Ingeniería

Three-Phase Power Flow Tool for Electric Distribution Grids: A Julia Implementation for Electrical Engineering Students

Estudio sobre el aprovechamiento de cenizas de fondo de carbón como reemplazante de materia prima para la elaboración de ladrillos de arcilla

Abstract Context: Masonry bricks are one of the most widely used building materials in the world, which leads to the overexploitation of its raw materials. Its production consumes a large amount of energy and has a large environmental footprint. The clay brick industry can add residues to its raw materials; among those reported are tea processing waste, brick waste, paper industry residues, waste from coffee mills, and coal ashes. Method: Bottom coal ashes were characterized by X-ray fluorescence, X-ray diffraction, thermogravimetric analysis, electronic microscopy, and particle size analysis. In addition, their density and loss on ignition were determined. The incorporation of ashes in the elaboration of clay bricks was evaluated, with sand replacement percentages of 0, 3, 5, and 7 %. Finally, the physical and mechanical properties of the bricks were evaluated. Results: The water absorption and apparent porosity increased, while the compressive strength and bulk density decreased with the incorporation of ash in the brick samples, except for those with a 3% replacement, which showed a better performance in the evaluated properties. Conclusions: Coal bottom ashes have great potential in the manufacturing of clay bricks. The findings of this study indicate that, by incorporating up to 3% ashes, bricks can be obtained which comply with the Colombian regulations.

Resumen Contexto: El ladrillo de mampostería es uno de los materiales de construcción más utilizados en todo el mundo, lo que conlleva a una sobreexplotación de sus materias primas. Su producción consume gran cantidad de energía y tiene una gran huella ambiental. La industria de ladrillos de arcilla tiene la capacidad de adicionar residuos a su materia prima; entre los reportados se encuentran residuos del procesamiento del té, residuos de ladrillo, residuos de la industria del papel, residuos del beneficio de café y cenizas de carbón. Método: Se caracterizaron cenizas de carbón de fondo por fluorescencia de rayos X, difracción de rayos X, análisis termogravimétrico, microscopía electrónica y análisis de tamaño de partícula. Además, se determinó su densidad y pérdida al fuego. Se evaluó la incorporación de cenizas en la elaboración de ladrillos de arcilla, con porcentajes de reemplazo de arena de 0, 3, 5 y 7 %. Finalmente, se evaluaron las propiedades físicas y mecánicas de los ladrillos. Resultados: La absorción de agua y la porosidad aparente aumentaron, mientras que la resistencia a la compresión y la densidad aparente disminuyeron con la incorporación de cenizas en las muestras de ladrillos, a excepción de aquellas con un reemplazo del 3 %, las cuales presentaron un mejor desempeño en las propiedades evaluadas. Conclusiones: Las cenizas de fondo de carbón tienen un gran potencial en la fabricación de ladrillos de arcilla. Los hallazgos de este estudio indican que, al incorporar hasta un 3% de cenizas, se pueden obtener ladrillos que cumplen la normatividad colombiana.

Caracterización de microburbujas generadas en un tubo Venturi mediante procesamiento de imágenes: efecto de los parámetros operativos

Abstract Context: This research developed a dissolved air flotation system using a Venturi tube to produce microbubbles. The Venturi tube replaces the saturation tank and the pressure-reducing valve of conventional systems. Method: The system has both suction and injection air inlets, regulates the recirculation flow of the liquid to the tank, and provides a high hydraulic load in a reduced size. Counting and measuring the microbubbles produced via digital image processing helps to characterize the system’s performance. Results: The system with air suction produces smaller bubbles than that with air injection. A higher liquid recirculation pressure produces more bubbles and reduces their size in the case of air suction. Conclusions: In air injection, the change in flow rate influences the size of the microbubbles. Air injection and recirculation pressure do not influence the number of bubbles generated.

