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Comunicación Libre - VIII Jornadas Nacionales sobre Conservación de Carreteras
El HDM-4 como herramienta de ayuda para la Conservación de Carreteras
Autores: Ramón Crespo del Río y Pedro Yarza Álvarez
El Modelo HDM-4 es una importante herramienta de análisis para la evaluación técnica y
económica de Inversiones en construcción y conservación de redes de carreteras. Sucesor
reciente del HDM -III presenta importantes novedades y mejoras respecto a la versión anterior
que le hacen aplicable a redes de carreteras de cualquier nivel de tráfico.
El funcionamiento de la herramienta se basa en un modelo de cálculo de las relaciones físicas y
económicas derivadas de un extenso estudio sobre el deterioro de las carreteras, el efecto de la
conservación de las mismas, y los costes de operación de los vehículos.
Las principales funciones del HDM-4 son el análisis de los deterioros y los efectos de la
conservación de carreteras, para una serie de alternativas de conservación especificadas por el
usuario de la aplicación. Para ello, calcula los costes de operación de los vehículos en función
del estado de cada carretera, determina los costes anuales de la administración de carreteras y
de los usuarios para cada una de las alternativas de conservación definidas. Por último, se
evalúan las alternativas de conservación, produciendo la comparación económica de las
mismas. De esta manera el ingeniero dispone de una amplia información para determinar
cuáles son las medidas de conservación más beneficiosas para la red estudiada.
Una herramienta como el HDM-4 puede usarse para realizar diversos tipos de análisis sobre
una red de carreteras:
•
En el área de la planificación y conservación de carreteras, el HDM-4 puede servir de
ayuda para apoyar analíticamente la justificación de inversiones, pronosticar futuras
necesidades financieras y físicas para preservar la infraestructura de carreteras, ó
determinar estrategias de mantenimiento en función de los recursos disponibles.
•
Existen una serie de aplicaciones auxiliares como pueden ser la determinación de
umbrales económicos para mejoras en carreteras, la comparación de alternativas de
diseño y conservación, el cálculo del coste del uso de la vía, la realización de estudios
de determinación de impuestos en el sector de transporte, estudios de la determinación
del peso por eje de los vehículos, el análisis de los efectos de modernizar el parque de
vehículos, que amplían el espectro de posibles usos de un modelo de cálculo como el
del HDM-4.
En el caso de la programación y planificación de inversiones en la conservación de redes de
carreteras, la herramienta puede ayudar a la toma de decisiones sobre cuál es el programa
óptimo de conservación y cuáles son los recursos necesarios para implementar el programa,
cómo la administración debe distribuir los recursos necesarios para el programa óptimo de
conservación, ó cuál es el programa óptimo de conservación si existen restricciones
presupuestarias.
En último lugar, se presenta un corto ejemplo de aplicación del modelo a la conservación de
parte de la Red de Carreteras en la provincia de Huelva. Se ha planteado un programa de
rehabilitación y conservación de dicha red, analizándose de forma global las distintas
actuaciones a llevar a cabo en los distintos tramos, con el objetivo de conseguir el máximo
benéfico económico, para el conjunto de la sociedad, a las inversiones realizadas.
1
El HDM-4 como herramienta de
ayuda para la Conservación de
Carreteras
Pedro Yarza Álvarez [email protected]
Ramón Crespo del Río [email protected]
1. Introducción
La comunicación que a continuación
se desarrolla describe brevemente las
posibilidades de la herramienta HDM-4
como soporte a la toma de decisiones en
gestión de la conservación de carreteras.
de los vehículos modernos, no se
consideraban la congestión del tráfico, ni los
pavimentos rígidos, ni la textura del
pavimento y la resistencia al deslizamiento,
ni el impacto medioambiental, ni las
condiciones de helada.
En el desarrollo del HDM-4 (año
2000) se consideraron entre otros estos
factores ampliándose el modelo para
incorporar las siguientes características
técnicas:
•
En lo referente al estado de los
pavimentos, se han incorporado en
esta última versión del modelo un
rango más amplio de pavimentos
flexibles, los pavimentos rígidos de
hormigón, un mayor número de
opciones o estándares de mejora y
conservación, los efectos del drenaje
y los efectos de climas con heladas.
•
Respecto al uso de las carreteras se
han incorporado al modelo nuevos
tipos
de
vehículos,
se
han
actualizado las características de los
mismos, se han incorporado los
efectos de la congestión y los
accidentes
y
el
impacto
medioambiental.
