Revista Científica Unanchay Volumen 1. Número 1. Año 2022.
Introducción
El aumento de la población a nivel mundial y los constantes cambios climáticos en muchas ciudades, genera situaciones críticas de inconformidad para la calidad de vida del ser humano. Por esto, el racionamiento se vuelve escaso y siendo de interés para los investigadores para la generación de diferentes sistemas de purificación de agua de lluvia (Sánchez, Cohim, & Kalid, 2015). Ante esta problemática, es necesario propuestas tecnológicas que aumenten la cantidad de agua dulce, con calidad aceptable y sin riesgo ambiental. Las distintas tareas realizadas por el hombre han provocado una alteración en el entorno, obteniendo niveles de contaminación en el agua, llegando a no ser apta para el consumo humano. Por esta razón , Balcazar et al. (2019) concluyen que los procesos para el tratamiento del agua son cada vez más difíciles.
Las aplicaciones de aprovechamiento de agua lluvia principalmente son dos, los sistemas de captación de agua de lluvia (SCALL) y los sistemas de captación de agua pluvial en techos (SCAPT) (Torres R. , 2019). La revisión de la literatura que aborda este tema ha particularizado en el agua de lluvia para su uso en cisternas de inodoros, riego de áreas verdes, limpieza de pisos, lavado de vehículos, contra incendios y lavado de ropa. Se componen de varios elementos que tienen como función, captar, conducir, filtrar y almacenar el agua lluvia. Sin embargo, bajo determinadas circunstancias, como en edificios, se agregan dispositivos con el propósito de bombear y distribuir.
Chacón et al. (2014) diseñaron un sistema de captación de agua lluvia para la producción de pepino persa en un invernadero ubicado en México. El sistema presentó un área de captación de 1 000 m2 y una precipitación neta anual de 40 mm, obteniendo como resultados la obtención de 541.7 m3. De esta manera, se llega a satisfacer al 100% la demanda hídrica, existiendo un excedente del 6% de la demanda necesaria. Por lo que se concluyó que, este sistema es una solución viable para los efectos generados por la sequía y la sobre explotación de mantos acuíferos para la generación de alimentos.
El estudio de las precipitaciones para el diseño de sistema en una finca ubicada en la llanura sur en Cuba fue presentado por Ricardo et al. (2020). Se diseñó un sistema de recolección de agua lluvia, teniendo como datos una precipitación promedio anual de agua lluvia de 1543 mm y un área de captación de 261 m2. El sistema ha sido capaz de almacenar 237.4 m3 en los meses de más lluvia, mientras que el año restante de sequía se almacenó 78.23 m3. Entonces, se garantiza el suministro de agua durante los meses de sequias, para uso doméstico, de una familia de 6 personas y abasto para 282 animales.
Aguilar y Carreón (2018) desarrollaron el análisis de viabilidad de un sistema de captación de agua lluvia para el departamento de psicología de una escuela ubicada en México. El muestreo identificó a cinco personas, cada una consume 25 L, en promedio, teniendo un área de captación de 110 m2. Se llegó a determinar un volumen máximo de captación de 20.75 m3 y un volumen mínimo de 3.80 m3, siendo de junio
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a septiembre los meses de más captación. Se determinó que la implementación d el sistema SCALL es viable, ya que permite el ahorro del consumo de agua potable.
La validación de un prototipo de sistema captación de agua de lluvia para uso doméstico y consumo humano fue presentada por Avelar et al. (2019). La investigación se desarrolló en Achotes, México, teniendo como objetivo abastecer de agua a 11 familias. En el sector, se identificó una precipitación media anual de 939.8 mm y el prototipo evaluado presenta una área de captación de 18 m2. De esta manera, cada familia aprovecha 17 m3 de agua cada año, aproximadamente. Los autores afirmaron que, el diseño fue adecuado para proveer de agua al sector, obteniendo una recepción positiva por la comunidad, debido a la comodidad, versatilidad del funcionamiento y facilidad de implementación .
Chino, Velarde y Espinoza (2016) desarrollaron un sistema de captación de agua lluvia para el consumo humano en una comunidad en Perú. Para el sistema se consideró una familia de cuatro integrantes, con un consumo 73 m3 , aproximadamente. El área de captación fue 120 m2 y la precipitación neta de 721.44 mm. El estudio determinó que, en los meses de diciembre a marzo la familia consume 24.2 m2 y el volumen restante es almacenado en una cisterna. De esta manera, Por lo tanto, se concluyó que el sistema permite abastecer los requerimi entos de agua de la población. Además, los parámetros de la calidad de agua están dentro de los niveles permitidos por los estándares nacionales de calidad ambiental.
Esta revisión de la literatura ha permitido evidenciar que, el aprovechamiento de agua fluvial es útil y necesario para el ser humano, además de contribuir al desarrollo sustentable. La tabla 1 se observa el estudio realizado por diferentes autores con el propósito de mostrar las formas de recolección de agua fluvial y los parámetros definidos para mejorar su implementación.
Tabla 1
Investigaciones realizadas con diferentes métodos de recolección agua lluvia.
Chacón et al. (2014)
Ricardo et al. (2020)
Aguilar y Carrión (2018)
Avelar et al. (2019)
Chino, Velarde y Espinoza (2016)
País de desarrollo Cuba México México México Perú
Precipitación media anual [mm ]
40
1 543
---
939.8
721.44
Área de captación [m2] 1 000 261 110 18 120
Volumen captado [m3 ]
máximo
541.7
237.4
20.75
45
73
Volumen captado [m3 ]
mínimo
---
78.23
3.80
---
---
Fuente: Autores .
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El objetivo de esta investigación es analizar la factibilidad de la implementación de una propuesta de solución tecnológica, con la implementación al utilizar un SCALL en la ciudad de Quito. Se enfatiza en el aprovechamiento de recursos renovables como alternativa sustentable para el ahorro de agua potable. También se toman en cuenta los beneficios que implica utilizar este sistema, considerando la capacidad de abastecimiento para una familia promedio compuesta de cuatro personas .
Este documento está presentado de la siguiente manera, la metodología describe las características del sistema, la síntesis de diferentes parámetros meteorológicos y el planteamiento de modelos matemáticos a utilizarse. Los resultados presentan el análisis de los valores obtenidos, que se complementan con la discusión, donde se plantea la viabilidad del diseño propuesto. Por último, las conclusiones plasman el criterio de los autores luego del análisis de resultados.
Metodología
Esta investigación tiene un enfoque cuantitativo, utilizado para determinar la precipitación y el volumen captado de agua lluvia. Ha sido complementado cualitativamente, mediante el diseño de componentes estructurales para la implementación del sistema.
Además, se ha considerado un diseño experimental, con el volumen de agua captado como variable y la influencia de otros factores, la precipitación, temperatura ambiente, costos. El método inductivo-deductivo ha sido aplicado en la revisión del estado del arte acerca de estos sistemas, proponiendo una alternativa que con sidera los requerimientos y el criterio profesional de los autores.
Descripción del sistema
El sistema de captación de agua lluvia (SCALL) consiste en interceptar, recolectar y almacenar agua lluvia, utilizado a nivel domiciliario. Está formado por diferentes elementos para su correcto funcionamiento, como una superficie de captación de agua, un sistema de recolección y distribución.
También consta de un desviador de primeras lluvias y, finamente, un sistema de almacenamiento, como tanques o cisternas. Además, dependiendo de las aplicaciones que se le vaya a dar, se utilizan filtros para obtener agua de mejor calidad.
La figura 1 esquematiza un diagrama del sistema SCALL, siendo muy versátil y adaptable a zonas urbanas y rurales, con bajo costo de construcción. Debido a esto , los sistemas SCALL se han convertido en una forma eficiente y amable con el medio ambiente para la reutilización del agua lluvia.
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Figura 1
Sistema de captación de agua lluvia (SCALL)
Fuente: Rodríguez et al. (2022)
Precipitaciones en la ciudad de Quito
Quito está situada en la vertiente interandina de la Cordillera Occidental, alineada de sur a norte por más de 50 km, flanqueada por el volcán Pichincha a 4680 msnm y el Atacazo por el oeste, además del sistema de Puengasí–Guanguiltagua al este (Seidel, Perugachi, García, & González, 2019). La figura 2 presenta la ubicación espacial de la ciudad, se asienta sobre una llanura lacustre que ocupa el eje de la depresión a una cota promedio de 2800 msnm, y que corresponde a una planicie relacionada con una falla geológica longitudinal de 45 km (Villacis & Marrero, 2017) .
Figura 2
Ubicación espacial de las ciudades de Quito
Fuente: NASA (2022) .
Villacis y Marrero (2017) analizaron las precipitaciones en la ciudad de Quito, mencionando que en décadas recientes y en diferentes zonas del Ecuador, el clima ha tenido un comportamiento anómalo. Es decir, ha traído como resultado la variabilidad en el comportamiento de parámetros, como la humedad, neblina, las temperaturas máximas y mínimas, las alturas pluviométricas. En el caso específico
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de la precipitación, se detectan variaciones persistentes en su comportamiento multianual, con respecto a los valores máximos y mínimos, así como el adelanto y/o retardo de los períodos lluviosos que eventualmente están siendo precedidos por períodos de sequía.
En Quito, la temporada de lluvia es fresca y nublada, mientras que la te mporada seca es cómoda y parcialmente nublada. Durante el transcurso del año, la temperatura generalmente varía entre 9 a 19 °C y rara vez baja a menos de 7 °C o sube a más de 21 °C .
La tabla 2 presenta las diferentes temperaturas y precipitaciones medias de todos los meses del año. Se visualiza que los meses de febrero, marzo y abril se encuentran los mayores niveles de precipitación media, donde la temperatura ronda los 10 °C. La Administración Nacional Atmosférica y Oceanica (NOAA, por sus siglas en inglés) (2022), indica que, en los meses de junio, julio y agosto, se obtiene los valores más bajo de la precipitación media, con valores de temperatura media que van desde los 9 a 20°C.
Tabla 2
Datos climáticos y precipitación media de la ciudad de Quito
Mes Tmax / Tmin [°C] Precipitación Media [mm]
Enero 19 / 9 120
Febrero 19 / 10 137
Marzo 19 / 9 163
Abril 19 / 10 189
Mayo 19 / 9 116
Junio 19 / 9 56
Julio 19 / 8 22
Agosto 20 / 9 32
Septiembre 20 / 9 84
Octubre 20 / 9 130
Noviembre 19 / 9 120
Diciembre 19 / 9 104
Fuente: NOAA (2022) .