Resumen Contexto: Esta investigación desarrolló un sistema de flotación por aire disuelto utilizando un tubo Venturi para producir microburbujas. El tubo Venturi sustituye el tanque de saturación y la válvula reductora de presión de los sistemas convencionales. Método: El sistema tiene entradas de aire tanto por aspiración como por inyección, regula el flujo de recirculación del líquido al tanque y proporciona una alta carga hidráulica en un tamaño reducido. El conteo y la medición por procesamiento digital de imágenes de las microburbujas producidas ayuda a caracterizar el desempeño del sistema. Resultados: El sistema de succión de aire produce burbujas más pequeñas que el de inyección de aire. Una mayor presión de recirculación del líquido produce más burbujas y reduce su tamaño en el caso de la succión de aire. Conclusiones: En la inyección de aire, el cambio de caudal influye en el tamaño de las microburbujas. La inyección de aire y la presión de recirculación no influyen en el número de burbujas generadas.

Construcción de curvas límite de formabilidad para aceros de bajo carbono utilizados en la manufactura de cilindros a presión

Abstract Context: The aim of this study is to determine the formability of SG295 (2,2 mm thick) and SG325 (2,3 mm thick) steel sheets, as well as their relationship with the sheets’ behavior in deep drawing and stretching operations. To this effect, chemical, metallographic, and mechanical analyses of the sheets were carried out. Method: The chemical analysis was carried out via optical emission spectrometry, and the metallographic structure was analyzed using the ASTM E3 standard. The intrinsic properties related to the formability of materials such as the elongation to fracture for a 50 mm gauge length, the conventional yield limit at 0,2% elongation, the ultimate strength, the strain hardening exponent, and the anisotropy coefficient at 15% elongation were determined through tensile tests according to ASTM E8M, ASTM E646, and ASTM 517. Forming limit curves were determined under ASTM E2218, for which a device was designed, built, and attached to a universal testing machine. Results: The results for the SG295 and SG325 steel sheets were as follows: tensile strength; 450 and 520 MPa; elongation at fracture: 24,9 and 17,2 %; strain hardening exponent: 0,24 and 0,19; normal anisotropy: 1,64 and 1,29; planar anisotropy: 0,23 and -0,02. The FLD0 determined from the formality limit curves (FLCs) for the two steel sheets showed ε1 values of 0,281 and 0,336, respectively. Conclusions: Although the intrinsic properties (such as A50, n, and rm) of the SG295 steel sheet show values related to a greater formability, the FLCs show that SG325 steel performs slightly better due to its greater thickness.

Resumen Contexto: El objetivo de este trabajo fue determinar la formabilidad de láminas de acero SG295 (2,2 mm de grosor) y SG325 (2,3 mm de grosor), así como su relación con el comportamiento de éstas frente a operaciones de estirado y embutido profundo. Para tal fin, se realizaron análisis químicos, metalográficos y mecánicos en las láminas. Método: El análisis químico se realizó mediante espectrometría de emisión óptica, y la estructura metalográfica se analizó utilizando el estándar ASTM E3. Las propiedades intrínsecas relacionadas con la formabilidad de los materiales, tales como el alargamiento a la fractura para una longitud de referencia de 50 mm, el límite de rendimiento convencional al 0,2% de elongación, la resistencia última, el exponente de endurecimiento por deformación y el coeficiente de anisotropía al 15% de elongación se determinaron mediante pruebas de tracción de acuerdo con ASTM E8M, ASTM E646 y ASTM 517. Las curvas límite de formabilidad se determinaron bajo la norma ASTM E2218, para lo cual se diseñó, construyó y acopló un dispositivo a una máquina universal de ensayos. Resultados: Los resultados para las láminas de acero SG295 y SG325 fueron los siguientes: resistencia a la tracción: 450 y 520 MPa; elongación hasta fractura: de 24,9 y 17,2 %; exponente de endurecimiento por deformación: 0,24 y 0,19; anisotropía normal: 1,64 y 1,29; anisotropía planar: 0,23 y -0,02. Los FLD0 determinados a partir de las curvas límite de formalidad (CLF) para las dos láminas de acero mostraron valores para ε1 de 0,281 y 0,336 respectivamente. Conclusiones: Aunque las propiedades intrínsecas (como A50, n y rm) de la lámina de acero SG295 presentan valores relacionados con una mayor formabilidad, las CLF muestran que el acero SG325 se desempeña ligeramente mejor debido a su mayor espesor.

