Prólogo. Ing. Carlos Chang Arbitres - i -

Transcripción

1 Prólogo La presente guía tiene por objeto presentar una metodología que permita identificar cuándo conviene elaborar diseños equivalentes de pavimentos rígidos y flexibles e incluirlos en los expedientes técnicos para que la definición se realice durante la licitación. Esta edición responde a las expectativas desarrolladas por el ciclo de conferencias que organizó ASOCEM en el presente año, a cargo del expositor Carlos M. Chang Albitres, titulado Diseños equivalentes de pavimentos rígidos y flexibles en los procesos de licitación. Experiencia en los Estados Unidos de América. Cuando se trata de diseños equivalentes de pavimentos, se entiende que ambos diseños corresponden a estructuras de pavimento que ofrecen un servicio similar a lo largo de su vida útil, y que la diferencia entre ambos reside en los costos de construcción y mantenimiento. Es indudable que la elaboración de diseños equivalentes implica conocer los factores involucrados en los procesos de diseño de pavimentos rígidos y flexibles. Sin embargo, los parámetros y consideraciones tradicionales que se encuentran en los manuales de diseño de pavimentos rígidos y flexibles no son realmente compatibles. Por ello, para el desarrollo de diseños equivalentes de pavimentos, se han elaborado protocolos especiales que toman en cuenta diversos volúmenes de tráfico, condiciones de la subrasante, condiciones del medio ambiente, propiedades de los materiales, técnicas de construcción, desempeño del pavimento a través del ciclo de vida útil, y costos de construcción y mantenimiento. Esperamos que la publicación de ésta contribuya al manejo técnico sobre la definición y elaboración de diseños equivalentes y, de este modo, aportar al desarrollo y actualización de los profesionales del sector. Ing. Carlos Chang Arbitres - i -

2 Tabla de Contenidos Prólogo i Lista de Figuras iii Lista de Cuadros iv Capítulo 1:Introducción 2 Selección del Tipo de Pavimento 2 Diseño de Pavimentos Flexibles 3 Diseño de Pavimentos Rígidos 4 Guía de Diseño de Pavimentos NCHRP 1-37 A 4 Capítulo 2: Experiencias en Diseños Equivalentes de Pavimentos 7 Referencias Principales de Asociaciones de Concreto 8 Referencias Principales de Asociaciones de Asfalto 9 Referencias de Agencia Federal de Carreteras de los Estados Unidos de América (FHWA) 10 Capítulo 3: Metodología de Diseños Equivalentes de Pavimentos Rígidos y Flexibles 13 Metodología Propuesta 14 Pautas para Diseñar Pavimentos Equivalentes Utilizando el AASHTO Capítulo 4: Evaluación Económica 17 Criterios y Pautas para el Análisis de Costos 18 Costos de la Agencia 18 Costos del Usuario 18 Intervenciones de Mantenimiento y Rehabilitación 19 Longitud del Periodo de Análisis 19 Tasa de Descuento 20 Convirtiendo Costos Futuros Proyectados Durante el Periodo de Análisis a Valor Presente 21 Ejemplos de Diseños Equivalentes de Pavimentos 22 Ejemplo 1 23 Ejemplo 2 25 Ejemplo 3 26 Ejemplo de Cálculo de Costos de los Usuarios 28 Análisis de Sensibilidad 29 Análisis Comparativo Incluyendo los Costos de Usuarios 32 Capitulo 5: Recomendaciones 36 Referencias 39 Apéndice: Calculo del Diseño de Pavimentos Usando la Metodología AASHTO ii - Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

3 Lista de Figuras Figura 1. Procedimiento Diseño de Pavimentos NCHRP 1-37 A 6 Figura 2. Modelos de la Nueva Guía de Diseño de Pavimentos NCHRP 1-37A 6 Figura 3. Diagrama de Flujo del Análisis del Diseño Alternativo de Pavimento 15 Figura 4. Conversión de Costos durante el Período de Análisis a Valor Presente 21 Figura 5. Análisis de Sensibilidad de Costos para Tráfico Bajo (ESAL= 5x10 ) 30 Figura 6. Análisis de Sensibilidad Costos para Tráfico Intermedio (ESAL= 1.5x10 ) 31 7 Figura 7. Análisis de Sensibilidad Costos para Tráfico Alto (ESAL= 5x10 ) 31 Figura 8. Comparación de Costos Totales en Valor Presente incluyendo Costos de Usuario Ing. Carlos Chang Arbitres - iii -

4 Lista de Cuadros Cuadro 1. Metodologías en los Estados Unidos para la Selección del Tipo de Pavimento 12 Cuadro 2. Valores Recomendados de Costo de Usuario por Hora de Retraso 19 Cuadro 3. Tiempo para la Colocación del Refuerzo en Pavimentos Flexibles 19 Cuadro 4. Vida en Servicio Estimada para Pavimentos Rígidos y Flexibles 20 Cuadro 5. Períodos de Análisis Utilizados en los Estados Unidos 20 Cuadro 6. Tasas de Descuento Utilizadas en los Estados Unidos 21 Cuadro 7. Variación de los Índices de Costos de Construcción 22 Cuadro 8. Diseño de Pavimento Flexible para Tráfico Bajo 6 (ESAL=5 x10 ) 24 Cuadro 9. Refuerzo de Pavimento Flexible para Tráfico Bajo 6 (ESAL=5 x10 ) 24 Cuadro 10. Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Bajo 6 (ESAL=5 x10 ) 25 Cuadro 11. Diseño de Pavimento Flexible para Tráfico Intermedio 7 (ESAL=1.5x10 ) 26 Cuadro 12. Refuerzo de Pavimento Flexible para Tráfico Intermedio 7 (ESAL=1.5x10 ) 26 Cuadro 13. Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Intermedio (ESAL=1.5x10 ) 27 Cuadro 14. Diseño de Pavimento Flexible para Tráfico Alto 7 (ESAL=3x10 ) 28 Cuadro 15. Refuerzo de Pavimento Flexible para Tráfico Alto 7 (ESAL=3x10 ) 28 Cuadro 16. Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Alto (ESAL=3x10 ) 7 28 Cuadro 17. Análisis de Sensibilidad de Costos para Tráfico Bajo 6 7 (ESAL= 5x10 ) 30 Cuadro 18. Análisis de Sensibilidad de Costos para Tráfico Intermedio (ESAL= 1.5x10 ) 7 30 Cuadro 19. Análisis de Sensibilidad de Costos para Tráfico Alto 7 (ESAL= 3x10 ) 31 Cuadro 20. Costos Totales en Valor Presente incluyendo Costos de Usuario 33 - iv - Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