Nota: T es temperatura .
Consumo diario de agua de una persona
La tabla 3 contiene las diferentes actividades cotidianas que realiza una persona promedio durante un día normal. Por ello, es necesario añadir un sistema que permita una sostenibilidad de este recurso en actividades domésticas que no requieran agu a potable como suministro de conservación del recurso de agua. Los datos son correspondientes a la Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento (EPMAPS).
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Tabla 3
Consumo de agua diario por persona según actividad
Actividad Consumo [%]
Inodoro 31.5
Ducha 29.5
Lavado de ropa 12.3
Lavado de platos 6.2
Higiene personal 6.2
Jardinería 4.8
Limpieza 4.1
Otras actividades 2.7
Beber y cocinar 2.7
Fuente: Baquero (2013) .
La Organización Mundial de la Salud (OMS), manifiesta que una persona no debería consumir más de 110 litros de agua en todas las actividades que realizan. S in embargo, estudios realizados en la ciudad de Quito muestran que el consumo es de 220 litros diarios por personas. Normalmente el agua que se origina en los pajonales que rodea la ciudad, una de esas fuentes es la laguna salve Facche y tarda más de siete horas en purificarse desde su captaci ón.
Durante la etapa seca, el consumo de la ciudad aumenta en un 20%, se reflejan una demanda de agua del 7.66 m3. El consumo de 200 a 220 L de agua por día y viendo el crecimiento de alrededor de 20 litros se debe a que en los diferentes meses secos las personas consumen una mayor cantidad del líquido vital. Torres et al. (2020) indican que, el agua no es únicamente para cubrir sus necesidades, sino también para regar plantas, lavar el carro, asentar el polvo, entre otras funciones.
Costo del consumo de agua potable
Según EPMAPS Quito (2019), el costo del consumo de agua de penderá de los metros cúbicos consumidos. La tabla 4 presenta los diferentes costos por el consumo doméstico mensual de agua potable en un medidor Se define el consumo desde 0 m3 hasta más 18 m3, donde, dependiendo del consumo, se establece una tarifa básica y una tarifa por metro cubico.
Tabla 4
Consumos doméstico, oficial y municipal vigente a partir de consumos de 2015 Rango de consumo
0 – 11 m3 12 – 18 m3 > 18 m 3
Tarifa básica [USD]
0.00 0.31 3.41 0.43 6.42 0.72
Fuente: EPMAPS Quito (2019) .
Nota: El cargo fijo por conexión es de USD 2.10 .
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Modelos matemáticos en SCALL
Para el análisis de un sistema de captación de agua, es necesario obtener datos de precipitación media y precipitación neta. Para esto, se utiliza la ecuación 1 presentada por Imteaz y Shadeed (2022), donde se especifica la cantidad de agua lluvia con una precipitación media mensual igual o mayor a 40 mm, valores utilizados en este trabajo:
P
N
n
= P  k ; P
m m j = 1
 40 mm
(1)
Donde, PN es la precipitación neta, Pm es la precipitación media mensual, k es un coeficiente adimensional con el valor de 0.85. El diseño SCALL está dirigido a calcular el volumen captado de agua (Vagua) capaz de ser recogido en cierta superficie y así cubrir la demanda de sus habitantes mediante la ecuación utilizada por Freni y Liuzzo (2019) :
V
agua
=
P  A  C
m e E
1000
(2)
Donde Pm es la precipitación neta mensual, Ae es el área efectiva de captación y CE es el coeficiente de escurrimiento adimensional. Para determinar demanda mensual de agua (Da), López, Cavazos y Vera (2016) utilizaron la siguiente ecuación :
D
a
=
C  O  D
a v m
1000
(3 )
Donde Ca es el consumo de agua por habitante y Dm son los días del mes. Bashar, Karim e Imteaz (2018) definieron el caudal de recolección de la canaleta (Qc) como :
Q
c
= 0.277  Ae I ll
(4)
Donde Ill es la intensidad de agua lluvia y el valor de 0.277 es el factor de conversión. Finalmente, Riaño (2019) determinó la velocidad con que se transporta el agua a la canaleta (Vc) después de la recolección en el área, prevista con anterioridad , como :
V
c
1 2 1
=  R3  S 2
n
(4)
Donde n es el coeficiente de rugosidad del material de la canaleta, R es el radio hidráulico de canaleta y S es la pendiente. Para determinar el caudal que puede
transportar la canaleta (
) se utilizó el modelo planteado por Kuok y Chiu (2020) :
Q = A V (4)
c T c
Parámetros del diseño
Para el diseño de un sistema SCALL se considera los valores de la tabla 5, donde se asume un área superficial de 70 m2 y el material de la superficie es concreto con un factor de escurrimiento de 0.9. Se ha considerado un consumo de 150 L debido a
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que el agua que se obtiene mediante SCALL no es para consumo humano (Rosero, García, Sempértegui, & Miño, 2015) .
Tabla 5
Propiedades del diseño
Propiedades Valor Unidad
Área Superficial 70 m 2
Factor de escurrimiento 0.9 N/A
Consumo de diario de agua por persona 150 L
Intensidad de lluvia 0.0797 m·h- 1
Rugosidad de la canaleta 0.009 µm
Pendiente 2 %
Precipitación máxima diaria 13 mm
Fuente: Rosero et al. (2015) .
Según datos del Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (INAMHI, 2019) la intensidad de lluvia en la ciudad capital para un período de recuperación de 10 años y en un tiempo de 15 minutos es de 0.0797 m·h-1. El Instituto Nacional de Estadísticas y Censo (INEC, 2021) indica que el tamaño promedio de una familia en el Ecuador es de 3.9, aproximando el valor a 4 persona por vivienda
Resultados
Para determinar la viabilidad del sistema SCALL, es necesario conocer los valores de volumen captado y la demanda mensual. Para realizar este análisis, se u tilizaron los valores de la precipitación media de la tabla 2 y las propiedades de la tabla 5. Además de la aplicación de las ecuaciones para obtener los siguientes resultados que se presentan a continuación. La tabla 6 muestra que, los meses de febrero, marzo y abril es cuando se obtuvo la mayor cantidad de volumen captado. Los valores van desde 8.6 hasta 11.9 m3. Mientras que, junio, julio y agosto son los meses con la menor captación de agua lluvia, de 1.38 hasta 3.52 m3. Entonces, la demanda mensual está de 18 y 18.6 m3, siendo únicamente el mes de febrero el de demanda mensual de 16.2 m3, esto debido a que es el mes con la menor cantidad de días.
Tabla 6
Volumen captado y demanda mensual
Mes
Volumen captado [m3 ]
Demanda mensual [m3 ]
Consumo total [m3 ]
Enero 7.560 18.6 11.040
Febrero 8.631 16.2 7.569
Marzo 10.269 18.6 8.331
Abril 11.907 18.0 6.093
Mayo 7.308 18.6 11.292
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Junio 3.528 18.0 14.472
Julio 1.386 18.6 17.214
Agosto 2.016 18.6 16.584
Septiembre 5.292 18.0 12.708
Octubre 8.190 18.6 10.410
Noviembre 7.560 18.0 10.440
Diciembre 6.552 18.6 12.048
Fuente: Autores .
Para realizar el análisis económico del sistema SCALL, se utilizaron los valores de la tabla 4, incluyendo los rangos del costo de consumo de agua potable donde se tiene un costo fijo de USD 2.10 por la conexión. Estos valores van cambiando en función de la cantidad de agua potable consumida. Al analizar los resultados obtenidos de la demanda mensual y consumo total, se utilizaron diferentes rasgos de consumo. La figura 3 permite observar la comparativa entre el consumo de agua potable al utilizar el sistema SCALL y sin éste. El mes de abril genera el mayor ahorro de agua potable, con un consumo de 6.093 m3. Mientras que, en los meses de junio, julio y agosto, el ahorro es insignificante teniendo un consumo de agua potable desde 14.47 hasta 17.21 m3. Entonces, se afirma que los meses restantes se alcanzaría un ahorro mayor a los 5.3 m3 .
Figura 3
Consumo de la red de agua potable
Fuente: Autores.
La tabla 7 resume los resultados de manera comparativa, entre la implementación del sistema SCALL y sin utilizarlo. El mes de marzo y octubre se logran obtener un ahorro de USD 17.23 a 16.58, mientras que, en los meses de junio y septiembre el ahorro sería apenas USD 1.52 y 2.28 .
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Tabla 7
Análisis económico del sistema SCALL
Mes
Con SCALL [USD]
Sin SCALL [ USD]
Ahorro [USD]
Enero 8.16 19.81 11.65
Febrero 2.35 10.38 8.03
Marzo 2.58 19.81 17.23
Abril 1.89 11.15 9.26
Mayo 8.27 19.81 11.55
Junio 9.63 11.15 1.52
Julio 10.81 19.81 9.00
Agosto 10.54 19.81 9.27
Septiembre 8.87 11.15 2.28
Octubre 3.23 19.81 16.58
Noviembre 3.24 11.15 7.91
Diciembre 8.59 19.81 11.22
Ahorro Total 115.50
Fuente: Autores .
Con los datos obtenidos, se presentó un diseño de SCALL, iniciando con la selección de un tanque de almacenamiento de 1 m3. Solano et al. (2017) utilizan el valor más alto del volumen mensual captado, considerando que la demanda mensual es más alta que la del volumen captado.
Mediante la ecuación 2 y el valor de la precipitación máxima diaria, se obtuvo un volumen de captación máxima diaria de 0.819 m3. Al comparar este valor con la demanda diaria, de 0.6 m3, se obtiene una diferencia de 0.219 m3 en los meses con más precipitaciones. De esta manera, se afirma que, el tanque de 1 m3 es capaz almacenar todo el volumen captado.
Para la selección de la canaleta del sistema, se debe analizar el valor de caudal teórico que debe transportar la canaleta y el caudal real que es capaz transportar la canaleta seleccionada. Al utilizar la ecuación 4, se determinó como caudal teórico que debe de transporta la canaleta un valor de 1.55 L·s-1 .
