1. LAS CARRETERAS

1.1 GENERALIDADES

1.2 DEFINICION

1.3 CARACTERISTICAS

1.4 CLASIFICACION

1.5 CLASES DE PROYECTOS

1.1 GENERALIDADES

El transporte de pasajeros, así como el de carga, ha venido mostrando preferencia por el uso de las carreteras, debido a las facilidades que éstas ofrecen, bien sea por los costos de transporte, bien por la flexibilidad en su utilización. Estas condiciones, y otras más, influyen en el desarrollo económico de la región, con el consiguiente aumento de la producción y del consumo y mejora del nivel de vida de la población, por obra del sistema de transporte, en general, y de las carreteras en particular.

Dadas las condiciones de COLOMBIA, el sistema de transporte por carretera hace patente la necesidad de una red eficiente, segura y cómoda, tanto para usuarios como para vehículos, dentro de principios de compatibilidad entre la oferta y la demanda.

1.2 DEFINICION

La carretera es una infraestructura de transporte cuya finalidad es permitir la circulación de vehículos en condiciones de continuidad en el espacio y el tiempo, con niveles adecuados de seguridad y de comodidad. Puede estar constituida por una o varias calzadas, uno o varios sentidos de circulación o uno o varios carriles en cada sentido, de acuerdo con las exigencias de la demanda de tránsito y la clasificación funcional de la misma.

1.3 CARACTERISTICAS

1.3.1 Factores

Como integrantes del "sistema de transporte" las carreteras forman parte de la infraestructura económica del país y contribuyen a determinar su desarrollo; e intervienen en planes y programas a través de los proyectos. Estos, por tanto, deben responder a un contexto general de orden macroeconómico, el modelo de desarrollo, para maximizar su contribución al desarrollo del país.

Hay diversos factores básicos que definen una carretera respecto a importancia, categoría, requerimientos técnicos, otros, para incorporarla al sistema vial; tales son:

1.3.1.1 Institucionales

La Constitución Nacional y las necesidades puestas en evidencia por motivos de orden nacional y geopolítico, por los planes de desarrollo y por los planes sectoriales del transporte;

1.3.1.2 Operacionales

Se relacionan con el servicio para el cual la carretera debe ser proyectada, en armonía con las políticas oficiales como son: funciones, volumen y características del tránsito inicial y futuro, velocidad de operación, seguridad para el usuario y la comunidad, lugar dentro de la jerarquización del sistema vial, relación con otras vías y con la propiedad adyacente.

1.3.1.3 Físicos

Los relacionados con la naturaleza, que imponen limitaciones al diseño por considerar, como son: relieve, hidrografía, geología y climatología, en la zona del proyecto.

1.3.1.4 Humanos y ambientales

Se relacionan con los rasgos distintivos de la comunidad que se quiere servir y el ambiente circundante; los principales son: actividad económica de la zona de influencia, uso de la tierra, idiosincrasia de usuarios y peatones, impacto estético y efectos ambientales.

1.3.1.5 Costos

En consideración a la optimización del uso de los recursos, el costo de una carretera debe estar asociado a la categoría del proyecto y comprende tres (3) acápites principales: costos de inversión, costos de operación de los usuarios y costos de mantenimiento a lo largo de la vida útil del proyecto.

1.4 CLASIFICACION

1.4.1 Por competencia

1.4.1.1 Carreteras nacionales

Son aquellas a cargo del Instituto Nacional de Vías.

1.4.1.2 Carreteras departamentales

Son aquellas de propiedad de los departamentos, o las que la nación les ha transferido a través del Instituto Nacional de Vías (red secundaria) y el Fondo Nacional de Caminos Vecinales (red terciaria), o las que en un futuro les sean transferidas.

1.4.1.3 Carreteras distritales y municipales

Son aquellas vías urbanas y/o suburbanas y rurales a cargo del Distrito o Municipio.

1.4.1.4 Carreteras veredales o vecinales

Son aquellas vías a cargo del Fondo Nacional de Caminos Vecinales.

1.4.2 Según sus características

1.4.2.1 Autopistas

Es una vía de calzadas separadas, cada una con dos o más carriles, con control total de acceso y salida. Se denomina con la sigla A.P.

La autopista es el tipo de vía que proporciona un flujo completamente continuo. No existen interrupciones externas a la circulación, tales como intersecciones semaforizadas o controladas por señal de PARE. El acceso y salida desde la vía se produce únicamente en los ramales, que están proyectados para permitir las maniobras de confluencia y bifurcación a altas velocidades y por lo tanto, minimizando las alteraciones del tránsito de la vía principal.

1.4.2.2 Carreteras multicarriles

Son carreteras divididas, con dos o más carriles por sentido, con control parcial o total de acceso y salida. Se denominan con la sigla M.C.

1.4.2.3 Carreteras de dos carriles

Constan de una sola calzada de dos carriles, uno por cada sentido de circulación, con intersecciones a nivel y accesos directos desde sus márgenes. Se denominan con la sigla C.C.

1.4.3 Según el tipo de terreno

1.4.3.1 Conceptos básicos

Pendiente longitudinal del terreno es la inclinación natural del terreno, medida en el sentido del eje de la vía.

Pendiente transversal del terreno es la inclinación natural del terreno, medida normalmente al eje de la vía.

1.4.3.2 Tipos de terreno

Para Colombia, los terrenos se clasifican en plano, ondulado, montañoso y escarpado, de acuerdo con parámetros que se indican en la tabla 1.1.

Se consideran las siguientes:

a. Carretera típica de terreno plano

Es la combinación de alineamientos horizontal y vertical, que permite a los vehículos pesados mantener aproximadamente la misma velocidad que la de los vehículos ligeros.

b. Carretera típica de terreno ondulado

Es la combinación de alineamientos horizontal y vertical que obliga a los vehículos pesados a reducir sus velocidades significativamente por debajo de las de los vehículos de pasajeros, sin ocasionar el que aquellos operen a velocidades sostenidas en rampa por un intervalo de tiempo largo.

c. Carretera típica de terreno montañoso

Es la combinación de alineamientos horizontal y vertical que obliga a los vehículos pesados a circular a velocidad sostenida en rampa durante distancias considerables o a intervalos frecuentes.

d. Carretera típica de terreno escarpado

Es la combinación de alineamientos horizontal y vertical que obliga a los vehículos pesados a operar a menores velocidades sostenidas en rampa que aquellas a las que operan en terreno montañoso, para distancias significativas o a intervalos muy frecuentes.

Tabla 1.1 TIPOS DE TERRENO

1.4.4 Según velocidad de diseño

En la tabla 1.2 se indica el tipo de carretera en función de la velocidad.

Tabla 1.2 VELOCIDADES DE DISEÑO SEGUN TIPO DE CARRETERA Y TERRENO

1.4.5 Según su función

1.4.5.1 Principales o de primer orden

Son aquellas troncales, transversales y accesos a capitales de departamento que cumplen la función básica de integración de las principales zonas de producción y de consumo del país y de éste con los demás países.

1.4.5.2 Secundarias o de segundo orden

Aquellas vías que unen cabeceras municipales entre sí y/o que provienen de una cabecera municipal y conectan con una principal.

1.4.5.3 Terciarias o de tercer orden

Aquellas vías de acceso que unen las cabeceras municipales con sus veredas, o unen veredas entre sí.

1.5 CLASES DE PROYECTOS

1.5.1 Proyectos de construcción

Es el conjunto de todas las obras de infraestructura a ejecutar en una vía proyectado, en un tramo faltante mayor al 30% de una vía existente y/o en variantes. Comprende, entre otras, las actividades de:

* Desmonte y limpieza

* Explanación

* Obras de drenaje (alcantarillas, pontones, etc.)

* Afirmado

* Subbase, base y capa de rodadura

* Tratamientos superficiales o riegos

* Señalización vertical

* Demarcación lineal

* Puentes

* Túneles

1.5.2 Proyectos de mejoramiento

Consiste básicamente en el cambio de especificaciones y dimensiones de la vía o puentes; para lo cual, se hace necesaria la construcción de obras en infraestructura ya existente, que permitan una adecuación de la vía a los niveles de servicio requeridos por el tránsito actual y proyectado. Comprende, entre otras, las actividades de:

* Ampliación de calzada

* Construcción de nuevos carriles

* Rectificación (alineamiento horizontal y vertical)

* Construcción de obras de drenaje y sub-drenaje

* Construcción de estructura del pavimento

* Estabilización de afirmados

* Tratamientos superficiales o riegos

* Señalización vertical

* Demarcación lineal

* Construcción de afirmado

Dentro del mejoramiento, puede considerarse la construcción de tramos faltantes de una vía ya existente, cuando éstos no representan más del 30% del total de la vía.

1.5.3 Proyectos de rehabilitación

Actividades que tienen por objeto reconstruir o recuperar las condiciones iniciales de la vía de manera que se cumplan las especificaciones técnicas con que fue diseñada. Comprende, entre otras, las actividades de:

* Construcción de obras de drenaje

* Recuperación de afirmado o capa de rodadura

* Reconstrucción de sub-base y/o base y/o capa de rodadura

* Obras de estabilización

1.5.4 Proyectos de mantenimiento rutinario

Se realiza en vías pavimentadas o no pavimentadas. Se refiere a la conservación continua (a intervalos menores de un año) de las zonas laterales, y a intervenciones de emergencias en la carretera, con el fin de mantener las condiciones óptimas para la transitabilidad en la vía. Las principales actividades de éstas son:

* Remoción de derrumbes

* Rocería

* Limpieza de obras de drenaje

* Reconstrucción de cunetas

* Reconstrucción de zanjas de coronación

* Reparación de baches en afirmado y/o parcheo en pavimento

* Perfilado y compactación de la superficie

* Riegos de vigorización de la capa de rodadura

* Limpieza y reparación de señales

1.5.5 Proyectos de mantenimiento periódico

Se realiza en vías pavimentadas y en afirmado. Comprende la realización de actividades de conservación a intervalos variables, relativamente prolongados (3 a 5 años) , destinados primordialmente a recuperar los deterioros de la capa de rodadura ocasionados por el tránsito y por fenómenos climáticos, también podrá contemplar la construcción de algunas obras de drenaje menores y de protección faltantes en la vía. Las principales actividades son:

* Reconformación y recuperación de la banca

* Limpieza mecánica y reconstrucción de cunetas

* Escarificación del material de afirmado existente

* Extensión y compactación de material para recuperación de los espesores de afirmadoiniciales

* Reposición de pavimento en algunos sectores

* Reconstrucción de obras de drenaje

* Construcción de obras de protección y drenaje menores

* Demarcación lineal

* Señalización vertical

DEFINICIONES

Control Total de Acceso

El acceso desde el exterior se realiza exclusivamente a través de intersecciones a desnivel o mediante entradas y salidas directas a otras carreteras.

Control Parcial o Total de Acceso

Además de los accesos a través de las intersecciones a desnivel o mediante entradas y salidas directas a otras carreteras, se pueden establecer otras mediante vías de servicio con entradas y salidas específicas. Se permiten intersecciones a nivel.

Autopistas

Es una vía de calzadas separadas, cada una con dos o más carriles, con control total de acceso y salida

Carreteras Multicarriles

Son carreteras divididas, con dos o más carriles por sentido, con control parcial o total de acceso y salida

Carreteras de Dos carriles

Constan de una sola calzada de dos carriles, uno por cada sentido de circulación, con intersecciones a nivel y accesos directos desde sus márgenes

2 PLANEACION

2.1 DEFINICION

La planeación es un proceso continuo de previsión de los recursos y servicios requeridos para obtener objetivos determinados según un orden de prioridades establecido y que permite escoger la o las soluciones óptimas entre varias alternativas.

2.2 CATEGORÍAS ESTRATEGICAS DEL PROCESO DE PLANEACION

La planeación se desarrolla en diferentes instancias jerarquizadas por niveles de responsabilidad y alcance.

Los planes de desarrollo constituyen la categoría superior, a partir de la cual se desprenden las unidades de gestión, que dan solución a los problemas específicos de la población.

Las unidades de gestión son los programas, subprogramas y proyectos, que por su carácter de medios de acción, subordinan sus objetivos y estrategias a los establecidos en los planes de desarrollo.

Los planes de desarrollo comprenden el análisis de la problemática económica, social y ambiental a nivel nacional, departamental y municipal, a partir de la cual definen una estrategia de solución a seguir a mediano o largo plazo. La estrategia incluye la definición de los objetivos y metas del plan; de las políticas generales y sectoriales; de los principales programas de gobierno; y del plan de inversiones para el período analizado.

El programa es la estrategia de acción cuyas directrices determinan los medios que articulados gerencialmente permiten dar una solución integral a problemas. El objetivo general de un programa, que por definición debe tener carácter multisectorial, generalmente corresponde a uno de los objetivos establecidos por el plan de desarrollo. A partir del objetivo general se definen objetivos específicos, las metas, los tipos de proyectos y el plan de inversiones del programa.

Subprograma es la desagregación de un programa en grupos homogéneos de proyectos. Esta homogeneidad no corresponde a un criterio único, ya que puede definirse por tecnología, ubicación, tamaño, etc., de acuerdo con las necesidades particulares de clasificación de un programa. El objetivo general de un subprograma, generalmente, corresponde a un objetivo específico del programa.

El proyecto es la mínima unidad operacional que vincula recursos, actividades y componentes durante un período determinado y con una ubicación definida para resolver problemas o necesidades de la población. El objetivo general de un proyecto debe estar relacionado con algunos de los objetivos específicos de un programa o subprograma y, en consecuencia, con los objetivos del plan de desarrollo.

2.3 CICLO DE UN PROYECTO DE CARRETERA

Un proyecto de carretera comienza en el momento en que se identifica el problema o necesidad por solucionar y termina en el momento en que se logra solucionar o satisfacer dicha necesidad alcanzando así los objetivos esperados por el proyecto. Las diferentes etapas por las que debe pasar el proyecto es lo que se llama ciclo del proyecto. Estas etapas son: preinversión, inversión y operacional, tal como se muestra en la figura 2.1.

Figura 2.1. CICLO DE PROYECTO

2.3.1 Etapa de Preinversión

En ella se realizan todos los estudios necesarios para tomar la decisión de realizar o no el proyecto. Tiene por objeto examinar la viabilidad del proyecto de carretera mediante la identificación del mismo, la preparación de su información técnica, financiera, económica y ambiental, el cálculo de cantidades de obra, de costos y beneficios, y la preparación de los bosquejos o anteproyectos que se requieran.

Durante esta etapa, a partir de la idea del proyecto de carretera, se desarrollan los denominados estudios de preinversión, a saber:

* Perfil del proyecto

* Estudio de prefactibilidad (fase I)

* Estudio de factibilidad (fase II)

A continuación se explica brevemente cada uno de los términos anteriores:

La idea del proyecto que consiste en identificar de forma muy preliminar la necesidad o problema existente y las acciones mediante las cuales se podría solucionar, se deriva de planes generales de desarrollo económico y social, de políticas generales, de planes sectoriales (Plan del Sector Transporte, por ejemplo), de otros proyectos o estudios o porque puede parecer atractivo emprender el proyecto. La idea, adecuadamente presentada, servirá de base para decidir acerca de la conveniencia de emprender estudios adicionales.

El perfil del proyecto sirve para reunir la información de origen secundario (proyectos similares, mercados, beneficiarios, aspectos ambientales, por ejemplo); verificar todas las alternativas del proyecto y estimar sus costos y beneficios de manera preliminar; realizar la versión preliminar del diagnóstico ambiental de alternativas; descartar algunas (o todas) de las alternativas y plantear cuáles son susceptibles de estudios más detallados.

El estudio de prefactibilidad del proyecto es un proceso de descarte de alternativas y estudio de una, dos, o más de las mismas. En una primera parte se establece un diagnóstico económico preliminar y se definen las grandes orientaciones de los estudios técnicos, financieros, económicos y ambientales del proyecto. Posteriormente, se seleccionan las soluciones por evaluar, coordinando aspectos técnicos, financieros, económicos y ambientales (los técnicos basados principalmente en información existente: fotografías aéreas, restituciones, mapas, carteras de tránsito, otros; y el mínimo necesario de actividades y trabajos de campo). Más tarde se estiman costos y beneficios de cada una de las soluciones, se comparan éstas entre sí y con "una solución de referencia" (Alternativa sin Proyecto), sobre la base de indicadores económicos (relación beneficio - costo, B/C; tasa interna de retorno, TIR; valor presente neto VPN, tasa única de retorno, TUR, con los correspondientes análisis de sensibilidad), se eliminan las soluciones menos convenientes, para reducir el estudio a una, preferentemente, o dos, si así se justifica, en la etapa siguiente o de estudio de factibilidad.

En general, a todo proyecto de carretera se le debe adelantar el estudio de prefactibilidad, con el fin de tener la información que permita al nivel decisorio de la entidad dueña del proyecto adoptar uno cualquiera de los tres siguientes caminos : efectuar la evaluación final y decidir invertir en la carretera; es decir, pasar a la etapa de inversión; descartar el proyecto u ordenar la realización del estudio de factibilidad.

El estudio de factibilidad, que consiste en perfeccionar la alternativa recomendada en la prefactibilidad, tiene por objeto reducir al máximo la incertidumbre asociada con el proyecto de inversión en la carretera. En general, aquí se afinan los estudios de las soluciones, o se amplían los aspectos tanto técnicos como financieros, económicos y ambientales, con el fin de recomendar lo más conveniente y óptimo para la comunidad.

