Efecto del Tipo de Superficie del Pavimento sobre el Consumo de Combustible

Transcripción

1 PCA R&D Serial No. SR289s Efecto del Tipo de Superficie del Pavimento sobre el Consumo de Combustible by J. Zniewski Portland Cement Association 2006 All rights reserved

2 SR289s Efecto del Tipo de Superficie del Pavimento sobre el Consumo de Combustible (2006) Por el Dr John P. Zniewski, P.E. Los datos de un estudio comprensivo de los costos operativos de los vehículos muestran que el tipo de superficie de la carretera afecta significativamente la economía del combustible. Se efectuaron ensayos con ambos, automóviles y camiones. viajando sobre una variedad de tipos de pavimentos. Para los automóviles, el consumo de combustible no estuvo influenciado por el tipo de superficie del pavimento pero para camiones consumió menos combustible sobre pavimentos de hormigón que sobre pavimentos asfálticos. Tales ahorros podrían tener una provecho e impacto sobre los costos del ciclo de vida de las autopistas, el método que las agencias de transporte usan para verificar el costo total de una autopista durante su vida útil. Estudios de Costos Operativos de Vehículos Los costos del transporte por carretera se pueden dividir aproximadamente en dos categorías: los costos surgidos de las agencias de transporte para construir y mantener las construcciones y los costos surgidos directamente de los usuarios de las carreteras. En los Estados Unidos de América, las agencias de las carreteras se fundan en los usuarios de las carreteras a través de impuestos sobre los combustibles, seguros, depreciación, combustible, neumáticos, mantenimiento, y así siguiendo. Los costos directos de operación de un vehículo, que son sensibles a las características de diseño de una carretera (combustible, neumáticos, mantenimiento, y una depreciación por el uso relativo) son aproximadamente la mitad del costo total del usuario. Cuando se compararon los costos operativos de los vehículos con los costos de las agencias de carreteras, por lejos el componente mayor de los costos de transporte de carreteras es asumido directamente por el usuario. Frecuentemente, los costos operativos de los vehículos excederán los costos de las agencias de carreteras en un factor de 10 ó más, especialmente en carreteras de alto volumen de tráfico. Incluyendo los costos del usuario en un análisis del costo de ciclo de vida requiere establecer una relación entre el diseño de la autopista y los factores condicionantes y los costos operativos de los vehículos. Estas relaciones han

3 sido estudiadas durante 50 años por varios investigadores tales como Moyer, Sewhill, Claffey, y Winfrey. En años recientes, el Banco Mundial ha estudiado los costos de ciclo de vida de las carreteras para evaluar las decisiones de inversión en varios países en desarrollo. El estudio más grande fue un proyecto de u$s 15 millones patrocinado conjuntamente por el Banco Mundial y el gobierno brasileño desde 1975 hasta Se contrató a Texas Research and Developmernt Foundation (TRDF) para proveer soporte internacional al proyecto. Este proyecto demostró que los costos operativos del vehículo se incrementaba sobre las carreteras rugosas. El proyecto TRDF usó los datos reunidos durante el estudio del Banco Mundial Brasil en el mayor grado posible. Sin embargo, debido a la importancia del consumo de combustible y las diferencias entre el diseño del vehículo en Brasil y los Estados Unidos, el TRDF fue contratado por la Federal Highway Administration (FHWA) para revisar las tablas de los costos operativos de los vehículos usadas para generar los informes al Congreso sobre las condiciones de las autopistas en los Estados Unidos. El nuevo estudio intentaba también poner al día los hallazgos previos a la luz de los cambios significativos en la tecnología de los vehículos tales como combustibles sin plomo, neumáticos radiales, mejor aerodinámica, y motores más eficientes. La investigación de TRDF para la FHWA fue un estudio comprensivo de la relación entre el diseño de la autopista y los costos operativos del vehículo. Los resultados del proyecto TRDF son informados en el Informe N FHWA/PL/82/001 Costos Operativos de los Vehículos, Consumo de Combustible y Tipo de Pavimento y Factores Condicionantes por Zaniewski y colaboradores, publicado por la FHWA en junio de Los costos operativos de los vehículos se separaron en varios componentes: Consumo de combustible Accidentes Consumo de petróleo Emisiones Desgaste de los neumáticos Velocidades operativas Mantenimiento y reparación Depreciación relacionada con el uso Se puso mayor énfasis en el estudio sobre el consumo de combustible debido a su importancia sobre los componentes principales de los costos operativos de

