Libro Diseño Geométrico de Carreteras, Guías, Proyectos, Investigaciones de Ingeniería Civil

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DISEÑO GEOMÉTRICO DE CARRETERAS

Dr. Raúl Benítez Olmedo

Ing. Alejandro Medina Segismundo

Acerca de los autores:

Raúl D. Benítez Olmedo es Ingeniero Civil egresado del Instituto Superior Politécnico “ José Antonio Echeverría” de Cuba, en donde obtuvo la maestría y el doctorado en proyectos Viales y Estabilización de Suelos; respectivamente. Se desempeña como profesor de la disciplina de Carreteras en la Facultad de Ingeniería Civil de la misma institución. Es miembro de la Comisión Nacional de Carreras y secretario de la maestría en Proyectos Viales que imparte el Departamento de Ingeniería Vial de dicho Instituto.

Ha publicado trabajos científicos y libros de texto de la especialidad acerca de: Topografía, Trazado de Vías, Proyectos Viales y Laboratorio de Carreteras; materias sobre las que ha impartido cursos en diversas universidades del país y del extranjero.

Alejandro Medina Segismundo es Ingeniero Civil egresado del Instituto Superior Politécnico “ José Antonio Echeverría” de Cuba. Es ingeniero principal de la Empresa Nacional de Proyectos Agropecuarios, donde ha desarrollado proyectos de alcance nacional..

INDICE página

CAPÍTULO I: ESTUDIOS DEL TRAZADO

Introducción. Definiciones fundamentales. Factores que influyen en el diseño de carreteras. Clasificación vial. Arterias principales. Arterias menores. Colectoras. Locales. Requisitos técnicos comunes a los distintos tipos de categorización de vías rurales. Estudios de velocidad. Etapas en la elaboración de un proyecto. Estudio preliminar. Estudio de anteproyecto Levantamiento topográfico. Levantamiento fotogramétrico. Planeamiento de vuelo. Equidistancia. Escala del modelo. Precisión del plano. Limitaciones del equipo. Señalamientos. Ejecución del vuelo fotográfico. Proyecto de control fotográfico. Métodos generales para anteproyectar. Anteproyecto en tramo montañoso. Anteproyecto en tramo ondulado. Anteproyecto en tramo llano. Proyecto definitivo. Criterios para la determinación del trazado en planta. Criterios para la determinación del trazado en perfil de la rasante Estudios de rasante. Longitudes máximas de rasante. Máxima rasante sostenida. Coordinación entre la alineación en planta y en perfil de la rasante. Bibliografía.

CAPÍTULO II: CURVAS CIRCULARES SIMPLES. Introducción. Curvas circulares simples.

Definición de grado de curvatura. Funciones de la curva circular simple. Ejemplo de cálculo de una curva circular simple. Trabajos de campo. Replanteo por ángulos de inflexión. Registro de replanteo de una curva circular simple. Replanteo desde un punto intermedio. Replanteo por coordenadas. Registro de replanteo de una curva circular simple por coordenadas. Replanteo de una curva circular simple cuando el PI es inaccesible. Curva circular a través de un punto obligado en planta. Replanteo de los bordes de la vía. Curvas compuestas. Curva compuesta de dos centros. Curvas reversas. Curvas de tres centros. Ejemplo de cálculo de una curva de tres centros. Errores en el replanteo de las curvas circulares simples. Errores debido a la diferencia entre el arco y la cuerda. Errores producto de las mediciones de ángulos y de distancias. Error total en el centro de la curva. Ejemplo de cálculo del error en el centro de una curva circular simple. Determinación práctica del error total máximo esperado en el centro de la curva circular. Usos de las expresiones anteriores. Bibliografía.

CAPÍTULO III: CURVAS DE TRANSICIÓN. Introducción. Desarrollo matemático. Funciones fundamentales. Criterios para la determinación de la longitud de la clotoide. Longitud mínima para el desarrollo de la superelevación. Longitud mínima por confort dinámico y de seguridad para el usuario. Longitud mínima por confort óptico. Ejemplo de cálculo de longitud de una curva de transición. Definición de los parámetros “K” y “A”. Trabajos de campo. Replanteo por ángulos de inflexión. Inflexiones en función del parámetro “K”. Inflexiones en función del parámetro “A”.

