informática, mecatrónica, y de...
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Enfoque UTE es una revista de carácter técnico-científico, que publica artículos sobre trabajos de
investigación científica y tecnológica, revisión del estado del arte en un área específica del conocimiento y
trabajos de vinculación con la comunidad en los cuales se realizaron actividades de investigación científica.
La revista abarca las áreas temáticas de las ingenierías Ambiental, de Alimentos, Automotriz, Industrial,
Informática, Mecatrónica, y de Petróleos.
Enfoque UTE está dirigida a la comunidad de docentes, investigadores, y estudiantes universitarios, de
pregrado y posgrado en general.
Enfoque UTE
Volumen 7 – Número 2
Junio – 2016
e-ISSN: 1390-6542 (electrónico) / p-ISSN: 1390-9363 (impreso)
Copyright © 2010 - 2016
Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias
Universidad Tecnológica Equinoccial
http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
Teléfono: +593-(2)-2990-800 ext.2232
Dirección: Av. Mariscal Sucre (Occidental) y Mariana de Jesús, s/n.
Quito-Ecuador
Comité Editorial
Director
Diego Ordóñez Camacho, Universidad Tecnológica Equinoccial, Ecuador
Comité Editorial
Juan Bravo Vásquez, Universidad Tecnológica Equinoccial, Ecuador
Analía Concellón, Universidad Nacional de La Plata, Argentina
Albert Ibarz, Universidad de Lleida, España
Sergio Luján Mora, Universidad de Alicante, España
Alberto Medina León, Universidad de Matanzas, Cuba
Carlos Monsalve Arteaga, Escuela Politécnica del Litoral, Ecuador
María Gabriela Pérez, Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Jordi Saldo Periago, Universidad Autónoma de Barcelona, España
Neus Sanjuan, Universidad Politécnica de Valencia, España
Gabriela Vernaza Leoro, Universidad San Francisco de Quito, Ecuador
Fabián Villavicencio Abril, Universidad de las Fuerzas Armadas, Ecuador
Jorge Viteri Moya, Universidad Central del Ecuador, Ecuador
Índices / Catálogos / Bases de datos
Web of Science (Emerging Sources Citation Index) - Thomson Reuters http://ip-science.thomsonreuters.com/cgi-bin/jrnlst/jlresults.cgi?PC=MASTER&Full=Enfoque%20UTE
DOAJ (Directory of Open Access Journals) https://doaj.org/toc/1390-6542
OAJI (Open Academic Journals Index) http://oaji.net/journal-detail.html?number=1783
GIF (Global Impact Factor) http://globalimpactfactor.com/enfoque-ute/
REDIB (Red Iberoamericana de Innovación y Conocimiento Científico) https://www.redib.org/recursos/Record/oai_revista1886-enfoque-ute
Catálogo Latindex http://www.latindex.unam.mx/buscador/ficRev.html?folio=22038
Universia http://biblioteca.universia.net/html_bura/ficha/params/title/enfoque-ute/id/58440243.html
Sherpa / Romeo http://www.sherpa.ac.uk/romeo/search.php?issn=1390-6542
Latinoamericana https://revistaslatinoamericanas.org/participantes/ (# 178)
CiteFactor http://www.citefactor.org/journal/index/10856
OALib http://mailer.oalib.net/journal/5934
WorldCat http://www.worldcat.org/title/enfoque-ute-revista-cientifica/oclc/856580285
Electronic Journals Library https://opac.giga-hamburg.de/ezb/detail.phtml?bibid=GIGA&lang=en&jour_id=205084
Academic Journals Database http://journaldatabase.info/journal/issn1390-6542
Scientific Indexing Services http://www.sindexs.org/JournalList.aspx?ID=1491
ResearchBib – Academic Resource Index http://journalseeker.researchbib.com/view/issn/1390-6542
DRJI (Directory of Research Journals Indexing) http://drji.org/JournalProfile.aspx?jid=1390-6542
Journal TOCs http://www.journaltocs.ac.uk/index.php?action=browse&subAction=pub&publisherID=2651&journalID=28767
Google Scholar http://scholar.google.com/scholar?q=Enfoque+UTE
Contenido
Estudio de viabilidad de un sistema para remoción de revoque para zonas productoras de pozos
petroleros .................................................................................................................................... pp. 1 - 9
Wang ZhaoZheng, Fang Xi, Henry Paúl Romero Cortez, Fausto René Ramos Aguirre
Un enfoque computacional evolutivo para problemas de competencia de Stackelberg dinámicos
................................................................................................................................................ pp. 10 - 24
Lorena Arboleda-Castro, Olga Cedeño-Fuentes, Iván Jacho-Sánchez, Pavel Novoa-Hernández
Seguridad de la Telefonía IP en Ecuador: Análisis en Internet .................................................. pp. 25 – 40
José Estrada, Mayra Calva, Ana Rodríguez, Christian Tipantuña
Sistema prototipo actuador por comandos de voz utilizando software libre ...…. ....................... pp. 41 - 54
Andrango Jaime, Gómez Estevan
Diseño e implementación de un sistema de control para mejorar la calidad de los gases de combustión de
una caldera pirotubular de 5 BHP … .......................................................................................... pp. 55 - 68
Carlos Alfredo Pérez Albán, Alexis Cordovés García, Jorge Román Terán Benalcázar
Instalación para medición de conductividad térmica en composites basados en residuos de
biomasa .................................................................................................................................. pp. 69 - 81
Luis Velasco Roldán, Leonardo Goyos Pérez, Reinaldo Delgado García, Luis Freire Amores
Diversidad de flora vascular del Chocó Andino en el área de Selva Virgen, Ecuador .................... pp. 82 - 96
Ximena Aguirre Ulloa, Alexandra Endara
Reactor anaerobio de flujo horizontal con medio de soporte de polietilentereftalato ............. pp. 97 - 108
Marcelo Muñoz, Valeria Fuentes, María Belén Aldás
Cálculo referencial de material particulado en el aire como factor de contaminación ambiental en el área
urbana de la ciudad de Pujilí ................................................................................................ pp. 109 - 119
Paola Vallejo Choez, Carmen González Moya, Fredy Mena Mora
Details of large-panel buildings seismic analysis ................................................................... pp. 120 - 134
Sergei Emelyanov, Yurij Nemchinov, Vladimir Kolchunov, Igor Yakovenko
Prefacio
En esta segunda edición de su séptimo año, Enfoque UTE se complace en dar la bienvenida a un
nuevo miembro de su Comité Editorial: el Dr. Sergio Luján Mora, de la Universidad de Alicante,
España, quien es especialista en el área de la Informática y la accesibilidad en aplicaciones web.
También es placentero comunicar que Latinoamericana nos ha dado la bienvenida, y ahora Enfoque
UTE forma parte de esta asociación de revistas académicas.
Los diez artículos que se presentan en esta edición cubren las áreas de las ingenierías petrolera, de
sistemas, mecatrónica y ambiental; adicionalmente se considera un interesante artículo sobre la
resistencia a sismos de cierto tipo de construcciones, colaboración de nuestros colegas rusos y
ucranianos.
Un sincero agradecimiento a todos quienes con su aporte hacen Enfoque UTE: autores, revisores y en
general a todos nuestros colaboradores.
Comité Editorial
Quito, junio 2016.
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.1 - 9 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2016/04/01 Aceptado (Accepted): 2016/06/23
CC BY-NC-ND 3.0
Estudio de viabilidad de un sistema para remoción de revoque
para zonas productoras de pozos petroleros
(Viability study of a system for filtercake remotion in pay zone
of oil wells)
Wang ZhaoZheng1, Fang Xi1, Henry Paúl Romero Cortez1, Fausto René Ramos
Aguirre2
Resumen:
En este artículo se exponen las ideas esenciales de un procedimiento experimental efectuado
con el objetivo de comprobar si el sistema de remoción de revoque, es válido para ser usado en
la zona productora. Este sistema se prepara en medio acuoso, y la concentración del
removedor depende de la cantidad de revoque estimado en los pozos horizontales de petróleo
para optimizar la limpieza de la zona productora y mejorar la producción de crudo. Los
resultados de las pruebas realizadas demuestran que dicho sistema podría funcionar; pero se
necesita evaluar la compatibilidad con los fluidos del pozo y con la roca en la zona productora.
Palabras clave: fluidos de perforación; removedor de revoque; pozos horizontales
Abstract:
This article describes the essential ideas of an experimental procedure performed in order to
check the filter-cake removal system is suitable for use like filter-cake removal system for pay
zone. This system is made on aqueous phase and its concentration depend of the quantity of
filtercake estimated in the wellbore of horizontal wells. This optimized the wellbore cleaning and
increase the worth of well. The results of tests show that system could work, but it needs further
analysis for determine the compatibility with fluids and rock from reservoir.
Keywords: drill-in; filter cake removal
1. Introducción
Durante la perforación de pozos petroleros se utilizan fluidos de perforación los cuales tienen
diversas funciones como: controlar la presión de formación, remover los recortes del pozo, sellar
las formaciones permeables encontradas durante la operación, enfriar y lubricar la broca,
transmitir la energía hidráulica a las herramientas de fondo de pozo y a la broca, y quizás lo más
importante, mantener la estabilidad y control del pozo (Al-Mehailani, 2009). Paralelamente a estas
funciones el fluido forma un revoque en las paredes del pozo que luego necesita ser removido
antes de iniciar la producción (Carrera, 2009), por tal motivo se diseña el sistema de remoción de
revoque que en su esencia son sistemas ácidos que disuelven el carbonato de calcio y los
polímeros presentes en el revoque.
Los antecedentes para la realización de este trabajo vienen dados por una cantidad de estudios y
pruebas de laboratorio realizados por la empresa CNPC – Chuanquing Drilling Engineering
Company Limited – CCDC Branch Ecuador para determinar si la formulación del sistema de
1 CCDC Branch Ecuador, Quito – Ecuador ( wzhaozheng2004, fangxi, hromero @ccdc-ec.com )
2 Universidad Tecnológica Equinoccial, Quito – Ecuador ([email protected])
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.1 - 9
remoción del revoque es válida. El removedor está basado en ácidos de acción débil para
solubilizar el carbonato de calcio y los polímeros presentes en el revoque de los fluidos drill-in en
un tiempo determinado (Leschi, 2006).
Las pruebas realizadas en esta investigación tienen el objetivo de sentar las bases del diseño de
un sistema removedor de revoque (Mc Culloch, 2003), es decir encontrar experimentalmente la
mejor formulación del sistema; de esta manera se pretende personalizar cada sistema para cada
locación, campo y yacimiento, con el fin de obtener mejores rendimientos y maximizar la
producción de los pozos y minimizar los daños en la formación (Davidson, 1997).
Los objetivos específicos son:
1) Identificar si el sistema puede utilizarse como removedor de revoque.
2) Identificar la concentración óptima del sistema.
3) Identificar las ventajas y desventajas del sistema.
Metodología empleada
Todas las pruebas de laboratorio fueron realizadas con los equipos y reactivos de la empresa
CNPC – Chuanquing Drilling Engineering Company Limited – CCDC Branch Ecuador en las
instalaciones de la UTE, en la ciudad de Quito.
Sistema de unidades:
Masa: Libra (lb) y/o gramo (g)
Volumen: Barril (bls) y/o mililitros (ml)
Tiempo: minutos (min)
pH: adimensional
Temperatura: grados Celsius (ºC)
Porcentaje en peso: (%p)
Concentración: libras por barril (lb/bls) y/o gramos por mililitro (g/ml)
Principales pruebas efectuadas:
Concentración de saturación en agua.
Solubilidad máxima aproximada a condiciones atmosféricas de la ciudad de Quito en
superficie del CaCO3 por cada 100 g de removedor.
Variación del pH en función del tiempo y la temperatura.
Remoción del revoque atmosférico.
Procedimientos experimentales empleados:
a) Concentración de saturación del sistema en agua.
- La prueba se realizó a condiciones atmosféricas de la ciudad de Quito, temperatura
ambiente y presión atmosférica de la ciudad de Quito.
- Se colocó 10.00 g de removedor en 50 ml de agua y agitó por 5 min.
- Se observó si está disuelto el producto.
- Se colocó 1.00g de removedor cada vez que se disuelve el producto por completo.
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.1 - 9
- Se agitó por 5 minutos y se observó la disolución.
- Una vez que se observaron sólidos después de agitar se consideró que esa
concentración está ligeramente pasada a la concentración de saturación.
- Se colocó 5 ml de agua para disolver el exceso.
- Cuando se disolvió el removedor por completo esa fue otra concentración cercana a la
saturación.
- Se promediaron los resultados.
b) Solubilidad del CaCO3 en el sistema.
- La prueba se realizó a condiciones atmosféricas de la ciudad de Quito, temperatura
ambiente y presión atmosférica de la ciudad de Quito.
- Se utilizó 100.00 ml de una solución del removedor 0.50 g/ml.
- Se mezcló 30.00 g de CaCO3 fino evitando derrames por la reacción.
- Se dejó reposar 8 horas para garantizar la máxima solubilidad del CaCO3.
- Se filtró el residuo y secó para medir la masa y se comparó con los 30.00 g iniciales.
c) Variación del pH en función del tiempo.
- La prueba se realizó en las siguientes condiciones: presión atmosférica de superficie y
temperatura de fondo 80 ºC.
- Se preparó diferentes soluciones con concentraciones de 2.00 lb/bls, 5.00 lb/bls, 10.00
lb/bls, 20.00 lb/bls, 30.00 lb/bls y solución saturada.
- Se midió el pH de las diferentes soluciones durante iguales intervalos de tiempo.
d) Remoción de revoque con diferentes concentraciones.
- La prueba se realizó en las siguientes condiciones: presión atmosférica de superficie y
temperatura de fondo 80 ºC.
- Se realizó la prueba de remoción de revoque atmosférico con las soluciones
preparadas en el literal c.
- Se obtuvo el revoque de un fluido de perforación drill in utilizando el filtrado API según
la norma API 13B.
- Se colocó el revoque dentro de la solución y observó la remoción.
- Se retiró el papel filtro restante y se secó para medir la masa y porcentaje de limpieza.
e) Remoción de los productos con diferentes concentraciones.
- La prueba se realizó en las siguientes condiciones: presión atmosférica de superficie y
temperatura de fondo 80 ºC.
- Se realizó la prueba de remoción de revoque atmosférico con las soluciones
preparadas en el literal c.
- Se obtuvo el revoque de un fluido preparado con un solo producto utilizando el filtrado
API.
- Se colocó el revoque dentro de la solución y observó la remoción.
- Se retiró el papel filtro restante y se secó para medir la masa y porcentaje de limpieza.
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.1 - 9
2. Resultados y Discusión
Del estudio de solubilidad del sistema, puede deducirse que el removedor es soluble en agua
hasta una concentración de 66.49 lb/bls aproximadamente; la solución obtenida es incolora y de
olor leve. Los resultados de este método empleado son aproximados.
La Tabla 1 muestra los resultados de solubilidad del removedor en agua. Los valores en color rojo
muestran las variaciones de su cristalización, valores que tomamos (58.41 lb/bls, 75.10 lb/bls,
65.97 lb/bls) para determinar la solubilidad máxima promedio del sistema de remoción en agua y
es de 66.49 lb/bls.
Tabla 1. Solubilidad del removedor en agua
Removedor
(g)
Agua (ml) Concentración (lb/bls) Residuo
10.00 50.00 70.09 Si
10.00 60.00 58.41 Si
10.00 70.00 50.06 No
11.00 70.00 55.07 No
12.00 70.00 60.08 No
13.00 70.00 65.09 No
14.00 70.00 70.09 No
15.00 70.00 75.10 No
16.00 70.00 80.11 Si
16.00 71.00 78.98 Si
16.00 72.00 77.88 Si
16.00 73.00 76.82 Si
16.00 74.00 75.77 Si
16.00 75.00 74.77 Si
16.00 80.00 70.09 Si
16.00 85.00 65.97 Si
16.00 90.00 62.31 No
La Tabla 2 muestra los resultados de solubilidad del CaCO3 en una solución saturada del sistema
de remoción. El estudio muestra que 45.06 gramos de CaCO3 se disuelven por cada 100.00 g de
removedor.
Tabla 2. Solubilidad del CaCO3 en solución saturada del removedor
Producto Masa inicial (g) Masa final (g)
CaCO3 30.00 22.79
Sistema de remoción 16.00
CaCO3 disuelto 7.21
Solubilidad
g de CaCO3 / 100 g de removedor
45.06
La Tabla 3 muestra los resultados de solubilidad aproximados de los productos utilizados en las
dos formulaciones de fluidos en solución del sistema de remoción a condiciones atmosféricas de
la ciudad de Quito; se realizaron pruebas de solubilidad para cada producto utilizado en la
preparación del fluido de perforación (Nasr-El-Din, 2006). Con todos los productos se realizó el
procedimiento del literal e.
Los estudios de la solubilidad de los polímeros en solución del sistema muestran que el PAC LV,
PAC HV y XC HV son solubles mientras que los productos KPAN, NH4KPAN, SMP-1 y bentonita
son insolubles.
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.1 - 9
Tabla 3. Solubilidad de productos comerciales en el sistema de remoción de revoque.
2.4. Variación del pH de una solución del removedor en función del tiempo.
Se realizan dos formulaciones de fluidos de perforación la formulación 1, la cual contiene todos los
productos utilizados por la empresa CNPC durante las operaciones de perforación y la formulación
2 contiene los productos utilizados en la perforación de la zona de interés o zona productora.
Se realiza la remoción del revoque obtenido con la formulación 1 con diferentes concentraciones
del sistema de remoción. En la Figura 1 se muestran los valores de pH en función de la
temperatura y tiempo. Los resultados del estudio de la variación del pH del sistema muestran que
el pH se mantiene ácido desde el inicio y que no varía significativamente. Concentraciones
menores a 2.00 lb/bls del sistema no tienen la cantidad suficiente de ácido para mantener la
limpieza del revoque en el tiempo y el pH incrementa.
En la Tabla 4 mostramos los resultados de la remoción del revoque de la formulación 1 a
diferentes concentraciones; se observa que en concentraciones menores a 10.00 lb/bls hay una
limpieza parcial mientras que para las concentraciones superiores a 10.00 lb/bls se obtiene una
limpieza más completa. En promedio se limpia el 47.38%p del revoque de la formulación 1(todos
los productos) con una concentración entre 10.00 y 30.00 lb/bls y un tiempo de limpieza de 5
horas.
Adicionalmente se realizan las pruebas de limpieza del revoque obtenido con el fluido de la
formulación 2 utilizado en zonas productoras. Se observa en la figura 2 que el pH se mantiene
ácido desde el inicio y no varía significativamente. El pH de la solución disminuye al aumentar la
concentración del sistema.
Producto
(nombre
comercial)
Tiempo
(min)
Temperatura
(ºC)
pH Masa inicial
(g)
Masa final
(g)
%p de limpieza
XC HV 300 76.50 0.60 0.75 0.40 46.67
PAC LV 300 75.40 0.57 0.74 0.07 90.54
PAC HV 300 78.20 0.64 0.17 0.04 76.47
PAC LV /HV 300 78.10 0.52 1.88 0.23 87.77
KPAN 300 79.20 0.46 0.93 0.89 4.30
NH4KPAN 300 75.30 0.45 0.99 0.95 4.04
SMP-1 300 76.90 0.54 1.23 1.22 0.81
Bentonita 300 76.30 0.50 2.36 2.36 0.00
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.1 - 9
Figura 1. pH según temperatura y tiempo para formulación 1
Tabla 4. Remoción del revoque con Formulación 1
Concentración
del sistema
(lb/bls)
Tiempo
(min)
Temperatura
(ºC)
pH
Masa (g) Limpieza
% inicial Final
2.00 300 80.70 2.25 1.97 1.74 11.68
5.00 300 83.00 1.20 1.97 1.63 17.26
10.00 300 75.80 0.92 1.97 1.08 45.18
20.00 300 78.40 0.65 1.97 0.94 52.28
30.00 300 81.00 0.51 1.97 1.09 44.67
70.00
(saturado)
300 77.80 0.07 1.97 3.86 -------
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.1 - 9
Figura 2. pH según temperatura y tiempo para formulación 2
Los revoques limpiados con concentraciones de 10.00, 20.00 y 30.00 lb/bls presentan una capa
fina amarilla. En promedio se limpia el 93.23%p del revoque de la formulación 2 (productos
utilizados en la zona productora) con una concentración entre 10.00 y 30.00 lb/bls.
En la Tabla 5 se muestran los resultados del estudio de la variación del pH con el tiempo y la
temperatura, además del porcentaje de limpieza obtenido para diferentes concentraciones del
sistema de remoción. Podemos observar que el máximo porcentaje de limpieza se obtiene para la
concentración de 30.00 lb/bls.
Tabla 5. Remoción del revoque con Formulación 2
Concentración
del sistema
(lb/bls)
Tiempo
(min)
Temperatura
(ºC)
pH
Masa (g) Limpieza
%p inicial Final
10.00 300 83.60 0.82 1.97 0.12 93.91
20.00 300 79.90 0.48 1.97 0.18 90.86
30.00 300 81.30 0.53 1.97 0.11 94.92
En la Figura 3 mostramos la imagen de la limpieza del revoque que se obtiene utilizando el
sistema de remoción de CNPC que ha sido objeto del estudio de este trabajo; esta imagen
corresponde a la formulación 2 antes y después de haber actuado el sistema de remoción con
concentración de 30.00 lb/bls. Nótese cómo la limpieza obtenida es muy buena, por lo que los
resultados de este trabajo son alentadores para seguir mejorando el sistema de remoción para su
validación final.
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.1 - 9
Figura 3. Limpieza del revoque de la formulación 2 utilizando el sistema de remoción de
revoque de CNPC con concentración de 30.00 lb/bls.
3. Conclusiones
El principio activo del sistema de remoción de revoque tiene una solubilidad aproximada en agua
de 66.49 lb/bls.
Para realizar una limpieza del revoque se necesita solubilizar el carbonato de calcio y los
polímeros presentes; por esta razón es importante la solubilidad del carbonato de calcio en el
sistema de remoción que es de 45.06 g de CaCO3 por cada 100.00 g de removedor.
Los polímeros PAC LV, PAC HV y XC HV son solubles en el sistema y los polímeros KPAN,
NH4KPAN, SMP 1 y bentonita son insolubles en el sistema, esta información es útil para el diseño
de la formulación 2 (formulación para la zona productora).
La formulación utilizada durante la perforación de los pozos es de suma importancia para el éxito
de la remoción del revoque y podemos ver que la limpieza del revoque de la formulación 1 fue de
47.38%p mientras que la limpieza del revoque de la formulación 2 utilizada en la zona productora
es del 93.23 %p.
La concentración óptima del sistema de remoción de revoque es de 20.00 lb/bls.
4. Recomendaciones
El sistema de remoción de revoque de la empresa CNPC puede ser utilizado como rompedor de
revoque en la zona productora, pero se debe utilizar un solvente mutual y un inhibidor de corrosión
en la formulación.
Se deben realizar más pruebas de laboratorio como pruebas de break point utilizando el equipo de
alta presión alta temperatura (HPHT) para identificar el tiempo de inicio de la remoción, pruebas
de remoción de revoque atmosféricas con secuencia fotográfica, pruebas de remoción de revoque
con una muestra real del fluido de perforación, pruebas de compatibilidad y un retorno de
permeabilidad antes de hacer una prueba en campo.
Se recomienda utilizar el sistema como píldora liberadora de pega diferencial en fluidos con más
de 40.00 lb/bls de carbonato de calcio con cualquier formulación.
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.1 - 9
Bibliografía
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SPE 98300.1-14.
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.10 - 24 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2016/04/05 Aceptado (Accepted): 2016/06/23
CC BY-NC-ND 3.0
Un enfoque computacional evolutivo para problemas de
competencia de Stackelberg dinámicos
(An evolutionary computational approach for the dynamic
Stackelberg competition problems)
Lorena Arboleda-Castro1, Olga Cedeño-Fuentes1, Iván Jacho-Sánchez1, Pavel Novoa-
Hernández1
Resumen:
Los modelos de competencia de Stackelberg agrupan a una gran familia de problemas de
decisión económicos provenientes de la Teoría de Juego, en los que el objetivo principal es
encontrar las estrategias óptimas entre un par de competidores teniendo en cuenta una
jerarquía entre ellos. Aunque estos modelos han sido abordados ampliamente a lo largo de los
últimos años, es importante destacar que muy pocos trabajos tratan escenarios con
incertidumbre, especialmente aquellos que varían en el tiempo. En este sentido, la presente
investigación aborda estos escenarios y propone un método computacional basado en técnicas
metaheurísticas que resuelve de manera eficiente modelos de competencia de Stackelberg
dinámicos. Los experimentos computacionales desarrollados sugieren que el enfoque
propuesto resulta efectivo para problemas de esta naturaleza.
Palabras clave: competencia Stackelberg; optimización dinámica evolutiva; optimización de
dos niveles; metaheurtísticas.
Abstract:
Stackelberg competition models are an important family of economical decision problems from
game theory, in which the main goal is to find optimal strategies between two competitors taking
into account their hierarchy relationship. Although these models have been widely studied in the
past, it is important to note that very few works deal with uncertainty scenarios, especially those
that vary over time. In this regard, the present research studies this topic and proposes a
computational method for solving efficiently dynamic Stackelberg competition models. The
computational experiments suggest that the proposed approach is effective for problems of this
nature.
Keywords: Stackelberg competition; evolutionary dynamic optimization; bilevel optimization;
metaheuristics.
1 Universidad Técnica Estatal de Quevedo, Quevedo – Ecuador ( laroboleda, ocedeno, ijacho, pnovoa
@uteq.edu.ec )
11
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.10 - 24
1. Introducción
En el ámbito económico varios escenarios de decisión jerárquicos pueden ser modelizados como
problemas de competencia de Stackelberg (von Stackelberg, 1952), como parte de la Teoría de
Juegos en el ámbito de la Investigación de Operaciones. Específicamente, se trata modelos de
optimización de dos niveles (Benoít Colson, Marcotte, & Savard, 2005; Benoît Colson, Marcotte, &
Savard, 2007), en los que en una firma líder (asociada a un modelo de optimización superior) tiene
por objetivo encontrar la mejor decisión, teniendo en cuenta la reacción óptima de otra firma
subordinada (modelo de optimización inferior). Aunque la literatura ha abordado ampliamente los
problemas de competencia de Stackelberg, (León & Navarro, 2013; Nakamura, 2015; Nie, 2012;
Øksendal, Sandal, & Ubøe, 2013; Wahab, Bentahar, Otrok, & Mourad, 2016; Wang et al., 2016),
es importante resaltar que muy pocos estudios asumen que el modelo presenta incertidumbre de
algún tipo. En algunos casos, esta incertidumbre pudiera venir dada por la variabilidad en el
tiempo de condiciones (decisiones) del adversario (competencia), lo cual es típico de escenarios
económicos complejos.
En particular, los problemas de competencia de Stackelberg dinámicos pueden ser abordados
desde dos puntos de vista. Por un lado, existen escenarios que pueden ser modelados como
problemas de programación dinámica, en los que enfoques clásicos de la Investigación de
Operaciones pueden aplicarse sin mayores dificultades. Otra alternativa es asumir que la
naturaleza de la dinámica del problema es desconocida, esto es, cómo y cuándo ocurrirán los
cambios en el modelo. Obviamente este último enfoque es más general pero debe tener en cuenta
una mayor complejidad en el problema. Como consecuencia, los métodos usuales de optimización
deben ser adaptados para enfrentar esta incertidumbre. Hasta donde se conoce no existen
investigaciones abordando este último enfoque.
Por las razones anteriormente expuestas y con la intención de contribuir a desarrollar este campo
de investigación, el presente trabajo tiene por objetivo general: proponer un enfoque
computacional evolutivo para la solución de problemas de competencia Stackelberg dinámica.
Específicamente, se propone un método metaheurístico (Boussaïd, Lepagnot, & Siarry, 2013) que
combina enfoques computacionales evolutivos provenientes de la optimización de dos niveles
(Talbi, 2013), y la optimización dinámica evolutiva (Nguyen, Yang, & Branke, 2012).
Para una mejor comprensión de la propuesta, el resto del trabajo queda estructurado de la forma
siguiente: en la Sección 2 se describe el modelo que será objeto de estudio y el método de
solución desarrollado para resolverlo. La Sección 3 está dedicada a presentar y discutir los
resultados obtenidos de los experimentos computacionales realizados. Finalmente, la Sección 4
brinda las conclusiones y trabajos futuros de derivados de la investigación.
12
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.10 - 24
2. Materiales y métodos
En la presente sección se describe en detalle el problema a resolver a través de su modelización
matemática, y más adelante, el método computacional propuesto.
2.1 Modelo de competencia de Stackelberg dinámica
El modelo de competencia de Stackelberg dinámico que será objeto de estudio en la presente
investigación queda establecido informalmente como sigue:
Una firma 𝑙 desea maximizar sus ganancias a partir del nivel de producción y nivel de
demanda de 𝑛 productos, teniendo en cuenta la reacción óptima de un competidor 𝑓
que produce los mismos productos que ésta a lo largo del tiempo. Se asumen
conocidas las funciones de ingresos y costos de los productos para ambas compañías.
Más formalmente el modelo matemático es el siguiente:
Datos:
𝑛: cantidad de productos que producen tanto la compañía 𝑙 como 𝑓.
Se asumen además conocidas las constantes que definen a las funciones de precio de
venta y de costo de producción de cada producto (véase más adelante el apartado sobre
Funciones objetivo).
Variables de decisión:
𝑥: nivel de producción de los productos de la firma 𝑙. Donde 𝑥 = 𝑥𝑖 ∶ 𝑥𝑖 ∈ ℝ+, 𝑖 = 1, … , 𝑛
siendo 𝑥𝑖 el nivel de producción del producto 𝑖.
𝑦: nivel de producción de los productos de la firma 𝑓. Donde 𝑦 = 𝑦𝑖 ∶ 𝑦𝑖 ∈ ℝ+, 𝑖 = 1, … , 𝑛
siendo 𝑦𝑖 el nivel de producción del producto 𝑖.
Restricciones:
Como restricción funcional tendremos la relacionada con el cumplimiento de la demanda
para todo producto 𝑖:
𝑥𝑖 + 𝑦𝑖 ≥ 𝑄𝑖 (1)
Adicionalmente se considera que las variables son no negativas, esto es, 𝑥𝑖, 𝑦𝑖 , 𝑄𝑖 ≥ 0 para
todo producto 𝑖.
Finalmente, es importante mencionar que el problema de optimización correspondiente a la
compañía competidora 𝑓 es al mismo tiempo una restricción para el problema principal,
esto es, para el modelo correspondiente a la compañía líder 𝑙.
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.10 - 24
Funciones objetivo:
De manera general se asumirá que ambas compañías tienen por objetivo maximizar sus
respectivos beneficios globales, a partir de la siguiente relación:
𝛱(𝑞, 𝑄) = ∑[𝑃(𝑄𝑖)𝑞𝑖 − 𝐶(𝑞𝑖)]
𝑛
𝑖=1
(2)
donde 𝑃 y 𝐶 son funciones correspondientes al precio de venta y al costo de producción,
respectivamente. Además, 𝑞𝑖 ∈ 𝑥𝑖, 𝑦𝑖 representa el nivel de producción de producto 𝑖 de cada
compañía según sea el caso, mientras que 𝑄𝑖 es la demanda del producto 𝑖.
Aunque las funciones 𝑃 y 𝐶 pueden exhibir distintas formas según sea el escenario económico,
para los propósitos de la presente investigación será suficiente abordar por cada producto 𝑖, las
siguientes variantes (Sinha, Malo, & Deb, 2014; Sinha, Malo, Frantsev, & Deb, 2014) :
𝑃(𝑄𝑖) = 𝛼𝑖 − 𝛽𝑖𝑄𝑖 (3)
𝐶(𝑞𝑖) = 𝛿𝑖𝑞𝑖2 + 𝛾𝑖𝑞𝑖 + 𝑐𝑖 (4)
donde 𝛼𝑖 , 𝛽𝑖, 𝛿𝑖 y 𝛾𝑖 son constantes positivas conocidas, y 𝑐𝑖 es un costo fijo establecido por la
compañía en cuestión.
En particular consideraremos el escenario en el que los costos asociados a la compañía 𝑓 pueden
variar en el tiempo. Este dinamismo pudiera tener sus causas en la inestabilidad del mercado y en
una estrategia del oponente 𝑓 para reaccionar de manera inesperada ante su adversario, que
sería la compañía 𝑙 . Concretamente, modelaremos esta cuestión de la siguiente manera.
Considere que los costos de la compañía 𝑓 varían en el tiempo de acuerdo a la siguiente regla de
transición para cada producto 𝑖:
𝜙𝑖(𝑡 + 1) = 𝜙𝑖(𝑡) + 𝑟𝑖 ⋅ 𝑠𝑒𝑣𝑖 (5)
siendo 𝜙𝑖 = (𝛿𝑖 , 𝛾𝑖 , 𝑐𝑖)𝑇 el conjunto de constantes que definen a la función de costos 𝐶 , 𝑟 =
(𝑟1, 𝑟2, 𝑟3)𝑇 un vector de números aleatorios generados a partir de una distribución normal
estándar, y 𝑠𝑒𝑣𝑖 = (𝑠𝑒𝑣1, 𝑠𝑒𝑣2, 𝑠𝑒𝑣3)𝑇 un vector de escalares indicando la severidad de los
cambios para cada constante. Es importante notar que otros tipos de cambio para estas
constantes son también posibles. Por ejemplo, cambios correlacionados, cíclicos, caóticos,
lineales con paso constante, entre otros. Sin embargo, estamos convencidos de que para los
propósitos de la presente investigación es suficiente el tipo de cambio definido por la expresión
anterior, pues se asume que los cambios siguen una distribución normal, la cual está muy
presente en fenómenos reales.
