GENERALIDADES

1. DEFINICIÓN: Una carretera es un sistema de transporte que permite la circulación de vehículos en condiciones de continuidad en el espacio y el tiempo y que requiere de cierto nivel de seguridad, rapidez y comodidad. Puede ser de una o varias calzadas, cada calzada puede estar conformada por uno o varios carriles y tener uno o ambos sentidos de circulación, de acuerdo a los volúmenes en la demanda del tránsito, la composición vehicular, su clasificación funcional y distribución direccional.

2. ALCANCES DE LOS ESTUDIOSUn proyecto de carreteras involucra un grupo interdisciplinario de profesionales, así mismo un gran número de estudios que condicionan o están condicionados por el trazado y el diseño geométrico. No existe un orden lógico en la ejecución de los diferentes estudios, pero algunos de ellos son indispensables para la ejecución de otros. Se debe tener en cuenta, además, que hay estudios básicos o indispensables que se deben llevar a cabo para demostrar la necesidad o viabilidad del proyecto y por ende deben de ser ejecutados completamente antes de iniciar los demás. Los estudios son:

2.1 Estudio de Tránsito, Capacidad y Niveles de Servicio. Debe ser una de los primeros estudios, principalmente cuando se trata de vías que serán construidas o mejoradas por el sistema de concesión. El estudio de tránsito se encarga de estimar los volúmenes de tránsito esperados en el momento de dar en servicio la vía y su comportamiento a lo largo de la vida útil de esta. Tiene dos finalidades: la rentabilidad de la vía y el diseño de pavimentos. De acuerdo a los volúmenes esperados se puede determinar el tiempo de la concesión, el costo del peaje y la tasa de retorno de la inversión.El nivel de servicio se refiere a la calidad de servicio que ofrece la vía a los usuarios. Este nivel de servicio está dado principalmente por dos elementos: la velocidad media de recorrido y la relación volumen / capacidad. A mayor velocidad mayor nivel de servicio y a mayor valor de la relación volumen / capacidad menor nivel de servicio.

2.2 Estudio de Señalización. Se refiere a la especificación y ubicación de las diferentes señales verticales, preventivas, informativas y reglamentarias; así como el diseño de las líneas de demarcación del pavimento.

2.3 Estudio de Geología para Ingeniería y Geotecnia. Sobre la ruta seleccionada o posibles rutas a tener en cuenta para el trazado de una carretera se debe realizar en estudio geológico con el fin de obtener la ubicación de posibles fallas o problemas de estabilidad que se puedan presentar durante o después de la construcción de esta.Este estudio geológico comprende, además de la geología detallada a lo largo y ancho del corredor de la vía en estudio, información sobre la estabilidad de las laderas naturales, comportamiento de los cauces en cuanto a socavación y sedimentación, estudio de los

sitios para fuentes de materiales y ubicación de los sitios para la disposición del material de corte.

2.4 Estudio de Suelos para el Diseño de Fundaciones. Todas las estructuras a construir, puentes, muros, alcantarillas de cajón, etc., deben de tener su correspondiente estudio de suelos con el fin de diseñar la estructura más adecuada de acuerdo a la capacidad de soporte del suelo donde se va a fundar.

2.5 Estudio de Estabilidad y Estabilización de Taludes. A partir de la altura y el tipo de suelo se define la inclinación de los taludes, de excavación y relleno. Para esto se deben realizar una serie de ensayos y estudios con el fin de determinar cuál es la máxima inclinación de modo que no haya problemas de estabilidad. A lo largo de una vía se pueden presentar diferentes tipos de suelos por lo que las inclinaciones pueden variar a lo largo de esta.

2.6 Estudio Geotécnico para el Diseño de Pavimentos. Dependiendo del tránsito esperado y su correspondiente composición, y de las condiciones del suelo de la subrasante se define, a partir de una serie de cálculos y tanteos, cual debe ser el espesor y características de las diferentes capas que conforman la estructura del pavimento. Se debe tener en cuenta que a lo largo de una carretera estos espesores y características pueden cambiar.

2.7 Estudio de Hidrología, Hidráulica y Socavación. A lo largo del trazado de una carretera se requiere ubicar, diseñar y construir las obras de drenaje para que las diferentes corrientes de agua atraviesen la banca de tal forma que se garantice la estabilidad de esta y se tenga el mínimo efecto sobre el medio ambiente.

