Cost Estimating in Construction Course

46  Download (1)

Full text

(1)

Cost Estimating in Construction – Part 1, Course #406

Presented by:

PDH Enterprises, LLC

PO Box 942

Morrisville, NC 27560

www.pdhsite.com

This course “Cost Estimation in Construction – Part 1” provides a study of the methods and

procedures needed for estimating the cost of construction projects. Students are given exercises

to take out quantities from building drawings and to select the appropriate type of tools and

equipment needed for estimating the project construction costs. Knowledge about the labor and

equipment required and their costs are also imparted. Bond, tax, and insurance requirements are

also dealt with. Part 1 of the course offers hands- on experience for estimating project costs in

the areas of transport of materials, earthwork excavation, and foundations.

To receive credit for this course, each student must pass an online quiz consisting of twenty-five

(25) questions. A passing score is 70% or better. Completion of this course and successfully

passing the quiz will qualify the student for four (4) hours of continuing education credit.

Course Author:

JN Ramaswamy, PhD, PE

(2)

       Page No  I.  Introduction……….2  II.  Estimating Process………4  III.  Conceptual Cost Estimating………6  IV.  Cost of Labor and Equipment……….14  V.  Handling and Transporting Material………..20  VI.  Earthwork and Excavation……….25  VII.  Foundations……….37  List of Figures  II.1.       Estimating work progress………4  III.1.      Cost capacity curve ………10  VII.1.     Cross section of a trench with shoring, wales and braces……….……….37  List of Tables  III.1.     Cost data of previously constructed projects………7  III.2.    Unit cost per car space………..………..7  III.3.     Construction cost indices for Time  ……….8  III.4.     Construction cost indices for Location ………..9  III.5.     Equipment with factors………...12  III.6.     Equipment with purchase price……….13  VI.1.     Range of swell factors………26  VI.2.     Approximate unit weight of materials………26  VI.3.     Rates of handling earth by hand………28  VI.4.     Data on wheel‐type trenching machines……… ………..29  VI.5.     Data on ladder‐type trenching machines………29  VI.6.     Ideal output of draglines, cy/hr, bank measure……….30  VI.7.     Adjustment factors for angle of swing and other than ideal depth of cut for drag lines…………..31  VI.8.     Fill factors for front shovel buckets……….32  VI.9.     Time for elements in a shovel production cycle……….33   VI.10.   Adjustment factors for depth of cut and angle of swing for shovel……….33  VI.11.   Representative cycle time for backhoes………..……35  VI.12.   Representative values of bucket fill factors………36    VII.1.   Representative number of sheet piles driven/hour  ………39  VII.2.   Representative number of wood piles driven/hour, full penetration……….………4o  VII.3.    Approximate number of steel piles driven to full penetration/hour………...42  VII.4.    Representative rates of drilling shafts in soils………44  VII.5.    Representative rates of drilling shafts in soft rock material………45 

(3)

I. INTRODUCTION    The purpose of this course is to enable the student to gain fundamental knowledge of estimating the  cost of construction projects.  The information contained in this course presents the basic concepts to  assist the student in understanding the estimating process and procedures.     Estimation is not an exact science.  Knowledge of construction, common sense, and judgment are  required.  The estimator and his team play a vital role in preparing estimates.  The estimator must  review and check all parts of an estimate to ensure realistic costs.  He must also document the estimate  so that it can be used for cost control during the construction process.  The aim of estimation is to determine the costs required to complete a project in accordance with the  contract plans and specifications.  For a given project, the estimator can determine the direct costs for  labor, materials, and equipment.  The bid price can then be determined by adding the costs for  overhead (indirect costs), contingencies (costs for any potential unforeseen work), and profit to the  direct cost.  Because the estimate is prepared before the project is constructed, the estimate is, at best,  a close approximation of the actual cost.  Estimates are performed throughout the life of the project.  Estimates are classified as approximate estimates and detailed estimates.  Approximate estimates are  also called feasibility, screening, authorization, preliminary, conceptual, order‐of‐magnitude,  equipment‐factored, or budget estimates.  Detailed estimates are also called final, bid/tender, or  definitive estimates.  Approximate estimates are sufficiently accurate for the evaluation of design  alternatives or the presentation of preliminary construction estimates to the owner.  Detailed estimates  are prepared by determining the costs of materials, labor, equipment, subcontract work, overhead and  profit.  The detailed estimate is important to both the owner and the contractor.  A significant amount  of work is performed by subcontractors who specialize in a particular type of work.  Examples include  clearing, drywall, painting, roofing, guard rails, striping, signs, and fences, etc.  Estimate includes both  direct and indirect costs.  Direct cost comprises of material, labor, equipment, and subcontractor costs.   The quantity of material in a project can be accurately determined from the drawings and the different  cost of material can be obtained from material suppliers.  Multiplying the total quantity of work with the  corresponding unit cost of the material gives the total cost of the material.  If equipment is used, a  similar procedure is adopted to get the equipment cost.  Adding labor, material and equipment costs  gives the direct cost total.  Indirect cost comprises of mobilization, field office expenses, taxes, bonds,  insurance, final cleanup, and overhead expenses required to complete the project.  Taxes on labor and  material vary depending on the location.  Besides, social security tax and unemployment tax must be  added.  These taxes vary from year to year and they must be ascertained to include in the estimate.   Bonds include bid bond, material and labor payment bond, and performance bond.  The bid bond  ensures the owner that the contractor will sign a contract for the bid amount.  Usually it is about 5  percent of the construction cost of the project.  The performance bond ensures the owner that the  contractor will perform all work in accordance with the contract documents.  The payment bond  ensures the owner that all material labor and material will be paid.  The above two bonds will be usually 

(4)

public liability & property damage, and builder’s risk insurance.  The base estimate is the total of direct  and indirect costs.  An appropriate contingency is added to the base estimate to account for risk and  uncertainties such as pricing, escalation, schedule, omissions, and errors.  Contingency is a real and  necessary component of an estimate.  Finally, a profit is added and it depends upon numerous factors  such as size and complexity of project, accuracy and completeness of design documents, competition for  work, availability of money, and volume of construction activity in the project area.  It ranges from 5  percent for large projects to 30 percent for small high risk projects.   

(5)

  II. ESTIMATING PROCESS    Estimating is a process.  Information must be assembled, evaluated, documented, and managed in an  organized manner. People involved in preparing the estimate must know their role, responsibility, and  authority.  Effective communications among members of the estimating team are essential to selecting  the estimate methodology, collecting project data, confirming historical cost information, organizing the  estimate to the desired format, reviewing and checking the estimate, and documenting the estimate  after it is complete.  Figure II.1 shows Estimating work progress.            Figure II.1 Estimating work progress   The first step is the kickoff meeting which provides background information about the project to the  estimating team, expectations of the team, and any pertinent information that may be needed to  prepare the estimate.  The next step is to establish a work plan prior to starting the estimating process.   The work plan identifies the work that is needed to prepare the estimate, including who is going to do it,  when it is to be done, and the budget for preparing the estimate.  The work plan should contain  sufficient detail to enable all members of the estimating team to understand what is expected of them.    Selection of the method of preparing an estimate depends upon the level of scope definition, time  allotted to prepare, desired level of accuracy, and intended use of the estimate.  As the estimate is being  prepared, it is important to perform “reality checks” to make sure the costs developed are within  reason.  The quality of an estimate is governed by the following considerations:  1. Quality and amount of information available for preparing the estimate.  2. Time allocated to prepare the estimate.  3. Proficiency of the estimator and the estimating team.  4. Tools and techniques used in preparing the estimate.     