Un limitante para este elemento es la falta de variedad en el mercado local, seleccionando una canaleta rectangular de PVC de 90 mm de alto y 120 mm de ancho. Con la ecuación 5, se determinó qué velocidad del agua en esta c analeta alcanza 2.942 m·s-1 y utilizando la ecuación 6, se obtuvo que el caudal máximo real
que puede transportar la canaleta es de
21.921 L·s-1. Entonces, considerando estos valores, se llega a determinar que la selección de la canaleta es cor recta.
Para realizar un análisis de factibilidad del SCALL, se realizó un estudio de costos que conlleva la implementación de éste. La tabla 8 describe los elementos utilizados para la construcción del sistema SCALL y el costo de cada uno de los componentes , obteniendo un costo total de USD 470.76.
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Tabla 8
Costo del sistema SCALL
Elemento
Cantidad
Costo Unitario [USD]
Costo Total [USD]
Canal recolector 3 m 3 11.50 34.50
Unión de canal 2 5.38 10.76
Unión canal a bajante 1 6.73 6.73
Adaptador de bajante a tubo de alcantarilla
1
2.38
2.38
Soporte plástico de canal 9 1.00 9.00
Tapa izquierda y derecha 2 4.21 8.42
Tubo de desagüe Ø 75 mm 1 12.11 12.11
Tubo NPT Ø 12.7 mm x 6 m 1 30.00 30.00
T de desagüe 1 4.24 4.24
Codo de desagüe 90 ° 1 2.62 2.62
Filtro purificador de agua 1 100.00 100.00
Tanque de 1000 m3 1 200.00 200.00
Bomba de agua de 1/2 HP 1 40.00 40.00
Total 460.76
Fuente: Autores .
Este análisis de costos asume que, el sistema cuenta con un filtro purificador y una bomba de agua, considerando todos los elementos que este sistema utiliza. Para el transporte del agua desde la canaleta hasta el tanque de almacenamiento, se ha seleccionado un tubo PVC de desagüe de 75 mm de diámetro. Mientras que, para el transporte del tanque hacia el domicilio, se plantea utilizar un tubo NPT de 12.7 mm. La figura 4 presenta la vista frontal y lateral del diseño propuesto para la instalación del SCALL. El agua será recolectada por la canaleta, para que avance hasta un tanque de primeras lluvias que cumpliría con la función de evitar la recolección agua en malas condiciones.
Cuando este tanque esté lleno, el agua avanzará hasta el tanque de almacenamiento, cuya salida estará conectada a una bomba de agua que ayuda con la distribución. Por último, esta bomba será conectada a un filtro que permita el ingreso de agua a la casa, asegurando que ésta se encuentre en condiciones óptimas para su uso.
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Figura 4
Vistas del sistema instalado.
a)
b)
c)
Nota: a) vista frontal, b) vista lateral, c) vista superior.
Fuente: Autores .
Discusión
Del análisis de estos resultados, se llega a determinar que, ninguno de los meses ha logrado cumplir con la demanda mensual. Sin embargo, hay que considerar que se presentaría un ahorro significativo, en especial en los meses de con la mayor cantidad de volumen captado.
Se calculó, en promedio, una intensidad de lluvia de 0.0797 m·h-1 para un período de recuperación de 10 años y tiempo de 15 minutos. El máximo volumen captado que se determinó fue 11.91 m3, con ahorro de 66.17 % del consumo total de la vivienda. El ahorro mensual de agua supera los 5.30 m3 de agua, a excepción del verano, junio, julio, agosto, llegando a generar un ahorro económico de USD 115.50 al año. Investigaciones relacionadas a la factibilidad de un sistema SCALL que se han mostrado en este documento, el principal objetivo es verificar la factibilidad de un sistema de recolección de agua lluvia eficiente, efectiva y viable, se pueda atenuar los escases de agua y reducir costos económicos para una familia promedio en la ciudad de Quito parroquia Guamaní.
Con la revisión de la literatura, se identificó que el sistema alcanza un rendimiento aceptable, ya que, en trabajos que utilizaron un área de 110 m2, el volumen captado fue de 12 m3 en promedio (Aguilar & Carrión, 2018). Por lo que, para el caso de estudio, con un área de 70 m2, se captaría un volumen de 6.68 m3, en promedio. Con los resultados obtenidos de la tabla 7 y tabla 8, se determinó un tiempo aproximado de cuatro años para la recuperación del costo invertido en a la implementación del sistema SCALL. Es importante indicar la factibilidad para utilizarlo en la ciudad de Quito, esto debido a la durabilidad de los componentes con los que
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está diseñado y facilidad que conlleva su implementación. Además de mitigar el impacto ambiental al proponer nuevas formas de recolección de agua amigables con el medio ambiente que favorecen a un desarrollo sustentable.
Conclusiones
Se determinó que los valores de volúmenes captados de lluvias máximas mensuales en los meses de febrero, marzo y abril, van desde 8.6 hasta 11.9 m3. Por lo que, en ninguno de los meses se logra cumplir con la demanda mensual, sin embargo, se alcanza un ahorro en el consumo de agua de hasta el 66 %en los meses donde se presenta un mayor volumen captado.
Luego del análisis económico, donde se planteó una comparativa entre usar el sistema SCALL y no utilizarlo, se determinó que el ahorro promedio del consumo de agua anual es del 41.36 %, estableciendo que el ahorro va desde USD 1.52 en el mes de junio hasta un ahorro económico de USD 17.58 en el mes de marzo.
Entonces, se afirma que es viable la implementación de un sistema de captación de agua lluvia (SCALL) para la ciudad de Quito parroquia Guamaní, debido a que se tiene un ahorro anual de aproximadamente USD 115.50. Al comparar este valor con el costo que implica la implementación de este sistema, USD 460.76, se evidenció que el valor invertido se lo recuperaría en aproximadamente 4 años.
Referencias
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Tendencias del desarrollo tecnológico en mecatrónica
Technological development trends in mechatronics
Miguel Andrés Simbaña Criollo 1, Lina Verónica Méndez Regueiro 2, Andrés Sebastián Rodríguez Jácome 3, Juan Gabriel Simbaña Criollo 4 .
1
Resumen:
La mecatrónica es una disciplina que integra la mecánica, electrónica e informática con una evolución que inició hace más de 50 años. La investigación tuvo el objetivo determinar el estado de las tendencias de desarrollo de la mecatrónica en el Ecuador en relación a la proyección mundial. La metodología tuvo un diseño observacional de tipo documental bajo un nivel descriptivo, con una revisión en bases de datos y organizaciones de interés de acuerdo a la experticia de los investigadores. La búsqueda tuvo un corte transversal que abarcó el periodo de 2017 al 2022. En tal efecto, se identifican cuatro principales tendencias de desarrollo en la mecatrónica, como lo son la automatización de procesos industriales, actualización en mecánica de precisión y sistemas de control, la formación profesional en tecnología y la innovación en dispositivos médicos, prototipos biomecánicos y robóticos. Esta disciplina evidencia posicionarse entre las más avanzadas en el mundo .
Palabras clave: mecatrónica, tendencias, desarrollo tecnológico.
Abstract:
Mechatronics is a discipline that integrates mechanics, electronics, and computing with an evolution that began more than 50 years ago. The objective of the investigation was to determine the state of the development trends of mechatronics in Ecuador concerning world projection. The methodology had a documentary-type observational design at a descriptive level, with a review of databases and organizations of interest according to the expertise of the researchers. The search had a cross-section that covered the period from 2017 to 2022. For this purpose, four main development trends in mechatronics are identified: the automation of industrial processes, updating precision mechanics and control systems, professional training in technology and innovation in medical devices, and biomechanical and robotic prototypes. This discipline is positioned among the most advanced in the world .
Keywords: mechatronics, trends, technological development.
1 Instituto Superior Tecnológico Libertad, Ingeniero Mecatrónico, https://orcid.org/0000-0001-9721- 036X
2 Pontificia Universidad Católica del Ecuador. Médica Cirujana, Pediatra. https://orcid.org/0000-0001-7640- 0076
3 Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Ingeniero Comercial, https://orcid.org/0000-0001-9935- 3276
4 AYI S.A. Master Oficial en Dirección y Gestión de TI. https://orcid.org/0000-0002-1790- 8627
Autor de correspondencia: masimbana4@itslibertad.edu.ec
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Historial del artículo
Recibido para evaluación: 15 agosto 2022. Aprobado para publicación: 01 noviembre 2022
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Introducción
En un mundo cada vez más complejo, volátil y con alta incertidumbre como el actual, donde lo único seguro es el cambio continuo, las sociedades se transforman a un ritmo menor que las innovaciones (de la Vega, 2018). No obstante, la imparable expansión de las nuevas tecnologías, ha generado el uso de los más variados productos de comunicación, biomédicos, biomecánicos, automotrices, domésticos , entre otros (Naciones Unidas, 2018) .
Varios sectores de la industria, se han insertado a profesionales con conocimiento en electrónica y control para desempeñarse en la implementación y manipulación de mecanismos, sistemas biomecánicos, biomédicos, y que poseen conocimientos, además, para la implementación de sistemas electrónicos de potencia, instrumentación, sistemas automáticos de control aplicados en la industria, electro - medicina, el comercio, entre otros servicios (Universidad de Antioquia, 2018) .
La interacción funcional entre tecnologías mecánica, electrónica y de la info rmación de forma sinérgica, aplicando inteligencia para el mejor desempeño de un dispositivo, es esencialmente la utilidad de la mecatrónica. En este sentido, la automatización en esta área constituye un sistema donde se transfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos (Aquino, Trujillo, & González, 2015). Esencialmente es, la convergencia de tres tecnologías: mecánica, electrónica e informática, que paulatinamente han venido tejiendo una convergencia, como es el universo específico de la mecatrónica (Naranjo, 2006) .
A lo largo de la historia, la evolución de las revoluciones industriales, han generado un impacto importante en los sistemas de manufactura, primero con la máquina de vapor y la mecanización de los procesos, luego con la producción en masa, la automatización y robótica; y más recientemente, con la que ha sido llamada industria 4.0, considerada ya como la cuarta revolución industrial, debido a su potencial y beneficios relacionados con la integración, innovación y automatización de los procesos (Ynzunza, Izar, Aguilar, & Larios, 2017) .
