NOTAS DE CLASE Infraestructura del Transporte Terrestre Diseño Geométrico Ing. Roberto D. Agosta robertoagosta@alum.calberkeley.org Ing. Arturo Papazian apapazian@fi.uba.ar 1 1
Contenido Conceptos básicos. Criterios generales de diseño. Características de los vehículos carreteros. Trazado altimétrico: curvas verticales. Trazado planimétrico: curvas horizontales/peraltes. Desagües y drenajes. Movimiento de suelos. 2 2
Definiciones Diseño geométrico: se refiere al dimensionamiento físico de la infraestructura, diferenciándose de otros aspectos del diseño, como el estructural. Comprende 5 aspectos básicos: sección transversal del camino; curvas horizontales (planimetría); curvas verticales (altimetría); peraltes; y desagües y drenajes. Trazado: Definición - en planta y en elevación - de las coordenadas de la rasante del camino. Rasante: Línea de eje del camino a la altura de la calzada. 3 3
Elementos de la sección transversal de una obra vial Paquete estructural: pavimento (capa de rodamiento), base y subbase. Alambrado Banquina Carril Rasante Talud Contratalud Alcantarilla Cuneta Subrasante Calzada Zona de Camino (expropiación) 4 4
Sección transversal de una obra vial Perfiles viales diversos: calzadas indivisas 5 5
Sección transversal de una obra vial Perfiles viales diversos: calzadas divididas Deseable 9 3 7 3 12 Secciones de plataforma para carreteras divididas Intermedio Cada pavimento inclinado en dos sentidos 6 3 7 3 7 6 Con restricciones Cada pavimento inclinado en un sentido 6 6
Intersecciones viales Tipos de intersección A NIVEL: No canalizadas Canalizadas Rotatorias T (o en 3 direcciones) 4 direcciones Múltiples direcciones A DISTINTO NIVEL: Puente sin accesos Puente con accesos Trébol de cuatro hojas Intersección de tres o más niveles 7 7
Intersecciones viales Intersecciones a nivel: simples no canalizadas T simple c/carril de giro c/carril de adelantamiento c/carril de giro y de adelantamiento 8 8
Intersecciones viales Intersecciones a nivel: simples canalizadas T canalizada con plataforma de giro c/un par de plataformas de giro c/isleta divisoria y carril de adelantamiento c/isletas divisorias y plataformas de giro 9 9
Intersecciones viales Intersecciones a nivel: elementos Isletas divisorias Carril de giro a la derecha Carril de adelantamiento Plataformas de giro 10 10
Intersecciones viales Intersecciones a distinto nivel 11 11
Intersecciones viales Intersecciones a distinto nivel 12 12
Factores que influencian el diseño vial Resumen Funcionalidad de la vía: categoría (especial y de I a V) clasificación velocidad de diseño. Tránsito: volumen composición (clasificación). Topografía: terreno llano, ondulado o montañoso. Geotecnia: tipos de suelos y yacimientos de materiales naturales. Clima: ladera del sol en zonas de heladas. 13 13
Factores que influencian el diseño vial Resumen Características de manejo. Tamaño y características de los vehículos. Factores de seguridad. Costos unitarios de insumos. Disponibilidad de recursos financieros. Consideraciones sociales: aislamiento de barrios, estética de diseño. Consideraciones ambientales: áreas sensibles, medidas de mitigación. 14 14
Factores que influencian el diseño vial Funcionalidad de la vía: movimientos Jerarquías de movimientos: movimiento principal; transición; distribución; colección; acceso; y terminación. Arterias de velocidad moderada Caminos colectores Destino Reducción de velocidad en las ramas Movimiento ininterrumpido, flujo de alta velocidad 15 15