(6)

  The preparation of an estimate involves the following:  1. Development of construction methods.  2. Preparation of the construction schedule.  3. Material quantity takeoffs.  4. Assessment of risks for contingency.  For accuracy, an investigation of the physical characteristics of the project site must be conducted.  The  schedule is an integral part of the estimate.  Estimate documentation is essential as it improves  communication between the estimating team and management, establishes a mechanism for estimate  reviews, and forms a basis for early project cost control.  Once the estimate is complete, a detailed review should be made.  The number of reviews will vary  depending on the size of the project, type of estimate and, the length of time allowed for preparing the  estimate.  For any estimate there should be at least two reviews, one during the development of the  estimate and the other at or near the completion of the estimate.  The final estimate review is more a  structured process and the review meeting may be lengthy.    A final project cost report must be prepared and it is an extremely valuable document to capture lessons  learned for improving future estimates.   It provides a real feed back to compare with the original cost  estimate.  Estimate feed back is an integral part of the estimating process.   

(7)

  III. CONCEPTUAL COST ESTIMATING    Always owners want to know the approximate cost of a project in order to evaluate the economic  feasibility for proceeding with the project.  A conceptual cost estimate provides such approximate cost  of the project.  A conceptual cost estimate is identified by the information from which the estimate is  compiled and is classified into three levels as shown below:  1. Level 1 –It is an estimate prepared from the description of the project scope where there is little  or no design.  The accuracy of this estimate falls between +40 and ‐10 percent.  2. Level 2 – It is an estimate prepared upon completion of preliminary design and the accuracy of  which falls between + 25 and ‐5 percent.  3. Level 3 – It is an estimate prepared upon completion of the final design and the accuracy of  which falls between +10 and ‐3 percent.  The conceptual estimate is generally prepared by the owner as part of economic feasibility analysis or by  the designer during the design phase for selecting the design alternatives or by the contractor for  negotiated work between owner and a contractor.   The preparation of conceptual cost estimates  requires knowledge and experience with the work required to complete the project.  Cost information  from previous projects of similar type and size is essential.  From the cost records of previous projects,  the estimator can develop unit costs to forecast the cost of future projects.  The unit cost is developed  from weighting of the data that emphasizes the average value, yet it accounts for the extreme maximum  and minimum values.  The following equation is used for weighting cost data from previous projects:        UC  =  (A  +  4B  +  C)/6 ………Eq.(III.1)  where UC = forecast unit cost         A  =  minimum unit cost of previous projects         B  =  average unit cost of previous projects         C  =  maximum unit cost of previous projects   Example III.1 illustrates the weighting of the cost data from previous projects to forecast the unit cost of  a proposed project.         

(8)

Cost data from eight previously constructed parking garage projects is shown in Table III.1.                 Table III.1 Cost data of previously constructed projects         Project      Total Cost       No. of car spaces            1      $466,560       150         2      290,304       80         3      525,096       120         4      349,920       90         5      259,290       60         6      657,206       220         7      291,718       70         8      711,414       180     Use the weighted unit cost to determine the conceptual cost estimate for a proposed parking garage  that is to contain 135 parking spaces.  Solution:  From the data provided in the Table III.1, the unit cost per parking space is calculated for each project by  dividing the total cost by the respective number of spaces and the result is shown in Table III.2 below:          Table III.2 Unit cost of previously constructed projects                 Project       Unit cost per car space         1  $3,110.40  2    3,628.80  3  4,375.80  4    3,888.00  5    4,321.50  6    2,987.30  7   4,167.40  8   3,952.30   Total       $30,431.50    The average cost per car space = $30,431.50 ÷ 8 = $3,803.94   

(9)

From Eq. (III.1), the forecast unit cost (UC) will be = 2,987.30 + 4(3,803.94) + 4,375.80         6         = $3,763.14  The conceptual cost estimate for 135 car parking spaces will be = 135 x 3,763.14        = $508,023.00  The cost information of previously completed projects must be adjusted for time, location, and size  before applying the cost for the proposed project because of the difference in cost due to time, location  and size between the proposed project and the previous projects.  III.1 Time adjustment – Since projects are constructed at different times, an adjustment representing  relative inflation or deflation of costs due to factors such as labor rates, material costs, interest rates etc.  must be made.   Every quarter, the Engineering News Record (ENR) publishes indices of construction  industry representing the economic trend of the industry with respect to time. The index can be used to  adjust previous cost information for use in preparing a conceptual cost estimate.  The change in value of  an index between any two years can be used to calculate an equivalent compound interest rate.  This  equivalent interest can be used to adjust the past records to forecast future project costs.  Example III.2  illustrates the time adjustment by using the indices.  Example III.2:    A project was constructed at a cost of $843,500 last year.  A new project is proposed for construction 3  years from now.  The construction cost indices for Time, as obtained from ENR, are as shown in  Table III.3:        Table III.3 Construction cost indices for Time                 Year      Index        3 yr ago       358        2 yr ago      359        1 yr ago      357        Current yr        378    Determine the conceptual cost estimate of the proposed project.  Solution:   The cost index has increased from 358 to 378 in 3 years.  An equivalent compound interest can be  calculated from this change, that is, 

       378 = 358(1 +i)3 or  (378/358) = (1 + i)3 or 1.05586 = (1 + i)3 or 1.01828 = 1 + i 

(10)

       to be =   $843,500 x (1 + 0.01828)  = $906,960.   III.2 Location adjustment – The cost of construction varies from one location to the other due to the  difference in costs of materials, equipment, and labor.  Hence an adjustment has to be made that  represents the cost difference between the locations.  The ENR publishes indices of construction costs  with respect to geographic locations.  Using these indices, an adjustment can be made to the previous  cost information to determine the conceptual cost of the proposed construction.  Example III.3   illustrates the location adjustment by using construction cost indices.  Example III.3:  A project was constructed in City A at a cost of $387,200 and a new project is proposed for construction  in City D.  The location indices for construction costs of some cities are as shown in Table III.4:        Table III.4 Construction cost indices for Location               Location      Index           City A      1,025        City B       1,170        City C       1,260        City D       1,105         City E       1,240          Using the information from the above Table, determine the cost of the proposed project.  Solution:   The cost of a project is proportional to the cost index of the city where the project is constructed.  In this example, (cost of project in City A/ city A index) = (cost of project in City D/city D index)  Assume the cost of the proposed project in City D as X and rewriting the above equation with numbers,  ($387,200/1,025) = (X/1,105) or X = ($387,200 x 1,105)/1,025 or X = $417, 200  The cost of the proposed project is $417,200  III.3 Size adjustment – In general, the cost of a project is directly proportional to its size.  So an  adjustment has to be made to represent the size of the proposed project with respect to the previously  constructed project whose construction cost is available.  The adjustment is a simple ratio of the sizes.   Example III.4 illustrates the size adjustment.  Example III.4:    A project containing 62,700sf of floor area is proposed for construction.  A project constructed earlier  containing a floor area of 38,500sf at a cost of $2,197, 540 is to be used for determining the conceptual  cost of the proposed project.  What is the cost of the proposed project? 

