ARTÍCULO ORIGINAL

 

Evaluación de factores camión de los vehículos comerciales de carga que circulan por la red vial principal colombiana

 

Evaluation of truck factors for cargo commercial vehicles that circulate on the colombianas primary road network

 

 

Luis F. Macea¹, Luis G. Fuentes^1*, Allex E. Álvarez²

¹Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad del Norte. Km. 5 Vía Puerto Colombia. Barranquilla, Colombia.

²Departamento de Ingeniería Civil, Universidad del Magdalena. Carrera 32 No 22-08. Santa Marta, Colombia.

^*Autor de correspondencia. teléfono: 57 + 5 + 3509509 ext. 4236, fax: 57 + 5 + 4301292, correo electrónico: lfuentes@uninorte.edu.co (L. Fuentes)

 

(Recibido el 26 de septiembre de 2012. Aceptado el 9 de febrero de 2013)

 

 

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Resumen

La estimación del tránsito es uno de los aspectos más importantes en el análisis y diseño estructural de pavimentos y para su adecuada determinación se hace necesario disponer de valores de factor camión actualizados. En el presente estudio se evaluaron los factores camión de los vehículos comerciales de carga de la red vial primaria de Colombia. Con este objetivo, en el año 2011 se realizaron treinta y ocho operativos móviles de pesaje de ejes en carretera, localizados en distintos puntos estratégicos de la red vial nacional. Como resultado se obtuvo, a través de procedimientos estadísticos, factores camión actualizados y representativos para cada tipo de camión que circula en las vías analizadas. Estos factores camión podrían ser utilizados en el diseño de tramos carreteros con características socioeconómicas similares a aquellas de las vías evaluadas. De igual forma, se encontró que a nivel nacional la flota vehicular de carga está compuesta por los camiones tipo C3-S3, C2, C3-S2, C3 y C2-S2 con una distribución del 36%, 35%, 13%, 11% y 5%, respectivamente. Adicionalmente, se observó que los camiones C3 y C3-S3 son los que mayor daño le causan a la infraestructura vial colombiana, ya que se encuentran circulando excesivamente sobrecargados en algunos tramos departamentales del país.

Palabras clave: Factor de equivalencia de carga, factor camión, ejes, cargas de tránsito, daño, pavimento

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Abstract

Traffic estimation is one of the most important aspects in the analysis and structural design of pavements and its adequate determination requires updated values of truck factors. This study aimed to evaluate the truck factors for cargo commercial vehicles operating in the Colombian's primary road network. For this purpose, in 2011, thirty-eight mobile weigh stations were positioned on different strategic points of the national road network to characterize the traffic loads. Based on statistical procedures, updated truck factors were obtained for each type of truck circulating on the roads analyzed. These truck factors can be used for design of road sectors with socioeconomic characteristics similar to those of the roads evaluated. It was found that the type of vehicles that circulate more along the national roads are: C3-S3, C2, C3- S2, C3, and C2-S2, with a distribution of 36%, 35%, 13%, 11%, and 5 %, respectively. Finally, it was observed that the C3 and C3-S3 trucks are the ones causing more damage to the road infrastructure in Colombia taking into account that these vehicles are circulating overloaded in some portions of the road network.

Keywords: load equivalency factor, truck factor, axles, traffic loads, damage, pavement

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Introducción

El estado colombiano en su visión de fortalecer al máximo su desarrollo social y económico, ha venido realizando acuerdos comerciales importantes con diferentes naciones del mundo desde 1969. Entre estos acuerdos se pueden mencionar: el Pacto Andino de Naciones, el grupo de los tres (G-3), acuerdos con la Organización Mundial del Comercio, Acuerdo CAN-Mercosur, y recientemente el tratado de libre comercio con Estados Unidos (TLC), entre otros. Estos acuerdos han potencializado el transporte de carga que se moviliza por las carreteras del territorio nacional, lo que ha traído como consecuencia un incremento gradual, pero significativo, en la magnitud y frecuencia de las cargas transmitidas por los vehículos comerciales de carga a las estructuras de pavimento, lo que puede traducirse en un deterioro acelerado de tales estructuras.

