Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Water quality trend analysis of Cheurfas II dam, Algeria

ABSTRACT The northwestern part of Algeria is characterized by a semi-arid climate which has created semi-permanent rivers and dams with low filling rates. It is important to preserve the water resource, which is becoming increasingly scarce. Additionally, it is worth indicating that the mobilized surface waters are continually under threat of significant organic pollution. Indeed, the dam of Cheurfas II, in the northwestern part of the country, is indicative of this situation. In order to establish a diagnosis of the state of the temporal evolution of water quality, time series of 11 variables indicating the presence of organic pollution in this dam were thus analyzed. The data collected were analyzed using the Mann-Kendall test to look for significant trends and the Webel-Ollech test to detect the presence of seasonality. The results obtained showed increasing trends in dry residues, organic matter, phosphates and dissolved oxygen. However, variables like BOD5, COD and NO-3 showed decreasing trends. As for the variables NH+ 4, NO- 2 and pH, they presented no trend. Finally, the water volume of the dam exhibited a significant increase. In addition, no seasonality was detected in the variables studied, with the exception of the PO43- time series and water volume. These findings indicate that the watershed of the dam received pollutants from different origins, in particular industrial pollutants. This makes water biodegradability difficult to achieve.

RESUMEN La parte noroeste de Argelia se caracteriza por un clima semiárido que ha creado ríos y presas semipermanentes con bajas tasas de llenado. Es importante preservar el recurso hídrico que es cada vez más escaso. Por otro lado, vale la pena señalar que las aguas superficiales movilizadas están continuamente bajo amenaza de contaminación orgánica significativa. De hecho, la presa de Cheurfas II, en el noroeste del país, es un indicativo de esta situación. Para establecer un diagnóstico del estado de la evolución temporal de la calidad del agua, se analizaron series de tiempo de 11 variables que indican la presencia de contaminación orgánica en esta presa. Los datos recopilados se analizaron mediante la prueba de Mann-Kendall para buscar tendencias significativas y la prueba de Webel-Ollech para detectar la presencia de estacionalidad. Los resultados obtenidos mostraron tendencias crecientes en residuos secos, materia orgánica, fosfatos y oxígeno disuelto. Sin embargo, variables como DBO5, DQO y NO-3 mostraron tendencias decrecientes. En cuanto a las variables NH+ 4, NO- 2 y pH, no presentaron tendencia. Finalmente, el volumen de agua de la presa exhibió un aumento significativo. Además, no se detectó estacionalidad en las variables estudiados, a excepción de la serie temporal PO43- y el volumen de agua. Estos hallazgos indican que la cuenca hidrográfica de la presa recibió contaminantes de diferentes orígenes, en particular contaminantes industriales. Esto dificulta la biodegradabilidad del agua.

Development of a management model of support services in biotechnology companies

ABSTRACT Support services are very significant for the correct performance of key processes; in the case of the biotechnology industry, this type of services is not frequently analyzed in their excellence performance. The purpose of this work is to suggest a model for the development of Support Services Management, which highlights the impacts over the level of customer satisfaction with the logistics system of biotechnology companies in the specific conditions of Cuba; however it can be applied to other contexts. For this, the basic elements of the management and service models are clarified as a theoretical basis for this research. As a methodology, experimentation and case studies are chosen, including the development of a production support service in the biotechnology industry. The level of customer satisfaction and the costs incurred are determined; In addition, the influence of the level of integration of support services on the results of the model is taken into account. The document provides the results of the model and its application in the biotechnology industry in Cuba, through a procedure designed for its implementation. This research satisfies the identified need to improve internal customer satisfaction based on quality and timely delivery of resources. At the same time, the costs of the logistics system are reduced or maintained, because the main cost must be in the key services.

