diseÑo geometrico

Proyecto Carreteras I-2013

INTRODUCCION

Desde el principio de la existencia del ser humano se ha observado su necesidad por transportarse y comunicarse, motivo por lo cual fue desarrollando diversos métodos para la construcción de caminos, desde los hechos a base de piedra y aglomerante hasta nuestra época con métodos perfeccionados basándose en la experiencia que conducen a grandes autopistas de pavimento flexible o rígido.

En el caso de una vía en desarrollo que a la vez es una opción alternativa a una vía interdepartamental se deben de tomar en cuenta parámetros importantes. El presente proyecto, desarrollará el tema de organización, análisis de precios y programación de un proyecto vial ejecutado

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ANTECEDENTES

Las dos localidades beneficiadas por este proyecto ya desde mucho tiempo sobresalen por su producción agrícola que día a día se va desarrollando.

Se destaca por la producción de productos y diferentes hortalizas en grandes cantidades y esta a su vez se convierte en una de las actividades económicas más importantes de la región.

Por su parte con la producción de materia prima se convierte en una zona muy importante para el desarrollo agrícola de la región

Un proyecto vial que una estas es muy requerido para beneficio no solo de ambas localidades sino del departamento por la importancia en el desarrollo interno que generaría el comercio de los productos agrícolas que ambas pueden ofrecer.

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JUSTIFICACION

Las bases justificativas de este proyecto se vislumbran a raíz de lograr una comunicación vial que satisfaga las necesidades de la región, tomando en cuenta que será una vía alternativa hacia una zona de producción agrícola la cual podría generar ingresos directos e indirectos a los pobladores de la región, incluso llegando a beneficiar al departamento

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

Realizar el mejoramiento del camino “ ” mediante un tratamiento superficial que pueda optimizar el flujo vehicular en esta vía que es de gran importancia para el desarrollo de la región, además de la realización de dos puentes en este mismo que son necesarios debido a las constantes crecidas de los ríos logrando mejores condiciones en el transporte de productos.

OBJETIVO ESPECIFICO:

- Lograr mejores condiciones para el transporte de los productos agrícolas de ambas localidades y para el desarrollo de estas.

- La construcción de dos puentes que ayudaran a que los vehículos ya no tengan la necesidad de cruzar el rio sin ningún tipo de seguridad y o verse perjudicados en época de crecidas.

- Ayudar a la economía y subsistencia de la región comunicándola de manera eficiente.

- Mediante dos frentes de trabajo optimizar el mismo y realizar una eficiente realización de la obra en plazos mínimos.

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DISEÑO GEOMÉTRICO

1.1. INTRODUCCIÓN

La información y detalle de normas y criterios de diseño de este capítulo esta basado en el “MANUAL Y NORMAS DE DISEÑO GEOMÉTRICO DE CARRETERAS” del Servicio Nacional de Caminos, que en la actualidad se encuentra en vigencia y el manual de normas AASHTO de 1990 para Carreteras.

Cabe recalcar que las normas son referenciales, porque el Diseño Geométrico de una carretera esta supeditada a muchos factores que pueden alterar u omitir algunas de estas normas, todo según el criterio del proyectista, los factores más comunes y normalmente los más importantes son la topografía del terreno y la economía.

Si bien podemos diseñar una carretera ajustándonos rigurosamente a las normas, esto puede afectar a la larga en un costo elevado del proyecto y por consiguiente en la no factibilidad del mismo.

1.2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO GEOMÉTRICO

Estos factores son diferente índole, y para encarar el Diseño Geométrico se los tiene que tomar muy en cuenta.

1.2.1. FACTORES OPERATIVOS

El volumen y características del tránsito que circulará por el tramo del proyecto, que lo obtenemos del Estudio de Tráfico, el cual nos indica que el T.P.D.A. es de 18 vehículos / día. Estos datos se encuentran con más de talle en el capítulo correspondiente.