En consecuencia, es relevante caracterizar adecuadamente el tráfico de carga incluyendo la determinación de factores camión actualizado que den cuenta de los efectos progresivos del incremento de cargas pesadas en las vías como resultado de los avances en materia de intercambio comercial y actualización del parque automotor nacional. Consecuentemente, el presente trabajo de investigación provee una base de información fidedigna y actualizada para la caracterización del tránsito vehicular (i.e., factores camión) con fines de diseño estructural de pavimentos asfálticos. Para este fin, se determinaron los factores camión de la flota vehicular colombiana (i.e., transporte de carga) para distintas vías del territorio nacional, empleando una base de datos suministrada por el Instituto Nacional de Vías (INVIAS) obtenida a partir de 38 operativos móviles de pesaje de ejes vehiculares en carretera ejecutados en el año 2011. Los operativos de pesaje se llevaron a cabo en distintos puntos estratégicos de la red vial nacional, involucrando diecisiete de los treinta y dos departamentos–correspondientes a aquellos de mayor desarrollo económico y volúmenes de tránsito– y cuatro de las cinco regiones que componen el territorio Colombiano.

 

Antecedentes

Varios expertos a nivel internacional han desarrollado investigaciones encaminadas a estudiar el daño producido a los pavimentos a partir de las distintas configuraciones de ejes y camiones que generan las cargas de tránsito [1 - 4]. Sala- ma et al. [1] indicaron que el ahuellamiento en pavimentos asfálticos (o flexibles) es producido mayormente por los ejes tridem de vehículos con altos niveles de carga, mientras que los agrietamientos (i.e., daño por fatiga) son generados principalmente por el efecto de los ejes tándem y simples de camiones pesados. Estas conclusiones fueron corroboradas por Prozzi y Hong [2], Chat- ti et al. [3] y Troncoso Rivera [4], al indicar que los ejes simples y tándem son los que generan los mayores efectos de fatiga en las estructuras de pavimento flexible.

En ese sentido, autores como Jeongho et al. [5] indicaron que el potencial de deterioro acelerado sobre el pavimento se debe principalmente al uso de camiones con sobrepeso, situación que según Wang et al. [6] es la principal causa de los agrietamientos longitudinales. Por otro lado, también se han llevado a cabo estudios orientados a examinar los efectos del incremento de cargas máximas legales de vehículos comerciales en el deterioro producido a las estructuras de pavimento [7, 8]. Según Omar et al. [7], un incremento de entre 17 y 36% en los límites de carga por eje de camiones repercute en un aumento en el factor camión de un 200%, lo que a su vez se vio reflejado en este estudio particular en un incremento del número de ejes simples equivalentes de 8,2 toneladas del 75 al 136%. Por su parte El Sharkawy et al. [8] demostraron que los daños por fatiga y ahuella- miento propiciados a las estructuras de pavimento son sensibles a sobreesfuerzos generados por vehículos sobrecargados.

De otro lado, Ulloa et al. [9] indicaron que los factores camión para países desarrollados son bajos en comparación con los encontrados en países en vía de desarrollo, y que es necesario contar con valores de factor camión específicos por zona; dado que las características de cada región condicionan la solicitación de cargas que se le imponen a los pavimentos. Posteriormente, Casprowitz-Arias [10] indicó que el factor de equivalencia de carga (FEC) para ejes simples es similar al de los ejes tándem y más alto que para los ejes tridem, lo cual indica que los ejes simples generan más daño sobre la estructura del pavimento, debido comúnmente a la concentración de esfuerzos en la poca área de contacto entre el pavimento y los neumáticos. Finalmente esta investigación [10] estableció que entre mayores sean los valores de factor camión, mayores serán los efectos de pérdida de serviciabilidad, aspecto que se asocia con deterioro estructural acelerado del pavimento.

 

Metodología de cálculo

Para el desarrollo de la presente investigación se realizaron 38 operativos de pesaje móvil de camiones ubicados estratégicamente en diferentes tramos viales de movimiento de carga. De esta forma, los operativos de pesaje involucraron diecisiete departamentos y cuatro de las cinco regiones de Colombia según se especifica en la figura 1 y la tabla 1.

Cada operativo de pesaje se llevó a cabo durante 7 días calendario, con una intensidad de 24 horas por día, donde se pesaron de forma estática todos los ejes de los camiones que circulaban en un solo sentido (figura 2). A partir de los operativos realizados se obtuvo una muestra de 59.622 camiones pesados, correspondientes a 151.736 ejes de distintas configuraciones de camiones entre los distintos departamentos del país. En la tabla 2 se indican la cantidad de cada tipo de eje, pesados por departamento.

