Luis Limón Garduño
SemMaterials México
Interpretación Práctica de la Valuación del Ciclo de Vida de Pavimentos Flexibles en México
• Asegurar el desempeño por funcionalidad: capacidad estructural, calidad de rodamiento, resistencia a la fricción – seguridad.
• Análisis económico en todo el ciclo de vida del pavimento.
• Valoración integral (ambiental, social y económico) del ciclo de vida: Lyfe-cycle assessment.
• Posicionar sistemas de cuantificación o puntaje que describan y valoren los diferentes esfuerzos y acciones sobre buenas prácticas que se implementen y sus contribuciones específicas: Rating Systems
La sustentabilidad como pieza clave en la valoración de proyectos.
• Clarificar y articular la sustentabilidad como un objetivo primordial en la Organización
• Desempeño: habilidad de servir al uso predeterminado con las menores externalidades negativas y tener apertura a distintas alternativas a las prácticas tradicionales.
• Duración y magnitud del impacto de la acción en pro de la sustentabilidad: debe de ser valorado en todo el ciclo de vida del proyecto.
• Siempre habrá incertidumbre sobre el costo y beneficio de cualquier acción o decisión, por eso el manejo del riesgo debe de considerar análisis probabilísticos.
Marco de Referencia para empezar a “tomar inercia”…
• Método desarrollado a finales de 1960s parala caracterización y cuantificación de lasustentabilidad ambiental en términos dedesempeño utilizando un enfoque denacimiento-muerte (cradle-to gate).
4
Lyfe Cycle Assestment, Definición
ISO
14040
Principios y Marco de
Referencia
ISO
14044
Requisitos y Directrices
ISO
14047
Análisis del Impacto
Ciclo de vida genérico de un sistema de LCA
M,E
,B,C
, T Adquisición de materia
primaM
,E,B
,C, T Procesami
ento de materiales
M,E
,B,C
, T Fabricación
M,E
,B,C
,T Uso
M,E
,W,P
,
Final de la vida
Adaptado de Kendall, A., Keoleian, G. A., 2009
M Materiales
E Energía
B Desechos
C Contaminación
T Transporte
Reciclar
Re-manufac
turar
Re-usar
Re-ciclar
6
Fases en un sistema LCCA y su impacto
Determinar el tipo de estudio
Definir los límites de análisis del sistema
Establecer los limites geográficos y de tiempo del análisis
Determinar la calidad de los datos
Objetivos y Alcances
Se identifican y cuantifican los flujos de entrada y salida (materiales, energía, fuentes, desechos, contaminación y co-productos)
Inventario
- Impacto a los seres humanos
-Impacto a la naturaleza (eco-sistemas)
-Agotamiento de recurso
Impacto
• Realización de la Valuación del Ciclo de Vida (Life CycleAssesment) en la producción del asfalto, desde la extracción del petróleo hasta su producción final en refinería y/o planta.
7
Iniciativas de la industria
-Definición de metodología
-Recopilación de información
Desarrollo de modelos, reporte,
distribución de información
Reglas de categoría de productos (PCR)
Declaración ambiental de productos (EPDs)
Contribuciones al LEED v4
• Análisis del Costo del Ciclo de Vida
• Seguridad en la operación e durante las intervenciones: manejo de riesgos y tráfico.
• Minimizar tiempo de afectación al usuario durante la intervención
• Registrar y medir esfuerzos/compromisos ambientales
• Reducción y reutilización de materiales
• Índice de reciclaje efectivo
• Long-life pavement design (evaluación de viabilidad)
• Reducción de energía y emisiones en la producción de materiales
• Garantías especiales de durabilidad
• Reducción de emisiones en equipos de construcción
• Control de materiales de desecho
Puntos básicos a considerar para un análisis LCA en pavimentos
Software LCCA
Respaldado y Emitido por la AsphaltPavement Alliance (APA) Desarrollado por Dr. David H. Timm
Universidad de Auburn
NCAT
Software LCCA
Análisis Determinista o Probabilista
Longitud de Filas por Actividades (C, M & R)
Costos:
Agencia/Dependencia
Construcción (70 – 90%)
Rehabilitación (10 – 25%)
Mantenimiento (poco efecto)
Valor de rescate (muy poco efecto)
Usuarios (Zona de Trabajo)
Reducción de la velocidad
Tiempos de espera
$ Horas Hombre
$ Sobrecosto del viaje
Software LCCA
CASOS DE ESTUDIO: Comparativa PLD vs Convencional (HMA)o Autopista 12 carriles
o 5.8 kilómetros de Longitud
o Periodo de análisis, 25 años
o TDPA= 100,488 ambos sentidos
o % Vehículos Pesados
o Tasa de crecimiento= 4%
o Alternativa 1
o PLD (Sistema de Capas asfálticas SMA-CAM-CAT, 34cm)
o 8 años entre cada rehabilitación (No requiere reconstrucción).