La velocidad de operación de los vehículos, y por los tanto la Velocidad directriz del proyecto.

La función requerida por los usuarios.

1.2.2. FACTORES FÍSICOS

La Topografía, que en el caso del tramo estudio en muy montañosa, con frecuentes quebradas.

La Hidrología, para un diseño optimo de las Obras de Drenaje. La Geología, que nos indica los tipos de formaciones rocosas y características del

suelo.

1.2.3. FACTORES AMBIENTALES

Actividades de la zona de influencia. Integración con otras infraestructuras y con la propiedad adyacente. Efectos estéticos y características ecológicas.

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Seguridad de bienes

1.2.4. FACTORES ECONÓMICOS

Construcción por etapas. Costo de construcción inicial. Costos de mantenimiento de la infraestructura. Costos de operación de los vehículos. Costos del tiempo de los usuarios. Costos de los accidentes. Costos de los efectos ambientales.

1.3. FACTORES PRINCIPALES

Muchos de estos factores anteriormente nombrados, responden a características particulares del área donde se localiza el proyecto, sin embargo algunos factores tienen importancia fundamental.

1.3.1. FACTORES FUNCIONALES

Estos factores se refieren a la función que cumple el tramo de carretera en relación al servicio requerido por los usuarios.

La aplicación de este concepto, conduce a considerar criterios de la clasificación funcional de las carreteras, los que generalmente se agrupan en:

Arteriales, que proporcionan un alto nivel de movilidad. Colectoras, que proporcionan movilidad y acceso a la propiedad. Locales, que proporcionan un alto grado de acceso a la propiedad.

1.3.2. FACTORES DE TRAFICO

Este importante factor para el Diseño Geométrico cuantifica y califica la demanda que hará uso la carretera, a través de diversas formas de medición o evaluación.

En el Capítulo 5 se ha desarrollado con bastante amplitud este aspecto.

1.3.3. VELOCIDAD DIRECTRIZ

La Velocidad Directriz o velocidad de diseño, es la velocidad que condicional el Diseño Geométrico de una carretera, principalmente en Alineamiento Horizontal y Vertical.

Se puede definir como la mayor velocidad a la cual puede ser recorrida con seguridad un tramo de carretera.

En el proyecto se esta asumiendo una Velocidad de Diseño para topografía muy montañosa de 60 km/hr.

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1.3.4. NIVELES DE SERVICIO Y CAPACIDAD

El nivel de servicio es un concepto cualitativo basado en la incidencia de varios factores, entre ellos la velocidad y el tiempo de viaje, las interrupciones o restricciones al tránsito, la libertad de maniobra, la seguridad, la comodidad y conveniencia y los costos de operación.

Según el “Manual de Capacidad de Caminos” se definen seis niveles de servicio, desde la A (el mejor), hasta la F (el peor), que abarca toda la gama posible de condiciones de operación del tránsito, según el tipo de carretera que se esta diseñando en este proyecto podemos ubicarlo en el Nivel D, esto debido a la velocidad directriz que se esta asumiendo y el reducido volumen de trafico que se ha estimado.

1.3.5. VEHÍCULO TIPO PARA EL DISEÑO

Las características de los vehículos que circularán por la carretera condicionan los diversos aspectos del diseño geométrico. Así pues estas características son:

Ancho de los vehículos. Distancia entre ejes. Longitud total de los vehículos. Relación potencia peso de los vehículos. Altura admisible para los vehículos. Velocidades máximas que pueden desarrollar. Las dimensiones mínimas de los vehículos livianos.

El vehículo tipo seleccionado para el diseño es el que corresponde al “Camión”, código SU. Para la elección del vehículo tipo se ha utilizado las siguientes tablas según se indica en las normas AASHTO de 1990.