2.8 Estudio Estructural para el Diseño de Puentes. Comprende el cálculo de las dimensiones, cantidad de refuerzo y sistema constructivo de las diferentes estructuras que conforman un proyecto de carreteras. Estas estructuras son principalmente puentes y muros.

2.9 Diseño geométrico. Se encarga de determinar las características geométricas de una vía a partir de factores como el tránsito, topografía velocidades, de modo que se pueda circular de una manera cómoda y segura.

El diseño geométrico de una carretera está compuesto por tres elementos bidimensionales que se ejecutan de manera individual, pero dependiendo unos de otros, y que al unirlos finalmente se obtiene un elemento tridimensional que corresponde a la vía propiamente. Estos tres elementos, que se muestran en la Figura 1, son:

- Alineamiento horizontal: compuesto por ángulos y distancias formando un plano horizontal con coordenadas norte y este.

- Alineamiento vertical: compuesto por distancias horizontales y pendientes dando lugar a un plano vertical con abscisas y cotas.

- Diseño transversal: consta de distancias horizontales y verticales que a su vez generan un plano transversal con distancias y cotas.

DISEÑO GEOMÉTRICO DE CARRETERAS

1. ASPECTOS FUNDAMENTALES

En el trazado y diseño de una carretera existe algunos aspectos que son de gran importancia y se deben de tener en cuenta en el momento de iniciar el proyecto a fin de obtener el más apropiado desde el punto de vista técnico, económico, social y ambiental.

CRITERIOS DE DISEÑO

El diseño geométrico es una de las partes más importantes de un proyecto de carreteras y a partir de diferentes elementos y factores, internos y externos, se configura su forma definitiva de modo que satisfaga de la mejor manera aspectos como la seguridad, la comodidad, la funcionalidad, el entorno, la economía, la estética y la elasticidad.

Seguridad. La seguridad de una carretera debe ser la premisa más importante en el diseño geométrico. Se debe obtener un diseño simple y uniforme, exento de sorpresas, fácil de entender para el usuario y que no genere dudas en este. Cuanto más uniforme sea la curvatura de una vía será mucho más segura. Se debe dotar a la vía de la suficiente visibilidad, principalmente la de parada y de una buena y apropiada señalización, la cual debe ser ubicada antes de darse al servicio la vía.

Comodidad. De igual manera que la seguridad, la comodidad se incrementa al obtener diseños simples y uniformes ya que esto disminuye los cambios de velocidad, aceleraciones y desaceleraciones. Cuando no se pueda lograr una buena uniformidad, se debe dotar la vía de una curvatura con transiciones adecuadas de modo que permita a los conductores adaptarse de la mejor manera a las velocidades de operación que esta brinda a lo largo de su recorrido.

Funcionalidad. Se debe garantizar que los vehículos que transitan una vía circulen a velocidades adecuadas permitiendo una buena movilidad. La funcionalidad la determina el tipo de vía, sus características físicas, como la capacidad, y las propiedades del tránsito como son el volumen y su composición vehicular. Por ejemplo, si se tiene una vía con altas pendientes y se espera que el volumen de vehículos pesados sea alto, se deberá pensar en dotar a la vía de una buena capacidad, construyendo carriles adicionales que permitan el tránsito de estos vehículos sin entorpecer la movilidad de los vehículos livianos.

Entorno. Se debe procurar minimizar al máximo el impacto ambiental que genera la construcción de una carretera, teniendo en cuenta el uso y valores de la tierra

en la zona de influencia y buscando la mayor adaptación física posible de esta al entorno o topografía existente.

Economía. Hay que tener en cuenta tanto el costo de construcción como el costo del mantenimiento. Se debe buscar el menor costo posible pero sin entrar en detrimento de los demás objetivos o criterios, es decir buscar un equilibrio entre los aspectos económicos, técnicos y ambientales del proyecto.

Estética. Se debe buscar una armonía de la obra con respecto a dos puntos de vista, el exterior o estático y el interior o dinámico. El estático se refiere a la adaptación de la obra con el paisaje, mientras que el dinámico se refiere a lo agradable que sea la vía para el conductor. El diseño debe de ser de tal forma que no produzca fatiga o distracción al conductor con el fin de evitar posibles accidentes.