(11)

    Solution:       Assume the cost of the proposed project as X  Since the cost is proportional to the size, ($2,197,540/38,500) = ($X/62,700) or   X = ($2,197,540 x 62,700)/38,500 = $3,578,850    For a given project, all the three adjustments have to be made.  III.4 Conceptual Cost Estimating for Industrial projects – For industrial projects, the commonly used  methods include:  1. Cost capacity curve.  2. Capacity ratios, raised to an exponent.  3. Plant cost per unit of production.  4. Equipment‐factored estimates.  III.4.1. Cost capacity curve – A cost capacity curve is simply a graph that plots cost on the vertical axis  and capacity on the horizontal axis.  These curves are developed for a variety of individual process units,  systems and services and updated utilizing return cost data from completed jobs.  The estimated cost is  determined by locating the capacity on the horizontal axis, then following a straight line up to the point  of intersection with the curve.  The estimated cost is then read from the vertical axis by a straight line  from the horizontal axis point of intersection with the curve to the vertical axis.  The total installed cost  derived from the curve may be adjusted for time and location.  Example III.5 illustrates the procedure  for preparing a cost capacity curve estimate.  Example III.5:   Cost capacity curves for different process units in a chemical plant are shown in Figure III.1   Estimate the cost for a project that has a process unit C with a capacity of 6,000 barrels per day?                  Figure III.1 cost capacity curve 

(12)

Solution:  Adopt the following steps:  1. Locate the 6,000 barrels per day capacity along the horizontal axis.  2. Draw a vertical line upward until it intersects the Process Unit C cost curve.  3. Draw a horizontal line from the above intersection until it cuts the vertical axis.  4. Read the number where the horizontal line cuts the vertical axis.  By following the above steps, the estimated cost is found to be $151,000.  III.4.2. Capacity Ratios Raised to an Exponent – This method takes into account the economy of scale  on the total installed cost.  The cost of a process unit is determined by means of the following equation:          Cost of Process Unit A   =   {Capacity of process unit A}X          Cost of Process Unit B        {Capacity of Process Unit B}x      Eq. (III.2)  where Cost of Process Unit A is to be determined        Cost of Process Unit B is known        Capacity of the two process units are known         x is an exponent derived mathematically from historical records from completed projects   Typically, the value of exponent x ranges from 0.55 to 0.88 depending upon the type of process unit.  Generally a value of 0.6 is used.  The use of the equation is illustrated in Example III.6     Example III.6:  The cost of a 320 ft3/hr process unit is $675,000.  From historical cost records, the capacity ratio  exponent of the process unit is 0.72.  Estimate the cost of a similar process unit with a capacity of   450 ft3/hr.  Solution:   Cost of Process Unit to be determined  =  {Capacity of Process Unit whose cost is to be determined     }0.72         Cost of Process Unit already determined  {Capacity of Process Unit whose cost is already determined}0.72    Substituting numbers in the above equation,  (Cost of process Unit to be determined)  = {450}0.72         (675,000)      {320}0.72 

(13)

Cost of Process Unit is determined to be  = $675,000 x {450}0.72   = $862,797.        {320}0.72     III.4.3. Plant cost per Unit of production – This method is used to estimate the total plant cost based on  the average plant costs per unit of production obtained from previously completed projects.  This  technique assumes that the relationship between plant cost and production capacity is linear.  This  method is similar to the square foot estimating method used for building projects.  III.4.4. Equipment‐factored Estimates – This technique involves developing a factor for each equipment.   This factor is the ratio between the total installed cost to the base equipment cost.  Total installed cost  includes the base cost of the equipment plus costs associated with transportation, labor, insurance etc.  which are necessary to install and operate the equipment.  This method of estimation is illustrated in  Example III.7   Example III.7:  Table III.5 shows different types of equipment and their equipment factors:        Table III.5 Equipment with factors    Equipment       Factor  1. Condensers      2.4  2. Control instruments       4.1  3. Compressors      2.5  4. Fans       2.7  5. Furnaces       2.0  6. Generators       1.7  7. Heat exchangers       4.5  8. Motors      1.8  9. Pumps       5.3  10. Reactors       4.0  11. Power vessels      3.5  12. Tanks       2.5    Using the information from Table III.5, estimate the cost of a plant where the following types of  equipment are to be installed.  The name of the equipment and its purchase price is provided in Table  III.6        

(14)

         Table III.6 Equipment with purchase p[rice         Equipment      Price       Factor      Plant cost         Condenser       $15,000      2.4      $36,000  Control instruments      22,000      4.1       90,200  Compressors       85,000      2.5       212,500  Fans      15,000      2.7       40,500  Furnaces      140,000      2.0       280,000  Generators      25,000      1.7       42,500  Heat exchangers      95,000      4.5       427,500  Motors       55,000      1.8       99,000  Pumps       18,000       5.3       95,400  Reactors      120,000       4.0      480,000  Tower vessels      325,000       3.5      1,137,500  Tanks       140,000       2.7       378,000        Total      1,055,000       3,318,900    Solution:    The equipment factor from Table III.5 for all items is posted against the respective item of  equipment in Table III.6 (Equipment with purchase price) for all items.  The equipment base price is  multiplied by the corresponding equipment factor and the amount is shown in the last column of  Table III.6.  All such costs are added to give the total plant cost of $3,318,000       

(15)

  IV. COST OF LABOR AND EQUIPMENT     People are the most important resource on a project.  The cost to hire a laborer includes the  straight‐time wage plus any overtime pay, worker’s compensation insurance, social security tax,  unemployment compensation tax, liability and property damage insurance, and fringe benefits.  Fringe benefits include apprentice plans, pension plans, and health and welfare insurance.  Straight‐ time wage normally applies to work done during the 40‐hr work week, 8 hrs/day and 5 days/week.   For work in excess of 8 hr/day or 40 hr/week, the straight‐time wage rate is generally increased to  1.5 to 2 times the straight‐time rate.    IV.1. Cost of labor ‐ The hourly rate of construction laborers is determined by one of the following  three means:  1. Union wage ‐ construction workers who are members of a labor union are paid a wage rate  established by a labor contract between their union and the construction contractor’s  management.  Union wage rates usually include fringe benefits, which are paid directly to the  union.  2. Open‐shop wage ‐ construction workers who are not members of a union are paid a open‐shop  wage agreed to by each individual employee and the employer.  3.  Prevailing wage ‐ for construction workers who are employed on projects funded with state or  federal money, their wage rate is established by the prevailing wage at the project location.  The  federal government and many states have government‐established wage for each construction  craft for each geographic location.  Example IV.1 illustrates the calculation of the hourly cost when a worker works overtime.  Example IV.1:  An iron worker works 10 hr/day, 6 days a week.  A base wage of $20.97/hr is paid for all straight‐time  work, 8 hr/day, 5 day/week.  An overtime rate of time and one half is paid for all hours over 8 hr/day,  Monday through Friday and double time for Saturday work.  The social security tax is 7.65 percent  and the unemployment tax is 3 percent of actual wages.  The rate for workmen’s compensation  insurance is $12.50/$100.00 of base wage, and public liability and property damage insurance rate is  $3.25/#100.00 base wage.  Fringe benefits are $3.15/hr.  Calculate the average hourly cost of the  iron worker.     