A partir de las consideraciones anteriores queda claro que el modelo a estudiar queda resumido
de la siguiente manera:
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max𝑥,𝑦,𝑄
𝛱𝑙 = ∑(𝑃(𝑄𝑖)𝑥𝑖 − 𝐶(𝑥𝑖))
𝑛
𝑖=1
sujeto a
max𝑦
𝛱𝑓 = ∑(𝑃(𝑄𝑖)𝑦𝑖 − 𝐶(𝑦𝑖 , 𝜙𝑖, 𝑡))
𝑛
𝑖=1
𝑥𝑖 + 𝑦𝑖 ≥ 𝑄𝑖 ∀𝑖
𝑥𝑖, 𝑦𝑖 , 𝑄𝑖 ≥ 0 ∀𝑖
(6)
Si se observa con detenimiento el modelo anterior, el lector podrá apreciar tres características que
lo diferencian de los modelos tradicionales de optimización. En primer lugar, que una de las
restricciones es al mismo tiempo un problema de optimización, esto es, correspondiente a la
compañía 𝑓. En segundo lugar, que se trata de un modelo jerárquico en tanto que la compañía 𝑙
tiene prioridad sobre su competidora 𝑓. Esta es precisamente la naturaleza de los modelos de
optimización en dos niveles, que no solo incluyen como un caso particular a los de competencia
Stackelberg. Finalmente, la presencia de parámetros que varían en el tiempo en la función de
costos, convierte al modelo en dinámico.
Las características antes mencionadas indican que se requieren de métodos especiales para
resolver eficientemente este modelo. Una posible variante es abordarlos analíticamente,
aprovechando las características de las funciones objetivo y restricciones. Sin embargo, en cuanto
el número de variables crece y aparecen funciones no lineales más complejas, ya las técnicas
analíticas resultan imposibles o con poca utilidad práctica. Es importante notar que esta
complejidad pudiera verse aumentada también por la naturaleza dinámica del problema, la cual se
asume desconocida por parte de la compañía 𝑙. En ese sentido, la siguiente sección expone el
método computacional propuesto, que resuelve de manera aproximada el problema planteado.
2.2 Método computacional propuesto
De acuerdo a (Talbi, 2013), desde el punto de vista de métodos metaheurísticos, existen cuatro
enfoques para resolver un problema de optimización de dos niveles. El primero es el denominado
anidado secuencial, en el que por cada solución candidata del modelo superior se resuelve el
modelo inferior. Este enfoque es el más intuitivo si se tiene en cuenta que conceptualmente el
modelo indica que, para que una solución cualquiera del modelo superior sea factible, se tiene que
resolver el problema inferior. Sin embargo, este enfoque puede resultar excesivamente costoso
computacionalmente, por ejemplo en casos donde sea complejo optimizar el problema inferior. De
manera alternativa, algunos autores transforman el modelo de dos niveles de manera que pueda
ser resuelto por técnicas de optimización tradicionales. Ese es el caso de los enfoques de
transformación de un solo nivel y transformación multi-objetivo. No obstante, es importante notar
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que ambos enfoques asumen que el modelo del problema es conocido explícitamente, y que
existe alguna certeza matemática de que tales transformaciones llevan a un problema equivalente,
en el que su solución óptima coincide con la del problema original. Finalmente, el cuarto enfoque
son los algoritmos coevolutivos, un concepto biológico que ha inspirado a varios autores en el
ámbito de la computación evolutiva. La idea detrás de este enfoque es la optimización en paralelo
de partes del problema original. En el caso de modelos de dos niveles, se divide el problema en
dos subproblemas de optimización, esto es uno por cada nivel, los cuales son resueltos al mismo
tiempo. Cada cierto tiempo, una determinada información de los dos procesos de optimización es
intercambiada con el objetivo de que la búsqueda sea más exacta, esto es, dirigirla hacia
soluciones cercanas a la óptima del problema principal.
Por otro lado, en el caso de la optimización dinámica evolutiva (Cruz, González, & Pelta, 2011;
Nguyen et al., 2012), en la literatura se reflejan varias alternativas dependiendo igualmente de las
característica del problema, y de la información que asume conocida el investigador. Por lo
general predomina la aplicación de metaheurísticas poblacionales (Novoa-Hernández, Corona, &
Pelta, 2011; Novoa-Hernández, Pelta, & Corona, 2010). De acuerdo a Jin & Branke, 2005 existen
cuatro enfoques principales que se han propuesto en el contexto de las metaheurísticas
poblacionales: 1) introducir diversidad después de los cambios, 2) mantener la diversidad durante
la ejecución, 3) uso de memorias, 4) enfoques multi-poblacionales. Más recientemente, Nguyen
et al., 2012 indica que un quinto enfoque efectivo es el empleo de técnicas auto-adaptativas
(Meyer-Nieberg & Beyer, 2007). Estas técnicas dotan de estrategias inteligentes al algoritmo para
lidiar con diversos escenarios complejos, minimizando el tiempo de ajuste de parámetros del
propio algoritmo por parte del investigador (Novoa-Hernández, Cruz Corona, & Pelta, 2016).
Un análisis sencillo sobre los enfoques mencionados que han sido propuestos para problemas de
dos niveles y para problemas dinámicos, nos indica intuitivamente que un método efectivo puede
derivarse de la combinación adecuada de técnicas de ambos mundos. Precisamente, en la
presente investigación proponemos un algoritmo coevolutivo que incluye una estrategia de
diversidad durante la ejecución. Para su concepción se ha tomado en cuenta investigaciones
previas como Legillon, Liefooghe, & Talbi (2013); Oduguwa & Roy (2002), para el caso del
enfoque de coevolución, y en Blackwell & Branke (2006), para el caso de la estrategia de
diversidad durante la ejecución. Además, se ha empleado como paradigma computacional a la
Evolución Diferencial (Storn & Price, 1997). Estos tres componentes incluidos en la propuesta han
mostrado excelentes resultados en sus respectivos escenarios. Sin embargo, hasta donde se
conoce no existen investigaciones que las combinen para resolver problemas de dos niveles
dinámicos.
Los pasos generales del algoritmo, que hemos denominado CQDEA (Coevolutionary Quantum
Differential Evolution Algorithm), son los siguientes:
16
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.10 - 24
Algoritmo CQDEA:
Datos de entrada:
o Subproblemas 𝑀𝑠𝑢𝑝 y 𝑀𝑖𝑛𝑓.
o Subalgoritmos 𝐴𝑠𝑢𝑝 y 𝐴𝑖𝑛𝑓 que incluyen Evolución Diferencial y Estrategia de diversidad.
o Tamaño de la población 𝜇.
o Frecuencia de intercambio de información 𝛥ℎ.
o Radio de diversidad 𝑟𝑐𝑙𝑜𝑢𝑑.
Paso 1. Crear una población 𝑃0 con 𝜇 individuos (soluciones candidatas) aleatoriamente
siguiendo una distribución uniforme. Inicializar contador de iteraciones ℎ = 1.
Paso 2. Inicializar 𝐴𝑠𝑢𝑝 y 𝐴𝑖𝑛𝑓 con copias de la población 𝑃0.
Paso 3. Detectar cambios en el ambiente mediante la reevaluación de las mejores soluciones
de 𝐴𝑠𝑢𝑝 y 𝐴𝑖𝑛𝑓 en sus respectivas funciones objetivo. Si se detectan cambios, entonces ir al
Paso 4, en caso contrario ir al Paso 5.
Paso 4. Reevaluar todas las soluciones en 𝐴𝑠𝑢𝑝 y 𝐴𝑖𝑛𝑓. Ir al Paso 8.
Paso 5. Chequear si es tiempo de intercambiar información (ℎ 𝑚𝑜𝑑. ∆ℎ == 0) . Si lo es
entonces ir al Paso 6, de lo contrario ir al Paso 7.
Paso 6. Intercambiar la mejor solución entre 𝐴𝑠𝑢𝑝 y 𝐴𝑖𝑛𝑓 . Primero 𝐴𝑠𝑢𝑝 le envía su mejor
solución a 𝐴𝑖𝑛𝑓 quien distribuye la parte 𝑥 en toda su población y la reevalúa. La mejor
solución de 𝐴𝑖𝑛𝑓 en términos de 𝑦 es enviada a 𝐴𝑠𝑢𝑝 quien la distribuye en su población y la
reevalúa. Ir al Paso 8.
Paso 7. Actualizar a las población de 𝐴𝑠𝑢𝑝 y 𝐴𝑖𝑛𝑓 según los pasos del paradigma Evolución
Diferencial (Storn & Price, 1997), y la estrategia de diversidad basada en partículas quantum
de (Blackwell & Branke, 2006). Actualizar la mejor solución encontrada por 𝐴𝑠𝑢𝑝 y 𝐴𝑖𝑛𝑓.
Paso 8. Chequear si se cumple la condición de parada. Si se cumple, entonces detener la
ejecución, si no, incrementar contador de iteraciones (ℎ = ℎ + 1) e ir al Paso 3.
Es importante resaltar que cuando se dice evaluar o reevaluar una solución se está haciendo
alusión no solo al valor correspondiente de la función objetivo, sino también al nivel de
cumplimiento de dicha solución en la restricción funcional relacionada con la demanda. En este
sentido, el enfoque adoptado por nuestro algoritmo para determinar si una solución es mejor que
otra involucrará ambos criterios, esto es, el valor de la función objetivo y el grado de factibilidad
según la restricción de la demanda. Concretamente, se ha seguido el enfoque empleado por
(Sinha, Malo, & Deb, 2014), y que consiste en los siguientes pasos para comparar dos soluciones:
Paso 1. Si una de las dos soluciones es factible y la otra no, entonces la factible es la mejor. En
caso contrario ir al Paso 2.
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Paso 2. Si las dos soluciones no son factibles, entonces la mejor es la que tenga un grado de
incumplimiento menor en las restricciones. En caso contrario ir al Paso 3.
Paso 3. Si las dos soluciones son factibles, entonces la mejor es aquella con más calidad de
acuerdo a su valor en la función objetivo.
3. Resultados y discusión
Con el objetivo de analizar y evaluar el método propuesto en la sección anterior, en lo que sigue
se describirán los resultados obtenidos a partir de los experimentos computacionales realizados.
Para simular algunas situaciones reales se consideraron los escenarios mostrados en la Tabla 1,
que corresponden al modelo a resolver.
Tabla 1. Escenarios del problema de competencia Sctackelberg dinámico considerados en los experimentos.
Parámetros Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3
𝑛 (cantidad de productos)
2 5 10
Espacio de búsqueda para 𝑥𝑖 , 𝑄𝑖 , 𝑦𝑖
∈ [0, 100] ∈ [0, 100] ∈ [0, 100]
𝛼𝑖 ∈ [500, 1000] ∈ [500, 1000] ∈ [500, 1000] 𝛽𝑖 ∈ [0.1, 1.0] ∈ [0.1, 1.0] ∈ [0.1, 1.0] 𝛿𝑖 ∈ [0.1, 1.0] ∈ [0.1, 1.0] ∈ [0.1, 1.0] 𝛾𝑖 ∈ [0.1, 1.0] ∈ [0.1, 1.0] ∈ [0.1, 1.0] 𝑐𝑖 ∈ [3, 6] ∈ [3, 6] ∈ [3, 6]
𝑠𝑒𝑣 (severidad de los
cambios)
1% del rango admisible del
parámetro
5% del rango admisible del
parámetro
10% del rango admisible del
parámetro
𝑇 (número de cambios)
50 50 50
𝛥𝑒 (frecuencia de los
cambios)
10 000 evaluaciones de las funciones objetivo
25 000 evaluaciones de las funciones objetivo
50 000 evaluaciones de las funciones objetivo
Como principal medida de rendimiento se seleccionó la media de la calidad (valor de la función
objetivo) de la mejor solución del algoritmo antes del cambio (Novoa-Hernández et al., 2011,
2010). La fórmula matemática correspondiente a esta medida es la siguiente:
𝑓𝑚𝑠𝑎𝑐 =1
𝑇∑ 𝐹𝑘()
𝑇
𝑘=1
(7)
donde 𝑇 es la cantidad de cambios que experimentará el ambiente, 𝐹𝑘 es la función objetivo en el
ambiente 𝑘, y 𝑥 es la mejor solución obtenida por el algoritmo antes de ocurrir el cambio 𝑘. Es
importante destacar que, dado que el modelo que nos ocupa está orientado a maximizar las
ganancias, un valor alto de la medida anterior indicará un buen rendimiento para el algoritmo, y un
bajo rendimiento en caso contrario. Adicionalmente hemos considerado una medida para
determinar el nivel de cumplimiento de la restricción funcional del modelo. De manera similar a la
expresión anterior, se agrupará este nivel de incumplimiento a través de la media:
18
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.10 - 24
𝑔𝑚𝑠𝑎𝑐 =1
𝑇∑(min𝑥𝑖,𝑘 + 𝑖,𝑘 − 𝑖,𝑘: 𝑖 = 1, … 𝑛)
𝑇
𝑘=1
(8)
donde 𝑥𝑖,𝑘 , 𝑖,𝑘 y 𝑖,𝑘 son las 𝑖-ésimas componentes de la mejor solución del algoritmo antes del
cambio 𝑘. En este caso, un valor negativo indica que se incumple con la restricción, mientras que
uno positivo o igual a cero que se cumple.
En relación al algoritmo propuesto, se consideraron las variantes mostradas en la Tabla 2, las
cuales fueron derivadas de las combinación de parámetros cruciales para el enfoque coevolutivo,
y para el enfoque de diversidad durante la ejecución. Estos son la frecuencia de intercambio de
información entre los subalgoritmos (𝛥ℎ), y el radio de diversidad de la estrategia propuesta por
(Blackwell & Branke, 2006).
Tabla 2. Variantes del algoritmo propuesto según los valores de tiempo de intercambio y radio de diversidad.
Variante del algoritmo CQDE
Frecuencia de intercambio
(𝜟𝒉)
Radio de diversidad
(𝒓𝒄𝒍𝒐𝒖𝒅)
1 10 1.0
2 10 5.0
3 10 10.0
4 30 1.0
5 30 5.0
6 30 10.0
7 50 1.0
8 50 5.0
9 50 10.0
En sentido general se realizaron 30 ejecuciones (simulaciones) por cada par problema-algoritmo.
En cada una con semillas aleatorias diferentes. La plataforma empleada fue el software Matlab
2015b, en una PC con 8 GB de RAM y procesador Intel i5 a 2.7 GHz.
Los resultados obtenidos se resumen en las figuras 1, 2 y 3, a través de gráficos de caja, para los
escenarios 1, 2 y 3, respectivamente. En cada figura se ha incluido la calidad y el grado de
cumplimiento de la restricción funcional del problema, para ambos submodelos. Por ejemplo, los
gráficos a) y b) de las figuras 1, 2 y 3, corresponden a la media de la calidad de la mejor solución
antes del cambio obtenida en el modelo superior (compañía l), y en el modelo inferior (compañía
f), respectivamente. Similarmente, los gráficos c) y d) de las figuras mencionadas, corresponden a
la media del grado de cumplimiento en la restricción funcional para la mejor solución antes del
cambio, en el modelo superior e inferior, respectivamente.
Observe que en las tres figuras aparecen patrones similares en cuanto al rendimientos de los
nueve algoritmos. En particular se aprecia que las variantes 1, 4 y 7 son las que peor resultados
exhiben. Esto indica que el radio de diversidad igual a 1.0 no resulta suficiente para lidiar con los
efectos producidos por los cambios. En contraste con estos resultados, el resto de las variantes
muestran un mejor rendimiento al emplear un radio de diversidad mayor.
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Figura 1. Resultados de los algoritmos en el Escenario 1.
Figura 2. Resultados de los algoritmos en el Escenario 2.
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Figura 3. Resultados de los algoritmos en el Escenario 3.
Observe que las mejores variantes, esto es 2, 3, 5, 6, 8 y 9, también exhiben una menor
dispersión en los resultados en comparación con las variantes 1, 3, y 7. Esto es fácilmente
apreciable a partir de las dimensiones de las cajas. Otro aspecto a destacar en relación a la
calidad de los algoritmos es que como tendencia general, se observa que esta tiende a
degradarse para las variantes 1, 3, y 7, conforme aumenta la complejidad del problema. Esta
afirmación se puede verificar comparando los gráficos a) y b) de las figuras 1, 2, y 3, para las
variantes mencionadas. Como resultado se podrá apreciar un estancamiento en el valor de la
media, y la presencia de valores muy inferiores de calidad, incluso negativos.
En relación al grado de cumplimiento de la restricción funcional (gráficos c) y d) de las figuras 1, 2,
y 3), el lector puede apreciar que todos los algoritmos mantiene valores no negativos en los
resultados. Esto indica que todas las variantes obtuvieron soluciones factibles. Sin embargo, es
importante destacar que los valores correspondientes a las variantes que peor calidad poseen (1,
4, y 7) son en su mayoría superiores a 0, mientras que en el resto la tendencia es acercarse a 0.
Para confirmar las afirmaciones anteriores, y determinar más específicamente cuál o cuáles
variantes son las mejores, se aplicaron pruebas estadísticas no paramétricas, de acuerdo a lo
sugerido por García, Molina, Lozano, & Herrera (2009). En este sentido, los datos empleados para
las pruebas fueron los resultados en términos de 𝑓𝑚𝑠𝑎𝑐 en todas las ejecuciones, y agrupándolas
en modelo superior, modelo inferior, y ambos modelos.
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Primeramente, se aplicó la prueba de Friedman para determinar si existían diferencias a nivel de
grupo, y al mismo tiempo determinar un ordenamiento (ranking) promedio de las variantes. Los p-
valores correspondientes a esta prueba para los tres conjuntos de datos mencionados fueron
menores que 0.05, mientras que las posiciones promedio son las mostradas en la Tabla 3.
Obsérvese que la mejor variante es la 5 aunque no difiere mucho su posición en relación a 2, 3, 6,
8 y 9. Sin embargo, esta sí se diferencia de manera apreciable si se compara con las variantes 1,
4, y 7, esto es, las de peor calidad.
A partir del resultado obtenido en la prueba anterior, se procedió con una prueba de Holm para
determinar si existen diferencias con respecto a la mejor variante. En la Tabla 3 se puede apreciar
que las suposiciones anteriores quedan confirmadas por la prueba de Holm. Esto es, aquellas
variantes con posiciones medias cercanas a la mejor, no son significativamente diferentes a esta;
mientras que el resto sí lo son.
Tabla 3. Resultados de las pruebas estadísticas de Friedman y Holm (𝛼 = 0.05) para las variantes del
algoritmo CQDE, en relación a la calidad del modelo superior, modelo inferior, y ambos modelos.
Variantes del algoritmo
CQDE
Posición promedio según
Friedman
(calidad modelo
superior)
Posición promedio según
Friedman
(calidad modelo inferior )
Posición promedio según
Friedman
(calidad de ambos
modelos)
1 7.999 7.999 7.999
2 3.772 (=) 3.805 (=) 3.788 (=)
3 3.433 (=) 3.388 (=) 3.411 (=)
4 7.999 7.999 7.999
5 3.388 (*) 3.388 (*) 3.388 (*)
6 3.416 (=) 3.433 (=) 3.424 (=)
7 7.999 7.999 7.999
8 3.449 (=) 3.438 (=) 3.444 (=)
9 3.538 (=) 3.544 (=) 3.541 (=)
(*) Mejor variante
(=) Variante con diferencias no significativas con respecto a la mejor variante, según la prueba de Holm.
4. Conclusiones y recomendaciones
En este trabajo se abordó la solución del problema de competencia Stackelberg en su versión
dinámica. Dada la incertidumbre presente en el modelo considerado se propuso un método
computacional basado en enfoques de la optimización en dos niveles, y de la optimización
dinámica evolutiva. Los resultados de los experimentos revelan que el método propuesto resuelve
de manera efectiva tres escenarios del problema objeto de estudio. Especialmente, cuando un
parámetro de la estrategia de diversidad aplicada, se hace cercano en magnitud a la severidad del
problema.
Como trabajos futuros se planea analizar y proponer medidas de rendimiento más efectivas en la
evaluación de algoritmos metaheurísticos en problemas de optimización de dos niveles dinámicos.
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Además, la aplicación de enfoques auto-adaptativos que minimicen el esfuerzo del investigador en
establecer parámetros tan influyentes como el radio de diversidad. Existen evidencias de que
estos enfoques contribuyen significativamente en el rendimiento del algoritmo durante la ejecución
(Novoa-Hernández, Corona, & Pelta, 2013).
Finalmente, es conveniente mencionar que el código fuente relacionado con los experimentos
desarrollados en esta investigación estará disponible para su uso por parte de la comunidad
científica a través de la red ResearchGate2, y a través de solicitud por correo electrónico a los
autores. Con esta acción deseamos motivar el interés por el estudio de este problema económico-
matemático en la comunidad científica.
Agradecimientos
Pavel Novoa Hernández cuenta con el apoyo de un proyecto FOCICYT de la Universidad Técnica
Estatal de Quevedo, Quevedo, Los Ríos, Ecuador.
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2016/04/27 Aceptado (Accepted): 2016/06/23
CC BY-NC-ND 3.0
Seguridad de la Telefonía IP en Ecuador: Análisis en Internet
(Security of IP Telephony in Ecuador: Online Analysis)
José Estrada1, Mayra Calva2, Ana Rodríguez1, Christian Tipantuña1
Resumen:
La telefonía es un servicio global, y por ello las redes telefónicas han sido un objetivo codiciado
de los ciberdelincuentes. Ahora que la voz se puede transportar a través del protocolo IP y que
múltiples servicios se integran en un modelo convergente mediante Internet, los incentivos para
atacar los sistemas telefónicos y los atacantes son, sin duda, más numerosos. Además, el
desarrollo de aplicaciones telefónicas basadas en software libre ha permitido la masificación del
uso de telefonía IP, sin que la conciencia sobre los riesgos de seguridad inherentes se haya
incrementado. En vista de la vigente e intensiva adopción de sistemas de telefonía IP en el
Ecuador, se realizó una exploración basada en información pública para determinar
estadísticas sobre los sistemas telefónicos conectados a Internet en Ecuador. En base a estos
datos y a los recopilados por un prototipo de telefonía IP deliberadamente vulnerable, se realizó
un análisis preliminar de las vulnerabilidades y amenazas de estos sistemas telefónicos. Se
encontraron cientos de sistemas telefónicos públicamente disponibles en Internet, muchos con
versiones desactualizadas y, por tanto vulnerables, de soluciones de telefonía IP basadas en
Asterisk. En pocos días, se identificaron miles de interacciones maliciosas sobre el sistema de
telefonía IP publicado en Internet en Ecuador.
Palabras clave: telefonía IP; seguridad; Ecuador; Asterisk, vulnerabilidades; amenazas
Abstract:
Telephony is a global service and thus telephone networks have been a coveted target for
criminals. Now that voice can be transported over IP and that multiple services are integrated in
a convergent model through Internet, there are more incentives to attack and more attackers.
Moreover, the development of open source telephone applications has encouraged the massive
use of IP telephony, but not an increased awareness about embedded security risks. Due to the
current and intensive adoption of IP telephony systems in Ecuador, we conducted an
exploration based on public information to obtain statistics about telephone systems connected
to Internet in Ecuador. Additionally, using a deliberately vulnerable IP telephony system, we
collected more data to do a preliminary analysis of threats to such systems. We found that
hundreds of telephone systems were publicly available on the Internet and using outdated
versions of Asterisk-based applications. We also found thousands of malicious interactions on
the IP telephony system we deployed on the Internet.
Keywords: IP telephony; security; Ecuador; Asterisk; vulnerabilities, threats
1 Escuela Politécnica Nacional, Quito – Ecuador ( jose.estrada, ana.rodriguez, christian.tipantuna
@epn.edu.ec ) 2 Escuela Politécnica Nacional, Quito – Ecuador ([email protected])
26
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
1. Introducción
La telefonía es un mecanismo cotidiano de comunicación. Gracias a la masificación en el uso de
Internet, la telefonía ha evolucionado y ha permitido la creación de nuevos servicios a su
alrededor. Desde Skype y Google Talk hasta Facebook y Whatsapp, un sinnúmero de
aplicaciones en la red soportan comunicaciones por voz que se han hecho tan comunes para los
usuarios como las llamadas por teléfono móvil o convencional. De hecho, la telefonía IP es una
tecnología donde pueden converger una gran cantidad de servicios de comunicaciones en torno al
transporte de la voz.
Por otro lado, las empresas han encontrado en la telefonía IP una solución para ahorrar costos
(transportando, por Internet, la voz entre sus sucursales), flexibilizar la comunicación entre sus
empleados y con sus clientes, integrar sus sistemas de comunicaciones (voz, correo electrónico,
mensajería instantánea), y, especialmente, disponer de una posición de presencia corporativa
mediante un novedoso sistema automático e interactivo para atención al cliente (IVR). Así, las
ventajas de los servicios de telefonía IP han revolucionado el entorno de comunicaciones
empresariales.
Además, gracias al desarrollo de software libre, nuevas aplicaciones para la red han surgido y, ya
que no tienen costo, se encuentran al alcance de cualquiera, incluso para su desarrollo. Así
aparece Asterisk (Bryant, Madsen & Van Meggelen, 2013), que permite construir un sistema de
telefonía IP completo, aprovechando los recursos incluso de una computadora personal. Esta
aplicación ha logrado tanta popularidad que, alrededor de ella, se han generado varios proyectos
para el desarrollo de interfaces web de gestión como Elastix (Puente, 2015) y FreePBX
(Sangoma, 2014), también basadas en software libre. Estas interfaces, que le han robado algo de
protagonismo a Asterisk, han permitido que sea más sencillo todavía implementar una plataforma
de telefonía IP, muchas veces sin la necesidad de contratar los servicios de una empresa
especializada.
El bajo costo inicial de implementación gracias al software libre y la gran versatilidad que ofrece la
telefonía IP han promovido una adopción sin precedentes de esta tecnología, tanto en la empresa
pública, como en la empresa privada. Ecuador no es la excepción, y durante los últimos 6 años ha
vivido un importante proceso de migración hacia la telefonía IP, tal como se describe más
adelante.
Los protocolos de comunicaciones en los que se basa la telefonía IP no fueron concebidos para
ofrecer mecanismos de protección de la información. Además, la consciencia de los riesgos
latentes en Internet aún no está desarrollada en los administradores de tecnología. Por ello, miles
de dispositivos vulnerables (mal configurados o con software desactualizado) se encuentran
disponibles en Internet, aun cuando muchas veces no era necesario que fuesen públicos. Entre
27
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
esos dispositivos se encuentran, sin duda, sistemas de telefonía IP instalados sin tomar en
cuenta las normas de seguridad de información básicas.
La vulneración del servicio de telefonía IP puede llegar a ser crítica pues los sistemas que se
implementan usualmente tienen conexión con recursos que dan acceso a otras redes de
comunicaciones (e.g. un red telefónica fija o móvil) cuyo uso representa un costo económico. Así,
la explotación de una vulnerabilidad de un sistema de telefonía podría permitir el uso fraudulento
de esos recursos y provocar un perjuicio económico considerable a la organización atacada.
En Ecuador, este tipo de fraude empieza a darse con cierta frecuencia, especialmente a partir del
uso de software libre para las aplicaciones de telefonía (especialmente Elastix y FreePBX). La
facilidad de puesta en marcha que ofrecen estas aplicaciones lleva a que muchas de las
implementaciones se realicen sin la ayuda de un experto, lo que incrementa el riesgo de
vulnerabilidad. Asimismo, estas aplicaciones integran la telefonía con otros servicios como correo
electrónico, mensajería instantánea y CRM, que hacen de su mantenimiento una tarea más
complicada y sujeta a errores.
Aunque estos riesgos empiezan a manifestarse en Ecuador en eventos graves de fraude
telefónico, no existe información pública que permita determinar su impacto o el nivel de
vulnerabilidad que tendrían las plataformas de telefonía IP en el país. En este artículo se exponen
los resultados de un esfuerzo por explorar el uso de telefonía IP en el Ecuador y de poner de
manifiesto a algunas de las serias vulnerabilidades de las plataformas telefónicas que se
encuentran públicamente disponibles en Internet.
El resto del artículo está organizado como sigue: en la Sección 2, se expone una modesta
descripción de la telefonía IP en Ecuador; en la Sección 3, se describen los escenarios utilizados
para analizar las amenazas del servicio de telefonía IP en el país; en la Sección 4 se exponen los
resultados de un análisis exploratorio activo de las plataformas de telefonía IP; en la Sección 5, se
presentan los resultados del análisis pasivo de las amenazas a la telefonía IP en el Ecuador; en la
Sección 6, se discuten los riesgos de la telefonía IP en Ecuador; y en la Sección 7, se exponen las
conclusiones de este trabajo.
2. La Telefonía IP en Ecuador
La Telefonía IP es una tecnología que ha ido calando silenciosamente en la infraestructura de
comunicaciones de las empresas, y muy lentamente en las instituciones públicas del Ecuador. No
existen estadísticas ni notas de prensa que registren la penetración de dicha tecnología en el país.
Lo que sí se puede notar es la evolución de la telefonía fija corporativa que ya ofrece conexión de
última milla en base al protocolo de Internet (IP) (Corporación Nacional de Telecomunicaciones,
2016). En lo que respecta a telefonía fija, la Corporación Nacional de Telecomunicaciones (CNT)
ofrece servicios de troncales telefónicas con protocolo IP, permitiendo a las instituciones contratar
28
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
desde 5 canales (troncales) telefónicos SIP a través de una conexión de datos que usualmente
llega mediante fibra óptica.
Por otro lado, la voz transmitida sobre el protocolo de Internet (VoIP) ha sido noticia en el Ecuador
solamente cuando se ha relacionado con aplicaciones (usualmente móviles) de uso masivo, como
Whatsapp (El Comercio, 2015) y Skype (El Universo, 2016). La interacción con este tipo de
aplicaciones es lo más cercano que los usuarios comunes y corrientes se encuentran de la
telefonía IP en el país, pues gran parte de su comunicación telefónica se reduce a la realizada
usando el teléfono móvil.
En Ecuador, la telefonía IP se empieza a estudiar aproximadamente en el año 2005, aunque, para
entonces, países más desarrollados llevaban casi una década aplicándola. Seguramente, a raíz
de la reducción de costos del servicio de acceso a Internet y al significativo incremento de las
capacidades ofrecidas es que la telefonía IP comienza a ser adoptada con mayor intensidad a
nivel nacional, a partir de 2009.
La telefonía IP, como un conjunto de servicios que se ofrecen en torno al transporte de la voz a
través de protocolo IP, viene siendo adoptada en instituciones tanto públicas como privadas con el
fin de aprovechar algunas de sus ventajas como: posibilidad de reutilización de la red de datos
interna para tráfico de voz, mayor cantidad de aplicaciones telefónicas, facilidad de integración
con otros servicios en la red y mayor control sobre el tráfico de voz.
Otra de las razones para la adopción de sistemas de telefonía IP es el ahorro de costos derivado
del transporte de la voz mediante Internet. Esto podría permitir a varias sucursales de una
empresa comunicarse sin costo, o a sus clientes contactarse telefónicamente con ellas usando su
servicio de acceso a Internet. El uso de este beneficio implica, en muchos casos, hacer disponible
el servicio de telefonía en Internet para que sea públicamente accesible desde otras sucursales o
desde las premisas de los clientes. Se desprende, entonces, que esta reducción de costos está
sujeta a exponer los sistemas de telefonía IP a un gigantesco universo de posibles atacantes en
Internet.
Finalmente, la aparición de herramientas de software libre como Asterisk o la distribución Elastix
(basada en Asterisk) que facilitan la implementación de servicios de telefonía IP a bajo costo
(pues no están sujetas a licenciamiento) ha impulsado aún más la adopción de la telefonía IP en el
Ecuador. Sin embargo, esta conciencia de relativa facilidad en la implementación de telefonía IP
podría llevar a las instituciones que requieran ese servicio a desplegarlo por su cuenta,
prescindiendo de los servicios más rigurosos ofrecidos por proveedores calificados.
A continuación, se describen varios esfuerzos realizados como parte de este trabajo para obtener
datos adicionales sobre el estado de la telefonía IP en Ecuador y de los correspondientes riesgos
29
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
de las plataformas de telefonía que se encuentran públicamente disponibles en el espacio
ecuatoriano en Internet.
2.1 La Telefonía IP según el Portal de Compras Públicas
Con el fin de obtener información sobre las tendencias de adopción de telefonía IP en el sector
público del Ecuador, consultamos el portal del Sistema Nacional de Compras Públicas (Instituto
Nacional de Compras Públicas, 2016). Este portal, por disposición de la Ley Orgánica del Sistema
Nacional de Compras Públicas (LOSNCP), publica la información relevante de los procedimientos
de contratación. La información que se obtuvo incluye: objeto del proceso de compra, provincia en
la que se realizó, presupuesto referencial, y fecha de publicación y, con base en esos parámetros,
intentamos ilustrar en la Figura 1 la evolución de las compras de telefonía IP en el Ecuador.
Aunque los resultados obtenidos no se pueden extrapolar inmediatamente para diagnosticar, en
general, la situación de la telefonía IP en el país, sí son un punto de partida importante, ya que no
existen estadísticas oficiales al respecto.
Antes de 2009 no se encontraron procesos relacionados con la compra de telefonía IP (sistemas,
componentes o servicio). En este año, se ejecutaron 6 procesos de compra y en 2013 llegaron a
ser 24. La inversión total realizada en los rubros descritos, de acuerdo a los datos obtenidos, casi
alcanza los 28 millones de dólares. Tal como se puede observar en la Figura 1, la inversión en
telefonía IP pasó de cero a 16 millones de dólares en 4 años (2009 a 2013) en el sector público,
luego de lo cual ésta se ha ido reduciendo paulatinamente. Esta información refleja claramente la
tendencia creciente en la utilización de telefonía IP que inicia de manera tardía en comparación
con otros países más desarrollados tecnológicamente. Las provincias con mayor cantidad de
procesos de compra de telefonía IP son Pichincha (56%), Guayas (14%), Azuay (10%) y
Tungurahua (6%) de un total de alrededor de 105 procesos realizados durante los últimos 7 años.