5 Ing. Carlos Chang Arbitres CAPÍTULO 1:

6 Introducción En la actualidad existe una gran variedad de materiales y técnicas constructivas para la construcción de pavimentos. Sin embargo, muchas veces debido a la ausencia de guías que faciliten un análisis comparativo de alternativas de diseño de pavimentos conlleva a que la tendencia constructiva local defina, sin mayor análisis, el tipo de pavimento a ser construido, excluyendo alternativas que podrían ser mejores a la seleccionada. Una adecuada selección del tipo de pavimento se traduce en mejor servicio a los usuarios y ahorros sustanciales en los costos de construcción y mantenimiento. La presente guía tiene por objeto brindar una metodología que permita identificar cuando conviene elaborar diseños equivalentes de pavimentos rígidos y flexibles e incluirlos en los expedientes técnicos para que la definición se realice durante la licitación. La metodología presentada en esta guía se basa en experiencias exitosas en varios países en los que esta modalidad de licitación ha permitido a las agencias un mejor uso de los fondos disponibles mejorando el nivel de servicio de la red vial. Selección del Tipo de Pavimento Varios factores influyen en la selección del tipo de pavimento. Entre los factores principales están: el clima, el tráfico, las características del suelo de fundación, la calidad de los materiales, y los costos de construcción, mantenimiento y rehabilitación. Factores secundarios que pueden influir en la selección del tipo de pavimento son: el desempeño de pavimentos similares en el área, continuidad de la sección de pavimento a ser construida, disponibilidad de materiales en la región, condiciones de seguridad durante la construcción, y técnicas constructivas locales. Los pavimentos, en modo genérico, pueden clasificarse en dos grandes grupos: pavimentos flexibles y pavimentos rígidos. Si bien es cierto los factores externos que afectan a ambos durante su vida en servicio son los mismos: tráfico y clima, la respuesta funcional y estructural depende de los materiales que lo conforman y del diseño. Es por este motivo que los tipos de falla que se observan para cada tipo de pavimento son distintos, requiriendo programas de mantenimiento distintos para conservar al pavimento en un determinado nivel de servicio. Las nuevas guías de diseño de pavimentos, como la NCHRP 1-37A, reconocen la necesidad de evaluar en la etapa de diseño si la estructura Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

7 de pavimento satisface las solicitaciones de tráfico y medio-ambiente previstas a lo largo de su vida en servicio (1). Normas anteriores de diseño de pavimentos, aún vigentes en la práctica, como la Guía para Diseño de Estructuras de Pavimento de AASHTO de 1993, utilizan el concepto de serviciabilidad como parámetro de diseño (2). Diseño de Pavimentos Flexibles Un pavimento flexible está compuesto típicamente por una carpeta asfáltica, base, y subbase granular. Los pavimentos flexibles se diseñan usualmente para una vida en servicio de 20 a 30 años considerando mantenimiento periódico anual. Los pavimentos flexibles son frecuentemente modelados y analizados como un sistema multicapa sometido a cargas. Cada capa que conforma el pavimento contribuye al soporte estructural y drenaje del pavimento, siendo la carpeta asfáltica la de mayor aporte estructural. Sin embargo, el desempeño exitoso de la estructura de pavimento depende en gran medida del adecuado soporte estructural que le brindan las capas inferiores y del mantenimiento que reciba durante su vida en servicio. La Asphalt Pavement Alliance (APA) menciona que los pavimentos asfálticos poseen muchas ventajas al compararlos con pavimentos de concreto incluyendo bajo costo inicial, bajos costos de mantenimiento, flexibilidad y rapidez en la construcción, la capacidad de soportar cargas pesadas, una vida útil prolongada, y ser fáciles de reciclar (3). El método más popular de diseño de pavimentos es el AASHTO 1993, en el cual se establece el nivel de serviciabilidad inicial y final, y el grado de confiabilidad del diseño. Con el uso de un monograma u hojas de cálculo se resuelve la ecuación de diseño que incluye además de la serviciabilidad y grado de confiabilidad, características del suelo de fundación y cargas de tráfico proyectadas - y se obtiene el número estructural (SN: Structural Number) que representa la capacidad estructural del pavimento. Cada capa que conforma el pavimento brinda un determinado aporte estructural que se determina en base a un coeficiente estructural según las características del material que conforma la capa, condiciones de drenaje, y espesor (2). Hay programas de análisis mecanístico que se utilizan para evaluar el desempeño de la estructura de pavimento propuesta. Uno de estos programas es el FPS-19W. FPS-19W calcula esfuerzos y deformaciones críticas en las distintas capas que componen el pavimento y utiliza modelos de predicción de falla para estimar el número de repeticiones de carga para que la estructura falle por fatiga o ahuellamiento (4). Ing. Carlos Chang Arbitres - 3 -

8 Diseño de Pavimentos Rígidos Un pavimento rígido está compuesto típicamente por una losa de concreto hidráulico y una base granular. La losa de concreto hidráulico constituye el mayor soporte estructural del pavimento. Los pavimentos rígidos se diseñan usualmente para una vida en servicio de 40 a 50 años con un mantenimiento mínimo. Hay diversos tipos de pavimento rígido: pavimento de concreto armado continuo, pavimento de hormigón con juntas simples, pavimento de concreto armado con dowells, y pavimentos de concreto posttensado, entre otros. La Asociación Americana de Pavimentos de Concreto (ACPA) enfatiza las bondades de los pavimentos de concreto en lo que respecta a seguridad, durabilidad, transitabilidad, versatilidad, y valor residual. En lo que respecta a seguridad, los pavimentos de concreto proveen una mejor visibilidad, evitan que el agua se acumule en la superficie puesto que no presentan ahuellamiento, y proveen mejor tracción. En cuanto a durabilidad, el concreto incrementa su resistencia con el tiempo. En lo que se refiere a transitabilidad, el concreto permite crear superficies de rodadura seguras y confortables. En versatilidad, los pavimentos de concreto pueden ser diseñados para durar de 10 a 50 años, inclusive pueden ser usados para rehabilitar pavimentos asfálticos que se encuentran al término de su vida útil. Por otro lado, los pavimentos de concreto ofrecen el mejor valor a largo plazo debido a que cuentan con vida útil prolongada y son fáciles de reparar, además de que pueden ser construidos y abiertos al tráfico en menos de 12 horas (5). Los pavimentos rígidos son analizados usando la teoría de placas y en la práctica se diseñan con guías como el AASHTO 1993 (2). El espesor de la losa de concreto se establece en base al nivel de serviciabilidad inicial y final, y el grado de confiabilidad del diseño. Con el uso de un monograma u hojas de cálculo se resuelve la ecuación de diseño que incluye además de la serviciabilidad y grado de confiabilidad, características del suelo de fundación y cargas de tráfico proyectadas y se obtiene el número estructural (SN: Structural Number) que define el espesor de la losa. Guía de Diseño de Pavimentos NCHRP 1-37 A La guía de diseño mecanístico de pavimentos NCHRP 1-37A es actualmente la herramienta más completa pero a la vez compleja que existe para el análisis y diseño de pavimentos. En este procedimiento, una estructura de pavimento es propuesta por el diseñador y analizada con el procedimiento descrito en la guía para evaluar si la estructura satisface las solicitaciones de tráfico y medio-ambiente previstas a lo largo de su vida en servicio (1) Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