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Cuadro 1: Radios mínimos de giro de vehículos para diseño

Vehículo Tipo CódigoRadio

Exterior (m)

Radio Interior

(m)Esquema

Automóvil O 7.32 4.21

Camión SU 12.80 8.47

Omnibus BUS 12.80 7.44

Omnibus articulado

A-BUS 11.58 4.27

Tractor con semiacoplado-medio

W-40 12.19 5.76

Tractor con semiacoplado-grande

W-50 13.72 5.85

Tractor con semiacoplado y acoplado

W-60 13.72 6.77

Camion con doble acoplado

W-114 18.29 5.18

Casa autoportante

MH 12.19 7.92

Auto con casa rodante

P/T 7.32 0.61

Auto con trailer y casa

P/B 7.32 1.98

Fuente: Normas AASHTO 1990.

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Cuadro 2: Dimensiones de vehículos para Diseño I

Vehículo Tipo

CódigoValor Total (m)

EsquemaAlto Ancho Largo

Automovil O 1.30 2.13 5.80

Camión SU 4.12 2.59 9.15

Omnibus BUS 4.12 2.59 12.19

Omnibus articulado

A-BUS 3.20 2.59 18.29


W-40 4.12 2.59 15.24


W-50 4.12 2.59 16.76


W-60 4.12 2.59 19.81


W-114 4.12 2.59 35.97

Casa autoportante

MH 2.43 9.14


P/T 2.43 14.94


P/B 2.43 12.80


Cuadro 3: Dimensiones de vehículos para Diseño II

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Vehículo TipoCódig

o

Valor Sobresaliente Dist.

entre ejes (m)

EsquemaFrontal (m)

Trasero(m)

Automovil O 0.91 1.52 3.35

Camión SU 1.22 1.83 6.10

Omnibus BUS 2.13 2.44 7.62

Omnibus articulado A-BUS 2.59 2.90 5.49


W-40 1.22 1.83 12.20


W-50 0.91 0.61 15.24


W-60 0.61 0.91 18.30


W-114 0.61 0.61 34.75

Casa autoportante MH 1.22 1.83 6.10


P/T 0.91 3.05 8.84


P/B 0.91 2.44 7.92


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1.4. CRITERIOS PARA DEFINIR LAS CARACTERÍSTICAS DE LA CARRETERA

En base a lo antecedido se definen las características del diseño geométrico, después de una evaluación de todos los factores que influyen en este.

A continuación se detallan algunos criterios generales que nos recomiendan el “Manual y Normas para el Diseño Geométrico de Carreteras”:

Es imprescindible el estudio de la demanda actual y futura del tránsito y sus particularidades.

Debe definirse el tipo de servicio o de función que la carretera brindará al usuario. La seguridad de los usuarios de la carretera y la de los bienes y las personas que no

al utilizan pero se ven afectadas por su existencia y uso, es un argumento que debe estar presenten todas las acciones del diseño.

El trazado planialtimétrico debe armonizar con el medio natural que le rodea. La elección de la velocidad directriz condiciona gran parte del diseño de la

geometría del camino, por lo tanto afecta sensiblemente al costo de la construcción, especialmente cundo mas desfavorable son las condiciones físicas del terreno donde se desarrolla el trazado.

La satisfacción de las calidades de servicio requeridas por una demanda futura, puede obtenerse mediante la definición de características de diseño a la que se llegue con un sistema de construcción por etapas.

1.5. CLASIFICACIÓN DE LAS CARRETERAS

Si bien cada carretera el singular, o sea que necesita un conjunto específico de patrones de diseño, se ha agrupado en determinadas categorías para facilitar la identificación del tipo de carretera a diseñar.

Categoría 0: Corresponde a una autopista con control total de accesos. Categoría I.A: Corresponde a una carretera de doble calzada con control parcial de

accesos. Categoría I.B: Corresponde a una carretera de elevado patrón de diseño, con

requerimientos similares a los de la Categoría I.A pero que pueden ser satisfechos con una calzada simple de dos carriles.