Estudio del efecto de adiciones de titanio en las propiedades mecánicas y de corrosión del acero pulvimetalúrgico AISI 316

Abstract Context: Powder metallurgy uses metallic and/or non-metallic powders that, through mixing, compacting, and sintering operations, allow obtaining large series of products. In austenitic stainless steels, Cr23C6-type carbides can precipitate at temperatures between 450 and 950 °C. When this occurs, the steel is susceptible to being attacked at its grain boundaries by a phenomenon called sensitization. Titanium is added as a ‘stabilizer’ because it has a greater affinity with carbon for the formation of species at a temperature of approximately 900 oC, and, during cooling it consumes the carbon forming MC-type carbides, inhibiting the precipitation of Cr23C6. Method: The composition and morphology of the powders were characterized, leading to the formulation of an alloy matrix consisting of a mixture of AISI 316 steel powders of two different particle-size distributions in a proportion that produced the highest density and the lowest porosity in the sintered material. Titanium was added at two levels (0,4 and 1,0 wt %), and sintering was carried out with nitrogen. The corrosion rate was determined by potentiodynamic polarization. Vickers hardness and pin-on-disk wear tests were performed. The stages were complemented with a microstructural analysis. Results: The addition of 0,4 wt% of titanium decreased the steel’s rate of corrosion, albeit in the absence of passivation. The microstructure consists of austenite, ferrite, and TiC precipitates. The addition of 1,0 wt%Ti showed an increase in the corrosión rate, with a microstructure containing austenite, ferrite, TiC carbides, and the Laves η-Fe2Ti phase. Conclusions: The results were compared against thermodynamic simulations in the Thermo-Calc software, which were consistent with the microstructural analysis, showing the phenomena of stabilization as well as the precipitation of intermetallic phases and highlighting the importance of establishing strict controls in the formulation of powder metallurgical alloys due to the transformations that can take place due to the effect of the thermal cycles of the process.

Resumen Contexto: La pulvimetalurgia utiliza polvos metálicos y/o no metálicos que, mediante operaciones de mezcla, compactación y sinterización, permiten obtener grandes series de productos. En los aceros inoxidables austeníticos, los carburos de tipo Cr23C6 pueden precipitar a temperaturas entre 450 y 950 °C. Cuando esto ocurre, el acero es susceptible de ser atacado en sus límites de grano por el fenómeno denominado sensitización. El titanio se agrega como ‘estabilizador’ porque tiene mayor afinidad con el carbono para la formación de especies a una temperatura de aproximadamente 900 ºC y, durante el enfriamiento, consume el carbono formando carburos tipo MC, inhibiendo la precipitación de Cr23C6. Método: Se caracterizó la composición y morfología de los polvos, lo que condujo a la formulación de una matriz de aleación compuesta por una mezcla de polvos de acero AISI 316 de dos granulometrías diferentes en una proporción que produjo la mayor densidad y la menor porosidad del material sinterizado. Se añadió titanio en dos niveles (0,4 y 1,0% en peso) y se sinterizó con nitrógeno. La velocidad de corrosión se determinó por polarización potenciodinámica. Se realizaron pruebas de dureza Vickers y de desgaste pin-on-disk. Las etapas se complementaron con un análisis microestructural. Resultados: La adición de 0,4% en peso de titanio disminuyó la velocidad de corrosión del acero, si bien en ausencia de pasivación. La microestructura consiste en precipitados de austenita, ferrita y TiC. La adición de 1,0% en peso de Ti mostró un aumento en la velocidad de corrosión, con una microestructura que contenía austenita, ferrita, carburos de TiC y la fase Laves η-Fe2Ti. Conclusiones: Los resultados fueron comparados con simulaciones termodinámicas del software Thermo-Calc, consistentes con el análisis microestructural, mostrando los fenómenos de estabilización y la precipitación de fases intermetálicas, y destacando la importancia de establecer un control estricto en la formulación de aleaciones pulvimetalúrgicas debido a las transformaciones que pueden generarse por efecto de los ciclos térmicos del proceso.

