Conceptos, Perspectivas y Aplicaciones de la...
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1 ICCYC Costa Rica, Agosto 2010 Carlos M. Chang, Ph.D., P.E. Conceptos, Perspectivas y Aplicaciones de la Ingeniería Sostenible Caminos “Sostenibles”
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ICCYC Costa Rica, Agosto 2010
Carlos M. Chang, Ph.D., P.E.
Conceptos, Perspectivas y Aplicaciones de la Ingeniería Sostenible
Caminos “Sostenibles”
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Ingeniería Sostenible?
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El Concepto de Sostenibilidad
EquitativaAceptable
ViableEntorno Natural
Vitalidad Económica
SOSTENIBILIDAD
Sociedad Saludable
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Desarrollo Sostenible
El desarrollo sostenible no es solamente preservar elmedio ambiente sino tambiėn considera los aspectossociales y económicos.
Evaluar el impacto económico y social durante el ciclo de vida de los proyectos es necesario.
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Caminos Sostenibles
Introducción Histórica
La prehistoria
No hay mayor necesidad de vías de comunicación
El hombre busca “refugio”
Preocupación: “sobrevivir”
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Introducción Histórica
Antigüedad
Grecia y Roma Importancia de los lugares
públicos Concentración actividad
humana en la “polis” Centros de poder: calles
bien pavimentadas
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Introducción Histórica
Roma Red de 150,000 Km Utilización de la estructura de
pavimento según el terreno natural.
Diferencian vías urbanas e interurbanas.
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Introducción Histórica
Calle de Pompeya
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Sagunto Valencia)
Detalle del Pavimento Vía Apia, 312 a.C
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Introducción Histórica
Edad media:
Ciudades de origen árabe: Calles estrechas Lugar de encuentro
Edad moderna:
Revolución Industrial: Burguesía Seguridad y comodidad
(charcos y polvo) Disminución tiempos de recorrido
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Introducción Histórica
Edad moderna: A finales del siglo XVIII, los pavimentos urbanos obedecen a razones de higiene y mejora del transporte.
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Introducción Histórica
Edad contemporánea:
Desarrollo del transporte: automóvil (principios s.
XX): vehículos rápidos y pesados
regularidad superficial abandono del adoquín
de piedra mezclas asfálticas y
pavimentos de concreto
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Efecto de las Decisiones en el Ciclo de Vida de un Proyecto
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P-1¿ Qué Factores Deben Considerarse en el Diseño, Construcción y Mantenimiento
de Caminos Sostenibles?
17Libro – Pág. 42
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Caminos Sostenibles
a. Aspectos Medio Ambientales
b. Aspectos Económicos
c. Aspectos Sociales
Sostenibilidad
Aspectos Sociales
Aspectos Económicos
Aspectos Medio ambientales
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Caminos Sostenibles
a. Aspectos Medio Ambientales El calentamiento global y las emisiones Consumo de energía Materias Primas / Reciclaje / Contaminación del aire / ruido Residuos
b. Aspectos Económicos Costos Iniciales Costos durante el Ciclo de Vida incluyendo costos del usuario
c. Aspectos Sociales Seguridad Vial Comodidad del usuario al manejar Tiempos de desplazamiento del usuario
Sostenibilidad
Aspectos Sociales
Aspectos Económicos
Aspectos Medio ambientales
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IMPACTO AMBIENTAL
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Mejores Caminos ?
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El Pavimento Urbano Como Estructura Sostenible
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El Pavimento Urbano
Época ActualLa calle y el pavimento urbano:Doble función:ESPACIO FISICO: comunicación, grandes arterias…ESPACIO SOCIAL: peatonalización, bulevares, paseos, jardines…
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Tipos de Pavimento
Flexible: Pavimento de mezcla de asfalto en caliente. Se utiliza en las carreteras, caminos y calles.
Rígido: Pavimentos de concreto compuestos por una mezcla cemento portland con agua y agregados. El pavimento de concreto convencional se coloca con encofrado fijo o con equipos de encofrado deslizante. Una variante es el concreto rodillado.
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P-2¿ Qué tipo de pavimentos es más
ecológico? ¿ Porqué ?
25Libro – Pág. 42
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El Calentamiento Global en las Ciudades
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Las Ciudades y el Efecto Isla Calor
La temperatura del aire en zonas urbanas densamente pobladas es mayor que la temperatura en la periferia de la ciudad. Este fenómeno se conoce como “Isla de Calor Urbana”.
El incremento de la temperatura urbana tiene un efecto directo en el consumo de energía y en las condiciones de confort térmico en zonas residenciales.
1-04
El continuo crecimiento de las ciudades y el calentamiento global causan altas temperaturas en zonas urbanas densamente pobladas.