En el mercado globalizado, la innovación tecnológica ha venido adquiriendo un importante papel en la lucha por la supervivencia y el éxito empresarial, siendo un aspecto clave para cualquier empresa que trate de conseguir una ventaja competitiva, ya que tales objetivos, dependerán de la renovación continua de la empresa y de su adecuación a los cambios del mercado. En este contexto, existe la necesidad de que las empresas apoyen sus procesos con las bondades tecnológicas de modo que, les permita proponer cambios sustanciales en su modelo de negocio, sistemas de producción, procesos, costos, calidad, y el uso eficiente de recursos en todas sus áreas (Flores, Ramos, Ramos, & Ramos, 2019) .
En este sentido, es posible afirmar que existe una transformación en los sectores de desarrollo con un aporte significativo por parte de las ciencias de la ingeniería, a partir de esta realidad surge la necesidad de determinar el estado de las tendencias de desarrollo de la mecatrónica en el Ecuador en relación a la proyección mundial. Metodología
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La investigación tuvo un enfoque cualitativo, bajo un diseño observacional de tipología documental, mediante el cual se realizó un análisis empírico de la información seleccionada a partir de la búsqueda científica en las siguientes bases de datos: Google Académico, Redalyc, Scielo y Dialnet; bajo el enfoque de construir el estado del arte de la temática de acuerdo a una revisión descriptiva dentro de una temporalidad en el rango 2017-2022 .
Adicionalmente, se realizó la revisión de informes emitidos por instituciones y organizaciones con base en la aplicación de la mecatrónica en el país y el mundo, destacando documentos emitidos por: American Society of Mechanical Engineers (ASME), Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC), American National Standards Institute (ANSI), Electronic Industries Alliance(EIA), Telecommunications Industry Association (TIA), Food and Drug Administration (FDA. La información seleccionada fue analizada e interpretada aplicando los métodos histórico-lógico, analítico- sintético y hermenéutico-dialéctico, lo que permitió estructurar la información con base a cuatro grandes dimensiones que concentran las principales tendencias de desarrollo de la mecatrónica destacando sus campos de acción.
Resultados
1-Automatización de procesos industriales, con avance tecnológico en el control de líneas de producción para optimizar la capacidad productiva de la empresa.
La tendencia de la automatización de los procesos industriales constituye uno de los objetivos más importantes de las empresas a nivel mundial, ya que les permite la toma de decisiones en tiempo real, la ejecución autónoma y mantenerse en competitivo de en un entorno cambiante y agresivo. En este sentido, los procedimientos lógicos humanos se encomiendan a máquinas automatizadas especiales, ordenadores, las cuales procesan información mucho más rápido que el hombre, con la ayuda de modelos matemáticos que describen tanto la propia tecnología como la actividad analítica y reguladora humana (Pinzón, Torres, Moreno, & Grimaldo, 2019) .
En cuanto a las líneas de producción automatizadas, estas son muy variadas, consisten en el engranaje de múltiples estaciones que están enlazadas por un sistema de manejo de trasferencia de partes de una estación a la siguiente (Cantos, 2019) . En un sistema rítmico, la línea o cadena de montaje es la que mantiene una velocidad constante en el movimiento del producto. En estas estaciones los trabajadores se desplazan con el producto para poder ejecutar las operaciones, y si la operación no se ejecuta el producto pasa a la siguiente estación. En cambio, en un sistema de líneas sin ritmo, el producto no avanza hasta que no se le da autorización, de allí, la importancia de la posición en la que se colocan las estaciones y sus cargas de trabajo absoluta o relativa (Garcia-Sabater, 2020) .
Otro aspecto relevante a destacar por García-Sabater (2020), es que las líneas de montaje y fabricación cuentan con un diseño de innovación automatizado que
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equilibra y controla las actividades manuales realizado por el operario (medición, control si y evaluación del rendimiento de cada proceso). En estas, suele existir un trabajo colaborativo entre mano de obra y robots, ejemplo de ello, son los robots Pick and Place, encargados de identificar un elemento, seleccionarlo y clasificarlo según los requerimientos del operario y los brazos robóticos Yueda CNC 6 Axis (YDR6 - 1441), que permiten realizar soldadura en líneas rectas y curvas.
Así también existen escáneres 3D portátiles HandySCAN 3D y MetraSCAN 3D, con los que Creaform facilita el acceso al escaneo de geometrías complejas y el control de calidad, ofreciendo resultados fiables, precisos y rápidos con el plus del desalojo del material sobrante (Argueles, De la Rosa, & Lázaro, 2020). Hoy día, el rango de precisión para el escaneo 3D es más alto que el umbral requerido para el control.
En función de la variedad de productos que se pueden fabricar, en una línea se distingue entre líneas monomodelo, multimodelo y con mezcla de modelos. Las líneas monomodelo sólo pueden fabricar un producto; las multimodelo permiten transformar varios tipos de producto y las líneas con mezcla de modelos eliminan el tiempo de setup o lo reducen tanto que lo incorporan en el tiempo de ciclo de la tarea para que el flujo de materiales se alinee y las operaciones se balanceen siendo capaces de producir de acuerdo al tiempo de takt (Garcia-Sabater, 2020) .
En todo caso, es importante reconocer que existen múltiples variantes en el proceso de fabricación industrial y las líneas automatizadas que se utilizan, así́ que es muy posible que algunas estaciones varíen de acuerdo a las necesidades de la empresa, avances tecnológicos, de la naturaleza de sus actividades, habilidades requeridas de los trabajadores y de la complejidad tecnológica de las manufactura s (Erbes et al., 2019). En cualquiera de los casos, la programación de las actividades ha de ser cuidadosa para no desbalancear las actividades (Cantos, 2019) .
Figura 1
Potencial de automatización (en % de empleados)
Fuente: BID-INTAL en base a McKinsey Global Institute, (2017) .
De acuerdo con el indicador de automatización de McKinsey, solo 5% de las ocupaciones del mundo son totalmente automatizables mientras que, la mitad de las
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actividades tienen potencial para ser automatizadas (McKinsey Global Institute, 2017). La estimación se basa en datos de 46 países y se realiza una descomposición de las actividades (2000) y capacidades (18) que se necesitan dentro de cada ocupación (800). A partir de lo anterior, se puede observar en la figura 1, el p otencial de automatización relacionado con el porcentaje de empleados presente en Latinoamérica.
Cabe destacar que el potencial para el sector manufacturero está representado por un 60%. Esto abarca las actividades físicas más predecibles como la pintura, soldadura, etiquetado. En el caso de las actividades comerciales, el potencial de automatización es mayor en Brasil y Estados Unidos, mientras que, en el sector primario, Perú es uno de los más destacados (Figura 2 ).
Figura 2
Potencial de automatización según sectores seleccionados (% de automatización posible estimado) .
Fuente: BID-INTAL en base a McKinsey Global Institute (2017) .
En un estudio reciente, realizado por Estevadeordal et al. (2018), se pudo observar el Indicador Sintético del Riesgo de Automatización entre los principales países industrializados de América del Sur. Este incluye el uso de robots por trabajador, uso de TIC, nivel educativo, participación de exportaciones de software en las exportaciones totales, y sectores más susceptibles de ser automatizados, como se representa en la figura 3.
Figura 3.
Indicador Sintético de Automatización, según variable explicativa y país.
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Fuente: Estevadeordal et al. (2018).
Es de importancia mencionar que el Ecuador no se encuentra entre los países del mundo con potencial de automatización industrial. No obstante, Javier Wong, presidente del sector metalmecánico de la Cámara de la Pequeña Industria de Pichincha, aseguró que viene innovando y renovando sus sistemas y maquinarias con el fin de tener más precisión y rapidez y de alcanzar los estándares de cal idad internacionales (Olivares & Cejas, 2017) .
Entre las implementaciones que se han hecho, se destacan la adquisición de tecnología CNC (Control Numérico Computarizado), la cual es una herramienta automatizada y controlada por un ordenador que permite realizar múltiples operaciones e incrementar la producción haciéndola más flexible y precisa; estas engloban sistemas robotizados y máquinas con tecnología digital (impresión 3D), capaces de programar procesos de conformado, corte, soldado y doblado, garantizando una productividad de 5 a 1 o de 8 a 1 (Sabel, 2021) .
2-Actualización e innovación de la tecnología desarrollada en mecánica de precisión, y sistemas de control electrónicos en la industria manufacturera para optimización de recursos.
La entrada de la revolución 3.0 dio inicio a la automatización de procesos industriales gracias a los avances en la electrónica y la computación. Básicamente el principio de operación de los sistemas CAD los cuales, aseguran la interacción del usuario (diseñador) con el software en un lenguaje informático a través de los dispositivos periféricos de entrada, procesamiento y salida de datos (hardware), provistos por el ordenador. A su vez, el CAD combinado a otras tecnologías (CAM, CAE) han permitido el desarrollo integral de un proyecto desde su fase de diseño hasta su producción en línea, con lo que se consigue un importante ahorro de tiempo, mínima intervención humana y mayor precisión de diseño .
En la actualidad ha tomado cada vez mayor auge la combinación de las tecnologías CAD/CAM y CAD/CAM, fabricación flexible CIM, Robótica y otras que son agrupadas
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en la mecatrónica, y que en la actualidad tienen una aplicación amplia e intensiva en diferentes campos del quehacer humano (Márquez, 2017) y en particular en los procesos industriales de manufactura (Pérez-Rodríguez, Simeón-Monet, & Trinchet - Varela, 2019) .
La intencionalidad de todos estos avances es impulsar escenarios y procesos que inserte a estos elementos para la optimización de productos y sistemas técnicos de complejidad creciente. Sólo las empresas capaces de ofrecer los productos de mejor calidad en precio adecuado y en un tiempo más corto, sobrevivirán a la globalización de los mercados que implica una competencia cada vez más feroz, tal como se representa en la figura 4 (Macas, 2017). Así se demuestra en estudio sobre innovación y su incidencia en el crecimiento y desarrollo de las empresas del sector alimentos y bebidas del Distrito Metropolitano de Quito, de 148 empresas analizadas, 94% optaron por el uso de la tecnología, la innovación y por realizar cambios y crear productos novedosos, adaptándose al entorno en el que se desenvuelven y a las exigencias de los clientes (Carrera-Navarrete, 2019) .