Categoría II: Corresponde a una carretera que a los 10 años de ser habilitada, presenta volúmenes de tránsito superiores a los 300 vehículos/día.

Categoría III: Con similares consideraciones que la categoría anterior, poseyendo un diseño adecuado a tránsitos mayores de 300 vehículos/día a los 10 años de habilitado.

Categoría IV: Corresponde a la mínima categoría de clasificación, en la que se encuadran todos aquellos caminos que presentarían en su habilitación tránsito menores de 200 vehículos/día. Son en general carreteras que se construyen para satisfacer vinculaciones donde el tráfico aún no se ha desarrollado suficientemente o bien son simplemente vías locales donde la función primordial es el acceso a la propiedad.

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Considerando las características de cada una de las categorías, la carretera diseñada se encuentra dentro la Categoría IV.

A continuación mostramos la tabla de categorías según el Servicio Nacional de Caminos.

Cuadro 4: Categorías de Diseño para nuevo trazado de Carreteras en áreas Rurales

Categoría de la

carreteraCaraterísticas (1) Criterio de Clasificación (2)

Velocidades Directrices (km/hr) (3)

0

Doble Calzada - TMDA mayor a 15000

120 - 80Dos o mas Carriles por dirección - VHD corresponde al nivel

de servicio CControl total de Acceso - Función de total prioridad:

movilidad

I . A

Doble Calzada- TMDA mayor a 5000

120 - 70- VHD corresponde al nivel

Dos o mas Carriles por dirección de servicio C o superior

Control parcial de Acceso- Función más importante: movilidad

I . B

Calzada Simple - TMDA mayor a 1500

120 - 70Dos carriles- VHD corresponde al nivel de servicio igual o

Control parcial de Acceso superior al C o D

IICalzada Simple

- TMDA mayor a 700 100 - 50Dos carriles

IIICalzada Simple

- TMDA mayor a 300 80 - 40Dos carriles

IVCalzada Simple

- TMDA menor a 200 (4) 80 - 30Dos carriles

(1)Donde no se indica el tipo de control de acceso este puede ser parcial ono existir según cada caso particular

(2)Los valores de TMDA -expresados en vehículos/día- y los niveles de servicioal que corresponde el VHD son a los 10 años de habilitada la obra.Donde no se indica la Función, ésta dependerá de cada caso particular.Cuando no se indica el VHD, este debe corresponder a las condicionescualitativas de operación del nivel de servicio C o D, según las condicionesprevalecientes de tránsito y la calzada, aunque según el Manual deCapacidad de Caminos esos niveles no están definidos para velocidadesdirectrices inferiores a 72 y 64 km/hr respectivamente.

(3)La elección de la Velocidad Directriz dependerá de las dificultades queofrezca el terreno. El rango es solo indicativo.

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(4)En el caso particular de la categoría IV el TMDA corresponde al año dehabilitación.

Fuente: Manual y Normas para el Diseño Geométrico de Carreteras, del Servicio Nacional de Caminos

1.6. ALINEAMIENTO HORIZONTAL

Gráfico 1: Curva circular

Donde:

PC = Principio de la curva, punto de contacto de la curva con la primera tangente

CC = Centro de curvaFC = Fin de curvaT = Longitud de la tangente, distancia de PC a PI (m)PI = Pinto de intersección de la tangentes principalesE = Externa o distancia del vértice, entre PI y CCRc = Radio de la curva = Angulo entre las alineacionesCL = Cuerda largaM = Ordenada media

1.6.1. CONCEPTO

El alineamiento horizontal es el trazado en planta, en dos dimensiones de la carretera que nos muestra la trayectoria que seguirá en eje de la vía.

En lo posible debe ajustarse el trazado a la conformación básica de la naturaleza, en casos como este cuando el terreno es muy montañoso y existen sectores de descenso muy abruptos

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conviene utilizar curvas de radio mínimo para que los cortes cajón que se produzcan reduzcan al mínimo el movimiento de tierras.