(16)

  Solution:   Actual work hours = 10 x 6 = 60 hr  Pay hours = {(5 x 8)@ 1.0} + {(5 x 2)@1.5} + {(10 x 1)@2.0} = 40 + 15 + 20 = 75 hr  Base wage = $20.97  Average hourly pay = (75/60) x $20.97 = $26.2125  Taxes are paid on actual wage while insurance is paid on base wage.  Average hourly pay   =       $26.2125  Social security tax: 7.65% x $26.2125 =      2.0053  Unemployment tax: 3% x $26.2125 =       0.7864  Workers’ compensation: ($12.50/$100) x $20.97 =       2.6213  Public liability and property damage insurance: ($3.25/$100) x $20.97 = 0.6815  Fringe benefits:       3.1500         Average hourly cost = sum of all the above =       $35.4570/hr  From the hourly rate, the daily rate is calculated by multiplying $35.4570 by 10 =       $354.57         the weekly cost can be calculated by multiplying $35.4570 by 60 = $2,127.42         the yearly cost is calculated by multiplying the weekly cost by 52 = $2,127 x 52          =  $110,625.84        and the monthly cost is calculated by dividing the yearly cost by 12         =    $110,625.84/12 =$9,218.82          IV.2 Cost of Equipment – All projects involve use of construction equipment to some extent.   Construction equipment can be purchased or rented.  The equipment is purchased when extensive  use is required and it is rented if it is used sparingly.  When equipment is purchased, it is necessary to determine (a) the cost of owning (ownership cost)  and (b) the cost of operating (operating cost) the unit.  (a)  The ownership cost (cost of owning) includes the following:  1. Investment on money required to purchase the equipment.    The money to purchase the equipment will be borrowed from a lender, or it will be taken from the  reserve funds of the purchaser.  In either case, there will be interest cost to the buyer.  That is, either  the lender will charge an interest for the borrowed money, or the buyer will lose any interest income  on the money taken out of his reserve funds.  Therefore, the interest expense or the loss of the  interest income, is part of the ownership cost.  Interest rate varies depending upon the economic 

(17)

situation.  An additional appropriate amount must be added to account for the risk involved in  purchasing the equipment.  The method used to estimate the probable ownership cost uses the  capital recovery and sinking fund equations.      Capital Recovery Equation is as follows:        A = P{ i(1 + i)n  }      Eq. (IV.1)        {(1 + i)n‐1}  where  P = purchase price        A = equivalent annual value        I  =  annual interest rate        n  = useful life, yrs   The above equation gives the equivalent annual value (A) of the purchase price (P) assuming an  annual interest rate of (i) during the useful life of (n) years.  Sinking Fund equation is as follows:         A  =   F {  __i___}       Eq. (IV.2)        {(1 + i)n‐1}  where A = equivalent annual value         F = future salvage value        i  =  annual interest rate        n  = useful life, yrs   The above equation gives the equivalent annual value (A) of the future salvage value (F) assuming an  annual interest rate (i) during the useful life of (n) years.  In addition to the interest rate for the borrowed money, additional rate of interest must be added to  cover the risk and an equivalent interest rate for taxes, insurance and storage must be added.  The sum  of all the three interest rates is called the minimum attractive rate of return (MARR).  Example IV.2 illustrates the determination of annual ownership cost.  Example IV.2:  The purchase price of equipment is $145,000.  The estimated salvage value is $25,000 after the end of  its expected useful life of 6 years.  Assume interest for borrowing money as 9 percent, for risk as 5  percent, and the equivalent interest rate for taxes, insurance and storage as 3 percent.  Determine the  annual ownership cost.    Solution: 

(18)

Useful life n = 6 yrs  Initial investment (P) = $145,000  Salvage value at the end of useful life = $25,000  Substituting the numbers in Eq. (IV.1)      A =    $145,000 x  {0.17(1+ 0.17)6}        { (1 + 0.17)6 ‐1}          = $145,000 x 0.2786 = $40,397. This is the equivalent annual cost.  Since there is a salvage value, its            equivalent annual value must be determined and this value must be subtracted from $40,397 to          get the net equivalent annual cost.   Using Eq. (IV.2) and substituting numbers,  A  = $25,000 x  {        0.17___}         {(1+ 0.17)6‐1  }       = $25,000 x 0.1086 = $2715 and net annual ownership cost = $40,397 ‐ $2,715 = $37,684.           2. Depreciation of the equipment over its useful life  The depreciation of equipment is normally assumed to be linear over its useful life.  In other  words, annual depreciation is calculated by dividing the purchase price by the useful life of the  equipment.  3. Taxes  4. Insurance, and  5. Storage when not in use.   For items 3 to 5 above, an equivalent interest rate is added to the interest rate on the borrowed money.   (b) The cost of operating  the unit (operating cost) includes the following:  1. Cost of fuel – construction equipment is driven by internal combustion engines which require  fuel.  The fuel may be gasoline or diesel.  The equipment is seldom used for 60 minutes in an  hour.  Most machines normally operate for 45 minutes in an hour.  Moreover, the machine is  not operated at its full capacity all the time.  It may work at its full power only during heavy load  conditions.     At normal temperature and pressure, a gasoline engine will consume approximately 0.06 gallons  of fuel for each actual horse‐ power developed and a diesel engine will consume approximately  0.04 gallons of fuel for each horse‐power developed. 