Factores que influencian el diseño vial Funcionalidad de la vía: relaciones funcionales Categorización de viajes Clasificación funcional de caminos y calles Zona rural Arterias principales Autopistas Otras arterias principales Arterias menores Colectoras rurales Caminos locales rurales Zona urbana Arterias principales urbanas Autopistas Avenidas, calles principales Arterias menores Calles colectoras Calles locales 16 16
Factores que influencian el diseño vial Funcionalidad de la vía: esquemas funcionales Zona rural Arterias principales Autopistas Otras arterias principales Arterias menores Colectoras rurales Caminos locales rurales Zona urbana Arterias principales urbanas Autopistas Avenidas, calles principales Arterias menores Calles colectoras Calles locales 17 17
Factores que influencian el diseño vial Funcionalidad de la vía: funciones de las calles SOCIAL AMBIENTAL O ECOLOGICA ACCESO TRÁNSITO O MOVILIDAD Es la que desempeña la vía pública como ámbito de relaciones que ligan la vida de cada persona, vecino, ciudadano, con la de su comunidad, vecindario o ciudad. Es la que cumple la vía al proporcionar luz, aire y un medio ambiente propicio en torno a los edificios. Se refiere a la utilización de la vía en el componente peatonal de un viaje vehicular, ya sea de personas o de bienes, tanto en los extremos de viaje como en los transbordos. También comprende el ingreso de los vehículos, o su salida, a o de edificios y predios, así como el estacionamiento en la adyacencia de éstos Es la que cumple la vía en tanto sirve a los movimientos vehiculares, ya sea de una parte de la ciudad a otra, como desde o hacia el exterior de la misma. 18 18
Factores que influencian el diseño vial Funcionalidad de la vía: acceso vs. movilidad Tipos de vías según el control de acceso y la participación de tránsito pasante ACCESO vs MOVILIDAD 19 19
Factores que influencian el diseño vial Tránsito: variables asociadas Transito Medio Diario Anual (TMDA) Volumen Horario de Diseño (VHD) Nivel de Servicio de Diseño Distribución direccional (D) Porcentaje de camiones (%C) 20 20
Factores que influencian el diseño vial Tránsito: TMDA y VHD Transito Medio Diario Anual Volumen Horario de Diseño TMD TMDA n i= = 1 n V 365 i V i = 1 = i 365 19% 15% 12% 21 21
Factores que influencian el diseño vial Tránsito: Nivel de Servicio de Diseño Nivel de Servicio de Diseño Tipo de vía Localización rural Llana u ondulada Montañosa Localización urbana y suburbana Autopista B C C Arteria B C C Colectora C D D Local D D D 22 22
Factores que influencian el diseño vial Características de diseño geométrico de caminos rurales Categoría del Camino Especial I II III IV V Características Básicas TMD Diseño Control de Accesos Nº de Trochas Topografía Velocidad Directriz [km/h] Peralte Máximo [%] Radio mínimo Deseable [m] Absoluto [m] >15.000 Total >(2+2) Llanura 130 8% 1.200 700 Ondulado 110 8% 800 500 Llanura 130 8% 1.200 700 5.000 a Total o 15.000 parcial 2+2 Ondulado 110 8% 800 500 Montañosa 80 10% 550 220 Llanura 120 8% 900 600 1.500 a 5000 Parcial 2 Ondulado 100 8% 600 400 Montañosa 70 10% 250 160 Llanura 110 8% 800 500 500 a Parcial o 1.500 sin control 2 Ondulado 90 10% 450 300 Montañosa 60 10% 180 120 Llanura 100 8% 600 400 150 a 500 Sin control 2 Ondulado 70 10% 250 160 Montañosa 40 10% 80 50 Llanura 90 8% 520 300 <150 Sin control 2 Ondulado 50 10% 120 80 Montañosa 30 10% 40 25 23 23