9 La nueva guía de diseño de pavimentos proporciona una gran flexibilidad en cuanto a los datos requeridos para el diseño. Tres niveles de detalle se contemplan en la guía. La elección del nivel de detalle depende del grado de importancia de la vía y de los recursos disponibles por la agencia. El nivel 1 es el nivel más alto y se recomienda para diseñar pavimentos ubicados en vías muy importantes, con volumen de tráfico muy alto y pesado, e implica realizar una serie de ensayos de laboratorio y campo muy especializados y costosos (módulo dinámico, espectros de carga de tráfico). El nivel 2 es el nivel intermedio que es utilizado para un volumen de tráfico medio, y no se realizan las pruebas señaladas para el nivel 1, empleando para el diseño información que proviene de una base de datos o de un programa de ensayos limitado del cual se extrapolan los datos. El nivel 3 es el nivel más bajo, y se utiliza para vías de bajo volumen de tráfico donde las consecuencias por falla temprana en el pavimento son mínimas y en este caso, los valores regionales típicos se consideran suficientes para el diseño del pavimento. La Figura 1 muestra un esquema con el procedimiento descrito en la nueva guía de diseño de pavimentos NCHRP 1-37A. Entre los datos requeridos para efectuar el diseño se encuentran (a) características estructurales del pavimento, (b) propiedades de los materiales, (c) información del tráfico, y (d) las condiciones de clima. Además de estas cuatro categorías, es necesario información sobre el comportamiento esperado a futuro para efectos de calibración (1). Los modelos de respuesta del comportamiento del pavimento usados por la guía de diseño se basan en las características propias del pavimento y los modelos utilizados, representados por funciones de transferencia que evalúan la estructura con respecto a la ocurrencia de ciertos tipos de fallas. Estos modelos se utilizan para predecir los estados de esfuerzo-deformación en las diferentes capas que componen el pavimento debido a la acción de cargas de tráfico y condiciones medio-ambientales. Para calibrar estos modelos se requiere conocer las propiedades de los materiales, las características estructurales del pavimento, información del tráfico, condición ambiental, y verificación en campo del desempeño del pavimento. Estos datos deben ser representativos de las condiciones locales de cada región en donde se construirá la estructura de pavimento. Por lo tanto, la calibración y validación de los modelos de desempeño es crítica para un diseño exitoso. Los modelos de desempeño estructural involucran fundamentalmente fallas por fatiga y ahuellamiento. En cuanto a la capacidad funcional, el Índice Internacional de Rugosidad (Internacional Roughness Index, IRI) es utilizado como parámetro de diseño. En la Figura 2 se muestra un esquema con los modelos utilizados por la nueva guía de diseño NCHRP 1-37A (1). Ing. Carlos Chang Arbitres - 5 -

10 Figura 1. Procedimiento Diseño de Pavimentos NCHRP 1-37 A (1). Figura 2. Modelos de la Nueva Guía de Diseño de Pavimentos NCHRP 1-37A (1) Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

11 CAPÍTULO 2: Ing. Carlos Chang Arbitres

12 Experiencias en Diseños Equivalentes de Pavimentos Los diseños equivalentes de pavimentos rígidos y flexibles en los expedientes de licitación se están convirtiendo en práctica común en muchos países. La implementación de esta modalidad de licitación ha producido un ahorro sustancial en los costos de construcción y mantenimiento de pavimentos, y ha mejorado el desempeño a lo largo de su vida útil. En el caso de los Estados Unidos de América, los Estados que están empleando esta modalidad con mayor frecuencia son: California, Carolina del Sur, Colorado, Louisiana, Missouri, Pennsylvania, Texas y Washington. Es indudable que la elaboración de diseños equivalentes implica conocer los diversos factores involucrados en los procesos de diseño de pavimentos rígidos y flexibles. Sin embargo, las consideraciones tradicionales de los manuales de diseño de pavimentos rígidos y flexibles no son muchas veces comparables. Un ejemplo es el período de diseño. Tradicionalmente se considera de 40 a 50 años para pavimentos rígidos y de 20 a 30 años para pavimentos flexibles. Cómo podemos comparar ambos diseños de manera equitativa si están siendo diseñados para distintas condiciones? Es por ello, que para diseñar pavimentos equivalentes la agencias de transporte han elaborado protocolos especiales que toman en cuenta los volúmenes de tráfico, condición de la subrasante, condiciones del medio-ambientales, propiedades de los materiales, técnicas constructivas, desempeño del pavimento a través del ciclo de vida útil y costos de construcción y mantenimiento. Estos protocolos enfatizan la importancia de incluir en el proceso de diseño, un análisis de costos durante la vida útil del pavimento. Aunque los datos requeridos y el proceso de análisis de costos durante la vida útil están bien descritos en documentos publicados por diversos organismos, la implementación de este tipo de análisis depende en gran medida de la disponibilidad de información y práctica local. Referencias principales de asociaciones de concreto La Asociación Americana de Pavimentos de Concreto (ACPA) publicó en el 2002 una guía para comparar diseños de pavimentos equivalentes utilizando análisis de costos durante Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

13 la vida útil. Esta guía describe los parámetros que intervienen en el análisis de costos y discute los factores que influyen en los resultados incluyendo los costos de la agencia (costo de construcción inicial, costos de mantenimiento y rehabilitación, valor residual), y costos del usuario (costos por demora, costos por deterioro de camino, costos por accidentes), tasa de descuento, selección de las actividades de mantenimiento y rehabilitación, uso de secciones técnicamente equivalentes en la comparación y duración del periodo de análisis. El Valor Presente Neto (VPN) y el Costo Anual Uniforme Equivalente (CAUE) son mencionados como indicadores económicos para expresar los resultados del análisis de costos. APA recomienda el CAUE como indicador económico para la comparación, porque todos los costos son expresados en términos de un costo anual sobre el periodo de análisis. Esta guía presenta también un breve resumen del desempeño y costos asociados durante su vida útil de pavimentos construidos en Michigan, Minnesota, Iowa, Florida, Tennessee, South Dakota, Utah, y Georgia. De acuerdo a datos históricos recopilados durante estos estudios, los pavimentos de concreto duraron entre 1.6 y 2.6 veces más tiempo que los pavimentos de asfalto, y han sido de 14 % a 250 % más efectivos (6). ACPA recomienda el Windows Pavement Analysis Software (WinPAS ) para realizar el diseño de pavimentos rígido. WinPAS incorpora los métodos de diseño de pavimento de la Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO Un módulo de costos de ciclo de vida útil es incluido en el programa para realizar el análisis de costos para diferentes alternativas de pavimento. ACPA también promueve StreetPave, un software utilizado para realizar el diseño para calles y caminos locales. De acuerdo al ACPA, el programa optimiza el espesor del pavimento de concreto e incorpora una sección que permite realizar el diseño de pavimento flexible equivalente. El análisis de costo/beneficio es realizado a través de un módulo de costos que considera el ciclo de vida útil (6). Referencias principales de asociaciones de asfalto La Alianza de Pavimentos de Asfalto (APA) enfatiza que la selección del tipo de pavimento a construir debe ser un proceso objetivo basado en registros históricos y en un análisis económico. APA respalda el uso de análisis de costos durante la vida en servicio y recomienda seguir el procedimiento desarrollado por la Administración Federal de Carreteras (Federal Highway Administration, FHWA). El costo inicial de la construcción, costos de mantenimiento y el valor residual son considerados en el análisis de costos. Ing. Carlos Chang Arbitres - 9 -

