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Ing. Carlos Chang Arbitres - i -

Prólogo

La presente guía tiene por objeto presentar una metodología que permita identificar

cuándo conviene elaborar diseños equivalentes de pavimentos rígidos y flexibles e in-

cluirlos en los expedientes técnicos para que la definición se realice durante la licita-

ción.

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 licita-

ción. Experiencia en los Estados Unidos de América”.

Cuando se trata de “diseños equivalentes de pavimentos”, se entiende que ambos dise-

ños 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, téc-

nicas 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 actualiza-

ción de los profesionales del sector.

Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos - ii -

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 1993 16

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 1993 41

Tabla de Contenidos

Ing. Carlos Chang Arbitres - iii -

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

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 34

Lista de Figuras

6

7

7

Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos - iv -

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

(ESAL=5 x10 ) 24

Cuadro 9. Refuerzo de Pavimento Flexible para Tráfico Bajo

(ESAL=5 x10 ) 24

Cuadro 10. Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Bajo

(ESAL=5 x10 ) 25

Cuadro 11. Diseño de Pavimento Flexible para Tráfico Intermedio

(ESAL=1.5x10 ) 26

Cuadro 12. Refuerzo de Pavimento Flexible para Tráfico Intermedio

(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

(ESAL=3x10 ) 28

Cuadro 15. Refuerzo de Pavimento Flexible para Tráfico Alto

(ESAL=3x10 ) 28

Cuadro 16. Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Alto

(ESAL=3x10 ) 28

Cuadro 17. Análisis de Sensibilidad de Costos para Tráfico Bajo

(ESAL= 5x10 ) 30

Cuadro 18. Análisis de Sensibilidad de Costos para Tráfico

Intermedio (ESAL= 1.5x10 ) 30

Cuadro 19. Análisis de Sensibilidad de Costos para Tráfico Alto

(ESAL= 3x10 ) 31

Cuadro 20. Costos Totales en Valor Presente incluyendo Costos

de Usuario 33

Lista de Cuadros

6

7

6

6

6

7

7

7

7

7

7

7

Ing. Carlos Chang Arbitres

CAPÍTULO 1:

Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos

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 usua-

rios 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 expe-

dientes 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 disponi-

bles 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 prin-

cipales 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 cons-

truida, 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: pavi-

mentos flexibles y pavimentos rígidos. Si bien es cierto los factores externos que afec-

tan 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 dis-

tintos, 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

Introducción

- 2 -


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 sub-

base 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 drena-

je del pavimento, siendo la carpeta asfáltica la de mayor aporte estructural. Sin embar-

go, 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 prolon-

gada, y ser fáciles de reciclar (3).

El método más popular de diseño de pavimentos es el AASHTO 1993, en el cual se estable-

ce 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 funda-

ción y cargas de tráfico proyectadas - y se obtiene el número estructural (SN: Structural

Number) que representa la capacidad estructural del pavimento. Cada capa que confor-

ma 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 pavi-

mento 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).

- 3 -

Guía Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos - 4 -

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 estructu-

ral del pavimento. Los pavimentos rígidos se diseñan usualmente para una vida en ser-

vicio 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 post-

tensado, 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 con-

creto 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 dise-

ñan 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 funda-

ción 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 ana-

lizada 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).

Ing. Carlos Chang Arbitres - 5 -

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 pa-

vimentos 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 cos-

tosos (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 da-

tos 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 di-

seño de pavimentos NCHRP 1-37A. Entre los datos requeridos para efectuar el diseño se

encuentran (a) características estructurales del pavimento, (b) propiedades de los mate-

riales, (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 Interna-

cional 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).


Figura 2. Modelos de la Nueva Guía de Diseño de Pavimentos NCHRP 1-37A (1).

Figura 1. Procedimiento Diseño de Pavimentos NCHRP 1-37 A (1).

- 6 -

Ing. Carlos Chang Arbitres - 6 - - 7 -

CAPÍTULO 2:


Los diseños equivalentes de pavimentos rígidos y flexibles en los expedientes de licita-

ción 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 cons-

trucción 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, Louisia-

na, 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 dise-

ño. 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 ela-

borado 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 des-

critos 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

Experiencias en Diseños

Equivalentes de Pavimentos

- 8 -


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 rehabi-

litación, 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 compa-

ración, 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 cos-

tos 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 efec-

tivos (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 1993. 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 es-

pesor 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 pavi-

mento 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.