o Fresado SMA 4cm, Capa SMA 4cm.
o Alternativa 2
o Diseño Tradicional (Carpeta asfáltica-Base Asfáltica)
1. Diseño @25 años Fresado y Remplazo de Carpeta Tradicional de 5cm cada 10 años
2. Diseño @15 años y Reconstrucción @10 años adicionales
3. Diseño @25 años, Fresado y Remplazo de Carpeta Tradicional de 5cm cada 5 años
Software LCCA
Alternativas de Construcción
PLD Convencional (HMA)
CAM, H=20 cm
Subbase
Base Hidráulica
Terracería
CAT, H=10 cm
SMA, H= 4 cmCarpeta HMA H=10cm
Subbase
Base Hidráulica
Terracería
Base Asfáltica H=13-20cm
15
10 Años
ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO CONVENCIONAL PARA DISTINTOS PERIODOS DE DISEÑO (DisPav)
15 Años 25 Años
OBTENCIÓN DE RESPUESTAS CRÍTICAS CÁLCULO DAÑO MENSUAL
16
Diseño de Vida útil (PErRoad). Daño por fatiga = 0.1
εt= -0.00010596
εz= 0.00011328
Daño mensual =𝑛 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠
𝑁 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠
𝑛 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠=𝐸𝑆𝐴𝐿𝑆
12 (𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑎ñ𝑜𝑠)
=78,500,000
12 (25)= 261,667 𝑝/𝑚𝑒𝑠
FATIGA DEFORMACIÓN PERMANENTE
17
Cálculo daño acumulativo mensual
∗ 𝑁𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 = 𝑁𝑓 = 3 𝑥 10 − 6 ε𝑡-3.148
𝑁𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 = 𝑁𝑓 = 3 𝑥 10 − 6 (0.00010596)−3.148
𝑁𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 = 𝑁𝑓 =9,771,796
Daño mensual =261,667
9,771,796= 0.026
∗ 𝑁𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 = 𝑁𝑑 = 0.000000001365 ε𝑧-4.477
𝑁𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 = 𝑁𝑑 = 0.000000001365 (0.00011328)-4.477
𝑁𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 = 𝑁𝑑 = 638,999
Daño mensual =261,667
638,999= 0.000409
Daño acumulativo a𝑛𝑢𝑎𝑙 = 12 (𝐷𝑎ñ𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙)
Daño acumulativo a𝑛𝑢𝑎𝑙 = 12 0.026 = 0.321 Daño acumulativo a𝑛𝑢𝑎𝑙 = 12 (𝐷𝑎ñ𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙)
Daño acumulativo a𝑛𝑢𝑎𝑙 = 12 0.000409 = 0.00491
*Modelos de deterioro del Asphalt Institute
18
Vida útil del pavimento (Ley de Miner D=1.0 a la falla)
FATIGA
DEFORMACIÓN PERMANENTE
V𝑖𝑑𝑎 ú𝑡𝑖𝑙(𝑎ñ𝑜𝑠) =1
𝐷𝑎ñ𝑜 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙=
1
0.321
V𝑖𝑑𝑎 ú𝑡𝑖𝑙(𝑎ñ𝑜𝑠) =1
𝐷𝑎ñ𝑜 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙=
1
0.00491
V𝑖𝑑𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 𝑎ñ𝑜𝑠 = 𝟑. 𝟏𝟏
V𝑖𝑑𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 𝑎ñ𝑜𝑠 = 203.5
Software LCCA
Alternativas de Rehabilitación/Conservación
Cada 5 y 10 años
PLD Tradicional (HMA)
CAM, H=20 cm
Subbase
Base Hidráulica
Terracería
CAT, H=10 cm
Capa SMA, H= 4 cmFresado HMA, H=5cm
Subbase
Base Hidráulica
Terracería
Base Asfáltica, H=13-20cm
HMA, H=5cmCarpeta HMA, H=5cm
Subbase
Base Hidráulica
Terracería
Base Asfáltica, H=13-20cm
HMA, H=5cmCAM, H=20 cm
Subbase
Base Hidráulica
Terracería
CAT, H=10 cm
FRESADO SMA, H= 4 cm
Cada 8 años
Software LCCA: Caso 1
LONGITUD DE FILAS PLD: 9 millas
Acción 2, año 16: Fresado 4cm + SMA4cm
Trabajos Diurnos (8 a 18 hrs)
Tradicional HMA: 22 millas
Acción 2, año 20: Fresado 5cm + HMA5cm
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Work Zone User CostsC1WZUC_HMA
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Agency Costs
C1Agency_PLD
Software LCCA: Caso 1
Trabajos Diurnos (8 a 18 hrs)
36% más con PLD43% más con Tradicional
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
All CostsC1Total_HMAC1WZUC_HMA
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Total CostsC1Total_HMA
25% más con Tradicional
Software LCCA: Caso 2
LONGITUD DE FILAS PLD: 9 millas
Acción 2, año 16: Fresado 4cm + SMA4cm
Trabajos Diurnos (8 a 18 hrs)
Tradicional HMA: 7 millas
Acción 2, año 15: Reconstrucción HMA10cm+BaseAsf.13cm
0,0
1,0
2,0
3,0
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Work Zone User CostsC2WZUC_H…C2WZUC_P…
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Agency Costs
C2Agency_PLD
Software LCCA: Caso 2
Trabajos Diurnos (8 a 18 hrs)