14 APA recomienda un periodo de análisis de 40 años cuando se comparan pavimentos asfálticos con pavimentos de concreto. El Valor Presente Neto (VPN) es recomendado como indicador económico para comparar diseños de pavimentos equivalentes (3). Newcomb, en un artículo publicado en Centerline en el año 2004 sobre la Asociación de Pavimentos de Asfalto de Oregón, menciona que entre los factores que afectan la selección del tipo de pavimento están: tráfico, características del suelo, clima y consideraciones propias del proceso constructivo. Newcomb enfatiza que el proceso de selección de pavimento debe de ser un proceso racional, basado no sólo en los costos sino que debe considerar el desempeño del pavimento, tiempo de construcción, seguridad, así como las intervenciones de mantenimiento y rehabilitación durante su vida útil (7). En el 2005, APA presentó una síntesis sobre análisis comparativos de costos entre pavimentos de asfalto de mezcla caliente (HMA) y de concreto de cemento portland (PCC) ubicados en autopistas interestatales localizadas en Kansas, Ohio y Iowa. Los diseños de pavimento consideraron condiciones similares de tráfico y edad similar. Los costos totales en términos de Valor Presente fueron calculados para periodos de análisis que varían de 20 a 39 años. No se consideraron costos de usuario en los análisis. De este estudio se encontró que las diferencias de costos totales en el ciclo de vida se encontraban entre 10 a 25 % (3). APA realizó otro estudio en 2005 para determinar la vida en servicio media de los pavimentos flexibles. Los investigadores consideraron fallas por fatiga, fisuras longitudinales, fisuras transversales, ahuellamiento, y serviciabilidad medida con el Índice Internacional de Rugosidad (IRI). Del estudio se encontró que la edad media de las 643 secciones analizadas fue de 17 años con 109 secciones que sobrepasaban los 20 años (3). En lo que respecta a programas, el Instituto de Asfalto recomienda el SW-1 que está basado en los manuales MS-1, MS-11, MS-17 y MS-23 del Instituto de Asfalto. El SW-1 se utiliza para el cálculo de espesores y aplica principios mecanísticos para el diseño de pavimentos flexibles (8). Referencias de agencia federal de carreteras de los Estados Unidos de América (FHWA) El boletín técnico provisional publicado en 1998 por la Agencia Federal de Carreteras (Federal Highway Administration) FHWA es considerada la mayor fuente de referencia para Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

15 el análisis de costos durante la vida útil del pavimento. Diferencias en la aplicación de la metodología surgen de la duración del periodo de análisis, el tiempo al cual efectuar las intervenciones de mantenimiento y rehabilitación, el método utilizado para estimar el valor residual al término de la vida útil y la incorporación o no de costos de usuario en el análisis (9). La duración recomendada como periodo de análisis en el caso de diseños equivalentes varía de 30 a 40 años. Las estrategias de mantenimiento y rehabilitación son definidas de acuerdo a la práctica local en cada Estado. Algunos procedimientos consideran como cero el valor residual al término del periodo de análisis mientras que otros brindan pautas para estimar este valor. Los costos de usuario, de ser considerados en el análisis de costos, son estimados en base a costos generados por demoras causadas durante la construcción y mantenimiento del pavimento. El Valor Presente (VP) es recomendado como indicador económico para comparar las alternativas, siendo la tasa de descuento recomendada entre 4 y 6 %. El análisis de costos durante el ciclo de vida puede seguir un enfoque determinístico o probabilístico. El uso de técnicas de simulación incorporadas al análisis de costos del ciclo de vida, como Monte Carlo, es recomendado para considerar la variabilidad en los valores de entrada y su influencia en los resultados. Existen herramientas para efectuar los cálculos probabilísticos, de existir información confiable, para validar las funciones de probabilidad. RealCost es un programa desarrollado en Microsoft Excel por la FHWA para realizar el análisis de costos. RealCost realiza análisis de costos comparativo para las alternativas de diseños equivalentes propuestas. El programa permite realizar cálculos determinísticos y probabilísticos siguiendo la metodología de la FHWA. RealCost requiere que el usuario introduzca los costos y vidas útiles para la construcción inicial y las actividades de rehabilitación, y realiza el cálculo de costos de usuario por demoras de los vehículo al transitar en la zona de trabajo. Los valores base utilizados por RealCost para los cálculos son tomados del Boletín Técnico de la FHWA publicado en 1998 (10). Si bien es cierto que existen herramientas para realizar análisis probabilísticos, es el enfoque determinístico el que actualmente se utiliza con mayor frecuencia, debido a que no hay datos suficientes para desarrollar funciones probabilísticas. Ninguna de las agencias menciona la existencia de funciones de probabilidad validadas para las condiciones locales. Un resumen de las metodologías empleadas en los Estados Unidos para la selección del tipo de pavimento se incluye en el Cuadro 1. Ing. Carlos Chang Arbitres

16 Cuadro 1. Metodologías en los Estados Unidos para la Selección del Tipo de Pavimento Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

17 Ing. Carlos Chang Arbitres CAPÍTULO 3:

18 Metodología de Diseños Equivalentes de Pavimentos Rígidos y Flexibles La metodología de diseños equivalentes de pavimentos rígidos y flexibles está basada en una evaluación técnico-económica que asume un nivel de servicio similar para ambos tipos de pavimentos durante el periodo de análisis. Metodología propuesta La metodología propuesta está compuesta de cinco pasos: Paso 1: Recolectar Información del Proyecto El primer paso es recopilar información sobre el proyecto incluyendo: nombre del proyecto, ubicación, tamaño, volúmenes de tráfico, condiciones medio-ambientales, y características de la subrasante. Paso 2: Realizar la Evaluación Preliminar del Proyecto Una evaluación preliminar del proyecto es realizada para determinar si en el proyecto es técnicamente viable incluir diseños de pavimento rígido y flexible en los expedientes de licitación. La evaluación preliminar consiste en verificar si existen materiales disponibles en la zona para la construcción de determinado tipo de pavimento, si hay contratistas en la región con experiencia en la construcción de ambos tipos de pavimento, y si las condiciones locales permiten construir un pavimento u otro. De existir argumentos técnicos suficientes para elegir un tipo de pavimento, entonces se procede a elaborar el diseño correspondiente y no se continúa con el análisis siguiendo con el paso 5. Si ambos tipos de pavimento son técnicamente viables, entonces se continúa con el paso 3. Paso 3: Elaborar los Diseños de Pavimento Rígido y Flexible En base a la evaluación preliminar realizada en el paso 2, se procede a elaborar los diseños de pavimentos rígido y flexible. En la siguiente sección de este capítulo se dan pautas para los parámetros de diseño utilizados en el AASHTO 1993, por ser un método de diseño de pavimentos empleado en muchos países (2). Paso 4: Realizar la Evaluación Económica de las Alternativas de Pavimentos Equivalentes Después de elaborar los diseños de pavimento rígido y flexible, se procede a realizar la evaluación económica mediante un análisis comparativo de costos totales durante el período en servicio. Criterios y pautas para realizar el análisis de costos se explican en el Capítulo 4. Si la diferencia de costos totales entre las alternativas es más del 20%, se Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

19 selecciona la alternativa de menor costo y se procede al paso 5. Si la diferencia de costos entre las alternativas es menor del 20%, entonces ambos diseños se incluyen en el expediente de licitación. Paso 5: Preparar los Documentos para el Proceso de Licitación El último paso del proceso es preparar los documentos para el proceso de licitación según los resultados del análisis realizado en los pasos 2 y 4. El diagrama de flujo en la Figura 3 resume la metodología de diseños equivalentes de pavimentos. Figura 3. Diagrama de Flujo del Análisis del Diseño Alternativo de Pavimento Ing. Carlos Chang Arbitres