RESUMEN Los servicios de apoyo son de gran importancia para el correcto desempeño de los procesos claves, en el caso de la industria biotecnológica, no a menudo analizados en su desempeño de excelencia. Este trabajo tiene como propósito proponer un modelo de desarrollo de la Gestión de Servicios de Apoyo, que resalte cómo este impacta en el nivel de satisfacción del cliente del sistema logístico de las empresas biotecnológicas en las condiciones de Cuba, sin embargo, este puede ser aplicado en otros contextos. Para ello se esclarecen elementos básicos en los modelos de gestión y servicio como base teórica de la investigación. Como metodología se emplea la experimentación y el estudio de casos; se presenta un servicio de apoyo a la producción en la industria biotecnológica. Se determina el nivel de satisfacción del cliente y costos incurridos; además, se tiene en cuenta la influencia del nivel de integración de los servicios de apoyo en los resultados del modelo. Este documento brinda los resultados del modelo y su aplicación en una industria biotecnológica de Cuba, mediante un procedimiento de implementación. Esta investigación satisface la necesidad identificada de mejorar la satisfacción de los clientes internos a partir de la entrega con calidad y en tiempo de los recursos; al mismo tiempo que se reducen o mantiene los costos del sistema logístico, pues los principales costos deben estar en los servicios clave.

New concrete masonry solid block with non-conventional geometry: Experimental characterization

ABSTRACT This paper presents and discusses the results of an experimental study aimed at characterizing the mechanical properties of an innovative and patented concrete masonry solid block with non-conventional geometry. The measured response in the new non-conventional block is compared with a conventional solid block. The experimental program was planned to verify whether the new block complies with the minimum values prescribed by the NSR-10 Colombian Code for being used as an unreinforced structural masonry block. The verification includes tests of water absorption and compressive strength of blocks, compressive strength of prisms, and flexural bond strength of standard beams. The similitudes or differences between the two types of blocks and prisms were evaluated using ANOVA tests. The results obtained demonstrated that both types of blocks comply with the requirements prescribed by NSR-10. Moreover, the flexural bond strength of the new block is roughly two times higher than that of the conventional block. The study results confirm that the new innovative block can be used for masonry structures.

RESUMEN En este artículo se presentan y discuten los resultados de un estudio experimental para caracterizar las propiedades mecánicas de un innovador y patentado bloque macizo de mampostería en concreto con geometría no convencional. La respuesta medida en el nuevo bloque se compara con la de un bloque macizo convencional. El programa experimental se planeó para verificar si el nuevo bloque cumplía los parámetros mínimos especificados por el Reglamento Colombiano NSR-10, para ser usado como bloque de mampostería no reforzado. La verificación incluye ensayos de absorción de agua y resistencia a compresión de bloques, ensayos de resistencia a compresión de primas y ensayos de adherencia por flexión en vigas estandarizadas. Las similitudes o diferencias entre ambos tipos de bloques fueron evaluadas mediante pruebas ANOVA. Los resultados obtenidos demuestran que los dos bloques cumplen con los requisitos de la NSR-10. Adicionalmente, la resistencia a flexión por adherencia del nuevo bloque es aproximadamente 2 veces mayor que la resistencia del bloque convencional. Los resultados del estudio confirman que es posible utilizar el nuevo e innovador bloque puede ser usado en la mampostería estructural.

A mechanical model to determine upheaval buckling of buried submarine pipelines

ABSTRACT Thermal loads in submarine pipelines generate an axial compressive load that can force the pipeline to buckle, which may lead to failure if these loads are not considered in the design. Buried pipes are constraint to displacements in all directions, which leads to a high compressive load in the longitudinal axis and makes the pipes more vulnerable to buckling. If buried pipes under thermal loads do not buckle, a high-stresses state takes place when it is combined with high-pressure conditions. In this work, a simple mechanical model to determine the axial buckling load of a buried pipeline is proposed. The model is based on a simply supported beam subjected to a distributed transverse load representing the soil uplift resistance obtained from a referenced model, and an axial compressive load that represents the effective axial force and is computed according to the DNV-RP-F110. Additionally, the pipe-soil system is analyzed through a nonlinear finite element model to compare the results with the analytical solution. The proposed simple mechanical model can capture the upheaval buckling behavior and provides results that are consistent with the numerical analysis, specifically for the two main parameters evaluated, namely, the initial pipe curvature and the magnitude of the transverse load.