Requerimientos de habilidades blandas en el sector de ingeniería: el caso de la industria de ingeniería mecánica

Resumen Contexto: Actualmente, existe una gran demanda de profesionales con habilidades blandas altamente desarrolladas, pero no hay claridad sobre cuales son. El propósito de este artículo es determinar cuáles son las habilidades blandas que se requieren en diferentes niveles organizacionales en el sector de la ingeniería mecánica. Metodo: Se diseño y aplico una encuesta a 81 ingenieros mecánicos egresados de la Universidad de Pamplona. El instrumento evaluó el nivel de desarrollo de 10 habilidades blandas en el pregrado, así como el nivel requerido para un primer empleo y para un cargo técnico y uno gerencial. Las herramientas estadísticas utilizadas fueron la prueba bilateral de Kolmogorov-Smirnov, la mediana, la moda, el ANOVA de Kruskall-Wallis, y la prueba post hoc de Games-Howell. Resultados: Se encontró que el nivel de formación de habilidades blandas es aceptable (Me=3), específicamente para las habilidades de creatividad, negociación y comunicacion no verbal, mientras que las de exponer frente a diferentes audiencias, pensamiento crítico, reconocimiento, responsabilidad, integridad y humildad demuestran un mayor desarrollo (bueno, Me=4). Por otro lado, la escritura de informes, la competencia emocional y el pensamiento crítico son las habilidades más importantes (Me=5) para el primer empleo. Para asenso a posiciones técnicas, se requiere además habilidades relacionadas con exponer ante diferentes audiencias, el reconocimiento de los miembros del equipo de trabajo y liderazgo. Para cargos gerenciales, se requiere también la integridad, el lenguaje no verbal, la negociación, la supervisión y el emprendimiento (Me=5). Conclusiones: Debe potenciarse la comunicación escrita, la competencia emocional y el pensamiento crítico para dar mayor competitividad al recién egresado. En relación con los cargos técnicos y gerenciales, se necesita un mayor desarrollo de todas las 10 habilidades blandas investigadas. Los programas de pregrado y postgrado deben incluir estos nuevos requerimientos empresariales en sus currículos para incrementar la competitividad de sus egresados.

Abstract Context: There is currently a high demand of professionals with highly developed soft skills, but there is no clarity about which ones. The purpose of this article is to determine which soft skills are required at different organizational levels in the mechanical engineering sector. Method: A survey was designed and applied to 81 mechanical engineers graduated from Universidad de Pamplona. The instrument evaluated the level of development of 10 soft skills in the undergraduate program, in addition to the level required for an entry-level job as well as for a technical and an executive position. The statistical tools employed were the bilateral Kolmogorov-Smirnov test, the median, the mode, a Kruskal-Wallis ANOVA, and a Games-Howell post hoc test. Results: The training level regarding soft skills was found to be aceptable (Me=3), specifically for creativity, negotiation, and nonverbal communication skills, while those related to presenting before audiences, critical thinking, recognition, responsibility, integrity, and humility show greater development (good, Me=4). On the other hand, report writing, emotional competencies, and critical thinking are the most important skills (Me=5) for an entry-level job. To ascend to technical positions, those related to presenting before different audiences, the recognition of team members, and leadership are required. For managerial positions, nonverbal language, negotiation, supervision, and entrepreneurship skills are also required (Me=5). Conclusions: Written communication, emotional competencies, and critical thinking should be bolstered in order to provide alumni with higher competitiveness. As for technical and managerial positions, a higher development of the ten analyzed soft skills is needed. Undergraduate and graduate programs should include these new business requirements in their curricula in order to increase the competitiveness of their alumni.

Análisis del desempeño de un algoritmo Backward/Forward ajustado a una red de distribución con cargas no lineales y un sistema fotovoltaico

