Revista Universidad Del Quindio 2009[1]

La Revista de Investigaciones de la Universidad del Quindo (ISSN 1794-631X) es el rgano de divulgacin de la produccin cientfica de investigadores nacionales e internacionales. Es una publicacin peridica que aparece anualmente en formato de 275 mm x 220 mm con un tiraje de 1000 ejemplares por edicin. Valor de la suscripcin $20.000 para Colombia. Para los otros pases US$15,00.

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UNIVERSIDAD DEL QUINDIO Vicerrectora de Investigaciones Carrera 15 calle 12 norte. Armenia Quindo Colombia Telfono (096) 7460158 e-mail: [email protected]

Portada: Seccin transversal de hoja seca de G. angustifolia observada usando un microscopio de fluorescencia avanzada. Herrera Giraldo et al.

COMIT TCNICO EUNICE ROS VSQUEZ JHON CARLOS CASTAO OSORIO PATRICIA LANDAZURI IVN CORTS MATA COMIT CIENTFICO ANA H. LADIO (Argentina) MISAEL CORTS RODRGUEZ (Colombia) LUS SARMIENTO (Cuba) FIDEL NGEL NUEZ FERNANDEZ (Cuba) JOS LUS MARTNEZ (Chile) LUS PUENTE DAZ (Chile)

rev. investig. univ. quindio

Armenia - Quindo Colombia

Nmero 19

pp 174

2009

ISSN 1794 - 631X

Revista de Investigaciones Universidad del Quindo CONTENIDOEditorial Autor invitado Actividad cataltica de complejos de rodio (I) con ligandos bidentados a base de fsforo en reacciones de hidroformilacin de canfeno Liliana Montalvo, Alberto Bolaos, Armando Cabrera Ciencias exactas y de la tierra Cuantificacin de slice presente en el follaje de Guadua angustifolia del Departamento del Quindo Carolina Herrera-Giraldo, Milton Gmez Barrera, Maricela Saavedra Hernndez,Gerardo Fonthal Rivera, Victoria Eugenia Gonzalez Ceballos, Hernando Ariza Caldern. Caracterizacin espectroscpica y cromatogrfica de curcumina extrada de los rizomas de crcuma (Crcuma longa L.) cultivada en el Departamento del Quindo Eunice Ros V. Alba Lucia Duque C. , David Fabin Len R. Crecimiento de heteroestructuras de GaSb/GaInAsSb/GaSb por la tcnica de epitaxia en fase lquida Jos Fernando Gmez, Ana Patricia Cardona, Marianela de los Ros, Hernando Ariza Caldern Ciencias Humanas Los abuelos favoritos desde la percepcin de preadolescentes de la ciudad de Armenia Ruiz Soto Mara Claudia; Pineda Chacn Olga Mercedes; Valencia Restrepo Sandra Milena Ciencias de la Educacin Diseo de software educativo basado en competencias Manuel Fernando Caro, Ral Emiro Toscano, Filadelfia Mara Hernndez, Mara Elena David Caracterizacin del discurso pedaggico en el aula de clase de la Universidad del Quindo Carlos Alveiro Morales Osorio, Numael Mora lvarez Carcter de las prcticas pedaggicas de los estudiantes del ciclo complementario de la normal superior del Quindo en el proyecto escuela incluyente Marleny Bulla de Torres Ingenieras Aplicacin de un arreglo adaptativo de micrfonos para el realce de voz William Andrs Cadavid, Jhon Alexander Peafiel, Jorge Ivn Marn Especificacin de una plataforma de codiseo basada en DSP/FGPA para la implementacin de aplicaciones especificadas en simulink Jorge Ivn Marn, Alexander Lpez, Jhon James Quintero

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Espectros de respuesta elsticos de desplazamiento para la ciudad de Armenia, apropiados para el diseo ssmico basado directamente en desplazamientos (DBDD) Juan Carlos Aldana Carrillo, Andrs Rodrguez Meja, Hugo Monsalve Jaramillo

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Transformada wavelet y mquinas de soporte vectorial para la identificacin de arritmias 104 - 114 Diego Alejandro Tovar Salazar, Alejandro Jos Orozco Naranjo, Pablo Andrs Muoz Gutirrez, Hctor Murillo Wills, Javier Alejandro Granada, Ciencias biolgicas Composicin, estacionalidad y hbitat de los peces de la quebrada Cristales, afluente del Ro la 115 - 121 Vieja, alto cauca, Colombia. Roberto J. Garca Alzate, Carlos A. Garca-Alzate y lvaro Botero-Botero Estructura y composicin de la comunidad de orqudeas en dos zonas de la reserva natural 122 - 134 la montaa del Ocaso Quimbaya-Quindo Nhora Nitzanim Santa Jimnez, Tatyana Garca Rodrguez y Germn Daro Gmez Marn Estudio de la variabilidad de la precipitacin y la temperatura en la cuenca del ro Quindo Pedro Len Garca Reinoso, Csar Augusto Bustamante Toro, Elkin Anbal Monsalve Durango135 - 143

Hemibrycon santamartae. Una nueva especie del ro Ranchera, de la regin oriental del 144 - 150 caribe colombiano (Characiformes: Characidae). Csar Romn-Valencia, Raquel I. Ruiz-C., Carlos A. Garca-ALZATE & Donald C. Taphorn Identificacin de Bacterias que afectan el establecimiento in vitro de segmentos nodales de 151 - 158 Guadua angustifolia Kunth Lorena Alexandra Ramrez, Sandra Milena Castao, Rodolfo Lpez Ciencias Agroindustriales Evaluacin de la actividad antimicrobiana de los extractos de la planta Lippia origanoides 159 - 164 H.B.K. Cultivada en el Departamento del Quindo Julieth Henao, Leidy J. Muoz, Eunice Ros V., Leonardo Padilla, Germn Antonio Giraldo G. Ciencias de la Salud Presentacin de un caso de queratitis por Acanthamoeba, su aislamiento clnico y tratamiento 165 - 171 exitoso con antispticos en el Departamento del Quindo, y revisin de la literatura. Jhon Carlos Castao-Osorio. Instrucciones a los autores172

Revista de Investigaciones Universidad del Quindo CONTENTEditorial Visitor Catalytic Activity of Rhodium (I) Complexes with Bidentate Phosphinic Ligands in the Hydroformylation of Camphene Liliana Montalvo, Alberto Bolaos, Armando Cabrera Sciences and earth Quantification of silicon of foliage of guadua angustifolia From the Quindo Carolina Herrera-Giraldo, Milton Gmez Barrera, Maricela Saavedra Hernndez,Gerardo Fonthal Rivera, Victoria Eugenia Gonzalez Ceballos, Hernando Ariza Caldern. Spectroscopy and chromatography characterization of curcumin extracted from the rhizome of turmeric crops in the department of Quindo (Colombia) Eunice Ros V. Alba Lucia Duque C. , David Fabin Len R. Growth of GaSb/GalnAsSb/GaSb heteroestructure by Liquid Phase Epitaxy Jos Fernando Gmez, Ana Patricia Cardona, Marianela de los Ros, Hernando Ariza Caldern Human Sciences The favorite grandparents from the perception of preadolescents in Armenia city Ruiz Soto Mara Claudia; Pineda Chacn Olga Mercedes; Valencia Restrepo Sandra Milena Education Sciences Design of educational software based on skill development Manuel Fernando Caro, Ral Emiro Toscano, Filadelfia Mara Hernndez, Mara Elena David Characterization of Pedagogic discourse in the classroom at the University of Qundo Carlos Alveiro Morales Osorio, Numael Mora lvarez Character of the students' pedagogc practice in the complementary cycle at Quindo's Normal Superior in the inclusive school project Marleny Bulla de Torres Engineering Adaptive microphone array for speech enhancement William Andrs Cadavid, Jhon Alexander Peafiel, Jorge Ivn Marn Definition of a dsp/fpga co-design platform to implement applications described in simulink Jorge Ivn Marn, Alexander Lpez, Jhon James Quintero

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Elastic displacement response spectra suitable for applying direct displacement-based design (ddbd) in Armenia (Colombia) Juan Carlos Aldana Carrillo, Andrs Rodrguez Meja, Hugo Monsalve Jaramillo

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Wavelet transform and support vector machines for the arrhythmia identification 104 - 114 Diego Alejandro Tovar Salazar, Alejandro Jos Orozco Naranjo, Pablo Andrs Muoz Gutirrez, Hctor Murillo Wills, Javier Alejandro Granada, Life Sciences Composition, periodism and habitat of fishes in the cristales creek, Vieja River drainage, 115 - 121 Upper Cauca, Colombia Roberto J. Garca Alzate, Carlos A. Garca-Alzate y lvaro Botero-Botero Structure and composition of the orchids community in two zones to the Nature Reserve La 122 - 134 Montaa del Ocaso Quimbaya - Quindo Nhora Nitzanim Santa Jimnez, Tatyana Garca Rodrguez y Germn Daro Gmez Marn Study of the variability of the precipitation and temperature in the Quindio River basin Pedro Len Garca Reinoso, Csar Augusto Bustamante Toro, Elkin Anbal Monsalve Durango135 - 143

Hemibrycon santamartae: a new species from the Rancheria river of eastern Caribbean 144 - 150 Colombia (Characiformes: Characidae) Csar Romn-Valencia, Raquel I. Ruiz-C., Carlos A. Garca-ALZATE & Donald C. Taphorn Identification of bacteria affecting in vitro establishment of nodal segments of Guadua 151 - 158 angustifolia Kunth Lorena Alexandra Ramrez, Sandra Milena Castao, Rodolfo Lpez Agricultural Sciences Evaluation of antimicrobial activity of Lippia origanoides H.B.K. Plant extracts cultivated in the 159 - 164 department of Quindio Julieth Henao, Leidy J. Muoz, Eunice Ros V., Leonardo Padilla, Germn Antonio Giraldo G. Health Sciences Case report of Acanthamoeba keratitis, its clinical isolation and successful treatment with 165 - 171 antiseptics in the department of Quindio; and its literature review. Jhon Carlos Castao-Osorio.