RESUMEN Las cargas térmicas en tuberías submarinas generan una carga de compresión axial que puede inducir pandeo en la tubería, lo cual podría causar fallas si no son consideradas durante el diseño. Las tuberías enterradas están restringidas a desplazamientos en todas las direcciones, lo que conduce a una alta carga de compresión en el eje longitudinal y hace que las tuberías sean más vulnerables al pandeo. Sin embargo, la cobertura del suelo restringe los movimientos laterales y verticales, aumentando la resistencia al pandeo. Si las tuberías enterradas bajo cargas térmicas no se pandean, se produce un estado de tensiones elevado cuando se combina con condiciones de alta presión. En este trabajo se propone un modelo mecánico simple para determinar la carga de pandeo axial de una tubería enterrada. El modelo se basa en una viga simplemente apoyada sometida a una carga transversal distribuida que representa la resistencia al levantamiento del suelo obtenida de un modelo de referencia, y una carga de compresión axial que representa la fuerza axial efectiva de acuerdo con las recomendaciones del DNV-RP-F110. Adicionalmente, el sistema tubería-suelo es analizado mediante un modelo no-lineal por elementos finitos para comparar los resultados obtenidos con la solución analítica. El modelo mecánico propuesto resuelve el problema obteniendo resultados consistentes con el análisis numérico, específicamente en dos parámetros principales evaluados: la curvatura inicial de la tubería y la magnitud de la carga transversal.

Pipe bridge design optimisation through a comparative study of truss and girder arrangements

ABSTRACT Pipe bridges are structures that play an indispensable role in chemical and oil plants. They support cable trays or pipe-carrying material. This study aims to identify the ideal configuration of a pipe bridge through the comparative study of girders with drop hanger and truss arrangements for three different spans. The most efficient arrangement for each span was suitably identified. Through the analysis carried out, it was then identified that the Girder arrangement is suitable for smaller spans such as 15 meters; while the truss arrangement was preferable for longer spans.

RESUMEN Los puentes de tuberías son estructuras que juegan un papel indispensable en las plantas químicas y petroleras. Estas soportan haces de cables o material de transporte de tuberías. Este estudio tiene como objetivo identificar la configuración ideal de un puente de tubería a través del estudio comparativo de arreglos de cerca y viga para tres tramos diferentes. La disposición más eficiente para cada tramo se identificó adecuadamente. A través del análisis realizado, se identificó que la disposición de la viga es adecuada para tramos más pequeños hasta 15 metros; mientras que la disposición de la cercha fue la más favorable para tramos más largos.

Optimal design and performance evaluation of tuned mass damper inerter in building structures

ABSTRACT This paper concerns the numerical performance evaluation of multi-degree-of-freedom systems equipped with Tuned Mass Dampers-Inerter (TMDIs); a passive control device used for the mitigation of mechanical vibrations induced by dynamic loads. The inerter device is commonly used to increase the apparent mass of classics tuned mass dampers (TMDs), improving its seismic performance. To evaluate the TMDI action, three case studies are employed, determined from three real buildings of Medellin city from low, medium to high rise (30 meters, 97 meters, and 144 meters, respectively). Optimum design parameters are found using a metaheuristic optimization based on the differential evolution method, first, for the minimization of the horizontal peak displacements, and then, for the minimization of the root mean square (RMS) response of displacements. Besides, the case studies are assessed using eight seismic accelerations records representative of the literature. Finally, the seismic performance is evaluated on each case study considering different levels of inertance induced by the inerter device: 5%, 20%, and 50% with respect to the total mass of the building, for which it is observed a better dynamic behavior when TMDIs with lower values of inertance are implemented.

RESUMEN Este trabajo está referido a la evaluación numérica del desempeño de sistemas de múltiples grados de libertad equipados con amortiguadores de masa sintonizada inerter (AMSI), el cual es un dispositivo de control pasivo empleado para el control de vibraciones mecánicas inducidas por cargas dinámicas. El dispositivo inerter, comúnmente es utilizado para incrementar la masa aparente de los clásicos amortiguadores de masa sintonizada (AMS), mejorando su desempeño sísmico. Para evaluar la acción de TMDI, se emplean tres casos de estudio, determinados a partir de tres edificios de la ciudad de Medellín de baja, mediana y gran altura (30 metros, 97 metros y 144 metros, respectivamente). Los parámetros de diseño óptimos se determinan mediante una optimización metaheurística basada en el método de evolución diferencial, primero, para la minimización de los desplazamientos máximos horizontales, y luego, para la minimización de la media cuadrática de los desplazamientos (valor eficaz). Además, los estudios de caso se evalúan utilizando ocho registros de aceleraciones sísmicas representativos de la literatura. Finalmente, el rendimiento sísmico se evalúa en cada caso de estudio considerando diferentes valores de inertancia inducidos por el dispositivo inerter: 5%, 20% y 50% con respecto a la masa total del edificio, observándose un mejor comportamiento dinámico cuando Se implementan el AMSI con valores bajos de inertancia.