22% más con PLD
100% más con Tradicional
0,0
1,0
2,0
3,0
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Total CostsC2Total_HMA
65% más con Tradicional
0,0
1,0
2,0
3,0
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
All Costs
C2Total_HMAC2WZUC_HMAC2Agency_HMAC2Total_PLDC2WZUC_PLD
Software LCCA: Caso 3
LONGITUD DE FILAS PLD: 9 millas
Acción 2, año 16: Fresado 4cm + SMA4cm
Trabajos Diurnos (8 a 18 hrs)
Tradicional HMA: 33 millas
Acción 4, año 20: FresadoHMA5cm+HMA5cm
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Work Zone User CostsC3WZUC_HMA
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Agency Costs
C3Agency_PLD
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Total CostsC3Total_HMA
Software LCCA: Caso 3
Trabajos Diurnos (8 a 18 hrs)
12% más con PLD 267% más con Tradicional
250% más con Tradicional
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
All CostsC3Total_HMAC3WZUC_HMA
30
Software LCCA: Resumen de Casos 1-3
0,0
0,1
0,1
0,2
0,2
0,3
0,3
0,4
0,4
0,5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Agency Costs
C3Agency_PLD C3Agency_HMA
C2Agency_PLD C2Agency_HMA
C1Agency_PLD C2Agency_HMA
31
Software LCCA: Resumen de Casos 1-3
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Total Costs
C3Total_HMA
C3Total_PLD
C2Total_HMA
C2Total_PLD
C1Total_HMA
C1Total_PLD
Software LCCA: Trabajos Nocturnos
Horario óptimo de menor flujo vehicular: CASO 3
Sin filas
LONGITUD DE FILAS
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Total Costs
C3NTotal_HMA
C3NTotal_PLD
0,0
0,1
0,2
0,3
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Work Zone User Costs
C3NWZUC_H…
0,0
0,2
0,4
0,6
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
Agency Costs
C3NAgency_PLD
Software LCCA: Trabajos Nocturnos
Horario óptimo de menor flujo vehicular: CASO 3
Mismos Costos Totales
13% más con PLD17% más con Tradicional
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 20 40 60 80 100
NP
V (
Mile
s M
DP
)
Percentil
All CostsC3NTotal_HMAC3NWZUC_HMA
Análisis de Sensibilidad del Desempeño
Trabajos Nocturnos (MAYOR VARIACIÓN EN DESEMPEÑO)
o Análisis de Sensibilidad Vida a Fatiga
• Escenario base (Va=3%)
0%
50%
100%
2,0% 3,0% 4,0% 5,0% 6,0% 7,0% 8,0%V
ida
a F
atig
aVacíos de Aire
% Vida a Fatiga vs Vacíos de Aire
Va Vida Fatiga
3.0% 100.0%
3.5% 72.0%
4.0% 53.2%
4.5% 40.2%
5.0% 30.9%
5.5% 24.2%
6.0% 19.3%
Reducción vida aFatiga
Menor desempeño a Fatiga
36
Constructora 1
Capa
% de
Cumplimiento
respecto a EP
Vida útil (años) con
Módulo
retrocalculado
1137 % > 20
2111 % > 20
Constructora 2
Capa
% de
Cumplimiento
respecto a EP
Vida útil (años) con
Módulo
retrocalculado
155 % 5.8
2103 % 5.8
Efecto de las Variables de Construcción
COA = Fb * Cb * TDPA * 365
COA = Costo de operación anual, por kilómetro para todos los vehículos de un mismo tipo
Fb = Factor de operación base
Cb = Costo de operación base del vehículo ($/veh-km)
37
Costos de operación base asociados con la caída en el índice de servicio
Fb
ÍndiceInternacional de Rugosidad
(IRI)
Índice de servicio
(IS)
Costooperación anual (COA), millones de pesos
3.8 3.5 $219,4
10 0.86 $287,8
$341,96
$683,92
$1.025,88
$1.367,84
$1.709,81
Costo de operación Base
Diferencia acumulada, millones…
Año 5 Año 10 Año 15 Año 20 Año 25
40
Estimación de emisiones
0
500
1000
1500
2000
2500
Emisiones de C02 eq/carrill milla durante la construcción Emisiones uso+construcción Anualizadas
39,2795
1641,83
255,5219
1892,4
415,4487
2052
CO
2 e
q
Efecto de la estrategia de intervención en la emision de CO2 equivalente
Fresado en frio y sobre-capa Reconstrucción HMA Reconstrucción HMA y re-ordenamiento de la carretera
Pavimentos de Larga Duración
Ventajas:
Menores costos de ciclo de vida
Menores costos de los usuarios
Mayor desempeño (Sin daño estructural)
No requiere reconstrucción al final de su vida útil (Valor deRescate Alto, $)
Nivel de Daño en el periodo de diseño D=0.1
Capa de Rodadura
Ruido (1 dB menos implica 1m de muro menos de anti-ruido)
Fricción
Acuaplaneo
Reducción en las emisiones de CO2 eq.