En el análisis realizado se utilizó la Ecuación (1), propuesta inicialmente por Deacon (1969) [11,12], para el cálculo del FEC por eje.

Donde x_i es el peso del eje en toneladas, L_s es la carga equivalente de referencia sobre un eje estándar con el mismo número de ejes que el eje de peso x_i. Para el exponente m se adoptó un valor igual a 4 a partir de lo obtenido en el "AASHTO ROAD TEST", donde se pudo establecer que el efecto de cada carga por eje en los pavimentos flexibles se puede estimar aproximadamente según "la ley de la cuarta potencia" [11, 12]. En el presente estudio se utilizaron las cargas equivalentes de referencia (L_s) estipuladas en la tabla 3, que corresponden a las adoptadas por el INVIAS [13] para los diferentes tipos de ejes de camiones con propósitos de evaluación y diseño de pavimentos asfalticos [13,14]. Cada una de estas cargas da lugar a un FEC por tipo de eje (i.e., ecuación 1; tabla 3) expresado en términos del eje de referencia-eje simple de rueda doble de 80 kN (8.2 t) [13].

Para los vehículos evaluados en cada punto de pesaje, se determinó el factor camión (FC) a través de la sumatoria de los FEC de sus respectivos ejes (FEC_i) [11], tal como se presenta en la Ecuación (2):

Donde n es el número de ejes de la configuración del vehículo comercial de carga.

Posteriormente se agruparon los factores camión obtenidos a través de una media ponderada por tipo de vehículo comercial, generando así, los valores de factor camión representativos para vías con condiciones socioeconómicas y de tránsito semejantes a las evaluadas (figura 1, tabla 1).

 

Resultados y análisis

Esta sección presenta los resultados obtenidos en términos de: (i) factores camión calculados, (ii) evolución histórica de los factores camión a nivel nacional, (iii) factores camión de vías representativas por departamentos, y (iv) factores camión en departamentos con altas tasas de sobrecarga.

Factores camión calculados

Según los resultados obtenidos a nivel nacional, del total de la muestra analizada el 99% corresponde a los vehículos tipo: C3-S3, C2G, C3- S2, C3 y C2-S2, siendo predominantes los C3-S3 y los C2 con un 36% y 35%, respectivamente. La tabla 4 resume los factores camión calculados, agrupados a nivel nacional por tipo de vehículo comercial de carga, reportados previamente por INVIAS en 1996 (FC-1996) y 2003 (FC- 2003) [13] y aquellos calculados en la presente investigación (FC-2012).

En la actualidad, los factores camión reportados por INVIAS son utilizados comúnmente en el análisis de cargas de tránsito para el diseño estructural de pavimentos. No obstante, según se discute posteriormente, el uso de los factores camión agrupados a nivel nacional reportados en la presente investigación (i.e., FC-2012; tabla 4) debe realizarse con cautela para propósitos de diseño estructural de pavimentos. El uso de estos factores camión (i.e., tabla 4) podría por un lado subestimar los efectos dañinos de los camiones que circulan excesivamente sobrecargados por algunos tramos viales del país, lo cual puede repercutir en menores tiempos de vida útil de las estructuras de pavimento. Por otro lado, se podría sobreestimar el efecto de las cargas sobre los pavimentos de algunas regiones y departamentos que presentan menores índices de carga, lo cual generaría como consecuencia mayores espesores de diseño de los pavimentos y por ende sobrecostos en la construcción de estas estructuras.

Evolución histórica de los factores camión a nivel nacional

Para cada uno de los tipos de camión analizados, la media muestral de los factores camión 2012 (tabla 4) y la media muestral obtenida por INVIAS en el 2003 (tabla 4) fueron analizadas a partir de prueba de hipótesis. En la tabla 5 se presentan los resultados obtenidos en esta prueba de hipótesis.

