Sustentabilidad y los Pavimentos de Hormigรณn CARLOS M. CHANG, Ph.D., P.E.
Reflexión Inicial El Ingeniero de pavimentos tradicionalmente se concentra en: ➢ Diseño estructural ➢ Materiales que componen el pavimento ➢ Técnicas de Construcción Ampliar la perspectiva para considerar en los proyectos los princicipios de SUSTENTABILIDAD.
Nuestro Medio Ambiente
El agujero en la capa de ozono sobre el Antártico cada primavera se incrementa ocasionando un incremento gradual de la temperatura en el medio ambiente.
El incremento de la temperatura promedio se proyecta entre 1.5 oC a 4.5 oC entre hoy y el año 2050.
Se estima que el nivel del mar se incrementará entre 4.7 pies a 7.1 pies para el año 2100.
Los niveles de los mantos freáticos están cayendo rápidamente en partes de Africa, China, India y América del Norte mientras que la necesidad de agua se incrementa. 3
CE Civil Engineering Fundamentals Fundamental Knowledge for Civil Engineering Practice 1. Introduction to Civil Engineering 2. Fundamental Concepts of Sustainability 3. Ethics 4. Technical Writing 5. Civil Engineering Professional Practice Introduction to Engineering Mechanics 6. General Principles 7. Force Vectors 8. Equilibrium of a Particle 9. Force System Resultants 10. Introduction to Dynamics
4
Âż QuĂŠ es la Sustentabilidad ? Habilidad de mantener cierto proceso o estado en el tiempo. En esencia, la capacidad para perdurar en el tiempo.
Cumplir con las necesidades del presente sin comprometer la habilidad del planeta para mantener un futuro igualmente sostenible para sus habitantes.
Los Principios de Hannover
El documento se desarrolló en la ciudad de Hannover en el año 2000 durante la exposición “Humanidad, Naturaleza, y Tecnología” También se le conoce como Carta de Derechos de la Tierra. Estos principios deben ser considerados por planificadores, diseñadores, funcionarios gubernamentales, y todos los que estén involucrados en proyectos que afecten el medio ambiente.
https://unstats.un.org/sdgs/report/2019/The-Sustainable-Development-Goals-Report-2019_Spanish.pdf
Desarrollo Sostenible Objetivos de la ONU al 2030 Fin de la Pobreza Hambre Cero Salud y Bienestar Educación de Calidad Igualdad de Genero Agua Limpia y Saneamiento Energía Acessible y No Contaminante 8. Trabajo Decente y Crecimiento Económico 9. Industria, Inovación e Infraestructura 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
10. Reducción de Desigualdades 11. Ciudades y Comunidades Sostenibles 12. Producción y Consumo Responsables 13. Acción por el Clima 14. Vida Submarina 15. Vida de Ecosistemas Terretres 16. Paz, Justicia, e Instituciones Sólidas 17. Alianzas para Lograr los Objetivos
La Agenda de la ONU para el 2030 es “un plan de acción para la gente, el planeta, y la prosperidad” 8
¿Por que Sustentabilidad? Urbanización
1960
34%
2018
55%
2030
60%
Source: IPCC- Summary for Policymakers
Source: IPCC- Summary for Policymakers
Emisiones de Gases de Efecto Invernadero por Sectores Econรณmicos
VISION for CIVIL ENGINEERING 2025
“Entrusted by society to create a sustainable world and enhance the global quality of life, civil engineers serve competently, collaboratively, and ethically as master: ..
CIVIL ENGINEERS ?
Pavimentos Sustentables
Aspectos Sociales
a. Aspectos Econรณmicos b. Aspectos Medio Ambientales c. Aspectos Sociales
Sustentabilidad
Aspectos Medio ambientales
ASPECTOS TECNICOS
Aspectos Econรณmicos
Pavimento Sustentable Resistente: Soportar cargas de tráfico y condiciones medioambientales a lo largo de su vida útil. Serviciabilidad: Regularidad Superficial / Comodidad al Transitar. Económico: Bajo costo en el ciclo de vida del pavimento Costo inicial de la construcción + Costos de mantenimiento Amistoso al Medio Ambiente : Reduce la emisión de gases, mitigando el calentamiento global
Seguridad: Buena Fricción, Buen Drenaje
Análisis del Ciclo de Vida Producción de Materiales y Energia
Pre-Pavimentación
Pavimentación Post-Pavimentación
Reutilización y Reciclaje
Fase Operativa en Servicio
Aspectos Técnicos
AASHTO 93 Método Empírico
AASHTO 2008 Método M-E E
2008 AASHTO 2nd Edition - 2015
Software de DiseĂąo de Pavimentos
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Mecanismos de Deterioro en Pavimentos de Hormigรณn
Análisis Comparativo de Diseño de Pavimentos AASHTO 93 versus AASHTO MEPDG 2015
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DiseĂąo de Pavimentos AASHTO MEPG 2015 AASHTO MEPG 2015
AASHTO 1993 Pavimento Flexible
Capa
Pavimento Flexible Espesor (cm.)