EditorialLa publicacin de los resultados de investigacin es una parte esencial del trabajo de investigador, sin ser el punto final de su labor es el cierre de una etapa, pero adems, es el proceso por el cual coloca al servicio de la comunidad cientfica su produccin. Esta comunidad lo evala, lo juzga y lo utiliza. La publicacin en revistas de impacto confiere prestigio y credibilidad al investigador, le permite reconocimiento interno (en su mbito local) y externo (mbito nacional e internacional), y la posibilidad de obtener financiacin para nuevos proyectos; adicionalmente en pases como Colombia a los investigadores de universidades pblicas, les permite una promocin salarial. Estos beneficios de la publicacin obligan por un lado, a los investigadores a buscar revistas de calidad, de alta visibilidad e impacto, y por otro lado, obligan a los comits editoriales a ser garantes de la calidad de las publicaciones sometidas en sus revistas. Esta doble obligacin hace difcil el camino de la indexacin de las revistas universitarias, las que aun no alcanzan altos ndices de impacto reciben pocos artculos y las exigencias editoriales dejan otros tantos por fuera, impidiendo cumplir con los mnimos para lograr su indexacin, es un circulo que no puede romperse bajando la calidad editorial, pero que si puede romperse con la colaboracin de los investigadores, este editorial est dirigido a todos los investigadores amantes de los buenas prcticas cientficas y de la calidad, que quieran tener distintas posibilidades para publicar para que con sus artculos ayuden a posicionar las revistas universitarias como la presente. Patricia Landazuri, Ph.D. Editora

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Actividad cataltica de complejos de rodio (I) con ligandos bidentados a base de Fsforo en reacciones de hidroformilacin de Canfeno Catalytic Activity of Rhodium (I) Complexes with Bidentate Phosphinic Ligands in the Hydroformylation of CampheneLiliana Montalvo*, Alberto Bolaos**, Armando Cabrera***Recibido: Noviembre 30 de 2008 Aceptado: Mayo 3 de 2009 Correspondencia: Departamento de Qumica. Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y de la Educacin. Universidad del Cauca. Popayn, Colombia. Email: [email protected]

RESUMEN Se prepararon los complejos RhCl(dppe), RhCl(dppp) y RhCl(dppb) donde dppe = difenilfosfino etano, dppp = difenilfosfinopropano; dppb = difenilfosfinobutano. Estos complejos fueron usados como precursores catalticos en la reaccin de hidroformilacin de canfeno a diferentes concentraciones y temperaturas. Se encuentra que el mejor precursor cataltico es el complejo de Rodio con el ligando dppp, al parecer el ngulo P-Rh-P es muy importante en la activacin del sustrato. Palabras clave: Catlisis homognea, hidroformilacin, canfeno, difosfinas, rodio. ABSTRACT We have prepared the complexes RhCl(dppe), RhCl(dppp) and RhCl(dppb), where dppe = diphenylphosphinoethane; dppp = diphenylphosphinopropane; dppb = diphenylphosphinobutane. The above complexes were used as catalytic precursor in the hydroformylation of camphene at diferents concentrations and temperatures. It has found that the best catalytic precursor was the Rhodium complex with dppp as ligand it seems that the P-Rh-P angle is very important in substrate activation. Keywords: Homogeneous catalysis, hydroformylation, camphene, diphosphines, rhodium.

INTRODUCCIN os terpenos son una importante familia de productos naturales que se utiliza mucho en la industria del perfume. Desde que algunos de sus aldehdos han mostrado interesantes propiedades organolpticas, la hidroformilacin de terpenos ha sido muy investigada y se dispone en la actualidad de patentes y literatura sobre el tema [1,2,3,4]. La hidroformilacin representa una ruta importante para obtener aldehdos y alcoholes que son difciles de obtener por rutas sintticas convencionales. En ladcada pasada estas reacciones catalticas han tenido un especial atractivo y han sido muy utilizadasen qumica orgnica debido a que ha sido posible controlar en muchas ocasiones la quimio,

L

regio y estereoselectividad de ellas por la presencia de ligandos auxiliares de fosforo [5,6]. Recientemente se ha mostrado que la quimio y regioselectividad de sistemas allicos y propenilbencnicos catalizada por rodio depende fuertemente de las propiedades estricas y electrnicas de los ligandos y se han desarrollado sistemas catalticos para la sntesis selectiva de aldehdos lineales o ramificados [7]. Los aldehdos derivados de los monoterpenos han mostrado actividades biolgicas y fitosanitarias y han sido usadas como saborizantes, productos de perfumera y farmacuticos [8,9]. Monoterpenos como el canfeno [10,11,12,13] han sido hidroformilados en presencia de catalizadores de cobalto y rodio y con un sistema cataltico Platino Estao [1,4,13] pero se dispone de poca informacin en la literatura sobre los productos estereoisomricos alcanzados en esta reaccin.

*Departamento de Qumica. Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y de la Educacin. Universidad del Cauca. Popayn, Colombia [email protected] ** Departamento de Qumica, Facultad de Ciencias, Universidad del Valle. Apartado 25360, Cali, Colombia [email protected] *** Instituto de Qumica. Universidad Nacional Autnoma de Mxico. [email protected]

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La separacin entre las dos caras de los diastermeros del canfeno no es nada fcil y los modelos de anlisis molecular de ellas han mostrado que los dobles enlaces de las caras diastereotpicas del canfeno estn muy impedidos y que hay muy poca diferencia estrica entre ellas. La reaccin general de hidroformilacin del canfeno se observa en el esquema 1:

CO/ H 2catalizador

O H

Las reacciones de hidroformilacin de canfeno con los catalizadores: RhCl(dppe), RhCl(dppp) y RhCl(dppb) se efectuaron en las proporciones moles sustrato : moles catalizador 1000:1 y 500:1. Estas reacciones se llevaron a cabo en un minirreactor Parr 4561 de 45 mL. Para realizar estas reacciones el canfeno se diluy en 10 mls de tolueno y se le adicion el respectivo catalizador en la cantidad necesaria de acuerdo a las proporciones antes mencionadas. El sistema se purg con hidrgeno y monxido de carbono. El reactor se program a las PH2/CO = 20/20 y 10/10 bar y a las temperaturas de 120 C y 160 C con agitacin constante. Se tomaron muestras a las 5, 6, 9, 12, 15, 18 y 24 horas de reaccin con el objeto de monitorear la reaccin. RESULTADOS Y DISCUSIN Anlisis de Espectros infrarrojo de los catalizadores: De acuerdo a los datos reportados en la literatura se observa que el cloro permanece coordinado al rodio ya que la banda Rh-Cl contina observndose en los espectros de los ligandos con ligeros desplazamientos debido al efecto de coordinacin de los ligandos fosfina al rodio [15]. Por otra parte se observa la aparicin de dos nuevas bandas reportadas en la literatura como caractersticas del enlace Rh-P [16]. Reacciones de Hidroformilacin de canfeno: El canfeno fue hidroformilado con los catalizadores RhCl(dppe), RhCl(dppp) y RhCl(dppb) en las proporciones moles sustrato : moles catalizador: 1000:1 y 500:1 a las temperaturas de 120 C y 160 C y PH2/CO = 20/20 y 10/10 bar. El anlisis de estas reacciones fue hecho por cromatografa de gases y los compuestos obtenidos fueron caracterizados por GC-MS. Los productos obtenidos son: Aldehdo y Canfano. Se tomaron blancos en las condiciones anotadas y se encontr que el canfeno no sufre ninguna reaccin. Los datos obtenidos para el GC-MS son: 2-(biciclo[2,2,1]2-heptanil)acetaldehdo: 166/14 (M+); 122/75. Canfano: 2,2,3- trimetilbiciclo2,2,1heptano) 138/20 (M+); 123/15; 109/80; 95/100; 55/40. a) Catalizador RhCl(dppb): Tabla 3: Hidroformilacin canfeno : RhCl(dppb) 1000:1, PH2/CO = 20/20 bar.Tiempo (horas) 0 6 9 12 15 18 24 % canfeno % aldehdo % canfano 160 C 120 C 160 C 120 C 160 C 120 C 100 41.8 27.7 11.4 6.2 6.2 100 49.1 45.3 21.8 10.8 7.0 5.4 0 54.1 53.1 71.1 79.0 79.1 0 50.9 54.7 72.8 84.2 88.4 91.0 0 4.13 19.3 17.4 14.8 14.7 0 0 0 5.4 5.0 5.6 3.5

+

Esquema 1: Productos obtenidos en la reaccin de hidroformilacin del canfeno

MATERIALES Y MTODOS Los complejos RhCl(dppe); RhCl(dppp) y RhCl(dppb) fueron sintetizados de la siguiente forma [14]: En un baln de 250 mL de 3 bocas, se adicionaron 60 ml de acetona, la solucin se purg con nitrgeno durante 5 minutos, para eliminar el oxgeno presente y dependiendo del ligando se procedi as: Tabla 1: Proporciones Estequiomtricas utilizadas para obtener catalizadoresRhCl 3.3H2 O Ligando Precipitado (mmol) (mmol) 0.447 0.3234 0.4982 1.073 0.6973 0.9570 amarillo amarillo amarillo Catalizador [RhCl(dppe)] [RhCl(dppp)] [RhCl(dppb)]

Rendimiento 60% 64% 65%

La espectroscopia infrarrojo mostr las siguientes bandas: Tabla 2: Asignacin de bandas para los catalizadores RhCl(dppe); RhCl(dppp); RhCl(dppb)Catalizador [RhCl(dppe)] Banda (cm-1) 323.98 296.8 257.4 342.43 296.98 230.45 308.55 285.41 267.09 Asignacin Rh-Cl Rh-P (cis) Rh-Cl Rh-P (cis) Rh-Cl Rh-P (cis)

[RhCl(dppp)]

[RhCl(dppb)]


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La reaccin de hidroformilacin de canfeno con este catalizador a la temperatura de 120 C, sustrato:catalizador 1000:1 y PH2/CO = 20/20 bar y 10/10 bar muestra que a una mayor relacin PH2/CO se produce una mayor cantidad de aldehdo, mientras que a una menor relacin PH2/CO permanece sin reaccionar un poco menos de un 50%. Al varar las proporciones sustrato: catalizador de 1000:1 a 500:1 , a la temperatura de 120 C y PH2/CO = 10/10 bar, se observa que en ambas reacciones casi el 50% de canfeno permanece sin reaccionar, sugiriendo que sta no es una buena PH2/CO para hidroformilar este sustrato. b) Promotor RhCl(dppp): Tabla 5: Hidroformilacin canfeno : RhCl(dppp) T = 120 C, PH2/CO = 10/10 bar.Tiempo (horas) 0 6 9 13 15 18 20 % canfeno 1000:1 500:1 100 80.87 77.8 70 63.4 42.36 100 100 99 83.43 75.8 52.7 % aldehdo 1000:1 500:1 0 19.13 22.1 30 34.34 54 0 0 1 16.57 24.2 47.2 % canfano 1000:1 500:1 0 0 0 0 1.98 3.8 0 0 0 0 0 0

Cuando se realiza la reaccin de hidroformilacin de canfeno con este catalizador, a las condiciones dadas, se observa que el canfeno se consume casi completamente a las 24 horas de reaccin, independiente de la temperatura, pero a menor temperatura la reaccin procede casi en su totalidad hacia la formacin de aldehdo, mientras que a mayor temperatura se favorece la reaccin indeseada, la hidrogenacin. Tabla 4: Hidroformilacin canfeno : RhCl(dppb) T = 120 C, PH2/CO = 10/10 bar.% canfeno Tiempo 1000:1 500:1 (horas) 0 100 100 5 100 81 83.3 80.7 9 13 15 18 25 76.2 67.2 57.2 47.4 60.6 57.8 48.7 % aldehdo 1000:1 500:1 0 0 16.7 20.7 26.1 42.8 50.1 0 19 19.3 36.4 37.4 51.3 % canfano 1000:1 500:1 0 0 0 3 6.6 0 1.46 0 0 0 3.1 4.8 0