1.6.2. RADIOS MÍNIMOS DE CURVAS CIRCULARES HORIZONTALES

Los Radios Mínimos de curvas horizontales son los menores que pueden ser recorridos a la velocidad directriz con el máximo peralte permitido, en condiciones aceptables de comodidad y confort.

El radio mínimo de la curva circular, calculado con el criterio de seguridad, responde a la siguiente expresión:

Rmin =V2

127 * ( emax + f )

Donde:R = Radio de curvatura (m)V = Velocidad directriz (km/hr)e = Peralte (m/m)f = Coeficiente de fricción transversal admisible entre neumático y

pavimento, adimensional.

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Gráfico 2: Esquema de giro del Camión Tipo asumido

1.6.3. PERALTE MÁXIMO ADMISIBLE

El peralte máximo es adoptado tomado en cuenta factores diversos como son:

Que el flujo de vehículos operes a una velocidad menor a la directriz. La velocidad del proyecto y su categoría. Longitud de tránsito de peraltes. Razones económicas. Desarrollo urbano adyacente a la carretera. Condiciones climáticas de la zona.

Teniendo en cuenta todos estos aspectos se ha resumido en la siguiente tabla todos los peraltes máximos más significativos.

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Cuadro 5: Peralte Máximo - emax

Criterio de Aplicaciónemax deseable

(%)emax absoluto

(%)

Zonas rurales con probabilidad de formación de hielo o acumulación de nieve sobre la calzada

6 6Carreteras categoría 0 y I.AZonas con desarrollo urbano adyacente a la carretera.

Zonas llanas y onduladas, sin probabilidad de formación de hielo o acumulación de nieve sobre la calzada

6 8

Zonas Montañosas, sin probabilidad de formación de hielo o acumulación de nieve sobre la calzada

8 10


Cuadro 6: Valores máximos admisibles del coeficiente de fricción transversal

Velocidad Directriz (km/hr)

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

f =0.196 - 0.0007*V

0.18 0.18 0.17 0.16 0.15 0.15 0.14 0.13 0.13 0.12 0.11


Cuadro 7: Radios mínimos Calculados en (m) para diferentes Velocidades Directrices, en función de los distintos Peraltes Máximos Deseables y Absolutos

Velocidad Directriz (km/hr)

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

f 0.18 0.18 0.17 0.16 0.15 0.15 0.14 0.13 0.13 0.12 0.11

emax

6% 13 30 55 89 132 186 252 330 423 532 659

8% 12 28 51 82 121 170 229 299 382 479 591

10% 11 26 47 75 112 156 210 274 348 435 535

Fuente: Manual y Normas para el Diseño Geométrico de Carreteras, del Servicio Nacional de CaminosTeniendo en cuenta las consideraciones anteriores, asumiremos un peralte máximo del 10%, y para una velocidad de 20 km/hr, nuestro radio mínimo calculado de curvatura sería de 11 m, pero asumiremos 12 m, correspondiente a la Categoría IV en terreno muy montañoso.

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Para el calculo de peraltes de radios superiores al mínimo, se utilizara la siguiente expresión:

enec = emax (2 * Rmin

-R2

min)

R R2

1.6.4. CURVAS DE TRANSICIÓN

Es conveniente introducir en el diseño, un elemento intermedio de radio variable en la unión de los tramos rectos y las curvas circulares, de tal modo que se produzca una trayectoria adecuada a los cambios de equilibrio dinámico del vehículo cuando este pasa de un recorrido rectilíneo a uno circular o viceversa.

La curva de transición que mejor se adopta a tales funciones es la clotoide, esta curva pertenece a la familia de las espirales y su curvatura, nula en el punto inicial, crece linealmente con su desarrollo.