Figura 4
Sistema de producción de Fabel Castell
Fuente: Macas (2017) .
En este sentido, la innovación ha sido considerada un medio que aporta soluciones y facilita la solución de problemas sociales, por lo que es de interés macroeconómico a nivel país y microeconómico a nivel empresario, disponer de indicadores que midan el efecto de la innovación en el crecimiento y desarrollo tales como: la rentabilidad,
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cuota de mercado y crecimiento de ventas (Garcia-Sabater, 2020). Sobre este particular, el sector de alimentos y bebidas provee alimentos saludables, de calidad, aptos y disponibles para el consumo de las personas, este sector se considera una importante fuente de producción y empleo, principalmente en aquellos países en desarrollo donde ha existido un rápido crecimiento de la industria (Cadena, Pereira, & Pérez, 2019). Este sector para el 2016 tuvo una participación del 4,7% del total del PIB y un 38% dentro de todo el sector manufacturero, del mismo modo, representó el 19,2% de todas las exportaciones del Ecuador (Cadena, Pereira, & Pérez, 2019) . Particularmente la industria textil en el Ecuador, ha invertido en la incorporación de maquinaria y tecnología con el objetivo de elevar el nivel de eficiencia en los procesos productivos; con resultados significativos en el mejoramiento de la eficiencia operativa, el desempeño organizacional y el soporte al cliente, entre otros (Chacón & Rugel, 2018). Sin embargo, pese a la importancia de este sector para la economía ecuatoriana, su crecimiento se ha visto limitado por los bajos niveles de industrialización, escasa innovación y diversificación de los productos ofertados, bajos niveles de competitividad de la materia prima nacional y la poca implementación de sistemas de gestión de calidad, provocando que la oferta exportable del Ecuador sea vulnerable en los mercados extranjeros (Ministerio de Industrias y Productivi dad, 2017) .
A lo anterior, se suma que gran número de las empresas se encuentran ubicadas en el Distrito Metropolitano de Quito (DMQ), ejemplo de ello, las industrias textileras, con bajos niveles de tecnología e innovación en las áreas de: producción, talento humano, financiera y publicidad. Provocando que pierdan ventaja competitiva, afectando la satisfacción del cliente, la rentabilidad, sus resultados empresariales y poniendo en riesgo su supervivencia en el mercado (Cadena, Pereira, & Pérez , 2019) .
Otra limitante para innovar, fue el acceso al crédito por las altas tasas de interés por lo que los empresarios se abstienen de solicitarlos. Inclusive, existen empresas con gran capacidad financiera, sin embargo, ven a la innovación como gasto y no como inversión (Universidad Andina Simón Bolívar y la Alianza para el Emprendimiento y la Innovación, 2017). La incertidumbre de los proyectos de investigación, desarrollo e innovación (I+D+i) también ha sido considerada como una barrera para la actividad innovadora, ya que los empresarios no se arriesgan a tener bajas probabilidades de éxito (Cadena, Pereira, & Pérez, 2019; Tello, 2017) .
3-Formación de profesionales que generen cambios innovadores en los procesos mecatrónicos, incorporando tecnología de punta para fortalecer el ejercicio de la profesión
Dentro del país, existen varias empresas que se dedican al desarrollo de proyectos innovadores, creadas por ingenieros mecatrónicos como, por ejemplo:
Tabla 1
Empresas Mecatrónicas en el Ecuador
Empresa Descripción
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Handeyes
https://handeyes.org/
fundada por Diego Aguinsaca Ingeniero Mecatrónico, ganador del premio “Una idea para cambiar la Historia”.
HCTechnology Empresa fundada por Hernán Caicedo Ingeniero Mecatrónico, ayudando a la comunidad con proyectos de seguridad digital, SMART HANDWASH
ATMIA CIA. LTDA
Empresa encargada de prestar servicios de automatización, sistemas y equipos electro-neumáticos cofundada por Edwin Haro, Ingeniero Mecatrónico
Fuente: Elaboración propia de los autores (2021) .
Cabe destacar que la mayoría de estas tecnologías son producto de la convergencia de la mecánica, electrónica, óptica e informática (la mecatrónica), las cuales están direccionadas para crear sistemas más baratos, más simples, más fiables. Estos productos hechos con ingeniería mecatrónica, poseen mecanismos de alta precisión, y son controlados por dispositivos electrónicos reprogramables que funcionan en diferentes condiciones, hacen uso óptimo de los materiales y energía que consumen, tienen diseños más estéticos y ergonómicos, y tienen lo que se podría llamar una relación "inteligente" con el medio ambiente (Zaldívar-Colado, 2019) . Como ejemplos palpables de esta afirmación, se pueden mencionar la realización de intervenciones quirúrgicas a distancia, por medio de robots servo- asistentes, asistentes-coordinadores, efectores semiautónomos y los robots tele manejados, que evidencian una disminución de la tasa de complicaciones, menor pérdida de sangre , menor dolor y tiempo de postoperatorio, fácil recuperación y reinserción a la cotidianidad (Cedeño, Pazmiño, D’Ilio, & Aguirre, 2022). Asimismo, se presenta el uso de dosificadores de pastillas o de gel antibacterial, el manejo de maquinarias a distancia con el uso de sistemas automatizados, la creación de automóviles equipados con sistemas de encendido electrónico o con sistemas ingenieriles adecuados que garantizan alcanzar la velocidad asignada en un tiempo adecuado (fórmula 1) (Noroña & Gómez, 2019), y el monitoreo de juegos deportivos a través Video Assistant Referee, las máquinas de control numérico, prensas hidráulicas, medidores de gases, marcapasos, prótesis, entre otros (Spitz, Wagemans, Memmert, Williams, & Helsen, 2021) .
Es de importancia mencionar que el desarrollo tecnológico, impacta a los individuos fundamentalmente en tres dimensiones: 1. Mejora la capacidad de hacer más cosas; 2. Optimiza la posibilidad de lograr más y mejores resultados; y 3. Incrementa la facultad de las personas para hacer más en organizaciones formales (CEPAL, 2022) . Adicionalmente, incrementa la comercialización de nuevos productos, procesos, aplicaciones, materiales o servicios que generan confort (Larrondo, Cervantes, & Sánchez, 2018). No obstante, para el desarrollo óptimo de estas tecnologías, se necesita talento humano calificado, capaz de trabajar con nuevos materiales, máquinas y especialmente sistemas de información, que facilite la implementación de una manufactura orientada al servicio, sustentable (Hualde, 2020) .
Por consiguiente, las innovaciones en la Industria, se dan de manera simultánea en los ámbitos de la tecnología, la organización de los procesos (especialmente la orientación hacia el cliente), la organización del trabajo y la formación de ta lento
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humano calificado en el área de mecatrónica (Pinzón, Torres, Moreno, & Grimaldo, 2019). Esto implica un trabajo simultáneo para poder lograr cambios innovadores, mejoras en la productividad y un impacto global en la organización. Aplicando a las ideas de Six Sigma, que es una metodología de mejora continua de procesos (Navarro, Gisbert, & Pérez, 2018) .
Todo lo anterior implica que se ha revertido la antigua concepción de los trabajadores operarios y se precisa que los empresarios empleen talento humano creativo e innovador, capaz de manipular símbolos, artefactos conceptuales, equipos mecatrónicos y algoritmos de monitoreo y control, además de generar productos de alta calidad con la respectiva reducción de los errores de producción, y disminución de los riesgos laborales inherentes al área de trabajo (Gómez, 2019) .
4-Innovación, perfeccionamiento e implementación de dispositivos médicos, prototipos biomecánicos y robóticos, para satisfacer la atención y calidad de vida de las personas, bajo estándares de calidad establecidos en reglamentos internacionales y locales.
Ecuador ha incursionado en la tendencia mundial de investigación biomédica de punta, así como el desarrollo endógeno y/o adquisición (exportación) de dispositivos médicos para la atención y mejora de la calidad de vida de su población (Caicedo, 2020) .
Los dispositivos médicos de uso humano abarcan los artículos, instrumentos, aparatos, artefactos o invenciones mecánicas, incluyendo sus componentes, accesorios, fabricado, vendido o recomendado para uso en diagnóstico, tratamiento curativo o paliativo, prevención de una enfermedad, trastorno o estado físico anormal o sus síntomas, para reemplazar o modificar la anatomía o controlar un proceso fisiológico (como un marcapaso cardíaco) y también incluye cualquier instrumento, aparato, implemento, máquina, aplicación, implante, software destinado por el fabricante a ser utilizado solo o en combinación, para seres humanos con propósitos médicos específicos (Ministerio de Salud Pública, 2017). La tendencia global del desarrollo de dispositivos médicos va de la mano con estándares de calidad para su funcionamiento, monitoreo y control, incorporados en contratos, códigos, leyes, y reglamentos internacionales que se aplican a nivel local en los distintos países.
La importancia creciente de la tecnología en el mundo de hoy, ha incursionado en la biomedicina y biomédica, con continuo desarrollo, como parte integral del proceso de mejoría de la calidad de vida de las personas, particularmente aquellas con discapacidad. Por esta razón surge la necesidad del desarrollo de propuestas con las nuevas tecnologías, como: dispositivos protésicos que contribuyan a la movilidad corporal, bioimpresoras en 3D para fabricar tejido estable a escala humana de cualquier forma y tamaño, prototipos robóticos en la cirugía (quirófanos 4.0 y cirugía digital), programas especializados con fines diagnósticos y/o terapéuticos, entre otros (Cedeño, Pazmiño, D’Ilio, & Aguirre, 2022) .
La inteligencia artificial se incorpora al campo de la medicina en un escenario prometedor en el futuro de varias industrias sanitarias, particularmente en el área quirúrgica, donde los médicos usan robots para ayudarlos en cirugías, con habilidades
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excepcionales para mejorar el campo visual, cerrar lesiones y crear incisiones precisas durante la cirugía (Matheny, Thadaney, Ahmed, & Whicher, 2022) .