Figura 1. Evolución de las Compras de Telefonía IP en el Sector
Público de Ecuador a partir del año 2009
0
5
10
15
20
25
30
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
Nú
mer
o d
e P
roce
sos
de
com
pra
Inve
rsió
n
N° procesos Inversión
30
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
Aunque las tendencias de adopción de la tecnología resultan reveladoras, es posible obtener más
información relacionada, por ejemplo, con las marcas de los sistemas que se adquieren en el
sector público, e incluso de sus correspondientes versiones de software. Si se investiga con mayor
profundidad en los documentos habilitantes de los procesos de compra (pliegos, términos de
referencia, resolución de adjudicación, etc.), que también son públicos, es posible intuir
información sobre los sistemas telefónicos que le interesa adquirir o que adquirió la institución
(generalmente los proveedores se identifican con una sola marca). Mediante esa información
podría complementarse el mapa de la telefonía IP en Ecuador.
2.2 Censo en Internet
Los datos expuestos en la sección anterior dan una ligera idea de la tendencia en el uso de la
telefonía IP en el país. Sin embargo, dicen muy poco sobre el número de sistemas de telefonía IP
que actualmente se encuentran operativos ya que no están incluidos aquellos funcionando en la
empresa privada. Por otro lado, conocer, por ejemplo, qué aplicaciones de telefonía IP son las
más utilizadas en Ecuador, ayudaría a entender el impacto que podrían tener los problemas de
seguridad de estos sistemas. No existe un censo con respecto al uso de la telefonía IP en
Ecuador, pero la intuición y la experiencia nos hacen pensar que, al igual que ocurre con otros
servicios, aunque con frecuencia no sea necesario conectar un sistema telefónico a Internet,
muchos administradores lo conectarán por descuido, o por el simple hecho de que es posible
hacerlo.
Así, otra aproximación para medir de alguna manera el impacto de la telefonía IP en el Ecuador se
realizó mediante el motor de búsqueda Shodan (Allen, 2012). Shodan permite encontrar
dispositivos conectados a Internet en base a distintos filtros y en base a información que se ha
recopilado a partir de banners de servicios de red públicos y configurados por defecto. Usamos
Shodan para determinar la cantidad de sistemas de telefonía IP conectados a Internet en Ecuador.
Aunque es claro que no todos los sistemas de telefonía IP del país están conectados a Internet y
que no todos los que lo estén publican un banner con información indexada en Shodan, la
muestra obtenida es útil para tener una idea del panorama de la telefonía IP en el país, no solo
considerando la cantidad de sistemas en funcionamiento, sino también los tipos de soluciones
utilizadas. Esto, sin duda, podría ayudar a orientar de mejor manera el análisis de la seguridad
De este análisis con Shodan, utilizando solamente el filtro de país (country:EC) y la palabra SIP
para la búsqueda en los banners indexados, se encontraron 512 dispositivos identificados como
servidores SIP. De ellos, casi el 50% se ubica geográficamente en la ciudad de Quito, el 43% en
Guayaquil, el 8% en Cuenca, etc. Se puede notar que existe cierta correspondencia de estos
resultados con los obtenidos en la sección anterior, en lo que respecta a las provincias que mayor
penetración tendrían del uso de telefonía IP. Se encontró también que el 22% de esos dispositivos
están conectados a la red de la Corporación Nacional de Telecomunicaciones, un porcentaje
31
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
similar a Telconet, el 10% a Satnet, el 7% a Netlife, el 6% a Puntonet, y el 6% a Etapa. Quizás lo
más interesante que se encontró tiene que ver con el tipo de servicios utilizados en estos
dispositivos. La mayoría, el 27%, usan FreePBX (que incluiría a Elastix), el 5% usaría la solución
DenwaPBX, el 5% Grandstream, y el 3% Asterisk puro. Las soluciones basadas en Asterisk
estarían presentes en un 30% de los dispositivos encontrados.
De la muestra obtenida, se puede concluir que la solución de telefonía IP más popular en Ecuador
sería FreePBX, pero hay que recordar que Elastix, la solución ecuatoriana, está construida sobre
FreePBX. Es muy probable, por tanto, que en realidad la solución de telefonía IP más popular sea
Elastix, al menos entre las que están directamente conectadas a Internet. Curiosamente,
soluciones que son también muy populares en el mercado ecuatoriano de telefonía IP como Cisco
y Avaya aparecen marginalmente (3 y 2 veces respectivamente). Esto podría significar que pocos
de estos dispositivos se conectan a Internet o que los banners que generan están adecuadamente
configurados para no publicar información potencialmente sensible. Es evidente, entonces, que un
gran porcentaje de las soluciones de telefonía IP que se encuentran públicamente disponibles en
Internet están basadas en Asterisk.
Si un sistema de telefonía IP se conecta directamente a Internet, éste se expone a graves riesgos.
En principio, estos riesgos están vinculados con la revelación de información de las versiones de
las soluciones utilizadas. Un atacante podría descubrir un dispositivo de telefonía IP funcionando
con una versión desactualizada de software y por ello, seguramente, vulnerable. Luego, podría
utilizar esa información para buscar o implementar ataques que aprovechen esa vulnerabilidad.
3. Escenarios de Análisis
Una vez que se ha intentado retratar el estado de la telefonía IP en Ecuador, se descibe en las
siguientes secciones los escenarios de prueba construidos para evaluar, en cierta medida, la
seguridad de los sistemas de telefonía IP en Ecuador, utilizando una metodología no intrusiva de
recopilación de información. A continuación, se explica brevemente esta metodología, y se
exponen los dos escenarios de pruebas utilizados para obtener información sobre las potenciales
vulnerabilidades.
3.1 Metodología
La metodología utilizada para explorar las vulnerabilidades de los sistemas de telefonía IP en
Ecuador se dividió en dos fases: una exploración activa y una pasiva.
La primera fase consistió en un análisis activo en el que se sondeó el espacio de Internet
asignado al Ecuador con el fin de encontrar instancias del servicio de telefonía IP conectadas.
Luego, con esta información, en base a las instancias en línea, se determinó, cuando fue posible,
la aplicación telefónica utilizada y su versión correspondiente. Cabe destacar que esta información
32
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
se obtuvo con éxito haciendo una sola petición a cada instancia disponible, y únicamente en
aquellos casos en los que esta información estaba contenida en el campo User-Agent de la
respuesta SIP a dicha petición. Los datos de las aplicaciones telefónicas y sus versiones
encontradas luego fueron analizados, entre otras cosas, para determinar el nivel de vulnerabilidad
de las mismas mediante una consulta simple en los sitios web de los desarrolladores de dichas
aplicaciones sobre los problemas de seguridad de las versiones encontradas.
La segunda fase de este análisis consistió en instalar un prototipo de telefonía IP que se
encuentre disponible públicamente en Internet y configurarlo de modo que fuese deliberadamente
vulnerable (un honeypot de telefonía IP). El objetivo fue atraer ataques de Internet con el fin de
analizarlos y determinar su impacto.
Finalmente, se trató de recopilar información sobre la seguridad de los sistemas de telefonía IP en
Ecuador, consultando con algunos organismos ecuatorianos involucrados en la temática.
3.2 Escenario de Análisis Activo
Para el análisis activo, se consideraron fundamentalmente todos los dispositivos conectados a
Internet ubicados en los rangos de direccionamiento asignados a Ecuador. Los rangos de
direccionamiento IP que se analizaron se obtuvieron de (IP2Location, 2016). Como ya se indicó
previamente, el objetivo fue encontrar los dispositivos, en el espacio de direccionamiento
ecuatoriano, que implementen algún servicio relacionado con telefonía IP. Ya que normalmente
este servicio implementa el protocolo SIP (protocolo de señalización para telefonía más popular),
el proceso de búsqueda consistió básicamente en identificar aquellos dispositivos con servicios
basados en SIP.
LOGS
BASE CELULAR
Router
NAT
INTERNET
PSTN
PBX IP
.1
.2
fxo
Elastix 2.0.0
100, 101, 102
…
118, 119, 120
Extensiones
pbxpublico
logserver
CentOS
Figura 2. Prototipo de escenario de análisis pasivo de amenazas a sistemas de
telefonía IP en Ecuador
33
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
La herramienta utilizada para esta prueba se llama svmap que es parte de un conjunto de
herramientas de auditoría de sistemas de telefonía IP, basadas en Python, agrupadas bajo el
nombre de SipVicious (EnableSecurity, 2012). A través del campo User-Agent de la respuesta SIP
generada por los sistemas analizados, svmap podría determinar el nombre y la versión del servicio
de telefonía IP que está ejecutándose. Evidentemente, esto no es posible si el sistema está
configurado para no revelar esta información (configuración recomendable).
Aunque las pruebas realizadas implican una ligera interacción con cada instancia de telefonía IP
encontrada, esta interacción no es más intensiva que la generada por una petición ICMP mediante
la herramienta ping.
3.3 Escenario de Análisis Pasivo
El objetivo del análisis pasivo fue obtener información que permita intuir el nivel del riesgo
existente en Internet para una aplicación de telefonía IP. Para ello nos planteamos atraer
atacantes a un prototipo de sistema de telefonía IP deliberadamente vulnerable y accesible a
través de Internet.
El prototipo se conectó directamente a Internet y se instaló con la versión 2.0.0 de Elastix.
Adicionalmente, el prototipo se conectó a la red de telefonía móvil, a través de una base celular y
un gateway telefónico, tal como se observa en la Figura 2.
El prototipo se configuró de tal manera que tuviese, entre otras, las siguientes vulnerabilidades:
vulnerabilidad a fingerprinting (Dassouki, Safa & Hijazi, 2014), vulnerabilidad a enumeración de
extensiones, identificadores de terminales equivalentes a números de extensiones, canales SIP
con contraseñas débiles (es decir, canales sin contraseñas, con contraseñas iguales a sus
identificadores, y canales con contraseñas que usen palabras de diccionario), y software de
terceros (VtigerCRM) desactualizado.
La vulnerabilidad a fingerprinting está relacionada con la posibilidad de que un tercero sea capaz
de determinar el sistema operativo y la aplicación de telefonía IP que se ejecuta en nuestro
sistema. Por otro lado, la vulnerabilidad frente a ataques de enumeración supone, en Asterisk (o
sus derivados), la posibilidad de que un atacante encuentre los números de varias de las
extensiones que se pueden conectar a una central telefónica. Luego, ya que estos números
suelen usarse también como identificadores de los terminales telefónicos en el proceso de registro
y autenticación con la central, si un atacante puede averiguar uno de esos identificadores, solo le
faltaría la contraseña para suplantar a un terminal y usar los recursos telefónicos
fraudulentamente. Cabe destacar, además, que la versión utilizada de Elastix es una versión
antigua y, por tanto, vulnerable, entre otros, a ataques de inyección SQL (Exploit Database, 2015).
34
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
Finalmente, al prototipo se conectó un servidor de logs encargado de recibir todos los registros de
los eventos generados en los servicios de Elastix, con el fin de disponer de esa información
aunque se recibiese un ataque que inutilice por completo el prototipo.
3.4 Fuentes de Información Oficiales
Otra fuente de información importante sobre la problemática de la seguridad de los sistemas de
telefonía IP en Ecuador está constituida, sin duda, por las instituciones oficiales que manejan los
servicios de telefonía y los organismos de regulación y control a los que llegan las denuncias del
fraude cometido a través de dichos servicios. Entre las primeras tenemos a la Corporación
Nacional de Telecomunicaciones (CNT), proveedor principal de telefonía fija a nivel nacional y
que, en principio, tendría la capacidad de encontrar indicios de fraude telefónico al detectar
patrones anómalos de tráfico. Luego, en el campo de la regulación y control, se tiene a la Agencia
de Regulación y Control de las Telecomunicaciones (ARCOTEL) que, a través del Ecucert, sería
el encargado de recibir denuncias sobre estos ataques y plantear buenas prácticas para que no
vuelvan a ocurrir.
4. Riesgos de la Telefonía IP en Ecuador: Resultados del Análisis Exploratorio Activo
A continuación se discuten los resultados obtenidos del análisis exploratorio activo para
determinar, solamente en base a la aplicación de telefonía IP y sus versiones, el nivel de
vulnerabilidad que podrían tener estos sistemas de telefonía.
4.1 Resultados del Análisis Exploratorio
De las pruebas realizadas en el mes de diciembre de 2013, se encontraron cerca de 800
dispositivos conectados a Internet en Ecuador con un servicio de telefonía IP basado en SIP
funcionando. De estos dispositivos, un porcentaje importante (37%) ejecutaban soluciones
basadas en Asterisk, y de ellas el 73% utilizaban FreePBX (seguramente Elastix) mientras que el
27% restante usaba Asterisk puro sin interfaz gráfica de gestión. Además, del total de sistemas
telefónicos encontrados, el 15% usaban soluciones de Grandstream, 12% usaban alguna solución
de la empresa Innomedia, 8% de Denwa, y aproximadamente el 12% no revelaba información
sobre el nombre o la versión de la aplicación que ejecutaba.
La información encontrada sobre el uso de soluciones basadas en Asterisk (especialmente Elastix
y FreePBX) conectadas a Internet muestra que muchas empresas están poniendo en marcha
centrales telefónicas de bajo costo y que además están haciéndolas disponibles públicamente.
Enfocando el análisis a los dispositivos encontrados que funcionan con FreePBX (la mayoría sería
Elastix), se descubrió que solamente un número aproximado al 2% de los dispositivos con esta
distribución tenían instalada una versión actualizada (la 2.12 o 2.13, liberadas en 2015), el 20%
tenía instalada la versión 2.10 o 2.11 liberadas hace solo 3 años pero que son vulnerables a
35
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
ataques de ejecución remota de comandos (Exploit Database, 2014). Finalmente, el 76% de los
dispositivos ejecutando FreePBX tenían instalada una versión igual o inferior a la 2.8 que también
poseen graves vulnerabilidades de seguridad (Exploit Database, 2010) (Androulidakis, 2016).
Por otro lado, de los dispositivos con Asterisk llano instalado, el 30% tenían una versión 1.6 y
prácticamente todos tenían releases vulnerables (1.6.2.23 o inferiores) (Terán, 2012). Un 25% de
los dispositivos con Asterisk utilizaba la versión 1.8, y de ellos algunos poseían un release
vulnerable. Finalmente, casi un 50% de los dispositivos con Asterisk llano no entregaron
información sobre las versiones instaladas.
Del breve análisis realizado en párrafos anteriores se puede concluir que existen en Internet en
Ecuador, muchos dispositivos de telefonía IP públicamente disponibles. La gran mayoría de esos
dispositivos ejecutan soluciones derivadas de Asterisk, especialmente Elastix/FreePBX
(seguramente porque su instalación y configuración es relativamente sencilla y libre de licencias).
El problema radicaría en varios factores: primero, que probablemente muchos de esos dispositivos
no necesitan estar conectados a Internet a disposición de miles de atacantes; segundo, que la
configuración por defecto que ofrecen estas soluciones de software libre no es la más adecuada
porque en ocasiones revelan demasiada información; y, tercero, que la mayoría de esos
dispositivos ejecutan versiones derivadas de Asterisk que están desactualizadas y que tendrían
serias vulnerabilidades.
4.2 Análisis A Posteriori (footprinting)
Una vez que un atacante ha descubierto un sistema de telefonía IP público en Internet, así como
el nombre de la aplicación telefónica y su versión, éste podría fácilmente indagar, de manera
pasiva mediante un buscador en Internet, las vulnerabilidades que le afectan. Recordemos que si
una aplicación instalada tiene una versión más moderna, es muy probable que la antigua tenga
serios problemas de seguridad. Además, podría también encontrar código capaz de explotar estas
vulnerabilidades, que aparece en Internet tan pronto como una vulnerabilidad es descubierta.
Identificado el objetivo, las posibilidades de ataque solo están limitadas por la imaginación del
atacante. Por ejemplo, usando la herramienta svwar de SipVicious, un atacante podría
implementar un ataque de enumeración para determinar los números de las extensiones a las que
da servicio el sistema de telefonía IP. La información sobre estos números de extensiones podría
ser muy útil luego para obtener las contraseñas respectivas, considerando que es común utilizar el
mismo número de extensión como contraseña. De hecho, esta verificación (si la contraseña es la
misma que el número de extensión) se puede realizar, junto con otras pruebas (si la extensión no
tiene contraseña) utilizando otra herramienta de SipVicious llamada svcrack. Disponer de los
números de extensión (identificadores de terminal en soluciones basadas en Asterisk) y su
36
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
correspondiente contraseña permitiría que el atacante registre su terminal en la central telefónica y
haga uso de sus recursos.
4.3 Información de Fuentes de Información Oficiales
Aunque los ataques a sistemas de telefonía IP en Ecuador son realizados comúnmente a través
de la conexión de dichos sistemas a Internet, el fraude (producto del ataque inicial) se consuma a
través de la generación de tráfico utilizando la conexión de estos sistemas hacia la red de
telefonía pública (fija o móvil) mediante el uso doloso de los recursos telefónicos pagados por la
institución afectada. Por esta razón, los proveedores de aquellos servicios de telefonía pública
estarían en plena capacidad de detectar comportamientos fraudulentos. Así ocurre actualmente
con la CNT de Ecuador, empresa que posee la mayor cantidad de abonados de telefonía fija, y
que puede identificar patrones poco comunes en la generación de llamadas (llamadas a destinos
poco usuales, por ejemplo). Luego de detectar indicios de fraude, el proveedor suspende el
servicio y reporta el incidente a la Arcotel para su investigación.
La división en la Arcotel encargada de atender este tipo de incidencias se llama Ecucert.
Irónicamente, la mayor parte del tiempo, estos incidentes son detectados inicialmente por estos
organismos y no por las instituciones afectadas.
Los únicos datos oficiales sobre la seguridad de los sistemas de telefonía IP en Ecuador fueron
provistos por la Arcotel. Aunque la información es muy limitada por las obligaciones que tiene esta
institución para el manejo privado de la información de las empresas que han recibido ataques,
ésta puede servir para tener otra visión aparte de la estrictamente exploratoria que se expuso
previamente.
A partir de las estadísticas tomadas desde hace 3 años, se han documentado en promedio unos
240 casos anuales relacionados con vulneración de sistemas de telefonía IP que terminan en
fraude. Esto quiere decir que terminan en un perjuicio económico para la empresa afectada que va
de los 1000 a 9000 dólares antes de ser detectado. El fraude lo realiza comúnmente un atacante
que logra tener contacto con la PBX IP de una empresa (casi siempre mediante Internet) y
empieza a utilizar esa PBX para sacar llamadas internacionales mediante las troncales disponibles
hacia la PSTN.
Entre las marcas de las soluciones más afectadas se encuentran: Elastix, Cisco y Avaya. Entre las
provincias donde se localizan estos incidentes se tiene: Pichincha, Guayas, Imbabura, Azuay,
Manabí, Azogues y Santo Domingo. Los destinos más comunes de las llamadas cuando se toma
el control de los recursos de estos dispositivos son: Sierra Leona, Mónaco, Austria, Serbia,
Barbados, Montserrat, Guinea, Luxemburgo, Estonia, Somalia, Albania, entre otros.
37
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
5. Amenazas a la Telefonía IP en Ecuador: Evaluación en Prototipo Pasivo
Tal como se explicó en la Sección 3, el análisis pasivo permitió evaluar las amenazas a un
sistema de telefonía IP deliberadamente vulnerable y basado en Asterisk (Elastix 2.0.0). Tal como
con un honeypot, el objetivo de este prototipo es atraer a atacantes con el fin de analizar ciertos
patrones que ayuden a entender un poco más los problemas de seguridad de este tipo de
servicios tan crítico e igualmente vulnerable.
Los eventos generados en el prototipo público se analizaron entre el 29 de diciembre de 2015 y el
3 de enero de 2016. La información de estos eventos se extrajo del archivo de log full (ubicado en
/var/log/asterisk/) y que guarda básicamente la información de todos los procesos que tienen que
ver con el servicio de telefonía implementado. Cabe destacar que, luego de solo 6 días de estar
en línea, se generaron 739 MB de logs relacionados con el servicio de telefonía, lo que revela la
agresividad de las interacciones a las que se enfrentó el prototipo.
También se analizaron los logs contenidos en el archivo secure (dentro de /var/log) para tener una
idea de los intentos de login remoto que se realizaron sobre el sistema desde Internet. Para
empezar, se detectaron 4825 intentos de login remoto fallidos; de estos, 66 con el usuario root, y
13 con el usuario asterisk. La mayoría de estos intentos provienen de Estados Unidos, Indonesia y
China.
Del mismo modo, se detectaron una enorme cantidad de intentos fallidos de registro SIP en la
PBX IP (11441 intentos). La mayoría de estos intentos se realizaron a la extensión 100 (10705
intentos), y a la 101 (543 intentos). Además, todos estos intentos se originaron en solamente 9
direcciones IP. El 93% de los intentos se originaron en Francia y el resto en Estados Unidos,
Alemania y Países Bajos.
Se detectaron también 667 intentos de registrar terminales utilizando números de extensiones que
no existían en el prototipo. Estos intentos se originaron en 12 direcciones IP, la mayoría de ellos
provenientes de Francia y Países Bajos. Los números de extensiones utilizadas van desde el 1
hasta el 10000, fundamentalmente. Se observó también varios procesos exitosos de registro
(170), la gran mayoría desde Palestina y Francia. Finalmente, se encontraron 537 intentos de
llamada desde el prototipo a través de la troncal telefónica conectada.
6. Ilustración de los Riesgos de Seguridad de la Telefonía IP en Ecuador
Para ilustrar los riesgos de seguridad de la telefonía IP en Ecuador, imaginemos a la empresa A
que tiene 20 empleados. Motivada por el auge de la telefonía IP, y apasionada por el software
libre, la gerencia de A decide encargar a Pedro, el administrador de tecnología, la implementación
de un prototipo de sistema telefónico basado en Asterisk. Se espera que Pedro implemente un
sistema de telefonía que permita a los empleados, dentro de la red de datos, comunicarse entre sí
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
y con la PSTN a través de 5 troncales analógicas (líneas telefónicas) contratadas con el proveedor
local y dos bases celulares para comunicaciones móviles. Además, se encarga a Pedro que
mediante este sistema de telefonía se permita a los clientes llamar a la empresa usando su
conexión de Internet, para que no tengan que pagar la llamada cuando quieran comunicarse con
A. Pedro es un buen empleado, ha trabajado antes con Linux, y aunque tiene muy claros los
conceptos de telefonía, jamás ha implementado una solución de telefonía IP. Pedro encuentra un
tutorial en Internet para instalar Asterisk, un poco antiguo, pero muy claro, así que decide seguirlo
al pie de la letra. Luego de un par de días de pruebas, Pedro logra montar el sistema tal como le
ha pedido la gerencia, y funciona tan bien que lo dejan trabajando. Luego Pedro se embarca en
otros proyectos tecnológicos de la empresa y se olvida, por un tiempo, del sistema telefónico que
acaba de instalar.
Sin percatarse de ello, Pedro instaló una versión desactualizada de Asterisk que, por defecto, es
vulnerable a ataques de enumeración. Ya que el sistema está publicado en Internet, empieza a
recibir escaneos muy intensivos de atacantes que intentan aprovecharse de esta vulnerabilidad.
Puesto que las extensiones que creó se encuentran en un rango estándar (1000-10000), los
atacantes no tardan en descubrirlo. Una vez con la información de los números de extensión, los
atacantes descubren que las contraseñas de cada una de ellas es el mismo número de extensión.
Pedro no imaginó que el sistema quedaría funcionando en producción, por lo que usó contraseñas
fáciles para no olvidarlas y luego sí que olvidó cambiarlas.
Una vez con los parámetros de autenticación de varias extensiones, los atacantes registran sus
terminales (suplantando usuarios internos) y así consiguen acceso al plan de marcado de la
plataforma de telefonía, con lo que empiezan a utilizar los recursos de salida hacia otras redes de
comunicaciones (PSTN). Además, otro atacante se logra registrar como invitado y, ya que Pedro
no fue muy minucioso al configurar el plan de marcado para controlar las cuentas de invitado,
resulta que sus llamadas también tienen acceso a las troncales. Todo esto sucede sin que Pedro
lo note.
Luego de un mes de que la plataforma de telefonía quedó en marcha, la empresa A recibe una
notificación del proveedor de telefonía fija sobre un patrón anómalo de llamadas salientes debido
al cual el servicio se ha suspendido. En ese momento, Pedro se da cuenta de que se ha cometido
un fraude contra su empresa a través de la plataforma de telefonía que instaló por el que deberá
pagar cerca de diez mil dólares.
7. Conclusiones
Ante la evidente falta de información sobre los recursos de telefonía IP en el Ecuador, este artículo
ha presentado algunos datos sobre las amenazas que estos enfrentan, especialmente cuando
están conectados directamente a Internet. Del análisis exploratorio, se desprende que cientos de
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.25 - 40
estos sistemas están públicamente disponibles en Internet en Ecuador, que tendrían ejecutando
software desactualizado y, por ello, vulnerable. Además, de los resultados se desprende que la
mayoría de esos sistemas funcionan con aplicaciones basadas en Asterisk, particularmente
Elastix y FreePBX. Casi no se descubren sistemas basados en Cisco, Avaya u otras soluciones de
pago. Ya que estas soluciones licenciadas sí son populares en ciertos sectores de la empresa
pública y privada ecuatoriana, esta estadística nos hace suponer que las implementaciones
basadas en Asterisk no estarían siendo aseguradas adecuadamente ya que estarían revelando
demasiada información en el contexto de Internet. Esto sería una consecuencia directa de la
“facilidad” que ofrecen las soluciones de software libre para su implementación, lo que estaría
impulsando iniciativas de instalación de plataformas de telefonía IP sin asesoramiento
especializado. Finalmente, se descubrieron graves amenazas a plataformas de telefonía IP
basadas en Asterisk (Elastix) cuando éstas se conectan directamente a Internet sin adecuados
mecanismos de protección. Estas amenazas se plasman en miles de interacciones que se
originan en diversas partes del mundo en actividades de enumeración de extensiones, ataques de
fuerza bruta, registro de terminales no autorizados, e intentos de uso no autorizado de troncales
telefónicas (fraude); todo inmediatamente después de conectar el sistema de telefonía IP a la red.
La seguridad de estos sistemas de telefonía se podría ver comprometida, en primera instancia,
porque su conexión a una red pública de comunicaciones le pondría en contacto con sinfín de
fuentes de ataque que se encuentran permanentemente monitoreando este espacio público. El
uso de una u otra solución de telefonía no implica necesariamente una implementación vulnerable.
Sin embargo, el empleo de versiones desactualizadas de software, la configuración incorrecta del
plan de marcado, la innecesaria conexión a redes externas (especialmente a Internet), y, en
general, la falta de dominio técnico de la solución telefónica que se implementa (parámetros por
defecto), frecuentemente derivan en fraude y un importante perjuicio económico para la víctima.
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.41 - 54 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2016/04/29 Aceptado (Accepted): 2016/06/23
CC BY-NC-ND 3.0
Sistema prototipo actuador por comandos de voz utilizando
software libre
(Actuator prototype system by voice commands using free
software )
Andrango Jaime1, Gómez Estevan 2
Resumen:
El presente sistema prototipo es una aplicación informática que mediante la utilización de
técnicas de procesamiento digital de señales, extrae información de la voz del usuario, la cual
se utiliza para administrar la activación/desactivación de un actuador periférico del computador
personal, cuando el usuario pronuncia las vocales. Se aplica el método de diferencias
espectrales. Para el aplicativo se utiliza como actuador aquella información registrada en la
dirección de memoria 378H; es decir, el puerto paralelo. La propuesta se ha desarrollado
haciendo uso de herramientas de software libre, con la finalidad de dar apertura para que otros
investigadores puedan tomar este trabajo como base para otros estudios en fases posteriores y
por la versatilidad y dinamismo en las herramientas de la programación de software libre.
Palabras clave: reconocimiento de voz; comandos de voz; diferencias espectrales; Python;
aplicaciones de software libre
Abstract:
This prototype system is a software application that through the use of techniques of digital
signal processing, extracts information from the user's speech, which is then used to manage
the on/off actuator on a peripheral computer when vowels are pronounced. The method applies
spectral differences. The application uses the parallel port as actuator, with the information
recorded in the memory address 378H. This prototype was developed using free software tools
for its versatility and dynamism, and to allow other researchers to base on it for further studies.
Keywords: voice recognition; voice commands; spectral differences; python; free software
applications
1. Introducción
El propósito fundamental de este trabajo es estudiar el reconocimiento de voz a través de la
creación de un software que permita dicho reconocimiento, utilizando un método comparativo
entre la señal pronunciada por el usuario (capturada mediante el micrófono) y otra que se
mantiene en una base de información tomada como patrón.
Se parte del hecho de que el espectro en frecuencia de una señal contiene información que en
general la diferencia de otra (Bernal, 2000), (Poor, 1985); a pesar de que los autores pueden tener
cierta diferencia en sus apreciaciones, en general confluyen en que es posible utilizar un patrón
1 Universidad de las Fuerzas Armadas, Quito – Ecuador ([email protected])
2 Universidad Tecnológica Equinoccial, Quito – Ecuador ([email protected])
42
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.41 - 54
del tratamiento de ésta información. En este sentido es de capital importancia encontrar técnicas
que permitan obtener patrones invariantes para lograr identificación de lo pronunciado.
“El reconocimiento por voz o parlante, es una modalidad biométrica que utiliza la voz de un
individuo con fines de reconocimiento (Difiere de la tecnología del "reconocimiento de discurso",
que reconoce las palabras a medida que van siendo articuladas; este no es un dispositivo
biométrico)” (Argentina & Biométricos, 2016).
(Sawada, 2014), propone un campo aleatorio condicional (CRF) basado en el enfoque de re-
clasificación, que recalcula puntuaciones de detección producidas por un enfoque basado en
fonemas de deformación dinámicos en el tiempo (DTW) conocido como STD. Utiliza modelos de
detección basados en trifono CRF considerando las características generadas a partir de varios
tipos de transcripciones basadas en fonemas. Se entrenan los patrones de error de
reconocimiento, tales como confusiones-fonema a fonema en el marco de CRF. Por lo tanto, los
modelos se pueden detectar en un trifono, que es uno de trifonos que componen un término de
consulta, con la probabilidad de detección.
Como antecedente, se hace referencia a iniciativas existentes, como los trabajos realizados en
(García & Tapia, 2000), (Thomas, Pecham, & Frangoulis, 1989), (Thomas T. , Pecham, Frangoulis,
& Cove, 1989), que pretenden identificar una frecuencia fundamental media en el espectro de la
señal, obteniéndose así una tendencia a lo largo de la función espectral, que representa a lo
pronunciado. El fundamento teórico de las diferencias espectrales pretende obtener información a
lo largo del espectro de la señal de voz, creando un método comparativo que logra definir
adecuadamente la forma de la función espectral; este mecanismo diferencial establece un factor
diferencial entre la señal capturada y el patrón definido, y mientras el diferencial tienda a cero, se
habrá logrado un reconocimiento más exacto, es decir que la probabilidad de que la señal
capturada versus el patrón sean iguales estará sobre el 90%.
En esta primera fase se analizará la tasa diferencial de la muestra con respecto al patrón; la
importancia de la utilización del software libre (para el desarrollo del software) está dada por la
utilización de librerías (tanto en C++ como en Phyton) de fácil comprensión y mantenimiento, lo
que favorece la oportunidad de trabajos y aplicaciones futuras. Se proyecta para una segunda
fase, la obtención de la envolvente del espectro tanto de la señal pronunciada como la utilizada
como patrón para la comparación. En esta fase también se espera utilizar una técnica que
permita considerar la desviación de estas dos señales. Para cumplir con este objetivo, se crea un
prototipo, el mismo que es una aplicación informática, con la funcionalidad de activar y desactivar
independientemente los pines del actuador (puerto paralelo del computador) mediante la
identificación de una de las cuatro vocales (<A>, <E>, <I>, <O>) pronunciadas por el usuario a
través del micrófono del computador personal. A las salidas de los pines del actuador se han
conectado diodos led con la finalidad de poder observar la activación (encendido) y desactivación
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.41 - 54
(apagado) de los mismos. Se ha desarrollado sobre un sistema operativo Linux Debian, utilizando
como lenguaje de programación a Python (Phyton, Python GUI Programming (Tkinter), 2016), por
la potencialidad que brindan sus librerías de aplicación matemática, además de la posibilidad de
generación de ambientes en modo gráfico, y porque permite la integración con librerías
desarrolladas por el usuario en código nativo, utilizando el lenguaje C ó C++. Al inicio se utilizó la
herramienta Octave (símil a Matlab), pero sobre la marcha se encontró con el inconveniente de
que no brinda la posibilidad integrada para crear interfaz gráfica, ni tampoco cuenta con la
manipulación del puerto paralelo o usb; es por ello, que se optó en desarrollarlo en Python que sí
cuenta con esas herramientas y además dispone de cálculos avanzados con los módulos numpy y
scipy, según se tratan en (Hans, 2011), entre otras. La interfaz gráfica se desarrolló con el módulo
Tkinter de Phyton (Phyton, Python GUI Programming (Tkinter), 2016) . El módulo para escribir en
el puerto paralelo e integrarlo en Python, se desarrolló en el lenguaje C (compilador gcc). Se
desarrollaron con la información de (Grayson, 2000).