Factores que influencian el diseño vial Tamaño y características de los vehículos Clasificación de la AASHTO P Automóvil SU Camión liviano BUS Autobús A-BUS Autobús articulado WB-12 Semirremolque intermedio 1-1-2 WB-15 Semirremolque grande 1-2-2 WB-18 Semirremolque-Remolque completo Doble fondo WB-19 Semirremolque interestatal 1-2-2 WB-20 Semirremolque interestatal 1-2-2 WB-29 Semirremolque triple 1-1-1-1-1-1-1 WB-35 Semirremolque doble Turnpyke 1-2-2-2-2 MH Casa rodante P/T Coche y remolque caravana P/B Coche y remolque bote MH/B Casa rodante y remolque bote 24 24
Factores que influencian el diseño vial Tamaño y características de los vehículos 25 25
Factores que influencian el diseño vial Tamaño y características de los vehículos - DNV 11 12 SIN ACOPLADO 11-12 11-12 12-11 12-12 LIVIANOS OMNIBUS 111 112 113 122 123 CON ACOPLADO SEMIRREMOLQUE 26 26
Factores que influencian el diseño vial Tamaño y características de los vehículos 27 27
Factores que influencian el diseño vial Consideraciones ambientales: impactos del transporte USO DE RECURSOS causas: infraestuctura / vehículos ESPACIO URBANO ENERGIA PAISAJE ACCIDENTES RUIDO DETERIORO DEL MEDIO SOCIAL Y FISICO causas: infraestuctura / vehículos CONTAMINACION AIRE VIBRACIONES SEPARACION INTIMIDACION, DEMORAS PEATONALES INTRUSION VISUAL EMISIONES ELECTROMAGNETICAS PLANNING BLIGHT 28 28
Factores que influencian el diseño vial Consideraciones ambientales: impacto ambiental Representación Esquemática INTRUSION VISUAL - SEPARACION RUIDO - POLUCION DEL AIRE - VIBRACIONES CAMBIOS EN LA ACCESIBILIDAD ESPACIAL VIA USO DEL SUELO VIA CAMBIOS EN LA ACCESIBILIDAD ESPACIAL RUIDO - POLUCION DEL AIRE - VIBRACIONES INTRUSION VISUAL - SEPARACION 29 29
Factores que influencian el diseño vial Consideraciones ambientales: mitigación Mitigación: atenuación del impacto mediante acciones intramodales; intermodales; y planeamiento integral uso del suelo y transporte. Mitigación intramodal: Tecnología vehículos y sistemas de control Operación utilización de la capacidad modalidad de operación Infraestructura emplazamiento protección Normas Mitigación intermodal: Partición modal de los viajes Planeamiento integral uso del suelo y transporte: Zonificación Disminución de necesidades de transporte 30 30
Factores que influencian el diseño vial Consideraciones ambientales: trade-offs mitigación Interacción entre distintos tipos de impactos Enfoque sistémico Evaluación integral Ejemplos: seguridad vs. consumo consumo energético vs. ruido emisiones (velocidad, congestión) vs. seguridad, ruido consumo energético (aditivos) vs. Contaminación LEY DE BUCHANAN accesibilidad ambiente costo Estudio analítico de los impactos: Unidad de medida Criterio de evaluación Correlación causa/efecto Estándar ambiental Capacidad ambiental 31 31
Factores que influencian el diseño vial Consideraciones ambientales: ruido Causas Estudios empíricos permiten correlacionar: características de la vía (ancho, pendiente) características del tránsito (volumen, composición, velocidad) distancia entre la fuente y el receptor. Características del tránsito (ejemplos): Volumen 2000 veh/hora Velocidad media 110 km/hora Composición 1 camión a 90 km/h Genera el doble de ruido que: Genera el doble de ruido que: Genera el mismo ruido que: 200 veh/hora 50 km/hora 28 autos a 90 km/h 32 32
Factores que influencian el diseño vial Consideraciones ambientales: ruido Características geométricas y de diseño: La intensidad sonora disminuye con el cuadrado de la distancia (si la fuente es puntual) o con la distancia (si la fuente es lineal). Vegetación Reduce el ruido a la mitad (10 dba) 33 33