El Efecto de Isla Calor (Heat Island)1-01
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¿Por qué Mitigar el Efecto Isla Calor ?
La reducción del efecto isla calor beneficia al medio ambiente mejorando la salud humana y nivel de confort de los habitantes de la ciudad.
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¿Cómo Mitigar El Efecto de Isla Calor ?
Agencia de Protección Medio-Ambiental (EPA) de los E.U. propone como estrategias para reducir el efecto isla de calor:
Aumentar áreas urbanas cubiertas con vegetación
Construir “Techos frescos" Construir “Pavimentos ecológicos frescos “
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Las Ciudades y el Efecto Isla Calor
Entre los factores de mayor influencia se encuentran las propiedades térmicas de los materiales de construcción.
El uso de materiales de construcción brillantes y claros reduciría la temperatura ambiental.
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Área Cubierta en Ciudades de los E.U.
Source: Rose, L.S., H. Akbari, and H. Taha, “Characterizing the Fabric of the Urban EnvironmenCase Study of Greater Houston, Texas,
Ciudad Pavimento Vegetación Techos Otros Total
Sacramento 45% 20% 20% 15% 100%
Chicago 37% 27% 25% 11% 100%
Salt Lake City 36% 33% 22% 9% 100%
Houston 29% 37% 21% 12% 100%
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El Efecto de Isla Calor (Heat Island)
Alrededor del 30% de la superficie total de una ciudad es ocupada por los pavimentos.
Por lo tanto una reducción de las temperaturas de la superficie cubierta por pavimentos es muy beneficiosa.
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El balance energético que ocurre en la superficie del pavimento está relacionado al efecto isla calor.
Las propiedades de los materiales con los que se construye los pavimentos hace que absorban y almacenen una mayor cantidad de calor que las áreas cubiertas con vegetación.
Pavimentos y el Efecto Isla Calor 1-03
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Los pavimentos tienen una alta capacidad de absorción térmica.
Los pavimentos son considerablemente más calientes que la temperatura del medio ambiente y emiten este exceso de calor al aire.
Las propiedades termofísicas de los materiales, especialmente el albedo solar y la reflexión infrarroja, tienen un fuerte impacto en el equilibrio energético de las ciudades.
Materiales y El Efecto Isla Calor1-04
Hay una diferencia de 2ºC de temperatura entre el pavimento de asfalto y el de concreto con cemento portland
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Absorción, Almacenamiento, e Irradiación del Calor en los Pavimentos
Albedo o reflectancia solar es la capacidad de una superficie para reflejar la radiación de onda corta (luz visible en su mayor parte), un albedo más alto significa una mayor capacidad para reflejar la luz. Por lo tanto, un mayor albedo reduce la cantidad de energía solar absorbida por el pavimento y lo mantiene más fresco. En general, el albedo se correlaciona con el color. Colores más claros tienen una mayor albedo.
Permeabilidad para permitir que el agua y el vapor de agua pase a través de ellos (o ser almacenadas dentro de los vacíos del pavimento). Pavimentos permeables aprovechan el efecto de enfriamiento de la evaporación.
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P-3¿ Qué otras propiedades pueden
mencionarse?
38Libro – Pág. 42
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Conductividad mide la velocidad a la cual el calor se transfiere a través del pavimento. Un pavimento con baja conductividad se calienta en la superficie rápidamente, pero no almacena más calor que uno con mayor conductividad.
Emisividad es una medida de la velocidad a la que un objeto puede irradiar el calor de su superficie. Los objetos con mayor emisividadirradiaran el calor más rápido.
El Espesor del pavimento influye en la cantidad de calor que puede almacenar.
Flujo de aire por convección, pavimentos porosos se enfrían más rápido que los pavimentos convencionales.
Absorción, Almacenamiento, e Irradiación del Calor en los Pavimentos
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Albedos en Pavimentos
Los materiales convencionales utilizados en los pavimentos tienen albedos que van desde 0,05 a 0,40 cuando son nuevos.
El concepto de pavimento “fresco” se basa en la idea de que al aumentar la reflectancia de la superficie del pavimento, menos luz solar será absorbida, bajando la temperatura durante del pavimento durante el día.
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Albedo y el Calentamiento Urbano
El uso de materiales de construcción con un albedo alto, no sólo produce temperaturas más bajas en las zonas urbanas sino que también reduce la energía de enfriamiento.Esto tiene un efecto positivo sobre las emisiones de gases de efecto invernadero, especialmente en la reducción de CO2, que se acumula debido a la generación térmica de energía eléctrica.
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El pavimento convencional de cemento Portland ha sido propuesto como un pavimento “fresco” debido a su color claro y reflectividad.
