in the Mosel language using the Xpress IVE solver version 1.24.24. The costs of each scenario were investigated, and the benefits related to the currently configuration (with no LIC) were pointed out. In the end, it was observed that the applied model might support government strategic planning (including, here, the design of smart cities).

RESUMEN El transporte de carga puede afectar la efectividad del desarrollo de una ciudad inteligente si no está bien planificado. Los productos con flujos internacionales como la soja pueden causar congestión en las áreas urbanas donde se instalan los puertos, lo que afecta negativamente las dimensiones económicas, sociales y ambientales. Por lo tanto, este artículo tiene como objetivo aplicar un modelo matemático de ubicación y asignación para determinar la ubicación ideal de los centros de integración logística - CIL para el transporte de soja. Se entiende que, al ubicar adecuadamente las estructuras que permiten la intermodalidad, el uso del transporte por carretera se reduciría al reemplazarlo con alternativas intermodales con menos impacto ambiental y eso reduciría la congestión vial en los centros urbanos bajo influencia portuaria. Además, habría una optimización de los costos totales de la red, promoviendo impactos económicos positivos en las cadenas logísticas de la soja. Con este fin, se establecieron ocho escenarios que varían los parámetros de entrada del modelo (como la inversión y el volumen mínimo de movimiento). El modelo se implementó en el Mosel utilizando el solucionador Xpress IVE versión 1.24.24. Se investigaron los costos de cada escenario y se señalaron los beneficios relacionados con la configuración actual (sin CIL). Al final, se observó que el modelo aplicado puede apoyar la planificación estratégica del gobierno (incluido, aquí, el diseño de ciudades inteligentes).

Molecular dynamics simulations of Alzheimer's BACE1 and BACE2 transmembrane domains in neurons: Impact of cholesterol

ABSTRACT Molecular dynamic (MD) simulation is an approach frequently employed in computational biology for exhaustive sampling of the protein-ligand conformational space. Hence, it is useful for structural analysis and the study of molecular interactions. In this study, we report on a MD simulation protocol to understand the dynamics of β-secretase 1 (BACE1) and 2 (BACE2), widely known to play a critical role in the etiology of Alzheimer’s disease, by a structure change evaluation of their transmembrane domains while inserted in a simulated neural membrane system. We considered two different levels in membrane cholesterol content. Because there is no evidence supporting the capacity of BACE1 and BACE2 to exist as a dimer, single and double (BACE1/BACE1, BACE2/BACE2, BACE1/BACE2) systems, either in parallel or antiparallel orientation, were prepared for each run. Analysis of tridimensional structure of BACE1 and BACE2, after 10ns of MD simulation, revealed a correlation between higher cholesterol levels and both peptide refolding and changes in the secondary structure of both transmembrane domains in single and double systems. Interestingly, our results also indicate a potential interaction in the double system BACE2/BACE2, particularly when the domains had an antiparallel orientation.

RESUMEN Las simulaciones de dinámica molecular (MD) son una aproximación que se emplea frecuentemente en biología computacional para muestreo exhaustivo del espacio conformacional proteína-ligando. Por este motivo, son útiles para el análisis estructural y el estudio de interacciones moleculares. En este estudio, reportamos sobre el protocolo de simulación MD para entender la dinámica de las β-secretasa 1 (BACE1) y 2 (BACE2), los cuales se sabe ampliamente que juegan un papel transcendental en la enfermedad de Alzheimer. Esto se logró evaluando los cambios estructurales en los dominios a través de la membrana mientras se encontraban insertos en un complejo de membrana neuronal simulada. Aquí se consideraron dos niveles en el contenido de colesterol de la membrana. Debido a que no existe evidencia reportada soportando la capacidad de dimerización de BACE1 y BACE2, se prepararon sistemas sencillos y dobles (BACE1/BACE1, BACE2/BACE2, BACE1/BACE2) tanto en orientación paralela como antiparalela para cada corrida. Después de 10ns de simulación MD, el análisis de la estructura tridimensional reveló una correlación entre los altos niveles de colesterol y tanto el replegamiento de péptidos como los cambios en la estructura secundaria de ambos dominios transmembranales en sistemas simples y dobles. Interesantemente, nuestros resultados también indican un marcado potencial de interacción en el Sistema doble BACE2/BACE2, particularmente cuando los dominios asumen una orientación antiparalela.