42
Fuente: http://www.asphaltroads.org/perpetual-pavement/award-winners/
Pavimentos de Larga Duración
43
100
o Carretera 1 carril por sentido
o Análisis de 100km de longitud
o 7% Rehabilitación/Conservación
o Periodo de análisis, 25 años
o TDPA= 6,000 por sentido
o % Vehículos Pesados = 5%
o Tasa de crecimiento Vehicular=2.9%
Construcción tradicional HMA 7cm
Fresado 5cm+Sobrecarpeta 5cm@5años.
CASO DE ESTUDIO: RED FEDERAL
Software Life Cycle Cost Assessment (LCCA)
44
100
o Carretera 1 carril por sentido
o Análisis de 100km de longitud
o 7% Rehabilitación/Conservación
o Periodo de análisis, 25 años
o TDPA= 6,000 por sentido
o % Vehículos Pesados = 5%
o Tasa de crecimiento Vehicular=2.9%
Construcción tradicional HMA 7cm
Fresado 5cm+Sobrecarpeta 5cm@5años.
CASO DE ESTUDIO: RED FEDERAL
Software Life Cycle Cost Assessment (LCCA)
45
100
CASO DE ESTUDIO: RED FEDERAL
Software Life Cycle Cost Assessment (LCCA)
Para Caso de estudio
100km de Carretera
7km de tramo en conservación
Para toda la Red Federal
50,000 km Red
3,500 km Conservación
COSTOS
• Incorporar valoraciones ecológicas y de consumo energético en los sistemas de administración de pavimentos (SustainabilityMetrics).
• Considerar diseños iniciales, estrategias de mantenimiento y de preservación, y eventualmente rehabilitación o de refuerzo, que permitan que los pavimentos conserven su funcionalidad sin llegar a escenarios terminales o catastróficos.
• Favorecer la preservación de pavimentos: extender la vida del pavimento con eficiencia de rodamiento (smoothness).
Mejores prácticas sustentables
• Reducir el uso de materiales vírgenes.
• Minimizar la transportación de agregados
• Sistemas de reciclado en situ.
• Capas de rodadura de menor consumo energético en la operación vehicular: SMA, OGFC, CASAA.
• Uso de Métodos mecanicistas de diseño.
• Optimizar el uso de materiales dentro de la sección del pavimento.
Mejores prácticas sustentables
• Los esfuerzos deben ser sostenidos y en un contexto de Política de Gobierno
• Crear / modificar especificaciones que ponen barreras o no promueven el re-uso o reciclaje racional de materiales.
• Reducir externalidades negativas durante la construcción: consumo de combustible, generación de partículas contaminantes, ruido, congestión vehicular, residuos.
• Fomentar la innovación y eficiencia en procesos constructivos: mejorar calidad y consumo energético.
Propuesta de recomendaciones necesarias
Seguridad en la operación e durante las intervenciones: manejo de riesgos y tráfico
Autopista Mex-Qro
Cada vez es más crítico buscar la optimización y preservación de los recursos, en este sentido el uso de herramientas y más información que permitan evaluar una estrategia de una forma global: costo para la dependencia, costo para los usuarios, y costo para las futuras generaciones ha tomado un papel relevante.
Los esfuerzos en este sentido realizados a nivel mundial nos permiten analizar los proyectos en sus diferentes implicaciones.
50
Conclusiones
Seguridad en la operación e durante las intervenciones: manejo de riesgos y tráfico
Autopista Mex-Qro