20 Pautas para diseñar pavimentos equivalentes utilizando el AASHTO 1993 Las siguientes pautas corresponden a parámetros de diseño utilizados por el método AASHTO a. Índice Presente de Serviciabilidad (Present Serviciability Index, PSI): Este índice está relacionado a la función primaria del pavimento que es brindar al usuario un viaje seguro y cómodo. El valor de PSI varía de 0 a 5. Un pavimento con un PSI de 0 es intransitable y un pavimento con PSI de 5.0 es de serviciabilidad teóricamente perfecta. Para diseños de pavimentos equivalentes, se recomienda de manera general emplear un Índice de Serviciabilidad Presente Inicial de 4.5 (PSI=4.5) y un Índice de Serviciabilidad Presente Final de 2.5 (PSI=2.5). Sin embargo, en carreteras principales muy importantes, el PSI terminal puede considerarse de 3.0, y para carreteras de bajo volumen hasta de 2.0. b. Confiabilidad: Se recomienda usar el 95% de confiabilidad para los diseños de pavimentos flexibles y de pavimentos rígidos. c. Proyección del Tráfico: Se convierten las distintas configuraciones del eje y repeticiones de cargas ( trafico mixto ) de los vehículos a un número equivalente de cargas estándar. La carga equivalente comúnmente usada es la de un eje sencillo de 18,000 libras (80 kn) (normalmente designada como ESAL). Para el diseño de pavimentos equivalentes se recomienda una proyección de tráfico a 30 años. d. Mantenimiento y Rehabilitación: El pavimento rígido requiere generalmente de mantenimiento mínimo durante su vida útil. En el caso del pavimento flexible deben considerarse en el análisis los costos de mantenimiento anual y usualmente la colocación de un refuerzo de mezcla asfáltica en caliente durante el periodo en servicio Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

21 Ing. Carlos Chang Arbitres CAPÍTULO 4:

22 Evaluación Económica La evaluación económica permite decidir si es conveniente o no incluir ambos diseños de pavimento en los expedientes de licitación. Esta evaluación consiste en un análisis comparativo de los costos previstos durante el periodo en servicio. En este capítulo se presentan los criterios y pautas utilizados para el análisis de costos incluyendo varios ejemplos. Criterios y pautas para el análisis de costos Los parámetros a considerar en el análisis de costos utilizado para comparar las alternativas de diseño equivalente de pavimentos son los siguientes: Costos de la agencia Costos del usuario Intervenciones de mantenimiento y rehabilitación Longitud del periodo de análisis Tasa de descuento Costos de la Agencia Los costos de la agencia son todos los costos directos efectuados por la agencia durante el período de análisis incluyendo: Costo de la construcción inicial Costos de mantenimiento a lo largo del periodo de análisis Costos de rehabilitación Valor residual o valor remanente al final del periodo de análisis Costos del Usuario Existen dos categorías para los costos del usuario: Costos operativos del vehículo (VOC) que son utilizados en: (a) simular de los efectos de las características físicas y serviciabilidad de una carretera en el consumo de recursos (combustible, lubricante, neumáticos). Este consumo varía de acuerdo a la velocidad y al tipo de vehículo, (b) determinar el costo operativo total. Costos del usuario asociados a la zona donde se realizan las obras y que incluyen costos por paradas, demoras, y disminución de la velocidad. Otros costos del usuario que pueden ser considerados en el análisis son los costos por accidentes, aunque en la práctica, estos costos son difíciles de cuantificar. El cuadro 2 muestra valores recomendados para costos de usuario por hora de retraso para distintas clases de vehículos Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

23 Cuadro 2. Valores Recomendados de Costo de Usuario por Hora de Retraso (16) Clasificación de Vehículo Vehículos de Pasajeros Costo por Hora (US$) Valor Rango $13.96 $12 a $16 Camiones de Ejes Simple Camiones de Ejes Combinados $22.34 $26.89 $20 a $24 $25 a $29 Intervenciones de Mantenimiento y Rehabilitación Las intervenciones de mantenimiento del pavimento son típicamente agrupadas en dos categorías: (a) mantenimiento rutinario anual que incluyen trabajos menores como bacheo, y (b) mantenimiento preventivo que incluyen trabajos periódicos como sellos. Las intervenciones de rehabilitación corresponden a refuerzos de carácter estructural que son colocados durante la vida en servicio del pavimento. Usualmente las intervenciones de carácter estructural son refuerzos que corresponden a pavimentos flexibles. El Cuadro 3 muestra el tiempo al cual se aplican típicamente los refuerzos a los pavimentos flexibles, y que en algunos casos es más de una vez durante la vida en servicio. Cuadro 3. Tiempo para la Colocación del Refuerzo en Pavimentos Flexibles (3) Estado Minnesota Washington Kansas Ontario** Ohio Florida** Wisconsin** ** Construcción por etapas Tiempo para el Primer Refuerzo (Años) * Tiempo entre el Primer Refuerzo y el Segundo (Años) Especificación de Proyecto Longitud del Periodo de Análisis Periodo de tiempo utilizado para comparar los diseños de pavimento. El Cuadro 4 muestra un resumen publicado por la American Concrete Pavement Association de la vida en Ing. Carlos Chang Arbitres

24 servicio estimada por diferentes agencias de los Estados Unidos para pavimentos rígidos de concreto hidráulico y pavimentos flexibles de mezcla asfáltica en caliente (6). El Cuadro 5 muestra un resumen publicado por la Asphalt Pavement Alliance de los períodos de análisis utilizados por las agencias de los Estados Unidos. Cuadro 4. Vida en Servicio Estimada para Pavimentos Rígidos y Flexibles (6) Agencia* Wisconsin Minnesota Kentucky New York Colorado FHWA (1985) FHWA (1971) Concreto Asfalto (12) * Carreteras de Tránsito Pesado + 25 por ciento más largo si es drenado 37 mm (1.5 pulg.) de refuerzo a 12 años, colocar refuerzo en el año 20. Cuadro 5. Periodos de Análisis Utilizados en los Estados Unidos (3) Estado Virginia Occidental Kansas Ohio Washington Wisconsin California Colorado Illinois Periodo de Análisis (Años) Tasa de Descuento La tasa de descuento a usar en el análisis de costos es una decisión de la agencia. Los costos proyectados durante el periodo de análisis son convertidos a Valor Presente (VP) usando la tasa de descuento adoptada por la agencia. El Cuadro 6 muestra tasas de descuento utilizadas en los Estados Unidos Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

25 Cuadro 6. Tasas de Descuento Utilizadas en los Estados Unidos (3) Convirtiendo costos futuros proyectados durante el periodo de análisis a valor presente La conversión de todos los costos futuros proyectados durante el período de análisis al valor presente se realiza usando la tasa de descuento adoptada. Se estiman todos los costos y luego son llevados a valor presente con la siguiente ecuación. En donde: N VP=Costo Inicial + Costo de Rehabilitación y Mantenimiento [ ] - Valor Residual [ ] K (1 + i) n (1 + i) N i = tasa de descuento k = año (0 a N) n = año en que se realiza la intervención de mantenimiento o rehabilitación N = periodo de análisis La Figura 4 ilustra la conversión de los costos futuros proyectados durante el periodo de análisis a valor presente (año 0). Figura 4. Conversión de Costos durante el Período de Análisis a Valor Presente Ing. Carlos Chang Arbitres

26 El proceso numérico del análisis de costos es bastante simple, la dificultad radica en la estimación de costos que depende de las condiciones locales de cada proyecto y de los materiales que a ser utilizados. Por ejemplo, el Cuadro 7 muestra la variación en el índice de costos de construcción del año 1990 al 2009 según el Departamento de Transporte de Washington. Cuadro 7. Variación de los Índices de Costos de Construcción Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