Design of a smart microgrid with small-scale hydro generation: a practical case study

ABSTRACT Microgrids are local electric grids integrating distributed generation and consumption, energy storage and management and power control. They can be an alternative for the energy supply of a house, a building, a small village or a wider region. Small-scale hydropower, in the range of 5 kW, consists of distributed generation systems gaining increasing interest. These so-called pico-hydro systems are becoming popular since they can take advantage of the integration of low-power wind generators and photovoltaic (PV) inverters, which are widely available at competitive prices. Thus, pico-hydro systems are not only relevant for energy generation in off-grid systems in remote areas but also for new contexts where the utility grid is available. This paper presents the design of a smart microgrid with small-scale hydro generation. It is a practical case study with the integration of two grid-connected pico-hydro turbines: a low-head propeller turbine and a water wheel. The microgrid was designed and implemented in a small museum: Casa da Seda (House of Silk). The energy generation is based on the complementarity between hydro and PV. The microgrid can operate in both grid-connected and islanded modes and feeds the House of Silk loads. The connection of both pico-hydro turbines into the microgrid is based on the integration of wind generators and PV inverters.

RESUMEN Las microrredes son redes eléctricas locales que integran generación y consumo distribuidos, almacenamiento y gestión de energía y control de potencia. Pueden ser una alternativa para el suministro de energía de una casa, un edificio, un pueblo o una región más amplia. Las pequeñas centrales hidroeléctricas, hasta 5 kW, son sistemas de generación distribuida que están ganando un interés creciente. Estos llamados sistemas pico-hidráulicos se están volviendo populares ya que pueden aprovechar la integración de generadores eólicos de baja potencia e inversores fotovoltaicos, ampliamente disponibles y a precios competitivos. Estos sistemas no solo son relevantes para la generación de energía en sistemas desconectados de la red en áreas remotas, sino también para nuevos contextos donde la red pública está disponible. Este artículo presenta el diseño de una microrred inteligente con generación hidroeléctrica a pequeña escala. Es un estudio de caso práctico con la integración de dos turbinas pico-hidráulicas conectadas a la red: una turbina de baja altura y una rueda hidráulica. La microrred fue diseñada e implementada en un pequeño museo: La Casa da Seda. La generación de energía se basa en la complementariedad entre hidroeléctrica y fotovoltaica. La microrred puede funcionar tanto en modo conectado a la red como en modo de isla y alimenta las cargas del museo. La conexión de ambas turbinas pico-hidráulicas a la microrred se basa en la integración de generadores eólicos e inversores fotovoltaicos.

Development of a flexible anode for lithium-ion batteries from electrospun carbon-magnetite composite microfibers

ABSTRACT The development of a binder-free material is gaining ground as a flexible anode in lithium-ion batteries due to the higher specific capacity and possibilities of usage in portable appliances. In this work, magnetite nanoparticles (Fe3O4-NPs) were incorporated into carbon microfibers (CMFs) by electrospinning technique to improve the specific capacity of active material, retaining the high flexibility of the CMFs. The composite active material (CMFs-Fe3O4) was characterized by Raman spectroscopy, Thermogravimetric analyses (TGA), and transmission electron microscopy (TEM) to determine the composition, structure, and morphology of the composite. Electrochemical tests were done to evaluate the performance of the composite material as an anode in lithium-ion batteries. Fe3O4-NPs with particle sizes from 30 to 40 nm were incorporated into CMFs (800 nm), and the TEM images showed a homogeneous distribution of Fe3O4-NPs. The electrochemical tests evidenced that magnetite incorporation increases the specific capacity by 42% on the first cycle and 20% on the 50th cycle. Similarly, the Coulombic efficiency increases by 20% in the composite material.