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Tabla 6: Hidroformilacin canfeno : RhCl(dppp) T = 120 C, PH2/CO = 20/20 barTiempo (horas) 0 5 9 14 15 18 24 % canfeno 1000:1 500:1 100 71.5 100 58.6 22.1 7.64 6.41 % aldehdo 1000:1 500:1 0 27 0 41.4 78.1 88.5 91 % canfano 1000:1 500:1 0 1.6 0 0 0 3.9 2.6

menor concentracin de catalizador para que la reaccin suceda aproximadamente en un 90%. c) Promotor RhCl(dppe): Con este catalizador no se presenta producto de hidroformilacin. En todas las reacciones efectuadas se observa que a una mayor concentracin de catalizador se favorece la reaccin de hidrogenacin, lo que sugiere un cambio en la selectividad de la reaccin. Se ha reportado que cuando la concentracin de rodio es alta, se forma una especie de rodio carbonilo desconocida a partir del hidruro de rodio, que es poco activa para la hidroformilacin [17]. La literatura reporta que el ngulo mordida de las difosfinas ejerce una influencia significativa en la velocidad de reaccin, encontrndose que los ngulos mordida mayores favorecen la formacin de aldehdos [18]. Los ngulo mordida P-Rh-P son: 85 para Rh-dppe; 91 para Rh-dppp y 95 para Rh-dppb, formndose anillos de cinco, seis y siete miembros [19]. CONCLUSIONES El espectro infrarrojo de los complejos RhCl(dppe); RhCl(dppp) y RhCl(dppb) muestra que se ha producido la coordinacin del ligando bidentado de fsforo al rodio. En las reacciones efectuadas se observa la tendencia de que las reacciones suceden mejor a una mayor PH2/CO, evidencindose una formacin casi completa de aldehdo. Estas reacciones son independientes de la concentracin de catalizador, lo que sugiere que ste es un factor determinante. Las reacciones efectuadas con el catalizador RhCl(dppe) no presentan ningn producto de reaccin, lo que confirma la estabilidad de los anillos de cinco miembros. En todas las reacciones efectuadas se observa que a una mayor concentracin de catalizador se acelera la reaccin de hidroformilacin y se inhibe por completo la reaccin de hidrogenacin. El aumento de temperatura favorece la reaccin indeseada de hidrogenacin, se sugiere que el catalizador puede cambiar de selectividad con este factor.

61 34.9 20.1

39 65.1 78.5

0 0 1.3

La reaccin de hidroformilacin de canfeno con este catalizador a la temperatura de 120 C, sustrato:catalizador 1000:1, 500:1 y PH2/CO = 10/10 bar no presenta cambios significativos en los resultados, aunque a una mayor proporcin de catalizador no se observa producto de hidrogenacin. Al varar la PH2/CO a 20/20 bar se observa que a una mayor concentracin de catalizador la reaccin procede en un 90% a la formacin de aldehdo, sugiriendo que esta presin es la ms adecuada en esta reaccin. Cuando se comparan los resultados obtenidos en la hidroformilacin de canfeno con ambos catalizadores se observa que la mejor relacin es la de PH2/CO = 20/20 bar, p e ro q u e co n e l R h C l ( d p p b ) s e re q u i e re u n a

AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a la Universidad del Cauca, a la Universidad del Valle y a la Universidad Nacional Autnoma de Mxico por la colaboracin prestada para la realizacin de esta investigacin.


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BIBLIOGRAFA

(1) Gusevskaya EV, dos Santos EN, Augusti R, Dias AO, Foca CM. Platinum/Tin catalyzed hydroformylation of naturally occurring monoterpenes. J. Mol. Catal. A 2000, 152, 15-24. (2) Dias AO, Augusti R, dos Santos EN, Gusevskaya E. Convenient one-pot syntheses of 4,8-dimethyl-biyclo[3,3,1]-non-7-en-2ol. Tetrahedron Lett. 1997 38, 41-4. (3) Barros H, Ospina ML, Arguello E, Rocha WE, Gusevskaya EV, dos Santos EN. Rhodium catalyzed hydroformylation of pinene and camphene: effect of phosphorous ligands and reaction conditions on diastereoselectivity. J. Organomet. Chem., 2003, 671, 150-7. (4) Foca CM, dos Santos EN, Gusevskaya EV. Diastereoselective hydroformylation of camphene catalyzed by platinum/tin complexes. J. Mol. Catal. A, 2002, 185, 17-23. (5) Van Leeuwen PWNM, Claver C. Editors, Rhodium Catalyzed Hydroformylation, Kluwer Academic Publisher, Dordrecht, 2000, p.87-102 ISBN 07923-6551. (6) Breit B, Seiche W, Recent Advances in Chemo-Regio-and Stereoselective Hydroformylation. Synthesis, 2001, 1-36. (7) da Silva AC, de Oliveira KCB, Gusevskaya EV, dos Santos EN, Rhodium catalyzed hydroformylation of allylbenzenes and propenylbenzenes: effect of phosphine and diphosphine ligands on chemo- and regioselectivity. J. Mol. Catal. 2002, 179, 133-141. (8) Erman WE, Chemistry of the Monoterpenes. An Encyclopedic Handbook, Marcel Dekker, New York 1985. (9) Chalk AJ, Rylander PN, Greenfield H, Augustine RL. Editors, Catalysis of Organic Reactions 22, Marcel Dekker, New York, 1988. (10) Gusevskaya EV. Organometallic catalysis: Some contributions to organic synthesis. Quim. Nova, 2003, 26 (2), 242-8. (11) Hagen J, Bruns K, Henkel K, Patent DE 2849742, 1980. (12) Yuan K, Yuanqi Y, Cuihua F. 1989, 3, 262 Chem. Abstr, 114:6831 r. (13) Kollr L, Bdi G. Hydroformylation of Terpenes and Sesquiterpenes. Chirality 1995, 1, 121-6. (14) Montalvo L, Bolaos A, Cabrera A. Sntesis de catalizadores de rodio (I) con ligandos bidentados basados en fsforo y su actividad cataltica en reacciones de hidroformilacin de 1,5- ciclooctadieno. El hombre y la maquina, 2006, 27 (XVIII), 8693. (15)Jennings MA, Wojcicki, Thyocianato complexes of rhodium (I). Inorg. Chem., 1967, 6, 1854-9. (16) Brown J, Kent A. Structural characterization in solution of intermediates in rhodium-catalyzed hydroformylation and their interconversion pathways. J. Chem. Soc., Perkin Trans., 1987, 2, 1597-1607. (17) Bronger RPJ, Kamer PCJ, Van Leeuwen PWNM, Influence of the Bite angle on the Hydroformylation of Internal Olefins to linear Aldehydes. Organometallic, 2003, 22 (25), 5358-69. (18)Casey C.P, Petrovich LM. Chelating diphosphine rhodium catalyzed deuterioformylation of 1-hexene: Control of regiochemistry by the kinetic ratio of alkyl rhodium species formed by hydride addition to complexed alkene. J.Am.Chem.Soc., 1995, 117, 6007-14. (19) Rocha Gonsalvez A, Bayn JC, Pereira MM, Serra MES, Pereira JPR. Assymmetric transfer hydrogenation of acrylic acids catalyzed by rhodium (I) complexes of diphosphine ligands. J. Organomet. Chem., 1998, 553, 199-204.


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Cuantificacin de slice presente en el follaje de guadua angustifolia Del departamento del Quindo Quantification of silicon of foliage of guadua angustifolia From the QuindoCarolina Herrera-Giraldo*, Milton Gmez Barrera**, Maricela Saavedra Hernndez***, Gerardo Fonthal Rivera****, Victoria Eugenia Gonzalez Ceballos****, Hernando Ariza Caldern****Recibido: Marzo 15 de 2009 Aceptado: Septiembre 30 de 2009 Correspondencia: Cra. 15 Clle. 12N Universidad del Quindo, Instituto Interdisciplinario de las Ciencias, Semillero de Investigacin en Guadua.

RESUMEN Se presenta un estudio sobre la cuantificacin del Slice en el follaje de Guadua angustifolia. Por tcnicas gravimtricas se encontr que el porcentaje de Slice en El Sendero Cedro Rosado fue de 2.59% en base seca, en ceniza, mientras que la muestra procedente de la Reserva Natural La Montaa del Ocaso tiene una concentracin de 1.70%. Mediante el SEM y por microscopa de fluorescencia avanzada, se obtuvo que el Slice se deposita en los haces vasculares de la hoja y en menor proporcin entre las clulas largas. Dado que la densidad de las clulas silceas disminuye desde el centro de la hoja hacia los bordes y hacia el pice, concluimos que la presencia del Slice en la parte foliar de la G. angustifolia tiene funciones de estabilidad mecnica de los tejidos. Palabras clave: Guadua angustifolia, Poaceae, hoja, cuantificacin de slice, Quindo, SEM, tcnicas gravimtricas, microscopio de fluorescencia. ABSTRACT A study about silica quantification in the bamboo foliage of Guadua angustifolia is presented. Through gravimetric techniques, it was found that silica percentage at the Sendero Cedro Rosado was 2.59% in dry weight basis (in ash), while the sample from the Natural Reserve La Montaa del Ocaso had a concentration of 1.70%. Through SEM and advanced fluorescent microscopy, it was found that Silica is deposited in the vascular bundles of the leaves and in lesser proportion within large cells. Due to the diminishing of the density of the silica cells from the center toward the edges and apexes, we concluded that the presence of Silica in the bamboo foliage of Guadua angustifolia has functions of tissue mechanic stability. Keywords: Guadua angustifolia, Poaceae, leaf, Silica quantification, Quindo, SEM, gravimetric techniques, fluorescent microscopy. INTRODUCCIN no de los compuestos qumicos que se encuentra en mayor concentracin en la familia Poaceae es el Slice, y esta densidad es una de las caractersticas ms predominantes en dicha familia (Motomura, 2004). Las investigaciones qumicas de las gramneas han demostrado que el Slice se deposita en los tejidos de las hojas y en las inflorescencias y su acumulacin aumenta significativamente durante su desarrollo, hasta alcanzar su madurez (3 aos), continuando con un leve aumento en la senescencia (Motomura, 2002). continuando con un leve aumento en la senescencia (Motomura, 2002). Se conocen como cuerpos silceos aquellos discretos depsitos de Slice en las clulas silceas de la epidermis. Estos cuerpos slidos opalinos o fitolitos de palo tienen formas diversas y se depositan en el lumen de los idioblastos o clulas silceas especficas y especializadas en diferentes proporciones segn el tipo de planta; las gramneas, por ejemplo, pueden acumular diez o veinte veces ms cantidad de fitolitos que las leguminosas (Jones & Handreck, 1965 citado en Londoo & Kobayashi, 1991).

U

* Investigadora, Semillero de Investigacin en Guadua, Instituto Interdisciplinario de las Ciencias, Universidad del Quindo, ** Laboratorio Qumica Analtica, Programa de Qumica, Universidad del Quindo, *** Semillero de Investigacin en Guadua Instituto Interdisciplinario de las Ciencias, Universidad del Quindo, **** Instituto Interdisciplinario de las Ciencias, Universidad del Quindo.