Elasticidad. Procurar la elasticidad suficiente de la solución definitiva para proveer posibles ampliaciones en el futuro y facilitar la comunicación e integración con otras vías. Además se debe pensar en la posibilidad de interactuar con otros medios de transporte (fluvial, aéreo, férreo) de modo que haya una transferencia, tanto de carga como de pasajeros, de una forma rápida, segura y económica

FACTORES DE DISEÑO

Los factores que intervienen o influyen en el diseño definitivo de una vía son muy variados y podrían catalogarse como externos e internos.

Externos. Los factores externos corresponden a las condiciones preexistentes y de los cuales se deben obtener toda la información posible a fin de analizarlos y determinar algunas características importantes de la nueva vía.Estos factores pueden ser:

Las características físicas (Topografía, geología, climatología, hidrología). El volumen y características del tránsito actual y futuro. Los recursos económicos de que se pueda disponer para su estudio, construcción y mantenimiento. Los aspectos ambientales Los desarrollos urbanísticos existentes y previstos en la zona de influencia. Los parámetros socioeconómicos del área de influencia (uso de la tierra, empleo, producción) La calidad de las estructuras existentes. Los peatones Tráfico de ciclistas La seguridad vial

Internos. Por su parte los factores internos son aquellos que son propios a la vía pero que en parte dependen de los externos. Estos factores son:

Las velocidades a tener en cuenta Las características de los vehículos Los efectos operacionales de la geometría Las características del tráfico Las capacidades de las vías

2. SISTEMAS Y CLASIFICACIÓN DE CARRETERAS EN EL PERÚ

Presenta las Clasificaciones de la Red Vial, de acuerdo a diferentes factores, funcionales, geométricos, de demanda y geográficos, que permiten definir claramente la Categoría y Jerarquización de una Vía en el Perú, a fin de permitir el uso de características geométricas acordes con la Importancia de la carretera en Estudio.

2.1 CLASIFICACIÓN DE LAS CARRETERAS SEGÚN SU FUNCIÓN

2.2 CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA DEMANDA

2.2.1 AUTOPISTAS

Carretera de IMDA mayor de 4000 veh/día, de calzadas separadas, cada una con dos o más carriles, con control total de los accesos (ingresos y salidas) que proporciona flujo vehicular completamente continuo. Se le denominará con la sigla A.P.

2.2.2 CARRETERAS DUALES O MULTICARRIL

De IMDA mayor de 4000 veh/día, de calzadas separadas, cada una con dos o más carriles; con control parcial de accesos. Se le denominará con la sigla MC (Multicarril).

2.2.3 CARRETERAS DE 1RA. CLASE

Son aquellas con un IMDA entre 4000-2001 veh/día de una calzada de dos carriles (DC).

2.2.4 CARRETERAS DE 2DA. CLASE

Son aquellas de una calzada de dos carriles (DC) que soportan entre 2000-400 veh/día.

2.2.5 CARRETERAS DE 3RA. CLASE

Son aquellas de una calzada que soportan menos de 400 veh/día. El diseño de caminos del sistema vecinal < 200 veh/día se rigen por las Normas emitidas por el MTC para dicho fin y que no forman parte del presente Manual.

2.2.6 TROCHAS CARROZABLES

Es la categoría más baja de camino transitable para vehículos automotores. Construido con un mínimo de movimiento de tierras, que permite el paso de un solo vehículo.

2.3 CLASIFICACIÓN SEGÚN CONDICIONES OROGRÁFICAS

2.3.1 CARRETERAS TIPO 1

Permite a los vehículos pesados mantener aproximadamente la misma velocidad que la de los vehículos ligeros. La inclinación transversal del terreno, normal al eje de la vía, es menor o igual a 10%.

2.3.2 CARRETERAS TIPO 2

Es la combinación de alineamiento 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. La inclinación transversal del terreno, normal al eje de la vía, varía entre 10 y 50%.

2.3.3 CARRETERAS TIPO 3

Es la combinación de alineamiento horizontal y vertical que obliga a los vehículos pesados a reducir a velocidad sostenida en rampa durante distancias considerables o a intervalos frecuentes. La inclinación transversal del terreno, normal al eje de la vía, varía entre 50 y 100%.