Método II. Método III. Método IV. Determinación del peralte para la velocidad de diseño de 100 Km/h. Desarrollo del peralte en las curvas circulares simples. Giro de la vía por el eje. Ejemplo de cálculo de desarrollo de la superelevación en una curva circular simple con giro por el eje de la vía. Giro por el borde interior de la vía. Ejemplo de cálculo de desarrollo de la superelevación en una curva circular simple con giro por el eje borde interior de vía. Giro por el borde exterior de la vía. Ejemplo de cálculo de desarrollo de la superelevación en una curva circular simple con giro por el eje borde exterior de la vía. Desarrollo del peralte en las curvas de transición. Giro por el eje de la vía. Ejemplo de cálculo del desarrollo de la superelevación en curvas de transición con giro por el eje de la vía. Giro por el borde interior de la vía. Ejemplo de cálculo del desarrollo de la superelevación en curvas de transición con giro por el borde interior de la vía. Giro por el borde exterior. Ejemplo de cálculo del desarrollo de la superelevación en curvas de transición con giro por el borde exterior de la vía. Sobreancho en las curvas horizontales. Sobreancho en las curvas circulares. Ejemplo de Sobreancho en una curva circular simple. Sobreancho en las curvas de transición. Ejemplo de Sobreancho en una curva de transición. Ejemplos combinados de superelevación y sobreancho en curvas circulares Giro por el eje. Giro por el borde interior. Giro por el borde exterior. Ejemplos combinados de superelevación y Sobreancho en las curvas de transición. Giro por el eje. Giro por el borde interior. Giro por el borde exterior. Pendiente transversal de los paseos en las curvas. Bibliografía.

CAPÍTULO VI: VISIBILIDAD.

Introducción. Distancia de visibilidad de parada. Distancia mínima de seguridad. Distancia de visibilidad de vehículo contrario. Distancia de visibilidad de adelantamiento. Distancia de visibilidad en curvas horizontales. Distancia de visibilidad menor que la longitud de las curva horizontal. Distancia de visibilidad mayor que la longitud de las curva horizontal. Distancia de visibilidad en curvas verticales. Visibilidad en curvas verticales en cima. Distancia de visibilidad menor que la longitud de la curva vertical. Distancia de visibilidad mayor que la longitud de la curva vertical. Visibilidad en curvas en depresión. Distancia de visibilidad menor que la longitud de la curva vertical. Distancia de visibilidad mayor que la longitud de la curva vertical. Distancia de visibilidad bajo estructuras. Distancia de visibilidad mayor que la longitud de la curva vertical Distancia de visibilidad menor que la longitud de la curva vertical Visibilidad en el cruce con vías férreas. Condición de visibilidad sin limitar la velocidad. Condición de visibilidad con límite de velocidad. Condición de visibilidad con vehículo parado. Método gráfico para determinar la longitud de visibilidad en curvas. Distancia de visibilidad de parada en planta. Distancia de visibilidad de adelantamiento en planta. Aspectos a considerar para determinar la distancia de visibilidad de parada y de adelantamiento en planta. Determinación de las distancias de parada y de adelantamiento en planta. Aspectos a considerar para determinar la distancia de visibilidad de parada y de adelantamiento en perfil. Determinación de la distancia de visibilidad de parada y de adelantamiento en perfil. Bibliografía.

CAPÍTULO VII: MOVIMINTO DE TIERRA. Introducción. Clases de excavación.

Capítulo I: ESTUDIOS DEL TRAZADO.

1.1 INTRODUCCIÓN.

Uno de los elementos fundamentales y determinantes en el desarrollo de un país lo constituyen los llamados sistemas de transporte; entre los cuales se pueden mencionar: carreteras, ferrocarriles, transporte aéreo, transporte continuo por tuberías, transporte fluvial; etc.