2.3.1.1 Contenido de los estudios de preinversión

El contenido mínimo de cada uno de los estudios de preinversión de un proyecto de carretera es el siguiente:

* Localización geográfica del proyecto

* Descripción de la zona de influencia del proyecto

* Aspectos técnicos del proyecto. Considerar como mínimo:

- Topografía

- Geología y geotecnia

- Tránsito

- Valores ambientales

- Climatología

- Aspectos hidrológicos e hidráulicos

- Criterios de diseño

- Planteamiento de soluciones alternativas

- Descripción de soluciones alternativas

- Planos en planta y perfil sobre cartografía existente de cada solución

- Secciones transversales

- Esquemas de obras de drenaje y estructuras

* Programa para la ejecución del proyecto (debe comprender todas las actividades de la etapa de inversión del proyecto)

* Inversiones en el proyecto. En su cuantificación se tendrán en cuenta los siguientes costos:

- Costo de los estudios de investigaciones preparatorias y de los estudios técnicos detallados

- Costos de construcción

- Costos de derechos de vía

- Costos de administración (los requeridos para el funcionamiento de la unidad dentro de la organización de la entidad ejecutora, responsable directa de administrar la ejecución del proyecto)

- Imprevistos

* Costos de conservación

* Costos de operación y de explotación

* Financiación del proyecto

* Flujo de caja del proyecto

* Estudio comparativo de soluciones alternativas

* Evaluación técnica

* Evaluación económica y social

* Evaluación ambiental (debe contemplar el diagnóstico ambiental de soluciones alternativas)

* Conclusiones

2.3.1.2 Nivel de los estudios técnicos y grado de exactitud de las cuantificaciones en la preinversión

El nivel de los estudios técnicos y el grado de exactitud de las cuantificaciones en la preinversión, se muestran en la tabla 2.1.

El estudio de las distintas soluciones alternativas se deberá realizar por el mismo equipo redactor y con el mismo nivel de precisión.

Tabla 2.1 TIPOS DE ESTUDIOS

2.3.2 Etapa de inversión

La etapa de inversión, también llamada de ejecución, se inicia con la elaboración de los estudios técnicos definitivos (fase III). En esencia, comprende las siguientes actividades:

* Conformación, dentro de la entidad dueña del proyecto, o dentro de la organización del concesionario de la carretera, del grupo encargado de la Gerencia del Proyecto.

* Elaboración de los estudios técnicos definitivos, con preparación de planos detallados para la construcción de las obras, y con un grado de exactitud de las cuantificaciones de 90 a 100%. La escala mínima de diseño será de 1:2000 con precisión 1:1000. Se deben basar en los aspectos técnicos descritos en los estudios de preinversión.

* Gestiones relacionadas con la obtención de los recursos financieros previstos para el proyecto durante la preinversión.

* Preparación de licitaciones para la construcción de las obras, estudio de propuestas y adjudicación de contratos.

* Construcción de las obras.

* Supervisión o interventoría de la construcción de las obras.

* Presentación y entrega del proyecto construido a la entidad que se encargará de su operación y mantenimiento.

En esta etapa se realiza el seguimiento físico-financiero del proyecto, con el cual se busca garantizar la correcta utilización de los recursos de inversión asignados en el presupuesto. Este seguimiento permite observar las variaciones sobre lo previsto, determinar sus causas e introducir ajustes pertinentes.

2.3.3 Etapa operacional

Esta etapa se inicia cuando los vehículos comienzan a circular sobre la vía. Durante la misma el mantenimiento o conservación de la carretera, tanto rutinario como periódico, es responsabilidad de la entidad dueña del proyecto o del concesionario de la misma.

Generalmente, en los proyectos continuos (concesiones) la etapa de operación se presenta simultáneamente con la etapa de inversión.

2.3.4 Evaluación expost

Para la correcta operación del proyecto, se recomienda realizar seguimiento y evaluación de resultados al proyecto. El propósito de este último es ayudar a asegurar la operación eficiente, identificando y abordando los problemas que surjan en la operación.

La evaluación de los resultados, desde una perspectiva más amplia, intenta determinar las razones de éxito o de fracaso, con el propósito, en un futuro de replicar las experiencias exitosas y de evitar problemas ya presentados.

La evaluación de resultados también debe dar información sobre la eficacia y efectividad de cada uno de los proyectos en el cumplimiento de los objetivos planteados en los estudios de preinversión.

3 CRITERIOS DE DISEÑO

3.1 VELOCIDAD

3.1.1 Objeto

La velocidad debe ser estudiada, regulada y controlada con el fin de que ella origine un perfecto equilibrio entre el usuario, el vehículo y la carretera, de tal manera que siempre se garantice la seguridad.

El diseño geométrico de una carretera se debe definir en relación directa con la velocidad a la que se desea circulen los vehículos en condiciones aceptables de comodidad y seguridad.

Por lo tanto, el objetivo principal del diseño geométrico de una carretera deberá ser el de proveer el servicio (oferta) para satisfacer el volumen de tránsito (demanda), de una manera segura, cómoda y económica, con una velocidad adecuada, que supuestamente hayan de seguir la mayoría de los conductores.

3.1.2 Tipos y Definicione de Velocidad

Para propósitos de aplicación de los presentes criterios se deben tener en cuenta los siguientes conceptos relacionados con la velocidad.

3.1.2.1 Velocidad en general

En general el término velocidad se define como la relación entre el espacio recorrido por un vehículo y el tiempo que se tarda en recorrerlo. Esto es, para un vehículo representa su relación de movimiento, usualmente expresada en kilómetros por hora (km/h).

Para el caso de una velocidad constante, ésta se define como una función lineal de la distancia y el tiempo, expresada por la fórmula:

Donde:

v = velocidad constante, (km/h)

d = distancia, (km)

t = tiempo, (h)

3.1.2.2 Velocidad puntual

Es la velocidad de un vehículo a su paso por un punto determinado o sección transversal de la carretera.

La velocidad puntual debe medirse bajo las limitaciones del conductor, las características de operación del vehículo, el volumen de tránsito o presencia de otros vehículos, las condiciones ambientales, y las limitaciones de velocidad establecidas por los dispositivos de control.

3.1.2.3 Velocidad instantánea

Es la velocidad correspondiente a cada uno de los vehículos que se encuentran circulando a lo largo de un tramo de la carretera en un instante dado.

3.1.2.6 Velocidad de recorrido

Es el resultado de dividir la distancia recorrida por un vehículo, desde el principio al fin del viaje, entre el tiempo total que emplea en recorrerla. En el tiempo total de recorrido están incluidas todas aquellas demoras operacionales debido a reducciones de velocidad y paradas provocadas por la carretera, el tránsito y los dispositivos de control, ajenos a la voluntad del conductor.También se le llama velocidad global o de viaje.

Para todos los vehículos o para un grupo de ellos, la velocidad media de recorrido se calcula dividiendo la suma de sus distancias recorridas entre la suma de los tiempos totales de viaje. Si todos o el grupo de vehículos recorren la misma distancia, la velocidad media de recorrido se obtiene dividiendo la distancia recorrida por el promedio de los tiempos de recorrido. Por lo tanto, la velocidad media de recorrido es una velocidad media espacial o con base en la distancia.

La velocidad de recorrido, individual o media, de los vehículos en una carretera existente es una medida de la calidad del servicio que ésta proporciona a los usuarios. Su medición permite realizar el diagnóstico respectivo.

Por lo anterior y para propósitos de proyecto, es necesario conocer las velocidades de los vehículos que se espera circulen por la carretera para diferentes volúmenes de tránsito.

3.1.2.7 Velocidad de diseño

La velocidad de diseño o velocidad de proyecto de un tramo de carretera es la velocidad guía o de referencia que permite definir las características geométricas mínimas de todos los elementos del trazado, en condiciones de comodidad y seguridad. Por lo tanto, ella representa una referencia minimal.

Se define como la máxima velocidad segura y cómoda que puede ser mantenida en una sección determinada de una vía, cuando las condiciones son tan favorables, que las características geométricas del diseño de la vía predominan.

Todos aquellos elementos geométricos de los alineamientos horizontal, de perfil y transversal, tales como radios mínimos, pendientes máximas, distancias de visibilidad, peraltes, anchos de carriles y bermas, anchuras y alturas libres, etc., dependen de la velocidad de diseño y varían con un cambio de ella.

Al proyectar un tramo de carretera, hay que mantener un valor constante para la velocidad de diseño. Sin embargo, los cambios drásticos y sus limitaciones mismas, pueden obligar a usar diferentes velocidades de diseño para distintos tramos.

Se debe considerar como longitud mínima de un tramo la distancia correspondiente a dos kilómetros, y entre tramos sucesivos no se deben presentar diferencias en las velocidades de diseño superiores a los 20 km/h.

La selección de la velocidad de diseño depende de la importancia o categoría de la futura carretera, de los volúmenes de tránsito que va a mover, de la configuración topográfica del terreno, de los usos de la tierra, del servicio que se requiere ofrecer, de las consideraciones ambientales, de la homogeneidad a lo largo de la carretera, de las facilidades de acceso (control de accesos), de la disponibilidad de recursos económicos y de las facilidades de financiamiento.

En la Tabla 3.1.1 se establece el rango de las velocidades de diseño que se deben utilizar en función del tipo de carretera según su definición legal y el tipo de terreno.

Tabla 3.1.1 VELOCIDADES DE DISEÑO SEGUN TIPO DE CARRETERA Y TERRENO

3.1.2.8 Velocidad especifica

La velocidad específica de un elemento de diseño, es la máxima velocidad que puede mantenerse a lo largo del elemento considerado aisladamente, en condiciones de seguridad y comodidad, cuando encontrándose el pavimento húmedo y las llantas en buen estado, las condiciones metereológicas, del tránsito y las regulaciones son tales que no imponen limitaciones a la velocidad.

En una curva horizontal existe una relación biunívoca entre su radio y la velocidad específica.

3.1.2.9 Velocidad de marcha

Denominada también velocidad de crucero, es el resultado de dividir la distancia recorrida entre el tiempo durante el cual el vehículo estuvo en movimiento, bajo las condiciones prevalecientes del tránsito, la vía y los dispositivos de control. Es una medida de la calidad del servicio que una vía proporciona a los conductores, y varía durante el día principalmente por la variación de los volúmenes de tránsito.

Para obtener la velocidad de marcha en un viaje normal, se debe descontar del tiempo total de recorrido, todo aquel tiempo en que el vehículo se hubiese detenido por cualquier causa.

3.1.2.10 Velocidad de operación

En el diseño gemétrico de carreteras, se entiende como velocidad de operación de un determinado elemento geométrico, la velocidad segura y cómoda a la que un vehículo aislado circularía por él, sin condicionar la elección de la velocidad por parte del conductor ningún factor relacionado con la intensidad de tránsito, ni la meteorología, es decir, asumiendo un determinado nivel de velocidad en función de las características físicas de la vía y su entorno, apreciables por el conductor.

También se interpreta la velocidad de operación como la velocidad a la que se observa que los conductores operan sus vehículos.

3.2 VISIBILIDAD

3.2.1 Principios

Una de las características más importantes que deberá ofrecer el proyecto de una carretera al conductor de un vehículo es la habilidad de ver hacia adelante, tal que le permita realizar una circulación segura y eficiente.

La distancia de visibilidad se define como la longitud continua de carretera que es visible hacia adelante por el conductor de un vehículo que circula por ella.

Esta distancia de visibilidad deberá ser de suficiente longitud, tal que le permita a los conductores desarrollar la velocidad de diseño y a su vez controlar la velocidad de operación de sus vehículos ante la realización de ciertas maniobras en la carretera, como lo puede ser por la presencia inesperada de un obstáculo sobre su carril de circulación, o el adelantamiento de un vehículo lento en carreteras de dos carriles dos sentidos, o la del cruce con una vía secundaria, o el encuentro de dos vehículos que circulan por el mismo carril en sentidos opuestos en carreteras terciarias de calzadas angostas.

Por lo anterior, para el proyecto de carreteras, deberán tenerse en cuenta cuatro tipos de distancias de visibilidad:

* Distancia de visibilidad de parada

* Distancia de visibilidad de adelantamiento

* Distancia de visibilidad de cruce

* Distancia de visibilidad de encuentro

3.2.2 Distancia de visibilidad de parada

Se considera como distancia de visibilidad de parada de un determinado punto de una carretera, la distancia necesaria para que el conductor de un vehículo que circula aproximadamente a la velocidad de diseño, pueda detenerlo antes de llegar a un obstáculo que aparezca en su trayectoria.

La longitud requerida para detener el vehículo en las anteriores condiciones será la suma de dos distancias: la distancia recorrida durante el tiempo de percepción y reacción y la distancia recorrida durante el frenado.

La distancia recorrida durante el tiempo de percepción y reacción (adoptado en 2.0 segundos para efectos de proyecto) se mide desde el momento en que se hace visible el obstáculo hasta el instante en que se aplican los frenos. En esta distancia se supone que el vehículo circula con movimiento uniforme a la velocidad de diseño.

La distancia recorrida durante el frenado se mide desde la aplicación de los frenos hasta el momento en que el vehículo se detiene totalmente, circulando con movimiento uniformemente desacelerado con velocidad inicial igual a la velocidad de diseño.

La distancia de visibilidad de parada se calculará mediante la siguiente expresión:

Donde:

= distancia de visibilidad de parada, (m)

= velocidad de diseño, (km/h)

= coeficiente de fricción longitudinal llanta-pavimento

p = pendiente de la rasante (tanto por uno), + ascenso, - descenso

El coeficiente de fricción longitudinal
en pavimentos húmedos para diferentes velocidades de diseño se obtendrá de la Tabla 3.2.1.

Tabla 3.2.1 COEFICIENTES DE FRICCION LONGITUDINAL PARA PAVIMENTOS HUMEDOS

En la Tabla 3.2.2 se presentan los valores recomendados para las distancias mínimas de visibilidad de parada para diferentes velocidades de diseño, para tramos de rasantes a nivel (p=0).

Cuando se tengan carreteras con pendientes de rasante con valores absolutos superiores al 3%, tanto en ascenso (+p) como en descenso (-p), se deberán realizar las correcciones necesarias a las distancias de visibilidad de parada dadas en la tabla anterior para tramos a nivel.

Tabla 3.2.2 DISTANCIAS DE VISIBILIDAD DE PARADA PARA TRAMOS A NIVEL (p=0) SOBRE PAVIMENTOS HUMEDOS

3.2.3 Distancia de visibilidad de adelantamiento

Se dice que un tramo de carretera tiene distancia de visibilidad de adelantamiento, cuando la distancia de visibilidad en ese tramo es suficiente para que, en condiciones de seguridad, el conductor de un vehículo pueda adelantar a otro, que circula por el mismo carril a una velocidad menor, sin peligro de interferir con un tercer vehículo que venga en sentido contrario y se haga visible al iniciarse la maniobra de adelantamiento.

La distancia de visibilidad de adelantamiento deberá considerarse únicamente para carreteras de dos carriles con tránsito en las dos direcciones, donde el adelantamiento se realiza en el carril del sentido opuesto.

A efectos de aplicación del presente criterio, la distancia mínima de visibilidad de adelantamiento, de acuerdo a la Figura 3.2.1, se determinará como la suma de cuatro distancias así:

Donde:

= distancia de visibilidad de adelantamiento, (m)

= distancia recorrida durante el tiempo de percepción y reacción (2.0 segundos) del conductor que va a efectuar la maniobra, (m)

= distancia recorrida por el vehículo adelantante durante el tiempo desde que invade el carril del sentido contrario hasta que regresa a su carril (8.5 segundos, valor experimental), (m)

= distancia de seguridad, una vez terminada la maniobra, entre el vehículo adelantante y el vehículo que viene en la dirección opuesta, recorrida durante el tiempo de despeje (2.0 segundos, valor experimental), (m)

= distancia recorrida por el vehículo que viene en sentido opuesto (estimada en 2/3 de
), (m)

Vale la pena anotar, que hasta tanto no se hagan oficiales los resultados de las investigaciones que sobre el tema viene adelantando el Instituto Nacional de Vías con las Universidades del Cauca y Pedagógica y Tecnológica de Colombia, se utilizará como guía para el cálculo de la distancia mínima de visibilidad de adelantamiento el esquema básico seguido por la AASHTO, a excepción de que la distancia
se realiza durante el tiempo de percepción y reacción (2.0 segundos) y la distancia
se efectúa durante 8.5 segundos. La reducción en este último tiempo, tiene precisamente en cuenta que en la realidad un alto porcentaje de los adelantamientos en Colombia se realizan en menores distancias que la distancia de visibilidad requerida.

Figura 3.2.1 MINIMA DISTANCIA DE VISIBILIDAD DE ADELANTAMIENTO EN CARRETERAS DE DOS CARRILES DOS SENTIDOS

Por razones de seguridad se supone que la maniobra de adelantamiento se realiza a la velocidad de diseño, y según lo anterior su distancia mínima deberá calcularse mediante la siguiente expresión:

Donde:

= distancia de visibilidad de adelantamiento, (m)

= velocidad de diseño, (km/h)

En la Tabla 3.2.3 se presentan los valores mínimos recomendados para la distancia de visibilidad de adelantamiento, calculados con la anterior expresión para carreteras de dos carriles dos sentidos.

Tabla 3.2.3 MINIMA DISTANCIA DE VISIBILIDAD DE ADELANTAMIENTO PARA CARRETERAS DE DOS CARRILES DOS SENTIDOS

Se deberá procurar obtener la máxima longitud posible en que la visibilidad de adelantamiento sea superior a la mínima de la tabla anterior. Por lo tanto, como norma de diseño se debe proyectar, para carreteras de dos carriles dos sentidos, tramos con distancia de visibilidad de adelantamiento, de manera que en tramos de cinco kilómetros, se tengan varios subtramos de distancia mayor a la mínima especificada, de acuerdo a la velocidad de diseño.

En el establecimiento de estos tramos deberá tenerse en cuenta la topografía, la velocidad de diseño y el volumen de tránsito futuro o esperado en el año de diseño.

Como una guía en la Tabla 3.2.4, se recomienda la frecuencia con la que se deben presentar las oportunidades de adelantar o el porcentaje mínimo habilitado para adelantamiento en el tramo, de acuerdo a la velocidad de diseño.

Tabla 3.2.4 OPORTUNIDADES DE ADELANTAR POR TRAMOS DE CINCO KILOMETROS

3.2.4 Distancia de visibilidad en intersecciones

La presencia de intersecciones rurales a nivel, hace que potencialmente se puedan presentar una diversidad de conflictos entre los vehículos que circulan por una y otra vía. La posibilidad de que estos conflictos ocurran, puede ser ampliamente reducida mediante la provisión apropiada de distancias de visibilidad de cruce y de dispositivos de control acordes.