2.3.4 CARRETERAS TIPO 4

Es la combinación de alineamiento 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. La inclinación transversal del terreno, normal al eje de la vía, es mayor de 100%.

3. VELOCIDAD DEL DISEÑO

La velocidad directriz o de diseño es la escogida para el diseño, entendiéndose que será la máxima que se podrá mantener con seguridad sobre una sección determinada de la carretera, cuando las circunstancias sean favorables para que prevalezcan las condiciones de diseño.

RELACIÓN ENTRE LA VELOCIDAD DIRECTRIZ Y LAS CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS.

La velocidad directriz condiciona todas las características ligadas a la seguridad de tránsito. Por lo tanto ellas, como el alineamiento horizontal y vertical, distancia de visibilidad y peralte, variarán apreciablemente con la velocidad directriz. En forma indirecta están influenciados los aspectos relativos al ancho de la calzada, bermas, etc. En las presentes normas las características geométricas, (radio mínimo de las curvas horizontales y verticales, distancias de visibilidad de parada y de sobrepaso, etc.) están relacionadas a cada velocidad directriz.

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.

VELOCIDAD DE OPERACIÓN

En el diseño geométrico 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.

RELACIÓN ENTRE LAS VELOCIDADES DE OPERACIÓN Y DE MARCHA

Según se encuentre en la fase del estudio de una carretera existente o en el diseño de una nueva carretera, se podrán determinar las velocidades de operación en el primer caso, o simplemente estimarlas en el segundo, siempre considerando los distintos elementos geométricos a lo largo del trazado.Para la determinación de las velocidades de operación deberán tomarse datos de velocidades puntuales en la mitad de las curvas horizontales y de las rectas que tengan suficiente longitud. Así, se pueden obtener las sucesivas velocidades de operación o velocidades realmente prácticas como resultado o efecto operacional de la geometría de la vía.Con respecto a la velocidad de marcha y cuando no se disponga de un estudio real de ella en campo bajo las condiciones prevalecientes a analizar, se tomarán como valores teóricos los comprendidos entre el 85% y el 95% de la velocidad de diseño, tal como se muestran en la Tabla 204.01.

ELECCIÓN DE LA VELOCIDAD DIRECTRIZ

La selección de la velocidad directriz 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.

VARIACIONES DE LA VELOCIDAD DIRECTRIZ.

Los cambios repentinos en la velocidad de diseño a lo largo de una carretera deberán ser evitados. Se debe considerar como longitud mínima de un tramo la distancia correspondiente a dos (2) Kilómetros, y entre tramos sucesivos no se deben presentar diferencias en las velocidades de diseño superiores a los 20 Km/h.

4. CARACTERISTICAS DE LOS VEHÍCULOS

En el diseño de una carretera es necesario tener en cuenta las características físicas de los vehículos que han de utilizarla durante su vida útil. Se requiere entonces de estudios previos que permitan determinar qué tipos de vehículos, y en qué proporción, circularán por esta.

DIMENSIONES VEHÍCULOS LIGEROS

La longitud y el ancho de los vehículos ligeros no controlan el diseño, salvo que se trate de una vía en que no circulan camiones, situación poco probable en el diseño de carreteras rurales. A modo de referencia se citan las dimensiones representativas de vehículos de origen norteamericano, en general mayores que las del resto de los fabricantes de automóviles:

Ancho: 2,10 m.Largo: 5,80 m.

Para el cálculo de distancias de visibilidad de parada y de adelantamiento, se requiere definir diversas alturas, asociadas a los vehículos ligeros, que cubran las situaciones más favorables en cuanto a visibilidad.

h : Altura faros delanteros: 0,60 m.h1: Altura ojos del conductor: 1,07 m.h2: Altura obstáculo fijo en la carretera: 0,15 m.h3: Corresponde a altura de ojos de un conductor de camión o bus, necesaria para verificación de visibilidad en curvas verticales cóncavas bajo estructuras (2,50 m).h4: Altura luces traseras de un automóvil o menor altura perceptible de carrocería: 0,45m.h5: Altura del techo de un automóvil: 1,30 m.

DIMENSIONES VEHÍCULOS PESADOS

Las dimensiones Máximas de los Vehículos a emplear en el diseño geométrico serán las establecidas en el Reglamento de Pesos y Dimensión vehicular para la circulación en la

Red Vial Nacional, aprobada mediante Decreto Supremo N° 013-98-MTC y Resolución Ministerial N° 375-98-MTC/15.02.