La Biomédica resulta de una combinación de Ciencias de la Salud y las Ciencias Exactas aplicada a las ciencias médicas para satisfacer y contribuir a mejorar la calidad de vida del ser humano y amerita la profesionalización de personal técnico, tecnológico y de ingeniería (Flores, Trujíllo, Martínez, González, & Sánchez, 2020) . Parte de los estándares de calidad reconocidos a nivel mundial, están acoplados a la American Society for Testing and Materials (ASTM Internacional, 2020) y a la Federal Drugs and Administration (FDA), que regula los dispositivos médicos vendidos en los Estados Unidos y también participa a nivel internacional cuando estos equipos se exportan a otros países, dada su intervención en la evaluación y toma de decisiones sobre la autorización y monitoreo de la seguridad y efectividad de un dispositivo biomédico, biomecánico o robótico quirúrgico postcomercialización de los mismos (Van Norman, 2020) .
Más del 90% de los profesionales a nivel mundial participan en el sistema de ASTM que reconoce la pericia técnica, independiente al país de origen. Expertos, organizaciones y personas que representan la industria, el mundo académico, los gobiernos, asociaciones comerciales, consultores y consumidores, todos tienen una participación igualitaria a la hora de determinar el contenido de los estándares (ASTM Internacional, 2020) .
En Ecuador, la Agencia Nacional de Regulación, Control y Vigilancia Sanitaria (ARCSA), dependiente del Ministerio de Salud Pública, a través de la Dirección Técnica de Elaboración, Evaluación y Mejora Continua de Normativas, Protocolos y Procedimientos, estableció la Normativa Técnica Sanitaria para el Control y Funcionamiento del Sistema Nacional de Tecnovigilancia (SNTV), cuyo objetivo es la identificación, recolección, evaluación, gestión y divulgación de eventos o incidentes adversos consecuencia del uso de dispositivos médicos de uso humano; así como, la identificación de los factores de riesgo asociados a éstos, para prevenir su aparición y minimizar sus riesgos (Ministerio de Salud Pública, 2017). La ARCSA de esta manera vela por la incorporación de los estándares de calidad de los dispositivos médicos, biomecánicos y robóticos como es la tendencia mundial.
Además, en Ecuador, se cuenta con el Acuerdo Ministerial No. 0224 – 2018 donde se aprobó y autorizó el Manual “Gestión de Mantenimiento de Equipos Biomédicos” (Ministerio de Salud Pública, 2018), como un instrumento que permite implementar metodologías y procedimientos técnicos para garantizar la calidad del equipami ento sanitario de los servicios de salud del Ministerio de Salud Pública, estableciendo niveles de prioridad para el inventario de mantenimiento; frecuencia de mantenimiento según el nivel de riesgo físico, definido como el daño potencial para los usuarios internos y externos, de acuerdo a su uso previsto; frecuencia de mantenimiento en base al uso del dispositivo médico de uso humano y, antecedentes de problemas del equipo .
Discusión
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Hoy día, la automatización de los procesos es fundamental en todas aquellas organizaciones que desean aumentar su productividad. Dado que, permite a las empresas, ofrecer productos de alta calidad, a un menor costo, en menor tiempo y con menos pérdida en la materia prima y menos residuos (Cantos, 2019). Según Ingeteam separan las líneas de procesos en las siguientes:
• ETL (Líneas de Electro- estaño)
• EGL (Línea de electro- galvanizado)
• CGL (Líneas de Galvanizado en caliente y otros procesos por inmersión)
• PL (Línea de Decapado y otros procesos químicos)
• CL (Línea de Pintura y Recubrimiento Orgánico)
• AL (Líneas de Recocido Continuo y otros procesos térmicos)
• FL (Línea de Acabado, en genera: pulid, esmerilado, inspección, corte en longitud, cizallado de bordes, rebobinado, etc.) (INGETEAM S.A., 2020) .
En este sentido, Oehninger (2018), indicó que el proceso de automatización está conformado por tareas y/o actividades que automatizan las actividades repetitivas y operativas lo que produce un impacto positivo a en los siguientes aspectos:
• Reducción de costos
• Ahorro de tiempo
• Resultados siempre a ctualizados
• Mejora del control de las operaciones
• Mejora en la comunicación
• Mayor seguridad del personal
• Producción más flexible
• Mejora del flujo de datos
• Ventaja competitiva.
• Aumento de la producción
En el caso de Ecuador, según la Ficha Técnica del Ecuador publicada en mayo (2020), se presentó una balanza negativa en materia de producción y comercialización del país en el exterior, observándose un alto porcentaje de importación de productos para satisfacer la demanda interna. Lo que se traduce en poca inversión en tecnología de sistemas automatizados, baja producción, baja rentabilidad, y poca participación en el mercado competitivo globalizado (Banco Central del Ecuador, 2020) .
Por otro lado, ante la tendencia de desarrollo e implantación de nuevas tecnologías en la industria manufacturera está directamente relacionada con el aumento de la productividad y la competitividad de las industrias. En este sentido, sólo las empresas con capacidad de incorporar tecnología innovadora en sus procesos de producción, podrán sobrevivir a la competitividad de los mercados nacionales e internacionales, y a la capacidad de ofertar de productos de mejor calidad, a un bajo costo y en un tiempo más corto de (Erbes et al., 2019). En el caso de Ecuador, Cadena y otros investigadores (2019), indicaron que diversas industrias pertenecientes al DMQ, están prestos a implementar el uso de tecnologías innovadoras, que se adapten a las exigencias de los clientes y compitan con los productos de corte nacional e internacional.
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Otro elemento que limita el desarrollo tecnológico de la industria ecuatoriana, es el déficit de personal cualificado. ya que, al no contar con un personal formado en esta área, se producen retrasos en la elaboración, distribución y comercialización de los productos, además de afectar la calidad de los mismos (Gómez, 2019) .
En el ámbito de los negocios biotecnológicos, particularmente en la biomedicina, existen en el Ecuador, varias empresas sólidas relacionadas con diferentes áreas de la biotecnología, su mayoría multinacionales (como Siemens) y/o empresas nacionales, cuyo personal tiene un alto porcentaje de trabajadores que se han preparado en otros países (Carrera-Navarrete E. , 2019) .
De acuerdo a la experticia de los investigadores, en los últimos 20 años, han venido en ascenso las empresas dedicadas al mercado de equipos biomédicos y biomecánicos, entre ellas: BioMol Ecuador CIa Ltda, Protéus Cía. Ltda., Robitz, Orthosa Lab, Coworking Cuenca (empresa SID). Además se suma el aporte crec iente de Universidades ecuatorianas que participan en el desarrollo de prótesis, prototipos y dispositivos biomédicos que son comercializados a bajo costo (Caicedo, 2020) .
El último informe de la Organización Mundial de la Propiedad Intelectual (OMPI), que mide el nivel de innovación de los países, resalta aspectos positivos de Ecuador que ha mejorado su infraestructura, pero indica también, como factor negativo, el reducido número de patentes que se registran y la nula inversión en capitales de riesgo (Cornell University, INSEAD, WIPO., 2019) .
Suiza es el país más innovador del mundo, seguido de Suecia, los Estados Unidos de América, los Países Bajos y el Reino Unido, ocupando Ecuador el puesto 99 de 129 países en el ranking del Índice de Innovación global 2019, donde uno de los 80 indicadores, corresponde al papel y la dinámica de la innovación médica, su distribución y accesibilidad, y, la influencia potencial que esto puede tener en el crecimiento económico, así como, en la formación de personal calificado y especializado, que contribuye al círculo del desarrollo de una nación (Cornell University, INSEAD, WIPO., 2019) .
Conclusiones
En Ecuador existen las carreras de Ingeniería en Mecatrónica, Electrónica, Eléctrica que contribuyen al desarrollo, innovación, implementación y perfeccionamiento de dispositivos y procesos industriales. Particularmente, l a mecatrónica cuenta con un campo de aplicación muy amplio, permite la inserción de nuevas tecnologías en las empresas, y favorece el posicionamiento competitivo dentro del mercado.
Asimismo, existe la incorporación de la mecatrónica en otras áreas, como equipos de control numérico, prensas hidráulicas, medidores de gases, marcapasos, prótesis biomédicas, automóviles equipados con sistemas de encendido electrónico, control de ruido, entre otras; siendo estas tecnologías efectivas, de mayor calidad y de costo adecuado, lo cual la ha posicionado favorablemente entre las 10 principales tecnologías emergentes a nivel nacional e internacional.
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Análisis de la licuefacción estática en las presas de Edenville y Sanford
Ronald Luis Rangel-Reyes 1 .
1
Resumen:
El articulo sintetiza el fenómeno de licuefacción estática presentado en las presas de Edenville y Sanford, ubicadas en el Estado de Michigan en U.S.A., con el propó sito de analizar las realizaciones causales y las manifestaciones externas del evento a través de la metodología de Árbol de Fallos y a la aplicación de los métodos histórico - lógico y analítico-sintético. El proceso evidenció la multicausalidad del evento categorizando los elementos causales como estructurales y no estructurales, asimismo, se destaca la importancia de la gradación del material arenoso utilizado para la conformación del cuerpo de las represas, el impacto de la disposición de los drenajes en relación a con la saturación del material arenoso del cuerpo de las represas, y la relevancia de la capacidad de regulación del sistema de represas en eventos extraordinarios .
Palabras clave: licuefacción estática, presas hídricas, árbol de fallos, caso Edenville y Sanford .
Abstract:
The article synthesizes the phenomenon of static liquefaction presented in the Edenville and Sanford dams, located in the State of Michigan in the U.S.A., to analyze the causal realizations and the external manifestations of the event through the Fault Tree methodology and the application of historical-logical and analytical- synthetic methods. The process evidenced the multicausality of the event, categorizing the causal elements as structural and non-structural; likewise, the importance of the gradation of the sandy material used for the conformation of the body of the dams, the impact of the disposition of the drainages about the saturation of the sandy material of the body of the barriers, and the relevance of the regulation capacity of the dam system in extraordinary events.
Keywords: static liquefaction, dams, fault tree, Edenville, and Sanford case.
Historial del artículo
Recibido para evaluación: 17 octubre 2022.
Aprobado para publicación: 21 noviembre 2022
1 Metro Engineering Solutions, LLC., Ingeniero Civil, https://orcid.org/0000-0001-8680- 3696
Autor de correspondencia: rrangelreyes52@gmail.com
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Introducción
El fenómeno de licuefacción estática en presas es un evento asociado a múltiples factores que desencadenan un relave, caracterizada por la degradación de materiales granulados de baja densidad con un alto grado de saturación de agua, generando un espacio susceptible a la licuación que aumenta progresivamente con el paso del tiempo (Eyyub Karakan et al. , 2018) .