Figura 3.2.2 DISTANCIA DE VISIBILIDAD EN INTERSECCIONES, TRIANGULO MINIMO DE VISIBILIDAD

3.3. ALINEAMIENTO HORIZONTAL

3.3.7 Criterios generales para el alineamiento horizontal

Los elementos geométricos de una carretera deben estar convenientemente relacionados, para garantizar una operación segura, a una velocidad de operación continua y acorde con las condiciones generales de la vía.

Lo anterior se logra haciendo que el proyecto sea gobernado por un adecuado valor de velocidad de diseño; y, sobre todo, estableciendo relaciones cómodas entre este valor, la curvatura y el peralte. Se puede considerar entonces que el diseño geométrico propiamente dicho se inicia cuando se define, dentro de criterios técnico-económicos, una velocidad de diseño para el caso.

El alineamiento horizontal está constituido por alineamientos rectos, curvas circulares, y curvas de grado de curvatura variable que permiten una transición suave al pasar de alineamientos rectos a curvas circulares o viceversa o también entre dos curvas circulares de curvatura diferente. El alineamiento horizontal debe permitir una operación suave y segura a la velocidad de diseño.

3.3.1 Alineamientos rectos y curvos

Durante el diseño de una carretera nueva se deben evitar tramos en planta con alineamientos rectos demasiado largos. Tales tramos son monótonos durante el día, especialmente en zonas donde la temperatura es relativamente alta, y en la noche aumentan el peligro de deslumbramiento, por las luces del vehículo que avanza en sentido opuesto.

Es preferible reemplazar grandes alineamientos (superiores a 1.5 km), por curvas amplias de grandes radios (2000 a 10000 m) que obliguen al conductor a modificar suavemente su dirección y mantengan despierta su atención.

Para vías de sentido único no tiene objeto utilizar radios superiores a 10000 m; pero en el caso de doble vía (en ambos sentidos), las condiciones de visibilidad pueden implicar radios superiores.

Como elemento de curvatura variable en el desarrollo se utilizará la clotoide, por razones de seguridad, comodidad y estética.

Tanto en la fase de diseño como en la de ejecución se podrán utilizar los grados sexagesimales o centesimales, aunque en cualquier caso los últimos presentan una precisión superior.

3.3.1.1 Sección transversal en recta

La Figura 3.3.1. muestra las formas de inclinación de la sección transversal de acuerdo con el número de carriles, calzadas y la dirección del tránsito, empleadas en un sector recto de carretera. Con el fin de facilitar el drenaje, la inclinación transversal mínima para capa de rodadura pavimentada es del 2%.

Figura 3.3.1 FORMAS DE INCLINACION DE LA SECCION TRANSVERSAL EN UN SECTOR RECTO, EMPLEADAS EN CARRETERAS

Para carreteras convencionales de una calzada y dos carriles, con tránsito en las dos direcciones, se puede disponer de una sección transversal en forma de techo, también llamada bombeo normal, o en casos especiales con inclinación única.

Si se tiene dos calzadas de dos o tres carriles con separador central, se puede tratar cada calzada en forma independiente dándole a cada calzada la inclinación más conveniente, teniendo en cuenta las condiciones de drenaje de la zona.

3.3.1.2 Curvas circulares

Las curvas circulares se corresponden con una curvatura constante, la cual es inversamente proporcional al valor del radio.

En el diseño de carreteras corresponde a un elemento geométrico de curvatura rígida. La longitud del arco circular se determina multiplicando el valor del radio y el ángulo de deflexión o de giro del arco circular en radianes (Delta c):

Lc = R x  c (Radianes)

Donde:

Lc : Longitud del arco circular, (m)

 c : Angulo de giro del arco circular, en radianes

R : Radio del arco circular, (m)

T = (Tan/2)*R

E= (Tan/4)*T

3.3.1.3 Deflexiones menores entre tangentes

Para ángulos de deflexión entre dos tangentes menores o iguales a 6°, en el caso de que no puedan evitarse, se realizará la unión de las mismas mediante una curva circular, sin clotoides, de radio tal que cumpla con los criterios de la Tabla 3.3.1

Tabla 3.3.1 DEFLEXIONES MENORES ENTRE TANGENTES

3.3.1.4 Entretangencias

Se presenta este análisis, teniendo en cuenta dos situaciones.

a. Curvas de distinto Sentido. Considerando el empleo de curvas de transición, puede prescindirse de tramos de entretangencia rectos. Si el alineamiento se hace con curvas circulares únicamente, la longitud de entretangencia debe satisfacer la mayor de las condiciones dadas por la longitud de transición, de acuerdo con los valores de pendiente mínima para rampa de peraltes y por espacio recorrido a la velocidad de diseño en un tiempo no menor de 5 segundos.

b. Curvas del mismo sentido. Por su misma naturaleza, deben considerarse indeseables en cualquier proyecto de carreteras, por la inseguridad y disminución de la estética que representan. Para garantizar la comodidad y seguridad del usuario, la entretangencia para el diseño en terreno ondulado, montañoso y escarpado con espirales, no puede ser menor a 5 segundos y para diseños en terreno plano con arcos circulares, no menor a 15 segundos de la velocidad de diseño. Como por dificultades del terreno, son a veces imposibles de evitar, se debe intentar siempre el reemplazo por una sola.

3.3.2 Peralte

El peralte es la inclinación transversal, en relación con la horizontal, que se da a la calzada hacia el interior de la curva, para contrarrestar el efecto de la fuerza centrífuga de un vehículo que transita por un alineamiento en curva. Dicha acción está contrarrestada también por el rozamiento entre ruedas y pavimento.

El análisis de las fuerzas que actúan sobre el vehículo cuando este se mueve alrededor de una curva de radio constante, indica que el peralte máximo está dado por la ecuación:

donde:

e : Peralte en metros por metro

ft : Coeficiente de fricción lateral

V : Velocidad del vehículo, (km/h)

R : Radio de la curva, (m)

3.3.2.1 Coeficiente de fricción lateral

Está determinado por numerosos factores, como estado de las superficies en contacto, velocidad del vehículo, presión de inflado etc. Sobre la determinación de valores prácticos para diseño se han realizado innumerables pruebas por parte de diferentes organizaciones, las cuales han llegado a algunas conclusiones:

- El coeficiente de fricción es bajo para velocidades altas.

- Se adoptan los coeficientes de fricción lateral, dados en la tabla 3.3.2.

Tabla 3.3.2 COEFICIENTES DE FRICCION LATERAL

3.3.2.2 Valor máximo del peralte

Para carreteras de tipo rural se fija un peralte máximo de 0.08, el cual permite mantener aceptables velocidades específicas y no incomodar a vehículos que viajan a velocidades menores.

3.3.2.3 Radios mínimos absolutos

Los radios mínimos absolutos para esta velocidad de diseño, calculados con el criterio de seguridad ante el deslizamiento, están dados por la expresión:

donde:

Rm : Radio mínimo absoluto, (m)

V : Velocidad específica, (km/h)

e máx: Peralte máximo asociado a V, en tanto por uno

f máx: Coeficiente de fricción lateral máximo, asociado a V.

La tabla 3.3.3 condensa los radios mínimos absolutos para las velocidades específicas indicadas; y sólo podrán ser usados en situaciones extremas, deberá evitarse su incorporación sorpresiva en tramos que superan las características mínimas, solamente se deben usar para situaciones extremas.

Tabla 3.3.3 RADIOS MINIMOS ABSOLUTOS

Normalmente resultan justificados radios superiores al mínimo, con peraltes inferiores al máximo, que resultan más cómodos tanto para los vehículos lentos (disminuyendo la incidencia de ft negativos), como para vehículos rápidos (que necesitan menores ft). Si se decide emplear radios mayores que el mínimo, habrá que elegir el peralte en forma tal que la circulación sea cómoda, tanto para los vehículos lentos como para los rápidos.

3.3.2.4 Relación del peralte, radio y velocidad específica

La figura 3.3.2 permite obtener el peralte y el radio para una curva que se desea diseñar para una velocidad específica determinada. El uso del ábaco establece una relación única entre los elementos de diseño: radio, peralte y velocidad, con la cual se obtendrá diseños cómodos y seguros. Igualmente permite establecer el peralte y la velocidad específica para una curva que se desea diseñar con un radio dado.

Figura 3.3.2 RELACION PERALTE-RADIO Y VELOCIDAD-RADIO

Para curvas con radio comprendido entre 30 metros y 170 metros, el peralte deberá ser del 8% con variación de velocidad específica entre 30 y 70 km/h respectivamente. Para valores mayores del radio, el peralte se deduce de acuerdo con la ecuación de equilibrio que relaciona el radio, el peralte, la fricción transversal y la velocidad específica.

Las curvas con radio comprendido entre 4000 y 7000 metros, tendrán el 2% de peralte y una velocidad específica de 150 km/h.

Existen curvas de radio amplio mayores a 7000 metros las cuales no requieren peralte, es decir la sección transversal corresponde al bombeo normal con inclinación transversal del 2%.

3.3.2.5 Transición del peralte

Las longitudes de transición, se consideran a partir del punto donde el borde exterior del pavimento comienza a levantarse, partiendo de un bombeo normal, hasta el punto donde se conforma el peralte total para cada curva, la longitud de transición para terrenos ondulado, montañoso y escarpado corresponde a la longitud de la espiral más la distancia requerida, de acuerdo con la pendiente de la rampa de peraltes, para levantar el borde externo del bombeo normal a la nivelación con el eje. Para terrenos planos con uso de espirales cuyo radio y longitud sea alto, la longitud de transición puede ser igual a la longitud de la espiral.

.

3.3.2.6 Desarrollo del peralte

Para el desarrollo del peralte se tiene tres metodos:

- Girando el pavimento de la calzada al rededor de su línea central, el más empleado, que permite un desarrollo más armónico y provoca menor distorsión de los bordes de la corona.

- Girando el pavimento alrededor de su borde interior, cuando, si se peralta alrededor del eje central, se produce una depresión acentuada de su cuneta interior, para mejorar la visibilidad de la curva; o para evitar dificultades en el drenaje superficial de la carretera, en secciones en corte.

- Girando el pavimento alrededor de su borde exterior, cuando se quiere destacar la apariencia del trazado.

En las curvas circulares, con tramos sin espiral, la transición del peralte se desarrolla una parte en la tangente y la otra en la curva, exigiéndose en el PC y en el PT de la misma entre un 60% y un 80% del peralte total, prefiriéndose valores promedios de este intervalo.

3.3.2.7 Longitud de transición

Lla Figura 3.3.5 indica la longitud de transición, con respecto a la ubicación de los puntos principales TE y EC, la cual se establece mediante la relación:

Lt = Le + X (m)

Donde:

Lt : Longitud de transición, (m)

Le : Longitud de espiral, (m)

X : Longitud de desarrollo del bombeo normal, (m).

Figura 3.3.5 DESARROLLO DEL PERALTE

3.3.2.8 Rampa de peraltes

Se define la rampa de peraltes, como la diferencia relativa que existe entre la inclinación del eje longitudinal de la calzada y la inclinación del borde de la misma, y se determina por:

Donde:

s : Inclinación longitudinal de la rampa de peraltes, (%)

L : Longitud del tramo correspondiente, (m)

ef: Peralte al finalizar el tramo, (%)

ei: Peralte al iniciar el tramo, (%)

a: Distancia del eje de giro al borde de la calzada

La tabla 3.3.4 presenta los valores máximos y mínimos de la pendiente longitudinal para la rampa de peraltes. La pendiente mínima, está determinada, para cualquier velocidad de diseño como la décima parte de la distancia entre el eje de giro y el borde de la calzada, figura 3.3.5.

Tabla 3.3.4 VALORES MAXIMOS Y MINIMOS DE LA PENDIENTE LONGITUDINAL PARA RAMPAS DE PERALTES

3.3.2.10 Desarrollo del peralte con separador central

En el diseño de carreteras de doble calzada, la inclusión de un separador en la sección transversal afecta en cierta forma el tratamiento del desarrollo del peralte.

De acuerdo con la Figura 3.3.9. existen tres métodos generales del desarrollo de peraltes, dependiendo del ancho del separador y de la sección transversal, éstos son:

- Método A: La totalidad de la vía incluyendo el separador, es peraltado como una sección plana, ver Caso 2 Figura 3.3.9.

- Método B: El separador es mantenido en un plano horizontal y los dos pavimentos en forma separada son rotados alrededor de los bordes del separador, ver Caso 3 Figura 3.3.9.

- Método C: Para el desarrollo del peralte, las calzadas son tratadas en forma separada, con una diferencia variable en la elevación de los bordes del separador central, ver Caso 4 Figura 3.3.9.

Figura 3.3.9 GIRO DE LOS BORDES RESPECTO A SU EJE

3.3.2.11 Curvas amplias que no requieren peralte

Las curvas horizontales amplias no requieren peralte; el tránsito que entra a una curva tiene algún peralte en la sección de bombeo normal, mientras que el tránsito en dirección contraria, tiene un peralte que resulta adverso o negativo.

En estos casos, la fricción lateral requerida para contrarrestar la fuerza centrífuga, es pequeña y el peralte es negativo; de cualquier forma una pendiente única transversal positiva es deseable para llegar a contrarrestar mejor la fuerza centrífuga. La determinación de la mínima curvatura para la cual se requiere peralte, o de otra forma, la máxima curvatura para la cual la sección transversal con bombeo normal es adecuada, constituye una forma de control aplicable a todas las velocidades de diseño. Cuando se usa este método, se debe asegurar que la sección transversal sea suficiente para proveer un buen drenaje y así reducir la posibilidad de que los vehículos puedan patinar sobre el piso húmedo. La figura 3.3.2 muestra en la relación peralte vs radio, que en curvas con radios superiores o iguales a 7000 metros, la sección transversal en la curva corresponde al bombeo normal.

3.3.3 Sobreancho de la calzada

La calzada en algunas curvas es a veces ensanchada, para que las condiciones de operación de los vehículos en ella, sean iguales a las encontradas en la tangente, tal ensanchamiento se denomina sobreancho. Este es necesario para ciertas curvas, debido a que los vehículos ocupan un ancho mayor, cuando transitan sobre el sector curvo, ya que las ruedas traseras siguen una trayectoria diferente, hacia el interior de la curva con respecto a las ruedas delanteras, debido a la rigidez y geometría del vehículo, lo que ocasiona dificultad a los conductores para mantener el vehículo en el carril

3.3.4.2 Otros aspectos por considerar

- Las curvas deben proyectarse con amplia visibilidad, de acuerdo con el tipo de servicio que debe prestar la carretera, según su clasificación. Esto se consigue fácilmente en terrenos planos, sin mayor incidencia en los costos de la vía.

- En terrenos montañosos, garantizar una buena visibilidad exige, a menudo, fuertes inversiones, pero un estudio llevado con acierto debe conducir a considerable mejoramiento de las curvas, siguiendo al máximo la topografía de la zona.

- En zonas donde no pueden eliminarse los objetos, para garantizar una visibilidad adecuada, es inevitable limitar la velocidad.

- En carreteras de dos carriles, si no se puede despejar la zona para que las curvas tengan la visibilidad requerida, se deben establecer restricciones al adelantamiento en curva y mitigar con señalización.

3.3.5 Curvas de transición

En un diseño donde se utilizan elementos geométricos rígidos como la línea recta y los arcos circulares, cualquier móvil que entre en una curva horizontal o salga de la misma, experimenta un cambio brusco debido al incremento o disminución de la fuerza centrífuga, que se efectúa en forma instantánea, lo que produce incomodidad en el usuario. El conductor sigue generalmente un camino conveniente de transición, lo que puede originar la ocupación de una parte del carril adyacente, cuando se inicia el recorrido de la curva, lo que representa un peligro si el carril aledaño es para tránsito de sentido contrario. Salvo cuando se tienen curvas de radios grandes, donde también se pueden usar pero no es estrictamente necesario, lo indicado es emplear las curvas de transición.

Son las curvas de transición alineaciones de curvatura variable con su recorrido; y su objeto es suavizar las discontinuidades de la curvatura y el peralte. Se evita con ellas, por tanto, un cambio brusco de la aceleración radial, y en el control de la dirección del vehículo; y se dispone de longitudes suficientes, que permiten establecer un peralte y un sobreancho adecuados, modificar el ancho de la calzada y realzar la estética de la vía.

3.3.5.1 Tipos de espirales

Durante el proceso de desarrollo de nuevas tecnologías aplicadas al diseño de carreteras en países europeos, se han utilizado especialmente tres tipos de espirales; las que se describen así:

- Clotoide o Espiral de Euler, cuya expresión más simple es:

R x L = A 2

3.3.5.2 La clotoide

Corresponde a la espiral con más uso en el diseño de carreteras, sus bondades con respecto a otros elementos geométricos curvos, permiten obtener carreteras cómodas, seguras y estéticas.

Las principales ventajas de las espirales en alineamientos horizontales son las siguientes:

- Una curva espiral diseñada apropiadamente proporciona una trayectoria natural y fácil de seguir por los conductores, de tal manera que la fuerza centrífuga crece o decrece gradualmente, a medida que el vehículo entra o sale de una curva horizontal.

- La longitud de la espiral se emplea para realizar la transición del peralte y la del sobreancho entre la sección transversal en línea recta y la sección transversal completamente peraltada y con sobreancho de la curva.

- El desarrollo del peralte se hace en forma progresiva, con lo que se consigue que la pendiente transversal de la calzada sea, en cada punto, la que corresponde al respectivo radio de curvatura.

- La flexibilidad de la clotoide y las muchas combinaciones del radio con la longitud, permiten la adaptación a la topografía, y en la mayoría de los casos la disminución del movimiento de tierras, para obtener trazados más económicos.

Con el empleo de las espirales en autopistas y carreteras, se mejora considerablemente la apariencia en relación con curvas circulares únicamente. En efecto, mediante la aplicación de espirales se suprimen las discontinuidades notorias al comienzo y al final de la curva circular (téngase en cuenta que sólo se utiliza la parte inicial de la espiral), la cual se distorsiona por el desarrollo del peralte, lo que es de gran ventaja también en el mejoramiento de carreteras existentes.