27 Nota: Los índices del Departamento de Transporte del Estado de Washington son para los trimestres 1 y 2. El índice de costos de construcción de la Administración Federal de Carreteras fue descontinuado en el Los índices de costos de construcción de California, Colorado, y Oregón son para el primer trimestre. Ejemplos de Diseños Equivalentes de Pavimentos Los siguientes ejemplos de diseños equivalentes de pavimentos son ilustrativos de la metodología descrita en esta guía. Los costos unitarios utilizados en los ejemplos son generales. Cada proyecto tiene sus propios costos unitarios que varían de acuerdo a condiciones locales como son la calidad de los materiales, distancias de transporte, costos de mano de obra, prácticas locales de mantenimiento, por citar algunas. Debido a la incertidumbre implícita al predecir los costos en el futuro, se recomienda un período de análisis de 30 años. Ambos pavimentos deben diseñarse para el mismo período de análisis, asumiendo que brindarán un nivel de servicio equivalente durante este período. La serviciabilidad a adoptarse depende de la importancia de la vía y volumen de tráfico y es criterio del diseñador. En los ejemplos a continuación, se ha considerado para ambos diseños un Índice de Serviciabilidad Presente Inicial de 4.5 y un Índice de Serviciabilidad Final de 2.5. Para los tres ejemplos se han adoptado los mismos valores de serviciabilidad para efectos de comparación. Sin embargo, estos valores pueden variar, a criterio del diseñador, para niveles de tráfico distintos. Así mismo, se ha considerado en los ejemplos un valor residual de cero, siendo éste el caso más crítico. Ejemplo 1 Datos para el diseño de pavimentos: Longitud del Tramo: 10 Km Período de Análisis: 30 años 6 Tasa de descuento: 4 % Tráfico Bajo: 5 x 10 ESALs Índice de Serviciabilidad Inicial: 4.5 Índice de Serviciabilidad Final: 2.5 Módulo de resilencia de la subrasante: 12 ksi Módulo de reacción de la subrasante: 220 pci Los diseños se han realizado según el procedimiento del AASHTO 93 y los resúmenes del proceso de cálculo se encuentran en el Apéndice. Ing. Carlos Chang Arbitres

28 Pavimento Flexible El Cuadro 8 muestra el diseño del pavimento y el cálculo del costo de la construcción inicial. Cuadro 8. Diseño de Pavimento Flexible para Tráfico Bajo (ESAL=5 x10 ) 6 Capa Carpeta Asfáltica Base Granular Subbase Granular Espesor (cm) Costo (US$/m ) Costo Inicial de la Construcción Costo (US$/carril-km) 50,400 21,960 22,320 94,680 Se considera la colocación de un refuerzo de mezcla asfáltica en caliente de 5 cm en el año 15. El costo del refuerzo y su conversión a valor presente se muestra en el Cuadro 9. Cuadro 9. Refuerzo de Pavimento Flexible para Tráfico Bajo (ESAL=5 x10 ) 6 Año 15 Espesor (cm) 5 Costo ( US$/ m 2 ) 16 Costo del Refuerzo en Valor Presente al Año 0 Costo (US$/carril-km) 57,600 51,533 Los costos de mantenimiento anual son variables, para efectos del ejemplo se considera un costo de mantenimiento anual del año 1 al 14, y del año 16 al 30 de US$ 500 por carril- Km. Este costo de mantenimiento durante el período de análisis equivale a un valor presente de US$ 13,075. Por lo tanto el costo total, en términos de valor presente, para el pavimento flexible es de: US$ 159,308 por carril-km. Pavimento Rígido El Cuadro 10 muestra el diseño del pavimento y el cálculo del costo de la construcción inicial Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

29 Cuadro 10. Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Bajo (ESAL=5 x10 ) 6 Capas Concreto Base Granular 2 Espesor (cm) Costo (US$/m ) Costo Inicial de Construcción Costo (US$/carril-km) 147,960 16, ,520 El diseño es a 30 años y no requiere de ningún refuerzo adicional durante la vida en servicio. Los pavimentos rígidos requieren de mantenimiento anual mínimo o nulo. Para efectos del ejemplo, se considera conservadoramente un costo de mantenimiento anual del año 1 al 30 de US$ 100 por carril-km. Los costos de mantenimiento durante el periodo de análisis equivalen a un valor presente de US$ 2,704. Por lo tanto, el costo total, en términos de valor presente, para el pavimento rígido es de: US$ 167,224 por carril-km. El costo total del pavimento rígido comparado con el del pavimento flexible es aproximadamente 5 % mayor sin considerar costos de usuarios. Ejemplo 2 Datos para el diseño de pavimentos: Longitud del Tramo: 10 Km Período de Análisis: 30 años Tasa de descuento: 4 % 7 Tráfico Intermedio: 1.5 x 10 ESALs Índice de Serviciabilidad Inicial: 4.5 Índice de Serviciabilidad Final: 2.5 Módulo de resilencia de la subrasante: 12 ksi Módulo de reacción de la subrasante: 220 pci Los diseños se han realizado según el procedimiento del AASHTO 93 y los resúmenes del proceso de cálculo se encuentran en el Apéndice (2). Pavimento Flexible El Cuadro 11 muestra el diseño del pavimento y el cálculo del costo de la construcción inicial. Ing. Carlos Chang Arbitres

30 Cuadro 11. Diseño de Pavimento Flexible para Tráfico Intermedio (ESAL=1.5x10 ) 7 Capa Espesor (cm) Carpeta Asfáltica 7.5 Base Granular 25 Subbase Granular 25 Costo Inicial de la Construcción Costo ( US$/m ) Costo (US$/carril-km) 72,000 27,360 22, ,680 Se considera la colocación de un refuerzo de mezcla asfáltica en caliente de 5 cm en el año 15. El costo del refuerzo y su conversión a valor presente se muestra en el Cuadro 12. Cuadro 12. Refuerzo de Pavimento Flexible para Tráfico Intermedio 7 (ESAL=1.5x10 ) Año Espesor (cm) 15 5 Costo ( US$/ m ) Costo del Refuerzo en Valor Presente al Año Costo (US$/carril-km) 57,600 51,533 Los costos de mantenimiento anual son variables, para efectos del ejemplo se considera un costo de mantenimiento anual del año 1 al 14, y del año 16 al 30 de US$ 500 por Carril- Km. Este costo de mantenimiento durante el periodo de análisis equivale a un valor presente de US$ 13,075. Por lo tanto, el costo total, en términos de valor presente, para el pavimento flexible es de: US$ 186,308 por carril-km Pavimento Rígido El Cuadro 13 muestra el diseño del pavimento y el cálculo del costo de la construcción inicial Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