(19)

For an engine that works at its full power only for a fraction of its cycle of operation and with  partial hour operation, an operating factor must be established first.  The operating factor  consists of two parts: engine factor and time factor.  The operating factor is a product of these  factors.  To calculate the fuel needed, the rated horse‐power must be multiplied by the  operating factor and the required fuel/hp.  Example IV.3 illustrates the calculation for fuel requirement:  Example IV.3:  A shovel is used in a digging operation.  Its rated horse‐power is 160.  During an operating cycle  of 20 seconds, the engine is operated at full power while filling the bucket in tough ground,  requiring 5 seconds.  During the balance of the cycle, the engine is operated at 50 percent of its  rated power and the shovel is operated only for 45 minutes in an hour.  Calculate the diesel  required per hour.  Solution:  Engine factor:        Filling the bucket: (5/20) x 100% = 0.250        Rest of cycle: (15/20) x 50%         = 0.375          Engine factor      = 0.625  Time factor: 45/60 =       0.750  Operating factor = 0.625 x 0.750 =       0.470        Fuel required = 0.47 x 160 x 0.04 =      3.0 gallons/hour          2. Cost of lubricating oil‐ the quantity of lubricating oil required by an engine will vary with the size  of the engine, the capacity of the crankcase, the conditions of the pistons, and the number of  hours between oil changes.  The quantity of oil consumed can be estimated by means of the  following equation:         Q = {(hp x 0.6 x 0.006)/7.4} + c/t      Eq. (IV.3)         where Q = quantity of oil required, gal/hr        hp = rated horsepower of the engine        c = capacity of crankcase, gal        t = time between oil changes, hrs and 0.6 = operating factor (generally used)     Example IV.4 illustrates the use of Eq. (IV.3).   

(20)

Example IV.4:  A shovel fitted with a 100‐hp motor is used in a digging operation.  The capacity of crankcase is 4 gal and  oil has to be changed every 100 hours of operation.  Assuming an operating factor of 0.6, calculate the  lubricating oil required for the engine.    Solution:    Substituting numbers in Eq. (IV.3),        Q = {(100 x 0.6 x 0.006)/7.4} + 4/100        = 0.526 gal/hr  In addition, engines require grease which is normally 0.5 lb/hr  3. Cost of maintenance, and repairs.  The annual cost of maintenance and repairs is often expressed as a percentage of the purchase  price or as a percentage of the straight‐line depreciation costs (P – F)/n 

(21)

  V. HANDLING & TRANSPORTING MATERIAL    Construction materials have to be transported from the storage yard of the material supplier to the job  site and also from the stockpiles on the jobsite to the location where the material will be permanently  installed.  This involves a cost that must be included in the estimate for the project.  The time required by a truck for transport of materials is divided into the following four elements:  1. Load.  2. Haul, loaded.  3. Unload.  4. Return, empty.   These four elements define the cycle time for transporting material.  The time required for each  element should be estimated.  Time for elements 2 and 4 can be determined from the speed of the  vehicle and the distance traveled.  Speed depends upon the vehicle, traffic congestion, condition of the  road, and other factors.  For determining time for elements 1 and 3, production rate must be known.   Production rate is defined as the number of units of work produced by a unit of equipment or a person  in a specified unit of time.  The unit of time is usually I hr.  The production rate will be a maximum if the  work is performed at the same rate during the 60 min of the hour.  But this is seldom possible due to  interruptions and delays.  A machine or a worker may work only for 45 min in an hr, in which case, the  actual production rate is 45/60 or 0.75 of the maximum production rate. The ratio 45/60 or 0.75 is  defined as the efficiency factor.  Production rates are crucial to estimate the time and cost of projects.  The time that labor and  equipment will be on the job can be calculated by dividing the total quantity of work by the production  rate.  After the time to perform the work is calculated, the cost of labor and equipment can be  determined by multiplying the total time by the hourly rate of labor and equipment.   Example V.1   illustrates the above process:  Example V.1:  175 tons of sand with a density of 100 lb/cf must be transported 7 mi using a 12‐cy dump  truck.  Two laborers and a driver each will load the truck at a rate of 1.5cy/hr.  The haul speed is 30 mph  and return speed is 40 mph.  It takes 3 min to unload the truck.  The cost of the truck is $25/hr, the  driver is $18/hr, and the laborer is $15/hr.  Determine the total time, total cost, and the cost/unit of  transporting the sand if the actual working time is 45 min in one hr.     

(22)

    Solution:   1. Quantity of work:  Volume of sand (175 x 2,000 x 100)/27 = 130cy  2. Cycle time:  Load  = 12/(3 x 1.5) =         2.667 hr  Haul  = 7/30      =         0.233 “  Dump  = 3/60      =        0.050 “  Return  = 7/40      =         0.175 “     Total cycle time    =         3.125 hr/trip  3. Production rate:  Number of trips/hr = 1/3.125 = 0.32  Quantity hauled/trip = 12cy x 0.32 = 3.84 cy/hr  Production rate = 3.84cy x 45/60 = 2.88 cy/hr  4. Time:  Using I truck and 2 laborers, time taken to transport 130cy of sand = 130/2.88 = 45.1 hrs.  5. Cost:  Truck =45.1hrs x 1 x $25 =     $1,127.50  Driver = 45.1hrs x 1 $18 =       811.80  Laborers = 45.1hrsx 2 x $15 =   1,53.00       Total cost      $3,292.30  6. Unit cost:  Cost/cy = $3,292.30/130 = $25.33  Cost/ton = $3,292.30/175=$18.81  In Example V.1, the load time (2.667 hr) is significantly greater than the travel and dump time (0.458 hr)  which indicates an imbalance between loading and hauling.  The load time can be reduced by using a  tractor loader instead of labor.  Example V.2 illustrates the use of a loader to calculate the cost of  transportation of the sand mentioned in Example V.1   

(23)

    Example V.2:  To load the truck with sand, a small tractor loader is rented at a cost of $50/hr.  The production rate of  the loader is 95cy/hr.  The cost of transporting the loader to the site is $400.  The loader operator cost is  $21/hr.  Determine the total time, cost, and cost/cy for transporting the 175 tons of sand.  Solution:  1. Quantity of work:  Volume of sand (175 x 2,000 x 100)/27 = 130cy    2. Cycle time:  Load  = 12/95      =        0.126 hr  Haul  = 7/30      =         0.233 “  Dump  = 3/60      =        0.050 “  Return  = 7/40      =         0.175 “     Total cycle time    =         0.584hr/trip  3.  Production rate:  Number of trips/hr = 1/0.584 = 1.71  Quantity hauled/trip = 12 x 1.71 = 20.5 cy/hr  Production rate = 20.85 x 45/60 = 15.4 cy/hr  4. Time:  Using I truck and I loader, time taken to transport 130cy of sand = 130/15.4 = 8.4 hrs  5. Cost:  Truck =8.4 hrs x 1 x $25 =      $210.00  Driver = 8.4 hrs x 1 $18 =       151.20  Loader = 8.4 hrs x 1 x $50 =         420.00  Operator 8.4 hrs x 1 x $21 =        176.40         Total =      $957.60  Transporting loader =      400.00      Total cost   =       $1,357.60 

(24)