Ecuaciones paramétricas

La clotoide se puede definir como una curva tal que su radio es inversamente proporcional a su longitud. Su ecuación intrínseca es:

Donde:

L : Longitud desde el origen a los puntos indicados, (m)

R : Radios en los puntos indicados, (m)

A : Parámetro de la clotoide, (m)

Parámetro A

a. Consideraciones generales

- Por definición, en las clotoides la curvatura varía gradualmente desde cero (0) en la tangente, hasta un valor máximo correspondiente al de la curva circular espiralizada, ya que el radio de la curva, en cualquier punto de la espiral, varía con la distancia desarrollada a lo largo de la misma, manteniendo su parámetro A constante. Es decir, aún cuando el radio y la longitud de los distintos puntos de la clotoide tienen diferentes valores, estos están ligados entre sí, de modo que su producto es un valor constante, pudiéndose fácilmente calcular uno de ellos cuando se conoce el valor del otro;

- Las clotoides de parámetro A grande, aumentan lentamente su curvatura y, por consiguiente, son aptas para la marcha rápida de los vehículos. Las espirales de parámetro A pequeño aumentan rápidamente su curvatura y, por consiguiente, se utilizan para velocidades de marcha reducida;

- El parámetro A, al fijar el tamaño de la clotoide, fija la relación entre R (radio), L (longitud) y q (ángulo central de la espiral).

b. Cálculo

Si en la fórmula A2=RL hacemos R=L, entonces: A = R = L, y el punto en que tal cosa ocurre es el punto paramétrico de la clotoide, punto en el cual el radio de curvatura y la longitud del arco desde el origen son iguales. En el punto paramétrico corresponde un arco entre las tangentes de 28°38'52”.

3.3.5.3 Angulo de giro de la espiral clotoide

Si A²= RL; R= A²/L. De la Figura 3.3.15:

Ecuaciones paramétricas

Deducción

e = L²/2A² y de la figura 3.3.15.

(1) y (2) son las ecuaciones paramétricas de la clotoide.

Cálculo

Por series:

Con lo que las ecuaciones (1) y (2) quedarían como se indica:

Donde e se mide en radianes.

El cálculo de X y de Y se puede obtener por computadores (u ordenadores) o en calculadoras programables o mediante tablas que requieren interpolar valores.

Figura 3.3.15 RELACION DE LONGITUD L Y COORDENADAS X, Y

3.3.5.4 Elementos de la espiral clotoide

Los elementos de la clotoide (ver Figura 3.3.16) pueden determinarse utilizando las siguientes expresiones matemáticas:

- Longitud de la curva espiral

- Coordenadas en cualquier punto de la espiral

- Disloque de la espiral

R = Y + R (cos e- 1)

- Longitud de abscisa media

XM = X - R sen e

- Longitud de la tangente larga

-Longitud de la tangente corta

- Longitud de la tangente del sistema de empalme

- Longitud de la externa o bisectriz del sistema de empalme

.

- Angulo de la cuerda larga de la espiral

- Cuerda de la espiral

La Figura 3.3.17, muestra la localización de cada uno de los elementos geométrico de un empalme espiral- círculo - espiral.

Figura 3.3.16 CALCULO DE OTROS ELEMENTOS GEOMETRICOS

Figura 3.3.17 ELEMENTOS GEOMETRICOS DE LA ESPIRAL CLOTOIDE

3.3.5.5 Consideraciones adicionales sobre el cálculo de elementos

En un empalme simétrico de clotoide y clotoide, se pueden determinar todos los elementos geométricos de la espiral partiendo de la externa (Ee) y del ángulo de deflexión (); mediante las siguientes expresiones:

Los elementos geométricos restantes se determinan por las expresiones matemáticas antes enunciadas.

En un empalme de clotoide-círculo-clotoide por ejemplo, podemos determinar algunos puntos, ángulos, longitudes de arco y longitudes de tangente que caracterizan ese tipo de unión o empalme. La Figura 3.3.17 muestra cada uno de estos elementos y su relación gráfica con los demás, lo que facilita su identificación y aplicación en el diseño, y se debe además utilizar en todos los informes y demás documentos en los cuales la espiral clotoide tenga aplicación.

Los valores de R y XM , se pueden determinar en función del ángulo de giro e, y del radio R; así:

3.3.5.6 Elementos de cálculo para localizar una espiral clotoide

Las coordenadas x e y de un plano cartesiano con origen en el TE o ET, están dadas por las siguientes fórmulas:

sustituyendo C= 2 A2

Donde:

x : Corresponde a la coordenada sobre el eje X para cada estación medida a partir del origen TE o del punto ET, (m).

A : Parámetro de la espiral clotoide por localizar, (m).

: Relación entre, la longitud absoluta por el arco de la clotoide que se desea localizar L y el parámetro A;

De igual forma para y,

Determinación del valor y para un punto arbitrario cualquiera sobre el eje Y

Donde:

y : Corresponde a la coordenada sobre el eje Y, para cada estación medida a partir origen TE o del punto ET.

A : Parámetro de la espiral clotoide por localizar.

: Relación entre la longitud absoluta del arco de la clotoide que se desea localizar L y el parámetro A, (adimensional).

3.3.5.7 Valores límite en el diseño de una espiral clotoide

Las bondades del arco de transición denominado Clotoide, en comparación con el empleo del arco circular, son evidentes, cuando en el diseño se utilizan los siguientes valores límite, como una medida de mantener condiciones geométricas y dinámicas de conducción aceptables:

a. Determinación del parámetro mínimo de la clotoide, A min.

El parámetro mínimo de la clotoide, se establece con base en el estudio y análisis de tres criterios relacionados, con la comodidad y seguridad del usuario de la vía. El valor del parámetro de diseño, se tomará de acuerdo con la envolvente superior de los valores determinados para cada uno de los criterios establecidos.

La tabla 3.3.7 establece los valores obtenidos en el desarrollo de cada criterio, para cada uno de los radios de diseño, teniendo en cuenta la velocidad específica. Así mismo, los valores seleccionados de acuerdo con la envolvente superior, los cuales se presentan en forma gráfica sobre un plano cartesiano en la Figura 3.3.18.

Tabla 3.3.7 DETERMINACION DEL PARAMETRO MINIMO (Amin)

Figura 3.3.18 VALOR DEL PARAMETRO MINIMO CON RELACION AL RADIO PARA CARRIL = 3.65m

- Criterio I. Variación uniforme de la fuerza centrífuga (J), no compensada por el peralte; su valor se determina mediante la siguiente relación:

Donde:

Amin : Parámetro mínimo, (m)

Ve : Velocidad específica, (km/h)

R : Radio de cálculo de la clotoide, (m).

J : Variación de la aceleración centrífuga, en m /s3

e : Peralte de la curva, (%).

Se adoptan para J, los valores específicos dados en la tabla 3.3.6.

Tabla 3.3.6 VARIACION DE LA ACELERACION CENTRIFUGA

- Criterio II. Limitación por transición del peralte, en la determinación de los valores del parámetro mínimo, se tendrá en cuenta la inclinación máxima permitida de la rampa de peraltes (?s), ver tabla 3.3.4. Así mismo, la distancia del eje de giro al borde de calzada (a), la cual toma valores de 3.00, 3.30, 3.50 y de 3.65 metros.

Donde:

A min : Parámetro mínimo, (m).

R : Radio de Cálculo de la clotoide, (m).

e : Peralte de la curva, (%).

a : Distancia del eje de giro al borde de la calzada, (m).

s : Inclinación de la rampa de peraltes, (%).

- Criterio III. Condición de percepción y de estética, la longitud de la curva de transición ha de ser suficiente para que se perciba de forma clara el cambio de curvatura, orientando adecuadamente al conductor y creando alineamientos armoniosos.

Para ello, es necesario que se cumplan los siguientes requisitos:

- Criterio III.1. Se asume el disloque mínimo de 0.25 m.

;

Donde:

A min : Parámetro mínimo, (m).

R : Disloque de la clotoide, (m).

R : Radio de cálculo de la clotoide, (m).

- Criterio III.2. Angulo de giro de la espiral mínimo de 3 grados

Luego:

Donde:

Amin : Parámetro mínimo, (m).

R : Radio de cálculo de la clotoide, (m).

L : Longitud de la clotoide, (m).

e : Angulo de giro de la espiral

3.4 ALINEAMIENTO VERTICAL

3.4.1 Generalidades

3.4.2 Pendientes

3.4.3 Carriles de ascenso

3.4.4 Curvas verticales

3.4.4.1 Elementos y ecuaciones de las curvas verticales

3.4.4.2 Casos especiales

3.4.4.3 Distancias de visibilidad en curvas verticales

3.4.4.4 Controles de diseño de la curva vertical

3.4.4.5 Criterios generales para el alineamiento vertical

3.4.1 Generalidades

El alineamiento vertical está formado por la rasante, constituida por una serie de rectas enlazadas por arcos verticales parabólicos, a los cuales dichas rectas son tangentes. La inclinación de la rasante depende principalmente de la topografía de la zona que atraviesa, del alineamiento horizontal, de la visibilidad, de la velocidad del proyecto, de los costos de construcción, de los costos de operación, del porcentaje de vehículos pesados y de su rendimiento en rampas.

Tan importante como para el alineamiento horizontal, es determinante en el alineamiento vertical el relieve del terreno, con el objeto de no encarecer los costos de construcción y operación. Por tal razón:

En terreno plano, el alineamiento sigue la topografía, exigiendo especial énfasis en el drenaje;

En terreno ondulado, en general las rasantes son onduladas;

En terreno montañoso, el alineamiento está condicionado por las restricciones y condiciones topográficas;

En los terrenos escarpados, el alineamiento vertical está definido, por las divisorias de aguas.

El alineamiento vertical y el alineamiento horizontal deben ser consistentes y balanceados, en forma tal que los parámetros del primero correspondan y sean congruentes con los del alineamiento horizontal. Lo ideal es la obtención de rasantes largas con un ajuste óptimo de curvas verticales y curvas horizontales a las condiciones del tránsito y a las características del terreno.

3.4.2 Pendientes

La pendiente gobernadora es la pendiente media que teóricamente puede darse a la línea de subrasante para vencer un desnivel determinado, en función de las características del tránsito y la configuración del terreno; la mejor pendiente gobernadora para cada caso, será aquella que al conjugar estos conceptos, permita obtener el menor costo de construcción, conservación y operación. Sirve de guía a la serie de pendientes que se deban proyectar para ajustarse en lo posible al terreno.

En el Capítulo I, se han definido las carreteras típicas, según las clases de terreno (plano, ondulado, montañoso y escarpado), y en la Sección 3.1.3.1, las velocidades de diseño según tipo de carretera y tipo de terreno. A continuación, en la Tabla 3.4.1 se incluyen las pendientes máximas recomendadas a utilizar:

Respecto a valores mínimos para pendiente longitudinal, éstos están determinados por las condiciones de drenaje. De todas maneras, la inclinación de la línea de máxima pendiente en cualquier punto de la calzada no será menor que 0.5%; salvo justificación, no se proyectarán longitudes de rampas o pendientes cuya distancia de recorrido a la velocidad de diseño sea inferior a 10 segundos, dicha longitud se medirá entre vértices contiguos.

Tabla 3.4.1 RELACION ENTRE PENDIENTE MAXIMA (%) Y VELOCIDAD DE DISEÑO

Para que el diseño sea completo, además del porcentaje de pendiente es necesario estudiar su longitud. Se introduce aquí el concepto de Longitud Crítica de una Pendiente, definida como la máxima longitud en rampa (subida) sobre la cual un camión cargado puede operar sin ver reducida su velocidad por debajo de un valor prefijado. Para establecer éstos valores es necesario considerar los siguientes aspectos:

- Relación peso/potencia de los vehículos pesados.

- Pendiente óptima para éstos vehículos.

- Velocidad con la cual se inicia el ascenso; y

- Velocidad mínima aceptada en la pendiente.

Todos estos factores son variables y dependen del tipo de vehículo predominante, de la velocidad de diseño, de la carretera, y de las velocidades de operación aceptadas. Las Figuras 3.4.1 y 3.4.2 muestran los valores de longitud crítica de pendiente para valores de reducción de velocidad de 8, 15 y 25 km/h y camiones pesados de 300 lb/HP y 200 lb/HP respectivamente. El camión pesado típico de la Figura 3.4.2 se puede tomar como el camión promedio, mientras que el camión pesado típico de la Figura 3.4.1 correspondería al camión más pesado que se produce en el país.

Para la determinación de la longitud crítica de la pendiente, se ha considerado como base el valor de la reducción de la velocidad de los vehículos pesados que esté por debajo de la velocidad promedio de operación.

Se considera que la longitud crítica es aquella que ocasiona una reducción de 25 kilómetros por hora en la velocidad de operación.

Con el propósito de simplificar el concepto de "Longitud Crítica de una Pendiente", se definirá ésta como la distancia horizontal medida desde el comienzo de una pendiente, necesaria para lograr una altura de 15 m respecto al mismo origen. Este concepto, aparentemente independiente de la velocidad de diseño y de los demás factores ya enumerados, cubre la mayoría de los casos presentados.

Para proyectos de carreteras en los cuales se supere la Longitud Crítica y de Tránsito Promedio Diario superior a 1000 vehículos, será necesario, por efectos de capacidad y nivel de servicio, estudiar la posibilidad de construir " vías lentas “ o carriles adicionales o carriles para tránsito lento, contra la de buscar un mejor desarrollo u otras; la condición económica más favorable fijará el camino a seguir.

El criterio anteriormente presentado sobre "Longitud Crítica de una Pendiente", sólo podrá ser aplicado a pendientes superiores al 3%, considerándose que las pendientes inferiores a este valor no la tienen.

Figura 3.4.1 LONGITUD CRITICA DE PENDIENTE ASUMIDA PARA UN CAMION PESADO TIPICO DE 300 lb/HP O 135 kg/CV

Figura 3.4.2 LONGITUD CRITICA DE PENDIENTE ASUMIDA PARA UN CAMION PESADO TIPICO DE 200 lb/HP O 90 kg/CV

3.4.3 Carriles de ascenso

La libertad de operación para carreteras de dos carriles, además de ser gobernada por la extensión y frecuencia de secciones de paso, se afecta adversamente por la operación del tránsito de camiones, sobre pendientes de longitud tal que se traducen en velocidades que pueden obstaculizar a los vehículos precedentes y determinar su velocidad, por tanta mayor razón por cuanto puede haber, además, restricciones en la distancia de visibilidad. Obviamente, se afecta el nivel de servicio, y aumentan los costos de operación. Los vehículos livianos no se ven influenciados, por lo general, por rampas (pendientes ascendentes) inferiores al 7%; pero los vehículos pesados, si existen rampas de más de 3% y son largas, verán su velocidad muy disminuída.

En los casos descritos anteriormente, es deseable proporcionar un carril de ascenso, en una vía de dos carriles, cuando se exceda la longitud crítica de subida, por ejemplo, donde la longitud de la pendiente cause una reducción de velocidad de 25 km/h o más en la velocidad de operación de los camiones cargados, supuesto que el volumen de tránsito y el porcentaje de camiones justifiquen el costo adicional que ello implica, como puede apreciarse en la Tabla 3.4.2 y en la Figura 3.4.3.

Tabla 3.4.2 VOLUMENES MINIMOS DE TRANSITO PARA CONSIDERACION DE CARRILES DE ASCENSO EN PENDIENTES PARA VARIOS PORCENTAJES DE CAMIONES DE DOBLE LLANTA

Figura 3.4.3 DISMINUCION DE LA VELOCIDAD DE UN CAMION TIPO EN UNA RAMPA

La sección de una vía con un carril de ascenso no debe considerarse como una vía de tres carriles, sino como una carretera de dos carriles con un carril adicional para vehículos que marchan lentamente cuesta arriba, de tal manera que los vehículos que utilizan el carril derecho adyacente a la vía no se retrasen. La Tabla 3.4.2 muestra también los volúmenes mínimos de diseño horario para los cuales se consideran carriles de ascenso para una "Serie Típica" de condiciones sobre vías de dos carriles. Hay envueltas variables, sin embargo, que difícilmente se pueden describir como típicas; y por esto se recomienda un análisis taxativo detallado, cuando se trate de construir carriles de ascenso, teniendo en cuenta los siguientes aspectos:

- Un carril de ascenso puede introducirse como una alternativa más efectiva de costo, para mantener una pendiente y aumentar la velocidad;

- Los beneficios derivados de la previsión de un carril de ascenso crecen, porque los vehículos más atrasados pueden avanzar más fácilmente, lo que resulta en acortamiento de los tiempos de viaje y reducción en los costos de operación de los vehículos. Los beneficios aumentarán considerando incrementos en las pendientes, longitud de la pendiente, flujo de tránsito, proporción de camiones y reducción de las oportunidades de paso.

- El efecto de un carril de ascenso en la eliminación de colas de vehículos, a las que contribuye el movimiento lento de camiones, continuará por alguna distancia a lo largo de la vía;

- Los efectos de un carril de ascenso sobre la velocidad media de operación de la corriente del tránsito, se han estimado con un modelo de simulación, como el que se muestra en la Figura 3.4.4. Esta velocidad media de operación podría ser usada con valores de tiempo de viaje económicos y los costos adicionales de construcción para estimar las tasas de retorno de las alternativas y habilitar la solución más efectiva de costos.

- El carril de ascenso puede ser una solución económica que difiera en el tiempo, la necesidad de construir una segunda calzada o convertir una vía de dos carriles en una carretera desdoblada.

- En la Figura 3.4.5 se suministran algunos criterios elementales de diseño para un carril de ascenso.

- Si la velocidad media del tránsito liviano disminuye del valor indicado en la Tabla 3.4.3 se puede pensar en la posibilidad de utilizar un carril de ascenso.

Tabla 3.4.3 CRITERIO PARA EL ESTABLECIMIENTO DE UN CARRIL DE ASCENSO EN CARRETERAS

Figura 3.4.4 INCREMENTOS DE LA VELOCIDAD CON CARRILES DE ASCENSO

Figura 3.4.5 CARRIL DE ASCENSO

Sin perjuicio de lo que el análisis detallado de órdenes técnico y económico establezca, en general no suelen ser necesarias vías lentas cuando el TPD es inferior 1000 vehículos por día y la inclinación de la rasante no pasa del 4%.