Los resultados indicados en la tabla 5 sugieren que los factores camión promedio obtenidos en 2012 para los vehículos tipo C2, C3 y C2- S2 presentan magnitudes mayores que las reportadas por el INVIAS en el 2003 para el diseño de pavimentos a nivel nacional [13]. Sin embargo, en la evaluación de dicha hipótesis se obtuvieron indicadores de P-valor de 19%, 15% y 30% para los camiones tipo C2, C3 y C2-S2, respectivamente. Estos resultados indican que existen pocas evidencias que permitan rechazar estadísticamente, con un nivel de confianza del 95%, la hipótesis de que la media poblacional de los factores camión para dichos vehículos a nivel nacional se ha reducido en el tiempo.

Por el contrario, los factores camión promedio encontrados en 2012 para los camiones tipo C3-S2 y C3-S3 registraron magnitudes menores que las publicadas por INVIAS en el 2003 [13]. Para estos tipos de camión se obtuvieron indicadores de P-valor del 5% y 2%, respectivamente (tabla 5), aspecto que muestra una significancia estadística a un nivel del 5% en la comparación de los factores camión obtenidos para dichos tipos de vehículo.

Factores camión de vías representativas por departamento

Según investigación previa realizada en Costa Rica [9], es recomendable contar con valores de factor camión específicos para diferentes zonas de un país dado que las solicitaciones de carga que se le impone a la infraestructura dependen de las características de la región que asiste. En vista de lo anterior, en la tabla 6 se presentan los factores camión agrupados por departamentos, los cuales pueden ser usados con fines de diseño de pavimentos en los tramos carreteros de los departamentos considerados en el estudio que poseen condiciones socioeconómicas y de tránsito semejantes a las de las vías analizadas.

Los resultados de la tabla 6 ponen de manifiesto las diferencias en factores camión que se presentan en los vehículos que circulan localmente por los pavimentos de algunos tramos carreteros importantes, pertenecientes a los departamentos analizados en el país. De especial atención es el caso del Cesar y del Valle del Cauca, departamentos que evidencian claramente que al desagregar los factores camión obtenidos a nivel nacional (tabla 4) se obtienen variaciones importantes. Para estos casos, las mayores diferencias–nacional versus departamental–se presentan en los factores camión de los vehículos tipo C3 y C3-S3.

De igual forma, los factores camión obtenidos para algunas vías representativas por departamentos brindan una visión panorámica del nivel de externalidades negativas que sufre cada sección territorial en relación con el daño en la infraestructura vial. Esta información puede permitir a las autoridades gubernamentales locales, departamentales y nacionales, planificadores de transporte, diseñadores de sistemas logísticos, etc., tomar decisiones ajustadas, implementar políticas de mantenimiento para las estructuras de pavimento, así como evaluar políticas de planificación de redes que contribuyan hacia la prestación de un mejor servicio en las carreteras del país.

Factores camión de vías representativas en departamentos con altas tasas de sobrecarga

La tabla 7 presenta la frecuencia de vehículos multados por violación de los límites máximos de caga permitidos en Colombia [15] discriminados según el tipo de vehículo. Las vías analizadas en los departamentos de Cesar, Caldas, Guajira y Norte de Santander presentan las mayores proporciones en el país de vehículos multados por sobrecarga. Adicionalmente, los resultados obtenidos permitieron concluir que departamentos que poseen una alta frecuencia de sanciones por violación de los límites máximos de carga tienden a exhibir factores camión elevados. Por ejemplo, los altos valores de factor camión calculados para las vías analizadas en el departamento del Cesar (tabla 6) coinciden con la alta frecuencia de sanciones 61% del total aplicado por efectos de sobrecarga en los departamentos incluidos en el estudio reportadas para este departamento (figura 3).

Adicionalmente, las sanciones generadas en el departamento del Cesar por efectos de sobrecarga pertenecen mayoritariamente a camiones tipo C3 y C3-S3 (ver figura 4), lo cual se encuentra en concordancia con los factores camión registrados para estos tipos de vehículo en las vías analizadas en el departamento del Cesar, tal como se muestra en la figura 5.

Es relevante mencionar que los factores camión obtenidos para los camiones tipo C3 (tablas 4 y 6) se encuentran en concordancia con los reportados en Egipto–donde los factores camión fueron de 20,7–por Omar et al. [7] para camiones C3 con un 25% de sobrecarga. Consistentemente, los datos reportados en las tablas 4 y 6 indican que los camiones tipo C3 están circulando sobrecargados por las vías evaluadas en los departamentos de Cesar, Caldas, Norte de Santander y Valle del Cauca. Esta situación, contrarrestada con las conclusiones de investigación previa [10], revela que es de esperar la generación anticipada de daños estructurales sobre los pavimentos de las vías analizadas en estos departamentos. Estas conclusiones también fueron corroboradas por Salama et al. [1], Prozzi et al. [2] y Chatti et al. [3], ya que según estos investigadores, los ejes simples y tándem son los que generan los mayores efectos de fatiga y por ende de agrietamiento en las estructuras de pavimento.