La comparación de patrones no se efectúa en el dominio temporal sino en la frecuencia; en el
desarrollo del sistema se ha considerado la capacidad de detección automática de los momentos
en que el usuario empieza a hablar en el micrófono y cuando deja de hacerlo; de forma que la
captura de la señal y el almacenamiento corresponda al intervalo en el que realmente habla el
usuario.
2. Metodología
A continuación se detalla la propuesta de sistema describiendo la plataforma de desarrollo, el
módulo para escribir sobre el puerto 378H, el diseño del aplicativo, y la codificación utilizada para
el desarrollo del prototipo.
A. Plataforma de desarrollo
El aplicativo se desarrolló, en la versión 2.7 de Python para Linux Debían (versión Wheezy a 64
bits). Como editor de desarrollo (IDE), se utilizó el programa IDLE (Phyton, Idle Phyton, 2016) . En
Python, se utilizaron las librerías Tkinter (Phyton, Python GUI Programming (Tkinter), 2016), (para
crear la interfaz gráfica), numpy (que proporciona herramientas avanzadas de cálculo matemático
avanzado, similar a Matlab), matplotlib (herramientas para graficación 2D y 3D), pyaudio (permite
captura del stream de audio tomada desde el micrófono) y Sndfile y play del audiolab (para la
reproducción de audio.wav). También se instaló la librería scikits.audiolab, que puede leer en
varios formatos y entrega una estructura numpy. La instalación se realizó como usuario no
administrador, por lo que se usó sudo.
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.41 - 54
B. Módulo para escribir sobre el puerto 378H
Se creó un nuevo módulo para Python (Phyton, Python GUI Programming (Tkinter), 2016), con
código en lenguaje C, para la manipulación del puerto paralelo y/o usb. Se crea el archivo pPar.c,
como librería externa en lenguaje C. En este archivo, se define la función escribirPuerto(), que
recibe dos parámetros enteros, correspondientes al valor que se escribirá en el puerto, y la
dirección del mismo (normalmente la dirección 378 en hexadecimal). No se desarrolló una función
de lectura, por no requerirse en el aplicativo. La compilación se realizó con la herramienta gcc, de
la siguiente manera:
gcc pPar.c -o pPar.so -fPIC -shared -I/usr/include/python2.7
Este proceso genera como resultado el archivo pPar.so, que se copia en la carpeta:
/usr/lib/python2.7. Entonces, puede llamarse a la función escribirPuerto() mediante un import al
módulo pPar desde una aplicación en python. Detalles de archivo fuente en Tabla 1.
Tabla1. Detalles de Archivo fuente
# Archivo fuente pPar.c
#include <Python.h>
#include <sys/io.h>
#include <unistd.h> //para el tiempo
#include <sched.h> //para la prioridad
static PyObject* pPar_escribirPuerto(PyObject *self, PyObject *args)
int valorPuerto, dirPuerto, estado; estado=PyArg_ParseTuple(args, "ii", &valorPuerto,
&dirPuerto); if(!estado) return NULL;
printf("Valor v:%d, Puerto:%d, estado:%d", valorPuerto, dirPuerto, estado); struct sched_param sp;
/* Cambia la prioridad del proceso a tiempo real */ sp.sched_priority=10; sched_setscheduler(getpid(), SCHED_RR, &sp); fprintf(stderr,"Obteniendo acceso al puerto paralelo.\n"); if (ioperm(dirPuerto,1,1)) //HABILITO
fprintf(stderr,"Error obteniendo acceso al puerto paralelo.\n"); return NULL;
fprintf(stderr,"Acceso al puerto paralelo.\n"); outb(valorPuerto,dirPuerto);
if (ioperm(dirPuerto,1,0)) //DESHABILITO
fprintf(stderr,"Error obteniendo acceso al puerto paralelo.\n"); return NULL;
printf("\nTERMINO PROCESO ACCESO PUERTO\n");
Py_RETURN_NONE;
static PyMethodDef pPar_methods[ ] =
"escribirPuerto", pPar_escribirPuerto, METH_VARARGS, "Documentación pPar.escribirPuerto(int valorPuerto, int direccionPuerto)", NULL, NULL, 0, NULL,/*sentinel*/
;
PyMODINIT_FUNC initpPar(void)
PyObject *m;
m = Py_InitModule("pPar", pPar_methods); if (m == NULL) return;
45
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.41 - 54
C. Diseño del aplicativo
El usuario interactúa con la aplicación móvil a través de la interfaz gráfica como muestra la Figura
1.
Funcionalidad
Para iniciar el proceso de reconocimiento, se hace clic en el botón Reconocer. Aparece una caja
de diálogo que brinda ayuda sobre la captura del audio a reconocer según se indica en la Figura
2.
Figura 2. Caja de diálogo que confirma inicio de captura de voz.
Se da clic en el botón “Sí” para iniciar la captura de voz. Cabe indicar que se inicia la grabación
únicamente en el momento que se detecte la presencia de señal; antes de ello, el sistema estará
latente y no se grabará la voz. Si se detecta un falso disparo en el micrófono, en la etiqueta
lblVisor se muestra el mensaje ―Repita..
Inmediatamente, se iniciará el procesamiento digital de reconocimiento. En la etiqueta lblVisor, se
observará la letra que fue pronunciada en el micrófono. En las etiquetas lblLedRojo y lblLedVerde,
se reflejará gráficamente la acción de encendido/apagado de los diodos led rojo y verde,
correspondiente a la vocal pronunciada, en conformidad a lo indicado en la Tabla 2.
En el caso de encontrarse habilitada la casilla de verificación chkPuerto, se iluminarán de manera
más intensa los led de las etiquetas; además, que se encenderán (o apagarán) físicamente los
dos diodos led conectados a los pines 2 y 3 del puerto paralelo. El diagrama circuital de conexión
al puerto paralelo puede observarse en la Figura 3.
Figura 1. Interfaz de usuario
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.41 - 54
Tabla 2. Comandos de voz: acción.
LETRA
PRONUNCIADA
LED ESTADO
<A> Color
rojo
Encendido
<E> Color
rojo
Apagado
<I> Color
verde
Encendido
<O> Color
verde
Apagado
<U> Rojo y
Verde
Ambos
apagados
Figura 3. Diagrama circuital. Conexión puerto paralelo a diodos led
Adicionalmente se debe mencionar que el puerto USB ha ido poco a poco reemplazando a otros
puertos entre ellos el puerto paralelo; con una estructura muy sencilla, destaca por su gran
velocidad de transferencia 480 Mbit/s con la especificación USB 2.0 (How, 2016). El puerto USB
tiene dos canales de transmisión de datos y uno de punto tierra, como se muestra en la Figura 4
para realizar la conexión de igual forma que con el puerto paralelo, de forma tal que la solución se
puede trasladar para la utilización del puerto USB sin ningún inconveniente. En cuanto se refiere
al software se aplica el mismo criterio, y se realizarán los cambios respectivos de llamado a las
funciones pertinentes.
Figura 4. Diagrama circuital. Conexión puerto USB a diodos led
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.41 - 54
En la Tabla 3, se describe la funcionalidad con sus métodos y variables asociadas a los controles
que forman parte de la interfaz de usuario.
Tabla 3. Funcionalidad de los controles de interfaz
CONTROL FUNCIONALIDAD
btnReconocer t:
Button m:
Reconocer(), y
Reconocer1()
En la función Reconocer( ), se llama a la función Record_to_file('miVoz.wav')
del módulo grabarNumpyTerminado.py. Esta última captura la señal de voz
desde el micrófono del PC en el instante mismo cuando el usuario empieza a
hablar (antes no), la normaliza, e inserta silencios al inicio y al final de la señal
capturada. Finalmente, se almacena en el archivo “miVoz.wav” en formato .wav.
También controla falsos disparos en el micŕofono, en tal caso, muestra el
mensaja “Repita” en lblVisor.
El método Reconocer1( ), se encarga de hallar la FFT y valor absoluto de la
señal almacenada en el archivo “miVoz.wav”; luego, mediante resta de arreglos,
se realiza una comparación con sus similares (FFT y valor
absoluto) de las vocales <A>, <E>, <I> y <O> (previamente calculadas en e
método Inicio( )); resultados, a los cuales se halla el valor absoluto y la media.
El texto reconocido corresponde, al valor menor de las medias halladas. A
través de la función escribirPuerto( ) del módulo pPar.py se enciende o apaga el
led correspondiente.
btnReproducir
t: Button m:
Reproducir()
Llama al método Reproduce( ) del módulo canta.py, el cual permite
reproducción de audio, del archivo pasado como parámetro. Al final se grafica
la señal reproducida.
chkPuerto t:
Checkbutton v:
selPuerto m:
ActivaPuerto()
Este método habilita o deshabilita las etiquetas lblLedRojo y lblLedVerde como
un indicativo visual de activación/deshactivación del puerto paralelo. El método
Reconocer1( ) consulta si el control chkPuerto esta deshabilitado o no, para
acceder al puerto.
btnSalir t:
Button m:
Salir()
Termina el aplicativo; previo, encera el puerto.
btnAcerca t:
Button m:
AcercaDe()
Caja una carga de diálogo, con los datos informativos del aplicativo.
lblL2 t:
Label
Etiqueta en la que se tutoría al usuario respecto a la vocal con la que se
enciende (vocal <I>) o apaga (vocal < O >) el led de color verde.
lblL1 t:
Label
Etiqueta en la que se tutoría al usuario respecto a la vocal con la que se
enciende (vocal <A>) o apaga (vocal <E>) el led de color rojo.
lblLedVerde
t: Label
Etiqueta en la cual se carga las imágenes imgLedVerde (carga el archivo:
ledVerde_ON.ppm) ó imgLedOFF (carga el archivo: led_OFF.ppm), según
corresponda el encendido/apagado del led de color verde.
lblLedRojo t:
Label
Etiqueta en la cual se carga las imágenes imgLedRojo
(carga el archivo: ledRojo_ON.ppm) ó imgLedOFF (carga el archivo:
led_OFF.ppm), según corresponda el encendido/apagado del led de color rojo.
lblVisor t:
Label v: Visor
(tipo
StringVar)
Muestra los textos: “Letra_A”, “Letra_E”, “Letra_I”, “Letra_O”, de acuerdo al
reconocimiento de la vocal pronunciada por el usuario.
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.41 - 54
La codificación de la interfaz de usuario, en modo gráfico, fue realizada mediante widgets Tkinter
(Phyton, Python GUI Programming (Tkinter), 2016).
D. Codificación- Detalles técnicos.
Se trabajó con una frecuencia de muestro de 44100 Hz, canal mono, con lectura de tramas de
1024 bytes, y archivos de audio en formato ―.wav‖, con cuantización a 16 bits.
D.1 Adecuación de la señal capturada del micrófono:
Con la finalidad de optimizar el proceso de captura y almacenamiento de la señal captada desde
el micrófono, se realizaron los siguientes procedimientos: 1) Detección automática de los
momentos en que el usuario empieza a hablar en el micrófono y cuando deja de hacerlo; de forma
que la captura de la señal y el almacenamiento corresponda a la señal en el intervalo cuando
realmente habla. Para ello, en cada trama (de 1024 bytes) se analiza si se ha superado el nivel
empíricamente establecido del THRESHOLD (500) a través del método is_silent( ). Este método
resulta afirmativo cuando se supera el THRESHOLD de 500, y esto pasará cuando el usuario
empiece a hablar. A partir de este momento, se concatenan las posteriores capturas del
micrófono; parándose cuando no se supere nuevamente el THRESHOLD establecido por el lapso
de más de 20 tramas capturadas, siendo este un indicativo de que el usuario paró de hablar, como
se muestra en la Tabla 4.
Tabla 4. Codificación Adecuación de la señal capturada del micrófono
.........................................
p = pyaudio.PyAudio( ) stream = p.open(format=FORMAT, channels=CANALES, rate=RATE, input=True, output=True, frames_per_buffer=CHUNK_SIZE)
num_silent = 0 snd_started = False
r = np.array([],np.int16)
while 1:
snd_data = np.fromstring(stream.read(CHUNK_SIZE),np.int16) if byteorder == 'big': snd_data.byteswap() silent = is_silent(snd_data) if not silent and not snd_started: # si no silencioso y no inicio snd_started=True
r=np.concatenate((r,snd_data)) if not silent and snd_started: r=np.concatenate((r,snd_data)) if silent and snd_started: num_silent+=1 if snd_started and num_silent > 20: # posibilidad que el usuario paró de #hablar num_silent=0 snd_started=False break
............................................
49
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.41 - 54
2) Se realiza un recorte de los espacios en blanco al inicio y final. El método Trim( snd_data),
ejecuta esta actividad. 3) Luego del proceso anterior se procede a normalizar la señal, mediante el
método normalize(snd_data), que toma como referencia la constante MAXIMUM = 16384. 4)
Posteriormente, se añaden (vía concatenación del vector que contiene información de la señal de
audio) silencios al inicio y al final del stream total capturado, mediante el método
add_silence(snd_data, seconds). El tiempo de silencio se pasa como segundo parámetro (en
segundos). En pruebas, con Ts=0.3 segundos se logró una mejor respuesta. Con Ts=0.1
segundos, el tiempo de reconocimiento se acorta pero se tienen menos aciertos en el
reconocimiento. 5) Finalmente, las muestras se graban en archivo, para lo cual se hace uso de la
funcionalidad del módulo wave. En la Figura 4, se puede observar un ejemplo de la señal
correspondiente a la vocal <I>) luego del tratamiento que se aplica a la señal capturada del
micrófono, utilizando el procedimiento que antecede.
Figura 4. Señal capturada y tratamiento inicial.
E. Reconocimiento de vocales pronunciadas por el usuario:
La técnica de reconocimiento utilizada consiste en aplicar un método comparativo entre la señal
pronunciada por el usuario (capturada mediante el micrófono) y otra que se mantiene en una base
de información tomada como patrón (Tabla 5)
Tabla 5. Código para reconocimiento de vocales
El método FFTyABS(ARCHIVO) del módulo transforma.py, devuelve la transformada
rápida de Fourier (FFT) normalizada, algoritmo básico para el proceso de
reconocimiento.
def FFTyABS(ARCHIVO): #(método del módulo transforma.py) sound=Sndfile(ARCHIVO,'r') n1 = sound.nframes data = sound.read_frames(n1) yfft = np.abs(np.fft.rfft(data, data.size))
#Se obtiene la FFT de la señal y #su módulo
yfft1 = yfft/float(max(yfft)) #Se normaliza sound.close( ) return yfft1[1:6000] #mejora, se puede bajar el tono de voz
50
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.41 - 54
Cabe acotar que la comparación no se efectúa en el dominio temporal sino en la frecuencia. Dicha
comparación se efectúa utilizando el método de diferencias espectrales entre las señales que se
comparan. Algorítmicamente, se hace un barrido comparativo espectral de la señal capturada del
micrófono ('miVoz.wav') con las señales patrón almacenadas ('a.wav', 'e.wav', 'i.wav', 'o.wav,
'u.wav'). Las gráficas temporales de las señales patrón se muestran en la Figura 5, las cuales se
obtuvieron con el propio programa y utilizando la voz del usuario.
Figura 5. Vocales patrón en el dominio del tiempo
Se utilizó el programa en software libre Audacity (Audacity, 2016) para la edición de estas señales
temporales. Es importante observar que el lapso de tiempo de estas señales es diferente. Esta
variante temporal, determina que el resultado de aplicación de la FFT también varíe en el número
de muestras en el dominio de la frecuencia; por tanto dependerá del tiempo que el usuario demore
en pronunciar cada vocal. En este sentido es necesario acotar los arreglos que contienen las
muestras en frecuencias a un número de muestras igual en todas las vocales, para efectos de
poder realizar la resta con el arreglo que contiene la información espectral de la señal pronunciada
en el micrófono a reconocer; ya que deben tener la misma dimensión para el cálculo. En la Figura
6, se indica la gráfica de la FFT normalizada de las cinco vocales patrón. Por simple observación,
la información espectral significativa aparentemente se encuentra hasta una trama de
aproximadamente 4000 muestras (Tabla 6).
Figura 6. Espectro normalizado de la vocales patrón (frecuencia)
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.41 - 54
Tabla 6. Comparación espectral de la voz
Utilizar las 12000. (Nf) muestras (en la comparación espectral de la señal capturada y los
patrones) no mejora notablemente el reconocimiento, pero si genera mayor tiempo en el proceso.
Empíricamente, con 6000 muestras trabaja aceptablemente. Con 4000 muestras, se tiene mayor
tasa de error en el número de aciertos en reconocimiento. Mediante la función Reconocer1( ), se
realiza la comparación espectral de la voz pronunciada por el usuario y las vocales consideradas
patrón, que fueron grabadas anteriormente por el mismo usuario. La comparación es efectuada
def Reconocer1( ):
miVoz = transforma.FFTyABS('miVoz.wav') v = np.zeros(5)
letra = np.array(["Letra_A","Letra_E","Letra_I","Letra_O","Letra_U"])
v[0] = np.mean(np.abs(vocalA-miVoz))
v[1] = np.mean(np.abs(vocalE-miVoz)) v[2] = np.mean(np.abs(vocalI-miVoz))
v[3] = np.mean(np.abs(vocalO-miVoz)) v[4] = np.mean(np.abs(vocalU-miVoz))
elegida = letra[ v.argmin( ) ] #el método argmin( ) detecta el menor valor de un arreglo.
print ("La letra reconocida es: ",elegida) visor.set(elegida) #Se muestra la letra reconocida en la etiqueta lblVisor
global dato #En la variable dato se almacena el último estado del puerto paralelo. if elegida=="Letra_A": lblLedRojo.configure(image=imgLedRojo)
dato= (dato & 1) | 2 #dato = (dato AND 00000001) OR (00000010), solo
#se enmascara encendido led Rojo
if elegida=="Letra_E":
lblLedRojo.configure(image=imgLedOFF) dato=(dato & 1) #dato = (dato AND 00000001), solo se enmascara #apagado del led Rojo
if elegida=="Letra_I":
lblLedVerde.configure(image=imgLedVerde) dato=(dato & 2) | 1 #dato = (dato AND 00000010) OR (00000001), solo #se enmascara encendido led Verde
if elegida=="Letra_O":
lblLedVerde.configure(image=imgLedOFF) dato=dato & 2 #dato = (dato AND 00000001), solo se enmascara #apagado del led Verde
if elegida=="Letra_U":
lblLedRojo.configure(image=imgLedOFF) lblLedVerde.configure(image=imgLedOFF) dato=0 print "dato: ",dato
if selPuerto.get( )==1: try: pPar.escribirPuerto(dato,0x378) except:
print ("Error en el Puerto. Verifique")
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por la operación de resta de los arreglos, en las que se almacenan los datos espectrales de cada
una de las vocales (vocalN-miVoz), resultado al cual también se hace necesario hallar el módulo
(abs) para no tener que trabajar con imaginarios. En el arreglo v[ ], de cinco elementos, se
almacena el promedio de los módulos de las diferencias espectrales de cada vocal. El elemento
del arreglo v[ ] que contenga el menor valor, corresponde a la vocal pronunciada por el usuario;
siendo así, como se hace el reconocimiento. Finalmente, se realiza enmascaramientos de la
variable dato (que contiene la información del último valor escrito en el puerto paralelo) con la
finalidad de que la modificación actual de uno de los diodos led, no afecte al estado anterior del
otro.
3. Resultados y Discusión:
Se diseñó la experimentación para determinar la relación de fallos en la identificación de la vocal
pronunciada respecto a la tasa de muestreo seleccionada; para lo cual, como primera acción se
graba las vocales que servirán como patrón; luego se realizan veinte pruebas con una
determinación aleatoria de las vocales a pronunciar. Para el efecto, se establecen tres grupos de
prueba, determinados por la tasa de muestreo: 4000 Hz, 5000 Hz, y 6000 Hz.
Bajo las mismas condiciones (de cuando se tomaron las vocales patrón) de configuración del
control de volumen del micrófono, el mismo tono y duración en la pronunciación de las vocales, la
tasa de fallos en reconocimiento experimentado se indica en la Tabla 7.
Tabla 7. Tasa de fallos por número de muestras.
Nf (Número de
muestras
espectrales)
Número fallos
en 20 pruebas
Tasa de
fallos
4000 7 35%
5000 5 25%
6000 3 15%
La tasa de fallos se incrementa aproximadamente en un 5%, cuando se captura la voz de una
persona diferente a la que generó las vocales que se usan como patrón.
Esta tasa se incrementa notoriamente cuando el usuario prolonga la pronunciación de la vocal
más allá del doble de tiempo respecto al utilizado en las señales patrón, o en su defecto cuando
se pronuncia de forma débil.
4. Conclusiones y Recomendaciones
El sistema de aplicación informática para administrar la activación/desactivación de un actuador
periférico del computador personal mediante el reconocimiento de las vocales de voz se ha
desarrollado, y se encuentra funcionando. Al aplicar el método de diferencias espectrales,
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.41 - 54
utilizando un muestreo de 4000 Hz, se genera mayor error en el reconocimiento; esto sucede
cuando el usuario pronuncia en tono normal (no alto) o un tanto diferente a las señales de las
vocales que se utilizan como patrón de comparación; Generalmente, en los tres grupos de prueba,
se observa que no se reconoce la letra <O>, confundiéndose con la letra <U>. Con 5000
muestras, no se presenta ese problema, pero se tiene que alzar el tono de la voz al pronunciarla.
Con 6000 muestras, permite bajar el tono de la voz.
Para una segunda fase, se recomienda la obtención de la envolvente del espectro tanto de la
señal pronunciada como la utilizada como patrón para la comparación. Es importante que
también se considere la desviación de estas dos señales que se comparan.
Otra alternativa recomendable a experimentar, en esta línea de reconocimiento por señal patrón,
sería la aplicación de la transformada wavelet, con la desventaja que esta técnica requiere de un
considerable esfuerzo computacional
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.55 - 68 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2016/02/04 Aceptado (Accepted): 2016/06/24
CC BY-NC-ND 3.0
Diseño e implementación de un sistema de control para
mejorar la calidad de los gases de combustión de una caldera
pirotubular de 5 BHP
(Design and implementation of a control system to improve the
quality of the combustion gases in the fire-tube boiler of 5
BHP)
Carlos Alfredo Pérez Albán1, Alexis Cordovés García1, Jorge Román Terán
Benalcázar1
Resumen:
La presente investigación tiene como objetivo el diseño e implementación de un sistema para el
control de la calidad de los gases de combustión de una caldera pirotubular de 5 BHP. En base
al porcentaje de O2 presente en los gases de combustión, medido mediante una sonda
Lambda, se determina el porcentaje de CO2 que se emite a la atmósfera. Un control
proporcional PID se encarga de la regulación automática de la entrada de aire a la caldera
mediante un actuador, según el valor de la concentración de oxígeno registrado en los gases
de combustión. El sistema de control cuenta con una pantalla HMI y un PLC modular. Los
resultados alcanzados aseguran la emisión de gases contaminantes dentro de los parámetros
establecidos por las normas ambientales vigentes lográndose así, la calidad requerida de los
gases de combustión y la reducción del consumo de combustible de la caldera.
Palabras clave: caldera de vapor; sonda lambda; pantalla HMI; control lógico programable
Abstract:
The goal of this paper is the design and implementation of a system for controlling the quality of
the combustion gases in a fire-tube boiler of 5 BHP. Based on the percentage of O2 present in
the combustion gases, measured by a lambda sensor, the percentage of CO2 emitted into the
atmosphere is determined. PID proportional control is responsible for the automatic regulation of
the entry of air to the boiler by an actuator, according to the percentage of the oxygen
concentration in the combustion gases. The control system has an HMI display and a modular
PLC. The results achieved ensure pollutant gases emissions within the parameters established
by current environmental standards, achieving the required quality of combustion gases and
reducing the fuel consumption of the boiler.
Keywords: steam boiler; lambda sensor; HMI display; programmable logic control
1 Universidad Tecnológica Equinoccial, Santo Domingo - Ecuador ( paca504082, [email protected];
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1. Introducción
Los problemas asociados a la contaminación ambiental, fundamentalmente en las grandes
ciudades, continúa siendo un tema de gran preocupación para los gobiernos y organizaciones
ambientalistas. Sin embargo, no se cuenta en muchos casos con el soporte tecnológico para dar
seguimiento al índice de contaminación provocado por las diferentes fuentes emisoras.
Se entiende por contaminación ambiental: “la presencia en la atmósfera de sustancias producidas
por actividades humanas o procesos naturales que causan efectos adversos al hombre y medio
ambiente” (Ministerio del Ambiente, 2007, pág. 5). Los contaminantes atmosféricos más
frecuentes y ampliamente dispersos son: CO, SO2, NOX, CO2 y el PM2,5.
La Organización Mundial de la Salud sitúa el umbral de salubridad del valor de material
particulado PM 2,5 en una media anual de 25 (µg/mᵌ); como se conoce, estas partículas tan
pequeñas tienen un efecto perjudicial a la salud y se tornan particularmente peligrosas en
ciudades como Pekín que registró en el año 2014 una media de 85,9 µg/mᵌ según el editorial
DiarioLibre.com del 16 de abril del 2015. Linares, C. y Díaz, J. (2015) publicaron el registro de la
concentración de las partículas PM 2,5 de un día laboral en la ciudad de Madrid con valores que
oscilaron de 68 µg/mᵌ a las 15 horas a 74 µg/mᵌ a las 19 horas. México y Ecuador, en el área
latinoamericana, tienen una norma de valor medio anual de 15 µg/mᵌ. Sin embargo, hay informes
que denotan registros superiores.
Existen tres grandes fuentes de contaminación del aire provenientes de actividades humanas:
fuentes estacionarias, móviles y de interiores. Constituyen fuentes estacionarias las industrias y
las plantas de producción de energía, son fuentes móviles los vehículos motores y fuentes
interiores los hogares o viviendas. A los efectos de la presente investigación son de interés las
fuentes estacionarias tipo industrias, específicamente las calderas de vapor. Esta fuente puede
provocar afectaciones de manera puntual o a una región mediante varias fuentes pequeñas
independientes (Ministerio del Ambiente, 2007).
Las calderas de vapor se clasifican según: la disposición del fluido, su circulación, el mecanismo
de transmisión del calor dominante, su estructura, modo de intercambio de calor, entre otros
factores. Según la clasificación dada por Alvarez (2006, pág. 6), la caldera objeto de estudio
atendiendo a su diseño y capacidad se clasifica como: caldera de generación de vapor y agua
sobrecalentada para uso industrial, de combustible líquido, de diseño pirotubular o de tubos de
humos de 5 BHp.
Los procesos de combustión dan lugar, inevitablemente, a la emisión a la atmósfera de sustancias
que modifican la composición y que tienen un poder contaminante sobre el aire, la tierra y el agua.
Al asegurar la calidad requerida de la mezcla aire-combustible durante el proceso de combustión,
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.55 - 68
se reduce el impacto negativo sobre el medio ambiente de los gases emanados de dicho proceso
(Kojan, A. L., 2000).
Existen diferentes métodos de control de la calidad de la combustión. Se diferencian en el tipo de
accionamiento de los elementos reguladores de la entrada de aire y de combustible y en la forma
de captura de la información sobre la composición de la mezcla. Uno de los métodos más
empleados es el de corrección de medida. La corrección se realiza al parámetro de medición
elegido (O2, CO2, CO). Pese a que el control mediante CO2 es más preciso, el costo de
importación de los sensores es elevado y no están disponibles comercialmente en el país. Por
esta razón, el control mediante la medición de O2 es el más utilizado a nivel industrial en Ecuador.
Las calderas normalmente son instrumentadas para controlar el valor de parámetros como la
temperatura y la presión, también puede controlarse la calidad de los gases de combustión. Con
este fin, es utilizada una sonda lambda (Sonda-λ) para medir la concentración de oxígeno en los
gases de escape antes de que sufran alguna alteración. Se toma como referencia el coeficiente de
aire (lambda) con valor 1 cuando la relación aire/combustible es estequiométrica o ideal y
corresponde a la relación de mezcla de 14,7/1. Si el valor de lambda es mayor que 1, se entiende
que la mezcla es rica en oxígeno y si es menor que 1 se entiende que la mezcla es pobre en
oxígeno. . La medida del oxígeno representa del grado de riqueza de la mezcla, magnitud que la
sonda transforma en un valor de tensión y que comunica a la unidad de control (Salinas Villar,
2006).
La utilización de sistemas de Interface Hombre-Máquina (HMI) acoplados con un Control Lógico
Programable (PLC) en la industria contemporánea es creciente, estos sistemas desempeñan un
papel fundamental en el diseño de una solución de automatización verdaderamente esbelta,
logran una adecuada combinación de la visualización y el control del funcionamiento de las
máquinas.
La estructura básica de un sistema de control HMI-PLC incluye sensores, actuadores, interfaz de
operador y dispositivos de control lógicos. Los sensores miden las variables físicas, como la
temperatura, flujo, presión, etc. y convierten esa información en una señal eléctrica, el dispositivo
actuador transfiere la información al HMI, y el dispositivo lógico controla el funcionamiento de la
máquina. El dispositivo lógico examina las entradas realizadas por el operador y por el sensor, y
envía señales al dispositivo actuador. Este modelo se aplica a procesos discretos y continuos.
El objetivo del presente artículo es el diseño e implementación de un sistema de control de
combustión con HMI, para asegurar la adecuada relación aire-combustible durante la combustión
en una caldera pirotubular de 5 BHP, que permita reducir las emisiones de gases contaminantes a
la atmósfera y el uso racional de combustible.
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2. Materiales y Métodos
En la presente investigación se ha empleado el método de corrección por medida de O2 para
controlar la calidad de los gases de combustión y se ha utilizado el diésel como combustible. El
sistema propuesto funciona basado en el lazo de control mostrado en la Figura 1 mediante el que
se realiza la medición del oxígeno residual en los gases de combustión para determinar si se
cumple la estequiometría de la mezcla aire/combustible es decir, la relación de mezcla de 14,7/1.
Para ello, se fija un valor de “SET POINT” del porcentaje de oxígeno según el tipo de combustible,
que para el diésel el valor recomendado se encuentra entre (3,7 – 5 % O2). En caso de no
cumplirse la relación estequiométrica el controlador de aire modula el ingreso de aire hasta
alcanzar el valor “SETEADO” del porcentaje de oxígeno.
Figura 1: Estructura básica del lazo de control para el sistema propuesto
Para medir la concentración de oxígeno presente en los gases de combustión de la caldera se
utilizó una sonda lambda; fue necesario determinar la función que relaciona el voltaje emitido por
la sonda a partir el porcentaje O2 presente en dichos gases. Para ello, se provocó la variación del
porcentaje de O2 en condiciones de presión y temperatura normales (TPN) en un ambiente
cerrado, dicha variación fue registrada mediante un equipo analizador de gases de la marca Brain-
Bee y se tabuló el voltaje medio emitido por la sonda lambda en función del valor de concentración
de O2 entregado por el equipo analizador, aplicándose el método de calibración comparativo (Ver
Figura 2).
Figura 2: Pruebas de paralelaje entre sonda lambda y analizador de gases Brain Bee.
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Así, se determinó que la sonda lambda emite un valor de -34mV a una concentración del 20.8%
de oxígeno, que es la concentración de oxígeno diatómico presente en el volumen de la atmósfera
terrestre. Al disminuir paulatinamente la concentración de oxígeno, el voltaje de la sonda lambda
se incrementa yendo desde los -34 mV, hasta un valor de 100 mV que equivale a una
concentración de 2% de oxígeno. En la Figura 3 puede observarse que los valores obtenidos de
voltaje de la sonda contra concentración de oxígeno se corresponden con la ecuación de una
recta.
Figura 3: Curva de voltaje medido con la sonda lambda vs % O2
2.1. Acondicionamiento de la señal
La sonda lambda emite una señal de voltaje pequeña y fue necesario acondicionar la señal con
una ganancia de 10 veces su valor inicial. Una señal con rangos de voltaje amplios, permite una
mayor resolución de medición. El voltaje de salida del amplificador se determina mediante la
ecuación 1.
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 (1 +𝑅2
𝑅1 ) (1)
Donde la ganancia es;
1 +𝑅2
𝑅1 𝑦 𝑠𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑙𝑎 𝑙𝑒𝑡𝑟𝑎 𝐴
El valor de resistencia R2 para una ganancia A=10 y un valor de R1=1kΩ se haya:
10 = 1 +𝑅2
𝑅1
9 =𝑅2
1 𝑘Ω
9 𝑘Ω = 𝑅2
La señal amplificada 10 veces muestra valores desde los -340mV hasta los 1000 mV. Estos
valores aun no pueden ser leídos por ningún indicador de instrumentación y se debe diseñar un
circuito que permita estandarizar o acondicionar la señal y obtener valores que oscilen desde 0 a
-5
0
5
10
15
0,0000 5,0000 10,0000 15,0000 20,0000 25,0000
Voltaje sonda lambda (mV) vs % O2
60
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.55 - 68
10 voltios. La ecuación de la señal amplificada es naturalmente la de una recta también y se
corresponde con la ecuación 2.
𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏 (2)
Entonces, el valor de la pendiente de la recta se determina de la forma siguiente:
𝑦 − 𝑏 = 𝑚𝑥
𝑦 − 𝑦1 = 𝑚 (𝑥 − 𝑥1) (3)
Para acondicionar la señal se debe primeramente graficar una curva de estandarización.
Estandarizar una señal significa llevar un valor de voltaje o corriente en un rango amplio a valores
estándar que pueden ser, para este caso, un valor de corriente de 4 - 20mA o un voltaje 0 - 10V.
En la Figura 4 se muestra la curva de estandarización de una señal de voltaje.
Figura 4: Estandarización de una señal de voltaje
Al desarrollar la ecuación 3 se obtiene la ecuación de estandarización de la señal.