En la Tabla 202.01 se resumen los datos básicos de los vehículos de diseño.

GIRO MÍNIMO VEHÍCULOS TIPO

El espacio mínimo absoluto para ejecutar un giro de 180º en el sentido del movimiento de las agujas del reloj, queda definido por la trayectoria que sigue la rueda delantera izquierda del vehículo (trayectoria exterior) y por la rueda trasera derecha (trayectoria interior). Además de la trayectoria exterior, debe considerarse el espacio libre requerido por la sección en volado que existe entre el primer eje y el parachoques, o elemento más sobresaliente.La trayectoria exterior queda determinada por el radio de giro mínimo propio del vehículo y es una característica de fabricación. La trayectoria interior depende de la trayectoria exterior, del ancho del vehículo, de la distancia entre el primer y último eje y de la circunstancia que estos ejes pertenecen a un camión del tipo unidad rígida o semirremolque articulado.En las Figuras 202.01, 202.02, 202.03, 202.04, 202.05 y 202.06 se ilustran las trayectorias mínimas obtenidas para los vehículos de diseño con las dimensiones máximas establecidas en el Reglamento de Peso y Dimensión Vehicular.

5. CARACTERÍSTICAS DEL TRÁFICO

La acertada predicción de los volúmenes de demanda, su composición y la evolución que estas variables pueden experimentar a lo largo de la vida de diseño, es indispensable para seleccionar la categoría que se debe dar a una determinada vía.Los principales indicadores que deberán tenerse en consideración son los que se describen a continuación.

INDICE MEDIO DIARIO ANUAL (IMDA)Representa el promedio aritmético de los volúmenes diarios para todos los días del año, previsible o existente en una sección dada de la vía. Su conocimiento da una idea cuantitativa de la importancia de la vía en la sección considerada y permite realizar los cálculos de factibilidad económica.

CLASIFICACIÓN POR TIPO DE VEHÍCULO

Expresa en porcentaje la participación que le corresponde en el IMD a las diferentes categorías de vehículos, debiendo diferenciarse por lo menos las siguientes:

Vehículos Ligeros: Automóviles, Camionetas hasta 1,500 Kgs. Transporte Colectivo: Buses Rurales e Interurbanos. Camiones: Unidad Simple para Transporte de Carga. Semirremolques y Remolques: Unidad Compuesta para Transporte de

Carga.

Según sea la función del camino la composición del tránsito variará en forma importante de una a otra vía. En países en vías de desarrollo la composición porcentual de los distintos tipos de vehículos suele ser variable en el tiempo.

DEMANDA HORARIA

En caminos de alto tránsito es el volumen horario de diseño (VHD), y no el IMDA, lo que determina las características que deben otorgarse al proyecto para evitar problemas de congestión y determinar condiciones de servicio aceptables. El VHD deberá obtenerse a partir de una ordenación decreciente de los mayores volúmenes horarios registrados a

lo largo de todo un año. Al graficar estos valores se podrá establecer el volumen horario de demanda máxima normal, que para la mayoría de los caminos de tránsito mixto (aquellos que no presentan un componente especializado preponderante, por ejemplo: turismo) coincide con el volumen asociado a la trigésima hora de mayor demanda. Los volúmenes asociados a las horas que ocupan las primeras posiciones en la ordenación decreciente se consideran máximos extraordinarios en los que se acepta cierto grado de congestión al final de la vida útil del proyecto. El volumen asociado a la trigésima hora será mayor aunque muy similar, que los volúmenes previsibles en una gran cantidad de horas al año que figuran a continuación de la trigésima hora, de allí su definición como máximo normal.De lo anteriormente expuesto se infiere que el VHD considera las demandas críticas tomando en cuenta las variaciones estacionales y diarias que normalmente presenta una carretera. Por otra parte el VHD debe ser proyectado al término del período de diseño a fin de considerar su evolución en el tiempo.A falta de información estadística que permita elaborar el análisis detallado del comportamiento horario actual de una ruta existente o para estimar el VHD, de una nueva ruta, se podrá utilizar la relación empírica extensamente comprobada en caminos de tránsito mixto, que relaciona el IMDA con el VHD:

VHDaño i = 0.12 ~ 0.18 IMDAaño i

Coeficientes del orden de 0.12 corresponden por lo general a carreteras de tránsito mixto con variaciones estacionales moderadas.Coeficientes del orden 0,18 se asocian a carreteras con variaciones estacionales marcadas, causadas normalmente por componentes de tipo turístico.Es importante hacer notar que mientras no se prevea un cambio importante en las proporciones en que participan los diferentes componentes de tránsito (Industrial, agrícola, minero, turístico, etc), la relación entre el VHD y el IMDA se mantendrá razonablemente constante.