Asimismo se presenta de manera
resumida un ejemplo de cómo aplicar dicha
herramienta para planificar las tareas de
conservación de un conjunto de carreteras .
2. Evolución histórica
El
modelo
HDM
(Highway
Development and Management) nace en
1968 impulsado por el Banco Mundial y
apoyado a lo largo de los años por una serie
de instituciones entre las que destacan el
Massachussets Institute of Technologies
(MIT), el Laboratoire Central des Ponts et
Chaussées (LCPC), el Transport and Road
Research
Laboratory
(TRRL)
y
la
Universidad de Birmingham.
Las bases del sistema HDM de
evaluación de proyectos de carreteras se
basa en la interacción entre el coste de las
obras y los costes de operación de los
vehículos.
Este
modelo
ha
ido
evolucionando a lo largo de los años gracias
al
desarrollo
de
distintos
estudios
internacionales que han permitido adaptar el
modelo a las distintas características de
carreteras y vehículos, según ambos han
evolucionado con el paso del tiempo.
El modelo HDM-III presentaba una
serie de limitaciones entre las que destacan:
los costes de operación de vehículos
considerados no refleja las características
3. El HDM-4 en la gestión de
carreteras
La gestión de las carreteras abarca
fundamentalmente las siguientes funciones:
•
Planificación, consistente en el
análisis de un sistema de carreteras
en
su
conjunto,
definiéndose
presupuestos a medio y largo plazo,
y estimándose gastos de desarrollo
y conservación de carreteras bajo
distintos escenarios presupuestarios.
•
Programación, consistente en el
desarrollo
de
programas
plurianuales de obras tanto de
construcción de nuevos tramos
como de conservación de la red.
Estos programas se definen para los
2
distintos tramos de carretera de una
determinada
red,
estando
generalmente condicionados estos
programas
por
limitaciones
presupuestarias,
teniendo
que
definirse las actuaciones a realizar
en función de un análisis costebeneficio.
•
•
Preparación, en este nivel se define
el detalle de cómo se han de llevar a
cabo los distintos tipos de obras a
ejecutar sobre un tramo de
carretera. Entre las tareas de este
tipo está la definición de las
características de un refuerzo, la
modificación
del
trazado,
el
ensanche de un tramo de carretera,
la reconstrucción de un firme, etc.
Por último se encuentran las
Operaciones, mediante ellas se van
desarrollando las tares definidas en
los anteriores escalones, y se realiza
un seguimiento detallado de los
trabajos realizados.
El HDM-4 es una herramienta de
ayuda al gestor de una red de carreteras,
que le permite de una manera analítica
identificar dónde resulta más rentable
(socialmente) invertir, para conseguir
maximizar el beneficio de la red de
carreteras para el conjunto de la sociedad.
Así, a través de las distintas
funcionalidades de la herramienta se
pueden analizar los resultados de distintas
alternativas en la planificación de redes de
carreteras. Se pueden analizar los
resultados de diferentes programas de
actuación en una determinada red y se
pueden llegar a definir trabajos a realizar
maximizando el beneficio de los mismos.
cabo la conservación de una red de
carreteras:
•
Eficiencia Técnica y Económica: Las
normas técnicas y funcionales de
conservación de una red de
carreteras se eligen con el objetivo
de minimizar el coste total del
transporte en la sociedad.
•
Respuesta a la condición o estado:
Las normas de actuación se definen
en relación a las necesidades
técnicas observadas, a prestar
niveles de servicio aceptables, y a
los recursos disponibles.
•
Respuesta a la Crisis: El sistema es
operado
con
poca
o
nula
conservación, hasta la crisis, en este
momento se lleva a cabo una
actuación de emergencia sobre la
zona afectada, o se llevan a cabo
grandes trabajos de restauración y
reconstrucción
de
los
tramos
totalmente deteriorados.
De estas posibles estrategias la
herramienta HDM-4 puede ser de utilidad
fundamentalmente cuando la forma de
trabajar es la descrita en primer lugar,
realizándose las tareas de conservación de
acuerdo a criterios técnicos y económicos
que minimicen el coste total del transporte
para la sociedad.
También se puede utilizar una
herramienta como el HDM-4 para el
establecimiento
de
estándares
de
conservación más adecuados para una
carretera en función de su estado
(respuesta a condición).
5. El sistema HDM-4
4. Modos
de
abordar
la
conservación de una red de
carreteras
Se
pueden
establecer
tres
estrategias distintas a la hora de llevar a
El funcionamiento del sistema se
basa en las relaciones físicas y económicas
derivadas de un extenso estudio sobre el
deterioro de las carreteras, el efecto de la
conservación de las mismas y los costes de
operación de los vehículos.