- 9 -


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 selec-

ción del tipo de pavimento están: tráfico, características del suelo, clima y consideracio-

nes 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 pavi-

mentos 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 tota-

les 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 pavi-

mentos 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 anali-

zadas 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 ba-

sado 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 pavimen-

tos 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 (Fe-

deral Highway Administration) FHWA es considerada la mayor fuente de referencia para

- 10 -


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 requie-

re que el usuario introduzca los costos y vidas útiles para la construcción inicial y las ac-

tividades 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 enfo-

que 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 loca-

les. Un resumen de las metodologías empleadas en los Estados Unidos para la selección del

tipo de pavimento se incluye en el Cuadro 1.


Cuadro 1. Metodologías en los Estados Unidos para la Selección del Tipo de Pavimento

- 12 -


CAPÍTULO 3:


Metodología de Diseños Equivalentes de Pavimentos Rígidos y FlexiblesLa 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 pro-yecto, ubicación, tamaño, volúmenes de tráfico, condiciones medio-ambientales, y ca-racterísticas 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 condi-ciones 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 dise-ños de pavimentos rígido y flexible. En la siguiente sección de este capítulo se dan pau-tas 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


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 expe-diente 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 se-gún 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


Pautas para diseñar pavimentos equivalentes utilizando el AASHTO 1993

Las siguientes pautas corresponden a parámetros de diseño utilizados por el método

AASHTO 1993.

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 teó-

ricamente 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 embar-

go, en carreteras principales muy importantes, el PSI terminal puede conside-

rarse 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 re-

peticiones de cargas (‘trafico mixto’) de los vehículos a un número equivalen-

te 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 di-

seño 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 flexi-

ble deben considerarse en el análisis los costos de mantenimiento anual y usual-

mente la colocación de un refuerzo de mezcla asfáltica en caliente durante el

periodo en servicio.

- 16 -


CAPÍTULO 4:


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 alterna-tivas 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.

Evaluación Económica

- 18 -


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 ba-cheo, 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 interven-ciones 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)

Clasificación de Vehículo

Vehículos de Pasajeros

Camiones de Ejes Simple

Camiones de Ejes Combinados

Costo por Hora (US$)

Valor

$13.96

$22.34

$26.89

Rango

$12 a $16

$20 a $24

$25 a $29

Cuadro 2. Valores Recomendados de Costo de Usuario por Hora de Retraso (16)

- 19 -

Estado

Minnesota

Washington

Kansas

Ontario**

Ohio

Florida**

Wisconsin**

Tiempo para el Primer Refuerzo

(Años)

15.5

12.5

10*

19

17

14

18

Tiempo entre el Primer Refuerzo y el Segundo

(Años)

15

11.5

17

12

13

14

Especificación de Proyecto

** Construcción por etapas

Longitud del Periodo de Análisis

Periodo de tiempo utilizado para comparar los diseños de pavimento. El Cuadro 4 mues-tra un resumen publicado por la American Concrete Pavement Association de la vida en


* 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)

40

30

35

40

50

35

30

40

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 Cua-dro 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

20 – 25

35

20 +

20 – 25 +

27

13 – 30

25

Asfalto

12 – 14

20 (12)

12 +

10 – 13

6 – 12

6 – 20

15

- 20 -

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 des-

cuento utilizadas en los Estados Unidos.


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:

i = tasa de descuentok = año (0 a N)n = año en que se realiza la intervención de mantenimiento o rehabilitaciónN = periodo de análisis

La Figura 4 ilustra la conversión de los costos futuros proyectados durante el periodo de análisis a valor presente (año 0).

VP=Costo Inicial + ∑ Costo de Rehabilitación y Mantenimiento [ ] - Valor Residual [ ]N

K-1

1(1 + i)n

1(1 + i)N

Figura 4. Conversión de Costos durante el Período de Análisis a Valor Presente


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

- 22 -


generales. Cada proyecto tiene sus propios costos unitarios que varían de acuerdo a con-diciones 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 perío-do 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 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.