CRECIMIENTO DEL TRÁNSITO

Deben establecerse los volúmenes de tránsito presentes en el año de puesta en servicio del proyecto y aquellos correspondientes al año horizonte de diseño. Ello, además de fijar algunas características del proyecto, permite eventualmente elaborar un programa de construcción por etapas. En el caso de carreteras de 3er. orden que rara vez enfrentan problemas de congestión a lo largo de su vida de diseño, tasas de crecimiento de tipo histórico observadas en la región pueden ser suficientes para abordar el problema. En el caso de carreteras de 1er. y 2do. Orden, se requerirá un estudio especial para proyectar la evolución del tránsito en todos sus aspectos.

NOCIONES SOBRE TRAZADO DECARRETERAS

En el trazado de una carretera se presentan diferentes etapas, siendo algunas de estas imprescindibles, mientras que otras dependen de factores tales como la topografía, alcances e importancia del proyecto, disponibilidad de recursos, información disponible e inclusive la premura de los diseños.

1. RECONOCIMIENTO Y SELECCIÓN DE RUTAS.

Inicialmente se debe recopilar toda la información disponible necesaria para poder llevar a cabo el estudio de las posibles rutas. Esta información puede constar de:

• Fotografías aéreas• Restituciones aerofotogrametrías a escala reducida• Mapas y planos topográficos existentes de la región• Estudios de tránsito de vías aledañas• Datos meteorológicos

Esta información, dependiendo su naturaleza, puede ser obtenida en diferentes instituciones como el INV, el IDEAM, el IGAC, y las diferentes oficinas de planeación departamental o municipal. Luego basado en esta información se procede a hacer un reconocimiento general sobre el área con el fin de tener una idea sobre aspectos tan importantes como la topografía predominante, la geología general, hidrografía y usos del suelo. Este reconocimiento puede llevarse a cabo por medio de sobrevuelos, recorridos a pie o en el medio de transporte disponible, dependiendo de la magnitud e importancia del proyecto y del tipo de topografía.Se entiende por ruta la faja de terreno, de ancho variable, que se extiende entre los puntos extremos o terminales, pasando por los puntos de control primario, y dentro de la cual podrá estar ubicada la vía a trazar. Los puntos de control primario normalmente son poblaciones intermedias que se verán favorecidas con la construcción de la nueva vía.Como se puede presentar un gran número de rutas posibles, el estudio de las mismas tiene por objeto seleccionar aquella que reúna las condiciones óptimas o más favorables para el desarrollo tanto del trazado como de la construcción

2. EVALUACIÓN DE RUTAS.

En algunas ocasiones puede suceder que la ruta apropiada sea muy obvia y no halla necesidad de evaluar otras, tal es el caso cuando la topografía es relativamente plana o la longitud de la vía sea muy corta, pero, si se han determinado varias rutas se debe llevar a cabo una serie de análisis que se detallan a continuación:

Determinar puntos de control secundario: posibles ponteaderos (cruces favorables de corrientes de agua), depresiones de las cordilleras, vías existentes, pequeñas poblaciones, bosques, puntos de fallas o pantanos que deben ser evitados.

Hallar pendientes longitudinales y transversales predominantes. Determinar características geológicas. Ubicar fuentes de materiales (canteras). Determinar posibles sitios para la disposición de desechos sólidos (“botaderos”). Establecer cantidad, clase y dirección de los diferentes cursos de agua. Establecer condiciones climáticas o meteorológicas. Observar desde el punto de vista del alineamiento horizontal cual puede arrojar

un trazado más suave.