Factores que influencian el diseño vial Consideraciones ambientales: ruido 34 34
Factores que influencian el diseño vial Consideraciones ambientales: ruido 35 35
Velocidad de diseño Velocidad directriz (V D ) Es la máxima velocidad a la cual un conductor de habilidad media manejando con razonable atención puede circular con entera seguridad. También, es la máxima velocidad segura que puede mantenerse sobre una dada sección de carretera cuando las condiciones son tan favorables que gobiernan las características de diseño de la carretera (AASHTO). Rige el diseño de todos los elementos del camino: una vez seleccionada, todas las características pertinentes de la carretera deberían relacionarse a la velocidad directriz para obtener un diseño equilibrado. 36 36
Velocidad de diseño Velocidad de Operación y Velocidad de Marcha Velocidad de operación: es la más alta velocidad general a la cual un conductor puede viajar sobre una carretera dada bajo condiciones de tiempo favorables y bajo condiciones prevalecientes de tránsito, sin superar en ningún momento la velocidad segura según está determinada por la velocidad directriz sobre una base de sección-por-sección. Velocidad de marcha: es la velocidad de un vehículo sobre una sección de carretera; es la distancia recorrida dividida por el tiempo de marcha (el tiempo que el vehículo está en movimiento). 37 37
Velocidad de diseño Velocidad directriz (V D ) No debería suponerse una VD baja donde la topografía es tal que probablemente los conductores viajen a altas velocidades. Los conductores no ajustan sus velocidades a la importancia de la carretera, sino a su percepción de las limitaciones físicas, y por consiguiente, el tránsito. La VD seleccionada debería ajustarse a los deseos y hábitos de viaje de casi todos los conductores. 38 38
Trazado de un camino Concepto General Trazado: Definición - en planta y en elevación - de las coordenadas de la rasante del camino. PLANIMETRÍA 1 Progresivas (km) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 15 17 ALTIMETRÍA (desarrollada) Cotas (m) E H = 1:5000 E V = 1:100 Progresivas (km) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 39 39
Trazado de un camino Plano Tipo 40 40
Trazado planimétrico Principios Disponer la mayor cantidad posible de rectas. No disponer tramos rectos de más de 10 km de longitud, interponiendo curvas amplias (mantenimiento de la atención del conductor). Evitar trazados contiguos a vías férreas (accesibilidad + empalmes). Atravesar cursos de agua en puntos estables del cauce y preferentemente en forma normal a los mismos. Cruzar vías férreas preferentemente a distinto nivel o a nivel en forma normal (nunca inferior a los 60 ). Distancia de visibilidad distancia de detención en todo el camino. Zonas de sobrepaso permitido a no más de 2 minutos de distancia a la Vd. 41 41
Trazado altimétrico Cruces Cruce de caminos a distinto nivel o p/debajo vía férrea: Altura Libre de Paso (ALP) = 4,80m Altura de la estructura (AE) = 1,40m H = 6,20m Cruce de camino sobre vía férrea: Trocha ancha (1,676m) ALP = 5,20m H = 6,60m Trocha media (1,435m) ALP = 5,10m H = 6,50m Trocha angosta (1,000m) ALP = 4,40m H = 5,80m Revancha de la estructura sobre cursos de agua: Curso permanente = 1,00m Alcantarillas = 0,40m Altura de rasante sobre aguas libres: Aguas subterráneas = 1,80 m Zonas inundables = 1,00 m 42 42