RESUMEN El desarrollo de material libre de aglutinantes está ganando terreno como ánodo flexible en las baterías de iones de litio debido a la mayor capacidad específica y a las posibilidades de uso en aparatos portátiles. En este trabajo, las nanopartículas de magnetita (Fe3O4-NPs) se incorporaron a microfibras de carbono (CMFs) mediante la técnica de electrohilado para mejorar la densidad energética del material activo conservando la alta flexibilidad de las CMFs. El material activo compuesto (CMFs-Fe3O4) se caracterizó por espectroscopía Raman, análisis termogravimétricos (TGA) y microscopía electrónica de transmisión (TEM) para determinar la composición, estructura y morfología del compuesto. Se realizaron pruebas electroquímicas para evaluar el desempeño del material compuesto como ánodo en baterías de iones de litio. Se incorporaron Fe3O4-NP con un tamaño de partícula de 30-40 nm en CNF (800 nm) y las imágenes TEM mostraron una distribución homogénea de Fe3O4-NP. Las pruebas electroquímicas evidenciaron que la incorporación de magnetita aumenta la capacidad específica en un 42% en el primer ciclo y en un 20% en el ciclo 50. De la misma forma, la eficiencia coulómbica aumenta un 20% en el material compuesto.

Potential ecological risk index for metals in a grazing area, Guasca, Cundinamarca

ABSTRACT The presence of metals in soils used for primary economic activities can negatively impact the environment and public health. This research identified soil contamination by heavy metals (Lead, Copper, Zinc, and Manganese) by examining physical and chemical properties (Phosphorus, Potassium, organic carbon, cation exchange capacity, pH, texture, and bulk density) of the area during the dry and rainy seasons of 2017. Composite samplings of soil were carried out in both seasons, in order to obtain a representative value of the soil in certified laboratories. Thereafter, through interpolation by means of the Kriging method, a spatial scale of metal concentrations was conducted. This led to the conclusion that the study area has an acceptable environmental quality (5.8-6.9) for its current use of grazing. Likewise, the area presents a medium level (75.37), pursuant to the Potential Ecological Risk Index (RI) for the dry season, and a very high risk (195.04) during the rainy season. These estimates are directly related to lead concentrations, introduced to the soil of the area by human development activities and by contributions of parent material to the soil surface layers, through natural processes of weathering.

RESUMEN La presencia de metales en suelos usados para actividades económicas primarias puede generar impactos en el ambiente y la salud pública. Este estudio identificó la contaminación de suelo por metales pesados (Plomo, Cobre, Zinc y Manganeso), mediante la determinación de propiedades físicas y químicas (Fósforo, Potasio, carbón orgánico, capacidad de intercambio catiónico, pH, textura y densidad aparente) durante la época seca y la época de lluvia del año 2017. Se realizó un muestreo compuesto de suelo, obteniendo un valor representativo a escala espacial, por medio de la interpolación con Kriging, de las concentraciones de metales determinadas en laboratorios certificados. Como resultado, se identificó que la zona de estudio presenta calidad ambiental aceptable (5,8-6,9) para el uso actual de pastoreo y delimitación del área de conservación del pozo de agua subterránea. De igual forma, se evidenció que el área presenta un Índice de Riesgo Ecológico Potencial (RI) de carácter medio (75,37) para la época seca, y riesgo muy fuerte (195,04) en época de lluvia. Estas estimaciones están directamente relacionadas con las concentraciones de plomo, el cual puede ser introducido al suelo por actividades de desarrollo humano en la zona y por aportes a las capas superficiales del suelo del material parental del área, generados por procesos naturales de meteorización.

Indirect electrochemical degradation of acetaminophen: process performance, pollutant transformation, and matrix effects evaluation

ABSTRACT Acetaminophen (ACE), a highly consumed pharmaceutical, was degraded in aqueous matrices by reactive chlorine species (RCS) electrogenerated using Ti/IrO2 electrodes. Although this pollutant has been extensively treated by electrochemical techniques, little information is known about its degradation in fresh urine by electrogenerated RCS, and the understanding of its transformations using analyses of atomic charge. In this work, these two topics were discussed. Initially, the effect of current (10-40 mA) and supporting electrolyte (considering typical ions present in surface water and urine (Cl- and SO4 2-)) on the electrochemical system was evaluated. Then, the kinetics and primary transformations products involved in the elimination of ACE were described. It was found that, in distilled water, the process at 40 mA in NaCl presence led to 100 % of ACE degradation (10 min, 0.056 Ah L-1). Theoretical analyses of atomic charge for ACE indicated that the amide group is the most susceptible to attacks by RCS such as HOCl. On the other hand, degradation of acetaminophen in synthetic fresh urine was slower (21% of degradation after 60 min of treatment) than in distilled water. This was attributed to the other substances in the urine matrix, which induce competition for the degrading RCS.