- La longitud mínima de un carril de ascenso debe corresponder a un tiempo de recorrido de unos 18 segundos, a la velocidad de proyecto, sin bajar de 300 m. Su principio suele situarse en el punto en que la velocidad del vehículo pesado tipo ha disminuido en 25 km/h.

- Como se anotó en la Sección 3.4.2, hablando de "Longitud Crítica", existe una medida a partir de la cual puede ser necesario disponer de un carril de ascenso 15 m de desnivel que, superados, lo imponen, al menos en forma tentativa.

- Como mínimo, el ancho del carril debe tener 3.00 m pero preferiblemente el del carril adyacente.

- La berma preferentemente debería tener el ancho adoptado en la sección transversal de la vía, pero en carreteras existentes puede tener 1.20 m.

- El carril de ascenso está precedido y seguido por dos longitudes de transición, cuyos valores mínimos pueden ser de 45 m y de 60 a 90 m respectivamente.

- Los carriles de ascenso deben ser claramente señalizados, como una ayuda circunstancial al tránsito y no como la transformación de una carretera de dos carriles en una de tres carriles.

3.4.4 Curvas verticales

Las curvas verticales son las que enlazan dos tangentes consecutivas del alineamiento vertical, para que en su longitud se efectúe el paso gradual de la pendiente de la tangente de entrada a la de la tangente de salida. Deben dar por resultado una vía de operación segura y confortable, apariencia agradable y con características de drenaje adecuadas. El punto común de una tangente y una curva vertical en el origen de ésta , se representa como PCV y como PTV el punto común de la tangente y la curva al final de ésta. Al punto de intersección de dos tangentes consecutivas se le denomina PIV, y a la diferencia algebraica de pendientes en ese punto se le representa por la letra A. Las curvas verticales pueden ser cóncavas o convexas, como se indica en la Figura 3.4.6.

Para una operación segura de los vehículos al circular sobre curvas verticales, especialmente si son convexas, deben obtenerse distancias de visibilidad adecuadas, como mínimo iguales a la de parada.

Debido a los efectos dinámicos, para que exista comodidad es necesario que la variación de pendiente sea gradual, situación que resulta más crítica en las curvas cóncavas, por actuar las fuerzas de gravedad y centrífuga en la misma dirección.

Debe también tenerse en cuenta el aspecto estético, puesto que las curvas demasiado cortas pueden llegar a dar la sensación de quiebre repentino, hecho que produce cierta incomodidad.

Figura 3.4.6 TIPOS DE CURVAS VERTICALES

3.4.4.1 Elementos y ecuaciones de las curvas verticales

La curva vertical recomendada es la parábola cuadrática, cuyos elementos principales y expresiones matemáticas se incluyen a continuación, tal como se aprecia en la Figura 3.4.7, siendo:

L = Longitud de la curva vertical, medida por su proyección horizontal, (m).

S1 = Pendiente de la tangente de entrada, (%).

S2= Pendiente de la tangente de salida, (%).

A = Diferencia algebraica de pendientes, o sea

E = Externa: Ordenada vertical desde el PIV a la curva, que se determinará así:

X = Distancia horizontal a cualquier punto de la curva desde el PCV o PTV, (m)

Y = Ordenada vertical en cualquier punto (m) y, se calcula mediante la expresión:

Esta ordenada se le resta a las cotas de las tangentes en las curvas verticales tipo 1 y 2 y se le suma en las tipo 3 y 4 de la Figura 3.4.6.

PCV = Principio de la curva vertical.

PIV = Punto de intersección de las tangentes verticales.

PTV = Terminación de la curva vertical.

Existen cuatro criterios para determinar la longitud de la curvas verticales:

a. Criterios de comodidad. Se aplica al diseño de curvas verticales cóncavas, en donde la fuerza centrífuga que aparece en el vehículo al cambiar de dirección, se suma al peso propio del vehículo. Generalmente queda englobado siempre por el criterio de seguridad.

b. Criterios de operación. Se aplica al diseño de curvas verticales con visibilidad completa, para evitar al usuario la impresión de un cambio súbito de pendiente.

c. Criterios de drenaje. Se aplica al diseño de curvas verticales convexas o cóncavas, cuando están alojadas en corte. Para advertir al diseñador la necesidad de modificar las pendientes longitudinales de las cunetas.

d. Criterio de seguridad. Se aplica a curvas cóncavas y convexas. La longitud de la curva debe ser tal, que en toda la curva la distancia de visibilidad sea mayor o igual a la de parada. En algunos casos, el nivel de servicio deseado puede obligar a diseñar curvas verticales con la distancia de visibilidad de adelantamiento.

Figura 3.4.7 CURVA VERTICAL

3.4.4.2 Casos especiales

- Curvas asimétricas

Es posible que una curva parabólica asimétrica (con tangentes desiguales) se ajuste más que una curva simétrica (con tangentes iguales, como las hasta ahora tratadas) y haya que emplearla y calcularla, por razones de orden topográfico, cotas obligadas, etc. Las hay cóncavas y convexas, tal como se observa en la Figura 3.4.8(a).

- Curvas reversas

Se dan las curvas verticales reversas cuando dos curvas verticales con una tangente común, como se ilustra en la Figura 3.4.8(b), pueden representar el alineamiento vertical para una rampa de intercambio entre dos vías.

Figura 3.4.8 CURVA VERTICAL ASIMETRICA Y CURVA VERTICAL SIMETRICA

3.4.4.3 Distancias de visibilidad en curvas verticales

Las longitudes de las curvas verticales en función de las distancias de visibilidad (DV), se calculan según se trate de curvas verticales convexas o cóncavas.

a. Curvas verticales convexas

La longitud mínima de las curvas convexas, que cumpla con los requisitos mínimos

pendientes en porcentaje (A), se determina para dos casos:

- Primer caso (DV < L)

Cuando el conductor y el objeto están sobre la curva, la distancia de visibilidad determinada es menor que la longitud de la curva, tal como se aprecia en la Figura 3.4.9.

En términos generales, la longitud de la curva vertical se determina mediante la siguiente expresión:

en donde:

H= Altura del ojo del conductor o altura de las luces delanteras del vehículo, (m)

h = Altura del objeto, (m).

Para la distancia de visibilidad de parada, teniendo en cuenta que:

DV = DVP; H = 1.15 m; h = 0.15 m; A en %; se tiene:

, y

en donde:

K, es el radio de la circunferencia inscrita en el vértice de la parábola y se presenta en el gráfico de la Figura 3.4.10. El valor de la expresión anterior corresponde a la distancia de visibilidad de parada en recta.

En los alineamientos curvos en planta se debe definir el valor de K en función de la coordinación resultante entre la planta, el perfil y la sección transversal.

Aunque los parámetros anteriores siempre están al lado de la seguridad en los alineamientos en planta.

Por lo que:

L = A · K

y para la distancia de visibilidad de paso o de adelantamiento, tomando:

DV = DVA; H = 1.15 m; h =0.15 m; y A en %

Figura 3.4.9 CURVA VERTICAL CONVEXA

Figura 3.4.10 LONGITUDES Y PARAMETROS MINIMOS CURVAS VERTICALES CONVEXAS

- Segundo caso (DV > L)

Cuando el conductor y el objeto están fuera de la curva, la distancia de visibilidad es mayor que la longitud de la curva, de acuerdo con lo indicado en la Figura 3.4.11.

En términos generales, la longitud de la curva vertical se determina así:

Para la distancia de visibilidad de parada, tomando como:

DV = DVP; H = 1.15 m; h = 0.15 m y A en %,

y para la distancia de visibilidad de adelantamiento, paso o de rebase asumiendo:

DV = DVA; H = 1.15 m; h = 1.35 m y A en %,

b. Curvas verticales cóncavas

La Figura 3.4.6, muestra 3 tipos diferentes de curvas cóncavas, de acuerdo con diferentes combinaciones de pendientes. Para establecer la longitud que se va a emplear, se deben considerar cuatro características de seguridad vial y operación de vehículos, las cuales son:

- Distancia de visibilidad, determinada por el alcance de las luces delanteras.

- Comodidad y seguridad de los pasajeros.

- El drenaje adecuado sobre la vía.

- Los aspectos geométricos de la carretera.

En las curvas cóncavas, el análisis de visibilidad considera únicamente las restricciones que se presentan en la noche, y estima la longitud del sector de carretera hacia adelante, como la distancia de visibilidad. Dicha distancia depende de la altura de las luces delanteras, para la cual se asume un valor de 0.60 m y un ángulo de divergencia del rayo de luz hacia arriba () respecto al eje longitudinal del vehículo de 1 grado.

Figura 3.4.11 CURVA VERTICAL CONVEXA, CASO DV > L

- Primer caso (DV < L)

Cuando el conductor y el objeto están dentro de la curva, la distancia de visibilidad es menor que la longitud de la curva. La Figura 3.4.12 ilustra la anterior situación.

En términos generales, se tiene que:

para la distancia de visibilidad de parada, teniendo en cuenta que:

DV = DVP; H = 0.60 m; h = 0.15 m;TD = tan 1° = 0.01745; y A en %,

, y

que es una constante para cada velocidad de diseño, y se representa en la Figura 3.4.13 por:

L=AK

Para la distancia de visibilidad de adelantamiento, de paso o de rebase, no es indispensable su cálculo, porque se pueden ver las luces del vehículo que viene en sentido contrario.

Figura 3.4.12 CURVA VERTICAL CONCAVA, CASO DV < L

Figura 3.4.13 LONGITUDES Y PARAMETROS MINIMOS CURVAS VERTICALES CONCAVAS

- Segundo caso (DV >L)

Cuando el conductor y el objeto están fuera de la curva, la distancia de visibilidad es mayor que la longitud de la curva, tal como se representa en la Figura 3.4.14.

En términos generales, la longitud de la curva vertical se determina así, para la distancia de visibilidad de parada, tomado como:

DV = DVP; H = 0.60 m; h = 0.15 m; TD = tan 1° = 0.00175; entonces

Para la distancia de visibilidad de adelantamiento de paso o de rebase, no es indispensable su cálculo, porque se pueden ver las luces del vehículo que viene en sentido contrario.

Figura 3.4.14 CURVA VERTICAL CONCAVA , CASO DV > L

3.4.4.4 Controles de diseño de la curva vertical

La longitud mínima de una curva vertical puede determinarse empleando los límites inferiores fijados por investigadores en forma empírica para pequeños valores de A y mediante la siguiente relación matemática:

,

en donde:

L : Longitud de la Curva Vertical, (m).

K : Factor que establece, para una determinada velocidad, condiciones óptimas de visibilidad y drenaje en el sector de la curva, (m/%).

A : Diferencia algebraica de pendientes en el PIV, (%).

Las Figuras 3.4.10 y 3.4.13 permiten la determinación de la longitud mínima, en función de la velocidad de diseño y la diferencia algebraica de pendientes correspondiente.

Existen valores de límite inferior obtenidos en forma empírica, para cada velocidad de diseño, los cuales están representados en los gráficos mediante líneas verticales.

Por razones de economía, comodidad y seguridad, se deben tener en cuenta dos condiciones especiales, para el diseño y cálculo de curvas verticales.

- Para una diferencia algebraica de pendientes (A) y una velocidad de diseño (VD) determinada, la curva vertical que empalma los alineamientos debe proporcionar, en la operación de los vehículos, una distancia de visibilidad no menor que la distancia de visibilidad de parada, para lo cual se determina un valor de K, como función de la velocidad de diseño. En los casos en que sea económicamente factible, se puede adoptar distancias de visibilidad mayores que la de parada, incluso hasta obtener distancias de visibilidad de adelantamiento, cuando la condición del diseño horizontal lo permita, para lo cual se puede incrementar el valor de K.

- El empleo de valores de K mayores a los establecidos para cada velocidad de diseño en los gráficos de las Figuras 3.4.9 y 3.4.11, tienen un límite superior; éste tiene que ver específicamente con la capacidad de drenaje de la vía. La situación más desfavorable en la provisión de un buen drenaje se presenta cuando se empalman dos tangentes de signo contrario; para lo cual la AASHTO considera que un valor de A igual a 0.6% en una longitud de curva igual a 30 metros, provee el adecuado drenaje en el sector más plano de las curvas.

La línea no continua localizada en los gráficos de las Figuras 3.4.10 y 3.4.13 para K=50, permite al diseñador conocer la capacidad de drenaje del sector de acuerdo con el diseño vertical, el cual debe ser siempre mejorado al coordinarlo con el diseño horizontal y la sección transversal, especialmente para valores de K mayores a 50. De todas formas valores amplios de K se pueden utilizar en el diseño vertical de carreteras, siempre y cuando se conserve la capacidad de drenaje del sector.

3.4.4.5 Criterios generales para el alineamiento vertical

Existen controles generales para el alineamiento vertical, que deben aplicarse en forma coordinada con los del alineamiento horizontal, como más adelante se detalla. Estos controles son:

a. En lo posible, se deben buscar cambios graduales de la pendiente, de acuerdo con las características topográficas de la zona y el tipo de carretera; esta solución es preferible a la de una línea con numerosos quiebres y pendientes de corta longitud.

b. Los perfiles de tipo tobogán, compuestos de subidas y bajadas pronunciadas deben evitarse, especialmente cuando el alineamiento horizontal es recto. Este tipo de perfil contribuye a crear accidentalidad, sobre todo cuando se realizan maniobras de adelantamiento, ya que el conductor que adelanta toma la decisión después de ver aparentemente libre la carretera más allá del tobogán, existiendo la posibilidad de que un vehículo que marche en sentido contrario quede oculto por la protuberancia y hondonada. Incluso, en toboganes de hondonadas poco profundas, esta forma de perfil es desconcertante, puesto que el conductor no puede estar seguro de si viene o no un vehículo en sentido contrario.

c. En tramos largos de ascenso, es preferible proyectar las mayores pendientes iniciando el tramo y las más suaves cerca de la parte superior del ascenso, o dividir la pendiente sostenida larga en tramos de pendiente más suave, que puede ser sólo un poco más baja que la máxima permitida. Esto es particularmente aplicable para carreteras con velocidades de diseño bajas.

d. En carreteras donde se presentan bifurcaciones, para el sector de la intersección se recomienda diseñar con pendiente longitudinal máxima del 4%, siendo deseable reducirla en beneficio de los vehículos que giran, ya que esto ayuda a disminuir la inseguridad del usuario.

e. Una curva vertical convexa de longitud pequeña, puede llegar a reducir la distancia de visibilidad de parada, transmitiendo al usuario de la carretera la sensación de incomodidad. En las Figura 3.4.15 (a) y (b) se muestra un ejemplo de mal y buen empleo de la longitud de la curva vertical convexa.

f. El uso de curvas verticales cóncavas de longitud pequeña, transmite al usuario cierta sensación de incomodidad, pues éstas aparecen como quiebres y, especialmente en la noche, presentan inseguridad por la escasa visibilidad que permite la curvatura misma. Las Figuras 3.4.16 (a) y (b) muestran un ejemplo de mal y buen empleo de la longitud de la curva cóncava, para condiciones semejantes de planta y perfil. La Figura 3.4.17 muestra un ejemplo de mal y buen empleo de la longitud de la curva vertical cóncava, coincidente con un sector de curva horizontal.

g. Un perfil longitudinal con dos curvas verticales de la misma dirección separadas por una tangente corta, generalmente debe evitarse, particularmente en curvas cóncavas, donde la visibilidad completa de ambas curvas no es placentera. Las Figuras 3.4.18 y 3.4.19 corresponden a ejemplos de mal y buen diseño vertical, en el cual, mediante el uso de longitudes mayores de curva vertical, la apariencia estética de la vía se mejora notablemente.

Figura 3.4.15 MAL Y BUEN DISEÑO DE UNA CURVA VERTICAL DE CARRETERA

Figura 3.4.16 MAL Y BUEN DISEÑO DE UNA CURVA VERTICAL DE CARRETERA

Figura 3.4.17 MAL Y BUEN DISEÑO VERTICAL DE UN SECTOR DE CARRETERA

Figura 3.4.18 MAL Y BUEN DISEÑO VERTICAL DE UN SECTOR DE CARRETERA

Figura 3.4.19 MAL Y BUEN DISEÑO VERTICAL DE UN SECTOR DE CARRETERA

3.5 SECCIÓN TRANSVERSAL

3.5.1 Generalidades

3.5.2 Elementos

3.5.2.1 Ancho de zona o derecho de vía

3.5.2.2 Corona

3.5.2.3 Calzada

3.5.2.4 Bermas

3.5.2.5 Cunetas

3.5.2.6 Taludes

3.5.2.7 Carriles especiales

3.5.2.8 Separadores

3.5.2.9 Andenes

3.5.1 Generalidades

La sección transversal de una carretera en un punto de ésta es un corte vertical normal al alineamiento horizontal, el cual permite definir la disposición y dimensiones de los elementos que forman la carretera en el punto correspondiente a cada sección y su relación con el terreno natural.

Para agrupar los tipos de carreteras se acude a normalizar las secciones transversales, teniendo en cuenta la importancia de la vía, el tipo de tránsito, las condiciones del terreno, los materiales por emplear en las diferentes capas de la estructura de pavimento, otros, de tal manera que la sección típica adoptada influye en la capacidad de la carretera, en los costos de adquisición de zonas, en la construcción, mejoramiento, rehabilitación, mantenimiento y en la seguridad de la circulación.

3.5.2 Elementos

Los elementos que integran y definen la sección transversal son: ancho de zona o derecho de vía, corona, calzada, bermas, carriles, cunetas, taludes y elementos complementarios, tal como se ilustra en la Figura 3.5.1.

Figura 3.5.1 SECCION TRANSVERSAL TIPICA

3.5.2.1 Ancho de zona o derecho de vía

Es la faja de terreno destinada a la construcción, mantenimiento, futuras ampliaciones de la vía si la demanda de tránsito así lo exige, servicios de seguridad, servicios auxiliares y desarrollo paisajístico.