- 23 -

Nota: Los índices del Departamento de Transporte del Estado de Washington son para los tri-mestres 1 y 2. El índice de costos de construcción de la Administración Federal de Carreteras fue descontinuado en el 2007. 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

6


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 )

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.

Año

15

Espesor (cm)

5

Costo ( US$/ m )

16

Costo (US$/carril-km)

57,600

51,533Costo del Refuerzo en Valor Presente al Año 0

6

2

- 24 -

Capa

Carpeta Asfáltica

Base Granular

Subbase Granular

Espesor (cm)

5

20

25

Costo (US$/m )

14

6.1

6.2


50,400

21,960

22,320

94,680Costo Inicial de la Construcción

2

Pavimento Flexible


Cuadro 8. Diseño de Pavimento Flexible para Tráfico Bajo (ESAL=5 x10 ) 6


Cuadro 10. Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Bajo (ESAL=5 x10 )

- 25 -

6

Capas

Concreto

Base Granular

Espesor (cm)

20

15

Costo (US$/m )

41.1

4.6


147,960

16,560

164,520Costo Inicial de Construcción

2

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 perio-do 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


Longitud del Tramo: 10 Km Período de Análisis: 30 años Tasa de descuento: 4 % 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


7


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


- 26 -

Capa

Carpeta Asfáltica

Base Granular

Subbase Granular

Espesor (cm)

7.5

25

25

Costo ( US$/m )

20

7.6

6.2


72,000

27,360

22,320


2

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(ESAL=1.5x10 )

Año

15

Espesor (cm)

5

Costo ( US$/ m )

16


57,600


2

7

Cuadro 11. Diseño de Pavimento Flexible para Tráfico Intermedio (ESAL=1.5x10 ) 7


Cuadro 13. Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Intermedio (ESAL=1.5x10 )

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


- 27 -

7

Capas

Concreto

Base Granular

Espesor (cm)

20

15

Costo (US$/m )

40

4.6


180,000

16,560


2

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 consi-dera 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


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


Pavimento Rígido


Cuadro 16. Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Alto (ESAL=3x10 )

Capas

Concreto

Base Granular

Espesor (cm)

27

15

Costo (US$/m )

55

4.6


198,000

16,560


2

7

- 28 -

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.

Año

15

Espesor (cm)

5

Costo ( US$/ m )

16


57,600


2

Cuadro 15. Refuerzo de Pavimento Flexible para Tráfico Alto (ESAL=3x10 )7

Se considera la colocación de un refuerzo de mezcla asfáltica en caliente de 5 cm en el

Capa

Carpeta Asfáltica

Base Granular

Subbase Granular

Espesor (cm)

10

25

25

Costo ( US$/m )

25

7.6

6.2


90,000

27,360

22,320


2

Cuadro 14. Diseño de Pavimento Flexible para Tráfico Alto (ESAL=3x10 ) 7


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 consi-dera 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 pavi-mento 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.

- 29 -


Cuadro 18: Análisis de Sensibilidad de Costos para Tráfico Intermedio (ESAL= 1.5x10 )6

Análisis de Sensibilidad

En esta sección se presenta un análisis de sensibilidad de costos totales durante el perio-do de análisis, considerando variaciones en los costos de mantenimiento anual y costos de usuario. Para los tres niveles de tráfico analizados anteriormente (Bajo: 5x10 , Inter-medio: 1.5x10 , Alto: 3x10 ) se varió el costo de mantenimiento anual y se calculó el cos-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

7 7

6


Figura 5. Análisis de Sensibilidad de Costos para Tráfico Bajo (ESAL= 5x10 )

- 31 -

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 pavimen-tos 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 man-tenimiento 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.