RESUMEN El acetaminofén (ACE), un farmacéutico muy consumido en todo el mundo; fue degradado en matrices acuosas por oxidación con especies reactivas de cloro (ERC) electro-generadas usando electrodos de Ti/IrO2. A pesar de que este contaminante ha sido tratado extensamente mediante técnicas electroquímicas, se tiene poca información sobre su degradación en orina por ERC electrogeneradas fresca, y sobre la comprensión de sus transformaciones usando análisis de carga atómica. En este trabajo se discutieron estos dos temas. Inicialmente, se evaluó el efecto de la corriente (10-40 mA) y electrolito soporte (considerando iones típicos del agua superficial y la orina (Cl- y SO4 2-)), sobre el sistema electroquímico. Luego se describieron la cinética de oxidación y transformaciones primarias de ACE. Se encontró que, en agua destilada, el proceso a 40 mA y en presencia de NaCl condujo al 100% de degradación de ACE en 10 min de tratamiento (0.056 Ah L-1). Los análisis teóricos de la carga atómica sobre ACE indicaron que el grupo amida es el más susceptible a los ataques de las ERC como el HOCl. Por otro lado, la degradación del acetaminofén en orina fresca sintética fue mucho más lenta (21% de remoción de 60 min de tratamiento) que en agua destilada. Esto debido a que las otras sustancias en la matriz de la orina inducen una competencia por las ERC.

Thermal finite element analysis of complex heat sinks using open source tools and high-performance computing

ABSTRACT The modeling of heat transfer phenomena in thermal systems has been extensively explored in industry and academia by using the finite element method (FEM) with commercial software. However, when the thermal problem introduces complexities in geometry and physics, the availability of licenses for high-performance computing could represent a limitation to achieving results in a reasonable time. Hence, finite element analysis (FEA) using open-source software (OSS) becomes a prominent candidate in this case. Therefore, multiple open-source tools are integrated into this work to solve the heat transfer equation, including conduction, convection, and radiation. Several geometrically complex heat sinks commonly used in the electronics industry are considered application examples. The performance of parallel computing is assessed in terms of processing time. The finite element solution engine is built by implementing the energy balance equations in their weak formulation in Firedrake, using its solver PETSc, the mesh generator GMSH and the post-processor Paraview, thus creating a fully OSS-based Python framework. Finally, the results are verified with commercial software for different case studies, and its potential to be extended to other fields of engineering is evident.

RESUMEN El modelamiento de fenómenos de transferencia de calor en sistemas térmicos ha sido explorado extensamente en la industria y en la academia utilizando el método de los elementos finitos (MEF) con software comercial. Sin embargo, cuando el problema térmico introduce complejidades en geometría y físicas, la disponibilidad de licencias de procesamiento de alto desempeño puede representar una limitación para alcanzar resultados en un tiempo razonable. De ahí, el análisis de elementos finitos (AEF) utilizando plataformas con herramientas de código abierto (OSS) se convierte en un prominente candidato para este caso. Por lo tanto, múltiples herramientas de código abierto son integradas en este trabajo para resolver la ecuación de transferencia de calor incluyendo conducción, convección y radiación. Varios disipadores de calor geométricamente complejos usualmente utilizados en la industria electrónica son considerados como ejemplos de aplicación. El desempeño de la computación paralela es evaluado en términos del tiempo de procesamiento. El motor de solución de elementos finitos es construido implementando las ecuaciones de balance de energía en su formulación débil en Firedrake, usando su solucionador PETSc, el generador de malla GMSH y el post-procesador Paraview, creando así un entorno de trabajo en Python basado completamente en OSS. Finalmente, los resultados son verificados con software comercial para distintos casos de estudio, y su potencial para ser extendido a otros campos de la ingeniería es evidente.