Cost/cy = $1,357.60/130 = $10.44  Cost/ton = $1,357.60/175= $7.67  The time, total cost, and cost/unit using the loader are significantly lower than those using the laborers  as in Example V.1.  It is therefore justified to use the loader even though there is a charge for  transporting it to the site.   Use of the loader becomes economical if large quantity of work is involved.  For smaller quantities, it  may prove to be more expensive.  Therefore it becomes necessary to calculate the quantity of material  over which it is economical to use the loader.  The determination of this quantity is made as shown  below using the data from Examples V.1 and V.2.  Hourly cost using laborers to load the truck = $25 + $18 + 2 x $15 = $73/hr  Hourly cost using loader to load the truck = $50 + $21 + $25 +$18 = $114/hr  Let ‘X’ cy be the quantity over which loader is economical  It costs $73/hr using laborers and produces 2.88 cy/hr  Therefore cost/cy = $73/2.88 and for ‘X’ cy the cost = (73/2.88) x ‘X’ ………..  (1)  Likewise it costs $114/hr using the loader and produces 15.4 cy/hr + $ 400 additionally for  transportation of the loader to the job site.  Therefore cost/cy = $114/15.4 and for X cy the cost = ($114/15.4)x ‘X’ + $400…….. (2)  Expressions (1) and (2) must be equal  {73/2.88}’X’ = {114/15.4}’X’ + 400  23.53’X’ = 7.4’X’ + 400 and ‘X’ = 22.3cy.  Thus, if it is less than 22.3 cy of sand, it is more economical to use the two laborers and one truck to  transport the sand.  If it is more than 22.3cy, it is more economical to use the loader and one truck.  It is seen in Example V.2, the load time is much less than the transport time by 1 truck and thus the  loader is kept idle while the truck is transporting the material.  Additional trucks must be added such  that the load time and transport time balance.  Example V.3 illustrates the use of multiple trucks with  the loader and calculates the cost of transportation.  Example V.3:  Using the data in Example V.2, determine the economical number of trucks such that the load time and  transport time balance.  Also determine the cost/unit for transporting the material.  Solution:  The number of trucks required to balance the loader can be calculated by dividing the total cycle time by  the load time.  No. of trucks required = total cycle time/load time = 0.584/0.126 =4.63 

(25)

Alternative 1 – consider using 4 trucks.  With 4 trucks, there are fewer trucks than needed and hence the  production rate is governed by the truck production rate.  Quantity hauled by one truck = 20.5 cy/hr  Quantity hauled by 4 trucks = 4 x 20.5 = 82.0 cy/hr  Time required for transporting 130 cy of sand = 130/82 = 1.6 hrs        Cost:  Loader = 1.6 hrs x$ 50 =      $80.00         Loader operator = 1.6 hrs x $21 =       33.60         Trucks = 1.6 hrs x 4 x $25 =      160.00         Truck drivers = 1.6 hrs x 4 x $18 =     115.20          Total labor and equipment =       388.80         Transporting loader =       400.00          Total cost =       $788.20    Cost/cy = $788.20/130 = $6.07  Alternative 2 – consider using 5 trucks.  With 5 trucks, there are more trucks than needed and hence the  production rate is governed by that of the loader.  Production rate of loader = 95 cy/hr   Time required to transport 130cy of sand = 130/95 = 1.4 hrs    Cost: Loader = 1.4 hrs x $50 =      $470.00  Loader operator = 1.4 hrs x$ 21 =   29.40  Trucks = 1.4 hrs x 5 x $25 =      175.00  Truck drivers = 1.4 hrs x 5 x $18 = 126.00  Total labor and equipment=      400.40  Transporting loader =       400.00  Total cost =       $800.40  Cost/cy = 800.40/130 = $6.16   Comparing the two alternatives, alternative 1, which is using 4 trucks, is better because it cost less for  transport by $0.09/cy. 

(26)

VI. EARTHWORK AND EXCAVATION    Most projects involve excavation to some extent.  Usually machinery (excavating equipment) is  employed in excavation.  To calculate the cost of excavation, the time taken for excavation must be  ascertained.  The time taken by a machine depends upon its production rate which depends upon job  factors such as type of soil, extent of water present, weather conditions, freedom of workers and  equipment to operate on the job, size of job, and length of haul for disposal.  Management factors such  as organizing the job, maintaining good morale among workers, selecting and using suitable equipment  and  construction methods, exercising care in servicing equipment, establishing good field supervisory  personnel etc. also affect the production rate.  Methods of excavating vary from hand digging and shoveling for small jobs to that done by machines  such as backhoe, front shovel, dragline, clamshell, scraper, bulldozer, trenching machine, and dredge.    The size of the hauling unit must be balanced with the excavating equipment as described in Section V.  The earth material can be measured as excavated, or hauled, or compacted.  Earth that is to be  excavated is called bank measure.  Earth that is placed in a hauling unit for transportation is called loose  measure.  Earth that is to be compacted is called compact measure.   Earth after being loosened during excavation and placed in the hauling unit will occupy a larger volume,  with a corresponding reduction in weight/unit volume.  This increase in volume is called swell.  The  amount of swell depends upon the type of soil and the amount of loosening during excavation.  When  the earth is placed in a fill area and compacted with compaction equipment, it occupies a smaller  volume than in its natural state in the bank measure.  This decrease in volume is called shrinkage.  The  amount of shrinkage depends upon the type of soil, moisture content of soil, type of the compaction  equipment, and the number of passes of the compaction equipment.  The correlation between unit  weights, volume, swell, and shrinkage are shown in the following equations:           L = {1 + Sw//100}B………..Eq.(VI.1)      and       C = {1 – Sh/100}B………..Eq.(VI.2)           where L = volume of loose soil        B = volume of undisturbed soil        C = volume of compacted soil        Sw = percentage of swell         Sh = percentage of shrinkage  Equations VI.1 and VI.2 give the relationship between the volumes of different measures.  Equations VI.3  and VI.4 give the relationship between the unit weight of the different measures.        

(27)

 L1 = B1/(1 + Sw/100)………..Eq.(VI.3)      and      C1 = B1/(1 – Sh/100)………..Eq.(VI.4)       where L1 = unit weight of loose soil        B1 = unit weight of undisturbed soil        C1 = unit weight of compacted soil        Sw = percentage of swell        Sh = percentage of shrinkage  In estimation, it is important to convert one measure into another and the above equations are  important for this purpose.  Table VI.1 gives the range of swell factors for some materials:         Table VI.1 Range of swell factors                 Material      Swell, %        Sand or gravel       10 ‐15        Loam       15 ‐20        Common earth      20‐ 30        Hard clay      25 ‐40        Blasted rock       50 ‐60          Table VI.2 below gives the approximate unit weight of some materials:  Table VI.2 Approximate unit weight of materials                 Material      Bank weight, lb/cf           Loam       80         Sand, dry      95         Sand, wet       100               Clay, dry       100         Clay, wet      110        Earth, dry      105        Earth, wet       115        Earth and gravel      120           Gravel, dry       105           Gravel, wet      125           Limestone      160           Rock, well blasted      155             Shale       130       

(28)