Aunque solo se abordará en este libro todo lo concerniente al diseño geométrico de carreteras, es necesario destacar que en el desarrollo económico y social de un país hay que tener en cuenta todos los sistemas de transporte que lo integran, ya que un estudio por separado no suministra la red idónea que la economía del país exige; así; por ejemplo, para el funcionamiento correcto de un puerto, no solo son necesarios los barcos capaces de transportar las mercancías que entran y salen del país, sino que también es de vital importancia un sistema de carreteras y ferrocarriles capaces de garantizar, de forma rápida y segura, el flujo de mercancías desde y hacia el puerto.

Las carreteras deben cumplir debido a consideraciones de tipo económico, características del terreno y objetivos del proyecto; que su trazado sea tan directo, entre los puntos extremos a enlazar, como sea posible; cumpliéndose en él todos los principios y normas de ingeniería que permitan obtener una obra vial resistente, segura, duradera, funcional, económica y de apariencia agradable ante los ojos del conductor. Desde este punto de vista, una carretera puede ser definida como una curva alabeada en el espacio, cuya vista en perspectiva ofrezca una armónica sucesión de imágenes de la vía, con el objetivo de garantizar un recorrido espacial continuo; cumpliéndose en ella todos los principios y normas del arte de proyectar.

Precisamente el objetivo de esta obra es estudiar todos los principios y normas de ingeniería vial, referentes al diseño geométrico de las carreteras; con el objetivo de garantizar la comodidad, seguridad y apariencia de las mismas.

1.2 DEFINICIONES FUNDAMENTALES.

En este epígrafe se definen los términos principales utilizados en el diseño geométrico de carreteras, con el fin de hacer viable y facilitar las relaciones entre las distintas partes que intervienen en esta actividad; principalmente los inversionistas, proyectistas y constructores; así como la de unificar y perfeccionar la terminología utilizada en el ámbito nacional e internacional.

Estación: Son puntos situados sobre una alineación determinada y separados unos de otros por una distancia de 10 metros; se representan por números enteros y para conocer la distancia entre el inicio de la alineación y una estación determinada, basta tan solo multiplicar el número de estación por 10 metros. Por ejemplo, sea la estación 44 + 0,00 dicha estación se encuentra a 44 ⋅ 10 = 440 metros del inicio de la alineación.

Es costumbre en carreteras representar las estaciones pares del trazado, esto es, EST 0 + 0,00; EST 2 + 0,00; EST 4 + 0,00; etc. En muchas ocasiones es necesario colocar marcas de referencias en lugares de la alineación donde esta se intercepta con puntos obligados del trazado; como pueden ser: puntos de inicio y terminación de las curvas horizontales; cursos de agua; intersecciones con vías existentes; etc., que no se corresponden necesariamente con estaciones pares del trazado; así por ejemplo, uno de estos puntos puede ser la EST 23 + 7,15, la cual se encuentra a una distancia desde el inicio de la alineación de:

23 ⋅ 10 = 230,

• 7,

---

EST 23+7,15 = 237,15 metros.

Calzada: Zona de la carretera destinada al tránsito rodado, que comprende un número entero de vías de circulación.

Vías de circulación: Cada una de las fajas elementales en que se considera dividida la calzada a efectos de capacidad de tráfico. También se le llama senda o carril de circulación.

Paseo: Parte de la vía que se encuentra a ambos extremos de la calzada; cuyo objetivo es servir de aparcamiento a los vehículos cuando sufren algún tipo de contratiempo, de forma tal que no obstruya el tránsito por la vía de circulación.

Corona: Es el ancho completo de la vía; incluyen las vías de circulación y los paseos.

Taludes: Son obras, normalmente de tierra, que se construyen a ambos lados de la vía; tanto en excavación como en terraplén, con una inclinación tal que garanticen la estabilidad de la obra.

Zona de emplazamiento: Comprende además de la vía, una franja de terreno a ambos lados de la misma. Su objetivo es tener suficiente terreno en caso de ampliación futura de la carretera, atenuar los peligros de accidentes motivados por obstáculos dentro de ella que dificulten la visibilidad del conductor y zona de transición entre la vía y el paisaje circundante.