Esta mayor reflectancia implica una disminución de entre 1 y 3 ºC en el ambiente frente a la obtenida con los pavimentos habituales.
Comparados con los pavimentos de asfalto (negros), los pavimentos de concreto incrementan el albedo entre un 10 y un 15%, lo que equivale a una reducción del CO2de 25 a 38 kg por metro cuadrado (60% y el 90% del CO2).
Pavimento “Fresco” de Cemento Portland1-06
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Pavimentos Ecológicos Frescos
El uso de pavimentos ecológicos frescos, como el pavimento de concreto, ayudan a mitigar el efecto isla calor, mejorar la calidad del agua, mitigar el ruido, incrementar la seguridad, y mejorar iluminación nocturna.
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Las necesidades de energía en las ciudades pueden ser reducidas en un 33% al utilizar pavimentos de concreto con respecto a la requerida por los pavimentos asfálticos para obtener un nivel de confort equivalente.
Pavimento “Fresco” de Cemento Portland1-06
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Figure 4.2 Surface Temperature and Albedo for Selected Types of Pavements in Phoenix, Arizona
Source: Redrawn from data by Jay S. Golden and Kamil Kaloush, SMART Program, and Arizona State University, July 24, 2004.
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P-4¿ Cómo aprovechar las propiedades del pavimento de asfalto desde el punto de
vista energėtico?
46Libro – Pág. 42
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Proyecto de Pavimentos Asfáltico “FENIX”
Capacidad de los pavimentos asfálticos para captar y almacenar la energía procedente del sol.
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Desarrollo de un sistema innovador capaz de captar parte de la energía procedente de la irradiación solar a través de un pavimento asfáltico y almacenarla en la subbase de un pavimento flexible permeable empleado como sistema de drenaje.
Esta energía, totalmente renovable y limpia, permitirá climatizar edificios durante todo el año y evitar la aparición de hielo en las carreteras, entre otras aplicaciones.
Proyecto de Pavimentos Asfáltico “FENIX”1-07
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LOS PAVIMENTOS URBANOS Y LA ILUMINACION
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Los tipos de pavimento se agrupan en 4 categorías de reflectancia en un rango desde R1 (alta reflectancia) a R4 (baja reflectancia):
R1: Pavimento de Concreto de Cemento Portland
R2: Pavimento de asfalto de 10 cm de espesor con 60% de agregado grueso
R3: Pavimento de asfalto con agregados de color obscuro y textura áspera después de unos cuantos meses de uso
R4: Pavimento de asfalto con una textura muy lisa.
Reflectancia 1-08
Si se utilizan agregados brillantes en el pavimento de concreto de cemento Portland, éste será más más reflectivo que otras superficies de pavimento.
La reflectancia en el pavimento de concreto de cemento Portland es de cuatro a cinco veces mayor que la del pavimento de asfalto.
Fuente: Research Institute of the Austrian Cement Association, Vienna, Austria
Reflectancia1-01
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La reflectancia del pavimento tiene una relación directa con el consumo de energía eléctrica en lo que a iluminación respecta.
Para lograr el mismo nivel de iluminación en una calle, el pavimento con una reflectancia R3 (asfalto) requiere 47.7% más de iluminación que el pavimento tipo R1 (concreto).
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Reflectancia y Ahorro de Energía
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Debido a la mayor reflectancia de los pavimentos de concreto de cemento Portland, se puede obtener el nivel especificado de luminancia con un número menor de luminarias.
El pavimento R1 requiere 27 postes instalados por milla, mientras que el pavimento R3 requiere 39. Esta es una diferencia de 12 postes de iluminación por milla.
A US$ 2,000 por unidad de iluminación, las cuales incluyen equipo y costos de instalación, el pavimento R1 ahorra US$ 24,000 por milla en costos iniciales solamente.
1-08
Reflectancia y Ahorro de Energía
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Reflectancia y Ahorro de Energía
Se afirma que los pavimentos de cemento Portland demandan un costo por consumo de energía del 50% menor que los pavimentos asfálticos para obtener un nivel de iluminación equivalente.
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Reflectancia y Seguridad
Las superficies de pavimentos de concreto de cemento Portland reflejan mucho más la luz.
Influencia directa sobre la seguridad vial tanto de los peatones como de los vehículos, al aumentar la visibilidad nocturna.
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ANALISIS DE COSTOS DURANTE EL CICLO DE
VIDA UTIL DEL PAVIMENTO
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Costos Durante la Vida Útil
El costo de construcción, incluyendo el de diseño y supervisión.
El costo de mantenimiento.
El costo de operación.