- 15 - Cuantificacin de Slice en Guadua

Estos fitolitos se dan como resultado de la absorcin del Slice del suelo por medio de la hidratacin en forma de cido siliclico y es acumulado, segn Motomura et al. (2005), en mayor concentracin en la parte area como Slice hidratado amorfo. Adems, se ha propuesto que la absorcin es controlada por la planta hacia el incremento de la estabilidad mecnica de sus tejidos (Balasta et al., 1989, citado en Motomura, 2002) y para suministrar proteccin contra microorganismos y algunos herbvoros (Belanger et al., 1995, Marscher, 1995). En el gnero Guadua, al que pertenece la Guadua angustifolia Kunth, los cuerpos silceos presentan la tpica forma de silla de montar, verticalmente elongados, estrechos en la parte media y anchos en el extremo superior e inferior, presentando una marcada prominencia en ambos extremos (Londoo & Kobayashi, 1991). El presente estudio pretende cuantificar el Slice de las hojas de la G. angustifolia y precisar la ubicacin de ste dentro de la misma, mediante la utilizacin de tcnicas gravimtricas, rayos X, Microscopio Electrnico de Barrido (SEM) y Microscopio de Fluorescencia Avanzada. MATERIALES Y MTODOS Material vegetal: Las muestras de follaje de G. angustifolia fueron colectadas a partir de Guaduas en edades de corte (tres y cinco aos) en La reserva natural "La Montaa del Ocaso", la cual es una selva secundaria intervenida que se encuentra ubicada en el Municipio de Quimbaya, departamento del Quindo, entre las cordilleras central y occidental de la regin Andina Colombiana; a una altitud que oscila entre 975 y 1100 m, entre los 4 34 Latitud Norte, y 75 51 Longitud Oeste. Tiene una precipitacin de 1691 mm/ao, una temperatura media de 24C y una humedad relativa de 76 %. Tambin se colectaron muestras de El Sendero Cedro Rosado, el cual es un bosque hmedo con rboles de gran porte y guaduales que se encuentra ubicado en la ciudad de Armenia, a una altitud de 1490 a 1530 m, entre los 4 32` latitud norte y 75 40` longitud oeste, con una temperatura promedio de 19.5 C, una precipitacin de 2436 mm/ao y una humedad relativa de 65-75%. Estas muestras fueron prensadas, secadas y trituradas para los anlisis posteriores. Gravimetra: La cuantificacin de Slice en las cenizas de follaje de G. angustifolia, se realiz mediante la tcnica de determinacin de cenizas y de cenizas sulfatadas en carotenos propuesta por Gaviria y Caldern (1988) y adecuadas para nuestras muestras. Se pesaron 5.0000 g de material vegetal

previamente desecado y triturado. Luego, con ayuda de una pequea llama, se calentaron hasta obtener un producto carbonoso al cual se le agregaron 2.0 mL de cido sulfrico. Posteriormente, se pas a la mufla y se calcin a 700 0 C durante siete horas. De estas cenizas sulfatadas se tomaron 0.2000 g y se les hizo digestin con 10.0 mL de cido clorhdrico y 3.0 mL de cido ntrico. Finalmente, por anlisis gravimtrico se obtuvo el porcentaje de Slice. Anlisis microscpico y rayos X: Se utiliz el microscopio electrnico de barrido (SEM; JEOL 5910 LV) para las observaciones de las clulas silceas en la superficie adaxial y abaxial de la hoja seca y madura de G. angustifolia, cubierta con oro y dividida en tres secciones: basal, media y apical. Para la identificacin de las clulas silceas a nivel tisular, se utiliz el microscopio de fluorescencia avanzada (Olympus IX81 invertido). Se hicieron cortes longitudinales y transversales del follaje e inmediatamente, se montaron al microscopio sin ningn tratamiento. Los patrones de difraccin de rayos X (DrX) fueron registrados usando un difractmetro Bruker D8 advance con radiacin K Cu (35kV, 30mA) tamao de paso de 0.01 y 3s por paso sobre el rango de 10 P (4). p ) qm = Esta divisin en subespacio da origen a diversas tcnicas que utilizan, ya sea el subespacio de seal o el subespacio de ruido (6); en este documento slo se describen las tcnicas relacionadas con el subespacio de ruido, debido a la alta resolucin que mostraron en las simulaciones. Los mtodos basados en subespacio de ruido se basan en la propiedad que los vectores gua son ortogonales a cualquier combinacin


- 74 - arreglo de micrfonos para realce de voz

lineal de los autovectores de ruido y pueden ser de dos tipos: Mtodos de bsqueda y algebraicos. 1) Mtodos basados en Bsqueda: Se basan en el clculo del pseudoespectro cuyos picos mximos indican la ubicacin espacial de las seales. El prefijo pseudo se debe a que no brinda informacin acerca de la potencia de la seal en las direcciones de los picos mximos. Entre estos mtodos, uno de los ms populares es el Algoritmo de Clasificacin de Mltiple Seal MUSIC (por sus siglas en ingls Mltiple Signal Classification). Este mtodo usa todos los autovectores del subespacio de ruido, realizando una sumatoria para tener un mejor refinamiento (4). Este mtodo no es tan sensible a errores en la estimacin de los autovectores de ruido. El pseudoespectro se puede calcular a travs de (4):

HARDWARE De acuerdo con el esquema de la Fig. 2, el sistema consta de un arreglo de micrfonos, y un DSP. La frecuencia de muestreo para el caso de seales de voz sin prdida de informacin es 8kHz. El procesador digital de seales (DSP) con el que se realizan las pruebas es el TMS320C6701 que permite trabajar en punto flotante. Este DSP consta de una entrada de micrfono estreo que puede partirse en dos entradas monofnicas con las que se realizan las pruebas. Para el propsito de implementacin el nmero de micrfonos es M=2.

TMS320C6701 T MS 320C6701

S (f )= ( ) q m ) v (f

H m= P+ 1

M

2

A A1

(13)

2) Mtodos Algebraicos: El procedimiento de bsqueda que se realiza en los mtodos anteriores se puede remplazar por un algoritmo de solucin de races. En la versin algebraica del algoritmo MUSIC vlida para arreglos lineales uniformes, tambin llamada RootMUSIC, se genera el polinomio R(z), correspondiente a la transformada z-espacial del denominador del pseudoespectro MUSIC. Este polinomio es de orden 2M-2 y tiene M-1 pares de races, donde cada par posee una de las races dentro del crculo unidad y una fuera de l. Las P races ms cercanas al crculo unitario corresponden a las exponenciales con los respectivos ngulos, de tal forma que la solucin para las DOA est dada por : para i=1...P. 1

A

Figura 2: Diagrama de bloques del sistema.

f ( 2 lz i ) sen i = p d

DETERMINACIN DEL NMERO DE FUENTES Para realizar una exitosa separacin de los dos subespacios, es necesario conocer el nmero de fuentes P. Los M-P autovalores ms pequeos de R x deben ser en teora iguales, debido a que corresponden a los autovalores de ruido. Por tanto, determinar cuntos de los autovalores son iguales, resuelve el problema de encontrar el nmero de fuentes.Para llevar a cabo esta tarea se utilizan los mtodos AIC (Akaike's Information Criterion) y el MDL (Minimun Desciption Length Criterion). Ambos minimizan un criterio sobre el nmero de fuentes detectable. En este trabajo se explor el mtodo MDL que se encuentra descrito en (5). METODOLOGA En esta seccin se indican las tcnicas y algoritmos que fueron necesarios para la construccin del sistema, que basado en arreglo de micrfonos, permite el realce de la voz de un hablante en tiempo real.

SOFTWARE El lenguaje utilizado para codificar los algoritmos es C y no ensamblador, debido en parte a la simplicidad y a que el compilador de C del entorno de desarrollo CodeComposer permite obtener un cdigo altamente optimizado con un desempeo comparable al generado a partir de ensamblador. En la Fig. 3 se muestran los diagramas de flujo para realizar la formacin de haz clsica (o formacin enventanada) y ptima. De acuerdo a la figura, el sistema funciona bajo la tcnica de DMA (Acceso directo a memoria) de doble buffer para la adquisicin de la seal. La Fig. 3b, muestra la rutina de servicio de interrupcin asociada al fin de captura por DMA. En dicha rutina, cada vez que se lee un bloque, ste se procesa con los pesos actuales, y solo cuando la bandera Band es igual a cero se almacena el bloque de datos capturado en un arreglo temporal, que es usado por la rutina principal (main) para actualizar los pesos. En la rutina principal (Fig. 3a), se indica como la actualizacin de los pesos se realiza una vez haya un bloque listo (la bandera Band est en 1). Este esquema de codificar el sistema permite la ejecucin en tiempo real, pues paralelo a la captura de los datos se realiza la actualizacin de los pesos.


- 75 - Cadavid, W. A. et al.

MAIN InicializarADC, DMA, Pesos (c)

ISR_FIN_DMA Iniciar captura DMA Transformador Hilbert S Band==0 No Almacenar bloque para calcular pesos Band=1 Calcular salida usando pesos FIN_ISR

Band=0 Iniciar captura DMA

Band==1 S Calcular pesos Band=0

No

Figura 3: Diagrama de flujo. a)Programa Principal b)Rutina de Servicio de Interrupcin por finalizacin de captura de un bloque.

La rutina cuyo tiempo de ejecucin es crtico, es la funcin para el clculo de la salida. En la rutina principal, el bloque denominado calcular pesos realiza el procedimiento de la Fig. 4. Los nmeros que se muestran junto con los bloques en cada paso del clculo de los pesos ptimos son los tiempos mximos en segundos que se tarda dicha rutina al ejecutarse en el DSP, para un bloque de 2000 muestras por cada canal. El tiempo mximo total es Tt=79.1ms. Como la captura de las 2000 muestras se tarda 250ms, es posible recalcular los pesos en cada bloque y por tanto se puede garantizar el funcionamiento del sistema en tiempo real. El bloque NOS de la Fig. 4 calcula el nmero de fuentes utilizando el criterio MDL, mientras que el bloque FEST calcula los ngulos de llegada empleando el algoritmo Root

MUSIC, y a partir del ngulo de inters se genera el vector de respuesta en la direccin deseada con la funcin GENERAR V, que hace uso de los algoritmos indicados en la seccin 2.3. RESULTADOS Y DISCUSIN Los resultados de simulaciones realizadas en Matlab permitieron escoger los parmetros ms acordes para la implementacin: 2000 snapshots, el criterio MDL, el algoritmo RootMUSIC. Para el caso de dos micrfonos (M=2) el nmero de fuentes mximo que puede detectar el algoritmo es P=1. En la tabla 1 se muestra el nmero de xitos del criterio MDL para un conjunto de 100 pruebas utilizando en cada una 2000 snapshots y una fuente a diversas SNR.



6.5E-5 Formar X compleja

2.0E-4 Generar matriz aumentada

2.927E-3 Calcular inversa Calcular EVD 2.603E-2

2.04E-4 Organizar y disminuir inversa Organizar y disminuir NOS FEST GENERAR V

2.04E-4

8.66E-4 1.9E-2 3.31E-4 Calcular pesos ptimos

1.24E-4

Figura 4: Clculo en el DSP de los pesos ptimos. Tabla 1: Resultados del MDLSNR dB 0 10 20 Nmero de xitos 64% 100% 100%0dB SNR -80o

Tabla 2: resultados del RootMUSICNGULO REAL -60o

-40

o

-20 o 0 o

20 o 21.4 20.0 19.9

40 o

60 o

80 o 25.0 80.6 80.0

-30.2 -68.3 -32.5 -18.5 1.2

38.7 58.1 39.9 39.8 40.0 60.0

10dB -80.4 -60.1 -40.0 -20.0 0.0 20dB -80.0 -60.0 -39.9 -20.0 0.0

Los resultados de la implementacin para este algoritmo se probaron utilizando una fuente acstica, mostrando que para un nivel de seal de entrada mayor que 15dB en un ambiente con poco ruido el algoritmo identifica la presencia de dicha fuente. Los resultados de la DOA utilizando el RootMUSIC empleando la divisin subbanda mostrada en (1) se muestran en la tabla 2. Para el caso de la implementacin, s se tiene un nivel de seal de entrada mayor que 15dB en un ambiente con poco ruido, los ngulos tienen una desviacin de 25 alrededor del ngulo real.