Abstract Context: The backward/forward (BF) algorithm is a sweep-type technique that has recently been used as a strategy for the power flow analysis of ill-conditioned networks. The purpose of this study is to evaluate the performance of the BFalgorithm compared to that of a computational tool such as Simulink, with both strategies adjusted to the operating conditions of a distribution network with nonlinear components (loads and photovoltaic system), unbalanced loads, and harmonic distortion in the voltage and current signals. Method: The study case is a low-voltage distribution network with a radial topology, unbalanced loads, and nonlinear components. The BF algorithm is adjusted to consider two approaches of the Norton model: a coupled admittance matrix and a decoupled admittance matrix. The latter is also used in the network model created in Simulink. The performance of the algorithm is evaluated by analyzing 18 operation scenarios defined according to the presence and use intensity of the loads and solar irradiance levels (low and high). Results: In general, the three strategies could successfully determine the waveform and RMS values of the voltage signals with errors of less than 0,8 and 1,3 %, respectively. However, the performance of the strategies for the estimation of current signals and power parameters shows errors of 5-300% depending on the level of solar irradiance at which the photovoltaic system operates. Conclusions: The results show that the BF strategy can be used to analyze unbalanced power grids with increasing penetration of renewable generation and the integration of nonlinear devices, but the performance of this strategy depends on the load model applied to represent the behavior of nonlinear devices and generation systems.

Resumen Contexto: El algoritmo backward/forward (BF) es una técnica de barrido que se ha utilizado recientemente como estrategia para el análisis de flujo de energía de redes mal acondicionadas. El objetivo de este estudio es evaluar el desempeño del algoritmo BF comparado con el de una herramienta computacional como Simulink, con ambas estrategias ajustadas a las condiciones de operación de una red de distribución con componentes no lineales (cargas y sistema fotovoltaico), desbalance en las cargas y distorsión armónica en tensión y corriente. método: El caso de estudio es una red de distribución de baja tensión con topología radial, cargas desequilibradas y componentes no lineales. El algoritmo BF se ajusta para considerar dos enfoques del modelo Norton: matriz de admitancia acoplada y matriz de admitancia desacoplada. Este ultimo también se utiliza en el modelo de red creado en Simulink. El desempeño del algoritmo se evalúa mediante el análisis de 18 escenarios de funcionamiento definidos según la presencia e intensidad de uso de las cargas y los niveles de irradiancia solar (baja y alta). Resultados: En general, las tres estrategias podría determinar con éxito los valores de forma de onda y RMS de las señales de tensión con errores menores de 0,8 y 1,3% respectivamente. Sin embargo, el desempeño de las estrategias para la estimación de señales de corriente y parámetros de potencia presenta errores de 5-300% dependiendo del nivel de irradiancia solar en el cual el sistema fotovoltaico se encuentre operando. Conclusiones: Los resultados muestran que la estrategia BF se puede utilizar para analizar redes eléctricas desbalanceadas con creciente penetración de generación renovable e integración de dispositivos no lineales, pero el rendimiento de la misma depende del modelo de carga aplicado para representar el comportamiento de los dispositivos no lineales y de los sistemas de generación.

Aplicacion de gramática regular en el análisis sintáctico de direcciones de correo electrónico

Abstract Context: This article proposes the use of regular grammar as a strategy to validate the textual structures of emails. It focuses on the RFC 5321 standard and its syntax, formalizing regular grammars to apply production rules with the aim of validating the syntactic context of each structure of an email address. Method: This article presents a literature review and the development of an email validation model. Related texts focus on the Internet Protocol, along with building automata that apply IPV4 protocol. There are three phases: the development of the model from syntax and regular grammar rules and its construction and application. Results: The result is a functional application that validates email addresses based on regular grammars and existing regulations. When running efficiency tests, our application obtained a higher email validation margin in comparison with JFLAP. The library can work as a great analyzer of grammatical or lexical structures. Conclusions: The email validation tool based on GR regular grammars contributes to the practical use of specialized algorithms in the field of computer science, since it is possible to apply it to the recognition of search patterns such as the analysis of lexical structures (e.g., NITs, alphanumeric codes, and valid URLs).