  The relationship between the different volume and unit weight using Equations VI.1 to VI.4 is illustrated  in Example VI.  Example VI.1:  Clay soil with a bank unit weight of 105 lb/cf is excavated, hauled by 22cy (loose measure) trucks, and  placed in a fill and compacted.  The empty weight of the truck is 67,500 lb.  The swell factor and  shrinkage factor respectively are 30 and 15 percent.  Calculate the following:  1. Equivalent bank measure volume  and compacted measure volume for the 22‐cy truck load of  soil, and  2. The total vertical weight of the hauling unit with the pay load of the soil.  Solution:  Equivalent loose measure volume: By Eq. (VI.1), L = (1 + Sw/100)B         22 cy = (1 + 30/100)B         B = 22/(1 + 0.30) = 22/1.3 = 16.9 cy bank volume.        BY Eq. (VI.2), C = (1‐Sh/100)B = {1‐(15/100)} 16.9 = 0.85 x16.9        = 14.4 cy compacted volume   Weight of soil pay load, by Eq.(VI.3), L1 = {B1/1 + (Sw/100)}        = 105/{1 + (30/100)}        = 105/1.3 = 80.8 lb/cy loose weight of soil  Soil pay load = 80.8 x 27 x 22 = 47, 995 lb  Empty weight of truck = 67,500 lb  Total weight with pay load = 67,500 + 47, 995 = 115,495 lbs         VI.1. Excavating by hand – Numerous types and sizes of excavating equipment is generally used in  construction except in very small projects where using equipment will be more expensive as shown in  Section V .  Even if the job is big, sometimes there may not be sufficient room to operate the equipment  such as for a motor‐pump foundation for a unit located in a confined space in a refinery.  Also, if  numerous underground utilities exist, it may be difficult to use equipment and so, under these  circumstances, manual excavation has to be resorted to.  The rate of excavation by a laborer varies with the type of material, extent of digging required, height to  which the material must be lifted, and climatic conditions.  Table VI.3 gives the representative rates of  earth excavation by hand.         

(29)

       Table VI.3 Rates of handling earth by hand    Example VI.2 illustrates estimating the cost of earth excavation by hand.  Example VI.2:  A trench in a confined area in a refinery has to be excavated by hand.  The trench is 15 ft long, 3 ft wide  and 4 ft deep and the soil is sandy loam.  Calculate the cost of excavation.  Cost of labor is $15.56/hr.  Solution:   Quantity of work:   Volume of earth = (3 x 4 x 15)/27 = 6.7cy  Production rate:  Using data from Table VI.1, Loosening earth = 6.7 x 2 hrs      = 13.4 hrs         Shoveling loose earth from trench = 6.7 x 1hr  = 6.7 hrs         Shoveling back to the trench = 6.7 x 0.5 hr        =3.4 hrs         Backfilling trench = 6.7 x 0.5 hr       = 3.4 hrs           Total labor hours       =  26.9 hrs  Cost:  Total cost = 26.9 hrs x $15.56 = $418.56  Cost/cy = $418.56/6.7 = $62.47  Cost/ft = $418.56/15 = $27.90  VI.2. Excavating by machine – For larger jobs, the cost of excavation by machine is considerably less  than the cost by hand once the machine is transported to the job site.  The savings in excavating cost  must be sufficient to offset the cost of transporting the machine to the job and back to storage after the  job is completed.  Otherwise, hand labor is more economical.  VI.2.1. Trenching machines‐ There are two types of trenching machines: (1) Wheel‐type and (2) Ladder‐ type.    Wheel‐type machine is frequently used for water mains, gas lines, and oil pipe lines.  The wheel rotates  at the rear of the machine, which is mounted on crawler tracks.  A combination of teeth and buckets  attached to the wheel loosens and removes the earth from the trench as the machine advances.  The 

(30)

in. wide and depths up to 6 ft.  Table VI.4 provides data on this type of machines.        Table VI.4 Data on wheel‐type trenching machines           Ladder‐type machine is used for deeper trenches such as those required for sewer pipes and other  utilities.  Inclined or vertical booms are mounted at the rear of the machine.  Cutter teeth and buckets  are attached to endless chains that travel along the boom.  The depth of cut is adjusted by raising or  lowering the boom.  By adding side cutters, the width of the trench can be increased.  This machine is  used to excavate trenches from 16 to 36 in. wide and depths up to 12 ft.  Table VI.5 provides data on  this type of machines.         Table VI.5 Data on ladder‐type trenching machines            Example VI.3 illustrates earth excavation using a wheel‐type trenching machine.  Example VI.3:  Estimate the total cost and cost/linear foot for excavating 2,940 ft of trench in common earth using a  ladder‐type trenching machine.  The trench will be 30 in. wide and the average depth will be 7 ft.  The  machine will work for 45 min. in an hour.  A machine operator, a laborer and a foreman will be  employed on the job with a pickup truck.  The rate for trenching machine is $87.50/hr.  The machine  operator is paid at $21.67/hr, the laborer is paid at $25.56/hr and the foreman is paid at $25.00/hr.  The  rate for pickup truck is $12.00/hr.  In addition, transporting the machine to and from the job cost a lump  sum of $1,500.00        

(31)

Solution:  From Table VI.5, the digging speed is found to vary between 25 and 50 ft/hr for a width of 30 in and  depth of 7 ft.  Use the average digging speed of 37.5 ft/hr.   Time for digging trench = 2,940/37.5 = 78.4 hrs  Adjusting for 45 min/hr, time required = 78.4 x (60/45) = 104.5 hrs  Cost:          Trenching  machine : 104.5 hrs @ $87.50/hr  = $9,143.75          Machine operator 104.5 hrs @ $21.67      =   2,264.50          Laborer 104.5 hrs @ $15.56       =   1,626.02          Foreman 104.5 hrs @ $25.00       =   2,612.50          Pickup truck 104.5 hrs @ $12.00       =   1,254.00          Transporting machine to and from job       =     1,500.00         Total  cost      =   $18,400.77   Cost/linear foot = $18,400.77/2,940      = $6.26    VI.2.2 Drag line – Drag lines are used for excavating earth for drainage channels and building levees  where water is present.  It can operate on wet ground and can dig earth out of water‐logged pits  because they do not have go into pits or hole to excavate. They cannot excavate rock.  Frequently they  are used with a long boom to dispose of the material along the canal or near the pit.  This eliminates the  need for hauling units.  The size of the drag line is indicated by the size of the bucket expressed in cubic  yards.  Most drag lines can handle more than one size bucket depending on the length of the boom and  class and weight of the material excavated.  Greatest output can be achieved if the job is planned to  permit excavation at the optimum depth of cut.  Table VI.6 gives ideal output, in bank measure,          Table VI.6 Ideal output of draglines, bank measure, cy/hr                