Capa
Espesor (cm.)
Carpeta de mezcla asfĂĄltica en cliente
5
Carpeta de mezcla asfĂĄltica en caliente
25
Base Granular
40
Base Granular no estabilizada
30
Subbase Granular
40
Subbase Granular no estabilizada
30
Pavimento RĂgido Capa Losa de Concreto Base Granular
Pavimento RĂgido Espesor (cm.) 25.5 15
đ??“đ??ŤĂĄđ??&#x;đ??˘đ??œđ??¨ đ???đ??ž đ??ƒđ??˘đ??Źđ??žĂąđ??¨ = đ??„đ??’đ??€đ??‹ = đ?&#x;“ ∗ đ?&#x;?đ?&#x;Žđ?&#x;” CBR = 5 % - > Mr = 7,157 psi
Capa Losa de Concreto Base Granular
Espesor (cm.) 23 15
26
27
Aspectos Econรณmicos
Costos Durante la Vida Útil
❑
Costos de construcción
❑
Costos de mantenimiento.
❑
Costos de operación o en servicio.
❑
Costos de rehabilitación o reconstrucción
Pavimento de Concreto de Cemento Portland
CONSUMO DE COMBUSTIBLE
Pavimento Asfรกltico
Consumo de Combustibles (FHWA) 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
222
517
739
7,725
10,718
14,932
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
1,193
1,916
2796
Colocación (3 capas necesarias) Total Pavimento de Concreto Cemento Portland
Total
Consumo típico de combustible diesel requerido para la construcción de una milla de pavimento asfáltico y pavimentos de concreto de cemento Portland.
Consumo de Combustible (FHWA) Se utilizan 2.90 galones de combustible diesel por tonelada de pavimento asfรกltico
Se utilizan sรณlo 0.50 galones de combustible diesel por tonelada de pavimento de concreto de cemento Portland
Menos Emisiones de CO2 ❑
Al ahorrar combustible se emite menos CO2 a la atmósfera. El ahorro estimado en emisiones de gas es 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.
Aspectos Medio Ambientales
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.
Pavimentos y el Efecto Isla Calor 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.
Hay una diferencia de 2ยบC de temperatura entre el pavimento de asfalto y el de concreto con cemento portland
1-05
Albedos en Pavimentos
Pavimento “Fresco” de Cemento Portland
El pavimento de cemento Portland ha sido propuesto como un pavimento “fresco” debido a su reflectividad. Esta mayor reflectancia implica una disminución de entre 1 y 3 ºC en el ambiente frente a la obtenida con los pavimentos habituales.
Reflectancia 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 y Ahorro de Energía
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).
Reflectancia y Ahorro de Energía
Estudios indican 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.
Reflectancia y Seguridad Las superficies de pavimentos de concreto de cemento Portland reflejan mucho mĂĄs la luz. Influencia directa sobre la seguridad vial tanto de los peatones como de los vehĂculos, al aumentar la visibilidad nocturna.
Ejemplos de Nuevas Iniciativas en Pavimentos de Hormigón y la Sustentabilidad
1. Norma ACI 330.2R-17-3 que menciona el análisis de los efectos medio ambientales en el diseño del pavimento. 2. Nanotecnología aplicada a los pavimentos de hormigón. 3. Pavimentos de Hormigón Fotocatalíticos (TiO 2)
En la presencia de la luz solar oxida el NOx en el aire limipiando el medio ambiente, además de mantener el albedo alto. 4. Pavimentos Permeables 5. Nuevos equipos de construcción y técnicas de recliclado.
6. Recapados de Hormigón Ultradelgados
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Pavimentos Permeables Desarrollado por el Franklin Insitute en 1972 ✓ Concepto de “Ciudad Esponja” ✓
Solución Medio Ambiental para la Gestión del Drenaje de las Aguas Pluviales. Ventajas ✓ ✓ ✓ ✓ ✓
Reduce la Superficie Impermeable Mejora la Calidad del Agua Recarga las Aguas Subterráneas Elimina la necesidad de cuencas de retención Reduce la carga de los sistemas urbanos de recolección de aguas pluviales.