3
El sistema HDM-4 se basa
fundamentalmente
en
los
siguientes
modelos para el cálculo de las mejores
alternativas de conservación y mejora de los
distintos tramos de carretera evaluados en
un determinado análisis. Estos modelos
son:
Deterioro de la carretera (RD - Road
Deterioration): Este modelo prevé cuál va a
ser el deterioro del firme, en función del
tráfico y del estado actual.
Efectos de las obras (WE - Work Effects):
Este modelo simula los efectos de las obras
en el estado del firme y determina los
costes correspondientes.
Efectos para los usuarios (RUE - Road
User Effects): Mediante este modelo se
determinan los costes de operación de los
vehículos, accidentes y tiempo de viaje.
Efectos sociales y medioambientales
(SEE - Social and Environment Effects):
Determina los efectos de las emisiones de
los vehículos y el consumo de energía.
Mediante el uso de estos modelos la
herramienta calcula, para cada año del
período de evaluación, para cada tramo de
carretera y para cada alternativa o
estrategia de conservación, las condiciones
de la carretera y los recursos utilizados para
conservación con cada estrategia, así como
las velocidades de los vehículos y los
recursos físicos consumidos por la
operación de vehículos.
Una vez estimadas las cantidades
físicas necesarias para construcción, las
obras y operación de vehículos, se aplican
los precios y costes unitarios especificados
por los usuarios para determinar los costes
económicos de las distintas alternativas.
Luego se hace el cálculo de los beneficios
relativos de las diferentes alternativas,
seguido del cálculo del valor actual y de la
tasa de rentabilidad. Por último queda
comparar los valores actuales de cada
alternativa para obtener cuál es la mejor
solución desde el punto de vista de lograr
un menor coste del transporte para el
conjunto de la sociedad.
El análisis del coste global de cada
alternativa se obtiene considerando por un
lado los costes de la administración de
carreteras (costes de construcción y de
conservación) y por otro los costes de los
usuarios (coste de operación de los
vehículos, costes del tiempo, coste de los
accidentes). La integración de todos estos
costes se muestra en la figura 1.
Los modelos antes citados se
integran dentro de la herramienta y están
complementados por módulos auxiliares,
que permiten al usuario de la aplicación
gestionar la información referente a la red
de carreteras, el parque de vehículos y los
estándares de conservación y mejora. La
aplicación permite obtener informes de
distinto tipo sobre la evolución del estado de
la carretera, las necesidades de inversión
anual, etc.
Por último la aplicación permite
exportar e importar datos para integrar la
misma con otras herramientas de gestión.
En la figura 2 se adjunta un
esquema de las distintos módulos del
sistema HDM-4 y del flujo de datos entre los
mismos.
6. Modelos de cálculo
Modelo económico
El modelo de evaluación económica
se basa en minimizar los costes totales del
transporte para la sociedad.
En la figura 3 se muestra la
variación de los costes tanto del usuario de
la carretera como de la administración, en
función del estado de la misma. En la figura
se observa el punto de coste mínimo de la
sociedad, correspondiente al valor mínimo
de la función suma de los costes de la
administración y de los usuarios.
Modelo de deterioro de la carretera y
efectos de las obras
4
En el caso del firme, la evaluación
del estado se hace partiendo de las
características del firme, del estado del
mismo en la fecha actual y de las
condiciones ambientales y de tráfico.
Para cada año se van calculando
repetidamente los efectos de los distintos
deterioros que se van produciendo sobre el
firme, y el efecto de estos deterioros sobre
la regularidad (IRI) del firme. Así se obtiene
el valor de regularidad final para cada año,
a continuación se analizan las distintas
alternativas de conservación de dicho
tramo, función del estado de la carretera, y
se calcula el estado final del firme después
de haber realizado las labores de
conservación correspondientes. Realizando
este proceso para los distintos años de
estudio se obtiene la evolución del estado
del firme para el período de análisis.
finalmente obtener los costes totales de los
usuarios. (Ver figura 5)
7. Información necesaria para
incorporar al sistema
La utilización de un sistema como el
HDM-4 como herramienta de ayuda para la
definición de estrategias, programas y
proyectos de conservación, conlleva una
serie de trabajos previos de incorporación
de datos al sistema.
Fundamentalmente
se
disponer de información sobre:
•
Los tramos de carretera que forman
la red, será necesario disponer de
datos sobre sus características
geométricas, su estado de deterioro,
y su nivel de trafico y las previsiones
de crecimiento del mismo así como
su distribución horaria.