En relación al vehículo tipo C3-S3, los resultados indican que éste tipo de camión debido a sus características de capacidad, es el que mayor carga transita por las carreteras del país causando el mayor potencial de deterioro en términos de ahuellamiento. Esta conclusión es soportada por investigaciones realizadas por El Sharkawy et al. [8] y corroboradas por Salama et al. [1] y Zhang et al. [16], según las cuales el ahuellamiento en pavimentos asfalticos es producido mayormente por los ejes tridem de vehículos con altos niveles de carga. Los resultados encontrados en ésta investigación para los vehículos tipo C3-S3, también se encuentran en concordancia con los obtenidos en Egipto por Omar et al. [7] (i.e., factor camión de 13,2) para camiones de éste tipo con un 25% de sobrecarga.

 

Conclusiones

Como resultado del desarrollo del presente estudio, tendiente a suministrar factores camión actualizados para el análisis y diseño de pavimentos asfalticos en vías con condiciones socioeconómicas y de tránsito semejantes a las analizadas en el desarrollo de la presente investigación en Colombia, fue posible establecer las siguientes conclusiones:

El parque automotor de vehículos comerciales de carga en Colombia está compuesto principalmente por camiones tipo C3-S3, C2, C3-S2, C3 y C2-S2 con una distribución del 36%, 35%, 13%, 11% y 5% respectivamente, evidenciándose como camiones predominantes los tipo C3-S3 y C2.

Los factores camión promedio obtenidos para los vehículos tipo C2, C3 y C2-S2, presentan magnitudes mayores que las registradas en estudios realizados por el INVIAS en 2003 para el diseño de pavimentos a nivel nacional. No obstante, la comparación estadística de los factores camión encontrados en la presente investigación con los suministrados por INVIAS en 2003 para los camiones tipo C2, C3 y C2-S2 indica que existe un bajo nivel de confianza a favor de que la media poblacional de los factores camión para dichos tipos de vehículo haya aumentado entre 2003 y 2011.

Los factores camión promedio encontrados en ésta investigación para los vehículos tipo C3-S2 y C3-S3 registraron magnitudes menores a las publicadas por INVIAS en el 2003. El análisis estadístico realizado mostró una significancia estadística a un nivel del 5% a favor de que la media poblacional de los factores camión para los vehículos tipo C3-S2 y C3-S3 ha disminuido en el tiempo.

Los resultados obtenidos sugieren además que no es recomendable trabajar con factores camión a nivel nacional para el diseño de pavimentos. La unificación de los factores camión a nivel del país, puede generar desfases en los diseños realizados que pueden repercutir en deterioros acelerados de las estructuras de pavimento ó en sobrecostos de los mismos, debido principalmente a subestimaciones ó sobreestimaciones de los factores camión utilizados para algunos departamentos y regiones del país.

A partir de los factores camión obtenidos para los vehículos tipo C3 y C3-S3 en las vías analizadas en el departamento del Cesar, se puede concluir que éstos tipos de camión se encuentran circulando excesivamente sobrecargados en dicho departamento. De igual forma se concluye que éstos vehículos, debido a los factores camión registrados, están generando un deterioro acelerado en las estructuras de pavimento en términos de fatiga y ahuellamiento.

Finalmente se recomienda la ejecución de un número mayor de operativos de pesaje móvil de vehículos comerciales de carga por departamento en todo el país y la ejecución de un análisis detallado que permita la determinación de factores camión por departamento o región del país. De igual forma, es necesario establecer un registro de factores camión actualizado y ajustado para los distintos departamentos que no fueron considerados en la presente investigación.

 

Agradecimientos

Los autores expresan sus agradecimientos al Instituto Nacional de Vías (INVIAS) de Colombia, por financiar la presente investigación enmarcada en el contrato 1326 - 2011, firmado entre el INVIAS y la Universidad del Norte.

 

Referencias

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