_(03_) Introducción al Modelo HDM

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Curso de Actualización Profesional FL – GIV - 001

“Introducción al modelo HDM”

Por: Mario Rafael Becerra Salas

Lima, 2013

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1.- El HDM como parte de un SGV

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SGV

"Conjunto de herramientas o métodos para asistir a los responsables de tomar decisiones a encontrar estrategias económicamente efectivas a efectos de proveer, evaluar y mantener pavimentos en condiciones de servicio" (FHWA)

Pavimento: estructura formada por un conjunto de capas sobre el suelo de fundación de un camino, destinada a facilitar y hacer más confortable y seguro el tránsito de vehículos

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SGV

De un buen sistema de gestión se espera: – Uso sencillo: ingreso de datos y actualización de información sin complicaciones. – Capacidad de analizar diversas estrategias alternativas y de identificar la alternativa óptima – Uso de procedimientos racionales para fundamentar decisiones, empleando criterios cuantificables – Evaluación de eficacia de actividades realizadas mediante retroalimentación del sistema

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Sistemas de Gestión El Sistema de Gestión puede aplicarse a nivel de red de caminos (vecinales, provincial, nacionales), o para un proyecto específico (un tramo de una ruta o una calle vecinal)

• Nivel de red: optimización de partidas y recursos asignados, información a nivel global • Nivel de proyecto: datos detallados y precisos (tránsito, materiales, suelo), diseño y selección de alternativas www.flujolibre.com

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Módulos de un SGP

BASE DE DATOS Inventario de características físicas

Evaluación de condición

ANALISIS Análisis de la Condición del Pavimento

Métodos de Asignación de Prioridades

Métodos de Optimización

RETROALIMENTACION 6

Sub-módulos del SGP INVENTARIO: Define características de la red de caminos y sus tramos componentes CONDICIÓN DE LOS PAVIMENTOS: Define calidad del pavimento en base a diversos indicadores ESTRATEGIAS DE MANTENIMIENTO: Tipos de acciones de mantenimiento y rehabilitación (M&R) que usa la agencia, de acuerdo al estado de los pavimentos NECESIDADES DE LA RED: Análisis de la condición de los pavimentos, para determinar las acciones de M&R que deberían ejecutarse 7 www.flujolibre.com

Sub-módulos del SGP PRIORIZACION: Define los factores que determinan la secuencia que seguirá la realización de los trabajos PROGRAMAS: Define qué tratamientos se aplicarán a qué caminos, y cuándo se ejecutarían PRESUPUESTO: Define las necesidades anuales de financiamiento a lo largo del período de análisis EJECUCIÓN DE OBRAS Y RETROALIMENTACION: Evaluación de los resultados obtenidos luego de la realización de los trabajos de M&R 8 www.flujolibre.com

Bases de datos • INVENTARIO: • Contiene información "permanente" de las rutas. Programas computacionales de bases de datos de tipo comercial (Access, ORACLE, etc.), o bien desarrollados “ad-hoc” para el sistema (HDM-4) • La información debe ser confiable, actualizada y en la cantidad necesaria • En los SGP más sofisticados está habitualmente asociado a Sistemas de Información Geográfica (GIS), con uso de mecanismos de geo-referenciación (GPS), videofilmación, etc.

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Elementos del Inventario • Clasificación de la ruta o tramo • Longitud, PKi y PKf de la ruta o tramo • Tipo de pavimento • Ancho y número de trochas • Características planialtimétricas • Tipo y espesor de capas constituyentes del pavimento • Características físicas de los materiales de las capas • Tipo de drenaje • Características de la banquina • Historial de construcción y mantenimiento • Factores climáticos (temperatura, precipitaciones, heladas, etc.) www.flujolibre.com

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Datos de Tránsito

Información que se actualiza periódicamente Censos de tránsito: TMDA, % de tipos de vehículos, configuraciones de vehículos pesados, etc. Métodos de conteo manual o automatizado Cargas de tránsito: estaciones de pesaje (básculas) o toma de los datos con vehículo en movimiento (Weight-inMotion, WIM) 11 www.flujolibre.com

Datos de Estado de Pavimentos DATOS DE ESTADO DE LOS PAVIMENTOS Para conocer objetivamente su situación real Para calibrar modelos de predicción de deterioro

Indicadores o parámetros básicos: Deterioros superficiales Fisuras, deformaciones, ahuellamiento, etc. Escalonamiento y deterioro de juntas Calidad de rodadura (rugosidad - IRI) Capacidad estructural Fricción y textura superficial (seguridad)