Cuneta: Es una obra de drenaje superficial cuyo objetivo es recoger el agua de lluvia que cae sobre la vía, los taludes y en zonas adyacentes a la misma y conducirla hacia bajos naturales del terreno.

Bombeo: Deferencia de nivel entre el extremo de la calzada y su eje en tramo recto.

Factor de bombeo: Pendiente de la sección transversal de la vía en tramo recto.

Explanación o subrasante: Obra de tierra anterior al pavimento cuyo objetivo es elevar ó deprimir la estructura para alcanzar la cota de la subrasante de proyecto. Generalmente se construye con suelos del lugar objeto de la construcción propia de la vía; ó mediante suelos transportados desde una cantera de préstamo cercana a la obra.

• Tráfico horario.

El tráfico total del año, es el número total de vehículos, de todos los tipos, que pasan por un punto determinado de la vía durante un año. Si bien esta medida no sirve para calcular las dimensiones de la sección transversal de la vía, si es importante para valorar la importancia económica de la misma.

El tráfico medio diario, es el total del año dividido entre los 365 días que tiene el año. Al igual que el tráfico total del año sirve para valorar la importancia económica de la vía y justificar las inversiones que son necesarias realizar. Se le conoce más comúnmente como promedio anual de intensidad diaria de tránsito (PAIDT).

El tráfico horario, como analiza un período corto del día (una hora) sí nos sirve para calcular la sección transversal de la carretera. Sin embargo, calcular la vía para el tráfico horario máximo del año traerá como resultado, que la vía este subutilizada en las restantes horas del año. Es por ello, que como norma se adopte a estos efectos la hora 30 del año, que es aquella cuyo tráfico se excede 30 horas al año. Este tráfico horario suele ser del 12 al 18% del tráfico medio diario (PAIDT).

Al tráfico horario, también se le conoce como intensidad horaria de diseño (IHD) y es igual a:

IHD = ( 0,12---0,18)PAIDT....(1.1)

Es importante destacar que cuando se proyecte una vía no debe hacerse solo para el tráfico actual; sino también para el posible aumento de tránsito en el futuro; o sea; para un plazo de 10 a 20 años. Para ello no existen fórmulas matemáticas exactas, sino que hay que tener en cuenta toda una serie de factores entre los cuales se pueden señalar: el tráfico que generará la futura vía, el crecimiento o desarrollo futuro de la zona y otros factores. La fórmula que se utiliza es la siguiente:

PAIDTn = PAIDTo^ ( 1 +r)^ n −^^1 ....(1.2)

IHDn = IHDo ( 1 +r) n −^1 ....(1.3)

donde:

PAIDTn : promedio anual de intensidad diaria de tránsito para el año n; en veh/día.

PAIDTo : promedio anual de intensidad diaria de tránsito para el año de puesta en servicio la carretera; en veh/día.

IHDn : intensidad horaria de diseño en el año n; en veh/hora.

IHDo : intensidad horaria de diseño en el año de puesta en servicio la carretera; en veh/hora.

n: número de años.

r: factor de crecimiento anual del tránsito.

La forma de realizar estos estudios con el objetivo de obtener el PAIDT y la IHD, es de mucha mayor complejidad que la tratada aquí además de que sale fuera del alcance de este libro. En la bibliografía se pueden obtener una información más detallada con relación a estos aspectos.

b) Topografía: El éxito económico de una carretera consiste en que la misma una los extremos previstos de forma tal que su recorrido sea mínimo; que el movimiento de tierra para alcanzar la cota de la subrasante de proyecto sea un mínimo también; y que se cumplan todas las normas y principios del diseño geométrico.

Estas condiciones son difíciles de aunar en un proyecto, pero sí debe lograrse reunir en él las mayores ventajas de lo uno y de lo otro; para lo cual es necesario que el ingeniero proyectista domine el relieve del terreno observado en mapas, planos y fotos aéreas de la zona objeto de construcción de la vía.

Las condiciones topográficas de la región son un factor muy importante al seleccionar la situación de un nuevo trazado y son las que primero deben ser analizadas para poder establecer las diferentes alternativas de unión entre los puntos extremos a enlazar.