Resumen Contexto: En este articulo se propone el uso de la gramatica regular como estrategia para validar las estructuras textuales de los correos electronicos. El estudio se enfoca en el estandar RFC 5321 y su sintaxis, formalizando gramaticas regulares para aplicar reglas de produccion en aras de validar el contexto sintactico de cada estructura de una direccion de correo electronicos. Metodo: Este articulo presenta una revision de la literatura y el desarrollo de un modelo para la validacion de correos electronicos. Los textos relacionados se enfocan en el Protocolo de Internet junto con la construccion de automatas que utilizan direccionamiento IPV4. El estudio tiene tres fases: el desarrollo del modelo a partir de la sintaxis y reglas gramaticales regulares y la construccion y aplicacion del mismo. Resultados: El resultado es una aplicacion funcional que valida direcciones de correo electronico con base en gramaticas regulares y la reglamentacion existente. Al ejecutar pruebas de eficiencia, nuestra aplicacion obtuvo un margen de validacion de correos mayor en comparacion con JFLAP. La librería puede funcionar como un gran analizador de estructuras gramaticales o léxicas. Conclusiones: La herramienta de validacion de correos electronicos basada en gramaticas regulares GR contribuye al uso practico de algoritmos especializados en la rama de la computacion, dado que es posible aplicarla en el reconocimiento de patrones de busqueda como el analisis de estructuras léxicas (e.g., NITs, codigos alfanumericos, y URL validas).

Enfoque preliminar de una plataforma multi-sensor basada en UAV para aplicaciones de reconocimiento y vigilancia

Abstract Context: Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) equipped with remote sensing platforms have become increasingly popular due to their applications in aerial surveillance, environmental control, and disaster response. However, the limited flight range and on-board energy resources of UAVs pose significant challenges to their practical deployment and operating efficiency, which has led to the exploration of energy-efficient platforms for remote sensing. Method: This paper proposes a preliminary approach for UAV multi-sensor reconnaissance and surveillance platforms (MRSS) that target low energy consumption. The approach implemented four sensor modules controlled by one multi-functional integrated edge computer for control and data collection, which can be interchanged according to battery lifetime requirements. Results: The main contribution of this work was an analysis of the energy consumption behavior of sensor modules managed by an embedded system with edge computing capabilities as the central control unit. Conclusions: The high energy consumption associated with modules such as GEOINT leads to deep discharge in excess of 20% DOD, resulting in a máximum battery degradation of 2,4 years.

Resumen Contexto: Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) equipados con plataformas de sensores remotos se han hecho cada vez más populares debido a sus aplicaciones en vigilancia aérea, control medioambiental y respuesta ante catástrofes. Sin embargo, la limitada autonomía de vuelo y los limitados recursos energéticos a bordo de los UAV plantean importantes retos para su despliegue practico y su eficiencia operativa, lo que ha llevado a explorar plataformas energéticamente eficientes para la teledeteccion. Métodos: En este artículo se propone un enfoque preliminar para plataformas de reconocimiento y vigilancia multisensor (MRSS) dirigidas a un bajo consumo energético. El enfoque implementa cuatro módulos de sensores controlados por un ordenador multifuncional de borde integrado para la recopilación de datos, que pueden intercambiarse en función de los requisitos de duración de la bateria. Resultados: La principal contribución de este trabajo fue un análisis del comportamiento del consumo de energía de los módulos de sensores gestionados por un sistema integrado con capacidad de computación frontera como unidad de control central. Conclusiones: El elevado consumo de energía asociado a módulos como el GEOINT conduce a una descarga profunda superior a un DOD de 20% que provoca una degradación maxima de 2,4 años de la batería.

Análisis comparativo del uso de nanosílice y ceniza volante en el concreto hidráulico

Abstract Context: Nowadays, nanomaterials constitute an innovative alternative for the construction sector. This study evaluates the benefits of adding nanosilica and fly ash to Portland cement concrete in terms of its mechanical strength properties. Method: 45 specimens were used to compare the compressive strength and durability of concrete mixtures with nanosilica and fly ash. The specimens were studied after 7, 14, and 21 days to determine their maximum resistance. Results: The addition of small amounts of nanosilica (up to 1 %) significantly improved the compressive strength of the concrete. In contrast, a large amount of fly ash (up to 8 %) was required for a noticeable effect. Conclusions: Concrete with nanosilica yielded the best results in terms of mechanical strength. The key to improving concrete through nanosilica and fly ash is to reduce the water-to-cement ratio using chemical agents that reduce porosity and increase resistance.