Calificación estandarizada de los deterioros: Manual SHRP-LTPP (FHWA, 1993)

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Análisis de Necesidades

Selección de la estrategia de conservación más apropiada, en función del análisis de la condición del tramo. Curvas de comportamiento: permiten Predecir la evolución de indicadores de condición Estimar cuándo y qué tipo de actividades de M&R aplicar Hacer evaluaciones económicas de mediano y largo plazo Retroalimentar y calibrar métodos de diseño

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Modelos de Deterioro Asfalto: Agrietamiento estructural Fisuración térmica Perdida de áridos Baches

Concreto: Agrietamiento de losas Escalonamiento de juntas Deterioro de juntas IRI

Rotura de Borde Ahuellamiento IRI

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Costo Total del Transporte Determinación del Costo Total Global del Transporte Componentes: Costos de construcción Costos de conservación y rehabilitación Costos de operación de los vehículos Costos asociados a tiempos de viaje Costos adicionales por seguridad y contaminación Costos y beneficios exógenos Determinación de flujos de costos y del costo total actualizado, para cada alternativa analizada 15 www.flujolibre.com

Priorización de Obras Proceso de selección de los proyectos a ejecutar en un período determinado Imprescindible si hay restricciones presupuestarias Diferentes criterios de priorización: Indicadores individuales de condición: grietas, rugosidad Índice combinado de condición: función de varios indicadores Criterio compuesto: índice que combina otros factores (tránsito, clasificación, etc)
árbol de decisiones Por Costos Actualizados Mínimos (CAM): mayor prioridad si menor CAM Por Análisis de Beneficio/Costo o Costo-Efectividad

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Programas y Presupuestos

Definición del programa de actividades en base al listado de proyectos a ejecutar Los proyectos con más alta prioridad se ejecutarán en forma inmediata, distribuyendo el resto en el tiempo Presupuestos: estimación de costos en detalle para cada proyecto seleccionado Si el presupuesto resulta, respecto al financiamiento disponible:

Mayor
hay restricción
reducir los proyectos seleccionados Menor
alcanzar mejores estándares para la red
redefinir programa 17 www.flujolibre.com

Ejecución y Retroalimentación

Evaluar lo que se pretendía hacer, y lo que realmente se hizo Costos estimados vs Costos reales Condición a obtener vs Condición que se logró Estrategias propuestas vs Estrategias ejecutadas Etc.

Modificación de Inventario y Condición de los tramos de la red, en la Base de Datos

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2.- Introducción al Modelo HDM

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Historia del Modelo HDM Highway Cost Model 1971

de Weille 1966

Kenya Study 1971-75

Caribbean Study 1977-82 India Study 1976-82 Brazil Study 1975-84

HDM-III 1987

HDM-II 1981

HDM-Manager 1995

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20 20

2 1

Estudio Internacional para el Desarrollo y Gestión de Carreteras (ISO – HDM)

•

•

Patrocinadores: •

Banco Mundial (BIRF)

•

Departamento para el Desarrollo Internacional

•

Banco del Desarrollo de Asia

•

SNRA (DNV Suecia) y Otros

En continuo progreso desde 1993, abarcando: •

Estudios Técnicos (1993~1997)

•

Desarrollo y testeo del software (1996~1999)

•

La Federación Internacional de Carreteras (World Road Association, PIARC) conduce la fase de implementación (1999 ~ ) www.flujolibre.com

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2 2

Estudio ISO - HDM Sponsors

Overseas Development Administration (ODA) Asian Development Bank (ADB) Swedish National Road Administration (SNRA) The World Bank (IBRD)

Comité Directivo Estudios Paralelos

Secretaría del Proyecto

Asesores Técnicos

Universidad de Birmingham

ADB

ODA


Desarrollo de Software




Nuevas Relaciones Técnicas

- Pavimentos Asfálticos - Costos de Usuarios

SNRA

Pavimentos Asfálticos en Climas Fríos
Seguridad
Medio Ambiente

FICEM







Pavimentos de concreto

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HDM-III Manager (1995) Ultima versión oficial del software HDM-III, más sencillo de manejar, para redes reducidas o tramos de carreteras

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HDM-III Manager (1995) Ingreso de datos simplificado y por módulos Incorpora elementos para el análisis de congestión vehicular Buena capacidad de presentación de reportes y gráficos También bajo ambiente DOS