Según las condiciones topográficas, se pueden definir tres tipos de trazados:

• Trazado en valle.
• Trazado por las divisorias de las aguas.
• Trazado perpendicular a la divisoria.

Por trazado en valle se entiende los tramos del trazado que siguen el curso de un río. En dependencia de las condiciones topográficas y geológicas; el trazado en valle puede estar ubicado en un mismo lado del río o cruzándole hacia uno y otro lado. El eje de la vía puede situarse directamente al lado del río; en terraplén o si fuese necesario a media ladera.

Presenta la ventaja de que satisface en mayor grado las necesidades de la región, ya que generalmente las poblaciones e industrias se encuentran cercanas a los ríos. Su principal desventaja es la gran cantidad de arroyos que hay que atravesar, lo que aumenta el número de obras de fábrica; y que en cauces muy serpenteantes se aumenta la longitud del trazado. Ver figura 1.2.

• Estudios económicos, etc.

FIGURA 1.

No serán tratados en este libro por no ser objetivo del mismo. En las referencias se puede ampliar sobre estos estudios.

1.4 CLASIFICACIÓN VIAL.

En la realización de los estudios de carreteras es necesario establecer previamente, una clasificación que permita reunir en grupos las vías de características similares. Esta clasificación debe hacerse a base de la función y el servicio prestado por las diferentes vías rurales.

En Cuba los volúmenes de tránsito no son muy altos; de ahí que en el año 1963 de ciento cinco estaciones de conteo situadas en las principales carreteras, solamente cinco registraron PAIDT superiores a 4000 veh/día; mientras que en cuarenta y dos, el PAIDT era inferior a 1000 veh/día.

No obstante, en los momentos actuales y debido al desarrollo alcanzado en diferentes esferas de la economía del país, estos volúmenes de tránsito han ido aumentados progresivamente, lo que ha permitido variar la clasificación inicial, que consistía en dos grupos fundamentales: carreteras principales y carreteras secundarias, a cuatro grupos fundamentales; de acuerdo con la función que realizan las vías rurales: arterias principales, arterias menores; colectoras y locales.

En la tabla 1.1 se muestran las características de estos cuatro grupos fundamentales; donde el PAIDT, que esta expresado en autos/días, ha sido calculado para 20 años, las letras (LL,O,M) significan el tipo de terreno: llano, ondulado y montañoso respectivamente, además de la velocidad de diseño adoptada para cada caso.

Categoría Velocidad de diseño Técnica LL O M

Clasificación funcional

P.A.I.D.T

autos/día I 100 80 60 Carretera principal 8000- II 80 60 50 Arteria menor 4000- III 60 50 40 Colectora 2000- IV^50 40 30 Locales^ <

Tabla 1.

En la tabla 1.2 se encuentran los factores de equivalencia para convertir los vehículos pesados en vehículos ligeros.

Vehículos Vehículos ligeros equivalentes pesados LL O M Camiones 2.5 5 10 Omnibus 2 4 6

Tabla 1.

Dentro de las arterias principales existe una subclasificación que es la correspondiente a las autopistas, las cuales se encuentran en la tabla 1.3.

Categoría técnica

Tipo de terreno Velocidad de diseño

Clasificación funcional

P.A.I.D.T.

Autos/dia Llano (LL) 140 Autopistas Ondulado (O) 120 vías expresas > 8000 Montañoso (M) 100

Tabla 1.

A continuación se describen las características principales de cada una de estas clasificaciones funcionales de las vías rurales.

1.4.1 ARTERIAS PRINCIPALES.

Este sistema lo forman las vías utilizadas para hacer viajes de amplitud nacional, y proporcionan una red sin conexiones cortas y capaces de atraer usuarios desde largas distancias. En estas vías prevalecen altos volúmenes de tránsito y velocidades de operación. El nivel de porcentaje dentro del sistema es del 6 a 10 %.