𝑦 − 𝑦1
𝑥 − 𝑥1= 𝑚
𝑦−𝑦1
𝑥−𝑥1=
𝑦2−𝑦1
𝑥2−𝑥1 (4)
La ecuación 4 es una igualdad de la pendiente de la recta del sensor, a través de ella se puede
conocer el valor del voltaje estandarizado en función del voltaje emitido por la sonda lamba. Los
valores de x1 y x2 corresponden a -340mV y 1000mV respectivamente y los valores de y1 y y2 son
los valores estandarizados de 0V a 10V.
𝑦 − 0
𝑥 − (−0.34)=
10 − 0
1 − (−0.34)
𝑦 = 7.462𝑥 + 2.54 (5)
La ecuación que define el acondicionador de señal se corresponde con la ecuación 5, y está
estructurado con un amplificador no inversor de ganancia A = 7,462 y un sumador que se regula
con un potenciómetro para agregar un valor de 2,54 V. El circuito acondicionador completo se
muestra en la Figura 5 con sus tres etapas: (Amplificación, Acondicionamiento e Inversión de
señal).
0
2
4
6
8
10
12
-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200
Estandarización de una señal eléctrica de voltaje
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.55 - 68
Figura 5: Acondicionador de señal completo
El resultado obtenido con la utilización de amplificadores para el acondicionador de señal, es de
signo negativo y para corregirlo y llevarlo a positivo, se utiliza el amplificador inversor de A=1.
7.462 = 1 +𝑅2
𝑅1
6.462 =𝑅2
𝑅1
Se asigna el valor de 1kΩ a R1 para determinar el valor de R2;
6.462 kΩ = 𝑅2
2.2. Función lineal en bloques de operación PLC Twido para la obtención de la
concentración de oxígeno en porcentaje (%O2).
Como se observó en la Figura 3, los valores de voltaje van desde (y1= -3.4mV hasta y2= 11.4mV)
y el valor de O2 va desde (x1= 0 a x2= 20.8%), que es la concentración de oxígeno diatómico. La
pendiente de la curva para este caso es decreciente y su valor se determina como se sigue:
𝑚 = 𝑦2 − 𝑦1
𝑥2 − 𝑥1
𝑚 = 11.4 − (−3.4)
20.8 − 0
𝑚 = − 0.711
Como los valores de interés son los del porcentaje de oxígeno, en la ecuación de la recta se
despeja la variable 𝑥. El valor de b es el intersecto en el eje de las ordenadas que es igual a 11.4
V.
𝑥 =𝑦 − 𝑏
𝑚
En la Figura 6 se muestra porcentaje de oxígeno en función del voltaje de la sonda lambda
mediante bloques de operación en Twido Suite.
Etapa de amplificación
Etapa de acondicionamiento
Etapa de inversión
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.55 - 68
Figura 6: Porcentaje de oxígeno según voltaje de la sonda lambda en bloques de operación en Twido Suite.
Para determinar el valor del O2 e ingresarlo en los bloques de operación del PLC, se resta el valor
de voltaje (valores de y) y el intersecto (b), para posteriormente dividirlo entre la pendiente (m), y
se obtiene el valor del porcentaje de oxígeno en función del voltaje de la sonda lambda.
2.3. Determinación del porcentaje de CO2 a partir del O2
Cuando se habla de análisis de gases existen variables que son medidas y variables que son
calculadas, para este caso el porcentaje de O2 es una variable medida y a partir de este valor y
otros parámetros se pueden calcular variables como el porcentaje de CO2, de acuerdo a (Jecht,
2004) la concentración de dióxido de carbono se puede obtener por la expresión:
𝐶𝑂2 =𝐶𝑂2 max 𝑥 (21−𝑂2)
21 (6)
Donde:
CO2max: Valor específico máximo de CO2 (Fueloil ligero 15,4 % vol. CO2)
El valor 21: Contenido de oxígeno del aire en (%)
O2: Porcentaje de oxígeno medido
En Chinea (2010) se indica la relación existente entre el % O2 y % CO2, la que se muestra en la
Tabla 1.
Tabla 1: Relación entre %O2 y %CO2
% CO2 14.7 14.0 13.3 12.5 12.0 11.5 10.4 9.6 8.8 8.1 7.4 6.6 5.9 5.2 4.4
% O2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fuente: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar30/HTML/articulo06.htm
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.55 - 68
3.4. Implementación de un control proporcional PID
Para el ingreso de aire se adaptó un servomotor al dámper que controla el ingreso de aire hacia la
cámara de combustión, para poder realizar este control se implementó un lazo PID que calcula la
diferencia entre la variable real contra la variable deseada como se muestra en la Figura 7.
Figura 7: Diagrama de bloques de un proceso con un controlador por realimentación
Fuente: http://www.mailxmail.com/curso-control-pid-avanzado/pid-controladores-realimentacion
En la Figura 7 se muestra un sistema de realimentación mediante un diagrama de bloque. El
sistema tiene dos grandes componentes, el proceso y el controlador. El proceso tiene una entrada
que es la variable manipulada llamada variable de control y se denota por la letra u. La variable
de control influye sobre el proceso vía actuador, que suele ser una válvula o motor. La salida del
proceso se llama la variable de proceso (PV) y se representa por la letra y. Esta variable se mide
con un sensor lambda. El actuador y el sensor se consideran parte del bloque etiquetado como
“Proceso”. El valor deseado de la variable de proceso se llama el punto de consigna (SP) o valor
de referencia. Se denota por Ysp. El error de control e es la diferencia entre el punto de consigna
y la variable de proceso.
𝑒 = 𝑌𝑠𝑝 − 𝑦
Para la aplicación desarrollada:
Ysp = Punto de consigna 4,35 % de oxígeno (Valor medio del intervalo 3,7 – 5)
u = Variable de control (0 - 5 V servomotor)
y = Variable de proceso (Porcentaje de oxígeno en gases de combustión)
La implementación de un control PID en el sistema de control, permite la regulación automática
del ingreso de aire según el porcentaje de oxígeno detectado. En caso de que la concentración de
O2 exceda el valor de Ysp, la variable de control, en este caso el servomotor, disminuirá la entrada
de aire hasta que el valor medido se estabilice, caso contrario si es baja la contracción de oxígeno
en los gases de combustión, el servomotor abrirá el paso de aire hacia la cámara de combustión.
La Figura 8 muestra el submenú de monitoreo de los principales parámetros de la caldera cuando
está en funcionamiento. Desde ella se puede acceder directamente a las demás pantallas que
forman parte de este sistema de control como son: menú principal, entradas análogas, I/O
digitales, Dámper y curvas de comportamiento de diferentes parámetros.
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.55 - 68
Figura 8: Submenú de Monitoreo
3. Resultados
El sistema de control de combustión desarrollado se implementó en una caldera de 5 BHP con
diámetro de la chimenea de 10 cm. Los resultados de las lecturas realizadas fueron comparados
con los obtenidos al utilizar un analizador de gases marca Testo, modelo 350XL, de la empresa
CORPLAB, certificada para estudios de composición de gases de combustión.
Según las normas de Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria (TULAS), para las
calderas con diámetro inferior a 3 m se deberán utilizar dos puertos de muestreo, ubicados a una
distancia de, al menos, ocho diámetros de chimenea corriente abajo y dos diámetros de chimenea
corriente arriba de una perturbación en la dirección del flujo normal de gases de combustión, lo
que presupone la toma de muestras en un estado de flujo laminar del fluido. Así, se ubicaron los
puntos 1 y 2 indicados en la Figura 9. El protocolo del análisis de gases en fuentes fijas aplicado
por la empresa CORPLAB establece la toma de tres mediciones en cada punto de interés en
condiciones de funcionamiento de la caldera, el valor promedio de las mediciones efectuadas en
cada punto se muestra en la Tabla 2. El valor del porciento de O2 en ambos puntos fue semejante
ligeramente superior en el punto 2 por esta razón se tomó finalmente el valor de 10.8 % de O2
correspondiente al punto 2 para ser comparado posteriormente con el sistema de control
desarrollado.
Tabla 2: Concentración de O2 medido en dos puntos con el analizador de gases marca Testo
Punto Ubicación Valor
parcial 1
Valor parcial
2
Valor parcial
3
Valor Promedio O2 TESTO
observaciones
Punto1 inicio de la chimenea 10,4 10,8 10,5 10,6 valores
normales
Punto2 después de la
perturbación (Codo) 10,6 11,1 10,7 10,8
valores normales
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.55 - 68
Figura 9: Señalización de los puntos donde fue ubicada la sonda lambda en la chimenea.
Para las mismas condiciones en las que se efectuaron las mediciones con el equipo Testo modelo
350XL, de la empresa CORPLAB en el punto 2, se realizaron nuevamente tres lecturas en dicho
punto ahora con el sistema de control desarrollado determinándose su valor promedio. Este valor
se muestra en la Tabla 3 conjuntamente con el valor promedio obtenido al utilizar el equipo Testo.
Tabla 3: Comparación de los valores promedios de la concentración de O2 medidos con el sistema de
control implementado y con el equipo Testo modelo 350XL, de la empresa CORPLAB.
Punto Ubicación Valor
medido % O2
Valor medido
% O2 TESTO
Diferencia
% Observaciones
Punto2 Después de la perturbación (Codo 90°)
10.48 10.8 0,32 Rango tolerable 1.3 %
(comprendido entre los valores recomendados de 3.7 y 5% de O2)
Posteriormente, con la caldera a pleno funcionamiento, se reguló la graduación del dámper de
ingreso de aire hasta comprobar que la caldera trabajara dentro del rango comprendido entre el
3,7 y el 5 % de O2 recomendado.
Al existir una descompensación en la concentración de oxígeno medido por el sistema de control,
es decir, que los valores captados se encuentren fuera de los límites establecidos, el sistema
mediante el control proporcional PID, compensará el valor de oxígeno faltante o excedente dentro
de la cámara de combustión a través de la apertura o cierre del dámper de ingreso de aire según
corresponda, asegurándose así que el porcentaje de O2 presente en los gases de combustión se
encuentre dentro del rango recomendado.
66
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.55 - 68
Los valores captados en las mediciones efectuadas en el punto 2 para la nueva posición del
dámper con el sistema en pleno funcionamiento se muestran en la Tabla 4.
Tabla 4: Valores de % O2 medidos en el punto 2 de muestreo con el nuevo sistema de control implementado
Punto Ubicación Valor
parcial 1
Valor parcial
2
Valor parcial
3
Valor Promedio
O2 observaciones
Punto 2 Después de la perturbación (Codo 90°)
4,6 5,1 4,7 4,8 Valores
normales
4. Discusión
Al considerar las lecturas del equipo Testo modelo 350XL como valor referencial en cada punto de
medición. Tal como pudo observarse en la Tabla 3, la diferencia en las lecturas del porcentaje de
O2 en el punto 2 medido con la sonda lambda del sistema de control desarrollado respecto a su
correspondiente valor referencial, no supera el valor de 0.32 %, muy inferior al 1,3 % comprendido
entre los valores límites del intervalo de 3,7 y 5 % O2 para el uso del diésel como combustible, lo
que demuestra la factibilidad del empleo del sistema de control implementado para la lectura del
porcentaje de O2 presente en los gases de combustión de la caldera.
Los valores obtenidos inicialmente en el punto 2 cercanos al 10% de O2 tanto con el equipo Testo
como con el sistema de control implementado (Ver Tabla 2), corroboran la descalibración de la
caldera cinco años después de su puesta en funcionamiento. Sin embargo, para poder establecer
el paralelo entre las mediciones realizadas por la empresa CORPLAB y las efectuadas con el
sistema de control implementado, fue preciso mantener las mismas condiciones de entrada de
aire (graduación del dámper) pese a conocerse que los valores obtenidos estaban fuera del rango
admisible.
El valor promedio de las mediciones efectuadas en el punto 2 mostrado en la Tabla 4 al utilizar el
sistema de control implementado, se encuentra dentro del rango de concentración de O2
recomendado para los gases de combustión del diésel. Lo que asegura la formación de una
mezcla estequiométrica con el mejor aprovechamiento posible de la capacidad calorífica del
combustible, la reducción del tiempo de operación y del consumo de combustible durante el
funcionamiento de la caldera. El control automático de la relación aire/combustible con el sistema
de control implementado asegura la calidad de los gases de combustión de la caldera de manera
desatendida, con implicación favorable en la protección del medio ambiente y en la mejor
utilización de la fuerza de trabajo.
El sistema de control implementado puede aplicarse no solo a fuentes fijas de combustión, puede
acoplarse también a otros sistemas que usan la combustión para producir poder calorífico, como
el de secado de materias primas. El procedimiento seguido y los resultados alcanzados en la
67
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.55 - 68
presente investigación pueden servir de orientación metodológica para la instalación de sistemas
de control de gases de la combustión mediante pantallas HMI y PLC en procesos análogos.
4. Conclusiones y Recomendaciones
Se realizó el diseño e implementación de un control de combustión de una caldera
pirotubular de 5 BHP a diésel, mediante el cual se mejora la calidad de la mezcla aire-
combustible, al mantener el porcentaje de O2 presente en los gases de combustión dentro
del límite establecido para este combustible.
Como elementos principales del control de combustión fueron utilizados, una pantalla HMI
de marca DELTA, touch screen con despliegue gráfico, un PLC modular Twido
TWLMDA20DRT el que estará encargado de accionar sobre el actuador para el control de la
entrada de oxígeno en función del valor de la lectura realizada por la sonda lambda.
Fue necesario acondicionar la señal de voltaje de -34mV a 100 mV emitida por la sonda
lambda, con una ganancia de igual a 10, para luego estandarizar dicha señal y obtener
valores de voltaje en el intervalo de 0 a 10 voltios con la finalidad de lograr compatibilizar
dicha señal con el voltaje admitido por la entrada analógica del PLC utilizado.
La función que relaciona los valores de voltaje entregados por la sonda lambda con el
porcentaje de oxígeno suministrado por el PLC se corresponde con la ecuación de una
recta, la que permite obtener el valor de porcentaje de oxígeno presente en los gases de
combustión de manera continua durante el funcionamiento de la caldera.
Se obtuvo una diferencia en la captación del porciento de oxígeno en los gases de
combustión de la caldera al utilizar el sistema de control implementado de solo 0.32 %,
respecto al valor obtenido en las mediciones realizadas por la empresa certificada
CORPLAB, con el equipo Testo modelo 350XL. Este valor es inferior al valor de 1.3 %
comprendido en el intervalo de 3,7 a 5 % de O2, recomendado para gases de la combustión
del diésel, lo que demuestra la factibilidad del empleo de la sonda lambda en la lectura de la
contaminación de gases de combustión de dicha caldera.
Finalmente, como recomendación del trabajo se tiene que la operación y mantenimiento del
sistema de control de gases de la combustión que ha sido implementado deberá ser
realizada por personas capacitadas para evitar daños en el sistema de control de este
equipo conforme al nivel de la tecnología utilizada.
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Bibliografía
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Nacional Experimental “Francisco de Miranda”, Venezuela.
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.69 - 81 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2016/05/06 Aceptado (Accepted): 2016/06/27
CC BY-NC-ND 3.0
Instalación para medición de conductividad térmica en
composites basados en residuos de biomasa
(Device for measuring thermal conductivity of composites
based on biomass waste)
Luis Velasco Roldán1, Leonardo Goyos Pérez
1, Reinaldo Delgado García
1, Luis Freire Amores
2
Resumen:
Se ha diseñado, construido y calibrado un banco de pruebas normalizado para la
determinación de la conductividad térmica de materiales aislantes de construcción. El aparato,
sencillo y económico, pretende convertirse en herramienta replicable y útil para el desarrollo de
múltiples investigaciones en torno a materiales basados en residuos o recursos no valorizados
para la producción de aislamientos térmicos baratos de producción local no industrializados
que repercutan en la mejora de la eficiencia energética de las edificaciones. La principal
aportación del banco de pruebas es la posibilidad del análisis de aislamientos compuestos de
mayor espesor y distintos formatos gracias al diseño de la prensa, que permite el ajuste y la
presión de las placas sobre las muestras, sosteniendo estas en el aire y evitando cualquier
transmisión por conducción no deseada.
Palabras clave: eficiencia energética; aislamiento térmico; residuos vegetales
Abstract:
A standardized test bench has been designed, built and calibrated to determine the thermal
conductivity of insulating building materials. The device, simple in design and economical, aims
to become a replicable and useful tool for the development of multiple research on innovative
materials based on waste or unvalued resources for the production of non-industrial and locally
produced cheap thermal insulating materials which lead to the improvement of buildings energy
efficiency. The main contribution of the test bench is the possibility of analyzing insulation
compounds with more thickness and different formats thanks to the press design, which allows
the setting and the pressure of the plates on the samples, holding these in the air and
preventing any transmission by unwanted conduction.
Keywords: thermal conductivity; thermal insulation; vegetable waste
1Universidad de las Fuerzas Armadas, Sangolquí – Ecuador, ([email protected])
2Universidad Tecnológica Equinoccial, Quito – Ecuador, ([email protected])
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.69 - 81
1. Introducción
La falta de consideración de la variabilidad climática en Latino América, así como la debilidad en
un desarrollo industrial que pueda correr paralelo a una investigación tecnológica y constructiva,
viene traduciéndose en soluciones edificatorias determinadas únicamente por los productos
industriales disponibles o importables, generando una profunda desorientación edificatoria. De
mantenerse esta dinámica, carente de investigaciones que recuperen, profundicen y evolucionen
los conocimientos constructivos ancestrales, se augura una preocupante inadaptación tecnológica,
constructiva y ambiental que generará un desarrollo edificatorio claramente insostenible. Es por
ello necesario la evolución de los modelos bajo un nuevo prisma de sostenibilidad energética,
social y económica.
Las dinámicas constructivas vienen desde principio de siglo XX sustituyendo en los países
industrializados los muros tradicionales de gran espesor y un solo material (tierra, piedra, ladrillo,
etc.) por muros heterogéneos compuestos de diversas capas, donde cada una de ellas cumple
específicamente con alguno de los requerimientos del muro (estanqueidad, resistencia,
aislamiento térmico, etc.). Esta estrategia fomenta la sustitución de materiales polivalentes por
materiales compuestos de altísimo rendimiento frente a la función encomendada. Dicha lógica
viene apoyada por la necesidad de reducir al máximo el espesor de los muros frente al elevado
valor del suelo y la aplicación de cada vez más estrictas normativas térmicas, acústicas,
estructurales, etc. Un vistazo a la situación global de América Latina, África o Asia, nos muestra
realidades muy distintas en donde dicho modelo constructivo no tiene sentido alguno ante
realidades industriales en proceso de desarrollo y grandes extensiones de reducida presión
demográfica. En gran parte de dichas áreas la dinámica constructiva ancestral continua teniendo
vigencia. Los muros homogéneos de gran espesor formados por materiales que incorporen
desechos agrícolas o fibras vegetales locales como materia prima de aislamiento térmico tienen
un campo de desarrollo real y útil dentro de un deseable desarrollo sostenible.
Es por todo ello que se requiere caracterizar los diferentes compuestos de fabricación local. Con
este objetivo se realizó el diseño del banco de pruebas de transferencia de calor de tipo placa
caliente (Method, 2013b) específico para investigaciones en torno a dichos compuestos de
fabricación local, buenas prestaciones térmicas y de resistencia (en el caso de ser esta
necesaria), bajo coste y reducido impacto ecológico. En la actualidad, marzo de 2015, no existe en
Ecuador un aparato de medición de tales características ni material alguno que cuente con un
coeficiente de conductividad certificado. El aparato se ha construido siguiendo el método de
ensayo para la determinación de las propiedades de transmisión térmica en estado estacionario
de muestras de aislamiento térmico con un calentador delgado de densidad de potencia uniforme
con bajo flujo de calor lateral según criterios normativos de la ASTM (Method, 2013b), (Method,
71
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.69 - 81
2014). La norma establece criterios de laboratorio para la medida del flujo unidireccional y
estacionario de calor a través de dos muestras planas y homogéneas de caras paralelas y
espesor conocido testadas a temperaturas constantes mediante un sistema de placa caliente
central y doble placa fría exterior. Del ensayo se determina mediante la ley de Fourier la
conductividad térmica.
Q= A K (- dT/dX)
Donde:
Q: flujo de calor a lo largo del espesor, medida en W, A: área de la sección del material,
perpendicular al flujo de calor, medida en m2, dT/dx: es el gradiente de temperatura entre la placa
fría y caliente, medida en °K siendo dx el espesor de de la muestra, k: coeficiente de
conductividad térmica del material, medida en W m -1 K -1
2. Metodología
El banco de pruebas de medición de conductividad se fabrica siguiendo las pautas, prescripciones
y recomendaciones de las normas ASTM C177-13 (Method, 2013b), ASTM C1114-13 (Method,
2013a) , ASTM C168 – 13 (Method, 2014) y ASTM C518-10 (Method, 2013c).
Dichas normas no describen un diseño concreto, sino que describen los requerimientos mínimos
necesarios para la construcción de un modelo que asegure una transmisión estable y constante
de la energía estrictamente por conducción de forma perpendicular a los focos frío y caliente; unas
sondas de control sobre el funcionamiento del sistema y una medición precisa del flujo de calor y
las temperaturas resultantes del experimento. Dicho método, prescriptivo, aporta la suficiente
flexibilidad al modelo como para permitir la construcción de aparatos de ensayo destinados al
análisis de compuestos, con un rango de características y formatos muy amplio (Milagrosa,
Sánchez, Centeno, & Lazcano, 2002), (Martínez Fuentes, n.d.), (J. Diez Campos, E. García Breijo.
I Perez Clemente, J.V. Ros Lis. J. Soto Camino, 2007), (Lopez et al., 2000).
3. Resultados
La Figura 1 muestra la concepción general del banco de prueba. El mismo está compuesto por un
bastidor con un soporte fijo y otro ajustable, los cuales sostienen las placas frías (focos fríos) ,
entre las cuales se sitúan las muestras a ensayar y entre ellas el elemento calefactor (foco
caliente). La instalación cuenta con una campana de vacío para realizar el ensayo bajo estas
condiciones, de ser necesario.
72
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.69 - 81
Figura 1. Esquema y fotografía de aparato de medición
Foco caliente
En la Figura 2 puede observarse el elemento calefactor regulado (Placa caliente) y el anillo
perimetral de guarda. La placa caliente se construye mediante cinta de aleación de Ni80Cr20
(nicrom) en soporte de mica. El elemento resistivo se encuentra aislado mediante láminas de mica
y forman a su vez un emparedado entre láminas de aluminio de espesor 0,2 mm. La distribución
del elemento resistivo es uniforme en toda el área de calentamiento (150 x 150 mm) y el espesor
de las placas externas de aluminio asegura una alta conductividad y baja inercia térmica en
ambas caras de trabajo. El voltaje aplicado a la placa caliente (0.1 - 18 v de corriente continua) es
regulado mediante un potenciómetro para fijar la temperatura y por ende el flujo de calor. La
selección del voltaje más adecuado será en función de la muestra ensayada en la búsqueda de
una diferencia de temperatura de 20ºC, al ser este el patrón de temperaturas más habitual de
medida en materiales de construcción
Anillo perimetral
Un anillo perimetral de 300 x 300 mm en su parte exterior (anillo de guarda) rodea la placa
caliente, separado 3 mm de esta mediante material aislante. Al igual que la placa caliente, este
anillo contiene una resistencia eléctrica aislada por mica y protegida por placas de aluminio, en
este caso de 2mm de espesor. El sistema de control del equipo garantiza que la guarda mantenga
la misma temperatura que la placa caliente, con el fin de evitar flujo de calor en sentido radial. La
diferencia de temperatura entre la guarda y la fuente primaria de energía tal y como determina la
norma (Method, 2013b), no ha superado durante las pruebas los 0,2ºC, asegurándose una
transmisión lineal e unidireccional de la energía entre la placa caliente y las placas frías.
73
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.69 - 81
Figura 2. Placa caliente - guarda perimetral y la separación entre ambos elementos calefactores.
Placa fría
Las placas frías (Figura 3) tienen la función de disipar la energía que llega desde la placa caliente
a través de las muestras que se desea medir. Están formadas por dos planchas de aluminio de
30x30 cm y 10 mm de espesor con ocho ranuras de 6x6mm en su cara interior destinadas a
albergar una serie de conducciones de cobre de 8mm por las que circula agua. Este recorrido a
través del interior de las placas se realiza mediante colectores para asegurar la imprescindible
uniformidad de la temperatura en toda la placa. De haberse realizado la distribución de agua
mediante un serpentín, el progresivo calentamiento del agua en su recorrido a través de la placa
hubiera generado distintas temperaturas sobre esta distorsionando la linealidad del flujo de calor.
Para la correcta transmisión del flujo de energía se garantiza el mayor contacto posible entre los
elementos refrigeradores y las placas. El espesor de las placas mejora la uniformidad de la
disipación de la energía.
Figura 3. Fotografía de la placa fría y su sistema de distribución de agua.
Prensa
La prensa es la encargada de comprimir el conjunto asegurando un buen contacto entre placas y
muestras sin forzar una compresión excesiva que pueda deformar las muestras y variar la
densidad de, por ejemplo, los materiales fibrosos. Un aislamiento térmico envuelve las placas y la
74
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.69 - 81
muestra para evitar pérdidas de calor por el perímetro en muestras de gran espesor (Method,
2013b)
Campana de vacío
Adicionalmente, con la pretensión de realizar pruebas en ausencia total de convección, se ha
construido una campana de acero de 1mm de espesor que envuelve el aparato de medición y
permite la creación del vacío en su interior. De esta forma será posible en futuras pruebas eliminar
toda transmisión de energía por convección entre el perímetro de la muestra y su entorno. La
experimentación en vacío permitirá calibrar la influencia de las pérdidas por convección en los
experimentos de conductividad térmica a grandes altitudes (Sangolquí se encuentra a 2400
metros sobre el nivel del mar). Con ella será posible determinar el porcentaje de dispersión que
resulte de la experimentación que prescinda de evaluar dichas pérdidas por convección. Dicha
investigación fue iniciada por Raimundo López con una campana de similares características en la
Universidad Autónoma de México DF (Lopez et al., 2000)
Sondas de control y registro
Se ha dispuesto un total de 12 sondas de temperatura tipo K (cromel-alumel) con dirección física
(MAC) conectadas a los circuitos de control. Los valores de temperatura pueden ser monitoreados
por medio de tres termómetros digitales.
Placa caliente: Dos termopares tipo K en cada una de las caras de la placa caliente para verificar
la igualdad de temperaturas en ambas caras y uniformidad de temperaturas a largo de la placa.
Anillo perimetral: 4 termopares distribuidos en el perímetro.
Placas frías: dos termopares por cada cara en contacto con la muestra, uno en el centro de la
placa (zona correspondiente a la posición de la placa caliente y el otro en la zona exterior (zona
correspondiente a la posición de la guarda). Se controla permanentemente la diferencia de
temperaturas entre la placa caliente y la guarda mediante el sistema de control
Sistema de control electrónico
El sistema de control (figuras 4 y 5) pretende el establecimiento, de forma automática de idénticas
temperaturas entre la placa caliente y la placa perimetral para asegurar un flujo de calor
perpendicular a las muestras a ensayar. El sistema de control cuenta con una doble fuente de
alimentación. La fuente de 5VDC, alimenta el micro-controlador y los sensores de temperatura
conectada a un transformador 120V-12VAC. Cuenta con sistema de protección con fusible de 1A,
75
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.69 - 81
rectificado mediante puente de diodos, además de un filtrado de señal mediante capacitor de 1000
uF, lo cual garantiza una señal constante y sin ruido. La fuente de 18VDC, alimenta las placas
interna y externa y posee las mismas características de la fuente de 5VDC. En este caso el fusible
que es de 2 A.
Figura 4. Sistema de control de la placa interna. (TINT – Transformador 110V-12V (Corriente Alterna), FU1 – Fusible de 1A, P1 – Puente rectificador de diodos, D1 – Diodo para protección anticorriente, U2 – Regulador de voltaje de 5V, C1, C2, C5 – Capacitores de 10uF, 100uF y 1000uF respectivamente)
Figura 5. Sistema de control de la placa perimetral (TEXT – Transformador 110V-24V (Corriente Alterna), FU2 – Fusible de 2ª, P2 – Puente rectificador de diodo, C6 – Capacitores de 1000uF)
Sistema de Control. Placa caliente
Se ha utilizado un sistema de control en lazo abierto, tal como se ilustra en la Figura 6. El
potenciómetro regula el voltaje de alimentación suministrado a la placa caliente. El micro-
controlador lee la señal analógica procedente del potenciómetro y envía una señal de control
hacía la base del transistor y finalmente se aplica el voltaje especificado a la placa. El voltaje
mínimo suministrado es de 0V y el máximo es de 18V.
Conectar a
transformador Alimentación para
microcontrolador
Conectar a
transformador Alimentación para
placa
76
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.69 - 81
Figura 6. Esquema de funcionamiento placa caliente (uC – Microcontrolador, Potencia – PWM (regulación de voltaje por ancho de pulso) y transistor, Sensor de temperatura – Sensor Dallas DS18B20)
El potenciómetro regula el voltaje de alimentación suministrado a la placa caliente. El micro-
controlador lee la señal analógica procedente del potenciómetro y envía una señal de control
hacía la base del transistor y finalmente se aplica el voltaje especificado a la placa (Figura 7). El
voltaje mínimo suministrado es de 0V y el máximo es de 18V.
Figura 7. Esquema de potencia placa interior (RINT – Resistencia de base para transistor de
100 ohm)
Sistema de Control. Guarda perimetral. El sistema de control empleado es un lazo cerrado con un
controlador PID, tal como se describe en la Figura 8.
Figura 8. Esquema del de funcionamiento guarda perimetral (Setpoint – Valor de temperatura que se pretende alcanzar, uC – Microcontrolador, PID –Proporcional, Integral y Derivativo. Técnica de sistemas de control aplicada para el control de una variable, en este caso, la temperatura de la placa, Potencia – PWM (regulación de voltaje por ancho de pulso) y transistor, Sensor de temperatura – Sensor Dallas DS18B20)
Se hace necesario un control para mantener las placas a la misma temperatura. La información
del Setpoint es suministrada por el sensor de temperatura de la placa interior. El controlador PID
se imprementa mediante la programación del micro-controlador. Los cálculos realizados por el
controlador son transformados en una señal de control enviada hacia el transistor. Finalmente el
Potenciómetro (Setpoint)
uC Potencia Placa Interior Sensor de
temperatura
Setpoint uC (PID
implementado) Potencia
Guarda perimetral
Sensor de temperatura
Señal procedente del
microcontrolador
Conectar
voltímetro
Conectar amperímetro
Conectar placa interior
Voltaje de
alimentación
77
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.69 - 81
lazo de control se complementa con la retroalimentación dada por el sensor de temperatura
DS18B20 (Figura 9).
Figura 9. Esquema de potencia placa exterior (REXT – Resistencia de base para transistor de
110 ohm)
Obtención de la Función de Transferencia
Se aplicó un voltaje constante de 12V en la placa interior mientras la temperatura se estabiliza.
Los datos experimentales se tomaron con un intervalo de 60 segundos, lo cual se considera
suficiente teniendo en cuenta que el tiempo de estabilización de la placa es de aproximadamente
4 horas.
Una vez obtenidos los datos experimentales de temperatura, se procede a realizar el
modelamiento mediante la ayuda del programa Matlab, el cual permite obtener una función de
transferencia que se ajuste a las curvas de los datos obtenidos de las mediciones mediante la
herramienta Ident.
La aproximación con la función de transferencia obtenida es del 90% lo cual es una suficiente para
proseguir con el cálculo del controlador PID.
El sistema de control resultante se describe en la Figura 10 en conjunto con la Tabla 1.
4. Discusión
La calibración del aparato se realizó, tal y como dicta la norma ASTM C177-13 (Method, 2013b)
mediante el ensayo de dos muestras de materiales de conductividad conocida, ensayada y
certificada por laboratorios homologados a nivel nacional, en este caso por las marcas Knauf
GmbH y Webber siguiendo protocolos de la norma UNE EN ISO 10456. Se realizaron en concreto
5 ensayos con dos muestras de placa de yeso laminado de la marca Knauff de 15 mm de
espesor, una densidad de 728 kg/m3 y una conductividad térmica de 0,25 W/m² ºK para un
diferencial de temperatura de 20ºC y 5 ensayos con dos placas de poliestireno expandido de
densidad 25 kg/m3 de 0,03 W/m² ºK para un diferencial de temperatura de 20ºC de densidad de
Señal procedente del
microcontrolador
Conectar placa exterior
Voltaje de
alimentación
78
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.69 - 81
15 mm de espesor de la marca Webber. Todos los ensayos se realizaron con las muestras
estabilizadas en su contenido de humedad a 65 %, y los resultados se presentan en la Tabla 2.
Se determina por lo tanto que el aparato ofrece una precisión de ± 6,6% para un diferencial de
temperaturas de 20ºC
Figura 10. Sistema de control ( AMP: Conectar Multímetro en modo de medidor de corriente contínua (escala 200mA); VOLT: Conectar Multímetro en modo de medidor de voltaje continuo (escala 200 VDC) ).