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Limitaciones del HDM-III Relaciones desarrolladas corresponden a estudios llevados a cabo en países tropicales No se puede analizar asfalto en climas fríos No se pueden analizar pavimentos de concreto Técnicas de conservación tradicionales. Además, no permite el análisis de refuerzos asfálticos sobre hormigón, o viceversa Los costos de operación corresponden a vehículos de las décadas del ‘70 y ‘80 (tecnología obsoleta) No considera congestión, efectos sobre el medio ambiente o problemas de seguridad Software computacional obsoleto (ambiente DOS) 25 www.flujolibre.com

2.- Interfaz del HDM4 2.08

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2 7

El HDM4 versión 2.08

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Herramientas de análisis

El HDM4 permite utilizar tres herramientas de análisis: -

Herramienta Proyecto

-

Herramienta Programa

-

Herramienta Estrategia

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Niveles de análisis en HDM-4 versión 2.08

Proyectos: permite evaluar técnica y económicamente un proyecto individual, y definir las alternativas de conservación, rehabilitación o mejoramiento global más convenientes Programas: Permite determinar el conjunto de alternativas más rentables para un grupo de proyectos, estableciendo un orden de prioridades en la secuencia de trabajos a ejecutar Estrategias: Permite analizar el efecto global de la aplicación de planes generales de mejoras en una red de caminos, desde distintos puntos de vista (económico, técnico, presupuestal, etc.) 29 www.flujolibre.com

Objetivos HDM4 Base Económica para seleccionar alternativas de inversión

Estándares de Carreteras

Estándares de Pavimentos 30 www.flujolibre.com

3 1

Arquitectura general del sistema

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3 2

Entorno del HDM4 versión 2.08

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3 3

Entorno del HDM4 versión 2.08

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3 4

Configuración inicial •

Patrones de Flujo de Tránsito

•

Tipos de Flujos de Velocidad

•

Zonas Climáticas

•

Conversiones monetarias 34

•

Datos Agregados www.flujolibre.com

3 5

Configuración inicial Patrones de Flujo de Tránsito:

•

•

•

Distribución de frecuencias de datos de flujo horario

Un patrón único para cada categoría de uso de la carretera

Definido en términos de la cantidad de horas al año en las que el volumen de tránsito es un cierto porcentaje del TMDA www.flujolibre.com

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Volumen de tránsito

- Se puede añadir categorías - Deben estandarizarse - real

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Modelo de tránsito

37

Modelo de tránsito

- El modelo de tránsito sirve solo para el cálculo de COV y TV - Considera 8,760 horas al año - Significa la discretización de periodos en los que se puede colmar la capacidad de la vía

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¿Cómo se calcula?

1

2

3

ESTACIONAL 4

1

2

(2) * 365

4

PERIODO

PERIODO (HR)

1 2 3 4 5 Total

0.24 0.96 1.68 8.16 12.96 24

TRÁNSITO HORAS POR HORARIO AÑO (VEH/HR) 87.6 350.4 613.2 2978.4 4730.4 8760

1086 832 593 296 118 2925

5 (2) * (4) TRÁNSITO EN EL PERIODO (VEH/DÍA) 260.64 798.72 996.24 2415.36 1529.28 6000.24

6

7 (2) * (4) * (4) / TMDA 100 / TMDA HVP

%TMDA

0.18 0.14 0.10 0.05 0.02

4.34 13.31 16.60 40.25 25.49 100

- Se necesita especificar HVP ó % TMDA - En este ejemplo se consideró 6,000 TMDA

39

Modelo Velocidad / Capacidad

40

PCSE

41

Modelo Velocidad / Capacidad - Qo = capacidad límite para ir a flujo libre - Qnom = capacidad a la que convergen los vehículos a la mínima velocidad - Qult = capacidad máxima de la carretera de flujo estable (antes del colapso)

42

4 3

Configuración inicial Tipos de Flujo de Velocidades:

•

Define las características de flujo de velocidades

•

Un tipo de flujo por cada categoría de carretera

•

Definida en términos de capacidad última, velocidad en condiciones de congestión, capacidad de flujo libre, capacidad nominal y tasas de accidentes 43 www.flujolibre.com

4 4

Configuración inicial •

Zonas Climáticas •

•

•

Definición global por condiciones predominantes de temperatura y humedad Parámetros pueden definirse también en forma individual, si hay suficientes datos

Datos agregados (Tablas) •

•

Posibilidad de clasificar en forma cualitativa a diferentes indicadores •

Tránsito alto – medio – bajo

•

Condición buena – regular – pobre – mala)