En la Fig. 5 se muestra el patrn de haz del formador ptimo para una simulacin que consisti en ubicar la seal de inters a 15 con SNR=20dB y una interferencia en la direccin 30 a SNR=50dB. Cada una de las grficas corresponde a una diferente regin de frecuencia (descomposicin subbanda). Se encuentra que el formador de haz es capaz de atenuar la interferencia directiva ubicada a 30 en las bandas de ms alta frecuencia, y solo para las dos bandas ms altas, el formador es capaz de direccionar el lbulo principal hacia la direccin de inters.


- 77 - Cadavid, W. A. et al.

Las pruebas realizadas con el DSP muestran que al utilizar el formador enventanado se puede eliminar casi cualquier interferencia que se encuentre a 50 desde la direccin de la seal deseada, incluso con potencias similares a la de la seal

de inters. Los resultados son muy alentadores, ya que a pesar de realizar la implementacin utilizando tan slo dos micrfonos se obtiene selectividad espacial y el consecuente realce de voz.

10 0

50 0

dB

-10f=485Hz

dB-50f=693Hz

-20 -100 50 0 50 0 50 100

-100 -100 50 0f=991Hz

50

0

50

100

dB

-50 -100 -100 50 0

dB-50 -100 50 0 50 100 50 0 -100 50 0 50 100

f=1416Hz

dB

-50 -100 -100f=2023Hz

dB-50 -100 0 50 100 -100f=2890Hz

50

50

0

50

100

Figura 5: Formacin de haz ptima en subbanda para M=2. CONCLUSIONES Los resultados de la simulacin indican que la separacin entre micrfonos con mejor desempeo para las seales acsticas bajo prueba y los entornos planteados es d=0.11m. Se encontr que el clculo de la DOA est afectado por la condicin de campo cercano, efectos de banda ancha y errores de cuantizacin, convirtindose ste ltimo en el parmetro ms crtico del sistema. Al comparar el tiempo de procesamiento para el clculo de los pesos ptimos, para un bloque capturado de 2000 muestras, con el tiempo de captura de dicho bloque, se identific que es posible recalcular los pesos sin desechar informacin y garantizar el funcionamiento del sistema en tiempo real. Se mostr que un sistema basado en arreglo de micrfonos permite realzar la voz, obteniendo un incremento significativo de la SINR respecto a la que se obtiene si se emplea un nico sensor con similares caractersticas a los utilizados por el arreglo.

AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a la emisora cultural de la Universidad del Quindo, la UFM Estereo, por el prstamo de los estudios de grabacin durante las fases de prueba y ajuste del sistema desarrollado.



BIBLIOGRAFA (1) Campbell D. K. Adaptive Beamforming Using a Microphone Array for Hands-Free Telephony, PhD thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University; 1999. (2) Applebaum S. P. Adaptive arrays. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1976;24: 585598. (3) Van Veen B, Buckley K. M. Beamforming Techniques for Spatial Filtering. En: Madisetti V. K, Williams D, editores. The Digital Signal Processing Handbook. 11th ed. New York: CRC Press; 1999. (4) Vinay K. I, Manolakis D. G, Stephen M. K. Statistical and Adaptive Signal Processing. McGraw Hill Education; 2000. (5) Williams B. D. Detection: Determining the Number of Sources. En: Madisetti V. K, Williams D, editores. The Digital Signal Processing Handbook. 11 ed. New York: CRC Press; 1999. (6) Gonen E, Mendel J. M. Subspace-Based Direction Finding Methods. En: Madisetti V. K, Williams D, editores. The Digital Signal Processing Handbook. 11th ed. New York: CRC Press; 1999. (7)Proakis J. G. Digital Signal Processing. Principles, Algorithms, and Applications. New Jersey: Prentice Hall; 1996. (8) Van Veen B, Buckley K. M. Beamforming: A versatile approach to spatial filtering. IEEE ASSP Magazine. 1988;5:4-24. (9) Harris F.J, Buckley K. M. On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform. Proc. IEEE, 66; January 1978.


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Especificacin de una plataforma de codiseo basada en dsp/fgpa para la implementacin de aplicaciones especificadas en simulink Definition of a dsp/fpga co-design platform to implement applications described in simulinkJorge Ivn Marn*, Alexander Lpez*, Jhon James Quintero*Recibido: Febrero 2 de 2009 Aceptado: Junio 1 de 2009 Correspondencia: Programa de Ingeniera Electrnica, Universidad del Quindo, Avenida Bolivar Calle 12 norte Armenia Quindo. Email: [email protected]

Resumen Se presenta la especificacin del diseo de una arquitectura para el codiseo de aplicaciones de tratamiento digital de seales que parte de la especificacin del sistema modelado en Simulink de Matlab. La arquitectura est compuesta por un DSP de punto fijo y una FPGA. Se construy un traductor o parser que traduce un modelo de Simulink a sus funciones equivalentes en lenguaje C y entidades en VHDL, que son posteriormente compiladas y descargadas al DSP y FPGA, respectivamente. Adicionalmente, fue necesario construir un sistema o kernel de planificacin de la ejecucin de las tareas y la comunicacin entre entidades hardware/software. Se detalla el modelo del sistema, y los diseos del kernel, hardware y parser. Palabras claves: Codiseo, Procesador Digital de Seales, DSP, Arreglos Programables en Campo, FPGA Abstract In this paper, architecture for co-design of signal processing applications from a model based on Simulink-Matlab is presented. This architecture is composed by a fixed-point Digital Signal Processor (DSP) and a Field Programmable Gate Array (FPGA). A parser translates the model specified on Simulink into C language routines or VHDL entities, which are compiled and downloaded to the DSP and the FPGA, respectively. Also, a kernel inside the DSP is responsible for task scheduling and communication of the hardware/software entities. The model of this system and the design of its kernel, hardware and parser are described. Keywords: Co-design, Digital Signal Processor, DSP, Field Programmable Gate Array, FPGA

INTRODUCCIN l desarrollo de sistemas empleando tecnologas que combinan procesadores convencionales o DSP con hardware configurable como una FPGA ha adquirido, en los ltimos aos, una relativa importancia para el desarrollo de aplicaciones de tratamiento digital de la seal (1), principalmente en aquellos sistemas que implican un alto costo computacional como son los sistemas de procesamiento de video o la integracin de seales de voz e imgenes con telecomunicaciones (2). La metodologa de ms amplia difusin para el diseo de estos sistemas es el codiseo. Codiseo se refiere al diseo simultneo del

E

hardware y el software, y es una estrategia que le permite a los desarrolladores evaluar diferentes alternativas y estructuras antes de obtener el prototipo final. Esta estrategia demanda herramientas que soporten la representacin unificada del proceso hardware-software, la simulacin heterogenea a diferentes niveles y la sntesis del hardware-software (3). Adicionalmente, dos tareas claves para la automatizacin del procedimiento de codiseo es la particin de los bloques funcionales y la planificacin de la ejecucin de dichos mdulos (2). Por otra parte, es indudable que Matlab es la herramienta de ms amplia difusin para la exploracin de alternativas de

* Programa de Ingeniera Electrnica, Grupo GDSPROC, Universidad del Quindo. e-mail: [email protected].


- 80 - Plataforma de Codiseo Simulink/DSP/FPGA

desarrollo de una aplicacin de procesamiento digital de seales, y su entorno de simulacin Simulink, se constituye en una de las formas ms apropiadas de representar y simular un sistema complejo. Por consiguiente, para utilizar Matlab como una herramienta de codiseo completa, sera necesario adicionarle componentes que permitan el particionamiento de los bloques funcionales en implementaciones hardware o software, y una arquitectura de implementacin, en la cual se lleve a cabo el proceso de planificacin de la ejecucin. Este trabajo est orientado hacia el diseo de una herramienta de codiseo que permita partir de la especificacin de un modelo de sistema dado en Simulink. Para conseguir este propsito este proyecto est divido en dos fases. La primera consiste en la especificacin y diseo de la arquitectura de implementacin basada en tecnologa DSP y FPGA. Se seleccionaron estas dos tecnologas porque favorecen la construccin de sistemas embebidos. La segunda fase se trata del estudio y definicin de algoritmos de partionamiento automtico. En este documento solamente se detalla la primera fase del proyecto, pues el particionamiento requiere del conocimiento a priori del comportamiento de la implementacin de cada uno de los diferentes bloques funcionales y la posterior aplicacin de algn algoritmo (3), (4) que seleccione la mejor implementacin posible. Este documento est organizado como sigue: en la seccin 2 se describe el modelo general de la arquitectura propuesta, haciendo nfasis en su concepcin y aspectos considerados para su diseo, adems se detalla el mecanismo propuesto para la planificacin de la ejecucin de los bloques funcionales; en la seccin 3 se indica la forma como se dise el traductor o parser encargado de pasar del esquema especificado en Simulink a una versin implementable en la arquitectura; a continuacin, en la seccin 4 se describen los aspectos de implementacin referentes a la comunicacin entre el DSP y la FPGA; y finalmente, en la seccin 5 se presentan las conclusiones del trabajo. MODELO DEL SISTEMA La arquitectura de implementacin para el codiseo de aplicaciones que se propone en este trabajo, est basada en un procesador digital de seales (DSP) de punto fijo de la Texas Instruments TMS320C5416, y una FPGA de Xilinx, Spartan III. La FPGA se conecta al DSP a travs de los buses de expansin de memoria y perifricos que vienen embebidos en la tarjeta de desarrollo DSK para el DSP. Bajo esta forma de conexin, el DSP ve a la FPGA como un dispositivo mapeado

en su memoria. Dicho mapa de memoria se explica en la seccin 4. Dado que la aplicacin se representa en el lenguaje de descripcin del Simulink, se hace necesario realizar una traduccin de los bloques funcionales de Simulink a sus funciones y entidades homlogas, que se ejecutarn en software y/o hardware. Para facilitar la traduccin y el intercambio de informacin entre los bloques software y hardware, y permitir la planificacin de los procesos, se propone en este trabajo modelar cada uno de los bloques funcionales de Simulink como una tarea. En el contexto de los sistemas operativos, una tarea puede tener diferentes estados: lista, en ejecucin, bloqueada, etc.; en un sistema con un nico procesador se puede realizar la conmutacin entre tareas (multiprocesamiento); y stas se pueden comunicar entre s por diferentes mtodos, siendo el ms comn, los semforos (5), (6). Este tipo de abstraccin permite modelar cualquier bloque funcional de Simulink independiente de s es una implementacin que se ejecutar en software o en hardware. Por otra parte, la seleccin de la tarea a ejecutar en un sistema operativo depende de la entidad conocida como planificador, lo que indica que el diseo del mecanismo de planificacin de la ejecucin de los bloques funcionales se limita al diseo de esta entidad. Por las particularidades de la arquitectura a desarrollar, el modelo de las tareas que se proponen se diferencian de las tareas de un sistema operativo ordinario. Las caractersticas de dichas tareas son: 1) Una tarea puede tener los siguientes estados: dormida, en espera, lista para procesar, procesando y bloqueada, los cuales sern descritos ms adelante. 2) Mientras una tarea de software se encuentre en ejecucin (estado procesando) no es posible quitarle el control hasta tanto sta no haya terminado. Es decir, el planificador no puede ser apropiativo. Esto le brinda estabilidad al sistema, facilita el proceso de planificacin y permite emplear para el procesamiento formas altamente optimizadas. 3) Todas las tareas tienen la misma estructura funcional: inicialmente esperan la presencia de un conjunto de seales (evento wait), realizan el procesamiento, y finalmente producen una seal de respuesta (evento signal) hacia otras tareas. 4) Solamente se consideran dos tipos de prioridades para las tareas, donde las tareas de ms alta prioridad son aquellas