1 2 3 4
5 6
9
8
7
10
13
14
12
11
15
16
17
18 19
20 21
23 22
35
27 28 30
29
31
34
33
32
24 25
26
79
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.69 - 81
Tabla 1. Elementos del sistema de control (acorde a la Figura 10)
Número Nombre Observación
1 INTERIOR Bornera para conexión de placa interior
2 VOLT Bornera para conexión de voltímetro
3 AMP Bornera para conexión de amperímetro
4 TINT Bornera para conexión de transformador 110V/24V
5 FU1 Fusible 1A
6 FU2 Fusible 2A
7 TEXT Bornera para conexión de transformador 110V/12V
8 P2 Puente rectificador
9 P1 Puente rectificador
10 C5 Capacitor electrolítico
11 QINT Transistor para placa interior
12 QEXT Transistor para placa interior
13 D1 Diodo anticorriente
14 C6 Capacitor electrolítico
15 EXTERIOR Bornera para conexión de placa exterior
16 C1 Capacitor electrolítico
17 ARDUINO1 Bornera para conexión de pines de arduino
18 U2 Regulador de voltaje 5V
19 C2 Capacitor electrolítico
20 LED LED indicador
21 RLED Resistencia
22 RINT Resistencia
23 REXT Resistencia
24 RRESET Resistencia
25 RLCD Resistencia
26 4.7K Resistencia
27 SENSORES Bornera para conectar sensores DS18B20
28 X1 Cristal de oscilación 8MHz
29 C3,C4 Capacitores cerámicos
30 POT LCD Potenciómetro para regular luz de display
31 BR6 Bornera para conectar display
32 ARDUINO2 Bornera para conexión de pines de arduino
33 RESET Pulsador de reset para microcontrolador
34 VOLT INT Potenciómetro
35 U1 Microcontrolador
Tabla 2. Resultados de ensayos de calibración
MATERIAL N⁰
PRUEBA
T2 T3 H Δx A k PROMEDIO Conductividad
según norma
⁰C ⁰C W mm a b
W/m⁰K W/m⁰K W/m⁰K mm mm
POLIESTIRENO
EXPANDIDO
1 42,2 21,2 1,02 15 150 150 0,032
0,032
2 41,2 21,2 1,02 15 150 150 0,033 0,03
3 43,1 21,3 1,03 15 150 150 0,031
PLACA DE YESO
LAMINADO
1 36,7 21,1 6,02 15 150 150 0,257
0,239 0,25 2 35,1 20,4 5,06 15 150 150 0,229
3 37,4 21,6 5,47 15 150 150 0,231
80
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.69 - 81
5. Resultados y recomendaciones
Es posible la construcción de un aparato de conductividades térmicas de bajo coste y tecnología
open source con la suficiente precisión para la investigación de aislantes térmicos naturales
alternativos a los aislantes industrializados convencionales.
En climas templados en donde el agua corriente tiene moderadas temperaturas se hace necesario
el incremento de la potencia de la placa caliente o la introducción de fluido refrigerado en la placa
fría para mantener un diferencial de temperaturas suficiente entre ambas para el cálculo de
conductividades en aislamientos de gran espesor.
Pese al correcto funcionamiento, en futuras evoluciones del aparato se hace necesario usar agua
refrigerada en el circuito de la placa fría para fomentar una estabilización más rápida e impedir la
influencia de las variaciones de T del agua así como su flujo. De esta forma se asegura el estado
estacionario de los experimentos
Bibliografía
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81
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.69 - 81
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.82 - 96 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2016/04/25 Aceptado (Accepted): 2016/06/27
CC BY-NC-ND 3.0
Diversidad de flora vascular del Chocó Andino en el área de
Selva Virgen, Ecuador
(Diversity of vascular flora at Andino´s Choco area in Selva
Virgen)
Ximena Aguirre Ulloa1, Alexandra Endara1
Resumen:
El bosque junto a la Hostería Selva Virgen, ubicado en el noroccidente de Pichincha, zona del
Chocó Andino, es uno de los sitios de alta biodiversidad (hotspot) del mundo; lo cual se
determinó en el análisis de su flora vascular. Para dicho análisis se implementó un muestreo
con transectos temporales de 50 x 4 y 50 x 2 m que cubren una superficie de 0.1 hectáreas. Se
calcularon los índices de Sorensen, Simpson y Shannon, con el programa Past, obteniéndose
los siguientes resultados: 159 especies (spp.) registradas, que corresponden a 121 géneros y
54 familias. Las familias con mayor número de especies fueron: Moraceae 15 spp, Rubiaceae
10 spp, Arecaceae 9 spp, Fabaceae 9 spp, Melastomataceae 8 spp y Meliaceae 8 spp. La
diversidad obtuvo un valor de 0.95 en el índice de Simpson, que se interpreta como alta
diversidad. La riqueza fue de 0.33, riqueza media. El índice de Sorensen identifica espacios
que comparten el mayor número de especies. El endemismo es bajo: 6.25%. La alta
biodiversidad encontrada en el bosque, demuestra una riqueza biológica importante, que
sugiere la realización de más estudios en esta zona poco explorada desde el punto de vista
biológico.
Palabras clave: bosque; biodiversidad; flora vascular; riqueza biológica
Abstract:
The forest near the Hostería Selva Virgen, located in Pichincha, northwestern Andean Chocó
area, is one of the biodiversity hotspots in the world, reason that determined the analysis of the
vascular flora in the zone. For this study we did a temporary transects of 50 x 4 and 50 x 2 m
covering an area of 0.1 hectares. We calculated Sorensen, Simpson and Shannon indexes,
using the Past software, obtaining the following results: 159 species (spp.) registered
corresponding to 121 genera and 54 families. Families with more species were: 15 spp
Moraceae, Rubiaceae 10 spp, Arecaceae 9 spp, Fabaceae 9 spp, Melastomataceae 8 spp and
Meliaceae 8 spp. The diversity obtained has a value of 0.95. It is interpreted in the Simpson
index as a high diversity. Richness was 0.33, interpreted as an average richness. Sorensen
index identifies areas that share more species. Endemism is low: 6.25%. The high biodiversity
found in the studied forest shows an important biological richness; therefore more studies are
suggested, because this zone has been rarely explored from the biological point of view.
Keywords: forest; biodiversity; vascular flora; biological richness
1 Universidad Tecnológica Equinoccial, Quito – Ecuador ( xaguirre, maria.endara @ute.edu.ec )
83
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.82 - 96
1. Introducción
La flora del Ecuador ha sido estudiada de manera sistemática desde el año de 1972 y, a partir de
entonces, se han publicado 80 volúmenes de la colección Flora Ecuador Series (Revista publicada
por la Universidad de Gotemburgo, de Suecia). En estas colecciones se ha encontrado entre 10-
15% de nuevas especies para la ciencia botánica (Bravo, 2014). A pesar de la gran biodiversidad
de flora del Ecuador, la tasa de deforestación de sus bosques es una de las más altas del mundo
(Bravo, 2014); y, según Pitman et al. (2002), entre 19 a 46 especies de plantas se han extinguido
en el Ecuador a lo largo de los últimos 250 años, debido principalmente a la pérdida de hábitat.
Además, 282 especies (cerca del 7% de la flora endémica del Ecuador) han sido calificadas como
críticamente amenazadas, sobre todo aquellas ubicadas en los bosques costeros y en los Andes
ecuatorianos (Pitman et al., 2002).
El bosque de Selva Virgen está localizado en el Piso Tropical Noroccidental, que corresponde a
una de las regiones más húmedas del globo, el Chocó Andino, donde la precipitación anual
alcanza, en algunos lugares, hasta 10 000 mm (Cabrera y Willink, 1989, en Albuja et al., 2012).
Es, además, uno de los sitios de alta diversidad biológica (Hot Spots) del mundo (Albuja et al.,
2012). Estos bosques son parte de la región biogeográfica del Chocó, que se extiende desde
Panamá, a lo largo del Pacífico colombiano, y se adentra en el noroccidente del Ecuador (García
et al., 2014).
La extrema humedad del ambiente se debe a la acción de las corrientes marinas cálidas, como la
corriente cálida El Niño (Fenómeno del Niño), cuya influencia se acentúa entre los meses de
febrero hasta abril (Albuja et al., 2012). Este bosque es alto, denso y siempre verde, con el dosel
frecuentemente de 30 m o más de altura y una alta diversidad de especies. La diversidad alfa de
los árboles es menor que la encontrada en la Amazonía; sin embargo, la densidad y la diversidad
de las epífitas son probablemente iguales o más altas en los bosques del noroeste del Ecuador
(Neill 1995-2011, en Albuja et al., 2012).
El bosque del Chocó, de manera general, presenta tres estratos: alto, medio y bajo. El estrato
superior o dosel está formado por árboles que superan los 30 m de altura. Entre los principales
árboles del dosel están: chanul (Humiriastrum procerum), sande (Brosimum utile), peine de mono
(Apeiba aspera), sangre de gallina (Otoba gracilipes), copal (Dacryodes occidentalis), figueroa
(Carapa guianensis), y ceibo (Ceiba pentandra) (Albuja et al., 2012). El estrato medio está
conformado principalmente por: gualte (Wettinia quinaria), chilalde (Luehea cymulosa), balsa
(Ochroma pyramidale), y uva de monte (Pourouma bicolor chocoana) (Albuja et al., 2012).
El estrato inferior es heterogéneo y denso en herbáceas. Son frecuentes las familias Araceae,
Melastomataceae y Cyclantaceae (Albuja et al., 2012). Algunas plantas trepadoras cubren los
fustes de los árboles; entre ellas, destacan Philodendron verrucosum, P. rhodoaxis y Rhodospatha
densinervia (Albuja et al., 2012). Conforme se asciende en las laderas, la vegetación disminuye
84
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.82 - 96
progresivamente de tamaño. Es notable la abundancia de musgos, helechos, orquídeas,
bromelias y otras epífitas (Albuja et al., 2012).
A pesar de la riqueza antes descrita, la región del Chocó enfrenta un dilema: por un lado, es
considerada como uno de los “puntos calientes de biodiversidad del planeta”; por otro, se trata de
los bosques más amenazados del Ecuador (García et al., 2014). Adicionalmente, en el
noroccidente de la provincia de Pichincha, bajo la cota de los 1 000 metros de altitud, no se han
publicado estudios florísticos. Solo se ha encontrado la publicación de plantas útiles, realizada por
Montserrat Ríos en 1993. Este estudio es uno de los pocos que se refiere a estos rangos
altitudinales del noroccidente de Pichincha.
En este marco, surge la iniciativa de analizar la biodiversidad de flora vascular en el bosque
adjunto a la Hostería Selva Virgen, ubicada en la zona noroccidental de la provincia de Pichincha,
cercana a los bosques costeros del Ecuador, con la finalidad de conocer su importancia biológica.
2. Metodología
El presente trabajo emplea el método de transectos temporales de 50 x 4 y 50 x 2 m que cubren
una superficie de 0.1 hectárea. Los transectos se ubicaron en el bosque maduro (bosque
siempreverde piemontano). Se realizaron muestreos generales con cuatro puntos de observación
cuantitativos de 10 m2, que permitieran ampliar la visión de la riqueza botánica de la región con
especies que no ingresasen en el muestreo cuantitativo. Se complementó el trabajo con
colecciones generales y fotografías de varios especímenes.
Fase de campo
Esta fase se desarrolló de acuerdo con el esquema de inventarios de vegetación para el
neotrópico, donde se realizan levantamientos de individuos iguales o mayores a 2.5 cm de DAP
(Diámetro a la Altura del Pecho). El total de transectos sumaron 9, el primero de cinco transectos
de 50 x 4 m (1 000 m2), distribuidos a lo largo de los senderos existentes en el bosque; y cuatro
transectos de 50 x 2 m (400 m2), considerados como puntos de observación cuantitativa, para
capturar especies que no se encontrasen en el muestreo de 0.1 hectáreas. En cada transecto se
registró la altura estimada de los individuos y el diámetro del fuste. Se realizaron colecciones por
especie, y de aquellos árboles que presentan dificultades para reconocerlos en el campo. Las
muestras botánicas fueron prensadas y conservadas con alcohol al 75%, para su posterior
traslado al Herbario Nacional del Ecuador (QCNE), en la ciudad de Quito.
Fase de gabinete y análisis de información
Las muestras botánicas colectadas fueron transportadas al QCNE, donde fueron secadas e
identificadas taxonómicamente, mediante comparación con especímenes que reposan en la
colección de plantas vasculares y el uso de claves taxonómicas disponibles para algunos grupos y
85
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.82 - 96
especies. La nomenclatura de las especies fue revisada en el Catálogo de Plantas Vasculares del
Ecuador (Jørgensen & León-Yánez, 1999), y la base electrónica de información botánica, w3
TROPICOS, del Missouri Botanical Garden (MO) (www.tropicos.org). El estatus de las especies
endémicas se tomó del Libro Rojo de las Plantas Vasculares Endémicas del Ecuador (Valencia et
al., 2000) y de información de la base electrónica TRÓPICOS.
Área basal (m2)
El área basal es la superficie de una sección transversal del tallo o tronco de un árbol a
determinada altura del suelo; se expresa en m2 de material vegetal por unidad de superficie de
terreno. En el estudio, se consideraron los individuos con diámetro mayor o igual a 2.5 cm.
Á𝑟𝑒𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑎𝑙 =𝜋 ∗ DAP2
4
Donde:
DAP = Diámetro a la Altura del Pecho (convencionalmente 1.3 m desde el final de la raíz.)
Π = constante 3.1416
Densidad Relativa (DR %)
Se entiende como la proporción entre el número de individuos de una especie respecto del
número total de individuos del muestreo.
𝐷𝑅% =𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑢𝑛𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑒
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑒𝑜𝑥100
Dominancia Relativa (DMR %)
Se entiende como la proporción del área basal de una especie versus el área basal total de los
individuos encontrados en el muestreo.
𝐷𝑀𝑅% =Á𝑟𝑒𝑎 𝐵𝑎𝑠𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑒
Á𝑟𝑒𝑎 𝐵𝑎𝑠𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑒𝑙 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑒𝑜𝑥100
Importancia Relativa (IMP)
Es el resultado de la sumatoria de la Densidad Relativa (DR %) y la Dominancia Relativa (DMR
%), dividido para 2. El valor máximo para el total de las especies es 100. Se puede entonces
considerar que especies con valores iguales o mayores a 10, caracterizan el muestreo, al tratarse
de especies importantes y comunes del bosque. La alta biodiversidad del neotrópico y la baja
dominancia de especies hacen que no sea común encontrar especies con valores de IMP igual a
mayores a 10.
86
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.82 - 96
𝐼𝑀𝑅 =𝐷𝑅% + 𝐷𝑀𝑅%
2
Este índice se aplica en muestreos pequeños y es una forma simplificada del tradicional IVI (Índice
de Valor de Importancia), que suma a los parámetros anteriores la Frecuencia Relativa (número
de unidades de muestreo donde se registra la especie, dividido para el total de frecuencias de
especies del muestreo).
Riqueza y abundancia de especies
El término riqueza se refiere a la abundancia de especies por individuo; es decir, el número de
especies dividido por el número de individuos muestreados. Este dato permite realizar una
comparación directa en cuanto a la diversidad (riqueza) de especies de individuos botánicos, aun
cuando el número de individuos sea variable entre muestreos (el dato siempre es un valor entre 0
y 1; si todos los individuos de los muestreos fueran de especies diferentes, tendría un valor de 1;
un valor de 0,5 significa una alta diversidad de especies).
𝑅𝑖𝑞𝑢𝑒𝑧𝑎 =𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑡𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑒𝑜
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑡𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑒𝑜
Índice de similitud de Sorensen cualitativo
Este índice permite realizar comparaciones en la composición de especies por su
presencia/ausencia. Su valor va de 0 a 1 (0 a 100%), donde el 1 (100%) indica que todas las
especies se comparten.
𝐼𝑆𝑆 =2𝐶
𝐴 + 𝐵
Dónde:
ISS = Índice de Similitud Sorensen
A = número de especies sitio 1
B = número de especies sitio 2
C = número de especies compartidas entre muestreo 1 y 2
La diversidad se analizó mediante el programa estadístico PAST v2.3, y se emplearon los índices
de dominancia de Simpson, diversidad de Shannon y Equitatividad.
3. Resultados y Discusión
El muestreo total registró 159 especies (spp.) en 0,1 hectáreas, que corresponden a 121 géneros
y 54 familias. Las familias con mayor número de especies fueron: Moraceae, con 15 spp. (moral,
caucho, tillo y matapalo); Rubiaceae, con 10 spp. (café y cauje); Arecaceae, con 9 spp. (pambil,
bísula y palmito); Fabaceae, con 9 spp. (familia de las leguminosas); Melastomataceae, con 8 spp.
(colcas); y, Meliaceae, con 8 spp. (tangarés y cedro).
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.82 - 96
Caracterización florística por transecto
Transecto 1 (TR1)
Bosque secundario maduro. Tiene la influencia de la plantación de palmito. La vegetación
herbácea es densa con plantas de las familias Piperaceae, Rubiaceae y Araceae. Se encontró
individuos de árboles juveniles y arbustos de Rubiaceae. Los árboles emergentes alcanzan los 30
m y los fustes diámetros de hasta 50 cm. El dosel se estableció entre los 15 y 20 m de altura. Se
registraron 23 especies correspondientes a 23 géneros y 16 familias. Las familias con mayor
número de especies fueron: Arecaceae (3 especies), Malvaceae (2 spp.), Moraceae (2 spp.) y
Urticaceae (2 spp.).
La especie que destacó es Wettinia quinaria, palma nativa que alcanza 25 m de alto y 20,4 cm de
DAP, siendo la especie más frecuente en el transecto (Tabla 1).
Tabla 1. Especies que denotan mayor importancia relativa en TR1
Especie Máx de altura
Máx de DAP
Frec. Área basal
Importancia relativa
Wettinia quinaria (O.F. Cook & Doyle) Burret
25 20,4 12 0,165 18,804
Theobroma gileri Cuatrec. 17 27,7 5 0,180 12,098
Bactris gasipaes Kunth 16 57,6 1 0,261 10,990
Sorocea trophoides W.C. Burger 18 23,2 4 0,113 8,465
Pourouma bicolor Mart. 20 35,7 2 0,137 7,304
Cyathea poeppigii (Hook.) Domin 6 41,6 1 0,136 6,231
Transecto 2 (TR2)
Bosque maduro, que se encuentra cerca de la segunda parada del sendero. La vegetación
herbácea es densa, y presenta plantas de bijao (Maranthaceae), helechos, colcas
(Melastomataceae) y aráceas. Los arbustos presentes corresponden a colcas (Melastomataceae)
y cafetillos (Rubiaceae). El dosel es discontinuo y se encuentra entre los 22 y 20 m. Los árboles
emergentes superan los 30 m de alto y diámetros de hasta 70 cm. Se registró un total de 30
especies, que corresponden a 27 géneros y 15 familias. Las familias con mayor número de
especies son: Moraceae (7 spp.), Malvaceae (4 spp.), Urticaceae (3 spp.), Arecaceae (2 spp.),
Myristicaceae (2 spp.) y Rubiaceae (2 spp.). La especie más importante es Iriartea deltoidea
“pambil”, palma nativa, considerada como la especie más frecuente (Tabla 2).
Transecto 3 (TR3)
Bosque maduro. Se ubica aproximadamente 100 metros al sur de la segunda parada del sendero.
La vegetación herbácea es muy abundante, en espacios con claros de bosque. Las especies que
sobresalen pertenecen a helechos, aráceas, cordoncillos (Piperaceae), heliconias (Heliconiaceae)
y bijaos (Maranthaceae). Esta vegetación supera, en ciertas zonas, el 1.5 m de alto. El dosel es
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.82 - 96
discontinuo, con un rango comprendido entre los 17 y 22 m de altura. Las especies emergentes
superan los 30 m de alto, con individuos con diámetros de hasta 56 cm.
Tabla 2. Especies que denotan mayor importancia relativa en TR2
Especie Máx de altura
Máx de DAP
Frec. Área basal
Importancia relativa
Iriartea deltoidea Ruiz & Pav. 25 37,4 7 0,389 15,266
Neea parviflora Poepp. & Endl. 30 74,2 1 0,432 10,815
Castilla elastica Sessé ex Cerv. 40 40 3 0,227 7,922
Inga coruscans Humb. & Bonpl. ex Willd. 30 55,6 2 0,261 7,807
Ficus obtusifolia Kunth 15 40 2 0,175 5,821
Pseudolmedia rigida (Klotzsch & H. Karst.) Cuatrec.
25 19,7 5 0,053 5,756
Se encontraron 27 especies, que pertenecen a 21 géneros y 13 familias. Las familias con mayor
número de especies son: Areaceae (5 especies), Malvaceae (5 spp.), Fabaceae (3 spp.),
Meliaceae (3 spp.) y Moraceae (2 spp.). La especie que destacó por el valor de importancia
relativa fue Pourouma bicolor o “uva de monte”. El árbol nativo alcanzó 40 m de alto, con 56.3 cm
de DAP. Fue la segunda especie en frecuencia y la que mayor área basal presentó (Tabla 3).
Tabla 3. Especies que denotan mayor importancia relativa en TR3
Especie Máx de Altura
Máx de DAP
Frec. Área basal
Importancia relativa
Pourouma bicolor Mart. 40 56,3 3 0,259 14,963
Carapa megistocarpa A.H. Gentry & Dodson
20 41,3 2 0,136 8,409
Matisia coloradorum Benoist 30 40,2 2 0,134 8,309
Welfia regia Mast. 15 43,4 1 0,148 7,624
Sorocea trophoides W.C. Burger 17 19,3 4 0,040 6,849
Oenocarpus bataua Mart. 12 37,6 1 0,111 6,042
Transecto 4 (TR4)
Bosque maduro. Localizado entre la segunda y tercera parada del sendero. La vegetación
herbácea es densa, con individuos de aráceas, selaginelas, cordoncillos (Piperaceae) y rubiáceas.
El dosel se ubica entre los 15 y 22 m de alto. Las especies emergentes superan los 30 m de alto.
Los individuos presentaron diámetros relativamente pequeños, que alcanzan un valor máximo de
30 cm; esto, debido a que el paisaje es dominado por la presencia de palmas (pambil, palma real,
bísula), grupo que generalmente no presenta fustes muy gruesos.
En este transecto se registraron 28 especies, que pertenecen a 27 géneros y 16 familias; las
familias con mayor número de especies fueron: Arecaceae (5 spp.), Moraceae (4 spp.), Malvaceae
(3 spp.), Myristicaceae (2 spp.), Solanaceae (2 spp.) y Rubiaceae (2 spp.). La especie más
importante fue Iriartea deltoidea “pambil”, palma nativa, alcanzó los 40 m de alto y 30 cm de DAP;
fue la segunda especie más frecuente y la primera con valor de área basal (Tabla 4).
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.82 - 96
Tabla 4. Especies que denotan mayor importancia relativa en TR4
Especie Máx de Altura
Máx de DAP
Frec. Área Basal
Importancia Relativa
Iriartea deltoidea Ruiz & Pav. 40 30 6 0,312 18,029
Brosimum utile subsp. occidentale C.C. Berg
20 32,4 5 0,156 10,877
Theobroma gileri Cuatrec. 10 20,3 8 0,070 10,185
Welfia regia Mast. 30 33,3 3 0,144 8,528
Wettinia quinaria (O.F. Cook & Doyle) Burret
15 11,9 5 0,037 6,122
Astrocaryum standleyanum L.H. Bailey
10 40 1 0,126 5,943
Transecto 5 (TR5)
Bosque secundario maduro. Se localiza aproximadamente a 100 m al suroeste de la tercera
parada. La vegetación herbácea está conformada, principalmente, por aráceas y helechos, siendo
menos densa que en otros sitios muestreados: alcanza los 50 cm de alto. El dosel es discontinuo
y se establece entre los 20 y 22 m de alto. Los individuos emergentes son pocos, con 35 m de
altura. El diámetro de los árboles obtuvo registros de hasta 80 cm. La presencia de guarumos
indica que existió un evento natural o antrópico en el pasado, que modificó el paisaje y las
poblaciones vegetales en este sitio.
Se registraron 24 especies, que corresponden a 23 géneros y 12 familias. Las familias con mayor
número de especies son: Moraceae (5 spp.), Arecaceae (4 spp.), Meliaceae (4 spp.) y Malvaceae
(2 spp.). La especie con valor alto de acuerdo con el Índice de Importancia Relativa fue Brosimum
utile subsp. occidentale “sande”; árbol nativo. Fue la tercera especie en frecuencia, acompañada
de tres especies más; sin embargo, su área basal (biomasa) era mucho mayor, dado que los
individuos presentan diámetros muy grandes en sus fustes (Tabla 5).
Tabla 5. Especies que denotan mayor importancia relativa en TR5
Especie Máx de altura
Máx de DAP
Frec. Área basal
Importancia relativa
Brosimum utile subsp. occidentale C.C. Berg
30 80,9 3 0,616 19,902
Wettinia quinaria (O.F. Cook & Doyle) Burret
20 28,8 9 0,244 16,033
Theobroma gileri Cuatrec. 10 32 6 0,215 12,105
Iriartea deltoidea Ruiz & Pav. 20 39,9 3 0,144 7,037
Sp.2 36 50 1 0,196 6,393
Cecropia reticulata Cuatrec. 20 25,3 3 0,062 4,810
El conjunto de cinco transectos mostró a cuatro especies como las más importantes: Iriartea
deltoidea, “pambil”, con el 10% de acuerdo con el Índice de Importancia Relativa; seguido de
Wettinia quinaria, “bísula”, con 8.7%; Brosimum utile subsp. occidentale, “sande”, con 7.9%; y,
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.82 - 96
Theobroma gileri, “cacao de monte”, con 7.6%. Estas fueron las especies más comunes y de
mayor diámetro de fuste.
Transecto 6 (TR6)
Bosque maduro con pendiente, continuando por el sendero hacia la plantación de cacao, 100 m
aproximadamente desde el transecto 5. La vegetación herbácea es densa con plantas de arácea,
ciclantácea, piperácea (cordoncillos) y marantácea (bijaos). El dosel era discontinuo, con árboles
de hasta 20 m de alto. El sotobosque se encontraba entre los 8 y 15 m de altura. El diámetro de
los árboles alcanza los 30 cm. Se registraron 22 especies, que corresponden a 21 géneros y 12
familias. Las familias con mayor número de especies fueron: Moraceae (3 spp.), Myristicaceae (3
spp.), Rubiaceae (3 spp.), Arecaceae (2 spp.), Malvaceae (2 spp.), Meliaceae (2 spp.) y
Urticaceae (2 spp.).
La especie con mayor importancia relativa fue Cecropia reticulata “guarumo”; árbol nativo, con un
solo registro, radicando su importancia en el valor del área basal al ser el individuo con mayor
diámetro en el transecto (Tabla 6).
Tabla 6. Especies que denotan mayor importancia relativa en TR6
Especie Máx de Altura
Máx de DAP
Frec. Área Basal
Importancia Relativa
Cecropia reticulata Cuatrec. 25 34,4 1 0,093 12,258
Brosimum utile subsp. occidentale C.C. Berg
8 8,3 6 0,019 10,799
Virola reidii Little 10 30,1 1 0,071 9,720
Wettinia quinaria (O.F. Cook & Doyle) Burret
15 13,5 3 0,035 8,379
Perebea xanthochyma H. Karst. 13 12,8 3 0,029 7,614
Welfia regia Mast. 20 25,5 1 0,051 7,379
Transecto 7 (TR7)
Bosque maduro, con influencia de claro de bosque. Se encuentra en el sendero que conduce a la
plantación de cacao. La vegetación herbácea es poco densa con plantas de rubiáceas, aráceas,
ciclantáceas, marantáceas (bijaos) y helechos. El dosel es muy abierto, entre los 20 y 22 m de
altura. Los árboles emergentes miden 40 m. Los diámetros máximos de los fustes se encuentran
entre los 35 y 150 cm.
Se registraron 19 especies, que pertenecen a 18 géneros y 12 familias. Las familias con mayor
número de especies fueron: Urticaceae (3 spp.), Arecaceae (2 spp.), Malvaceae (2 spp.),
Melastomataceae (2 spp.), Moraceae (2 spp.) y Sapotaceae (2 spp.). La especie sobresaliente fue
Coussapoa cf. duquei, “mata palo”, estranguladora nativa. Con solo un individuo obtuvo el valor
más grande de área basal en el transecto (Tabla 7).
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.82 - 96
Tabla 7. Especies que denotan mayor importancia relativa en TR7
Especie Máx de altura
Máx de DAP
Frec. Área basal
Importancia relativa
Coussapoa cf. duquei Standl. 40 150 1 1,767 40,308
Pourouma bicolor Mart. 40 36 2 0,134 6,630
Trema micrantha (L.) Blume 20 25,6 2 0,067 5,159
Iriartea deltoidea Ruiz & Pav. 25 24 2 0,057 4,934
Meriania cf. maxima Markgr. 15 20,5 2 0,051 4,822
Pleuranthodendron lindenii (Turcz.) Sleumer
15 12 2 0,016 4,059
Transecto 8 (TR8)
Bosque maduro, aproximadamente a 130 m de la plantación de cacao. La vegetación herbácea no
es muy densa, con individuos de ciclantácea, arácea y helechos. El dosel es muy abierto, con
pocos individuos que alcanzan los 20 m de alto. Los árboles emergentes superan los 30 m de alto.
Se encontraron 19 especies pertenecientes a 19 géneros y 13 familias. Las familias con mayor
número de especies fueron: Moraceae (4 spp.), Arecaceae (3 spp.) y Lecythidaceae (2 spp.). La
especie que destacó fue Inga inicuil, “guaba”; árbol nativo. Fue la quinta especie más frecuente,
pero con diámetros grandes de fuste (Tabla 8).
Tabla 8. Especies que denotan mayor importancia relativa en TR8
Especie Máx de altura
Máx de DAP
Frec. Área basal
Importancia relativa
Inga inicuil Schltdl. & Cham. ex G. Don
40 62,2 2 0,357 28,261
Iriartea deltoidea Ruiz & Pav. 15 35,6 2 0,104 10,216
Grias peruviana Miers 5 10,4 5 0,020 8,401
Virola reidii Little 20 30,7 2 0,076 8,220
Cecropia reticulata Cuatrec. 8 9,9 4 0,019 6,895
Wettinia quinaria (O.F. Cook & Doyle) Burret
12 16,3 3 0,037 6,806
Transecto 9 (TR9)
Bosque maduro. Se localiza a 80 m aproximadamente de la plantación de palmito. La vegetación
herbácea no es muy densa, con dominio de aráceas en el suelo, así como epífitas en los fustes de
los árboles. El dosel se encuentra entre los 15 y 20 m de altura; los individuos emergentes medían
30 m. Se registraron 21 especies que corresponden a 20 géneros y 13 familias. Las familias con
mayor número de especies fueron: Moraceae (6 spp.), Arecaceae (3 spp.) y Urticaceae (2 spp.).
La especie con mayor importancia relativa fue Meriania cf. maxima, árbol nativo. Fue la sexta
especie más frecuente con DAP muy grande (Tabla 9).
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.82 - 96
Tabla 9. Especies que denotan mayor importancia relativa en TR9
Especie Máx de altura
Máx de DAP
Frec. Área basal
Importancia relativa
Meriania cf. maxima Markgr. 30 40 2 0,155 16,302
Welfia regia Mast. 12 12 5 0,043 10,682
Cecropia reticulata Cuatrec. 18 19,4 3 0,057 9,189
Wettinia quinaria (O.F. Cook & Doyle) Burret
20 12 4 0,037 8,750
Iriartea deltoidea Ruiz & Pav. 25 24 2 0,053 7,422
Castilla elastica Sessé ex Cerv. 20 28,1 1 0,062 6,813
Abundancia y riqueza
En 0.1 de hectárea de bosque siempreverde piemontano, adjunto a la Hostería Selva Virgen, las
cuatro especies más comunes fueron: Wettinia quinaria o “bísula”, Theobroma gileri o “cacao de
monte”, Iriartea deltoidea o “pambil”, y Brosimum utile subsp. occidentale o “sande”, con individuos
de diámetros mayores o iguales a 2.5 cm (Figura 1).
Figura 1. Listado de 20 especies más abundantes en el 0.1 de hectárea de bosque siempreverde piemontano adjunto a la Hostería Selva Virgen
La escasa publicación de estudios en la cota de los 300 m de altitud dificulta comparar la
composición florística entre localidades. Estudios con transectos de 0.1 hectáreas en bosque
siempreverde piemontano, en Esmeraldas, en el rango de 140-170 m de altitud, registraron entre
43 y 66 especies, un número de individuos que varía entre 170 a 264, en el sector Loma El
Botadero. El bosque mostraba signos de explotación forestal. La especie más abundante es
Wettinia quinaria o “bísula” (Cerón 2001).
En la localidad cooperativa Rumiñahui, provincia de Imbabura, a 550 m de altitud se registraron
56 especies con 126 individuos; las más comunes fueron Carapa guianensis o “tangaré” e Iriartea
deltoidea o “pambil” (Cerón & Yánez 2001). Esta última especie fue la tercera más frecuente en el
05
1015202530
N°
de In
div
idu
os
Especies
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bosque. En el río Sardinas, provincia de Pichincha a 770 m, se registraron 61 especies con 208
individuos; las más frecuentes fueron Iriartea deltoidea o “pambil” y Theobroma gileri o “cacao de
monte” (Cerón & Ojeda 2006), la tercera y segunda especies, respectivamente, más frecuentes
en el presente estudio.
Diversidad
La diversidad obtuvo un valor de 0.95 en el Índice de Dominancia de Simpson, que se interpreta
como diversidad alta (Tabla 10). El estudio realizado en Loma El Botadero empleó el Índice
Recíproco de Simpson para el análisis, y se obtuvieron valores de diversidad entre media a muy
diversa para la localidad de El Botadero, diversidad media para la cooperativa Rumiñahui y
diversidad media para la zona baja del río Sardinas.
El índice empleado y las diferentes altitudes de las otras localidades no permiten comparar estos
valores y obtener conclusiones contundentes. A pesar de ello se puede indicar que el bosque se
encuentra en buen estado de conservación y tiene alta diversidad florística. La equitatividad
muestra que la distribución de las especies en el espacio de muestreo alcanza el 86%. La riqueza
obtuvo un valor de 0.33 que se interpreta como riqueza media.