Los anchos de zona mínimos serán los recomendados en la Tabla 3.5.1.

Tabla 3.5.1 ANCHOS DE ZONA MINIMOS

3.5.2.2 Corona

La corona es la superficie de la carretera terminada que queda comprendida entre los bordes de las bermas de la carretera, o sea las aristas superiores de los taludes del terraplén y/o las interiores de las cunetas. En la sección transversal está representada por una línea. Los elementos que definen la corona son: rasante, pendiente transversal, calzada y bermas.

a. Rasante

La rasante es la línea que resulta de establecer las cotas del eje de referencia de la geometría de la carretera a lo lago de su desarrollo. En la sección transversal está representada por un punto que debe coincidir con la referencia para el giro de peralte.

En el caso de carreteras con calzadas separadas con separador central de anchura igual o superior a 10 metros, se considerará la rasante por el borde interior de una o de las dos calzadas en el supuesto futuro de ampliar la vía por el separador central. En estas circunstancias se tendrá en cuenta la disposición de las pilas en los posibles pasos superiores para no perjudicar la futura ampliación.

b. Pendiente Transversal

Es la pendiente que se da a la corona y a la subrasante de plataforma normal a su eje. Según su relación con elementos del alineamiento horizontal se pueden presentar tres casos:

Bombeo.

Sobreelevación o peralte.

Transición del bombeo a la sobreelevación o peralte.

Bombeo. - El bombeo o pendiente transversal normal es la pendiente que se da a la corona en las tangentes del alineamiento horizontal hacia uno u otro lado de la rasante para evitar la acumulación del agua sobre la carretera y reducir, de esta manera, el fenómeno de hidroplaneo. Un bombeo apropiado será aquel que permita un drenaje correcto de la corona con la mínima pendiente, a fin de que el conductor no tenga sensaciones de incomodidad e inseguridad. En función del tipo de superficie de rodamiento en la Tabla 3.5.2 se suministran valores guía para emplearse en el proyecto.

Tabla 3.5.2 BOMBEO DE LA CALZADA

En las bermas la pendiente transversal recomendada corresponde a la pendiente adoptada para la calzada más un 2%. En el evento de construirse la berma como continuación de la calzada se deberá mantener la pendiente adoptada para la media calzada.

Peralte. - El peralte es la pendiente que se da a la corona hacia el centro de la curva para contrarrestar parcialmente el efecto de la fuerza centrífuga de un vehículo en las curvas del alineamiento horizontal.

En el numeral 3.3.2 se suministró la expresión para calcular el peralte necesario para que no se deslice un vehículo que circule por la curva a una velocidad dada; sin embargo, algunos problemas relacionados con la construcción, operación y conservación de la carretera, han mostrado la necesidad de fijar un peralte máximo. Se recomienda usar un peralte máximo absoluto del 8%.

Transición del bombeo al peralte. - En el alineamiento horizontal, al pasar de una sección en tangente a otra en curva, se requiere cambiar la pendiente de la corona, desde el bombeo hasta el peralte correspondiente a la curva; este cambio se hace gradualmente a lo largo de la longitud de la espiral de transición. En el numeral 3.3.5.2 se indicó que la longitud de la espiral debe ser tal, que permita hacer adecuadamente el cambio de pendientes transversales. Cuando la curva circular no tiene espirales de transición, la transición del peralte puede efectuarse sobre las tangentes contiguas a la curva, recomendándose para este caso, dar parte de la transición en las tangentes y parte sobre la curva circular. Empíricamente se ha determinado que las transiciones pueden introducirse dentro de la curva circular hasta en un cincuenta por ciento, siempre que por lo menos la tercera parte de la longitud de la curva quede con peralte completo.

La consideración anterior limita la longitud mínima de la tangente entre dos curvas circulares consecutivas de sentido contrario que no tengan espirales de transición; esa longitud debe ser igual a la semisuma de las longitudes de transición de las dos curvas.

La longitud mínima de transición para dar el peralte puede calcularse de la misma manera que una espiral de transición y numéricamente sus valores son iguales.

Para pasar del bombeo a la sobreelevación, se tienen tres procedimientos. El primero consiste en girar la sección sobre el eje de la corona; el segundo en girar la sección sobre la orilla interior de la corona y el tercero en girar la sección sobre la orilla exterior de la corona. El primer procedimiento es el más conveniente, ya que requiere menor longitud de transición y los desniveles relativos de los bordes son uniformes; los otros dos métodos tienen desventajas y sólo se emplean en casos especiales.

En carreteras conformadas por dos calzadas y separador central, el procedimiento para dar el peralte depende de los anchos de la corona y del separador; en general, pueden considerarse los siguientes procedimientos:

La sección total de la carretera se peralta girando sobre el eje de simetría, girando también el separador central.

El separador central se mantiene horizontal y cada calzada se gira sobre el borde contiguo al separador central.

Las dos calzadas se giran independientemente, en torno al eje de cada una.

3.5.2.3 Calzada

La calzada es la parte de la corona destinada a la circulación de vehículos y constituida por dos o más carriles, entendiéndose por carril a la faja de ancho suficiente para la circulación de una fila de vehículos.

El ancho de la calzada es variable a lo largo de la carretera y depende de la localización de la sección en el alineamiento horizontal y excepcionalmente en el vertical. Normalmente el ancho de la calzada se refiere al ancho en tangente del alineamiento horizontal. En la Tabla 3.5.3 se suministran los anchos de calzada recomendados en función del tipo de carretera, del tipo de terreno y de la velocidad de diseño.

Tabla 3.5.3 ANCHO RECOMENDADO PARA CALZADA

a. Ancho de calzada en tangente.

El ancho de la calzada en tangente se determinará con base en el nivel de servicio deseado al finalizar el período de diseño o en un determinado año de la vida de la carretera. En consecuencia, el ancho y número de carriles se determinarán mediante un análisis de capacidad y niveles de servicio. Los anchos de carril usados son: 2.50 m, 3.00 m, 3.30 m, 3.50 m y 3.65 m y normalmente se proyectan dos, cuatro o más carriles.

En tangentes del alineamiento vertical con fuerte pendiente longitudinal, puede ser necesario ampliar la calzada mediante la adición de un carril para que por él transiten los vehículos lentos, mejorando así la capacidad y el nivel de servicio. El ancho y la longitud de ese carril se determina mediante un análisis de operación de los vehículos.

b. Ancho de calzada en curvas del alineamiento horizontal.

Cuando un vehículo circula por una curva del alineamiento horizontal, ocupa un mayor ancho que cuando circula sobre una tangente y el conductor experimenta cierta dificultad para mantener su vehículo en el centro del carril, por lo que se hace necesario proporcionar un ancho adicional a la calzada respecto al ancho en tangente.

A esta ampliación se le llama sobreancho, el cual debe darse tanto a la calzada como a la corona. En el numeral 3.3.3 se ilustra el correspondiente procedimiento de cálculo.

Para fines de proyecto no se consideran las ampliaciones que resultan menores de 20 cm.; si la ampliación resultase mayor deberá redondearse al decímetro próximo superior.

El sobreancho de la calzada en las curvas, se da en el lado interior. Para pasar del ancho de calzada en tangente al ancho de calzada en curva, se aprovecha la longitud de transición requerida para desarrollar el peralte, de manera que la orilla interior de la calzada forme una curva suave sin quiebres bruscos a lo largo de ella.

3.5.2.4 Bermas

Las bermas son las fajas contiguas a la calzada, comprendidas entre sus orillas y las líneas definidas por los hombros de la carretera. Tienen como ventajas principales las siguientes:

Dar seguridad al usuario de la carretera al proporcionarle un ancho adicional fuera de la calzada, en el que puede eludir accidentes potenciales o reducir su severidad, pudiendo también estacionarse en ellas en caso obligado. Por todo ello se hace obligatorio disponer la superficie de la berma al mismo nivel que la superficie de rodadura de la calzada.

Proteger contra humedad y posibles erosiones a la calzada, así como dar confinamiento al pavimento.

Mejorar la visibilidad en los tramos en curva, alojados en corte.

Facilitar los trabajos de conservación.

Proporcionar mejor apariencia a la carretera.

Separar los obstáculos del borde de la calzada.

El ancho de las bermas depende principalmente del volumen de tránsito y del nivel de servicio a que la carretera vaya a funcionar. La Tabla 3.5.4 presenta el ancho de berma recomendado en función del tipo de carretera, el tipo de terreno y la velocidad de diseño.

Tabla 3.5.4 ANCHO RECOMENDADO PARA BERMAS

En el caso de que la berma se pavimente, será necesario añadir lateralmente a la misma para su adecuado confinamiento, una banda de mínimo 0.5 metros de anchura sin pavimentar. A esta banda se le denomina sobreancho de compactación y puede permitir la localización de señalización y defensas.

3.5.2.5 Cunetas

Son zanjas abiertas en el terreno, revestidas o no, que recogen y canalizan longitudinalmente las aguas superficiales y de infiltración. Sus dimensiones se deducen de cálculos hidráulicos, teniendo en cuenta la intensidad de lluvia prevista, naturaleza del terreno, pendiente de la cuneta, área drenada, etc.

En tramos de baja pendiente longitudinal de la rasante y en situación de corte se dará pendiente longitudinal a la cuneta independiente de la rasante con el fin de reducir el costo de explanación.

En general por razones de seguridad son deseables cunetas de sección trapecial con taludes suaves, fondos amplios y aristas redondeadas, lo que requiere bastante espacio junto a la plataforma (o corona), lo cual puede llegar a ser demasiado costoso. Por razones de orden constructivo, sin embargo, las cunetas en tierra tienen en la mayoría de los casos una sección triangular así sean preferibles desde el punto de vista hidráulico las de sección trapezoidal.

3.5.2.6 Taludes

Los taludes son los planos laterales que limitan la explanación. Su inclinación se mide por la tangente del ángulo que forman tales planos en la vertical, en cada sección de la vía. Un talud se designa en tanto por uno, donde la unidad tiene sentido vertical; por ejemplo, un corte de ½ por uno es un talud de 0.50 m por m.

La selección de un talud es un proceso que contempla:

La pendiente del mismo en relación con la seguridad de usuario y vehículo, ya se trate de corte o terraplén, para seleccionar taludes suaves; la estabilidad, que es función de la altura y de la naturaleza del suelo o roca, que conduce a la selección también de los taludes suaves, en los que la erosión producida por el agua es menor, se conservan mejor, arraiga más fácilmente en ellos el césped y las plantaciones y se adaptan mejor al empleo del equipo de conservación y al terreno natural, si éste es plano u ondulado. Naturalmente que el costo puede ser mayor que con otros taludes más inclinados y estables, como en el caso de los taludes en roca.

En los patrones o estándares de diseño para la selección de taludes en función del relieve y de la altura del corte o terraplén, generalmente se obtienen secciones transversales favorables, aún cuando se llega a mejores resultados con el estudio específico de cada caso.

La Tabla 3.5.5 muestra los valores empleados en el diseño de taludes de acuerdo con el relieve, cuando la topografía limita el uso de pendientes más suaves, los cuales se incluyen de manera indicativa.

Tabla 3.5.5 VALORES INDICATIVOS PARA TALUDES

Exige el diseño de taludes un estudio taxativo, que analice las condiciones específicas del lugar, incluidos muy especialmente las geológico-geotécnicas, facilidades de mantenimiento, perfilado y estética, para optar por la solución más conveniente, entre diversas alternativas.

En principio los taludes que se emplean son:

Terraplenes 1½ a 1

Cortes ½ a 1,

pero los valores en cada caso deben ser el resultado del análisis exhaustivo del problema; o indicados, en especial para cortes, por el Instituto Nacional de Vías en el Manual de Estabilidad de Taludes.

3.5.2.7 Carriles especiales

Constituyen ensanchamientos de la calzada, para fines específicos. Entre otros, se tienen:

a. Carriles de cambio de velocidad

Antes de entrar en una vía de giro o ramal, normalmente los vehículos tienen que frenar, así como acelerar al salir de aquélla, ya que su velocidad es inferior a la de la vía principal. Para que estos cambios de velocidad no perturben el tránsito en tanto mayor grado cuanto más elevado sea el volumen, se habilitan carriles especiales, que permitan a los vehículos hacer sus cambios de velocidad fuera de la vía principal, que debe ser una vía dividida. Estos carriles son imprescindibles en carreteras principales de una o de dos calzadas; o en otras carreteras que tengan movimientos de giro superiores a 25 vehículos por hora.

b. Carriles de desaceleración

Tienen por objeto permitir que los vehículos que vayan a ingresar en la vía de giro o ramal puedan reducir su velocidad hasta alcanzar la de ésta. Su utilidad es tanto mayor cuanto mayor sea la diferencia con la vía principal. Si los vehículos deben detenerse, para efectuar su giro a la izquierda, por ejemplo, puede ser necesario prolongar el carril de desaceleración con una zona de espera.

Tipo paralelo. Es un carril más que se añade a la vía principal, con una zona de transición (o cuña) de anchura variable en su extremidad. (Ver figura 3.5.2 y 3.5.4).

Tipo directo. Está constituido por un carril recto (o curvo de gran radio), que forma en el borde de la calzada principal un ángulo muy pequeño (2° a 5°); y enlaza con la vía de giro o ramal. (Ver figura 3.5.3).

Los carriles de desaceleración de tipo directo se acomodan más a la trayectoria del vehículo, cuando éste sale por la derecha; cuando la salida es por la izquierda convienen más los paralelos, que se prolongan con frecuencia en carriles de espera. Es el caso de los que se disponen en la mediana cuando se admiten giros a la izquierda desde la vía principal.

Figura 3.5.2 CARRIL DE DESACELERACION (TIPO PARALELO)

Figura 3.5.3 CARRIL DE DESACELERACION (TIPO DIRECTO)

Figura 3.5.4 CARRIL DE ACELERACION (TIPO PARALELO)

c. Carriles de aceleración

Se diseña y construye un carril de aceleración para que los vehículos que salen de sus ramas de giro, y deseen incorporarse a la vía principal, puedan hacerlo con una velocidad similar a la de los vehículos que circulan por ésta, Los carriles de aceleración no siempre se justifican. No deben implantarse cuando la vía secundaria está controlada por señales de pare o por semáforos, pues resultan demasiado largos y antieconómicos e innecesarios.

Los carriles de aceleración sólo pueden ser de tipo paralelos, ya que los directos plantean problemas de visibilidad hacia atrás.

- Criterios para diseño.

Ancho. El ancho de un carril de cambio de velocidad debe corresponder al del carril adyacente, pero no menor de 3.30 m, en carriles de tipo paralelo, mientras no diverjan de la calzada principal; los de tipo directo se dimensionarán como una vía de giro o ramal, teniendo en cuenta la trayectoria del vehículo.

Longitud. La longitud del carril de cambio de velocidad (m) se define desde el punto en que el borde exterior de dicho carril está a 1.5 m del borde de la calzada normal, hasta el punto en que el borde interior del carril está a 1.0 m de dicho borde de calzada.

La Tabla 3.5.6, indica tanto las longitudes totales del carril de cambio de velocidad, como las longitudes de las transiciones (o cuñas), para pendientes de 2% o menores. Para carriles de desaceleración, la longitud debe reducirse al 80% o al 90% para pendientes del 3% al 4% y 5% al 6% respectivamente, y aumentarse al 120% y 130% si existen pendientes de las inclinaciones antes mencionadas.

Tabla 3.5.6 LONGITUDES RECOMENDABLES PARA CARRILES DE CAMBIO DE VELOCIDAD

Carriles de desaceleración para almacenamiento y espera de vehículos

Este caso se presenta en los separadores centrales de medianas, cuando se admiten giros a la izquierda desde la vía principal. La Tabla 3.5.7 indica las longitudes adicionales para almacenamiento y espera de vehículos, en función de los TPD de los movimientos de giro, en el caso de intersecciones sin semáforo. Si se trata de intersecciones con semáforo, la longitud necesaria para el almacenamiento se determina de acuerdo con el número de vehículos que hacen el movimiento durante el ciclo, estimando una longitud media de 5 m por vehículo si sólo hay tránsito liviano; y de 7.5 m si hay vehículos pesados.

Tabla 3.5.7 LONGITUD DE CARRILES DE ALMACENAMIENTO

3.5.2.8 Separadores

Los separadores son por lo general zonas verdes o zonas duras colocadas paralelamente al eje de la carretera, para separar direcciones opuestas de tránsito (separador central o mediana) o para separar calzadas destinadas al mismo sentido del tránsito (calzadas laterales).

El separador está comprendido entre las bermas interiores de ambas calzadas. Aparte de su objeto principal -independizar la circulación de las calzadas-, el separador central puede contribuir a disminuir cualquier tipo de interferencia de circulaciones, como el deslumbramiento nocturno.

Cuando éstos son muy anchos pueden resultar demasiado costosos, pero convenientes para ampliación por aumento del número de carriles de las calzadas o por razones estéticas y de circulación, con empleo de árboles.

En terreno plano el separador central suele ser constante en su anchura, manteniéndose paralelas las dos calzadas; pero en terreno montañoso, si se independizan las calzadas, la anchura del separador central será variable. Si la distancia entre los bordes de las calzadas oscila de 4 a 10 m, puede ser necesario instalar barreras de seguridad, si el volumen de tránsito así lo demanda.

Si la distancia entre los bordes es aún menor, puede ser necesario pavimentar toda la zona entre ambas, prolongando las bermas interiores y colocando una barrera en el centro.

Debe darse al separador el cuidado requerido; y en cualquiera de los casos descritos, se debe estudiar e implantar un apropiado sistema de desagüe superficial.

Los separadores laterales, son en general, de ancho menor que el separador central o mediana, a menos que sobre ellos se instalen postes de alumbrado, en cuyo caso su anchura es de 4.00 m.

3.5.2.9 Andenes

Son de uso muy restringido en áreas rurales, dado su escaso número de peatones. Su anchura depende del espacio disponible y del volumen de tránsito de vehículos y peatones. El módulo de anchura correspondiente a una persona es de 0.75 m; y para que se crucen las personas el ancho total es de 1.50 m; y su elevación respecto de la corona adyacente va de 10 a 25 cm.