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ligadas a la adquisicin y reproduccin de datos, es decir, los equivalentes a los bloques Simulink del tipo source y sink. Las caractersticas anteriores simplifican el proceso de traduccin de un bloque Simulink. Por ejemplo, suponga que el bloque a sintetizar es un filtro IIR. En software, el cdigo generado por la herramienta de sntesis debe ser: la espera de un conjunto de seales software, el llamado a una funcin predefinida de una lista de posibles implementaciones para el bloque, y finalmente debe generar las seales software que indican el fin de ejecucin de dicho bloque. Para una sntesis en hardware, la implementacin del filtro IIR sera una mquina de estados, cuyo estado inicial es la espera de una seal hardware proveniente del planificador alojado en el DSP esta seal se genera a partir de alguna seal software-, y el estado final sera la generacin de una seal hardware de finalizacin, la cual es capturada por alguna rutina de servicio de interrupcin al interior del DSP, quien finalmente se encarga de generar las seales software producira el bloque si fuera implementado en software. ESTADO DE UNA TAREA Como se indic anteriormente, cada uno de los bloques funcionales de Simulink se interpretan como tareas en el modelo del sistema. Se describen a continuacin los diferentes estados que puede tener una tarea: Dormida. Una tarea se considera dormida cuando nunca se ha ejecutado o ha acabado de generar una seal hacia otras tareas y no se conoce con certeza cual ser su estado siguiente. En el mbito de las mquinas de estado, sera el estado inicial de la tarea y/o el estado al cual llega la mquina despus de terminar su ejecucin. En espera. Cuando una tarea est aguardando por una seal proveniente de otra tarea, se dice que la tarea entr en estado de espera. Esta condicin es tpica del inicio de la ejecucin de un bloque funcional, siguiendo el modelo del sistema descrito con anterioridad. Lista para procesar. Una tarea entra en este estado cuando ha recibido todas las seales por las cuales estaba esperando, y se encuentra a la espera de que el planificador la ponga en el estado procesando. Procesando. Se dice que una tarea est procesando cuando ha recibido todas las seales necesarias y sta ha sido invocada por el planificador, lo que indica que se encuentra realizando el procesamiento. En un sistema con nico procesador, por las caractersticas no apropiativas de las tareas y para favorecer la ejecucin en paralelo, se debe considerar para el diseo del planificador el hecho que

solamente una tarea software estar en el estado procesando, por el contrario, pueden existir varias tareas hardware en dicho estado. Bloqueada. Una tarea se penaliza con el estado bloqueado cuando debe esperar a que todas las tareas que dependen de sus seales terminen su ejecucin. La planificacin adecuada de este estado es crucial para el desempeo adecuado del sistema, pues es muy probable que existan tareas hardware/software, que por la concurrencia del sistema, generen seales de salida a una velocidad ms rpida de lo que las pueden procesar las tareas dependientes. En la Fig. 1 se muestra el diagrama de estados de la ejecucin de una tarea. Ntese que para garantizar la planificacin adecuada, una tarea entra en el estado bloqueada cuando trata de enviar una seal a alguna tarea que no est en el estado de espera (por ejemplo, en aquellas situaciones donde la tarea destino est en los estados procesando o bloqueada), y slo sale de este estado cuando todas las tareas dependientes esperan por una seal de esta tarea. Por otra parte, esta asignacin de estados y su interdependencia, hace que el diseo del planificador sea muy simple, pues ste se debe limitar a hacer un llamado a aquellas tareas que se encuentren en el estado dormida o lista para procesar, y jerarquizar su ejecucin segn la prioridad establecida para las tareas. El planificador debe omitir entonces aquellas tareas que se encuentran en los estados en espera, procesando y bloqueada, ya stas salen de dichos estados por medio de los eventos wait y signal que sern descritos a continuacin.Se crea la tarea

dormidaLa tarea invoca el evento wait Las tareas externas enva una seal a esta tarea (evento signal) y todas las seales de espera se satisfacen el planificador invoca la ejecucin de la tarea La tarea enva una seal (signal) a alguna que no est en el estado en espera Todas las tareas externas apiladas en la LTPB generan el evento wait hacia esta tarea

en espera Lista para procesar procesando bloqueada

Figura 1: Estado de una tarea COMUNICACIN ENTRE TAREAS Uno de los aspectos importantes para el adecuado funcionamiento del planificador es la concepcin de la comunicacin entre procesos. En nuestro caso se ha



mostrado que el principio bsico para establecer el orden de ejecucin de las tareas es su estado, el cual cambia, segn se ilustra en la Fig. 1, por medio de la generacin de los eventos wait y signal. El nombre de estos eventos se deriva del concepto de semforo empleado en los sistemas operativos (5). Al igual que los semforos para controlar el trfico, los semforos en software son banderas que le indican a los procesos el momento en que pueden reanudar su ejecucin. En nuestra arquitectura, el concepto de semforo debe incluir caractersticas adicionales que los adecuen a los requerimientos del diagrama de estados de la ejecucin de una tarea (Fig. 1) y a las caractersticas propias de las tareas. En la arquitectura que se propone, cada tarea tiene asociado un semforo para indicarle cuando pasar del estado en espera al estado lista para procesar, y una lista de las tareas que han provocado llevarla al estado bloqueada (LTPB). Cada semforo es un arreglo de seales pendientes. Para representar las seales pendientes se hace uso de una estructura, denominada ESP, que tiene como miembros: el identificador de la tarea de la cual proviene la seal tarea padre-, el nmero de la salida de la tarea padre y un contador del nmero de datos. Como en el proceso de sntesis, es posible seleccionar para un mismo bloque funcional de Simulink diferentes implementaciones en hardware o software, que hacen uso de procesamiento orientado a muestras o a bloque, el envo de seales entre tareas debe tener en cuenta la cantidad de datos que entrega la salida de un bloque funcional a otro. Esto justifica el porque del contador del nmero de datos. Para ilustrar mejor este problema y mostrar la necesidad del contador, considere que se va a sintetizar una aplicacin que tiene conectados en serie un filtro IIR y una FFT. La FFT se calcula una vez han ingresado N datos que le son entregados por el filtro, pero el filtro IIR est implementado con una estructura orientada a muestras, de tal forma, que la ejecucin de la tarea asociada al filtro IIR debe ser invocada N veces por el planificador antes de poder ejecutar la tarea asociada a la FFT. Lo anterior significa que la tarea FFT debe permanecer en el estado en espera, hasta tanto la tarea IIR se ejecute N veces. Como se ver a continuacin, estos problemas se solucionan con una modificacin de los eventos signal y wait: wait. Al ser invocado por una tarea A lleva a cabo la siguiente secuencia de acciones: a) por cada seal pendiente incrementa el contador de datos en la cantidad requerida por la tarea A. S este contador es mayor o igual cero, y la tarea B, de la cual se espera la seal, est en el estado bloqueada,

elimina la referencia A de la LTPB de la tarea B. Cuando la LTPB de la tarea B est vaca, su estado pasa a dormida (Fig. 1); b) la tarea A, a la cual pertenece el semforo, pasa al estado en espera s al menos un contador de datos es mayor a cero, en caso contrario pasa al estado Lista para procesar. signal. Al ser invocado este evento por la tarea A se genera la siguiente secuencia de acciones: a) por cada seal que se enva se decrementa el contador de datos de la tarea destino (tarea B) en la cantidad proporcionada por la tarea A; b) s todos los contadores del semforo de tarea B son menores o iguales a cero, pasa la tarea B al estado Lista para procesar; c) s al menos uno de los contadores que modific este evento se hizo menor o igual a cero o la tarea B no esta en el estado en espera, pone la tarea A en estado bloqueada, insertando en la LTPB las tareas que produjeron dicha situacin; en caso contrario pasa la tarea A al estado dormida. Una caracterstica adicional de los eventos wait y signal, es que stos se encargan internamente de los movimientos de datos, que sean necesarios, entre el buffer de salida de una tarea y el buffer de entrada de otra. Para ello, la estructura que define las seales pendientes (ESP) en el semforo contiene tambin la referencia a la funcin encargada del movimiento de datos segn el caso. DISEO DEL PARSER Como se indic anteriormente, el procedimiento de sntesis de los bloques funcionales consiste en la traduccin de diagramas Simulink a sus correspondientes implementaciones en lenguaje C o VHDL. Para lo cual se desarroll una librera de los bloques fundamentales para procesamiento digital de seales, conformada por una serie de plantillas previamente probadas en cada uno de los lenguajes objetivo. Adicionalmente se recopil informacin estadstica referente al consumo de recursos y tiempos de ejecucin que son necesarios para los algoritmos de particionamiento automtico que se usarn en la segunda fase del proyecto. Para el proceso de traduccin de cada bloque Simulink, se hace necesario indicar el tipo de implementacin que se desea del mismo, por ejemplo un filtro FIR puede estar implementado en estructura directa o estructura simtrica, en punto fijo o punto flotante, orientado a bloques o muestras, implementado en hardware o en software, entre otras caractersticas que dependen del bloque en particular y el particionamiento. De esta forma, el parser se encarga de escoger de la librera de funciones, la implementacin ms adecuada para cada bloque y genera automticamente el



cdigo, en lenguaje C, para la construccin de los semforos de cada una de las tareas y el llamado a los eventos wait y signal, los cuales son los encargados de representar las conexiones entre los diferentes bloques funcionales. En el caso de la traduccin de los bloques hardware, adems de emplear las plantillas para representar el funcionamiento de los bloques Simulink, se genera el cdigo C que realiza la comunicacin entre las tareas hardware y software, as como el cdigo en VHDL del controlador que se encarga de la conexin entre las tareas hardware, alojadas en la FPGA, y el bus de expansin del DSP. IMPLEMENTACIN DEL SISTEMA En la arquitectura propuesta, el kernel del sistema lo

conforman el planificador y las funciones de comunicacin entre tareas, signal y wait, las cuales se implementaron en software, siguiendo el protocolo y la especificacin descrita en la seccin II. Estas rutinas fueron escritas en lenguaje C y hacen uso de las funciones de soporte disponibles para la tarjeta de desarrollo DSK en la cual se encuentra el procesador digital de seales de punto fijo TMS320C5416. Como se indic anteriormente, la FPGA se encuentra conectada a los buses de expansin de memoria y perifricos de la DSK, de tal forma que desde el punto de vista de programacin del DSP, la FPGA se ve como un conjunto de registros ubicados en zonas especficas de memoria. En la Tabla 1 se presenta el mapa de memoria de los registros con los que se controla las entidades implementadas en la FPGA.