31 Cuadro 13. Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Intermedio (ESAL=1.5x10 ) 7 Capas Concreto Base Granular 2 Espesor (cm) Costo (US$/m ) Costo Inicial de Construcción Costo (US$/carril-km) 180,000 16, ,560 El diseño es a 30 años y no se requiere ningún refuerzo adicional. Los pavimentos rígidos requieren de mantenimiento anual mínimo o nulo. Para efectos del ejemplo, se considera conservadoramente un costo de mantenimiento anual del año 1 al 30 de US$ 100 por carril-km. Este costo de mantenimiento durante el período de análisis equivale a un valor presente de US$ 2,704. Por lo tanto, el costo total, en términos de valor presente, para el pavimento rígido es de: US$ 199,264 por carril-km. El costo total del pavimento rígido comparado con el del pavimento flexible es aproximadamente 7 % mayor sin considerar costos de usuarios. Ejemplo 3 Datos para el diseño de pavimentos: Longitud del Tramo: 10 Km Período de Análisis: 30 años Tasa de descuento: 4 % Tráfico Alto: 3 x 107 ESALs Índice de Serviciabilidad Inicial: 4.5 Índice de Serviciabilidad Final: 2.5 Módulo de resilencia de la subrasante: 12 ksi Módulo de reacción de la subrasante: 220 pci Los diseños se han realizado según el procedimiento del AASHTO 93 y el resumen de los procesos de cálculo se encuentran en el Apéndice A. Pavimento Flexible El Cuadro 14 muestra el diseño del pavimento y el cálculo del costo de la construcción inicial. Ing. Carlos Chang Arbitres

32 Cuadro 14. Diseño de Pavimento Flexible para Tráfico Alto (ESAL=3x10 ) 7 Capa Espesor (cm) Carpeta Asfáltica 10 Base Granular 25 Subbase Granular 25 Costo Inicial de la Construcción Costo ( US$/m ) Costo (US$/carril-km) 90,000 27,360 22, ,680 Se considera la colocación de un refuerzo de mezcla asfáltica en caliente de 5 cm en el Cuadro 15. Refuerzo de Pavimento Flexible para Tráfico Alto (ESAL=3x10 ) 7 Año Espesor (cm) 15 5 Costo ( US$/ m ) Costo del Refuerzo en Valor Presente al Año Costo (US$/carril-km) 57,600 51,533 año 15. El costo del refuerzo y su conversión a valor presente se muestra en el Cuadro 15. Los costos de mantenimiento anual son variables, para efectos del ejemplo se considera un costo de mantenimiento anual del año 1 al 14, y del año 16 al 30 de US$ 500 por carril- Km. Los costos de mantenimiento durante el período de análisis equivalen a un valor presente de US$ 13,075. Por lo tanto, el costo total, en términos de valor presente, para el pavimento flexible es de: US$ 204,308 por carril-km. Pavimento Rígido El Cuadro 16 muestra el diseño del pavimento y el cálculo del costo de la construcción inicial. Cuadro 16. Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Alto (ESAL=3x10 ) 7 Capas Concreto Base Granular 2 Espesor (cm) Costo (US$/m ) Costo Inicial de Construcción Costo (US$/carril-km) 198,000 16, , Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

33 El diseño es a 30 años y no se requiere ningún refuerzo adicional. Los pavimentos rígidos requieren de mantenimiento anual mínimo o nulo. Para efectos del ejemplo, se considera conservadoramente un costo de mantenimiento anual del año 1 al 30 de US$ 100 por carril-km. Este costo de mantenimiento durante el período de análisis equivale a un valor presente de US$ 2,704. Por lo tanto, el costo total del pavimento rígido, en términos de valor presente, es de: US$ 217,264 por carril-km. El costo total del pavimento rígido comparado con el del pavimento flexible es aproximadamente 6% mayor sin considerar costos de usuarios. Ejemplo de Calculo de Costos de Usuarios Los costos de usuario pueden calcularse de manera sencilla considerando el valor del tiempo por retrasos causados por las actividades de construcción en la zona. El siguiente ejemplo ilustra el cálculo de costos de usuario asumiendo lo siguiente: Longitud del proyecto 10 km Número de carriles: Cuatro Carriles cerrados al tránsito: Un carril cerrado en cada sentido durante la construcción. Reducción de la velocidad a 30 km/hr Longitud de flujo: Restringida a 8 km Flujo restringido: 6.7 minutos Flujo normal: 4.3 minutos Aumento en el tiempo de viaje = 2.4 minutos Costo de tiempo perdido (carros) = $0.23/minuto Costo de tiempo perdido (camiones) = $0.45/minuto Promedio de carros por día = 25,000 Promedio de camiones por día =5,000 Costo del usuario por la demora Carros = 2.4 minutos/carro x $0.23/minuto x 25,000 carros/día = $13,800/día Camiones = 2.4 minutos/camión x $0.45/minuto x 5,000 camiones/día = 5,400/día Costo total de usuario por la demora = $19,200/día La diferencia total en los costos del usuario, considerando el valor del tiempo debido a retrasos, radica en diferencia en el tiempo de construcción entre ambas alternativas. La construcción de pavimentos rígidos de concreto se caracteriza por ser un proceso más rápido y que además requiere de un mantenimiento mínimo o nulo que se traduce en menores costos del usuario durante el periodo en servicio. Ing. Carlos Chang Arbitres

34 Análisis de Sensibilidad En esta sección se presenta un análisis de sensibilidad de costos totales durante el periodo de análisis, considerando variaciones en los costos de mantenimiento anual y costos 6 de usuario. Para los tres niveles de tráfico analizados anteriormente (Bajo: 5x10, Intermedio: 1.5x10, Alto: 3x10 ) se varió el costo de mantenimiento anual y se calculó el cos- 7 7 to total en términos de valor presente para una tasa de descuento del 4%. Los resultados del análisis de costos por carril-kilómetro se muestran en los Cuadros 17, 18, y 19. Cuadro 17. Análisis de Sensibilidad de Costos para Tráfico Bajo (ESAL= 5x10 ) 6 Cuadro 18: Análisis de Sensibilidad de Costos para Tráfico Intermedio (ESAL= 1.5x10 6 ) Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

35 Cuadro 19: Análisis de Sensibilidad de Costos para Tráfico Alto (ESAL= 3x10 ) 7 Se observa en las Figuras 5, 6, y 7 que la diferencia de costos totales entre los pavimentos rígidos y flexibles sin incluir costos de usuarios en términos de valor presente no es significativa (menor al 10%), inclusive comparando el caso hipotético de costos de mantenimiento cero, esta diferencia no es superior al 13%. Por lo que en los casos utilizados en los ejemplos se recomendaría incluir diseños equivalentes de pavimentos rígido y flexible en los expedientes de licitación. Figura 5. Análisis de Sensibilidad de Costos para Tráfico Bajo 6 (ESAL= 5x10 ) Ing. Carlos Chang Arbitres

36 Figura 6. Análisis de Sensibilidad Costos para Tráfico Intermedio (ESAL= 1.5x10 ) 7 Figura 7. Análisis de Sensibilidad Costos para Tráfico Alto (ESAL= 5x10 ) Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

37 Análisis Comparativo incluyendo los Costos de Usuarios Para los tres niveles de tráfico considerados en el análisis se estimaron los costos de usuarios utilizando el programa RealCost (9). Los niveles de tráfico considerados en el análisis fueron: Tráfico Bajo (ESAL= 5 x 10 ), ADT inicial: 2,000/ ADT máximo: 17,950 Tráfico Intermedio (ESAL=1.5x10 ), ADT inicial: 20,000/ ADT máximo: 7 35,900 Tráfico Alto (ESAL=3x10 ) ADT inicial: 55,000/ ADT máximo: 98, Los resultados del análisis de costos, en términos de valor presente, para una tasa descuento del 4% se muestran en el Cuadro 20. Los costos de usuario dependen no solamente del volumen de tráfico y duración de las obras, sino también de los horarios de trabajo por lo que se recomienda que estos cálculos se realicen con datos específicos del proyecto que se está evaluando. Cuadro 20. Costos Totales en Valor Presente incluyendo Costos de Usuario Caso Tráfico Bajo Costos de la Agencia ($/carril-km) 159,288 Pavimento Flexible Costos del Usuario ($/carril-km) 19,444 Costo Total ($/carril-km) 178,732 Costos de la Agencia ($/carril-km) 167,224 Pavimento Rígido Costos del Usuario ($/carril-km) 18,213 Costo Total ($/carril-km) 185,437 Tráfico Intermedio 186,288 58, , ,264 36, ,683 Tráfico Alto 204, , , , , ,988 Ing. Carlos Chang Arbitres