3. TRAZADO LÍNEA DE CEROS

En terrenos con topografía accidentada – ondulados, montañosos y escarpados - para efectos de seleccionar la mejor ruta es necesario llevar a cabo estudios ante preliminares sobre planos o restituciones fotogramétricas.Desde el punto de vista técnico, la selección de ruta se caracteriza por la llamada “línea de pendiente” o “línea de ceros”, con una inclinación previamente definida sin exceder el valor máximo permitido que en general depende de la categoría o importancia de la vía.

Una vez establecidas las diferentes rutas en los planos y su respectivo reconocimiento en el terreno, se procede a definir las líneas de pendiente con el fin de realizar una comparación racional de las diferentes alternativas propuestas aportando criterios técnicos que permitan seleccionar la mejor ruta.Actualmente existe la opción, dado los grandes avances tecnológicos, de contratar la toma de fotografías aéreas y su consiguiente restitución de una manera rápida y eficaz de las diferentes franjas de terreno que comprenden cada ruta. Esto, obviamente representa unos costos adicionales, pero que puede significar a la vez un gran ahorro en los costos de los trabajos de campo garantizando además un mejor análisis de la ruta.

4. TRAZADO DE LÍNEAS DE PENDIENTE EN UN PLANO TOPOGRÁFICO. Considerando dos puntos A y B (Figura 9), colocados sobre dos curvas de nivel sucesivas, la pendiente de la línea que los une es:

Pendiente (P) = intervalo de nivel (Dv) / distancia horizontal (Dh)

Por lo tanto si se desea hallar la distancia necesaria para pasar de un punto situado sobre una curva de nivel a otro sobre una curva de nivel siguiente, - más arriba o más abajo, con una pendiente determinada se tiene que:

Distancia horizontal = Intervalo de Nivel / PendienteDh = Dv / P

La distancia horizontal obtenida se debe fijar en la abertura del compás en la escala del plano en que se está trabajando. Para trazar la línea de ceros desde el punto A, con una pendiente definida, se coloca el centro del compás en este punto y se debe cortar la siguiente curva de nivel (mayor si se asciende o menor si se desciende), determinando el

punto B; luego se ubica de nuevo el centro del compás en el punto B y se corta la siguiente curva determinando así el punto C.

DISEÑO GEOMÉTRICO HORIZONTAL

1. ALINEAMIENTO HORIZONTAL

El alineamiento horizontal está constituido por una serie de líneas rectas, definidas por la línea preliminar, enlazados por curvas circulares o curvas de grado de curvatura variable de modo que permitan una transición suave y segura al pasar de tramos rectos a tramos curvos o viceversa.El alineamiento horizontal deberá permitir la operación ininterrumpida de los vehículos, tratando de conservar la misma velocidad directriz en la mayor longitud de carretera que sea posible.En general, el relieve del terreno es el elemento de control del radio de las curvas horizontales y el de la velocidad directriz. Esta última, a su vez, controla la distancia de visibilidad. El trazado en planta de un tramo se compondrá de la adecuada combinación de los siguientes elementos: recta, curva circular y curva de transición.En proyectos de carreteras de calzadas separadas, se considerará la posibilidad de trazar las calzadas a distinto nivel o con ejes diferentes, cuando el terreno así lo aconseje.La definición del trazado en planta se referirá a un eje, que define un punto en cada sección transversal. En general, salvo en casos suficientemente justificados, se adoptará para la definición del eje:En carreteras de calzadas separadas

El centro del separador central, si este fuera de ancho constante o con variación de ancho aproximadamente simétrico.

El borde interior de la calzada a proyectar en el caso de duplicaciones. El borde interior de cada calzada en cualquier otro caso. En carreteras de calzada única el centro de la calzada, sin tener en cuenta

eventuales carriles adicionales.

2. CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Se presenta aquí algunos aspectos fundamentales que habrán de considerarse en el diseño del alineamiento, considerando su fluidez y apariencia general:

• Los tramos excesivamente extensos en tangente, convenientes para las vías férreas, no son deseables para las carreteras. Para las carreteras de un patrón elevado (autopistas o Multicarril), el trazado deberá ser más bien una

serie de curvas de radios amplios que de extensas tangentes, "quebradas" por curvas de pequeña amplitud circular. Amén de reducir la sensación de monotonía para el conductor, ese patrón de trazado se ajusta mejor a la conformación básica de las líneas naturales, pudiendo reducir los rasgos causados por el terraplén en el paisaje.