3.6  COORDINACION DEL TRAZADO EN PLANTA CON EL PERFIL LONGITUDINAL

3.6.1 Generalidades

3.6.2 La visión del movimiento

3.6.2.1 Variaciones del campo de visión periférica

3.6.2.2 Variaciones de la distancia de acomodación del ojo, según la velocidad efectiva

3.6.2.3 Criterios elementales de coordinación planta - perfil

3.6.2.4 Pérdida de trazado

3.6.3 La perspectiva vial

3.6.3.1 Principios generales

3.6.3.2 Alineamiento simple y complejo

3.6.3.3 Perspectivas de alineamientos sencillos

3.6.3.4 Conclusiones

3.6.4 Composición y diseño de los alineamientos horizontal y vertical

3.6.4.1 Criterios de diseño general

3.6.5 Modelo de simulación operacional (perfil de velocidad)

3.6.5.1 Premisas del modelo

3.6.5.2 Tabulaciones

3.6.5.3 Longitud mínima para una velocidad específica

3.6.5.4 Perfiles de visibilidad y de velocidad

3.6.1 Generalidades

La línea de referencia, la mayoría de las veces, línea central, de un proyecto vial cuya geometría define las características de la vía por construir, corresponde a una línea en el espacio conformada por elementos curvos y rectos de condiciones concordantes con unos propósitos de operación vehicular previamente establecidos

Para facilitar su estudio, tradicionalmente el análisis de la línea en el espacio se ha llevado a cabo en dos etapas diferentes, definiendo primero sus características planimétricas y luego sus características altimétricas, conocidas como alineamientos en planta y en perfil.

Esta metodología ha propiciado la definición de alineamientos viales poco confiables para la operación vehicular bajo la coincidencia de ciertos factores que separadamente mirados parece que no ofrecen ningún problema, pero ya en conjunto pueden constituirse en puntos peligrosos para los usuarios.

Afortunadamente las nuevas ayudas de diseño facilitan el examen detallado del proyecto hasta el grado de simular una operación vehicular que permita la corrección de las anomalías que por esta inconsistencia entre alineamientos en planta y en perfil, puedan llegar a presentarse.

La definición de objetivos claros perseguidos con esta coordinación de alineamientos indudablemente permitirá la formulación de recomendaciones precisas para lograrlos en el diseño definitivo.

Este diseño definitivo debe asegurar una vista satisfactoria de la carretera al usuario, además de las mejores condiciones de visibilidad.

Bajo este concepto, la perspectiva de la carretera en cada punto de su recorrido, debe permitir al usuario:

* Distinguir el pavimento y los obstáculos eventuales a una distancia conveniente para actuar con la debida oportunidad.

* Distinguir claramente las disposiciones de los puntos particulares como intersecciones, cruces, incorporaciones, etc.

* Prever de lejos la evolución del trazado, sin ser engañado por ilusiones ópticas ni incomodado por quiebres de la geometría o discontinuidades del trazado en perspectiva.

3.6.2 La visión del movimiento

Además de las condiciones dinámicas, relativas al vehículo, al estudiar la coordinación se toman en cuenta los límites sicológicos de la visión del conductor, que son las variaciones del campo de visión periférica y las variaciones de la distancia de acomodación del ojo, según la velocidad efectiva.

3.6.2.1 Variaciones del campo de visión periférica

A medida que la velocidad aumenta, el conductor concentra su atención sobre la carretera y su mirada es cada vez más lejana. El aumento de velocidad se manifiesta por un estrechamiento de la visión periférica, su disminución se puede apreciar en la Figura 3.6.1, en la que se muestra que el campo de visión del conductor, que es de 100 grados a 40 kilómetros por hora, se reduce a 40 grados a 95 kilómetros por hora. Esta disminución de la visión periférica tiene consecuencias múltiples, a saber:

a. Crea un efecto de túnel que puede provocar una hipnosis verdadera para el conductor cuando hay alineamientos largos, lo que se puede contrarrestar variando el aspecto del trazado, con la adopción de curvas de gran radio.

b. La atención del conductor se concentra sobre los pavimentos, concentración que es tanto mayor cuanto el pavimento sea más ancho. En una carretera con dos carriles de circulación para ambos sentidos, el campo de visión del conductor cuando lleva su vehículo a 40 kilómetros por hora incluye más o menos 8 % de carretera, 10 % de cielo y 82 % de paisaje circunvecino, a la misma velocidad, pero sobre una autopista de dos calzadas con tres carriles en cada una de ellas, su campo de visión toma más o menos el 20 % de carretera, 40 % de cielo y 40 % de paisaje y a 95 kilómetros por hora, 28 % de carretera, 55 % de cielo y 17 % de paisaje.

El aspecto de la carretera, considerada como cinta en el espacio, toma cada vez más importancia en relación con el acondicionamiento de sus inmediaciones, porque si hay disminución de la percepción, el conductor subestima la velocidad.

Este hecho es tanto más grave cuanto más difícil sea para un automovilista apreciar el sentido del movimiento y la velocidad de los vehículos que circulan paralelamente a su trayectoria.

Figura 3.6.1 VARIACION DEL CAMPO DE VISION PERIFERICA EN FUNCION DE LA VELOCIDAD

3.6.2.2 Variaciones de la distancia de acomodación del ojo, según la velocidad efectiva. (Ver Figura 3.6.2)

El punto de acomodación del ojo del conductor está situado a 180 metros a 40 kilómetros por hora, a 420 metros a 80, a 575 metros a 100 y a 725 metros a 120, es decir que se aleja con la velocidad.

En consecuencia, todas las informaciones que se dan al usuario deben estar tomadas en el eje de visión y a distancia mayor cuando la velocidad se incremente.

Es necesario entonces que los ojos del conductor descubran la carretera mediante un proceso normal, con el fin de explorarla sistemáticamente, en forma tal que tenga noción clara de los puntos críticos donde pueda haber peligro.

Figura 3.6.2 DISTANCIA DE ACOMODACION EN FUNCION DE LA VELOCIDAD

3.6.2.3 Criterios elementales de coordinación planta - perfil

Si se superponen las curvas horizontales y verticales, en general, para asegurar un efecto satisfactorio se recomienda:

a. Cuando una curva en planta es asociada con una curva en perfil, los empalmes progresivos de tipo espiral, se ubican antes y después de la parábola, para evitar alteración de curvatura en perspectiva. Se asegura así que la rotación de la tangente al trazado en planta del tramo visible antes de un punto alto, alcance por lo menos 3 grados.

b. La superposición de las curvas horizontales de gran curvatura y de las curvas verticales cóncavas puede mejorar la estabilidad de los vehículos por aumento de la masa de los mismos.

3.6.2.4 Pérdida de trazado

La noción de pérdida de trazado frecuentemente es confusa. Cualquiera que sea la posición del automovilista, la visibilidad siempre es limitada por un obstáculo que oculta la carretera en sentido longitudinal, ángulo convexo del perfil longitudinal o por un obstáculo que oculta la carretera en el sentido transversal, el talud de un corte, el terraplén de acceso a un paso superior, el relieve natural, etc.

En realidad puede haber pérdida de trazado en todos los puntos de la carretera de aquí la necesidad de precisar la noción de pérdida de trazado. La pérdida de trazado constituye una discontinuidad de la zona vista por el automovilista.

Las discontinuidades del trazado en perspectiva, con reaparición de la carretera, por ejemplo detrás de un punto alto, no se pueden evitar totalmente. Sin embargo se tendrá visible, sin interrupción, una longitud de carretera por lo menos igual a los valores presentados en la Tabla 3.6.1, que corresponden a las distancias de acomodación del ojo del usuario, para la velocidad dada.

Si esta condición no puede satisfacerse, se debe evitar en lo posible la reaparición de la carretera a una distancia inferior a la longitud especificada, utilizando ciertos acondicionamientos como vegetación, taludes, pantallas, etc.

El trazado en planta y el trazado en perfil deben tener características homogéneas en cuanto a órdenes de magnitud, evitando que el trazado en planta sea más generoso que el trazado en perfil. Por lo tanto, el trazado en planta debe adaptarse al terreno, manejando con acierto las limitaciones de visibilidad en planta. Las pérdidas de trazado son indicio, en muchos casos, de mala coordinación. Véase Figura 3.6.3.

Tabla 3.6.1 VISIBILIDAD DE LA CARRETERA EN FUNCION DE LA VELOCIDAD

Figura 3.6.3 PERDIDA DE TRAZADO

3.6.3 La perspectiva vial

Es difícil imaginarse en el espacio lo que restituye la superposición de planta y perfil longitudinal. Tiene entonces el análisis de la perspectiva un doble interés, a saber:

* Es un medio práctico de verificación ya que permite descubrir defectos de coordinación de movimientos, y

* Es un medio de razonamiento ya que permite un análisis de los problemas en el espacio.

3.6.3.1 Principios generales

a. El punto de vista

Para una determinada posición del ojo del automovilista, en la cual se quiere dibujar una perspectiva, el punto 0, llamado punto de vista, está localizado a dos metros del lado derecho del carril sobre el cual está circulando y a 1.15 metros sobre el pavimento. (Ver Figura 3.6.4)

Figura 3.6.4 PUNTODE VISTA DEL CONDUCTOR

b. Ejes de referencia

El eje OX, horizontal, tangente en O a la proyección de la trayectoria del automovilista sobre un plano horizontal (Trazado en Planta)

El eje OY, horizontal, perpendicular a OX, y

El eje OZ, eje vertical, perpendicular a OX y a YO.

Cada punto en el espacio puede definirse por sus coordenadas X, Y y Z en el sistema de ejes rectangulares OX, OY y OZ.

c. El plano de proyección

Sea P el plano perpendicular a OX que pasa por el punto O', en forma tal que OO' sea igual a 100 metros. El plano P, llamado plano de proyección, es paralelo a OY y a OZ y los puntos de las líneas características del diseño como lados del pavimento, de las bermas, de cunetas, altura de taludes, pueden ser proyectadas al plano P. (Ver Figura 3.6.5).

Figura 3.6.5 PROYECCION CONICA

d. Ejes de perspectiva

Sean, O' y, la intersección del plano P con el plano horizontal OX - OY y O' z, la intersección del plano P con el plano vertical OX - OZ. Los ejes O' y, O' z, llamados ejes de perspectiva, son perpendiculares. La proyección “ a “ de un punto A del espacio es el punto donde el radio visual OA intersecta el plano P (Proyección Cónica). Un punto del plano P puede ser definido por sus coordenadas y, z en el sistema de ejes rectangulares O' y, O' z.

e. Relaciones entre las coordenadas en el espacio y las coordenadas en Perspectiva

Sean :

M : Proyección de A en el plano OX - OY

N : Proyección de M sobre OX - OZ

m : Proyección de A sobre O'y

p : Proyección de A sobre O'z

Se tiene entonces que:

NP = MA = ZA; MN = YA; ON = XA

O' m = y a; O' p = z a (Figura 3.6.5)

y que los triángulos OO'p y ONM son semejantes, en consecuencia:

Como se puede observar, el principio de construcción de las perspectivas no es difícil. Para dibujar la perspectiva de una línea característica del diseño, un borde de pavimento, por ejemplo, es suficiente:

- Seleccionar cuidadosamente algunos puntos A, B, C, etc. sobre esa línea.

- Calcular o determinar gráficamente las coordenadas X Y Z de estos puntos

- Calcular las coordenadas x y z de los puntos proyectados.

- Dibujar desde los ejes O'y y O'z los puntos a, b, c etc, a la escala

requerida, generalmente, 1 en 100 a 1 en 200. La perspectiva de la línea

se obtiene uniendo estos puntos.

3.6.3.2 Alineamientos simple y complejo

El automovilista que se desplaza por una carretera graba las perspectivas sucesivas de un panorama móvil que cambia. A cada posición corresponde la percepción fugaz de una fracción, siempre renovada del trazado, la cual se caracteriza por:

* Su longitud, que varía según la existencia y la posición de los obstáculos que reducen la visibilidad.

* La sencillez o la complejidad de los elementos geométricos del proyecto en planta y perfil longitudinal. La planta puede estar constituida por una recta, arco de círculo o arco de espiral y el perfil longitudinal por una recta o por un arco de parábola.

El automovilista tiene una percepción global del alineamiento, elementos de planta y perfil, que se suceden superponiéndose, parcial o totalmente, en el espacio.

a. Alineamiento simple

Desde este punto de vista, la fracción de trazado visible puede ser:

* En alineamiento recto, el perfil longitudinal, incluidos gradiente y parábola.

* En pendiente constante, el alineamiento horizontal, incluidas rectas y curvas.

Las curvas en planta y las curvas en perfil longitudinal no aparecen simultáneamente en el campo de visión del usuario: el eje de la carretera en el espacio es plano. En realidad, un área de círculo con pendiente constante no es una curva plana sino una curva helicoidal. En la mayoría de los casos, el ángulo de las tangentes a la curva es suave y esta puede ser asimilada a una curva plana.

En conclusión:

* La continuidad del aspecto vertical, continuidad en el perfil longitudinal, no es alterada en planta en el alineamiento recto.

* La continuidad en el aspecto horizontal, continuidad del trazado en planta, no es alterada por un perfil longitudinal con pendiente constante.

En este caso, la continuidad del aspecto en el espacio no depende de la coordinación planta - perfil.

Supuestas las anteriores hipótesis, la continuidad está condicionada por el dimensionamiento de las curvas en el perfil longitudinal o de los empalmes con curvatura progresiva en planta.

b. Alineamiento complejo

El alineamiento visible puede incluir curvas horizontales y curvas en el perfil longitudinal. El eje de la carretera en el espacio es una curva alabeada, enrollamiento de un arco alrededor de la superficie de un cilindro, por ejemplo, que puede incluir puntos de inflexión.

En conclusión:

* La continuidad de los aspectos horizontal y vertical conduce a la continuidad en el aspecto espacio, supuesto el que los elementos geométricos horizontales y verticales sean cuidadosamente coordinados.

* Un trazado complejo puede ser considerado como la superposición, parcial o total, de un conjunto de trazados sencillos, por lo que el estudio de las perspectivas del trazado sencillo es indispensable para la comprensión de los trazados complejos.

3.6.3.3 Perspectivas de alineamientos sencillos

Se adoptarán las siguientes convenciones:

a. En perfil longitudinal, el valor de una pendiente en subida estará afectado por el signo + y el de la pendiente en bajada por el signo -.

b. En perspectiva, la concavidad aparente de una curva en planta o en perfil longitudinal será negativa si se dirige a la izquierda y positiva si se dirige a la derecha.

Se presentan algunos ejemplos:

Primer Caso

Se trata de un trazado en planta con alineamiento recto y una pendiente longitudinal también en recta. (Véanse Figuras 3.6.6, 3.6.7 y 3.6.8).

a. Análisis estático.

La perspectiva de cada borde del pavimento es una línea recta, que corresponde a la intersección del plano de proyección y el plano definido por el ojo del conductor y el borde considerado.

El ángulo, con relación a la horizontal, sobre el cual aparece el borde de la calzada en perspectiva, es independiente del valor de la pendiente en el perfil longitudinal.

1.00 = Altura del ojo sobre el pavimento, (m)

d = Distancia transversal entre la trayectoria del ojo y

el borde del pavimento considerado .

O'K = 100 p, p = pendiente en el perfil.

b. Análisis dinámico.

El ojo del automovilista no está en una posición estática. La perspectiva dibujada para un punto de vista dado no tiene gran significación. Sin embargo, las propiedades de la perspectiva permiten captar los fenómenos ópticos a los cuales está subordinado el automovilista, cuando circula en la carretera a una velocidad V.

Supóngase que se han dibujado perspectivas de una serie de puntos sucesivos y superpongámoslos, suponiendo los ejes O'y y O'z. Inmovilizamos el ojo y la carretera se mueve bajo las llantas del vehículo, el fenómeno óptico no se altera.

-O'K = 100 p, por lo que el punto K no depende de la posición del automovilista.

-alfa = 1/d, el ángulo alfa es constante si d es constante.

Todas las perspectivas de cada lado de la calzada pasarán por un mismo punto K y estarán inclinadas el mismo ángulo alfa respecto de la horizontal, por lo que las perspectivas son idénticas. Para el conductor la perspectiva del pavimento es inmóvil. Esto explica por qué cuando un automovilista circula por una carretera en un tramo recto y con una pendiente constante, tiene la impresión que no avanza e incremente su velocidad, circunstancia que entraña peligro.

Segundo Caso

Se trata de un trazado en planta en alineamiento recto y un perfil longitudinal en el cual hay cambio de pendiente. (Ver Figura 3.6.9).

a. Análisis estático

Perspectiva de A'S'

Alfa es independiente de p. Tangente alfa = 1/d

La prolongación de a' S' pasa por el punto K del eje O'z, de manera que:

O'K = 100 P1

Perspectiva de S'C'

La perspectiva del lado de la calzada S'C' situado más allá del punto de cambio de pendiente, es una recta.

El ángulo beta respecto a la horizontal, sobre el cual aparece en perspectiva el lado de la calzada, está dado por:

1.00 = Altura del ojo sobre el pavimento, (m)

D = Distancia entre el automovilista y el cambio de pendiente, (m)

P2 - P1= Diferencia algebraica de las pendientes

d = Distancia transversal de los ojos del conductor al borde de la calzada considerado (m)

El ángulo beta no es constante. Para una diferencia dada de pendiente beta = gama - alfa. Beta es tanto mayor cuanto D sea mayor y para una distancia dada D, D constante, el quiebre en perspectiva será tanto mayor cuanto mayor sea la diferencia algebráica de pendientes. Las perspectivas de los bordes del pavimento convergen hacia un punto K' del eje O'z, de tal forma que:

O'K' = 100 P2 (Ver Figura 3.6.9)

b. Análisis dinámico

Como se ha hecho anteriormente, se superponen las perspectivas dibujadas para una serie de puntos de vista, aproximándose al punto de cambio de pendiente, haciendo corresponder los ejes de referencia O'y y O'z. Entonces se tendrá:

Alfa es constante y K fijo y las perspectivas del borde del pavimento A'S' están en la misma recta KK´.