Aplicaciones de Pavimentos Permeables
✓ ✓ ✓ ✓ ✓
Usualmente utilizados en vías de bajo volumen de tráfico : Estacionamientos, calzadas, caminos peatonales, calles residenciales con velocidades menores a 35mph Vías con Tráfico compuesto por Camiones Ligeros Zonas de Volteo Restringidas Algunas Agencias investigan el uso en las bermas de las carreteras.
Tipos de Pavimentos Permeables
Asfaltos Porosos
Hormigรณn Permeable
Unidades Modulares de Hormigรณn
Sistema de Mallas (plรกstico o hormigรณn )
PaLATE 2.0 Software ✓
Herramienta para el análisis del ciclo de vida de los pavimentos para efectos ambientales y económicos.
✓
Utilizado por Ingenieros la toma de decisiones en la definición del tipo de pavimento.
Planteamiento del Problema Comparar el impacto ambiental en la emisión de gases y los costos de varios sistemas de pavimentos permeables con sistemas tradicionales. ✓
Asfalto Poroso
✓
Hormigón Permeable
✓
Unidades Modulares de Hormigón
✓
Pavimento Convencional de Asfalto
✓
Pavimento Convencional de Hormigón
Datos para el Diseño Composición de Diseño de Carretera Ancho de Carril – 7.32 m (24 ft) Largo – 200 m (656 ft) Espesor y Materiales por capa (Por Diseño) Periodo de Evaluación = 40 Años Construccion Inicial – Producción de Materiales + Construcción + Mantenimiento
Resultados del Anรกlisis Consumo de Energia (MJ)
3000 2500
THOUSANDS
2000 1500 1000 500 0 PICP
PAP Initial
PCP Maintenance
Bituminous
Concrete
MILES
Resultados del Anรกlisis 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
Total de Emisiones CO2(kg) del Pavimento
PICP
PAP Initial
PCP Bituminous Maintenance
Concrete
Conclusiones del Análisis Pavimentos permeables son una opción sostenible considerando los efectos económicos y medio ambientales. Beneficios Sociales Reducción al Flujo de Aguas Pluviales Reduce el Efecto de Isla Calor Reduce las Emisiones de CO2 Suministro de Agua
Aspectos Sociales
CAMINOS RURALES ATRAVEZ DE MODULOS COMUNITARIOS DE ADOQUINADO EN NICARAGUA • A partir del año 1996, el Banco Mundial a través de la AIF y el GON han trabajado de la mano con la implementación de cinco programas de Rehabilitación y Mantenimiento de Caminos Rurales a través de Modulo Comunitarios de Adoquinado ( MCA´s). En el año 2012 el BCIE suma sus esfuerzos y comenzó a replicar el modelo del programa de adoquinado con MCAS para la ejecución de sus proyectos con destino a los sectores Rurales del país. • Hasta la fecha se han construido un total de 1175.8 Km
Componentes de un Pavimento de Adoquines
MARCO ESTRATEGICO DEL PROGRAMA DE ADOQUINADO A TRAVEZ DE MCAS Generar formas alternativas de ejecución de obras en forma rápida y duradera (Mantenimiento tradicional vs adoquinado). Mejorar y simplificar los procesos de gestión de obras en el MTI (diseño, contratación, supervisión, pagos). Contribuir a la Estrategia de Reducción de la Pobreza.
Conclusiones
Sustentabilidad Planeta-Beneficio-Personas (PBP)
Anรกlisis del Ciclo de Vida (ACV)
Evaluar el impacto en el medio ambiente, econรณmico y social durante el ciclo de vida de los proyectos
Pavimentos Sustentables 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 ❑ Generación de puestos de trabajo en las comunidades 61
Pavimento Sustentable = Pavimento Hormigón
Se puede lograr a través de la optimización del diseño , construcción y mantenimiento.
Conclusiones 
Los beneficios del uso de pavimentos de hormigĂłn son significativos en todas las etapas del ciclo de vida.
Autos
Camiones
Reflexión Final "Porque solo tenemos un planeta para vivir, la sustentabilidad requiere que la tecnología trabaje en armonía con el medio ambiente, y no en oposición a ella"
Desarrollo Sostenible es la RESPUESTA !!!
Carlos M. Chang, Ph.D., P.E. cchangalbitres2@utep.edu