Se asignan valores típicos representativos a cada una de estas situaciones www.flujolibre.com

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Datos agregados del tramo

- La idea es relacionar parámetros cuantitativos con cualitativos, respecto a las condiciones locales

45

Parámetros de Calibración

- Otorgan el peso de ciertos parámetros en el deterioro y en el efecto de trabajo 46

Configuración inicial

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Serie de Calibración

48

4 9

Información a ingresar de tránsito

•

Volumen expresado como TMDA

•

Composición y tasas de crecimiento

•

Categorías; Normal, derivado y generado

•

Carga por eje

•

Relación entre la capacidad y la velocidad de flujo

•

Patrones de flujo del tráfico

•

Grado de conflicto entre MT y NMT

•

Fricción lateral

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5 0

Flota Vehicular

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5 1

Clasificación de vehículos

•

•

•

Categorías •

Transporte motorizado (MT)

•

Transporte no motorizado (NMT)

Clases •

MT: motos, autos, buses, camiones

•

NMT: peatones, carretas, bicicletas

Tipos •

Ejemplo: autos pequeños, medianos o grandes www.flujolibre.com

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5 2

Flota Vehicular

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5 3

Flota Vehicular

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5 4

Características básicas FV

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5 5

Costos sociales FV

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5 6

Datos vehiculares •

General •

Nombre, categoría, clase y tipo

•

Utilización

•

Comportamiento

•

Características propias del vehículo

•

Características de carga

•

Costos unitarios

•

•

Parámetros de calibración RUE (Road User Effects) Crecimiento

56 Datos para la administración de la flota vehicular

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5 7

Crecimiento FV

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Tramos: Segmentos homogéneos

El HDM-4 utiliza como unidad de análisis el segmento homogéneo, el cual se define como una longitud de carretera en la que el tránsito, diseño geométrico, diseño estructural y estado del pavimento son relativamente constantes.

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Tramificación

Suelo de Fundació Fundación Capacidad Estructural Regularidad superficial - IRI Condició Condición Superficial

Alta

Regular

Media Alta

Mala

Bueno

Baja

Buena

Tramo 1

Tramo 2

Tramo 3

Tramo 4

Tramo 5

CBR1

CBR2

CBR3

CBR4

CBR5

SNP1

SNP2

SNP3

SNP4

SNP5

IRI1

IRI2

IRI3

IRI4

IRI5

%grietas

%grietas

%grietas

%Grietas

%Grietas

Clasificació Clasificación de Condició Condición Estructural y Funcional Trá Tránsito

TPDA

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Tramificación Puntos de generación o atracción de tránsito

Tránsito diario promedio anual

TDP A1

TDPA 2

TDPA 3

(... )

TDPA n

Longitud representativa Irregularidad superficial IRI 1

Diseño geométrico

IRI 2

Proyecto A Tramo 1

IRI 3

Proyecto B Tramo 2

(... )

IRI m

Proyecto C Tramo 3

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6 1

Red de Carreteras

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6 2

Red de Carreteras

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6 3

Elementos de la Red de Carreteras

•

Secciones •

•

•

Longitud de la vía que se puede considerar homogénea en términos de los atributos físicos Es la unidad básica de análisis en el HDM 4

Tramos •

Grupo de secciones viales 63 www.flujolibre.com

6 4

Datos de la Sección vial

•

General •

ID, inventario, tráfico, uso y clase de vía

•

Geometría

•

Características del pavimento

•

Condición de la vía

•

Parámetros de calibración 64 www.flujolibre.com

Proyección del deterioro

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Condición del pavimento existente •

•

Nombre y codificación. Condiciones de flujo y velocidad.

•

Modelo de tráfico.

•

Zona Climática.

•

Clase de Carretera.

•

Nivel de tráfico.

•

Tipo de geometría.

•

Tipo de pavimento y características cualitativas del mismo.