4 los vehículos y a un importante factor en la postura energética de los Estados Unidos. Este breve informe describe solamente la porción del consumo de combustible del comprensivo proyecto TRDF. Los Experimentos sobre Consumo de Combustible Los datos del consumo de combustible fueron recolectados para un intervalo de tipos de vehículos, diseño de carreteras, tipo de pavimento y factores de condición y base y curvatura de la carretera. Se ensayaron un total de 12 secciones de autopistas durante los experimentos. Estos incluyeron las superficies de los pavimentos de hormigón asfáltico, de hormigón de cemento Pórtland, de tratamiento de la superficie asfáltica, y grava. Aunque se incluyeron los pavimentos rugosos en el estudio global, este resumen breve se concentró sobre pavimentos de asfalto y de hormigón con cualidades de deslizamiento entre intermedia a suaves (índice de serviciabilidad, SI, en el intervalo de 3,2 a 4,4) que sería típico de la mayoría de los pavimentos de carreteras importantes en los Estados Unidos. Los vehículos fueron dirigidos en estas secciones de ensayo a velocidades de 10, 20, 30, 40, 50,60 y 70 mph mientras el consumo de combustible, la velocidad, y otros factores se midieron precisamente con la instrumentación especial. La Tabla 1 presenta las características de los vehículos usados en los experimentos de consumo de combustible. Influencia del Tipo de Superficie sobre el Consumo de Combustible El ensayo para el efecto del tipo de pavimento sobre el consumo de combustible fue extremadamente interesante. Los análisis estadísticos no fueron insignificantes para el conjunto completo de datos, que incluyeron un amplia mezcla de automóviles y camiones, velocidades, condiciones del pavimento, y otras variables. Los datos claramente muestran que el consumo de combustible de los automóviles no está afectado por el tipo de superficie. Para automóviles, la tasa de consumo de combustibles es a veces mejor sobre la superficie asfáltica y a veces mejor sobre la superficie de hormigón. Sin embargo, al revisar los datos de los camiones, el consumo de combustible promedio sobre los pavimentos de hormigón era menor que el consumo de combustible sobre pavimentos asfálticos. El balance de este informe presume que las tendencias en los datos refleja el comportamiento verdadero. Se muestran gráficos de los datos de los camiones en la Figura 1. En cada ensayo a velocidades de 20 mph o mayores, el consumo de combustible sobre asfalto era mayor que el consumo de combustible sobre hormigón de cemento

5 Pórtland. La diferencia en el consumo de combustible entre las dos superficies de pavimento, para rugosidades comparables, puede ser tanto como dos millas por galón. Para el camión semi remolque, el consumo de combustible sobre el pavimento de hormigón de cemento Pórtland era consistentemente una milla por galón mejor que sobre la superficie del asfalto. Dado que el camión semi remolque ensayado en este experimento tuvo una economía de 4,5 a 5,5 millas por galón, la diferencia en el consumo de combustible entre los dos tipos de pavimentos era aproximadamente 20 %. La lógica soporta esta conclusión dado que los camiones provocan más deflexión sobre los pavimentos flexibles que sobre los pavimentos rígidos; la deflexión del pavimento siempre absorbe parte de la energía del vehículo que de otra manera estaría disponible para propulsar el vehículo. Entonces se puede hacer la hipótesis que más energía y por eso más combustible se requiere para manejar sobre pavimentos flexibles. Implicancias para los Pavimentos de Carreteras en los Estados Unidos Los datos más significativos que consideran el consumo de combustibles es para el recorrido de camiones a velocidades de carreteras típicas sobre pavimentos en una condición representativa de las autopistas importantes en los Estados Unidos. Para estas condiciones, las velocidades de 30 a 70 mph, y las condiciones de los pavimentos del índice de Serviciabilidad de 3,2 a 4,4, se compararon diferencias en el consumo de combustible sobre asfalto y hormigón en términos de los ahorros de combustible por 1000 millas recorridas. La Figura 2 muestra un gráfico de estos ahorros de combustible contra el peso bruto de los camiones. Aquí es aparente la tendencia para los ahorros de combustible incrementados para camiones más pesados.