Tabla 1: Mapa de Memoria para los Registros de la FPGABase+0 Base+1 Base+2 Base+3 Base+4 Base+5 Base+6 Base+7 INI_DIS FIN_DIS NUM_DIS_IN DIR_DIS_IN DATA_ DIS_IN NUM_DIS_OUT DIR_DIS_OUT DATA_ DIS_OUT Iniciar dispositivo Bandera de estado del dispositivo que ha finalizado. Identificador del dispositivo de entrada que se acceder. Direccin de la memoria en el dispositivo de entrada. Registro de datos entrada. Identificador del dispositivo de salida que se acceder. Direccin de la memoria en el dispositivo de salida. Registro de datos salida.

Para la implementacin de las tareas hardware es necesario generar cdigo en lenguaje C y VHDL. El cdigo en C es necesario para adaptar los bloques implementados en hardware con el protocolo establecido para la comunicacin entre tareas y su respectiva ejecucin por parte del planificador. Al igual que las tareas software, se usan los mismos semforos para iniciar una tarea hardware. Para poner una tarea hardware en el estado procesando se hace necesario enviar inicialmente los datos de entrada al bloque hardware. Esto se hace a travs de registros dedicados de la Tabla 1, NUM_DIS_IN, DIR_DIS_IN, DATA_DIS_IN. Por ejemplo, para enviar un arreglo de N datos a un dispositivo hardware, se escribe inicialmente en NUM_DIS_IN, el nmero o identificador de la entidad, luego en DIR_DIS_IN, se indica la direccin inicial del buffer interno de memoria donde se copiarn los datos, y posteriormente se hacen N escrituras sucesivas en el registro DATA_DIS_IN. En la FPGA, un controlador se encarga de direccionar los datos desde estos registros hacia los respectivos buffers de memoria (Fig. 2).

Finalmente, para comenzar la ejecucin de un bloque, el programa en el DSP debe escribir en el registro INI_DIS el identificador asignado a la entidad. Al interior de la FPGA, el controlador genera la seal de inicializacin de la mquina de estados correspondiente. Cuando la tarea hardware termina, pone activa una bandera de finalizacin al interior del controlador, quien se encarga de enviar una solicitud de interrupcin a la DSK. En la rutina de servicio de interrupcin (ISR), se lee el registro FIN_DIS cuyo valor es el identificador de la tarea hardware que ha concluido. Repetidas lecturas a este registro entregan los identificadores de los procesos que han concluido, si dicho registro devuelve el valor FFFFh, indica que no hay ms tareas pendientes. Con dicho identificador, la ISR hace uso de los registros NUM_DIS_OUT, DIR_DIS_OUT, DATA_DIS_OUT para leer los buffers de salida del dispositivo que ha concluido, y enva los eventos signal para notificarle esta situacin a las restantes tareas.



FPGA flags de inicializacin RAM entrada Bloq. func. A RAM salida flags de finalizacin Bus de expansin DSPFigura 2: Diagrama de bloques de la interconexin entre el controlador y las tareas hardware

Controlador

Bloq. func. N

CONCLUSIONES Se construy una arquitectura el codiseo de aplicaciones de tratamiento digital de seales que parte de la especificacin de un modelo funcional en Simulink, lo que permite simplificar y estandarizar los procesos de diseo de aplicaciones de tratamiento de seales. Para lograrlo se construy una base de datos de diferentes implementaciones en lenguaje C y VHDL para un mismo tipo de bloque funcional, a partir de las cuales el parser selecciona la implementacin segn el particionamiento manual del usuario. Se cuenta tambin con una estadstica del tiempo de cmputo de cada implementacin, con las que, en trabajos posteriores se pretende hacer el particionamiento de manera automtica haciendo uso de algoritmos heursticos. Los bloques que actualmente se han construido son filtros digitales FIR e IIR.

Finalmente, se mostr que a partir de los conceptos tericos del diseo de sistemas operativos, tales como la sincronizacin de tareas, es posible realizar, con ciertas modificaciones, la comunicacin entre procesos software y hardware, con el nimo de construir una arquitectura para el codiseo de aplicaciones de procesamiento de seales. Al respecto, se incluyen como modificaciones el hecho que las tareas no sean apropiativas y se usan semforos para sincronizar y ordenar la ejecucin de los bloques funcionales. Estos semforos son una variante de los semforos tpicos, puesto que incluyen informacin de las seales dependientes, el nmero de datos que debe esperar cada seal, y funciones especializadas para el movimiento datos de un bloque software a software y de un bloque hardware a software, y viceversa.

AGRADECIMIENTOS Este trabajo se ha podido realizar gracias al apoyo financiero de la Universidad del Quindo a travs del proyecto 306.



BIBLIOGRAFA (1) Meyer-Baese U. Digital Signal Processing with Field Programmable Gate Arrays. Berlin: Springer-Verlag; 2001. (2) Wiangtong T, Cheung P, Luk W. Hardware/Software Codesign. IEEE Signal Processing Magazine. 2005; 22:14-22. (3) Kalavade A, Lee E. A hardware-software codesign methodology for DSP applications. IEEE Design & Test of Computers. 1993; 10:16-28. (4)Ondghiri H, Kaminska B, Rajski J. A hardware/software partitioning technique with hierarchical design space exploration. Proc. of IEEE Custom Integrated Circuits Conference. 1997; 95-98. (5)Burns A, Wellings A. Sistemas de tiempo real y lenguajes de programacin. Pearson; 2005. (6) Buhr R.J.A, Bailey D. L. An introduction to real-time systems from design to networking with C/C++. Prentice Hall; 1998.


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Espectros de respuesta elsticos de desplazamiento para la ciudad de Armenia, apropiados para el diseo ssmico basado directamente en desplazamientos (dbdd) Elastic displacement response spectra suitable for applying direct displacement-based design (ddbd) in Armenia (Colombia)Juan Carlos Aldana Carrillo*, Andrs Rodrguez Mejia*, Hugo Monsalve Jaramillo*Recibido: Junio 23 de 2009 Aceptado: Octubre 28 de 2009 Correspondencia: programa de Ingenieria, Universidad del Quindo, Avenida Bolivar calle 12 norte Armenia Quindio. Email: [email protected]

RESUMEN El diseo ssmico de estructuras ha ido evolucionando y tomando nuevos caminos, los cuales han conllevado a cambios radicales en los enfoques tradicionales de diseo. Es as, como las nuevas tendencias apuntan hacia el control de las deformaciones que experimentan las estructuras ante las cargas ssmicas, ya que es en stas donde se puede determinar el dao estructural y no estructural. El control de las deformaciones se ha estudiado y presentado en lo que se conoce hoy en da como el diseo ssmico basado en desempeo, que ha ocasionado un cambio en la filosofa tradicional de diseo basado en fuerzas y a su vez, ha exigido cambios en las cargas ssmicas representadas en los espectros de respuesta de cualquier naturaleza. Este estudio se enfoca en lo que concierne a la presentacin de espectros de respuesta elsticos de desplazamientos, que puedan ser utilizados en el diseo ssmico basado directamente en desplazamientos propuesto por Kowalsky y Priestley (2000), donde el desplazamiento es el parmetro de entrada para la aplicacin de esta metodologa. Por ello, se utiliz una metodologa compuesta de dos partes: a) la sismolgica representada en el ajuste de los parmetros libres que controlan la forma de los espectros de amplitudes de Fourier tericos, para ser utilizados en la simulacin de seales ssmicas utilizando tcnicas estocsticas y b) la obtencin de espectros de respuesta para los depsitos de suelo de la ciudad de Armenia. Es as como se obtuvieron 24 seales sintticas para las parejas M-d definidos en Ramos (2006), acordes con la amenaza ssmica regional, utilizando el programa de simulacin estocstica de Boore (2000) SMSIM, el cual esta basado en el modelo sismolgico del espectro radiado para la simulacin de movimiento fuerte del terreno. Dado que las seales generadas utilizando esta metodologa no tienen en cuenta efectos locales, como lo es la amplificacin de las ondas ssmicas en depsitos de suelo especficos, hubo la necesidad de filtrar Estas seales sintticas a travs de los depsitos de suelo de la ciudad de Armenia (Ingeominas, 1999), para as obtener seales que permitieran obtener espectros de respuesta de desplazamiento acordes con la normatividad que rige el diseo ssmico en la ciudad de Armenia (Decreto 079, 1999). Se generaron entonces espectros de respuesta de desplazamiento para tres zonas, al igual que los espectros de diseo para cada una de ellas, definidos para 6 niveles de amortiguamiento, apropiados para ser utilizados para el diseo ssmico basado directamente en desplazamientos en la ciudad de Armenia. Palabras claves: Diseo ssmico, desempeo, espectros de respuesta, EAF, simulacin estocstica, movimiento fuerte, efectos locales, desplazamiento. ABSTRACT The seismic design of structures has been evolving and taking new ways; as a consequence, new tendencies are aiming at controlling the deformation that structures experience when they undergo seismic loads, since it is with deformations where structural and non-structural damage can be determined. Control of deformations has been studied and presented in what is known today as Performance-Based Seismic Design, which has caused a change in the traditional design philosophy that is

*Centro de Estudios e Investigaciones de la Facultad de Ingeniera-CEIFI, Grupo Quimbaya, U. Quindo


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forced-based, and in turn, it has demanded changes in the seismic loads represented in the response spectra of any nature. This work focuses on obtaining elastic displacements response spectra that can be used in the displacement-based seismic design proposed for Kowalsky and Priestley (2000), where the displacement is the input parameter for the application of this methodology. For this purpose, a methodology consisting of two parts was used: a) seismological; represented in the adjustment of the free parameters that control the form of the Fourier amplitude spectra (FAS) to be used in the simulation of strong motion using stochastic methods and b) the obtaining of response spectra for soil deposits of Armenia city. As a consequence, 24 synthetic signals were obtained for the M-d couple, consistent with the regional seismic hazard, using Boore's (2000) software for stochastic simulation SMSIM. This software is based on the seismological model of the radiated spectrum for the simulation of ground strong motion. Since the generated signals using this methodology do not take into account site effects; namely, the amplification of the seismic waves in specific soil deposits, it was necessary to filter these synthetic signals through the soil deposits in city of Armenia (Ingeominas, 1999). Consequently, it was possible to generate signals that allowed obtaining displacement response spectra consistent with the seismic code that regulates the seismic design in Armenia (Decree 079, 1999). Both displacement response spectra and displacement design spectra for three zones were generated (zones A, B and C); all of them were defined for six levels of damping, appropriate to be used for displacement- based seismic design in Armenia. Key works: seismic design, performance, response spectra, FAS, stochastic, simulation, ground motion, site effects, and displacement.