Resumen Contexto: Hoy en día, los nanomateriales representan una alternativa innovadora para el sector de la construcción. Este estudio evalúa los beneficios de añadir nanosilice y ceniza volante al concreto de cemento Portland en función de sus propiedades de su resistencia mecánica. Metodo: Se utilizaron 45 especímenes para comparar la resistencia a la compresión y la durabilidad de mezclas de concreto con nanosilice y ceniza volante. Los especímenes fueron estudiados a los 7, 14 y 21 dias para determinar su máxima resistencia. Resultados: La adición de cantidades pequeñas de nanosilice (hasta 1 %) mejoraron significativamente la resistencia a la compresión del concreto. En contrate, se necesitó una gran cantidad de ceniza volante (hasta 8 %) para lograr un efecto notable. Conclusiones: El concreto con nanosilice dio los mejores resultados en cuanto a resistencia mecánica. La clave para mejorar el concreto con nanosilice y ceniza volante es reducir la relación cemento-agua utilizando agentes químicos que reduzcan la porosidad y aumenten la resistencia.

Análisis comparativo entre el análisis singular espectral y la descomposición modal empírica para detección de daño estructural

Resumen Contexto: En los últimos años, gracias a los avances tecnológicos en instrumentación y procesamiento digital de señales, los métodos no invasivos para la detección de daños estructurales se han vuelto cada vez más importantes. Las técnicas de monitoreo de salud estructural (SHM) basadas en vibraciones permiten identificar la presencia y ubicación del daño a partir de cambios permanentes en las frecuencias fundamentales de las señales. Un método empleado con éxito para la detección de daño es la descomposición modal empírica (EMD). Otro método menos utilizado en este campo de estudio es el análisis singular espectral (SSA). En este artículo se describen ambos métodos y se realiza un estudio de simulación para compararlos e identificar cuál es más efectivo en la detección del daño estructural. Métodos: Se aplicaron los métodos de un estudio de referencia conocido como benchmark SHM problema para facilitar la comparación. Para evaluar la efectividad de ambos métodos, se empleó la simulación Monte Carlo. Para controlar el ruido aleatorio y otros factores inherentes a la simulación, se repitió el procedimiento 1.000 veces para cada tipo de daño. Resultados: En el caso de daño severo, ambos métodos mostraron un buen desempeño. Sin embargo, cuando el daño fue leve, los cambios en la frecuencia fundamental no fueron aparentes. Sin embargo, se observó un cambio significativo en el nivel de amplitud. En este caso, el método SSA obtuvo los mejores resultados. Conclusiones: Los métodos EMD y SSA, junto con el filtro de paso alto, detectaron daños severos cuando los registros de aceleración tenían poco o ningún ruido. Cuando los registros de aceleración estaban contaminados con ruido, la probabilidad de que el EMD detectara el daño disminuyó drásticamente. Una de las ventajas del SSA sobre el EMD es que, para patrones de daño moderado o leve, el primero no requiere filtros ni el uso de la transformada Hilbert-Huang para detectar el daño. En general, se encontró que el SSA es más efectivo para la detección de daño.

Abstract Context: In recent years, thanks to technological advances in instrumentation and digital signal processing, noninvasive methods to detect structural damage have become increasingly important. Vibration-based structural health monitoring (SHM) techniques allow detecting the presence and location of damage from permanente changes in the fundamental frequencies of signals. A successfully employed method for damage detection is empirical mode decomposition (EMD). Another method, less used in this field of study, is singular spectral analysis (SSA). This paper describes both methods and presents a simulation study aimed at comparing them and identifying which one is more effective in detecting structural damage. Method: The methods of a reference study known as benchmark SHM were applied to facilitate the comparison. To evaluate the effectiveness of both methods, Monte Carlo simulation was employed. To control the random noise and other factors inherent to the simulation, the procedure was repeated 1.000 times for each type of damage. Results: In the case of severe damage, both methods showed a good performance. However, when the damage was slight, the changes in the fundamental frequency were not apparent. However, a significant change in the amplitude level was observed. In this case, SSA obtained the best results. Conclusions: The EMD and SSA methods, together with high-pass filtering, detected severe damage when the acceleration records had low or no noise. When the acceleration records were contaminated with noise, the likelihood of EMD detecting the damage decreased dramatically. One of the advantages of SSA over EMD is that, for moderate or mild damage patterns, the former does not require filters or the use of the Hilbert-Huang transform to detect damage. In general, it was found that SSA was more effective in detecting damage.