La geotécnica, considera que la frecuencia de ocurrencia de este fenómeno se debe a suelos sin cohesión y con alta permeabilidad, que, ante la carga monotónicas, desarrolla una poro-presión aunado a un sobre empuje del agua, lo que resulta en el deslizamiento triaxial de los materiales del suelo (Vopilovsky et al., 2022). Es común que existan cambios de presión en la presa, pero el resultado se asocia directamente a la geometría de la presa, a las características de abatimiento y las condiciones de los materiales que la constituyen (Tapia, 2019) .
En este sentido, el diseño de la presa constituye una evidencia de análisis y la existencia de drenajes con la ruta de conducción y salida, estableciendo el cuerpo de la presa compactada o de acuerdo con su denominación en ingles embankment . Adicionalmente, la selección del material y la capacidad de desagüe de la obra de regulación de la presa. Esto destaca la relevancia de la presión del agua capilar sobre eventos adicionales que determinan la ocurrencia del fenómeno de licuefacción .
De acuerdo con las estadísticas citadas, cerca del 40% de las fallas en las presas ocurren por desbordamiento o falta de capacidad en el vertedor; la pregunta es si esto se debe a qué se eligió mal el periodo de retorno o a que a pesar de que éste fue seleccionado adecuadamente, se realizó una mala estimación del evento de diseño. En el primero de los casos resulta evidente que es imposible dimensionar una estructura infalible, pero se acepta que el riesgo de excedencia de la avenida de diseño debe minimizarse hasta donde sea posible (Ramírez, 2011) .
De acuerdo con la investigación realizada por Rodríguez-Pacheco et al. (2021) , sobra fallas en 14 presas de lodos mineros por licuefacción estática, arrojo que la mayoría de las presas han sido construidos por el método de llenado hidráulico; l os lodos estaban saturados en el momento de la licuefacción y desarrollo de la falla, y, que el nivel de agua en las presas fue más alto que el de proyecto en diferentes momentos de la construcción, llenado y en el momento de la falla. Existe la posibilidad, de analizar a través de la herramienta informática el pre y post proceso de variación de desplazamientos, aceleraciones, esfuerzos axiales, deformación y presión de poro de la masa del suelo, a través de la carga de información geométrica y geotécnica (Collahuazo & Cruz, 2017) .
En otro nivel de intervención, el empleo de un modelo de gestión de presas de depósito de relaves mejorados se enfoca a optimizar continuamente el desempeño de las prácticas de ingeniería incluyendo criterios medioambientales y de seguridad, bajo la adecuación al ciclo de planificar, hacer, verificar y actuar, propuesto por Edwards Deming (Arias Quispe, 2021). Es de interés mencionar que, existe un factor de seguridad con alto valor en la ocurrencia del fenómeno de licuefacción estática (Pastor, Tomás, Cano, & Riquelme, 2018) .
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Ahora bien, el estallido por baja presión sobre el los Grandes Lagos de Michigan, en el periodo de mayo del 2020, generó una falla de la presa Sanford y Edenville ubicadas en el condado de Midland y en la una inundación y daños severos que afecto construcciones, hogares, carreteras, infraestructuras útiles y en recursos naturales, afectando aproximadamente a 11mil residentes y 4 mil estructuras, que representan perdidas, en la evaluación preliminar, mayores a 250 millones de dólares (FEMA, 2022) .
Las represas de Edenville y Sanford eran dos represas en Michigan ubicadas en serie a lo largo del mismo río; construidas en la década de 1920, que, en el momento del fallo, solo la de Sanford se encontraba activa. La combinación de precipitaciones excesivas y problemas de mantenimiento, desencadeno una serie de daños generalizados que afectaron las adyacencias de las presas, como se puede visualizar en la figura 1 .
Figura 1
Ubicación de las presas involucradas en la falla del condado de Midland, Michigan, Estados Unidos.
Fuente: Federal Emergency Management Agency (2021) .
Los principales mecanismos se asocian por los que se desarrolla este fenómeno de licuefacción estática, en el caso de fallos en presas, se deben al sistema de drenaje, sobrepaso del nivel de agua, colapso de la fundación y erosión interna, así también, es importante considerar los elementos ambientales propios del lugar en donde se encuentre la presa. En tal efecto, el presente artículo, tiene el propósito de analizar el fenómeno de licuefacción estática, empleando el método de árbol de fallas, en las presas de Edenville y Sanford, ubicadas en el condado de Midland, Michigan.
Metodología
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Es estudio corresponde investigación observacional, documental, con un nivel analítico deductivo, empleando la metodología de árbol de fallo (Ver Figura 2) , conocido por sus siglas en ingles FTA (Fault Tree Analysis) como medio para establecer una relación causal bajo una representación gráfica de “caminos” dentro de un sistema (López Calvajar, Alonso Hernández, Mazaira Rodríguez, & Ricardo Cabrera, 2018), lo que permite distinguir los siguientes elementos del evento:
• Probabilidad del fallo del sistema.
• Vulnerabilidad del sistema.
• Consumo de recursos para el control de la vulnerabilidad.
• Reconfiguración del sistema a fin de reducir la vulnerabilidad.
• Caminos principales hacia el desastre.
• Puntos de fallos potenciales.
Figura 2
Representación del modelo árbol de fallos
Fuente: Elaboración propia del autor (2022).
La revisión teórica tuvo lugar por medio de una búsqueda científica en las bases de datos Google Académico, Scielo, Springer, Elsevier y ResearchGate. Adicionalmente, se consultaron fuentes gubernamentales asociadas al evento, como el Programa Nacional de Seguridad de Represas (NDSP) de la Agencia para el Manejo de Emergencias (FEMA), con el apoyo de la Agencia del Centro Nacional de Integración (NIC). La interpretación del caso consideró los métodos histórico-lógico y analítico-sintético .
Resultados y Discusión
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El fenómeno de licuefacción estática en las presas de Sanford y Edenville ocurrió el 20 de mayo del 2020 y fue asociado a múltiples causas. Surgieron registros gubernamentales e independientes que coincidieron en esta determinación que afectó las arenas saturadas en la sección de aguas abajo de la presa que condujo a la inestabilidad del terraplén. Este fenómeno, afecta los suelos granulares, haciéndoles perder su resistencia significativamente hasta afectar su nivel freático (Henríquez, 2007). El diseño de una presa cuenta con especificaciones que garantizan su funcionamiento tal como se detallan en la tabla 1 .
Tabla 1
Criterios en el diseño de presas de relave
Criterio
Definición
Elemento descriptivo
Condición en la Presa
Composición del Capacidad de la Plasticidad Fracción de finos 5%
material
granulometría de los suelos finos
Límite de liquidez % Humedad 2%
Índice de vací os críticos
Estado final de volumen constante
Presión de poros Frontera entre exceso de presión de poros positiva y de presión de poros negativa
Índice de vacíos: El estado en el cual el suelo SSL - línea de El análisis del suelo por
estado deformación
de
fluye continuamente bajo tensión cizallante constant e, volumen constante y velocidad constante
estado permanente
debajo de la SSL
Índice de vacíos: Es el índice de vacíos en la Ψ = e0 - ess valores negativos de ψ
Parámetro de línea de estado permanente Parámetro de
estado
bajo la tensión efectiva confinante de interés
estado = índice de vacíos inicial – índice de vacíos bajo tensión efectiva
Fuente: López-Acosta et al. (2019) .
Las presas de Sanford y Edenville no cuentan con los registros del diseño debido a la antigüedad, lo que dificulta en manejo de la información técnica sobre las patologías que pudieron originarse a partir de los materiales empleados o las especificaciones de las estructuras. No obstante, existe un registro detallado de los hechos, de acuerdo con el informe presentado por la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (2021), el 17/05/2020, tres días antes de la falla, los lagos adyacentes a las presas presentaron una disminución en su nivel de agua debido al aumento en las presas y se pronosticó lluvias significativas en los días siguientes. El 18/05/2020, dos días antes, se registraron lluvias 2,79 pulgadas en el caso de Sanford (82 %) y 3,8 pulgadas en Edenville (95 %) .
Informes indican que se realizaron algunos ajustes en las puertas, pero en el caso de Sanford la electricidad no se pudo generar y tampoco fue posible liberar agua, las
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esclusas no funcionaron, en Edenville la licencia hidroeléctrica había sido revocada . La tabla a continuación resume los niveles del lago al final del día 18 y 19 de mayo , el aumento del nivel del agua:
Tabla 2
Niveles de agua de los lagos
Presas 18/05/2020 (11:59pm) 19/05/2020 (6:00am) 19/05/2020 (tarde)
Edenville
El. 206.65 metros; 67,05 centímetros arriba nivel normal de la taza
El. 207,08 metros; 109,72 centímetros arriba
nivel normal de la taza
No disponible
Sanford El. 192,29 metros, 3,04 El. 192,54 metros; El. 192,72 metros;
centímetros arriba 27,43 centímetros 45,72 centímetros
nivel normal de la taza
arriba nivel normal de la taza
arriba del nivel normal de la taza
Fuente: Federal Emergency Management Agency (2021) .
Particularmente, en la presa Edenville, las seis puertas de aliviaderos operaron hasta el momento en que se manifestó la falla, el día 20 de mayo del 2020. Dos días antes, el lago Wixon adyacente a ambas presas, alcanzo el nivel normal de la taza, correspondiente a 205,98 metros, el día previo llegó a 206,74 metros, y el día de la falla a pesar que no se cuenta con las mediciones se estima que alcanzó 207,66 metros. En el caso de Sanford, por su ubicación recibió el flujo de salida de la presa Edenville, ya el 19 de mayo presentaba un nivel de 193,48 metros, luego el tapón fusible comenzó a erosionarse combinando su capacidad con las compuertas del aliviadero, pero estos mecanismos no fueron suficientes, ante la inundación en Edenville se desbordo la Presa Sanford como se visualiza en la figura 3 (Federal Emergency Management Agency, 2021) .