38 Figura 8. Comparación de Costos Totales en Valor Presente incluyendo Costos de Usuario Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

39 Ing. Carlos Chang Arbitres CAPÍTULO 5:

40 Recomendaciones 1. Los proyectos viales se desarrollan para condiciones locales muy particulares y se requiere de una evaluación técnico-económica para identificar el tipo de pavimento más conveniente. Debido a la variabilidad de los factores que intervienen en el análisis, es recomendable que cuando la diferencia en costos totales entre ambos diseños no sea significativa, se considere la incorporación de diseños equivalentes de pavimentos rígidos y flexibles en los expedientes técnicos y que la selección final del tipo de pavimento se realice en el proceso de licitación. 2. Es de esperar que los diseños equivalentes de pavimentos tengan un desempeño similar, por lo que deben emplearse parámetros de diseño que permitan una comparación equitativa. Si se utiliza el método de diseño de la AASHTO 1993, se recomienda utilizar para ambos diseños los mismos Índices de Serviciabilidad Presente Inicial, Índice de Serviciabilidad Final, y nivel de confiabilidad. Por ejemplo, pueden diseñarse ambos pavimentos con un Índice de Serviciabilidad Presente Inicial de 4.5, y un Índice de Serviciabilidad Final de 2.5. Estos parámetros pueden variar según la importancia de la vía y el volumen de tráfico para el cual se diseña. El nivel de confiabilidad debe adoptarse según criterio del diseñador basado en las condiciones de cada proyecto. 3. Los parámetros que intervienen en el análisis de costos durante el ciclo de vida útil incluyen: los costos de la agencia (costo de construcción inicial, costos de mantenimiento y rehabilitación, valor residual), costos del usuario (costos por demora, costos por deterioro del pavimento, costos por accidentes), tasa de descuento, intervenciones de mantenimiento y rehabilitación, y duración del periodo de análisis. El Valor Presente (VP) y el Costo Anual Uniforme Equivalente (CAUE) son mencionados como indicadores económicos para expresar los resultados del análisis de costos. En el procedimiento descrito en esta guía, se recomienda utilizar el Valor Presente Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

41 4. El análisis de costos durante el ciclo de vida puede seguir un enfoque determinístico o probabilístico. Si bien es cierto que existen herramientas para realizar análisis probabilísticos, es el enfoque determinístico el que está actualmente en uso debido a la ausencia de suficientes datos como para desarrollar las funciones probabilísticas de las variables individuales que intervienen en el análisis. 5. En los resultados de los análisis de costos durante el período en servicio, las intervenciones de mantenimiento y rehabilitación influyen en forma significativa en los resultados, siendo los pavimentos flexibles más sensibles que los pavimentos rígidos. En el caso de los pavimentos flexibles, el tiempo para colocar el primer recapeo tiene una influencia significativa en los costos, e inclusive en el cálculo del espesor inicial de la capa de concreto asfáltico. El tiempo para colocar el primer recapeo usualmente varía de 8 a 20 años. Es también importante al momento de evaluar diseños equivalentes de pavimentos para un determinado proyecto, tomar en consideración el momento en que se realizarán los parchados, puesto que pueden ser un factor determinante en los resultados del análisis de costos. 6. En resumen, para determinar si es conveniente o no considerar diseños equivalentes de pavimentos en los expedientes técnicos de licitación se recomienda lo siguiente: a. Realizar una evaluación preliminar para determinar si es técnicamente viable considerar ambos tipos de pavimento en el proyecto. b. Si es técnicamente viable construir ambos tipos de pavimento, se procede a desarrollar los diseños equivalentes, entendiendo por diseño equivalente aque- Ing. Carlos Chang Arbitres

42 llos que brindan el mismo nivel de serviciabilidad durante la vida útil del proyecto. c. Se realizan los análisis de costos totales durante el período de análisis. Los costos totales incluyen: costo de la construcción inicial, costos de mantenimiento y rehabilitación durante el período en servicio, costo residual al término del período de análisis, y opcionalmente costos de los usuarios. d. Los costos durante la vida en servicio se convierten a valor presente (año 0). Si la diferencia de costos totales entre los diseños equivalentes es del orden de +/- 20%, se recomienda incluir ambos diseños en el proceso de licitación, sino se escoge la alternativa de menor costo. El porcentaje de 20% es recomendado en base a experiencias en países que están utilizando este sistema con éxito pero puede ser variado a criterio de la agencia Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

43 Referencias 1. Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures. NCHRP. ARA, Inc., ERES Consultants Division. Champaign, IL AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), Washington, D.C., Pavement Type Selection Processes. Asphalt Pavement Alliance, Lexington, Kentucky, Scullion, T., and Liu, W. Flexible Pavement Design System (FPS) 19W: Users s Manual. Research Report No. TX-02/1869-1, College Station, TX American Pavement Concrete Association (APCA), Pavement/index.asp, Enero 30, Life-Cycle Cost Analysis: A Guide for Comparing Alternate Pavement Designs. American Concrete Pavement Association, Illinois, Newcomb, D. Decisions, Decisions: The Pavement Type Selection Process Can Help you Make Them. Asphalt Pavement Association of Oregon, Portland, Oregon, Asphalt Institute, Enero 30, Life-Cycle Cost Analysis in Pavement Design-In search of Better Investment Decisions-. US. Department of Transportation and Federal Highway Administration. Pavement Division Interim Technical Bulletin, Washington, Ing. Carlos Chang Arbitres

44 10. Life-Cycle Cost Analysis RealCost User Manual. US. Department of Transportation and Federal Highway Administration.Washington, DC Life-Cycle Cost Analysis Procedures Manual. State of California Department of Transportation Pavement Standards Team & Division of Designs Pavement type Selection Process. South Carolina Department of Transportation Engineering Directive Memorandum Life-Cycle Cost Analysis and Discount Rate on Pavements for the Colorado Department of Transportation. Colorado Department of Transportation Temple, W.H., Zhang, Z., Lampert, J., and Zeringue K.M. Agency Process for Alternate Design and Alternate Bid of Pavements. Louisiana Department of Transportation and Development (LADOTD), Baton Rouge, Louisiana, Pavement Design and Type Selection Process. Missouri Department of Transportation Andrew J. Wimsatt, Carlos M. Chang-Albitres, Paul E. Krugler, Tom Scullion, Tom J. Freeman, And Maria B.Valdovinos, Considerations for Rigid vs. Flexible Pavement Designs when Allowed as Alternate Bids: Technical Report, Research Report No. FHWA/TX-09/ , College Station, TX. Marzo MacDonald, D. Pavement Type Selection Protocol. Washington State Department of Transportation (WSDOT), Olympia, Washington, Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

45 APÉNDICE CÁLCULO DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS USANDO LA METODOLOGÍA AASHTO 1993 Ing. Carlos Chang Arbitres