Beta disminuye, K' es fijo y las perspectivas del borde del pavimento, b'c' giran sobre el punto K'.

Cuando el conductor pasa por el punto S, está dentro del caso anterior: las perspectivas de BC se confunden:

Los conductores conocen este fenómeno: desde una distancia larga , el valor de la pendiente más allá del cambio de pendiente , siempre aparece como excesivo . El efecto de muro disminuye a medida que la distancia D disminuye.

Se puede entonces deducir que un cambio de pendiente en el perfil longitudinal conduce a un quiebre del borde del pavimento en perspectiva. La consecuencia dinámica es una distorsión de la imagen, tanto más desagradable cuanto mayor sea la velocidad.

La curva de empalme mejora el efecto en perspectiva, que es satisfactorio si la curva cóncava tiene una longitud de 300 metros para vías de calzadas separadas y de 200 metros para vías de dos carriles de circulación para ambos sentidos.

Figura 3.6.6 PERSPECTIVAS DE ALINEAMIENTOS SENCILLOS - PRIMER CASO

Figura 3.6.7 PERSPECTIVAS DE ALINEAMIENTOS SENCILLOS - PRIMER CASO

Figura 3.6.8 PERSPECTIVAS DE ALINEAMIENTOS SENCILLOS - PRIMER CASO

Figura 3.6.9 PERSPECTIVAS CON CAMBIO DE PENDIENTE LONGITUDINAL -SEGUNDO CASO

3.6.3.4 Conclusiones

El uso de ordenadores permite, mediante programas adecuados, estudiar en las tres dimensiones los problemas de coordinación , ya que pueden simular una operación vehicular. Sin embargo, al menos algunos de los conceptos fundamentales de perspectiva vial, desarrollados por la misión Ingeroute, asesora del Ministerio de Obras Públicas y Transporte, deben ser conocidos por Consultores e Ingenieros Proyectistas para tratar de mejorar la calidad de los proyectos viales.

3.6.4 Composición y diseño de los alineamientos horizontal y vertical

3.6.4.1 Criterios de diseño general

Los elementos geométricos que componen los alineamientos horizontal y vertical están mutuamente relacionados. Una buena coordinación de ellos dará como resultado un diseño ajustado y armonioso, de tal forma que la carretera sea económica, agradable y segura para todos los usuarios.

Una coordinación apropiada de estos elementos solo se obtiene mediante un estudio cuidadoso de ingeniería vial, para lo cual se recomiendan los siguientes criterios básicos:

* La curvatura horizontal y la pendiente longitudinal del proyecto deben mantener un balance apropiado, sin sacrificar las condiciones de una en busca de mejores características de la otra, para lograr un diseño equilibrado, que es aquel en el cual ambos alineamientos están estrechamente vinculados, ofreciendo el máximo de seguridad y capacidad, además de una operación fácil, cómoda, uniforme y segura.

* De una curva vertical que coincida con una curva horizontal generalmente resulta una carretera agradable, siempre y cuando la curva horizontal no sea de radio mínimo o próximo al mínimo, coincidiendo con una curva vertical de longitud mínima, pues esta circunstancia presenta inconvenientes, especialmente cuando se transita en las horas de la noche. En efecto, las luces de los vehículos se pierden en el espacio, generando pésimas condiciones ópticas para los conductores.

La Figura 3.6.10 muestra casos de coincidencia de curvas horizontales con verticales. En este ejemplo, la curva horizontal debe ser mayor o por lo menos igual a la curva vertical. Además, las condiciones de drenaje, ópticas y dinámicas de conducción son muy favorables. No obstante, esta situación se considera crítica cuando las curvaturas horizontal y vertical son mínimas para la velocidad especificada en el sector.

Figura 3.6.10 COORDINACION SATISFACTORIA DE ALINEAMIENTOS CON CURVAS HORIZONTALES Y VERTICALES

El punto donde se inicia una curva horizontal no debe coincidir o estar demasiado cerca de la parte más baja o más alta de la curva vertical cóncava o convexa, respectivamente. Esta condición es peligrosa, especialmente para valores mínimos de curvatura horizontal y vertical, puesto que el conductor tendrá dificultad para apreciar el cambio del alineamiento horizontal, especialmente de noche, debido a las deficientes condiciones ópticas. El peligro desaparece si la curva horizontal contiene totalmente a la vertical. La Figura 3.6.11 muestra este tipo de coordinación para el caso de una curva vertical cóncava. En este caso, las deficiencias de tipo óptico se manifiestan mediante el efecto separador, producido por la mala coordinación, como se aprecia en la perspectiva inferior.

La Figura 3.6.12 muestra un ejemplo de coordinación deficiente, en el cual el punto donde se inicia la curva horizontal coincide con el sector central de la curva vertical convexa. Las condiciones ópticas en este tipo de coordinación son muy deficientes, especialmente cuando la curvatura horizontal y vertical son mínimas.

Las Figuras 3.6.13 y 3.6.14 muestran ejemplos de coordinación satisfactoria en los cuales la longitud de la curva vertical y el radio de la curva horizontal, son mayores que los valores mínimos adoptados para el tramo.

La Figura 3.6.15 muestra un ejemplo de pobre coordinación de los alineamientos horizontal y vertical, en el cual las características dinámicas de conducción, drenaje y ópticas, no son las más adecuadas, dando al conductor cierta sensación de inseguridad.

A continuación se analiza, en forma breve, cada una de las condiciones de operación que deben obtenerse del diseño geométrico para el caso de este ejemplo particular, cuya coordinación es deficiente:

Figura 3.6.11 MALA COORDINACION DE ALINEAMIENTOS

Figura 3.6.12 COORDINACION DEFICIENTE DE ALINEAMIENTOS

Figura 3.6.13 COORDINACION SATISFACTORIA DE ALINEAMIENTOS

Figura 3.6.14 COORDINACION SATISFACTORIA DE ALINEAMIENTOS

Figura 3.6.15 DEFICIENTE COORDINACION DE ALINEAMIENTOS

a. Condiciones dinámicas de conducción.

En este caso, un vehículo que transite por el sector, estará sometido a continuas variaciones de la fuerza centrífuga, ya que cuando deja de actuar en el sentido horizontal, comienza la del sentido vertical.

b. Condiciones de drenaje.

Existen algunos sectores donde el drenaje es muy eficiente, pero en otros, como en los puntos de inflexión del alineamiento horizontal, resulta deficiente.

c. Condiciones ópticas .

Se presentan algunos cambios de curvatura horizontal que, por la condición vertical, distorsionan la visibilidad hacia adelante, produciendo el efecto separador, hecho que puede dar origen a operaciones erráticas por parte de los conductores.

La Figura 3.6.16 muestra un ejemplo, en el cual los vértices coinciden en forma salteada. Con este tipo de combinación de los alineamientos horizontal y vertical se obtienen excelentes condiciones dinámicas de conducción, drenaje y ópticas en los sectores de curva vertical convexa, pero muy deficientes condiciones, especialmente de drenaje de la calzada, en el sector de la curva cóncava, cuyo mejoramiento debe estudiarse para cada caso particular.

La Figura 3.6.17 muestra el ejemplo de una pobre combinación de los alineamientos horizontal y vertical. La combinación es deficiente porque la entretangencia es demasiado corta y el cambio de dirección horizontal ocurre en la parte superior de la curva convexa, dando lugar a condiciones de drenaje poco satisfactorias.

Figura 3.6.16 EXCELENTES CONDICIONES DINAMICAS DE CONDUCCION

Figura 3.6.17 COORDINACION DEFICIENTE DE ALINEAMIENTOS

d. Intersección de dos carreteras

En los sectores donde se intersectan dos carreteras, las curvas verticales y horizontales deben ser tan amplias como sea posible, tratando que la distancia de visibilidad, a lo largo de ambas vías, sea equivalente por lo menos a la distancia de adelantamiento, pues de esta manera se obtienen características amplias de seguridad.

En adición a las consideraciones anteriores, la solución del drenaje en el sector más plano de las curvas cóncavas y convexas de los tipos números 3 y 1, respectivamente, de la Figura 3.4.6, exige un cuidadoso diseño de la rasante, mediante una coordinación de los alineamientos horizontal y vertical, además de la sección transversal, con el fin de conservar pendientes no inferiores al 0.5 %.

3.6.5 Modelo de simulación operacional (perfil de velocidad)

Todos los parámetros geométricos presentados guardan estrecha relación con las velocidades de diseño correspondientes, consideradas dentro de una gama de 30 a 120 kilómetros por hora.

No obstante, al seleccionar un valor de la velocidad de diseño para iniciar la preparación de un proyecto vial, se debe reconocer que este valor solo sirve de guía para buscar y obtener determinados resultados constitutivos de un diseño geométrico, pero que no es suficiente garantía para el logro de un diseño armónico entre planta y perfil y que ofrezca una operación vehicular segura.

Se hace entonces necesario analizar la propuesta geométrica encontrada para medir su funcionalidad y comprobar así las intenciones iniciales con los logros alcanzados.

Entra entonces en juego un concepto sobre la real velocidad a la cual podría operar un usuario de la vía, de acuerdo a los alineamientos ofrecidos.

Algo semejante sucede en los aspectos de capacidad vial. Cuando se inicia la preparación del proyecto se sabe que capacidad se debe instalar para cumplir con ciertos propósitos. Cuando se termina el diseño geométrico se hace necesario evaluar su capacidad para comprobar el cumplimiento de los propósitos buscados.

De no lograrse estos propósitos, será necesario revisar el diseño para evaluar aquellos elementos que castigan la capacidad, hasta lograr la perseguida.

Con el modelo de simulación operacional o perfil de velocidad se persigue establecer un sistema de medición de la funcionalidad de los alineamientos propuestos en la solución, para detectar no solamente los puntos o sectores en donde se presenten inconsistencias, sino las causas que las producen, con el único propósito de corregirlas y lograr así una solución más segura para la operación vehicular.

Es indudable que las premisas y condiciones sobre las cuales se ha montado este rudimentario modelo de operación son todavía bastante aproximadas y que con el correr del tiempo, la ayuda de novedosos programas de computador y la voluntad de los profesionales que tienen a su cargo todas estas tareas, se logre llegar a un sistema mucho más ágil y más real para llevar a cabo este análisis.

3.6.5.1 Premisas del modelo

a. El vehículo

Se ha tomado un vehículo liviano en razón de su mayor capacidad para acelerar y a la mayor velocidad, por lo menos en nuestro medio, con que opera normalmente sobre una carretera.

b. Velocidad de iniciación del recorrido

Se parte de la velocidad de diseño

c. Velocidad límite máxima

Se supone de 120 kilómetros por hora. No se consideran por ahora operaciones vehiculares por encima de este valor.

d. Tasa de aceleración : 1.00 m / seg 2

e. Condiciones para acelerar

- Que haya visibilidad de parada

- Pendiente longitudinal igual o inferior al 4.0 %

f. Condiciones para desacelerar

El Criterio de visibilidad de parada no debe interpretarse como un control a la velocidad específica. Para una determinada velocidad específica la visibilidad de parada debe estar de acuerdo a ella, de no ser así se genera un alineamiento peligroso.

Con relación a las pendientes longitudinales se estima que a partir del 4.0 %, la velocidad específica se puede reducir en 10 kilómetros por hora por cada 1.0 % de cambio en ascenso o en descenso.

g. Chequeo de inconsistencias

- Por visibilidad

Velocidad específica contra visibilidad de parada

- Por curvatura horizontal

Velocidad específica contra curvatura horizontal ofrecida .

3.6.5.2 Tabulaciones

a. Distancias recorridas para cambiar de velocidad

A la tasa de aceleración de 1 m/seg2 un conductor podrá cambiar de velocidad en los espacios recorridos que se presentan en la Tabla 3.6.2.

De acuerdo a los valores presentados en la Tabla 3.6.2, el conductor de un vehículo que marche a 30 kilómetros por hora puede alcanzar una velocidad de 120 kilómetros por hora en una distancia de recorrido del orden de 490 metros.

En la Tabla 3.6.3 se presenta una relación entre radios de curvatura y velocidades específicas, para un peralte del 8 por ciento.

Un rápido análisis de esta tabla ofrece conclusiones bastante prácticas dentro de las premisas consideradas, por ejemplo:

* Que un radio de curvatura comprendido entre 401.57 y 596.77, vale la pena decir, entre 400 y 600 metros, puede permitir una velocidad de operación o velocidad específica, de 120 kilómetros por hora.

* Que luego de alineamientos de longitudes mayores de 490 metros, con una pendiente longitudinal inferior al 4.0 por ciento y en recta, se hace necesario diseñar una curva de radio circular mayor de 400 metros, con el propósito de garantizar seguridad al usuario, cualquiera que sea la velocidad de diseño.

Tabla 3.6.2 ESPACIOS RECORRIDOS POR CAMBIOS DE VELOCIDAD

Tabla 3.6.3 VELOCIDADES ESPECIFICAS, PERALTES, COEFICIENTES DE FRICCION Y RADIOS DE CURVATURA (para un peralte, e=8.0%)

3.6.5.3 Longitud mínima para una velocidad específica

Se tendrán en cuenta los criterios establecidos en el numeral 3.3.7.

3.6.5.4 Perfiles de visibilidad y de velocidad

Como una comprobación de la teoría expuesta se aconseja tabular perfiles de visibilidad y de velocidad, en cada uno de los sentidos de circulación, con análisis al intervalo definido en el proyecto, anotando en cada una de estas abscisas del proyecto los valores correspondientes a la velocidad operacional y los valores de la distancia de visibilidad de parada y los radios de curvatura.

El análisis de estos perfiles o tabulados facilitará el chequeo de inconsistencias del proyecto previsto en el literal g del numeral 3.6.5.1.

3.7 INTERSECCIONES A NIVEL

3.7.1 Características de las intersecciones

3.7.1.1 Elementos por considerar

3.7.2 Diseño

3.7.3 Intersecciones no semaforizadas, con prioridad por PARE

3.7.3.1 Intersecciones sin canalizar

3.7.3.2 Intersecciones canalizadas

3.7.4 Islas (o isletas)

3.7.5 Distancia de visibilidad en intersecciones

3.7.6 Criterios de diseño de intersecciones no semaforizadas, con prioridad por PARE

3.7.7 Intersecciones rotatorias, giratorias o glorietas

3.7.7.1 Ventajas de las glorietas

3.7.7.2 Desventajas de las glorietas

3.7.7.3 Criterios de diseño geométrico

3.7.7.4 Glorietas partidas

Las intersecciones son zonas comunes a dos o más carreteras que se cruzan al mismo nivel y en las que se incluyen las calzadas que pueden utilizar los vehículos para el desarrollo de todos los movimientos posibles.

Las intersecciones son elementos de discontinuidad en cualquier red vial, por lo que representan situaciones críticas que hay que tratar específicamente, ya que las maniobras de convergencia, divergencia o cruce no son usuales en la mayor parte de los recorridos.

Tanto en las intersecciones como en las vías, pero con mayor razón en las intersecciones, se trata de obtener condiciones óptimas de seguridad y capacidad, dentro de posibilidades físicas y económicas limitadas.

3.7.1 Características de las intersecciones

Están definidas por ciertas condiciones como son: área total, límites exteriores y forma en que esté ordenada y distribuida la superficie.

3.7.1.1 Elementos por considerar

* Datos funcionales. Se refieren al tipo de vías que confluyen en la intersección, clasificación, tipo de control de accesos, velocidad, preferencia de paso, y todas aquellas características de funcionalidad que estén contempladas en el planeamiento en desarrollo que puedan afectar la intersección.

* Datos físicos. Se refieren a la topografía, así como a las restricciones existentes para extender la superficie, tales como usos del suelo, características geológicas y geotécnicas, edificaciones, plantaciones, instalaciones, servicios, tipo de drenaje, etc. Lo recomendable es poder contar con planos detallados y en escalas 1:500, en zonas rurales, y 1:200, en zonas urbanas.

* Datos de tránsito. Incluyen los volúmenes de tránsito, su composición y su evolución a lo largo del día, análisis de cada movimiento en las horas pico para determinar la capacidad en el correspondiente ramal, vehículo tipo para el que se proyecta la intersección, velocidad en los accesos. En las zonas urbanas y suburbanas se deben tener en cuenta el flujo peatonal y los paraderos del sistema de transporte público con su correspondiente información (frecuencia, tiempo de parada, condiciones actuales, posibles modificaciones, etc. )

* Movimientos peatonales

* Accidentes. Este factor es muy importante para estudiar la remodelación de una intersección en vías existentes.

* Relación con otras intersecciones. Es importante que las diversas intersecciones en una vía obedezcan a cierta uniformidad en su tratamiento, para no desorientar al conductor.

3.7.2 Diseño

Se deben estudiar en principio, y tentativamente, varias alternativas, para seleccionar una o más para un estudio más detallado.

En cualquier tipo de vía se debe procurar con el proyecto de una intersección una mayor seguridad, así como el mantener una velocidad adecuada en la vía principal. Para el efecto se deben seguir dos criterios o principios básicos:

* Sencillez

* Uniformidad

La sencillez se logra cuando todos los movimientos permitidos son fáciles y evidentes y los prohibidos o no deseados sean difíciles o imposible de realizar. También cuando los esquemas funcionales siguen las trayectorias vehiculares naturales.

La uniformidad se pierde, por ejemplo, cuando en una serie de intersecciones con carril de espera para giro a la izquierda se intercala una intersección con una vía de enlace u oreja para la misma maniobra.

3.7.3 Intersecciones no semaforizadas, con prioridad por PARE

3.7.3.1 Intersecciones sin canalizar

Es el tipo más común de intersección en carreteras y no requiere un tratamiento especial. La figura 3.7.1 indica una intersección sin canalizar utilizada por camiones y con curvas de tres centros.

La tabla 3.7.1 indica los radios normales en intersecciones para las velocidades de giro, referidos al borde interior del pavimento.

Tabla 3.7.1 RADIO EN LAS INTERSECCIONES EN FUNCION DE LA VELOCIDAD DE GIRO

Figura 3.7.1 INTERSECCION TIPO SIN CANALIZAR