•
La composición del parque de
vehículos, definiéndose para los
distintos tipos, las características
físicas y de utilización así como la
valoración
económica
de
los
distintos componentes del vehículo y
el valor del tiempo de los usuarios
de los mismos.
•
Los estándares de conservación y
mejora
de
las
carreteras,
definiéndose para los mismo cuáles
son los efectos sobre el estado de la
carretera,
y
una
valoración
económica de su coste unitario.
•
Por último debe disponerse de
información sobre las características
climáticas de la zona en estudio.
En la figura 4 se muestran los
distintos factores que influyen en el modelo
de calculo de deterioros del firme.
Modelo de costes de los
(operación de los vehículos)
usuarios
Para evaluar los costes de usuario
se consideran tres posibles costes:
Coste de operación de los vehículos
(VOC): Estos costes se desglosan en
consumo de combustible, lubricantes,
desgaste de neumáticos, reparación de los
vehículos (mano de obra y materiales),
depreciación del valor del vehículo.
A estos costes se deben añadir los
costes del valor del tiempo (tiempo de los
pasajeros y tiempo de la carga) y los costes
de los accidentes.
El método de obtener el valor
económico del coste de los usuarios, se
basa en calcular la velocidad media de
circulación para cada tramo de carretera, y
partiendo de esa velocidad de circulación
obtener los gastos materiales de los
vehículos, evaluar económicamente estos
gastos materiales utilizando los costes
unitarios de los distintos materiales, añadir
los costes del tiempo y los accidentes para
debe
8. Caso práctico de ejemplo en
la red de carreteras de
Huelva
Se
describen
a
continuación
brevemente los pasos llevados a cabo para
5
desarrollar un caso práctico de aplicación
del HDM-4 en un conjunto de carreteras
correspondientes a la Red de Carreteras del
Estado en la provincia de Huelva.
El modelo HDM-4 necesita de los
siguientes grupos de información, para
poder llevar a cabo un análisis económico
de la conservación y planificación de una
red de carreteras.
•
Red de carreteras. Ha sido
necesario
recopilar
información
referente a las características
geométricas
de
los
tramos
analizados, a su estado actual
(Regularidad superficial, deterioros y
capacidad estructural) y a las
características
del
tráfico
(intensidades y distribución por tipos
de vehículos).
•
Parque de Vehículos. Se ha
analizado información referente a las
características de los distintos
automóviles existentes en la red,
definiéndose
tanto
sus
características técnicas como los
costes derivados de su uso.
•
Estándares. Se han estudiado las
distintas alternativas de posibles
actuaciones
en
la
carretera,
determinándose junto con ellas,
distintas políticas de actuación así
como los costes de las mismas.
Las carreteras. La red de carreteras
analizada, se corresponde con parte de la
red de carreteras del Ministerio de Fomento
en dicha provincia (Red de Carreteras del
Estado). La totalidad de los tramos
estudiados son carreteras con firme flexible
(capas
asfálticas
sobre
materiales
granulares) y distintos volúmenes de tráfico.
La red analizada tiene una longitud total de
171 km, y se ha dividido en 36 tramos de
longitudes comprendidas entre 0,7 y 16
kilómetros, la altitud media sobre el nivel del
mar de dichos tramos es de 70 metros. Las
condiciones de los distintos tramos son muy
diversas, existen valores de IMD (TPDa)
entre 1.406 y 24.615 vehículos y valores de
regularidad (IRI) entre 1,93 y 8,59 m/km.
Obtención de los datos. Los distintos
datos utilizados por el modelo provienen de
diversas fuentes:
•
Los datos generales de las
carreteras, como son sección
transversal,
tráfico,
sección
estructural, descriptivos de la red de
carreteras, se ha contado con la
colaboración de la Unidad de
Carreteras de la provincia de Huelva
del Ministerio de Fomento, así como
con la colaboración de la empresa
responsable de la conservación
integral del conjunto de carreteras
estudiadas.
•
Para la obtención de características
del estado de las carreteras, se ha
recurrido a datos de campañas de
auscultación existentes para la
provincia de Huelva, desarrolladas
por AEPO para la Dirección General
de Carreteras del Ministerio de
Fomento. De estas campañas se
han obtenido datos de regularidad,
textura, roderas, etc.
•
Por último, los datos referentes a
diversas posibles políticas de
actuación, clasificación del parque
de vehículos, costes de operación
de vehículos, se han obtenido a
partir de los utilizados en cursos
anteriores de HDM.