La ecuación paramétrica de la clotoide, esta dada por la expresión:

R * L = A2

Donde:

R = Radio de la curva en el punto determinado de la misma (m)L = Desarrollo de la curva, desde el origen hasta el punto de radio R

(m)A = Parámetro de la clotoide (m)

Gráfico 3: Elementos de la curva de transición

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Donde:

PI = Punto de intersección de la tangentes principalesTE = Punto común de la tangente y la espiralEC = Punto común de la espiral y la curva circularCC = Centro de la curva totalCE = Centro común de la curva circular y la espiralET = Punto común de la espiral y la tangenteRc = Radio de curvatura circularLe = Longitud de la curva espiralL = Longitud genérica de la espiral, vale decir desde TE o ET hasta

un punto cualquiera de la mismaLc = Longitud de la curva circular entre EC y CETe = Segmento de tangente principal entre TE y PIEe = Externa de la curva total o distancia de la misma al vérticeTL = Longitud de la tangente larga de la espiralTC = Longitud de la tangente corta de la espiralCL = Cuerda de la espiral entreTE y ECPC = Principio de la curva circularKP = Coordenadas ortogonales de PC tomado como origen TE o ETØc = Angulo de las tangentes en EC y CEØ = Angulo de las tangentes principalesØ e = Angulo de las tangentes en los extremos de la espiralØ = Angulo de la tangente en TE con la tangente en un punto

genérico de la espiralʌe = Angulo de deflexión desde TE a ECʌ = Angulo de deflexión desde un punto de la espiral a otro punto

cualquiera de la mismaxc,yc= Coordenadas del punto EC con relación a TEx,y = Coordenadas de un punto cualquiera de la espiral con respecto a

TE1.6.4.1. PARÁMETROS PARA DEFINIR LA LONGITUD DE LA CURVA DE

TRANSICIÓN

i. Criterio de Comodidad

Lmin = 2.72 *V

(V2

- e )K 127 * R

Donde:Lmin = Longitud mínima de la clotoide (m)V = Velocidad directriz (m)e = Peralte de la curva circular (m/m)K = Variación por unidad de tiempo de la aceleración transversal

(m/s3), siendo recomendable utilizar K = 0.45 (m/s3)

ii. Criterio de Apariencia General

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Lmin =V

1.8Donde:

Lmin = Longitud mínima de la clotoide (m)V = Velocidad directriz (m)

iii. Criterio de máxima pendiente relativa de borde, para el desarrollo del peralte

Lmin =n * a * e

rDonde:

Lmin = Longitud mínima de la clotoide (m)V = Velocidad directriz (m)n = Número de carriles entre el eje de rotación y el borde mas

comprometidoa = Ancho de carril (m)e = Peralte de la curva circular en (m/m)r = Pendiente máxima relativa del borde, respecto el eje de rotación

(m/m)Cuadro 8: Pendientes máximas relativas del borde más comprometido, con respecto al

eje de rotación (%)

V (km/hr) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

r (%) 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.33


iv. Criterio de guiado óptimo

Lmin =R

Lmax = R9

Donde:Lmin = Longitud mínima de la clotoide (m)R = Radio de la curva circular (m)

Utilizando los anteriores criterios y aplicando al diseño, con la velocidad directriz y radio mínimo del proyecto tenemos:

Cuadro 9: Criterios para determinar la Longitud Mínima de Transición

Criterio Lmin V R K e n a r

i 19.64 40 12 0.5 0.1 - - -

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ii 11.11 40 - - - - - -

iii 37.50 - - - 0.1 1 3 0.008

iv 1.33 - 12 - - - - -

Fuente: Elaboración propia, basado en los incisos anteriores.

En consecuencia y viendo las características del tipo de carretera a diseñar, la utilización de radios mínimos y velando la seguridad del vehículo optaremos por elegir el “Criterio i” para la determinación de las longitudes de transición en todo el proyecto, viendo que es la que brinda mayor seguridad en curvas de radio menor.

Pero como longitud mínima de transición asumiremos 10 m.

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