Tabla 10. Índices de diversidad y riqueza programa PAST v2.3
Décima de Hectárea
Taxa_S 82
Individuals 244
Dominance_D 0,04058
Shannon_H 3,803
Simpson_1-D 0,9594
Equitability_J 0,8631
Riqueza (calculada con fórmula) 0,336
El Índice de Similitud de Sorensen permite identificar espacios que comparten mayor número de
especies. En el muestreo ningún transecto compartía el 50% de las especies existentes en 0.1
hectárea. Los transectos que compartían más especies fueron TR2-TR4 con el 37.9%, seguidos
de TR3-TR4 con 36.3% (Tabla 11).
Tabla 11. Índice de Similitud de Sorensen para 0.1 hectárea
TR1 TR2 TR3 TR4 TR5
TR1 1
TR2 0,2264 1
TR3 0,32 0,2807 1
TR4 0,2745 0,3793 0,3636 1
TR5 0,2553 0,2963 0,2745 0,3462 1
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.82 - 96
La Figura 2, de agrupación por transecto, muestra que TR3 difiere en cuanto a la composición de
especies, versus los otros transectos. En este punto de muestreo no existía mucho dominio de las
palmas; lo más similares fueron TR4-TR5 (Figura 2).
Figura 2. Agrupamiento de transectos por lincaje simple y medida de Bray-Curtis
Los cuatros transectos de 50 x 2 m que se emplearon para reconocer otros ambientes muestran
poca similitud en la composición de especies. Los más importantes fueron TR6-TR8 con el 39%;
y, TR6-TR9 con el 37.2% (Tabla 12).
Tabla 12. Índice de Similitud de Sorensen para análisis de punto de observación
TR6 TR7 TR8 TR9
TR6 1
TR7 0,3415 1
TR8 0,3902 0,3684 1
TR9 0,3721 0,3 0,45 1
La Figura 3, de agrupación por transecto, muestra que TR7 difiere en cuanto a la composición de
especies, versus los otros transectos. Los más similares fueron TR8-TR9.
Figura 3. Agrupamiento de transectos por lincaje simple y medida de Bray-Curtis
0 0,6 1,2 1,8 2,4 3 3,6 4,2 4,8 5,4 6
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Sim
ilarit
y
TR4
TR5
TR1
TR2
TR3
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Sim
ilarit
y
TR8
TR9
TR6
TR7
95
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Endemismo
Se registró un total de 9 especies endémicas (Tabla 13) dentro de las categorías de amenaza de
la UICN. Una especie, la Erythrina aff. smithiana, no pudo ser confirmada al no encontrarse fértil, y
tiene categoría de Preocupación Menor (LC). Estas especies presentan pocos individuos: existen,
como máximo, cuatro individuos en el espacio total de muestreo. Dos especies son vulnerables
(VU), cuatro se encuentran en peligro (EN) y dos están casi amenazadas (NT).
El número de especies endémicas es bajo, pero se debe tomar en cuenta que el muestreo se
centró en especies fértiles, arbustos y árboles. Se discriminó el grupo de las herbáceas y epífitas,
donde se concentra el mayor número de especies endémicas en el Ecuador.
Tabla 13. Listado de especies endémicas y categoría de amenaza UICN
Familia Especie Estatus
Annonaceae Klarobelia megalocarpa Chatrou EN A4c
Araceae Anthurium falcatum Sodiro NT
Fabaceae Inga silanchensis T.D. Penn. VU B1ab(iii)
Lecythidaceae Gustavia dodsonii S.A. Mori EN A4c
Bombacaceae Matisia coloradorum Benoist EN A4c
Bombacaceae Matisia grandifolia Little EN A4c
Melastomataceae Miconia explicita Wurdack VU A4c; B1ab(iii)
Meliaceae Carapa megistocarpa A.H. Gentry & Dodson EN A4c
Olacaceae Heisteria asplundii Sleumer NT
4. Conclusiones y Recomendaciones
Las familias más importantes presentes en el bosque de Selva Virgen por el número de especies
son: Moraceae, Rubiaceae, Arecaceae, Fabaceae, Melastomataceae y Meliaceae. Son evidentes
árboles emergentes de hasta 40 m. El dosel tiene una altura de entre 20 a 25 m, los fustes se
encuentran cubiertos por plantas epífitas de Cyclanthaceae, Araceae y helechos, principalmente.
Las especies comunes en el bosque son: Wettinia quinaria o “bisula”, Theobroma gileri o “cacao
de monte”, Iriartea deltoidea o “pambil”, Brosimum utile subsp. occidentale o “sande”, Sorocea
trophoides y Welfia regia o “palma real”.
La riqueza y diversidad del bosque es alta, con dominio de cuatro especies de un total de 82
registradas para el muestreo de 0.1 hectáreas, y 159 especies total entre colecciones generales y
transectos. El endemismo es bajo, equivalente a 6.25% del total de especies. Debido a que se
encontró una diversidad alta en el estudio desarrollado se puede determinar que Selva Virgen
tiene importancia biológica relevante, lo que sugiere la realización de más estudios en los últimos
fragmentos de bosque que se encuentran en el sector.
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Bibliografía
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.97 - 108 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2016/04/06 Aceptado (Accepted): 2016/06/27
CC BY-NC-ND 3.0
Reactor anaerobio de flujo horizontal con medio de soporte de
polietilentereftalato
(Anaerobic horizontal flow reactor with polyethylene
terephthalate as support material)
Marcelo Muñoz1, Valeria Fuentes1, María Belén Aldás1
Resumen:
Para eliminar la carga orgánica de aguas residuales de la industria lechera, se instaló un
reactor anaerobio piloto, el cual usa un inóculo bacteriano aclimatado con anterioridad al
sustrato. El reactor fue instalado horizontalmente y llenado con pedazos de polietilentereftalato
(PET) de botellas de plástico. El reactor operó a temperatura ambiente, durante 100 días, en
tres fases: 1) el reactor se estabilizó con una carga orgánica volumétrica de 0.013 a 0.500
kg/día.m³; 2) el tiempo de retención hidráulico fue de 1 día y la carga orgánica volumétrica de 3
kg/día.m³; 3) la carga orgánica volumétrica se incrementó de 4 a 6.6 kg/día.m³ y el tiempo de
retención hidráulico fue de 1 día. Se obtuvieron eficiencias de remoción de materia orgánica
del 85%, de las cuales aproximadamente el 75% se logró en la segunda y tercera fase,
respectivamente. El valor de Y fue de 0.15, que indica que 0.15 kg de biomasa fueron
generados por kg de DQO suministrado al reactor. Por último, la biomasa generada en el
interior del reactor se analizó, obteniéndose un valor de 18868 mg/L, que es un valor más alto
que el de los sistemas convencionales.
Palabras clave: digestión anaerobia; reactor de flujo horizontal; biopelícula; agua residual;
industria láctea.
Abstract:
A pilot anaerobic reactor was installed to remove the organic load of wastewater from dairy
industry. It uses a bacterial inoculum previously acclimated to the substrate. It was disposed
horizontally and filled with pieces of polyethylene terephthalate (PET), from plastic bottles. The
reactor was operated at room temperature, during 100 days, in three phases: 1) the reactor was
stabilized with volumetric organic load from 0.013 to 0.500 kg/day.m³; 2) the hydraulic retention
time was of 1 day and the volumetric organic load of 3 kg/day.m³; 3) the volumetric organic load
was incremented from 4 to 6.6 kg/day.m³ and the hydraulic retention time was 1 day. Organic
material removal efficiencies was of 85%, and approximately 75% were obtained in the second
and third phase, respectively. The Y value was 0.15, indicating that 0.15 kg of biomass were
generated by kg of QDO supplied to the reactor. Finally, the biomass generated inside the
reactor was analyzed, obtaining a value of 18868 mg/L, which is a higher value than those of
conventional systems.
Keywords: anaerobic digestion; horizontal flow reactor; biofilm; wastewater; dairy industry.
1 Escuela Politécnica Nacional, Quito – Ecuador ([email protected])
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.97 - 108
1. Introducción
La industria láctea genera gran cantidad de aguas residuales, las cuales provienen principalmente
de las operaciones de lavado y limpieza dentro del proceso de producción. Varios autores indican
que, por ejemplo en Europa, se ha verificado una producción diaria de 500 m3 para una industria
láctea de tamaño mediano (Demirel, Yenigun y Onay, 2005). En India se ha estimado que la
producción de agua residual es de una a tres veces el volumen de leche procesada (Tikariha y
Sahu, 2014). Se estima que cerca del 2% de la leche procesada se vierte como residuo y que por
litro de leche procesada se generan de 0.2 a 10 litros de agua residual, con un promedio de 2.5
litros (Kushwaha, Srivastava y Mall, 2011).
Las aguas residuales de la industria láctea se caracterizan por altas cargas orgánicas y valores
de pH superiores a los rangos aceptables para vertimiento (Arango y Sanches, 2009). Poseen
contenidos elevados de grasas y aceites, lactosa, proteínas solubles, sólidos suspendidos y sales
minerales, y una elevada temperatura (30 – 40°C) (Karadag, Köroğlu, Ozkaya y Cakmakci,
2015). Se han reportado variaciones en los valores de DQO que van desde 80 a 95000 mg/L y
DBO de 40 a 48000 mg/L. Se han observado valores de pH de 4.7 a 11, mientras que para los
sólidos suspendidos se han reportado concentraciones de 0.024 a 4.5 g/l (Kushwaha et al, 2011).
Otros componentes importantes de las aguas residuales son los sanitizantes y detergentes,
sustancias que por su carácter surfactante permiten la disolución de grasas y aceites en el agua
residual facilitando la formación de biopelículas microbianas y flóculos de mayor tamaño y fácil
sedimentación en procesos de biofiltración (Prócel, Posligua y Banchón, 2016).
Al llegar al cuerpo receptor, estas aguas residuales se descomponen rápidamente y consumen el
oxígeno disuelto, lo que puede llevar a condiciones anaeróbicas, convirtiendo al cuerpo de agua
en un lugar apto para el crecimiento de vectores de varias enfermedades, incluso se ha reportado
que en altas cantidades estas aguas pueden ser tóxicas para ciertas especies de peces y algas
(Kolhe, Ingale y Bhole, 2009).
Es prioritario entonces, aplicar un tratamiento a los efluentes finales de esta industria y varios han
sido los procesos que se han desarrollado para el efecto, entre ellos aparecen los tratamientos
físico químicos cuyos resultados reportados son variables, desde un 40% de remoción de la
materia orgánica en procesos de electrocoagulación-decantación con sales inorgánicas (Torres-
Sánchez, Lopez-Cervera, de la Rosa, Maldonado-Vega, Maldonado-Santoyo y Peralta-
Hernandez, 2014) hasta un 87% en proceso de electrocoagulación aplicados a aguas residuales
de industria de yogur (López y Harnisth, 2016). Estos tratamientos resultan costosos, por tanto es
extensivo el uso de los tratamientos biológicos, dentro de los cuales se pueden mencionar
lagunas, sistemas de lodos activados y tratamientos anaerobios, siendo uno de los métodos más
utilizados el tratamiento anaerobio de biopelícula, para remover la materia orgánica contenida en
este tipo de aguas (Demirel et al, 2005).
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.97 - 108
Un reactor anaerobio es un equipo diseñado para que en su interior se lleve a cabo un proceso
bacteriano sin la utilización de oxígeno, con algunas ventajas frente a los aerobios: baja
generación de biomasa, bajos requerimientos nutricionales, producción de metano y no
requerimiento de oxígeno; las características de este tipo de reactor lo hacen factible para el
tratamiento del efluente de la industria láctea (Arango y Garcés, 2007).
Estos reactores suelen emplearse con un medio de soporte interno como: piedras, material
plástico, mazorcas, cáscara de coco, entre otros, en cuya superficie la biomasa forma una película
denominada biopelícula. La selección de un medio de soporte con características físicas y
químicas adecuadas influye sobre la adherencia de la biopelícula; éstas son porosidad,
estabilidad, superficie específica, entre otras (Solano y Rangel, 2006). El empleo de estos
sistemas en la depuración de aguas residuales de la industria láctea ha presentado resultados que
varían desde valores de 66% a 98.8% en la remoción de la DQO de aguas residuales tanto reales
como sintéticas, con medios de soporte entre los que destacan cerámica, plásticos y arcillas
(Karadag et al, 2014).
Por lo anterior, esta investigación pretende evaluar el comportamiento de un reactor anaerobio
horizontal con material de soporte de polietilentereftalato (PET), para la eliminación de la carga
orgánica del efluente de la industria láctea, con una perspectiva innovadora referente a la
eficiencia de remoción de materia orgánica y concentración de biomasa en este tipo de reactor.
2. Metodología
Se utilizó un reactor horizontal y circular, de 50 mm de diámetro, elaborado en policloruro de vinilo
(PVC), con material de relleno para tratar el efluente procedente de una industria de productos
lácteos. El inóculo utilizado, proveniente de un río, fue un lodo anaerobio aclimatado con agua
residual doméstica.
El reactor operó a temperatura ambiente, de aproximadamente 15ºC, con un caudal medio de 4
L/día, y con una DQO entre 1000 a 6000 mg/L, con concentración media de 3000 mg/L. Se operó
con pH del afluente cercano a 8 para garantizar el crecimiento de bacterias metanogénicas; para
esto fue necesario alcalinizar el medio utilizando bicarbonato de sodio. Se tomó como base de
cálculo para el diseño una carga orgánica de 9.6 g/L día, dato referido en la caracterización de un
reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB por sus siglas en inglés) que a la tasa indicada
presentó adecuada eficiencia en la eliminación de materia orgánica, evaluado a temperatura
ambiente (Arango y Sanches, 2009). El reactor se operó en forma discontinua con recirculación
del efluente.
El sistema a escala piloto, que se observa en la Figura 1, estuvo conformado por: el reactor
anaerobio horizontal (1), construido en tubería PVC, relleno con el material de soporte (7); el
ingreso del afluente a tratar (2), salida del efluente tratado (5) y salida de gas (6). Contó con un
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.97 - 108
sistema de recirculación formado por una bomba peristáltica (3) que recircula el fluido desde la
salida del efluente (4) hasta el ingreso del afluente (2). Las mangueras de recirculación se
cubrieron para evitar el ingreso de la luz y el crecimiento de algas. Para lograr la salida del metano
el reactor se elevó 1 cm de la horizontal.
a) b)
Figura 1. a) Esquema del reactor anaerobio horizontal b) reactor instalado
Como material de soporte para el crecimiento bacteriano se utilizó PET, plástico ampliamente
utilizado en los envases de bebidas, en cortes de aproximadamente 1.5 cm x 1.5 cm, como se
indica en la Figura 2.
Figura 2. PET utilizado como relleno en el reactor anaerobio
En la Tabla 1 se encuentran registrados los principales parámetros del diseño del reactor
anaerobio horizontal.
Se midieron los siguientes parámetros de control: pH usando un pHmetro/conductímetro Fisher
Scientific accumet® AB15E; demanda química de oxígeno (DQO) por el método de digestión en
reactor y uso del programa 430 DQO RB en espectrofotómetro HACH DR 2700; sólidos
suspendidos totales (SST) y sólidos suspendidos volátiles (SSV) usando los protocolos estándar
de la APHA-AWWA: procedimiento gravimétrico 103-105 ˚C, SM 2540 B para los sólidos totales y
para sólidos volátiles procedimiento de ignición a 550˚C, SM 2540 E; tiempo de retención
hidráulico (TRH); carga orgánica volumétrica (Lv); carga orgánica superficial (Ls) referida a la
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.97 - 108
superficie del medio de soporte; relación Y (Biomasa – Carga Orgánica) y eficiencia de remoción
de materia orgánica.
Tabla 1. Parámetros de diseño del reactor anaerobio
Parámetro Unidad Valor
Volumen total L 1.25
Volumen útil L 1.06
Diámetro del reactor mm 50
Largo del reactor m 0.64
Altura de la horizontal cm 1.0
Medio de soporte - Plástico PET
Disposición del medio de soporte - Irregular 1.5 cm x 1.5 cm
El arranque y operación del sistema duró cien días. El monitoreo del reactor se dividió en 3
etapas:
ETAPA I (etapa de arranque): se alimentó el reactor con agua residual de una industria láctea, con
una concentración de 3000 mg/L de DQO, con los valores de operación que se presentan en la
Tabla 2.
Tabla 2. Parámetros de control etapa I
TRH Días
Carga volumétrica afluente kg/día.m³
Carga orgánica superficial kg/día.m
2
7 Ingreso inóculo
13 0.013 0.0000070
11 0.064 0.0000338
8 0.203 0.0001070
3 0.660 0.0003472
4 0.700 0.0003681
6 0.500 0.0002629
ETAPA II (operación): se monitoreó el sistema con una concentración constante de 3000 mg/L de
DQO, un volumen constante del afluente y diferentes tiempos de retención hidráulicos, obteniendo
los valores de la Tabla 3, hasta el día 65.
Tabla 3. Parámetros de control etapa II
TRH días
Carga volumétrica afluente kg/día.m³
Carga orgánica superficial kg/día.m
2
1.9 1.6 0.00084
1.7 1.8 0.00095
3.9 0.8 0.00043
1.2 2.7 0.00144
1.6 1.8 0.00097
3 1.0 0.00052
Luego del día 65 se operó con los valores representados en la Tabla 4, con un TRH constante de
1día y DQO del afluente de 3000 mg/L.
Tabla 4. Parámetros de control etapa II (TRH = 1 día)
TRH Carga volumétrica Carga orgánica
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.97 - 108
días afluente kg/día.m³ superficial kg/día.m2
1 3 0,0016
1 3 0,0016
1 3 0,0016
1 3 0,0016
4 0.75 0,0004
1 3 0,0016
1 3 0,0016
1 3 0,0016
3 1 0,0005
1 3 0,0016
1 3 0,0016
1 3 0,0016
ETAPA III (operación): se operó el sistema aumentando las concentraciones para verificar la
máxima concentración de DQO que el reactor anaerobio horizontal podría tratar, a un volumen
constante, con un TRH = 1 día. En la Tabla 5 se presentan estos valores.
Tabla 5. Parámetros de control etapa III
TRH días
Carga volumétrica afluente kg/día.m³
Carga orgánica superficial kg/día.m2
1 4.0 0.0021
1 4.5 0.0024
1 5.0 0.0026
1 5.5 0.0029
2 3.0 0.0016
3 2.0 0.0011
1 6.0 0.0032
1 6.0 0.0032
1 6.0 0.0032
1 6.1 0.0032
3 2.1 0.0011
1 6.3 0.0033
1 6.6 0.0035
Terminada la etapa de operación se analizó la biopelícula que se formó en el reactor anaerobio
horizontal, que fue desprendida del medio de soporte, y sometida a análisis de sólidos totales y
sólidos totales volátiles.
3. Resultados y discusión
En la Figura 3, se presenta el comportamiento del reactor anaerobio horizontal en función de la
carga orgánica volumétrica en las tres etapas de monitoreo; se puede observar cómo influye la
cantidad de materia orgánica suministrada en determinado tiempo por unidad de volumen del
reactor en el metabolismo celular, en este caso perjudicándolo y en consecuencia disminuyendo
las eficiencias de remoción.
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Figura 3. Lv afluente – Eficiencia vs. Tiempo
Durante la ETAPA I se adaptó el sistema con aumentos en la carga orgánica volumétrica hasta 3
kg/día.m3, alcanzando eficiencias de 94% (día 46), con Lv afluente = 0.7 kg/día.m³. En la ETAPA II
se mantuvo una carga orgánica volumétrica de 3 kg/día.m3, obteniéndose eficiencias entre el 75%
y 85% en remoción de materia orgánica. Se obtuvo un 87% de eficiencia (día 81), con Lv afluente
= 3 kg/día.m³. En la ETAPA III se obtuvieon eficiencias máximas de un 77% (día 93), con Lv
afluente = 6 kg/día.m3. Se obtuvieron eficiencias del 84% (día 83) y 78% (día 85) para cargas
volumétricas de 4 y 5 kg/día.m³, respectivamente. Se observa que a medida que se aumenta la
carga volumétrica desde 6.2 a 6.6 kg/día.m³ en el afluente la eficiencia de remoción desciende
hasta un 70% (día 100). Esto debido a que con el incremento de carga orgánica suministrada, la
biomasa presenta dificultad en consumir la materia orgánica, por lo que la eficiencia tiende a
disminuir.
Por otro lado, en la Figura 4 se puede observar que el aumento de la carga orgánica con respecto
al área superficial de la biopelícula, también genera condiciones que afectan negativamente el
crecimiento celular; se acelera la fase acidogénica de la digestión anaerobia, lo que genera un
desbalance en el metabolismo celular y por ende una caída de le eficiencia del reactor. A medida
que la carga orgánica superficial aumenta, la eficiencia en el reactor anaerobio disminuye; las
eficiencias son mayores cuando el reactor opera con cantidades menores a 0.0010 kg
DQO/día.m2.
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Figura 4. Ls – Eficiencia vs. Tiempo
Se observa que con concentraciones de DQO afluente por debajo de 6000 mg/L, se obtienen
concentraciones medias de DQO efluente inferiores de 1400 mg/L, mientras que al operar con
6600 mg/L se obtienen concentraciones medias del DQO del efluente de alrededor de 2000 mg/L;
esto se aprecia en la Figura 5. La máxima eliminación de materia orgánica fue del 87%, 84%, 78%
y 77% para cargas orgánicas de 3, 4, 5 y 6 kg/m3 por día respectivamente, con un tiempo de
retención hidráulico de un día luego de 81, 83, 85 y 94 días de operación, respectivamente.
Figura 5. Relación DQO afluente y efluente – eficiencia vs. Tiempo
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.97 - 108
El reactor anaerobio dejó de operar al presentar un descenso de la remoción de materia orgánica
a medida que la concentración de DQO aumentaba en el afluente. En las dos últimas cargas se
verificó que el crecimiento de biomasa provocó la saturación en el sistema presentando
inconvenientes como pérdida de biomasa en el efluente del reactor y el taponamiento del mismo.
Al respecto, Arango y Sánchez (2009) mencionan en su investigación que al aumentar la carga
orgánica en los reactores, el crecimiento de las bacterias fue favorecido; sin embargo la tasa de
crecimiento de los microorganismos acidogénicos es cinco veces superior a la de los
microorganismos metanogénicos, ocasionando mayor generación de productos intermedios
resultantes de la acidificación, que la biomasa metanogénica no es capaz de metabolizar
totalmente, por lo cual se produce una disminución en el porcentaje de eliminación de materia
orgánica.
Porcentajes de remoción de materia orgánica similares a los obtenidos han sido reportados en
investigaciones realizadas en un reactor UASB seguido de un sistema de lodos activados para el
tratamiento de aguas de descarga de una industria láctea, en los que el reactor UASB trabajó con
un tiempo de retención hidráulico de 24 horas y cargas orgánicas volumétricas en rango de 1.9 a
4.4 kg/m3.día, alcanzándose remociones de DQO y DBO del 69% y 79%, respectivamente
(Tawfik, Sobhey y Badawy, 2008).
Otras investigaciones mostraron que un reactor UASB alcanzó sobre un 80% - 90 % de remoción
de DQO y DBO bajo una carga orgánica volumétrica de 6 kg/m3.día, con un tiempo de retención
de 20 horas (Ince, 1998).
En estudios similares utilizando el efluente de la industria láctea, Campos y Parra (2014)
obtuvieron eficiencias cercanas al 80% con cargas de 3 kg DQO/L.día, a condiciones de
temperatura ambiente (18-20 ˚C).
En el trabajo realizado por Rodríguez, Pérez, Rodríguez de la Garza y Garza (2005), el cual utiliza
aguas residuales de lácteos a una temperatura de 25 a 60°C, se menciona que por encima de 6
g/L.día la eficiencia de remoción del reactor UASB disminuía.
Se ha probado también la eficiencia de filtros anaerobios con medios de soporte porosos y no
porosos, donde se ha encontrado que los reactores con medios no porosos muestran inestabilidad
a cargas orgánicas volumétricas mayores a 4 kg/m3.día, lo que indica que el reactor horizontal
ensayado presenta mejor desempeño para cargas de hasta 6.6 kg/m3.día (Anderson, Kasapgil e
Ince, 1994).
Si se considera el área del soporte PET 2.016 m2 y el volumen útil del reactor 0.00106 m3, el
reactor anaerobio horizontal presentó una superficie específica 1902 m2/m3.
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.97 - 108
El reactor anaerobio horizontal tiene una relación Y= 0.15, es decir, por cada kg de DQO
alimentado se desarrolló 0.15 kg de biomasa expresada como SSV.
En un estudio realizado en un reactor anaerobio de lecho móvil, alimentado con aguas residuales
de quesería, bajo condiciones mesofílicas, se encontró que la relación Y fue de 0.0794 (Wang,
Chandrasekhara Rao, Qiu y Moletta, 2009) lo que indica que el reactor ensayado produce mayor
cantidad de biomasa por kg de DQO.
Del análisis de SST y SSV se obtuvo los resultados mostrados en la Tabla 6.
Tabla 6. Resultados análisis de biomasa del reactor anaerobio
Parámetro Unidad Valor
Sólidos totales, SST g 32.0
Sólidos volátiles totales, SSV g 20.0
Con los datos anteriores, al considerar que el volumen útil del reactor es de 1.06 L, se determinó
que este tiene una concentración de biomasa de 18868 mg/L, que es un valor considerablemente
elevado, comparado con los obtenidos en sistemas de tratamiento convencionales.
3. Conclusiones y Recomendaciones
Es factible la operación de un reactor anaerobio horizontal con material de soporte PET, para el
tratamiento de las aguas residuales de la industria láctea en condiciones de temperatura
ambiente; los microorganismos presentan una adaptación a condiciones psicrofílicas (menor a 20
˚C), con lo cual se obtiene una eficiente actividad microbiana.
El acondicionamiento del afluente con bicarbonato de sodio permitió mantener el afluente en el
tiempo de tratamiento, en un ambiente alcalino con un rango de pH (7.5 - 8); esto favoreció la
digestión anaerobia.
El reactor anaerobio de flujo horizontal operó en condiciones estables para el tratamiento de
aguas residuales de la industria láctea, con carga orgánica desde 0.013 hasta 6.2 kg/m3.día, ya
que a cargas superiores se observó una disminución en la eficiencia de remoción de materia
orgánica y una sobrecarga en el sistema.
La adaptación del sistema de recirculación del afluente favoreció la remoción de materia orgánica
debido al mayor contacto del afluente con la biopelícula; además se verificó la formación de la
biopelícula en el material de soporte PET. El material de soporte utilizado es un material de
desecho, bajo costo, de fácil consecución y presenta estabilidad química.
107
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industry. Bioresource Technology, (100) 23, 5641-5647. doi:10.1016/j.biortech.2009.06.028
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.109 - 119 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2015/xx/yy Aceptado (Accepted): Pendiente
CC BY-NC-ND 3.0
Cálculo referencial de material particulado en el aire como
factor de contaminación ambiental en el área urbana de la
ciudad de Pujilí
(Referential calculation of particulate matter in the air as a factor of environmental pollution in the urban area of the city of
Pujilí)
Paola Vallejo Choez1, Carmen González Moya1, Fredy Mena Mora 2
Resumen:
El presente estudio constituye una investigación preliminar sobre la calidad ambiental de la
ciudad de Pujilí, realizado a partir de la recolección de muestras de material particulado y el
conteo de tránsito vehicular en seis puntos de la ciudad. El proceso metodológico se
fundamenta en lo establecido en el Texto Unificado de la Legislación Ambiental Secundaria
para la medición de material particulado atmosférico, y la utilización de tablas de conteo para el
registro de tránsito vehicular. Los resultados obtenidos reflejan la incidencia del tránsito
vehicular, las características de la capa de rodadura vial, la erosión del suelo, y el clima en la
contaminación del aire y su repercusión en la salud de la población.
Palabras clave: calidad ambiental, contaminación atmosférica; polución; deterioro del entorno;
salud pública
Abstract:
This is a preliminary investigation on the environmental quality of the city of Pujilí, made from
the collection of samples of particulate matter and vehicular traffic counts on six points of the
city. The methodology is based on the provisions of the Unified Text of Secondary
Environmental Legislation for measuring atmospheric particulate matter, and the use of count
tables for vehicle registration. The results reflect the impact of vehicular traffic, the
characteristics of the rolling road layer, soil erosion, and climate on air pollution and its impact
on the health of the population.
Keywords: environmental quality; air pollution; pollution; deterioration of the environment;
public health.
1 Universidad Tecnológica Equinoccial, Quito – Ecuador ( paola.vallejo,carmen.gonzalez @ute.edu.ec )
2 Universidad Central del Ecuador ([email protected])
110
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.109 - 119
1. Introducción
El efecto de la contaminación del aire exterior es mayor en zonas urbanas, provoca deterioro en la
salud de las poblaciones y es causa de problemas respiratorios (Organización Panamericana de
la Salud, 2005). En el Ecuador las ciudades grandes como Quito muestran niveles mayores de
contaminación, pero el estudio evidencia que en ciudades intermedias tipo B (GADP de Cotopaxi,
2015) como Pujilí, la problemática también existe y se incrementa.
La contaminación del aire en la zona de estudio se produce por diversas actividades del ser
humano (factores antrópicos) y por causas naturales como aquellas que provienen del proceso
eruptivo del volcán Cotopaxi, como influencia directa, y del volcán Tungurahua como influencia
indirecta, así como de la erosión del suelo (Organización Panamericana de la Salud, 2005). Las
causas que dan origen a la contaminación antrópica en la zona de estudio son diversas,
originadas por las actividades industriales, comerciales, domésticas, agropecuarias y de
transporte.
La contaminación causada por el transporte es compleja; en Ecuador el combustible utilizado en
los distintos tipos de vehículos corresponde a hidrocarburos. En ciudades grandes como Quito el
97% de las emisiones de monóxido de carbono (CO) es aportado por las fuentes móviles, el 56%
de las emisiones de dióxido de azufre (SO2) tuvieron origen en las fuentes móviles y un 25.7% de
las otras fuentes (fijas) corresponde a las centrales de generación termoeléctrica. El 80% de las
emisiones de dióxido de nitrógeno (NO2) proceden de fuentes móviles, principalmente de buses
pesados (42%) y particulares livianos, taxis y camionetas (35%) (Ministerio del Ambiente, 2008).
Otro factor contaminante es el ruido ambiental urbano provocado por la necesidad humana de
trasladarse de un lugar a otro a causa de sus actividades productivas, generando el flujo vehicular
libre y el flujo semáforo. A esto se suman otros elementos como la densidad poblacional, el uso de
suelo, la construcción de edificaciones, la geometría urbana y el trazado vial.
La contaminación atmosférica es generada por material sedimentable que produce partículas
PM10 y PM2.53, y por residuos o productos secundarios gaseosos, sólidos o líquidos, que ponen
en peligro la salud del ser humano y de la biodiversidad, deteriora el patrimonio cultural, reduce la
visibilidad y produce olores desagradables. Para el caso del presente estudio se realizó la
medición de partículas PM 2.5.
Las partículas en suspensión provienen en parte de causas naturales como la erosión, los
incendios forestales y las lluvias, entre otros. Estas patículas se sedimentan en el suelo según su
composición y tamaño: las partículas cercanas a 10 micras de diámetro tienen un bajo poder de
3 Las partículas entre 2,5 y 10 micras de diámetro se conocen como "gruesas". Las fuentes de las partículas
gruesas son las operaciones de trituración o molienda, y el polvo levantado por los vehículos que circulen en las carreteras. (Consejería de Sanidad Región de Murcia, 2016)
111
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.109 - 119
sedimentación, pero las que superan las 20 micras se depositan con facilidad y hay casos que
superan las 300 micras de diámetro (Gobierno Vasco, 2006); además, los fenómenos
meteorológicos transportan partículas de arena al paso de vehículos por vías cuya capa de
rodadura es de tierra. Estos residuos se depositan en las viviendas, comercios, plantaciones,
mobiliario urbano, y otros, siendo perjudiciales para la salud de la población. Cuando superan los
límites de tolerancia ocasionan afecciones respiratorias principalmente a los grupos más
vulnerables, constituidos por niños y ancianos (Carmona, 2012).
No existen estudios anteriores relacionados con el material particulado sedimentable en la ciudad
de Pujilí, por este motivo la investigación constituye un aporte fundamental para iniciar y
complementar la temática utilizando otros métodos que permitan generar nuevos aportes. Bajo
esta consideración el objetivo de este estudio es obtener información preliminar de la
concentración de material particulado en el área urbana de la ciudad, que justifique y promueva
acciones por parte del GADM de Pujilí en relación a la calidad del aire, y a la vez aporte datos a
proyectos de investigación sobre la movilidad urbana en ciudades intermedias de la Sierra Centro
del Ecuador.
2. Materiales y Métodos
La investigación realizada es de tipo experimental y el estudio de campo se efectuó en el área
urbana de la ciudad de Pujilí ubicada en la zona centro occidental de la provincia de Cotopaxi, a
10 km al oeste de la ciudad de Latacunga, en las coordenadas 78°41´44” W Y 00°5727”S, con un
área de 8.85 km2 y a 2945 msnm. Su población urbana es de 10.064 habitantes (INEC, 2010), y
de acuerdo a este peso poblacional y a su forma de distribución en el territorio está categorizada
como ciudad intermedia tipo B.
Las variables físicas ambientales en las que fue realizado el trabajo de campo fueron: clima
nublado, parcialmente nublado, soleado y parcialmente soleado. Temperatura mínima 21.3ºC
máxima 26.10ºC, entre 9H00 y 16H00, de acuerdo a los datos levantados en campo. La humedad
relativa registra valores promedios en el rango de 88% a 96%, mientras que la velocidad máxima
promedio y la dirección del viento registrada es: al norte 12 m/s y al noroeste 13 m/s (B & G
consultores, 2015).