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6 7

Condición del pavimento existente

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6 8

Condición del pavimento existente

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6 9

Condición del pavimento existente

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Condición del pavimento existente

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7 1

Clasificación de los pavimentos

•

•

Categoría de la superficie •

Pavimentada

•

No Pavimentada

Clase de superficie •

Asfáltica

•

Concreto

•

Grava o Tierra 71

•

Tipo de pavimento www.flujolibre.com

7 2

Estándares de trabajo

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7 3

Estándares de trabajo

•

•

Mantenimiento / Conservación •

Rutinario – se hace todos los años

•

Periódico – se hacen cada varios años

•

Especiales – labores de emergencia, mantenimiento invernal

Mejoras •

Ampliaciones, nuevos trazados

•

Nueva construcción 73 www.flujolibre.com

Estándares de trabajo

Clase Mantenimiento Rutinario

Mantenimiento Periodico: Programado y Correctivo

Actividades Especiales

Tipo

Actividad / Tratamiento

Rutinario sobre el pavimento

Bacheo, reparación de borde, sellado de grietas, reposición puntual de grava, reparación de bermas, etc. Drenaje Reparacion y limpieza de dispositivos de drenaje Rutinaria Control de vegetación, Miscelánea demarcaciones, señalización Tratamientos Riego de neblina, Preventivos rejuvenecimientos Restauraciones Revestimientos superficiales, Superficiales lechada asfáltica, reposicion de grava Rehabilitacion Refuerzos, fresados con reposición, relleno de huella Reconstruccion Parcial o Total Emergencia Remoción de escombros, reparaciones y limpiezas, remoción debida a accidentes de tránsito, etc. Invernales Despeje de nieve, esparcido de sales o arena, etc

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7 5

Estándares de conservación o mejoras

•

Agrupa uno o más trabajos u operaciones (refuerzo, sellado y bacheo)

•

Criterio de intervención •

•

Características de diseño •

•

Pavimento, geometría, tipo y clase de vía

Efecto de los trabajos •

•

Programado o por respuesta, incluye límites: tiempo, rugosidad

Resistencia del pavimento, condición, historia, uso de la vía, etc.

Duración y costos

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7 6

Estándares de conservación o mejoras

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7 7

Estándares de conservación o mejoras

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7 8

Estándares de conservación o mejoras

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7 9

Estándares de conservación o mejoras

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Estándares de conservación o mejoras

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8 1

¿Cómo trabaja el HDM4? Predice el comportamiento de la red de carreteras en función de: •

Volúmenes y cargas de tránsito

•

Resistencia del pavimento de las carreteras

•

Estándares de Conservación

Cuantifica los beneficios a los usuarios a partir de: •

Ahorros en costos de operación vehicular (VOC)

•

Reducción en los tiempos de viaje

•

Decrecimiento en el número de accidentes 81

•

Efectos ambientales www.flujolibre.com

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Modelos de análisis en HDM-4 Deterioro y Conservación: predice el deterioro de los pavimentos, el efecto de la aplicación de actividades de M&R y sus costos Costos de operación: predice los costos en que incurren los vehículos, discriminados según los diferentes tipos de insumos (combustible, repuestos, tiempo de viaje, etc.) Efectos ambientales y sociales: estima los efectos sobre el medio ambiente y la sociedad debidos a accidentes, polución por emisiones gaseosas y por ruido 82 www.flujolibre.com

8 3

Comportamiento de la red de Carreteras Modelos basados en factores ingenieriles: •

Tipo de pavimento y construcción

•

Volúmenes y cargas de tránsito

•

Estándares de Conservación

•

Efectos climáticos

Calibrados utilizando datos provistos por estudios de comportamiento de pavimentos desarrollados en: •

Brasil, Kenia, India, Sudáfrica

•

Francia, EE.UU, Suecia, Finlandia, Australia www.flujolibre.com

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8 4

Modelos de efectos en los usuarios •

Costos de operación vehicular •

•

•

Combustible, lubricantes, neumáticos, repuestos Uso y depreciación del vehículo

Costo del tiempo de viaje •

Pasajeros y cargas transportadas

•

Costo de accidentes

•

Efectos ambientales •

Emisiones y ruido

•

Energía

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8 5

Beneficios exógenos y costos

•

Debidos a otras inversiones asociadas •

•

Vías alternas, reparación de puentes, estabilización de taludes, etc.

Beneficios al desarrollo •

agricultura, industria, comercio, etc.

•

Acceso a los servicios

•

Impacto ambiental (polución, ecológico)

•

Social e impactos por reubicación 85 www.flujolibre.com

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Herramienta Proyecto

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Herramienta Proyecto

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Herramienta Proyecto

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Herramienta Proyecto

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Herramienta Proyecto

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Herramienta Proyecto

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Herramienta Proyecto

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Herramienta Proyecto

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Contacto

Para cualquier consulta respecto al empleo del HDM4 versión 2.08 se puede visitar la web www.flujolibre.com Existe además un foro en Linkedin: HDM4 en español

Muchas Gracias Mario Rafael Becerra Salas [email protected]

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