Figura 3
Fotografías del desborde del agua por la falla presentada en las Presas Sanford y Edenville ubicadas en el Estado de Michigan el 20/05/2020
Presa Sanford Presa Edenville
Fuente: Imágenes capturadas de Saginaw News (2020) y en Detroit Free Press (2021) .
Es importante destacar, que los terraplenes de las presas evidenciaron erosión y desmoronamiento, las entrevistas al personal de ingeniería indican que se
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implementaron medidas de control de erosión con barreras de turbidez, sacos de arena y geotela (Federal Emergency Management Agency, 2021). No obstante, estas medidas son insuficientes ante la erosión por corriente de descarga, pues, la falla generada por licuefacción estática de las arenas saturadas bajo el agua, generan un colapso ante la carga de corte sostenida, originando una alta presión intersticial que resulta en una pérdida de fuerza y estabilidad (France et al., 2022), como se representa en la figura 4.
Figura 4
Representación del estado de tensión sobre la falla de presa.
Fuente: Elaboración del autor a partir de la publicación del Equipo Forense (France et al., 2022)
Este comportamiento de tensión versus deformación ubica en una posición frágil a la presa debido a su edad. En este momento, la resistencia residual es muy baja para el esfuerzo y este desequilibrio de fuerzas actúa en la masa del suelo, aunado a los eventos previos y posteriores, las causas y manifestaciones de esta falla .
En este contexto, el desarrollo de una falla en presas como las descritas, corresponde a un acontecimiento multifactorial, que, en concordancia con la representación en el análisis a través del árbol de fallos, puede involucrar causas estructurales correspondientes a la construcción de la presa y elementos no estructurales que se asocian a los procesos subsecuentes a la gestión de la presa y áreas adyacentes, las cuales se representan a continuación según relaciones y probabilidades de ocurrencia en la figura 5 .
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Figura 5. Árbol de fallos del evento .
Fuente: Elaboración propia del autor (2022) .
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En relación con los mecanismos que se van desencadenando progresivamente en este fenómeno de licuefacción, los informes de Sanford y Evendille cuentan con la ocurrencia de un desbordamiento del nivel de agua que simultáneamente impulso un desprendimiento de materia y depresión de la cresta de la presa. A medida que el agua del embalse iba aumentando, se consideró la brecha controlada, pero fue aplazada, lo que genero el hundimiento de la cresta del lado izquierdo del terraplén. Es evidente como el desbordamiento del terraplén ocurre en simultaneo ante la erosión interna haciéndolo inestable. En tal efecto, a continuación, se discuten tres sucesos determinantes que son considerados como nudos críticos en los casos estudiados :
1. Gradación del material arenoso utilizado para la conformación del cuerpo de las represas
Las condiciones geomorfológicas y geológicas de las presas requieren valles amplios con macizos de cimentación muy deformables o de baja resistencia. Es importante contar con la mayor impermeabilidad posible, con un nivel de resistencia en el suelo que permita establecer una fundación y una capacidad de almacenamie nto (Gómez, 2019). En estas obras geotécnicas se requieren de tres elementos principales, como lo es el suelo de la cimentación, el material de préstamo que compone al dique de arranque y el relave almacenado, secundariamente, se consideran los materiales del terraplén, el cimiento de la presa y las condiciones de estabilidad del talud (Tuco-Huarahuara & Gonzáles-Haramboure, 2019) .
De acuerdo con la Sociedad de Presas de los Estados Unidos (2011), l as propiedades del enrocado están determinadas en gran medida por la gradación y la resistencia de la roca. Los materiales de escollera para las zonas de caparazón compactado de las represas modernas son generalmente compuestos de fragmentos de roca gruesa o cantos rodados y grava, que varían ampliamente en gradación de tamaño de partícula, pero generalmente con un tamaño máximo de 18 a 48 pulgadas, clasificación hasta finos con 20 a 40 por ciento pasando un tamiz de 1 pulgada y 5 a 15 por ciento pasando un Tamiz nº 4. La determinación del rango de gradación potencial de los materiales de escollera de la cantera los sitios para grandes represas se deben estimar mediante voladuras de prueba y rellenos de prueba, así, la gradación de escollera materiales para presas medianas y pequeñas pueden estimarse a partir de la experiencia con el formación geológica y perforación de testigos. Los terraplenes de material bien graduado tienen altos módulos de deformación y como resultado hay menos asentamiento, así como menos trituración de las partículas de roca.
Particularmente, las presas de Edenville y Sanford, cuentan con informes que presumen como mecanismos potenciales de la falla a la erosión interna en el momento en que el nivel de agua sobrepaso los niveles de la presa. L as especificaciones de construcción indican que, con suelo relativamente impermeable de grano fino colocado aguas arriba de la línea central del terraplén y un relleno más permeable colocado aguas abajo de la línea central puede crear un terraplén de dos
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zonas. Este análisis de gradación del suelo solo está disponible como una exploraci ón histórica en investigaciones posteriores a la falla, que indica el material y cimentación de la presa, que en los casos estudiados no se encontraron bolsas de grava o cantidades significativas de partículas de grava, que, de acuerdo con los análisis de gradación, las arenas funcionarían como filtros para los suelos más finos, sin la presencia de esta grava gruesa, la cara libre del terraplén y la cimentación o un tubo de desagüe de la cimentación sin filtrar, fueron las salidas de filtración más probables que permitieron la eliminación de la erosión interna (France et al., 2022) .
En este contexto, la conductibilidad hidráulica del material en función a la carga de succión del suelo debe ser cercana a nula, para evitar el flujo transitorio, y, en consecuencia, garantizar un grado de saturación o contenido volumétrico de agua cero (Macías, Vargas, & Arellano, 2018) .
2. Impacto de la disposición inadecuada de los drenajes contribuyo a la saturación del material arenoso del cuerpo de las represas
La falla en la funcionalidad de los drenajes está íntimamente ligada a la falla de erosión interna de la presa, que, en los casos estudiados, los informes históricos registraron el fluido de cimientos en las tuberías de drenajes aunado a la inexistencia de reporte de construcción de filtros en el terraplén permitiendo la salida de la arena erosionada de forma continua (Federal Emergency Management Agency, 2021) .
En este contexto, la posición del conducto de flujo libre en las condiciones de drenaje modeladas es la segunda característica más importante que influyen en la estabilidad y seguridad de los taludes de una presa. La disposición de un drenaje superficial basado en un modelo de análisis de acuerdo con las condiciones de cargas propuestas se asegura un factor de seguridad superior a 1,9 y disminuye la pos ibilidad de infiltración, lo que a su vez contribuye a mejorar la estabilidad y seguridad de los taludes de la presa tras su etapa de cierre (Tuco-Huarahuara & Gonzáles - Haramboure, 2019) .
Bajo otra perspectiva, la capacidad de drenes basales diseñados conservadoramente, cubriendo un porcentaje importante del área de cimentación, permitiendo la posible ruptura de partículas y compresibilidad de acuerdo con los niveles de tensión podría hacer viable para el manejo de la presa (Valenzuela, 2016) .
3. Importancia de la capacidad de regulación del sistema de represas en eventos extraordinarios
El concepto del periodo de retorno conjunto, fundamental en el denominado análisis de frecuencias conjunto, es muy flexible y se puede aplicar en la solución de muchos problemas que involucren la caracterización probabilística de varias variables. Este método evita la arbitrariedad en la asignación del volumen de la avenida, permitiendo obtener la solución con los efectos más desfavorables para la obra en particular, la cual se ve involucrada en el proceso de estimación de la avenida de diseño (Ramírez, 2011). En tal efecto, el cálculo de este valor es parte de seguridad hidrológica en la revisión de presas.
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En Estados Unidos se cuenta con periodos de retorno de hasta 100 años, las precipitaciones de diseño se toman como la suma de la P100 más una fracción de la diferencia entre el P100 y la PMP. No obstante, ante los cambios locales y regionales que genera el calentamiento global, este registro puede ser obsoleto. Es probable que un diseño existente o planeado, basado en el registro disponible, se convierta en menos conservador bajo un cambio de húmedo a árido debido a un aumento en la intensidad de lluvia, o bajo un cambio de árido a húmedo debido a un aumento en la profundidad de lluvia (Ponce, 2008). En el caso de las presas abordadas, se desconoce la tasa de retorno, pero de acuerdo con el autor mencionado, el periodo de retorno en años de presas como aliviadero principal oscila entre 25 a 100 años y en caso de presas como aliviadero de emergencias oscila de 100 a 10.000 años de precipitación máxima probable.
La importancia del periodo de retorno y determinar la probabilidad de que ocurra, constituyen un punto esencial en garantizar la vida útil de la presa, que tenga una duración que permita satisfacer las necesidades por la que se diseña la presa de tierra. Al seleccionar el periodo de retorno para el cálculo de capacidades y otros elementos de la obra, este criterio se da al revisar los historiales de lluvia en la zona, de modo que la selección del valor toma en consideración un evento de lluvia cuantioso. En el caso estudio, este factor pudo activar una gestión proactiva de riesgos, más en este caso donde la presa se ve bordeada por un área residencial con actividad económica.
Conclusiones
Las tres dimensiones abordadas en la discusión del caso constituyen los elementos mas relevantes a considerar en el diseño e implementación de presas bajo del modelo de tierra. La falla por licuefacción estática evidenció la insuficiencia de los mecanismos que contrarrestan este tipo de eventos, y acentúa la importancia de la información sobre el diseño y mediciones aplicadas a la gestión de los procesos en la presa.
Las presas no cuentan con una estimación acorde al cambio climático que se ha experimentado, pues en el momento en que fue diseñado para el alcance de 100 años, pero los últimos 30 años han presentado eventos extraordinarios en cuanto a lluvias torrenciales. Esto fue mermando la calidad y la vida útil de la presa, a pesar de la selección de un periodo de retorno prolongado, no se consideró otros eventos.
No existen los diseños y cálculos de las presas, pero los eventos hídricos del año 2020 sobrepasaron la estimación preexistente. La edad de las presas evidentemente ubica en desventaja a la presa ante eventos extraordinarios, pues no permite que los mecanismos de compensación sean suficien tes.
La rehabilitación de una presa conlleva a enfrentar una inversión económica cuantiosa, en muchos casos no se considera factible ante la demanda de satisfacer las necesidades que originaron la existencia de la presa y la urgencia de atender los daños generados por la falla.
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