INTRODUCCIN a a da el diseo sismorresistente avanza de la mano con la tecnologa, principalmente con el apoyo de sta en la disponibilidad de equipos bsicos, que van desde un computador hasta equipos ms sofisticados como acelergrafos digitales. Todo esto, sumado a la dedicacin de grupos de investigacin centrados en derribar conceptos y filosofas de diseo clsicas, da como resultado el crecimiento y desarrollo del diseo conceptual. Conjugados estos principios, conlleva a que se estn reevaluando las metodologas tradicionales de diseo basado en fuerzas; y lo que sucede es que en los ltimos tiempos, los investigadores se han dado cuenta de que el diseo ssmico debe de ir ms all y encontrar el verdadero significado del mismo. Ante una carga ssmica la estructura manifiesta deformaciones en todos sus elementos de resistencia, logrando incursionar en el rango inelstico y poder disipar gran parte de la energa mediante rotulaciones plsticas en las zonas confinadas. Bsicamente, el objetivo de la ingeniera ssmica es la garantizar que sucedan dichos mecanismos. Desde esta perspectiva, el diseador estructural debe darle ms importancia a las deformaciones de la estructura y conocer ante diferentes eventos ssmicos, las deformaciones impuestas a la estructura y por consiguiente las demandas de ductilidad de los elementos. Conscientes de la necesidad de manejar el diseo sismorresistente desde el campo de las deformaciones, se han desarrollado metodologas para hacer de stos el parmetro principal de diseo (SEAOC, 1995). Entre las metodologas desarrolladas se encuentra la de diseo basado directamente en desplazamiento (Kowalsky, Priestley, 2000), aunque sta hace parte de un grupo de metodologas todas enfocadas a cumplir con el diseo

D

basado en desempeo (FEMA, 1997). Un anlisis detallado de estas metodologas se presenta en Sullivan (2002). Dadas stas nuevas tendencias a nivel mundial, Colombia y para este caso la ciudad de Armenia, no deben de ser ajenas a esta gran realidad. Por ello se han realizado estudios encaminados para dar a conocer stas tendencias; pero especficamente en el diseo basado directamente en desplazamientos se conoce el trabajo de Restrepo (2003), en donde se concluy que para la aplicacin del DBBD, no haba los espectros de desplazamientos adecuados para ser aplicados en la metodologa, por lo cual se deban encaminar esfuerzos para determinar dichos espectros, teniendo en cuenta las limitaciones y formas de su obtencin (Bommer, Elnashai, 1999). Utilizando una metodologa basada en la obtencin de seales sintticas a partir de la simulacin estocstica de movimiento fuerte (Boore, 2003), se generaron seales para las parejas M-d (magnitud-distancia) dadas en Ramos (2006), las cules se filtraron por los depsitos de suelo dados en la microzonificacin indicativa de la ciudad de Armenia (Ingeominas, 1999), para obtener as seales de aceleracin en suelo con las cuales se generaron los espectros de desplazamiento elsticos para la ciudad de Armenia. CARACTERIZACIN DE LOS ESPECTROS DE AMPLITUDES DE FOURIER (EAF) Los sismlogos han encaminado esfuerzos para describir mediante modelos fsicos de dislocacin (e.g. Haskell, 1966) la fenomenologa de la energa radiada en una fuente y cmo representarla mediante formulaciones matemticas y fsicas, llegando a modelos cmo los de Brune (1970) que describe la radiacin de amplitudes de la fuente y Aki (1967) quien propuso el modelo de fuente, donde las amplitudes a altas


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frecuencias decaen de acuerdo la relacin. Espectro radiado: Modelo de fuente puntual. Para distancias mayores a 5 veces el radio de la falla circular equivalente (Gallego y Ordaz, 1999), el espectro de amplitudes de fourier de aceleracin utilizado para describir la radiacin de la alta frecuencia de las ondas de cortante (S) se da en la ecuacin 1, la cual es una funcin del momento ssmico y la distancia.

til en las cercanas de la fuente, Singh et al. (1989) desarrollaron un modelo sismolgico que tiene en cuenta el tamao finito de la zona de ruptura. El modelo contempla una falla circular de radio r0 (Ec. 2) que rompe con intensidad uniforme a lo largo del rea. El punto de observacin P esta situado justo arriba del foco que se localiza a una distancia R0 sobre el hipocentro.

A ( , f )Mo, f ), f )) Mo, R = E ( D( P ( f ) R f I( (1) Esta representacin que se da en Boore (1983), deja ver claramente los trminos que afectan la forma del espectro de Mo, f es el amplitudes de aceleracin, donde E ( ) espectro de R, f ) fuente, D ( es una funcin que modela la atenuacin anelstica y geomtrica como una funcin de la distancia f) Hipocentral y la frecuencia,P ( es un filtro que reduce rpidamente las amplitudes a alta frecuencia, el cual pude ser basado en el modelo fmax (Hanks, 1982) o el modelo Kappa f) (Anderson and Hough, 1984). El trmino I ( es un filtro usado para la forma del espectro correspondiente a un movimiento del terreno en particular (Aceleracin, Velocidad o Desplazamiento). La forma del espectro antes descrito se puede observar en la figura 1, en donde se ve el decaimiento de las amplitudes a altas frecuencias, tal como se observa en los espectros reales; en la ecuacin 1 los trminos que acompaan al espectro de fuente son los que permiten que se observe dicho decaimiento, ya que el espectro de fuente describe amplitudes constantes para altas frecuencias.

b r0 = 2.34 w C

(2)

donde r0 es el radio equivalente de una falla circular en km, c=2c y b la velocidad de la onda S. En la ecuacin No. 3 se pude ver la representacin propuesta en el trabajo de Gallego (2000), la cual fue utilizada en este estudio para la calibracin de los parmetros libres Rq o , Ql , k ,Q . Donde Rqel patrn de radiacin, Qo es f l,e f el ndice de calidad de atenuacin a 1 Hz, Ql es el ndice de calidad de atenuacin para efectos locales, e es el coeficiente para la atenuacin en funcin de las frecuencias.(A( f )) = M f 4R C1 C =3 4p r b2 2 2 q f

( )2 0 C

2

e 1 2 (- r02 + E1 a R) a2 E1 R0 (r0 ) 0

R k1+ 2p f Q

( )(3)

E1( ) es la integral exponencial (Gautschi y Cahill, 1965) y =2/Q0, r es la densidad y b la velocidad de la onda S, f c es la frecuencia de esquina, esta integral tiene solucin numrica, la solucin matemtica fue resuelta por Monsalve (2005) (comunicacin personal) . El modelo de fuente finita parte de la suposicin de que el observador se encuentra a una distancia cercana. Como ya se vio anteriormente, el radio de la falla r0 equivalente crecer a medida que aumente la magnitud; si esto sucede, y teniendo en cuenta que las ondas sufren todos los fenmenos de atenuacin descritos anteriormente, la contribucin de ondas que vienen del cada vez ms lejano permetro sufrir los procesos exponenciales de atenuacin, haciendo que la aceleracin no crezca de forma indefinida. Este comportamiento es el que provoca la saturacin de la aceleracin para magnitudes muy grandes y distancias cercanas al epicentro.

Figura 1: Forma tpica del Espectro de Amplitudes de Fourier, descrito en la ecuacin 1

Las ecuaciones utilizadas para calibrar los parmetros libres son las que se presentan a continuacin (Ec. 4 y 5):

Si RRx

2 M f2 e A( f , R ) = q f 0 R C e 2 2 Rx f R 1+ fC

fR p e R f b k + Q 0 1 p f Q1

(5)

Gallego y Ordaz (1999) encontraron que una distancia Rx para la cual existe un buen acoplamiento es 5 veces el radio de la falla equivalente de ruptura (ver ec. 4 y 5), donde el acoplamiento se refiere a la condicin donde las dos ecuaciones mostradas convergen a un mismo valor de aceleracin. Tambin hay que tener en cuenta que si el movimiento de suelo va a estar expresado en cm/s y , , y R0 estn en las unidades de gm/cm3, km/s y km, respectivamente, entonces las ecuaciones anteriores deben multiplicarse por el factor 10-20 , obtenido compatibilizando unidades. En las ecuaciones anteriores Rx es la distancia que diferencia el campo cercano del lejano, esta dada como 5 veces el radio de la falla equivalente (Gallego y Ordaz , 1999), es frecuencia en Hz, R es la distancia hipocentral de la estacin con respecto al evento en km, R es el patrn de radiacin que ser motivo de calibracin en este trabajo, es la densidad de la roca en la regin focal, 2.8 g/cm3 para zona Activa (se refiere a la corteza) y 3.3 g/cm3 para zona Subduccin y es la velocidad de onda cortante en la regin focal, 3.5 km/s para zona Activa y 4.68 km/s para zona Subduccin (Ingeominas, 1993). El momento ssmico M0 es definido por Kanamori (1977), en dina-cm. Debido a que los sismo registrados por la red de acelergrafos de Colombia se reportan con magnitud Ml, se utilizaron las correlaciones de magnitud Ml y magnitudes mb reportadas por USGS derivadas de Ojeda y Martnez (1998), algunos de los sismos registrados por la red a acelergrafos tienen reporte de magnitud Mw en la pagina Web de NEIC; los parmetros Q0, , Ql, kl ya fueron descritos anteriormente y sern motivo de calibracin junto con la cada de esfuerzos (). SIMULACIN ESTOCSTICA DE MOVIMIENTO FUERTE En la simulacin estocstica de movimiento fuerte, se necesitan conocer los parmetros libres de los espectros de amplitudes de Fourier (EAF) que representan la sismicidad regional, para as obtener las seales sintticas para un sismo en particular. Estos parmetros estn contenidos en el espectro de amplitudes de Fourier (EAF) obtenido de modelos fsicos, en el cual se describen el proceso de ruptura en la fuente (radiacin de la energa ssmica), el viaje de las ondas a travs del medio y la disminucin de la alta frecuencia.

El proceso de simulacin de seales. La esencia del mtodo se puede observar en la figuras 2 y 3, donde la energa radiada descrita por los espectros de amplitudes de Fourier (cuadro izquierdo de la figura), es asumida que se distribuye aleatoriamente sobre una duracin igual a la inversa de la frecuencia de esquina ms baja (fo) (Boore, 2003).

Figura 2: La energa radiada descrita por el espectro en la figura izquierda, es asumida que se distribuye aleatoriamente sobre una duracin igual a la inversa de la frecuencia de esquina ms baja (f0). Cada serie de tiempo en la figura derecha, es una realizacin del proceso aleatorio para el espectro real mostrado. Cuando es trazado en escala logartmica, los niveles de la parte de baja frecuencia de los espectros son directamente proporcionales al logaritmo del momento ssmico y as a la magnitud del momento (Modificado de Boore, 2003).


- 90 - Aldana C., J.C. et al.

Figura 3. En la figura se observan los diferentes pasos, en el dominio del tiempo y la frecuencia, para simular movimientos de suelo usando el mtodo estocstico (Modificado de Boore, 2003). rev. invest. univ. quindio (19): 86- 103. Armenia - Colombia

- 91 - Espectro de desplazamiento para Armenia-Colombia

Funcin de duracin del movimiento fuerte La duracin del movimiento Tgm depende de la distancia de propagacin y del tiempo que dura el proceso de ruptura. Aunque los espectros de amplitudes de Fourier no tienen en cuenta directamente la duracin del movimiento, el mtodo de simulacin de movimiento fuerte permite mediante una simple funcin involucrar el tiempo. Para la determinacin de la duracin del movimiento fuerte, consistente con la teora de procesos aleatorios, se debe calcular la duracin requerid

Revista Universidad Del Quindio 2009[1]

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