6


Figura 7. Análisis de Sensibilidad Costos para Tráfico Alto (ESAL= 5x10 ) 7

Figura 6. Análisis de Sensibilidad Costos para Tráfico Intermedio (ESAL= 1.5x10 ) 7


Caso

Pavimento Flexible Pavimento Rígido

Tráfico

Bajo

Tráfico In-

termedio

Tráfico

Alto


($/carril-Km)

159,288

186,288

204,288

Costos del Usuario

($/carril-Km)

19,444

58,319

187,413

Costo Total($/carril-Km)

178,732

244,607

391,701


($/carril-Km)

167,224

199,264

217,264

Costos del Usuario

($/carril-Km)

18,213

36,419

168,724

Costo Total($/carril-Km)

185,437

235,683

385,988

- 33 -

Análisis Comparativo incluyendo los Costos de Usuarios

Para los tres niveles de tráfico considerados en el análisis se estimaron los costos de usua-rios 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 ),


Tráfico Alto (ESAL=3x10 )


Los resultados del análisis de costos, en términos de valor presente, para una tasa des-cuento del 4% se muestran en el Cuadro 20. Los costos de usuario dependen no sola-mente 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.

6

7

7

Cuadro 20. Costos Totales en Valor Presente incluyendo Costos de Usuario


Figura 8. Comparación de Costos Totales en Valor Presente incluyendo Costos de Usuario

- 34 -


CAPÍTULO 5:


Los proyectos viales se desarrollan para condiciones locales muy particulares y se

requiere de una evaluación técnico-económica para identificar el tipo de pavi-

mento 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 equi-

valentes 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.

Es de esperar que los diseños equivalentes de pavimentos tengan un desempe-

ño 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 Pre-

sente 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.

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 mante-

nimiento 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 aná-

lisis. El Valor Presente (VP) y el Costo Anual Uniforme Equivalente (CAUE) son men-

cionados como indicadores económicos para expresar los resultados del análisis

de costos. En el procedimiento descrito en esta guía, se recomienda utilizar el

Valor Presente.

Recomendaciones

1.

2.

3.

- 36 -


4.

5.

6.

El análisis de costos durante el ciclo de vida puede seguir un enfoque determi-

nístico 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.

En los resultados de los análisis de costos durante el período en servicio, las inter-

venciones 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.

En resumen, para determinar si es conveniente o no considerar diseños equiva-

lentes 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-

- 37 -


llos que brindan el mismo nivel de serviciabilidad durante la vida útil del proyec-

to.

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 reha-

bilitación 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.


Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Struc-

tures. NCHRP. ARA, Inc., ERES Consultants Division. Champaign, IL. 2004.

AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. American Association of State

Highway and Transportation Officials (AASHTO), Washington, D.C., 1993.

Pavement Type Selection Processes. Asphalt Pavement Alliance, Lexington, Kentuc-

ky, 2004.

Scullion, T., and Liu, W. Flexible Pavement Design System (FPS) 19W: Users’s Manual.

Research Report No. TX-02/1869-1, College Station, TX. 2001.

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can Concrete Pavement Association, Illinois, 2002.

Newcomb, D. Decisions, Decisions: The Pavement Type Selection Process Can Help

you Make Them. Asphalt Pavement Association of Oregon, Portland, Oregon, 2004.

Asphalt Institute, http://www.asphaltinstitute.org/store_product.asp?inve_id=238,

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sions-. US. Department of Transportation and Federal Highway Administration. Pa-

vement Division Interim Technical Bulletin, Washington, 1998.

Referencias

1.

2.

3.

4.

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6.

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9.

- 39 -


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and Federal Highway Administration.Washington, DC. 2004

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Engineering Directive Memorandum. 2007.

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partment of Transportation. Colorado Department of Transportation. 2006.

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te Design and Alternate Bid of Pavements. Louisiana Department of Transportation

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MacDonald, D. Pavement Type Selection Protocol. Washington State Department of

Transportation (WSDOT), Olympia, Washington, 2005.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

- 40 -


APÉNDICECÁLCULO DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS

USANDO LA METODOLOGÍA AASHTO 1993


EJEMPLO 1

Diseño de Pavimento Flexible para Tráfico Bajo (ESAL=5x10 )

Datos de Entrada:

1. Propiedades de Materiales

Módulo de resiliencia de la base granular (ksi) 30.00

Módulo de resiliencia de la sub-base (ksi) 15.00

Número de ejes equivalentes total (w18) 5.00E+06

Factor de confiabilidad (R) 95%

Standard normal deviate (Zr) -1.645

Overall standard deviation (So) 0.45

Módulo de resiliencia de la subrasante (Mr, ksi) 12.00

Serviciabilidad inicial (pi) 4.5 G = -0.13033

Serviciabilidad final (pt) 2.5

Período de diseño (años) 30

Coeficientes Estructurales de Capa

Concreto Asfáltico (a1) 0.44

Base granular (a2) 0.14

Subbase (a3) 0.11

Coeficientes de Drenaje de Capa

Base granular (m2) 1.00

Subbase (m3) 1.00

2. Datos de Tráfico y Propiedades de la Subrasante

3. Estructuración del Pavimento

7

- 42 -

1


Resultados:

SN Requerido

Número estructural requerido total (SNtotal) 3.87

Cálculo del Número Estructural:

Estructuración del Pavimento:

Alternativa SNreq SNresul D1(cm) D2(cm) D3(cm)

1 3.87 3.92 10 20 25

Se colocará 5 cm de carpetea asfáltica al inicio y 5 cm en el año 15

Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Bajo (ESAL=5x10 )


Resistencia a la compresión del concreto fc (psi) 3,974

Módulo de elasticidad del concreto Ec (psi) 3,593,345

Módulo de rotura S’c (psi) 645

6

N18

NOMINAL

6.70

6.70

6.70

FIJO

N18

CALCULO

6.70

1.38

0.68

VARIABLE

f(SN)

SN

3.87

AJUSTAR

VALOR

- 43 -


N18

NOMINAL

6.7

FIJO

N18

CALCULO

6.7

VARIABLE

F(SN)

2. Datos de Tráfico y Otras Propiedades





Módulo K de la subrasante (pci) 220

Serviciabilidad inicial (pi) 4.5


Transferencia de carga (J) 2.6

Coeficiente de drenaje (Cd) 1.0

Periodo de diseño (años) 30


Espesor de losa requerido (Df), (pulgadas) 8

Espesor de losa requerido (Df), (cm) 20

Espesor de Sub Base (SB), (pulgadas) 6

Espesor de Sub Base (SB), (cm) 15


- 44 -


EJEMPLO 2

Diseño de Pavimento Flexible para Tráfico Intermedio (ESAL=1.5x10 )

Datos de Entrada:






Coeficientes Estructurales de Capa Concreto Asfáltico (a1) 0.44


Subbase (a3) 0.11



Subbase (m3) 1.00

- 45 -

7

1










N18

NOMINAL

7.18

7.18

7.18

FIJO

N18

CALCULO

7.18

1.38

0.68

VARIABLE

f(SN)

SN

4.55

AJUSTAR

VALOR

Resultados:

SN Requerido




Alternativa SNreq SNresul D1(cm) D2(cm) 3(cm)

1 4.55 4.63 12.5 25 25

Se colocará 7.5 cm de carpeta asfáltica al inicio y 5 cm en el año 15

Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Intermedio (ESAL=1.5x10 )





- 46 -

7



















- 47 -


EJEMPLO 3

Diseño de Pavimento Flexible para Tráfico Alto (ESAL=3x10 )

Datos de Entrada:





Coeficientes Estructurales de Capa

Concreto Asfáltico (a1) 0.44


Subbase (a3) 0.11



Subbase (m3) 1.00

- 48 -

7










1


Resultados:

SN Requerido



N18

NOMINAL

7.48

7.48

7.48

FIJO

N18

CALCULO

7.48

1.38

0.68

VARIABLE

f(SN)

SN

5.01

AJUSTAR

VALOR

Alternativa SNreq SNresul D1(cm) D2(cm) D3(cm)

1 5.01 5.06 15 25 25

Se colocará 10 cm de carpeta asfáltica al inicio y 5 cm en el año 15

Diseño de Pavimento Rígido para Tráfico Alto (ESAL=3x10 )





7

- 49 -


N18 NOMINAL

7.48

FIJO

N18 CALCULO

7.48

VARIABLE

F(SN)


















- 50 -

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