Diseño altimétrico Curvas verticales Objeto: Vincular verticalmente dos rasantes - al menos una de ellas no horizontal - que forman por lo tanto un cierto ángulo entre sí. Los tramos rectos - de distintas pendientes longitudinales - se empalman mediante una parábola contenida en el plano vertical. 43 43
Diseño altimétrico Curvas verticales: tipos Convexas Cóncavas 44 44
Diseño altimétrico Curvas verticales: longitud mínima Los factores a considerar para el cálculo de la longitud mínima (L) de la curva vertical son: Seguridad Visión de un obstáculo con anticipación suficiente para detener el vehículo. Comodidad Limitación de la aceleración radial (0,3m/s 2 ). Estética Rasante sin quiebres. 45 45
Diseño altimétrico Curvas verticales: longitud mínima Longitud Mínima (L) por seguridad: El conductor debe ver un obstáculo imprevisto con la debida anticipación, de modo que pueda detener su vehículo, circulando a la velocidad de diseño, antes de alcanzarlo. Sentado en un automóvil, debe ver un objeto de altura H2 sobre el pavimento a una distancia mayor o igual a la distancia de detención. Según la DNV H 1 = 1,10 m (altura del ojo del automovilista) H 1 = 0,65 m (altura del faro) = 0,20 m (altura del objeto) H 2 46 46
Diseño altimétrico Curvas verticales: distancia de detención Distancia de detención: es la distancia que recorre un conductor de habilidad media, circulando con la velocidad de diseño, desde que observa un obstáculo hasta que se detiene. El tiempo de detención se divide en: Tiempo de percepción y reacción (t P ): es el tiempo que transcurre desde que se observa el obstáculo hasta que se acciona el freno. Tiempo de frenado (t F ): es el tiempo que transcurre desde que se accionan los frenos hasta que se detiene el vehículo. 47 47
Diseño altimétrico Curvas verticales: distancia de frenado FUERZAS ACTUANTES (rampa) ma Condición de equilibrio estático W g a + fw cos α + W senα = 0 [2] W senα α x W 2 v v 2a F = fn = W cosα 2 0 x0 = [1] fw cosα N = W cosα Distancia de frenado D F = x cosα Sustituyendo [3] en [1], resulta: a = 2 v v 2 2 0 cosα D F Y luego sustituyendo en [2], y dividiendo por W cosα: 2 2 v0 v D F = 2 g + ( f i) [3] 48 48
Diseño altimétrico Curvas verticales: distancia de frenado FUERZAS ACTUANTES (pendiente) ma Condición de equilibrio estático W g a + fw cos α W senα = 0 [2 ] W senα α x W 2 v v 2a F = fn = W cosα 2 0 x0 = [1] fw cosα N = W cosα Distancia de frenado D F = x cosα Sustituyendo [3] en [1], resulta: a = 2 v v 2 2 0 cosα D F Y luego sustituyendo en [2 ], y dividiendo por W cosα: D F 2 2 v0 v = 2 g ( f i) [3] 49 49
Diseño altimétrico Curvas verticales: distancia de detención Distancia de frenado: Donde: V D Velocidad de diseño [km/h] f L Coeficiente de fricción longitudinal i Pendiente (tan α) Distancia de percepción: Donde: t P Tiempo de percepción [seg] = 2,5 Velocidad de diseño [km/h] V D D F 2 V V D (km/h) D = 254 t V D P = 3,6 P. D ( f i) l 60 80 100 120 140 160 f l 0,35 0,32 0,29 0,27 0,26 0,25 Distancia de detención: D D = D P + D F VD. t = 3,6 P + V 254 2 D ( f i) l 50 50
Diseño altimétrico Curvas verticales: distancia de sobrepaso Distancia de sobrepaso: S V D Distancia que necesita un vehículo para sobrepasar a otro que marcha en igual sentido en el mismo carril sin peligro de interferir con un tercer vehículo que se hace visible al iniciar la maniobra y que circula en sentido contrario por el carril que se utiliza para el sobrepaso. D = 7 51 51
Diseño altimétrico Curvas verticales: distancia de sobrepaso D = 7 S V D 52 52