6 Figura 1. Datos de economía de combustible sobre diferentes superficies de pavimentos

7 Tabla 1 Características de ensayos de flota Categoría de Modelo y estilo de Peso de carretera Carga de material Vehículo cuerpo (lb) Automóvil Ford Scort, 2,412 N.A. pequeño camioneta Automóvil Ford Fairmont, 3,006 N.A mediano sedan Automóvil Ford Fairmont, 3,006 N.A mediano sedan Automóvil grande Oldsmobile Delta 4,350 N.A. 88, sedan Camión pick up Ford 1980, caja 3,678 N.A. Camión, unidad GMC, camioneta 17,120 Hierro de descarte simple de 2 ejes Camión, unidad GMC Brigadier, 35,870 Arena simple de 3 ejes vertedero Camión semi remolque 2-82 Flete lineal, lecho chato 56,000 Ladrillos Las implicancias de este estudio son particularmente significativas para la industria de los camiones. El millaje de los camiones y el consumo de combustible en los Estados Unidos son 440 billones de millas y 50 billones de galones (valores de 1985 de acuerdo con el Highway Fact Book of Highway Users Federation de 1987 y el National Transportation Statistics Annual Report of the U.S. Department of Transportation de 1987). Relativo a los costos de carreteras, las agencias de carreteras están comenzando a adoptar la práctica de incluir el costo del usuario junto con los costos de la agencia en su análisis de costo de ciclo de vida. Dado que el uso de combustible es una parte importante del costo del usuario, la tendencia consistente para los vehículos pesados a usar menos combustible sobre los pavimentos de hormigón, da lugar a la cuestión del impacto económico de construir pavimentos de asfalto o de hormigón. Para demostrar el potencial impacto, se muestra un ejemplo de los ahorros de combustible sobre una sección de 10 millas de pavimento de hormigón en la Tabla 2.

8 Tabla 2 Ahorros de combustible sobre una sección de 10 millas de Autopista de Hormigón (cuatro carriles rural Interestatal, tráfico diario promedio = 25000) Vehículo Por ciento de tráfico Vehículos milla por año (1000) automóviles 70 63,880 0 Pick ups, paneles 12 10,950 60,220 Camiones de 2 3 2,740 41,100 ejes SU Combinación de camiones de 3 ejes * 14 12, ,800 Total 643,980 * Tractor semi remolques y combinaciones camión - remolque Ahorros estimados de combustible, gal / año Los ahorros en los costos de combustible se acumularían en varios años hasta un valor igual al costo de la agencia de carreteras para la superficie de hormigón. Por ejemplo, si los costos de combustible futuros promedian

9 u$s 1,00 /galón y el precio de hoy es u$s 16,00 /sq yd para el hormigón en el sitio, los ahorros de combustible pagarían para el hormigón en siete años, comparados como sigue: Ahorros de combustible costo del hormigón = 643,980 gal x u$s 1,00 x 7 años; = u$s 4506,000 = 10 millas x 28,160 sq yd x u$s 16,00 = u$s 4506,000 Los resultados de este estudio muestran que el diferencial del consumo de combustible puede ser dominante en el análisis de costo de los pavimentos de autopistas.