• Proporcionan servicios a los lugares habitados urbanos, pero vinculan una mayor cantidad de estos en comparación con las carreteras principales.
• Constituyen una vinculación fundamental entre las provincias más cercanas, proporcionando un recorrido directo a los usuarios que necesitan viajar a una distancia relativamente larga.
• Proporcionan servicios a los centros de industrias transformativas y extractivas, estaciones ferroviarias, puertos, balnearios; etc., siempre y cuando se encuentren a una distancia razonable.
• Son vías de dos carriles, de dos sentidos, no divididas y sirven a los terrenos colindantes y no tienen controlados sus accesos.
• El nivel de porcentaje dentro del sistema es del 7 al 13 %. Ver tabla 1.1.

1.4.3 COLECTORAS.

Tienen las siguientes características:

• Constituyen las principales ramificaciones del sistema arterial principal y menor, sirviendo por lo general, para viajes intermunicipales en la provincia.
• Sirven eventualmente a aquellos lugares habitados urbanos de 50000 o más habitantes y preferiblemente los lugares habitados urbanos de 10000 a 50000 habitantes.
• Sirven ocasionalmente a los lugares habitados urbanos de 2000 a 10000 habitantes, que tienen un peso económico significativo en la localidad.
• Son vías de dos carriles, de dos sentidos, no divididas y sirven a los terrenos colindantes y no tienen controlados sus accesos.
• Normalmente cuando enlazan las provincias, lo hacen por lugares donde no existen vías arteriales o se encuentran razonablemente equidistantes.
• Asumen y orientan el tránsito de las vías locales hacia los sistemas arteriales.
• El nivel de porcentaje dentro del sistema es del 24 al 35 %. Ver tabla 1.1.

1.4.4 LOCALES.

La red local presenta las siguientes características:

• Proporcionan servicios para viajar a distancias cortas, en comparación con las vías colectoras u otros sistemas de mayor categoría.
• Constituyen una red vial ramificada pero de importancia local.
• Sirven a los lugares habitados urbanos de 2000 a 10000 habitantes.
• El nivel de porcentaje dentro del sistema es del 50 al 60 %. Ver tabla 1.1.

1.5 REQUISITOS TÉCNICOS COMUNES A LOS DISTINTOS TIPOS DE

CATEGORIZACIÓN DE VÍAS RURALES.

En las figuras 1.5; 1.6; 1.7 y 1.8 se encuentran las secciones transversales típicas de las carreteras principales, arterias menores, colectoras y locales; respectivamente. En ellas se debe cumplir que:

• La inclinación de los taludes en terraplenes y excavaciones se indican en la tabla 1.4. Los valores de inclinación de los taludes en terraplén se utilizan en aquellos lugares donde el trazado se desarrolle en terrenos de alto costo, de cultivos importantes o que la disponibilidad de materiales no se encuentre cerca de la obra, teniendo siempre muy en cuenta la seguridad, buena visibilidad y acondicionamiento paisajístico de los bordes de la vía. Los valores de inclinación de los taludes en excavación o corte, son los que se utilizan siempre que la investigación geotécnica no recomiende la utilización de otros valores de inclinación.

Altura del terraplén Profundidad del corte 0.00- 3.00 m sin defensa

3.00 - 12.00 m con defensa

0.00-3.00 m 3.00-12.00 m

Velocidad dede diseño (Km/h) (^) Inclinación del talud Inclinación del talud 100 4/1 - 3/1 2/1 - 1,5/1 2/1 - 1/1 1/1 - 0,5/ 80 4/1 - 3/1 2/1 - 1,5/1 2/1 - 1/1 1/1 - 0,5/ 60 4/1 - 3/1 2/1 - 1,5/1 1,5/1 - 1/1 1/1 - 0,5/ 50 3/1 1,5/1 1/1 - 0,5/1 1/1 - 0,5/ 40 3/1 - 3/1 1,5/1 1/1 - 0,5/1 1/1 - 0,5/ 30 3/1 - 2/1 1,5/1 1/1 - 0,5/1 1/1 - 0,5/

Tabla 1.

• Para la transformación de vehículos pesados a vehículos ligeros, se usarán las equivalencias mostradas en la tabla 1.2. Los vehículos ligeros son aquellos de dos ejes y cuatro ruedas; y los