Diseño altimétrico Curvas verticales: elementos PIV Elementos de la Curva Vertical i1 PC FC i2 L Longitud de curva vertical PC Principio de curva FC Fin de curva i1,i2 pendientes PIV Punto de intersección vertical E Externa Ecuación de la parábola: i2 i1 2 y = x + 200L Externa: i2 i1 E = L 800 i1 x 100 53 53
Diseño altimétrico Curvas verticales Curvas Convexas: i=i1- i2 > 0 Por seguridad: Por comodidad: L = 0,0032. 2 D. D L = 0,0025. 2 V. D i i Se adopta la longitud mayor de los 3 casos Por estética: L = 0,7.V D Nota: i en [%] / D D y L en [m] / V D en [km/h] 54 54
Diseño altimétrico Curvas verticales Curvas Cóncavas: L i=i1- i2 < 0 PC L/2 FC i Por seguridad: Por comodidad: 2 DD. i L = 130 + 3,5D L = 0,0025. 2 V. D D i Se adopta la longitud mayor de los 3 casos Por estética: L = 0,7.V D Nota: i en [%] / D D y L en [m] / V D en [km/h] 55 55
Diseño altimétrico Síntesis de los pasos 1. Cálculo diferencia de pendientes i = i 2 i 1 2. Cálculo de la Distancia de Detención (DD) en función de Vd. 3. Cálculo de la longitud de curva más crítica (más larga). 4. Cálculo de la externa. 5. Replanteo. 56 56
Diseño planimétrico Curvas horizontales Objeto: Vincular en planta dos alineamientos de rasantes que forman un cierto ángulo horizontal entre sí permitiendo desarrollar progresivamente las fuerzas centrífugas y desarrollar el peralte para compensarlas parcialmente. Compuestas por una curva circular y dos curvas de transición (espirales) a la entrada y salida. 57 57
Diseño planimétrico Curvas horizontales Radio mínimo de curva circular (Rc): Caminos rurales primarios : entre 250 y 350 m (excepcionalmente en zonas montañosas se pueden encontrar radios de 175 m) Colectoras : 107 m Caminos residenciales: 34 m Curva de transición: Se diseña de tal manera que sea constante la variación de la aceleración centrífuga al pasar del tramo recto al curvo (evita el deslizamiento transversal o vuelco y la incomodidad de la variación brusca). L e = 3 VD 28* R C Donde: V D = velocidad de diseño (km/h) R c = radio de la curva circular (m) 58 58
Diseño planimétrico Curvas horizontales: elementos PI TE EC CE ET Punto intersección tangentes principales Punto común de la tangente y la espiral Punto común de la espiral y la circular Punto común de la circular y la espiral Punto común de la espiral y la tangente θ = e Le 2* R c c L c = 2* π * R c * 360 Rc Radio curva circular Le Longitud de la curva espiral Lc Longitud de la curva circular entre EC y CE Te Segmento de tangente principal entre TE y PI E Externa Ángulo entre tangentes principales c Ángulo tangentes en EC y CE Θe Ángulo tangentes extremas espiral K y P Coordenadas de Pc con respecto a TE c = 2* θ e L = L + 2* L t c e 59 59
Diseño planimétrico Curvas horizontales: peralte Peralte: Inclinación de la calzada hacia el borde interno de la curva que sirve para atenuar o compensar parcialmente la acción de la fuerza centrífuga que tiende a producir el deslizamiento o vuelco del vehículo. Valores máximos del peralte p = tg α 10% en zonas montañosas osas 8% en zonas llanas 6% en zonas próximas a áreas urbanas Vd en km/h p + f T 2 VD = 127* R R en metros f T = coeficiente de fricción transversal f T = f (V D ) 0,13 (100 km/h). 60 60
Diseño planimétrico Curvas horizontales: transición del peralte Forma de llegar a la curva circular con el máximo peralte. Alrededor del eje del camino Alrededor del borde interno Máxima pendiente de la rampa al peralte (%) = 40 / Vd, para una dada longitud de la curva de transición. 61 61