(32)

on a 60‐min hour.  The upper figure is the optimum depth in feet and the lower number is the ideal  output in cubic yards.  Adjustments have to be made for outputs at other depths and angle of swing.   Table VI.7 provides the adjustment factors.         Table VI.7 Adjustment factors for angle of swing and other than ideal depth of cut for        Drag lines             Example VI.4 illustrates calculation of excavation cost using a dragline.  Example VI.4:   A drainage ditch 10 ft wide at the bottom, 36 ft wide at the top, 12 ft deep, and 15,100 ft long is to be  excavated using a dragline.  The soil is good common earth and the excavated earth can be deposited on  one or both sides of the ditch.  A 1.5cy dragline with an average angle of swing of 1200 will be used.  It  will require 2 days to set up and remove the dragline.  Two laborers will assist the operation which will  be supervised by a foreman.  The dragline will operate an average of 45 min/hr.  The following cost data  will apply:  dragline $87.69/hr., machine operator $21.67/hr., laborer $15.56/hr.  In addition, it will cost  $2,500 to move the dragline to and from the job.  Estimate the total cost and cost/cy for excavating the  ditch.  Solution:   Quantity of material:  Volume of earth = (10 + 36)/2 x 12 x 15,110 = 4,170,360cf = 4,170,360/27 = 154,458cy  Production rate:  From Table VI.6, the ideal output = 190 cy/hr, bank measure, and the optimum depth of cut = 9.0 ft  Percent of optimum depth= 12/9 = 1.33 or 133%  From Table VI.7, for 133% optimum depth and 1200 angle of swing, the depth‐swing   adjustment factor = 0.89  For a 60‐min/hr operation, production rate = 0.89 x 190 = 169.1 cy/hr 

(33)

For a 45‐min/hr operation, production rate = 169.1 x (45/60) = 126.8 cy/hr bank measure.  Time required for full excavation = 154,458/126.8 = 1,218 hrs  Cost:  Dragline 1,218 hrs@ $87.69/hr      = $106,806.42  Operator 1,218 hrs @ $21.67/hr       =    26,394.06  Laborers 1,218 hrs x 2 @ $15.56/hr      =    37,904.16  Foreman 1,218 hrs @ $25.00/hr      =    30,450.00  Cost to set up and remove the dragline:  Operator 16 hrs @ $21.67/hr      =        346.72  Laborers 16 hrs x 2 @ $15.56/hr       =        497.92  Cost to move the dragline to and from the job =      2,500.00         Total cost      =$204,999.28        Cost/cy = $204,999.28/154,458         = $1.33  VI.2.3. Shovel – A shovel is a hydraulic excavator.  There are two kinds of shovels:  one having the  digging action in an upward direction and the other having the digging action in a downward direction.   The former is called front shovel or simply shovel and the latter is called hoe or backhoe or trackhoe.   Shovels are mostly used for pit excavation where the bucket load is obtained from the vertical face of  the excavation pit above and in front of the excavator.  These machines can handle all classes of earth  without loosening.  The output of a shovel depends upon the class of earth to be excavated, the height  of the cut, the ease with which hauling equipment can approach the shovel, the angle of swing from  digging to emptying the bucket, and the size of the bucket.  The size of the shovel is designated by the  size of the bucket, expressed in cubic yards, loose measure.    A bucket can be rated as struck capacity or heaped capacity.  The struck capacity is defined as the  volume in the bucket when it is filled even with, but not above, the sides.  The heaped capacity is  defined as the volume that a bucket will hold when the earth is piled above the sides.  The heaped  capacity will depend upon the depth of the earth above the sides and the base area of the bucket.  The  heaped slope usually is 1:1 or 2:1 above the sides of the bucket.  The equipment has a fill factor which is  a percentage to be used to multiply the heaped capacity to obtain the average payload of the bucket.   Table VI.8 provides fill factors for shovels.        Table VI.8 Fill factors for front shovel buckets          

(34)

There are four elements in the production cycle of a shovel: load bucket, swing with load, dump load,  and return swing empty.  Adding times for these elements provides the cycle time for the shovel.  Table  VI.9 provides the range of element times for shovels with bucket sizes ranging from 3 to 5cy.        Table VI.9 Time for elements in a shovel production cycle            The optimum height of cut for a shovel is that depth at which the bucket comes to the surface of the  ground with a full load without overcrowding or under crowding the bucket.  The optimum depth varies  with the class of soil and the size of the bucket and varies from 30 to 50 percent of the maximum digging  height.  The output has to be adjusted for the percentage of optimum heights of cut and angles of  swing.  Table VI.10 provides the adjustment factors.           Table VI.10 Adjustment factors for depth of cut and angle of swing for a shovel           Example VI.5 illustrates the calculation of cost of excavation using a shovel.  Example VI.5:    A 4‐cy shovel will be used to excavate and haul 58,640cy, bank measure, of common earth with a swell  factor of 0.25.  The maximum digging height for the shovel is 34 ft and the average height of cut is 15 ft.   The shovel swings 1200 to load the haul units.  The earth will be hauled 4 mi by 20cy, loose measure  trucks, at an average speed of 30 mph.  The expected time at the dump is 4 min.  The truck time waiting  at the shovel to move into loading position will average 3 min and the trucks will work 45 min in an hr.   In addition to the shovel operator and truck drivers, 2 laborers and a foreman will be employed on the  job.  The rate of renting a shovel will be $135.00/hr and that for the truck is $55.00/hr.  The wage rates  for the workers will be as follows:  shovel operator @ $21.67/hr, truck driver @ $18.17/hr, laborer @  $15.56/hr, and foreman @ $25.00.  Calculate the total cost and cost/cy based on using sufficient trucks  to balance the production rate of the shovel.   

(35)

  Solution:  Volume of earth = 58,640cy, bank measure  Volume of truck = 20/(1 + 0.25) = 16cy, bank measure  Cycle time of shovel:  From Table VI.9 using average values, Load bucket        = 8 sec         Swing with load = 5 sec         Dump bucket     = 3 sec         Return swing      = 4 sec         Total time      = 20 sec  Cycles/min = 60/20 = 3  Production rate of shovel:  Bucket fill factor for common earth from Table VI.7 = 105%  Average bucket payload = 4 x 105% = 4.2cy  Ideal production rate = 4.2 x 3 = 12.6cy/min  Optimum height of cut = 40% x 34 = 13.6 ft  Average height of cut = 15 ft  Percent optimum height of cut = 15/13.6 = 1.1 or 110%  Adjustment factor for 110% optimum depth of cut and 1200 angle of swing from Table VI.9 = 0.87  Probable output = 12.6 x 0.87 x 45 = 493 cy/hr, loose measure  Swell factor for common earth is 25%  Probable production rate = 493/(1 + 0.25) = 395 cy/hr, bank measure  Cycle time for trucks:  Loading truck: 16/395      = 0.04 hr  Traveling: 8/30      = 0.26 hr  Dump time: 4/60      = 0.07 hr  Waiting to load: 3/60       = 0.05 hr          Total cycle time      = 0.42 hr/trip  Production rate of trucks:  Number of trips/hr = 1/0.42 = 2.4  Number of trips in 45 min = 2.4 x 45/60 = 1.8 trips/hr  Volume hauled/trip = 1.8 x 16 = 28.8 cy/hr, bank measure    Time to complete the job: 

Figure

Updating...

References