1-10
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Tiempo
Costo
Construcción Inicial
Rehabilitación
Mantenimiento
Remanente
Costos Durante la Vida Útil
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Costos de la Agencia
Construcción Inicial: 70 a 90%
Rehabilitación: 10 a 25%
Mantenimiento Reactivo: Casi no tiene efecto
Valor Remanente: Muy poco efecto
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Tiempo
Valor Presente
Neto
Construcción Inicial
Rehabilitación
Mantenimiento
Remanente0
El costo de todas las actividades son calculadas a tiempo = 0 utilizando la tasa de descuento especificada.
Valor Presente Neto
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Fórmulas Básicas
Valor Presente:
1 /(1 )n nP F i F i
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Costo Inicial Costos
Recurrentes
Número de Costos
Recurrentes
Tasa de Descuento
(interés)
Número de Años
1
1. . . .1 k
N
k nk
NPV I C R Ci
Valor Presente Neto
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Valor Presente:
Costo Anual Equivalente:
1 /(1 )n nP F i F i
11 1
n
n
i iA P
i
Fórmulas Básicas
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Los Costos de Usuario Incluyen...
Operación vehicular
Demora de Usuario
Colisión (Accidentes)
Tiempo de Viaje:Demoras por congestión = $ para usuarios
65
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Costos de Usuario por Zona de Trabajo = Demoras = $ para Usuarios
J. “Q.” Public
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EjercicioPrimera Parte
67Libro – Pág. 42
68
EjercicioSegunda Parte
68Libro – Pág. 42
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Costos Operativos
Vehículo de Pasajeros = $11.58/hora
Camión de Unidad Sencilla = $18.54/hora
Camión Ejes Múltiples = $22.31/hora
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CONSUMO DE COMBUSTIBLES DURANTE LA PRODUCCION
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Los análisis de costos tradicional durante el ciclo de vida no consideran muchas veces el costo de combustibles, su impacto económico y medio ambiental.
El combustible es el componente principal de los costos de operación, por lo que se debe estudiar el consumo de combustible por clase de vehículo, diseño de carretera, tipo y condición de los pavimentos.
Costo de Combustibles1-11
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Ahorro de Combustible
Estudios realizados no han mostrado diferencias significativas en el ahorro de combustibles de los automóviles debido al tipo de pavimento.
Por el contrario en el caso de vehículos pesados el consumo de combustible en los pavimentos de concreto de cemento Portland es menor que en los pavimentos de asfalto.
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Pavimento de Concreto de Cemento Portland
Pavimento Asfáltico
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Se utilizan 2.90 galones de combustible diesel por tonelada de pavimento asfáltico
Se utilizan sólo 0.50 galones de combustible diesel por tonelada de pavimento de concreto de cemento Portland
Consumo de Combustible (FHWA)1-12
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Consumo típico de combustible diesel requerido para la construcción de una milla de pavimento asfáltico y pavimentos de concreto de cemento Portland.
Pavimento Asfáltico Mínimo (galones)
Promedio(galones)
Máximo(galones)
Producción 6,468 8,981 12,936
Acarreo (0-10 millas) 1,035 1,220 1,257
Colocación (3 capas necesarias)
222 517 739
Total 7,725 10,718 14,932
Pavimento de Concreto Cemento Portland
Mínimo(galones)
Promedio(galones)
Máximo(galones)
Producción 293 548 880
Acarreo (0-10 millas) 645 939 1,310
Colocación (3 capas necesarias)
254 430 606
Total 1,193 1,916 2796
Consumo de Combustibles (FHWA)1-12
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CONSUMO DE COMBUSTIBLE Y EL MEDIO AMBIENTE
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Las tasas de consumo de combustible en esta indican que el ahorro de consumo de combustibles es de 3 a 17% en los pavimentos de concreto de cemento Portland.
Combustible consumido(millones de galones/ año)
Total de CO2 (millones ton métricas /año
Pavimento de concreto de cemento Portland, 30 mphVelocidad constante, en seco
3,598 12.7
Pavimento de asfalto, 30 mph, Velocidad constante, en seco 3,775 13.32Pavimento de concreto de cemento Portland, 30 mphVelocidad constante, en húmedo
4,783 16.88
Pavimento de asfalto, 30 mph, Velocidad constante, en húmedo 4,942 17.44
Combustibles y CO2
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Al ahorrar combustible se emite menos CO2 a la atmósfera. El ahorro estimado en emisiones de gases de 2,5 kg CO2 por m2, siendo significativo en toda la vida útil del pavimento.
La disminución media de CO2, es de 150.000 t en un tramo de100 km. a lo largo de los 30 años de la vida útil de un pavimento.
Menos Emisiones de CO2
1-06
Preguntas ?