Casos prácticos de estudio.
Empleando la información anteriormente
descrita, se han llevado a cabo diversos
casos prácticos de aplicación del HDM-4,
determinándose
qué
estrategias
de
actuación sobre la red son más
convenientes. Así, se han estudiado los
siguientes escenarios para la red de
carreteras del estado en la provincia de
Huelva:
•
Programa
de
rehabilitación
y
conservación de una red de
carreteras.
Considerándose
el
6
conjunto de tramos de la red, se han
analizado de forma global las
distintas actuaciones a llevar a cabo
en los distintos tramos, con el
objetivo de conseguir el máximo
benéfico
económico
a
las
inversiones realizadas.
•
Creación
de
una
variante.
Circunvalación de las poblaciones
de Beas y Trigueros. Se ha realizado
un análisis de detalle sobre el
proyecto de realizar una variante al
trazado actual de la carretera N-435,
que discurre por el casco urbano de
las dos poblaciones.
•
Congestión. Construcción de una
carretera nueva o duplicación de
calzada. Se han estudiado las
distintas posibles alternativas para la
descongestión de la carretera N-431,
entre la ciudad de Huelva y la
frontera
portuguesa,
como
alternativas a la carretera actual
fuertemente congestionada. Se han
planteado la solución de un
desdoblamiento de calzada y la
construcción de una autopista
paralela que absorba parte del
tráfico actual.
Como resumen final se puede decir
que el sistema HDM-4 es un instrumento
analítico y moderno para la evaluación
técnica y económica de inversiones y
conservación de carreteras. Este sistema
puede
servir
de
ayuda
a
las
administraciones gestoras de redes de
carreteras,
para
la
planificación,
programación y desarrollo de proyectos de
conservación de las mismas.
9. Consideraciones finales
Es fundamental tener en cuenta que
una herramienta como el HDM-4 se basa en
un conjunto de modelos que simplemente
dan unos resultados función de los datos
incorporados al mismo, por lo que es
fundamental que la utilización de una
aplicación de este tipo sea llevada a cabo
por técnicos con amplio conocimiento y
criterio a la hora de evaluar inversiones en
carreteras.
También es importante destacar
algunas de las limitaciones del modelo
como son que la asignación de tráfico en la
red de carreteras debe ser realizada de
manera externa al modelo y que el modelo
no considera condiciones de tráfico urbano
(paradas de los vehículos).
7
Datos de Contacto
Empresa:
Contacto:
Dirección:
Teléfono:
Fax:
Correos electrónico:
AEPO, S.A.
Ramón Crespo del Río/ Pedro Yarza Alvarez
c/ Marcelina, 3 – 28029 MADRID
913237304
917336624
[email protected] [email protected]
Arquitectura de la aplicación
Herramientas de Analisis
Proyectos
Gestion de datos
Programas Estrategias
Red de
Carreteras
Parque de
vehiculos
Configuración
Modelos de calculo
Efectos Sociales y
Mediombientales (SEC)
Efectos para los
Usuarios (RUC)
Conversión
Conversión
de
deficheros
ficheros
Nucleo
Nucleodel
del
sistema
sistema
Deterioro de la carretera
Y efectos de las obras (RDME)
Sistemas
externos
Bases de
Datos,
PMS, etc.
Figura 1
Desglose de los costes totales para la sociedad
Costes de Conservación
- Deterioro de las carreteras
(diseño del firme, tráfico, clima)
- Estándares de conservación
Costes de Construcción
- Terreno
- Diseño geométrico
- Diseño de pavimento
Otros costes
Costes del Usuario
- Volumen de tráfico
- Diseño geométrico
- Características superficiales
- Velocidad de los vehículos
- Distribución y edad del parque de vehículos
Figura 2
- Accidentes
- Congestión
- Contaminación
ambiental
Evolución de costes de la sociedad
Costes Totales de la Sociedad
Coste Minimo de la Sociedad
Costes del Usuario
Coste
Costes de la
Administración
Mejorar Estándar (Aumentar la calidad del estado de la red)
Figura 3
Modelo de deterioro de carreteras
Clima
Edad
Intensidades de Trafico
y cargas por eje
Tipo de Firme
Materiales
Espesores
Agrietamiento
Baches
Roderas
Rugosidad
Figura 4
Modelo de costes de los usuarios de la carretera
Características de la Carretera y de los Vehículos
Velocidad del Vehículo
Cantidades Físicas
Coste de los Accidentes
Coste del Tiempo
+
Costos Unitarios
Coste de los Usuarios de Vehículos
Figura 5