Para la medición de material particulado sedimentable se utiliza el método gravimétrico, mediante
captación de partículas en envases abiertos, establecido por la norma vigente de calidad de aire
del ambiente (MAE, 2013).
El proceso de preparación del equipo inició con la limpieza de envases colectores plásticos de 15
cm de diámetro, secado de los envases colectores en una estufa a 600º C, pesado de los envases
en balanza analítica calibrada, ubicación de los recipientes colectores en cada uno de los puntos
112
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.109 - 119
establecidos a 1.2 metros sobre el nivel del suelo, en espacio abierto alejado de muros verticales,
edificios y árboles.
El procedimiento de medición de material particulado sedimentable consistió en la codificación de
los colectores de acuerdo a sus coordenadas de ubicación, inspección semanal de la muestra
para garantizar su permanencia e integridad, recolección de los recipientes una vez transcurridos
30 días, secado de las muestras en una estufa a 600º C a fin de evaporar agua o impurezas y
pesado final.
La selección de puntos para la toma de muestras fue realizada en base a criterios de densidad
poblacional, densidad edificada, flujo vehicular y características de la capa de rodadura de las
vías, a partir de ello fueron identificados seis sectores urbanos para la toma de muestras (ver
Figura1).
La colocación de los puntos de muestreo fue realizada atendiendo a criterios de accesibilidad,
seguridad, tránsito vehicular, consolidación urbana (según Tabla 1) en correspondencia con los
objetivos de la investigación.
Tabla 1. Criterios de ubicación de las muestras
Criterios Características
Accesibilidad Sitio de fácil acceso peatonal y vehicular que permita realizar las
revisiones periódicas del recipiente.
Seguridad Lugar que garantice la permanencia del recipiente.
Tránsito vehicular
Volumen de flujos vehiculares, importancia de la vía, tipo de capas
de rodadura de asfalto, adoquín y tierra; días y horario de actividad
laboral.
Consolidación
urbana
Área con viviendas de baja, media y alta densidad, o cercana a
centros atractores de movilidad: equipamientos administrativos,
escolares, de salud, recreativos.
Los lugares específicos para el conteo de flujo vehicular fueron ubicados de acuerdo al mayor
volumen de tránsito vehicular, la importancia de las vías, días de actividad laboral y por el tipo de
capas de rodadura de asfalto, adoquín o tierra (ver Tabla 2). De acuerdo a estos criterios el conteo
se realizó en la calle Av. Velasco Ibarra que pertenece a la red vial urbana principal de Pujilí,
atraviesa a la ciudad de norte a sur y tiene mayor volumen de tráfico por ser una vía de conexión
para trasladarse a los cantones Pangua y La Maná, y a sitios de importancia turística como la
laguna del Quilotoa y la comunidad de Tigua.
Para contabilizar el flujo vehicular se llenaron tablas de acuerdo a categorías de tamaño y
características de vehículos, en la siguiente clasificación: maquinaria agrícola, tracto camión,
volqueta, camión, bus, buseta, camioneta, automóvil y motocicleta (INEN, 2012). Los sectores
seleccionados fueron los mismos de la toma de material particulado, en días laborales y de 9H00
a 15H00.
113
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.109 - 119
Figura 1. Mapa de ubicación de puntos de muestreo
Tabla 2. Datos de ubicación de los sitios de muestreo
Punto Sector Coordenadas UTM
Calle Material de
vía Barrio
X Y
1 1 755231,65 9894664,86 García Moreno asfalto Sinchaguasín
2 2 756387,59 9894739,23 Luis Antonio Rivadeneira asfalto Simón Bolívar
3 3 757097,36 9894209,73 Raquel Abad y Rafael
Morales adoquín Calvario
4 4 756532,11 9894115,03 García Moreno y Atilino
Cajas adoquín Centro
5 7 757854,83 9895683,20 Av. Velasco Ibarra asfalto Miraflores
6 8 757206,53 9895909,94 C y Rafael Villacís tierra Bellavista
114
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.109 - 119
3. Resultados
En el punto de muestreo 6, se observa que la medición de material particulado sedimentable llega
a 18.38 mg/cm2 en 30 días, es decir que supera el valor de la normativa vigente del anexo 4 del
libro VI del Texto Unificado de la Legislación Ambiental Secundaria, que indica que para las
partículas sedimentables, en un tiempo de exposición de 30 días, la concentración máxima
permisible es de 1mg/cm2. El punto 5 se acerca al límite máximo de lo que establece la norma. En
la Tabla 3 y en la Figura 2 se presentan los resultados de material particulado sedimentable (PM
2.5), cuyo procedimiento de obtención se fundamenta en la citada norma4.
Tabla 3. Resultados del muestreo de material particulado sedimentable en los puntos de muestreo.
Punto de muestreo Material Particulado Sedimentable Acumulado
(mg/cm2x30d)
P1: Sinchaguasín 0.11
P2: Simón Bolívar 0.11
P3: Calvario 0.24
P4: Centro 0.08
P5: Miraflores 0.74
P6: Bellavista 18.38
Figura 2. Resultados del muestreo de material particulado sedimentable
4 Norma de calidad del aire ambiente libro VI anexo 4. Punto 4.1.4: De los métodos de medición de los
contaminantes comunes del aire ambiente, Tabla 2
0,11 0,11 0,24 0,08 0,74
18,38
P1 P2 P3 P4 P5 P6
115
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.109 - 119
Las mediciones observadas de concentraciones de contaminantes comunes del aire deberán
corregirse de acuerdo a las condiciones de la localidad en que se efectúen dichas mediciones,
para lo cual se utilizará el método gravimétrico, mediante captación de partículas en envases
abiertos (Lodge, 1988).
De las mediciones observadas de concentraciones deben corregirse de acuerdo con la Ecuación
1, obteniendo los resultados que se exponen en la Tabla 4 y en la Figura 3, observándose que en
la zona urbana de Pujilí, en el sector de Bellavista, existe mayor cantidad de polvo acumulado.
K
KCt
PblmmHg
mmHgCoCc
298
)273(*
760* , [1]
Donde:
Cc: concentración corregida
Co: concentración observada
Pbl: presión atmosférica local, en milímetros de mercurio.
t°C: temperatura local, en grados centígrados
Pbl: 540 mmHg
TºC : 18.2 ºC
Tabla 4. Material Particulado PM2.5 Corregido en los diferentes puntos de muestreo
Punto de muestreo Material Particulado Sedimentable
Acumulado (mg/cm2x30d)
P1: Sinchaguasín 0.15
P2: Simón Bolívar 0.15
P3: Calvario 0.33
P4: Centro 0.11
P5: Miraflores 1.02
P6: Bellavista 25.27
Figura 3. Material Particulado Sedimentable Acumulado en (mg/cm2x30d)
0,15 0,15 0,33 0,11 1,02
25,27
P1 P2 P3 P4 P5 P6
116
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.109 - 119
La relación entre la tipología del parque automotor y el número de vehículos motorizados se
observa en la Figura 4; en total se registraron 5865 unidades, donde los valores más altos, 3673 y
1774, corresponden a vehículos livianos y camionetas respectivamente. Con un número mucho
menor se registran buses de transporte público: 258 (4,39%) en total. Esto evidencia la
preferencia de la población por el uso del vehículo privado, con el agravante de que el servicio de
transporte público es limitado, situación que ha llevado a la población a utilizar camionetas para
transportarse y llevar su carga.
Figura 4. Fuentes móviles que incrementan la contaminación del aire
3.3. CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA Y AFECCION A LA SALUD
De acuerdo a la información del Plan de Gobierno del GAD Municipal del Cantón Pujilí (2014-
2019) se identifican dos subcentros de salud: San Gerardo y Juigua Yacubamba, regentados por
el Ministerio de Salud, así como cinco dispensarios del Seguro Social Campesino en los que las
enfermedades más comunes que afectan a la población son infecciones respiratorias agudas. Al
momento se está estudiando la incidencia que tiene el material particulado y la tasa de morbilidad
por IRA (infecciones respiratorias agudas) en la zona de estudio.
4. Discusión
La investigación evidencia la existencia de la problemática en ciudades pequeñas en desarrollo,
por este motivo los gobiernos locales deben iniciar el levantamiento de diagnósticos que tomen en
cuenta los impactos ambientales generados por los procesos de urbanización, en este caso para
las emisiones contaminantes, tomando en cuenta que el medio ambiente como receptor de
fluentes (emisiones, vertidos y residuos no deseados), no deberá sobrepasar su capacidad de
asimilación (Conesa & Conesa, 2013).
12 303 258 66
1774
3673
253 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Nú
mer
o d
e ve
híc
ulo
s
Tipo de vehículo
117
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.109 - 119
La actualidad y utilidad técnica de la investigación causa expectativa a nivel de ciudades mayores
o ciudades intermedias tipo A en la región andina, cuyas poblaciones sobrepasan los 20.000
habitantes, pero la verdadera problemática ambiental provocada por la movilidad en las ciudades
intermedias tipo B ubicadas en la sierra centro del país aún no emerge, sobre todo si estas
localidades urbanas ubicadas por encima de los 2.000 m.s.n.m, sirven de nexo o de
interconectividad entre centros urbanos y los centros de producción agrícola y con igual derecho a
la calidad de vida con características ambientales óptimas.
Se demuestra que la esencia de los problemas ambientales reside en el comportamiento de los
agentes socioeconómicos, productores-consumidores de bienes y servicios (Gómez, 2007); la
ausencia de una planificación adecuada en cuanto a movilidad lleva a que los actores asimilen
hábitos que tienden a satisfacer necesidades individuales en detrimento del ambiente, por el
incremento del vehículo particular
El estudio realizado aporta con información base para la elaboración de modelos participativos de
gestión urbana, así como para el despliegue de estrategias de rehabilitación, mejoramiento y
mantenimiento de la infraestructura vial, respetando el medio ambiente y áreas de riesgo socio
natural; a la vez promueve acciones iniciales de regulación, control y monitoreo en relación a la
calidad del aire que requiere gestionar el GADM de Pujilí.
Debido a que las mediciones de concentraciones de contaminantes comunes del aire deberán
corregirse de acuerdo a las condiciones de la localidad en que se efectúen dichas mediciones y a
una posible pérdida de masa durante la manipulación de la muestra, a futuro se requiere realizar
mediciones periódicas utilizando el método gravimétrico en otros sectores críticos de la ciudad de
Pujilí.
Se debe incentivar estudios e investigaciones que permitan aportar con información actualizada
para una mejor precisión de las fuentes contaminantes y que el Gobierno Cantonal pueda
establecer una normativa para regular la contaminación proveniente de las distintas fuentes y
aumentar el control de las emisiones producidas por el parque automotor de Pujilí.
5. Conclusiones
Como mencionan las normas de calidad de aire a nivel internacional (IDEAM, 2004), indica que se
considera a las partículas sedimentables como contaminantes no convencionales, cuyo valor
máximo permisible de sedimentación es 1mg/cm2 en un mes, en los países de Argentina y
Ecuador. En este caso, se detectó en Bellavista la mayor cantidad de material particulado que es
superior al que indica el Convenio de Asociación; así mismo se atribuye como una de las
principales fuentes de generación de contaminación el transporte del sector, debido a que son
áreas en las que se concentra tanto el transporte liviano como pesado.
118
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.109 - 119
Los datos recopilados demuestran que Bellavista (P6) es el sector donde existe mayor cantidad de
material particulado sedimentable causado por tres tipos de fuentes vehiculares recurrentes como
son las camionetas, motos o automóviles, utilizados para carga y desplazamiento poblacional a
través de vías lastradas o de tierra que se articulan a las vías colectoras y recogen el tráfico de
poblaciones menores o zonas de tipo rural generalmente de sectores productivos agrícolas. En
contraste existe únicamente un 4,39 % de buses para transporte público generalmente utilizados
para movilización en vías asfaltadas.
Las emisiones de material particulado en trayectos no pavimentados son producidas por la
pulverización del material superficial de suelo causado por la velocidad de circulación de los
vehículos; a esto se suma la acción del viento y la presencia de lotes baldíos que contribuyen a
incrementar la presencia de material particulado en el aire, lo que expone a las personas a
dolencias en las vías respiratorias por el material inhalado.
Bibliografía
B & G consultores. (2015). PDOT GADM Pujilí. Pujilí.
Carmona, J. A. (enero de 2012). Modelo de valoración ambiental del impacto de la contaminación
Atmosférica por fuentes móviles en el Municipio de Pereira.
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2012. Quito: Dirección Ejecutiva del INAMHI.
119
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.109 - 119
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del Aire en la Salud de América Latina y el Caribe. Washington, DC: Organización
Panamericana de la Salud.
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2015/11/02 Aceptado (Accepted): 2016/06/28
CC BY-NC-ND 3.0
Details of large-panel buildings seismic analysis
(Detalles del análisis sísmico de edificaciones construidas con paneles)
Sergei Emelyanov1, Yurij Nemchinov2, Vladimir Kolchunov1, Igor Yakovenko3
Abstract:
The normative requirements of different European countries, USA, CIS, Canada, etc. codes on
ensuring of buildings and structures safety at earthquakes are analyzed. The methodology
based on non-elastic response spectrum of buildings and allows taking into account non-linear
behaviour of structure are proposed in elaboration of Eurocode 8 requirements. The report
provides the calculation examples of non-linear displacements of framed and frameless
concrete buildings with application of that methodology.
Keywords: earthquakes; buildings; earthquake resistance; non-linear response spectra.
Resumen:
Se han analizado las exigencias normativas de diferentes países de Europa, EEUU, CEI,
Canadá, en cuanto a los códigos que garantizan la seguridad de edificios y estructuras ante
terremotos. Se propone una metodología basada en la respuesta espectral no elástica de
edificios, que permite considerar el comportamiento no lineal de las estructuras, en la
elaboración de los requerimientos de Eurocode 8. Se presenta un informe de los cálculos de
desplazamiento de edificios de hormigón entramados y no entramados, realizados aplicando
esta metodología.
Palabras clave: terremoto; edificio; resistencia sísmica; espectros de respuesta no lineal.
1. Introduction
During the design of structures for construction in seismic regions it is necessary to follow the basic
requirements developed to reduce the risk of collapses during the earthquakes and to insure the
earthquake resistance of buildings. These requirements are based on years of experience
analyzing the consequences of catastrophic earthquakes and improvement of anti-seismic
measures given in design norms of different countries (Construction in seismic regions of Ukraine,
2006; Seismic Building Design Code, 2011; Structural Engineering Design Provisions, 1997;
Eurocode 8, 2004).
Depending on the degree of structures and facilities destruction, some basic principles are
developed to insure safety of buildings and facilities designed and constructed in seismic regions
(Nemchynov, Yu, 2008; Nemchynov, Yu, Khavkin, Maryenkov, Babik, 2012). They are based on
the following principles (Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings, 1996; NEHRP,
1997b; ASCE, 2000):
1 Southwest State University, Kursk - Russia ([email protected])
2 State Research Institute of Building Constructions, Kiev - Ukraine ([email protected])
3 National Aviation University, Kiev - Ukraine ([email protected])
121
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134
1. At rare destructive earthquakes it is necessary to insure the safety of people`s lives, valuable
equipment and infrastructure which is necessary to eliminate the consequences of earthquakes.
The facility can have a limit state close to collapse. This principle is called as Principle of facility
safety.
2. At strong earthquakes and earthquakes of moderate intensity the structures can have significant
damages and residual deformations. The load-bearing structures should have capability to be
stable during the further earthquake (aftershock) without violation of stability. It is the Principle of
allowed damages.
3. At weak repetitive earthquakes and limited destructions the approved anti-seismic measures
should insure the normal facility operation. It is the Principle of no damages.
At design for earthquake resistance in addition to basic principles it is necessary to do the following
actions:
- to consider the secondary factors such as fire, displacements or soil liquefaction and others
- to assess the response spectra in places where the equipment which is important for facility
operation is installed
- to develop the measures on population safety including the fire protection, air-conditioning,
water supply and other systems
- to develop the measures on facility protection against progressive collapse caused by
failure of responsible structures, terrorist intervention and other dangerous events
2. Metodology
Main principles to design the structures with expected level of earthquake resistance
Modern methods of earthquake-resistant buildings are based on new approaches which are given
in normative documents of the following foreign countries: the USA, Canada, Japan and Europe.
The approved approach for design which is called “Performance based seismic engineering”, can
be considered as “Design of earthquake-resistant structures with the given parameters of
earthquake resistance” or “Design based on performance characteristics”. The most widespread
calculation method in this approach is “Nonlinear pushover analysis”. The recommendations for
design based on performance characteristics are given in Manuals of Applied Technologies
Council of the USA (ATC-40) (Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings, 1996),
Federal Emergency Management Agency (FEMA) (NEHRP, 1997a,1997b; ASCE, 2000) and
Structural Engineers Association of California (SEAOC) (A framework for performance-based
design, 1995).
Figure 1 shows the load-bearing capacity curve graph which represents a new approach to assess
the performance characteristics of the existing buildings and to design the buildings with the
expected level of earthquake resistance.
122
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134
Figure. 1. Relations between summarized forces and displacements for different operation levels corresponding to plastic facility load-bearing capacity curve.
In this case the load-bearing capacity curve is intrinsic (skeleton) for hysteresis curves at cyclic
load. In many publications and Instructions on design (NEHRP, 1997b; Prestandard and
commentary for the seismic rehabilitation of buildings, 2000; A framework for performance-based
design, 1995) there are three variants to idealize the skeleton curve characterizing the dependence
between summarized forces F and summarized displacements D.
The variants of the curves correspond to plastic, partially-plastic and fragile behavior of structures
destruction. The points A, B, C, D, E on the curves show the levels of plastic state and
deformations values. In Manuals (Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings, 1996;
Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings, 2000) there are
recommendations on selection of skeleton curves parameters corresponding to work of metal,
reinforced concrete, stone and wood structures.
The given documents represent the first generation of procedures on assessment of seismic
hazard and purpose of building state performance characteristics. They regulate the use of the
following safety insurance levels approved for structural and non-structural buildings elements:
- the further safe building operation after earthquake [Operation level];
- the opportunity for immediate occupancy [Immediate Occupancy];
- the level at which the repair works are allowed [Damage Control];
- the level which is characterized by life safety [Life Safety];
- the level of limited safety [Limited Safety];
- appearance of facility structural instability (collapse) [Structural Stability];
- the level which is not considered (nonconstructive assessments) [Not Considered].
For practical application it is possible to use a set of “performance characteristics” which
corresponds to information on seismicity of certain regions and their correspondence to seismic
123
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134
zoning maps with determined levels of impacts and possible earthquakes. Taking into account this
thesis having seismic knowledge on earthquakes effects in Ukraine at buildings and facilities
design for practical purposes it is enough to take three levels of seismic resistance which should
correspondent to structures damages which are given in Figure 1 and characterize the following:
- no damages and opportunity to continue the building operation after earthquake [Immediate
Occupancy] - weak earthquake (WE)
- life safety and opportunity to perform the repair works after moderate earthquake [Life
Safety] - design-basis earthquake (DBE)
- facility stability, safety of people, valuable equipment and infrastructure which are
necessary to eliminate the consequences of earthquake [Structural Stability] – maximum
design earthquake (MDE).
The specific values of seismic hazard and load parameters for each country are given in National
Annexes in accordance with the general provisions of EN 1998-1 (Eurocode 8, 2004).
The methodology to design the earthquake-resistant structures of given plasticity category
taking into account the requirements of Eurocode-8
Another actual task (Nemchynov, Yu, Khavkin, Maryenkov, Zolotarev, Kukunaev, Dorofeyev,
Egupov, 2010; Uzdin, Sandovich, 1993) is development of methods to calculate the buildings and
facilities structures for earthquakes of different intensity to determine the dependence between the
level of seismic action and level of building structures damage up to collapse. In order to solute
these problems it is necessary to have calculation methods which consider the structures material
nonlinearity and actual data on appearance and development of damages at dynamic testing and
past earthquakes.
To use the strict mathematical approaches due which it is possible to realize the nonlinear dynamic
calculation of multidegree-of-freedom system is extremely time-taking. For objects of mass
construction it is better to use simplified methods based on capacity spectrum method (CSM)
(Freeman, 1978). The use of such methods shows a good correspondence of full-scale dynamic
testing results with nonlinear dynamic calculation results (Babik, 2008; Zolotkov, 2000;
Ashkinadze, Sokolova, 1988).
One of the ways to have nonlinear response of single degree-of-freedom system is to build up the
inelastic response spectra at fixed damping values. The inelastic response spectra can be
obtained by the following way:
1. Calculation of the nonlinear single degree-of-freedom system for earthquakes accelerogram
influence
2. Updating of the elastic normative spectrum by the use of reduction Rμ and ductility μ
coefficients
124
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134
3. Results
The results of experiments (Figure 2) and analysis of earthquakes consequences (Uzdin, et al.,
1993; Chopra, 2005) showed that inelastic response spectrum depends on vibrations
characteristics which are expected on the site and nonlinear materials characteristics and
constructive schemes of buildings and facilities. Thus, inelastic response spectrum for determined
influence should consider hysteresis characteristics which correspond to expected state of the
used materials and structures.
а)
b)
Figure. 2. General view for fragment of 9-storey large-panel building (a) and scheme of cracks in panels walls (b) at alternate static load testing.
The approach to update the elastic normative spectrum using the reduction coefficient Rμ is based
on works of N.Newmark and W.Hall (1982), A.Сhopra (2005) and at present it is used in different
seismic codes: EN 1998-1 (Eurocode 8, 2004), ATC 40 (Newmark et al., 1982), FEMA-273
(NEHRP, 1997b), FEMA-356 (Prestandard.., 2000).
According to (Chopra, 2005; Aizenberg, 1981) the dependence between structure reduction
coefficient Rμ, ductility coefficient μ and period of natural vibrations Тn is as follows:
cn
cn
an
bμ
TT
TT
TT
T
μ
μR 12
1
. (1)
where Tа, Tb и Tс are bonders of zones which correspond to the dynamic system response to
accelerations, velocity and displacements at earthquake.
Dependences (1) were used to build up the graphs of dynamic response factors and inelastic
response spectra which help to determine the seismic loading on buildings and facilities and their
nonlinear displacements (Nemchinov, 2011) on the basis of spectral method given in DBN В.1.1-
12:2006 (Construction in.., 2006). Figure 3 shows the dependences of spectral accelerations Sa on
spectral displacements Sd which are built up taking into account the DBN В.1.1-12:2006
(Construction in.., 2006), spectral dynamic response factors graphs for soils of the first, second
and third categories considering the seismic characteristics and earthquake intensity of 7 points on
125
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134
scale of seismic intensity in Ukraine (Aizenberg, 1981). At μ=1, 2, 4, 6 there are 1, 2, 3, 4,
respectively.
a) b)
c)
Figure. 3. Dependence “Sa–Sd” at different μ for soils of the 1-st (а), 2-nd (b) and 3-rd (c) categories (7 points on scale (Protection against dangerous geological processes, dangerous operation influence and fire, 2011)).
Figure 4 shows an example to determine the nonlinear displacements of three buildings of various
constructive schemes where the values of natural vibrations period (the first form Т1) and ductility
coefficient μ are as follows:
1. 6-storey monolithic building (period Т1= 0,37 s, μ = 1,28);
2. 9-storey large-panel building (period Т1 = 0,7 s, μ = 4);
3. 7-storey frame building (period Т1 = 1,0 s, μ = 1,7).
The nonlinear displacements for buildings 1, 2 and 3 are d1=0,038 m, d2=0,12 m and d3=0,16 m,
respectively. The nonlinear displacements can be determined by the Equation 2, where ω is the
equivalent single-mass building model frequency (oscillator, rad/s).
2/ Tad , (2),
Table 1 shows the results of calculation on maximal displacements of buildings of various
constructive schemes obtained on the basis of inelastic response spectra which are given in this
report and their comparison with the results of full-scale dynamic testing by powerful vibration
machines (Itskov et al., 1984; Zolotkov, 2000) and records made during the past earthquakes
(Peter, et al., 2000).
126
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134
Table 1. Comparison of actual and calculated values of maximal buildings tops displacements
Constructive scheme, number of storeys in the building, reference
Period of vibrations, s
Amplitude of horizontal displacements, mm Error, %
at testing by calculation
Block building, 5 storeys (Itskov, Khegay, 1984)
0,2 9,0 8,0 11
Fragment of monolithic 16-storey building,
6 storeys (Zolotkov, 2000) 0,37 41,0 38,0 7,3
Monolithic building, 9 storeys (Peter, Badoux, 2000)
0,71 75,0 72,0 4
Figure. 4. Examples to determine the nonlinear displacements d of three buildings (1, 2 and 3) with different values of period Т1, yield limit and ductility coefficient for soils of the 2-nd category considering the seismic characteristics at earthquake intensity of 9 points on scale (Protection against dangerous geological processes, dangerous operation influence and fire ,2011).
Figure 5 and Table 2 show the results of calculations on maximal displacements of buildings of
various constructive schemes obtained by methodology of EN 1998-1 (Eurocode 8, 2004) and
inelastic response spectra given in this report.
Figure 6 shows the relations of natural vibrations period of 9-storey building (Тс=0,65 s) and
predominated periods of thirty accelerograms (9 points) registered during the earthquakes in the
USA. The calculations are performed for single-mass equivalent system (its parameters are
determined on the basis of load-bearing capacity spectrum method. Figure 6 shows that expected
maximal calculated vibrations of building depend on spectral composition of ground accelerations
during the earthquake. At given accelerograms of construction site during calculations it is
important to consider changing of building dynamic characteristics (periods and forms of natural
vibrations) caused by degradation of structure stiffness during the intensive earthquakes in
accordance with graphs in Figure 7.
127
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134
Figure. 5. Determination of linear (line 1) and non-linear (2) displacements of 9-storey building at earthquake intensity of 8 points (3 and 4 are accelerograms spectra).
Table 2. Comparison of calculated values of maximal reinforced concrete buildings top
displacements
Constructive scheme, number of storeys in the building, reference
Amplitude of horizontal displacements, mm Error,
% by procedure of EN 1998-1
by proposed methodology
Frame building, 7 storeys 19,0 17,0 10
Fragment of monolithic 16-storey building, 6 storeys (Zolotkov, 2000)
39,0 38,0 2,5
Large-panel building, 9 storeys (Ashkinadze et al, 1988)
51,0 52,0 2
Figure. 6. Dependencies of non-linear horizontal vibrations amplitudes of 9-storey large-panel building with cracks in reinforced concrete panels (period Тс=0,65 s) on predominated periods of accelerograms (M - mathematical expectation).
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Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134
Figure 7. Horizontal displacements of storeys during the non-linear and linear calculations of 9-storey large-panel building: 1 – Spectral (linear); 2 – Non-linear (statics); 3 – Non-linear (statics) with cracks; 4 – Results of experiment; 5 – Non-linear (dynamics);6 – Non-linear (dynamics) with cracks.
4. Discussion
Methodology to calculate the non-linear displacements of buildings
The methodology to calculate the seismic response (non-linear displacements) of buildings on the
basis of load-bearing capacity spectrum (BCS) includes the following stages:
1. Usage of software to form design multimass three-dimensional model of the building on the
basis of design or actual data in accordance with the results of structures surveys during the
assessment of earthquake resistance of the existing building with damages caused by
earthquakes. Diagrams of concrete and reinforcement state and cracks in load-bearing
structures of superstructure and foundation are considered.
2. Calculation of multi-mass building model for seismic loading in linear formulation using the
spectral methodology which determines the following:
- masses at each i level of the model throughout the height;
- frequencies (periods) by j form of vibrations;
- ordinates by j form of vibrations;
- inertial (seismic) loads, Sji, for i level of the building calculation scheme by j form of
vibrations.
129
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134
3. Distribution of inertial loads, Sji, by j form of vibrations is taken as external action to perform
the non-linear static calculation of three-dimensional building model. Inertial loads Sji, by j form
of vibrations are applied step by step at each i level of the model throughout the height.
4. New method to determine the plane stress wall and framed reinforced concrete structures
stiffness taking into account the inclined cracks. It is based on unit bands method using the
compound bars theory developed by A.R. Rzhanitsyn. The actual scheme of cracks (according
to operational building survey results) or scheme of “envelope” (according to earthquake
consequences analysis results) (see Figure 8) is used for the calculated structure. The vertical
unit band which is calculated using the scheme of compound bar with monolithic joints without
cracks and with collapsible joints with cracks in the structure is cut (Figure 9) using the method
of sections. The vertical unit band efforts work, W1, is determined (if finite elements method is
used, the single dimension is replaced by value of Δx) not considering the cracks and the
vertical unit band efforts work, W2, is determined considering the cracks.
Figure. 8. Calculation of plane stress reinforced concrete structures with openings for seismic action: 1 – limits of horizontal bands; 2 – cracks; 3 – opening.
For practical calculations it is allowed to determine the thickness of finite elements which are
adjacent to cracks using the difference of works of only two finite elements which are adjacent
to horizontal and vertical lengths of modelled crack.
130
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134
Figure. 9. The vertical unit band which is considered using the scheme of compound bar:
1 – transverse joints; 2 – cracks.
Difference of works 21
WWW is distributed for near located elements which are adjacent
to cracks at the top and at the bottom. New values for thickness, b2, of finite elements which
are adjacent to cracks are determined by Equation 2, where iW – sum of works in
horizontal bands which are adjacent to cracks in the limits of the vertical band; W –
difference of works; b1 – initial thickness of the finite element.
12 bW
WWb
i
i
, (2)
Number of vertical bands can be complete (in the limits of the structure) or partial when it is
enough to use six vertical bands and intermediate values, bk, are determined using the linear
interpolation.
5. The methodology makes it possible to determine the stiffness of structures and storeys of
buildings consisting of reinforced concrete, plane stress and framed structures with cracks
using two variants. The typical scheme of cracking in these structures at alternate seismic
131
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134
loads in a form of mutually intersecting diagonals (scheme of “envelope”) is used. Degree of
cracking is taking in accordance with seismic scale in dependence on intensity of seismic
action, constructive scheme of building height or according to results of non-linear static
calculation in dependence on skewed storeys.
The first variant is performed without changing the primary given order and numbers of plane
finite elements, into which the plane stress structure is divided for calculation by finite
elements method. The thickness of finite elements adjacent to crack-diagonals which is
determined by equation of works in unit bands using the compound bar model and equivalent
plane stress structure model is reduced. The reduced thickness of design structure model
finite elements adjacent to virtual crack causes the actual cracking along the diagonals.
The algorithm of calculation requires the iterative process regulated by determined precise
finite elements thickness and building dynamic characteristics (frequencies and forms of
natural vibrations).
The second variant to determine the plane stress and framed building structures stiffness is
based on special approach to model the cracks which are located on diagonal of wall panels
without openings and in places of stress concentration (see Figure 8). The reinforced bars of
plane stress structures are modeled by additional FE and opening and closing of cracks is
considered using the computing based on finite elements method. Stiffness of framed
structures on sites with inclined cracks including the intersecting cracks (typical for joints and
sites observed near supports at seismic actions) is determined using the special design model
of plane stress structures (Figure 10).
а)
b)
Figure 10. Calculation of framed structures: a) typical zones (A, B, C, and D) and scheme of cracks (1 and 2) at alternate loads; b) design model to specify the stiffness of the zones: 1 – limits of horizontal bands; 2 – cracks; 3 – absolutely stiff end insert.
The potential energy of internal forces for one of the selected zones is determined by Equation
3. Stiffness of the zones is replaced by equivalent stiffness in Equation 4. Iterative process is
finished when expected precision of calculation is obtained B1(λ).
132
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134
x
B
Mx
GA
Qx
EA
Nx
EI
MW
1
2222
3222
. (3)
3
2
1W
xMB
. (4)
On sites with normal cracks the stiffness of framed reinforced concrete structures is
determined by the value of bending moment and radius of curvature, ρ, using the normative
methodology for the considered i zone (site is divided into 4 – 6 zones), as shown in Equation
5.
iii1, MB (5)
6. The nonlinear static calculation (using software system which makes it possible to consider
physical nonlinearity of materials) determines the values of displacements, uin for each i level
for each n step of loading. Using these values the graphs of dependencies “shear force Si –
displacement ui” are built for each i level (storey) of design model.
7. Using the above given dependencies the spectrum of building bearing capacity in coordinates
“spectral acceleration Saj – spectral displacement Sdj” using the j form of vibrations. To convert
the load-bearing capacity spectrum graph to dependency “load Sbase – displacement Sd” the
modal (equivalent) mass is multiplied by value of spectral acceleration Saj.
5. Conclusions and recommendations
The inelastic response spectra in coordinates “β – Т” based on spectral dynamic coefficients
graphs given in norms of Ukraine DBN В.1.1-12:2006 and in coordinates “Sa - Sd” developed to
perform the nonlinear calculations of buildings structures at design and assessment of used
buildings earthquake resistance using the nonlinear static methods of calculation are obtained.
Comparison of the values for maximal displacements of buildings of various constructive schemes
obtained at realization of full-scale dynamic testing and measuring of buildings vibrations during
the earthquakes with the results of calculation using the developed methodology on the basis of
proposed inelastic dynamic response spectra showed a good correspondence. The maximal error
is 11%.
The values of maximal top displacements of the buildings of various constructive schemes
obtained by calculation using the procedure given in Attachment B of EN 1998-1 and the proposed
methodology on the basis of inelastic dynamic response spectra are different by 10%.
The developed methodology is recommended to be used at assessment of earthquake resistance
of buildings designed and operated in seismic regions after the main shock and for further
aftershocks (considering the existing cracks in load-bearing structures and physical nonlinearity of
133
Enfoque UTE, V.7-N.2, Jun.2016, pp.120 - 134
concrete and reinforcement) and at design of responsible facilities and buildings using new
constructive solutions which are not checked during the strong earthquakes.
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