Las consideraciones de apariencia de la carretera y de orientación del conductor recomiendan que, en la medida de lo posible, las curvas circulares estén dotadas de curvas de transición, incluso en los casos en que, conforme a los criterios usuales, éstas estarían dispensadas.

• Al final de las tangentes extensas o tramos con leves curvaturas, o incluso donde siga inmediatamente un tramo con velocidad de diseño inferior, las curvas horizontales que se introduzcan deberán concordar con la mayor posibilidad precedente, preferiblemente bien por encima del mínimo necesario, y proporcionando una sucesión de curvas con radios gradualmente decrecientes para orientar al conductor. En estos casos, siempre deberá considerarse el establecimiento de señales adecuadas de advertencia para paliar las deficiencias que emanen de este hecho.

• No son deseables dos curvas sucesivas en el mismo sentido cuando entre ellas existe un tramo en tangente. Preferiblemente, serán sustituidas por una curva extensa única bien estudiada o, por lo menos, la tangente intermedia deberá sustituirse por un arco circular, constituyéndose entonces en curva compuesta. Sí no es posible adoptar estas medidas, la tangente intermedia deberá ser superior a los 500 metros.

• Las curvas sucesivas en sentidos opuestos, dotadas de curvas de transición, deberán tener sus extremos coincidentes o separados por cortas extensiones en tangente.

Con todo, en el caso de curvas opuestas sin espiral, la extensión mínima de la tangente intermedia deberá permitir la transición del peralte.

Aunque sea deseable, se reconoce que, en diversos casos, no será posible aplicar muchos criterios arriba descritos, como por ejemplo, cuando sea necesario ajustar el trazado a elementos rectilíneos del paisaje, tales como valles estrechos, vías férreas, redes viales urbanas, etc., o aprovechar trazados ya existentes.

Además, la necesidad de proporcionar suficiente distancia de visibilidad de parada limita el empleo de tramos curvilíneos.

• Deberá buscarse un alineamiento horizontal homogéneo, en el cual tangente y curvas se suceden armónicamente.

• Desarrollos No se utilizarán desarrollos en Carreteras de 1er orden y Multicarril de 2do. orden, en las restantes se evitará, en lo posible, los desarrollos artificiales. Cuando las circunstancias hagan indispensable su empleo, el proyectista hará una amplia justificación de ello.

Las ramas de los desarrollo tendrán la máxima longitud posible y la máxima pendiente admisible, evitando la superposición de varias de ellas sobre la misma ladera.

3. TRAMOS EN TANGENTE

A efectos de la presente Norma, en caso de disponerse el elemento tangente, las longitudes mínima admisible y máxima deseable, en función de la velocidad de proyecto, serán las dadas en la Tabla 402.01.

Siendo:L min.s = Longitud mínima (m) para trazados en “S” (alineación recta en alineaciones curvas con radios de curvatura de sentido contrario).L min.o = Longitud mínima (m) para el resto de casos (alineación re entre alineaciones curvas con radios de curvatura del mismo sentido).L máx = Longitud máxima (m).Vd = Velocidad de diseño (Km/h)

3. CURVAS CIRCULARES

Para enlazar dos rectas finitas con distinta dirección se pueden trazar un gran número de arcos circulares cuyo radio varía desde cero metros hasta un valor tal que dicho arco elimine el tramo en tangente correspondiente a la recta más corta. El valor del radio, escogido por el diseñador de la vía, depende de las condiciones topográficas del sitio y de las limitaciones que imponen las leyes de la mecánica del movimiento de los vehículos en una curva, para una determinada velocidad de diseño, tal como se ha mencionado y se tratará más adelante

Elementos de la Curva Circular.

En la Figura 402.01 se ilustran los diversos elementos asociados a una curva circular.La simbología normalizada que se define a continuación deberá ser respetada por el proyectista.

Las medidas angulares se expresan en grados sexagesimales.

Radios Mínimos AbsolutosLos radios mínimos que se usarán en las diferentes carreteras serán función de la velocidad directriz y del peralte, de acuerdo a los valores que se indican en la Tabla 402.02

6. CURVAS ESPIRALES DE TRANSICIÓN

El alineamiento horizontal con curvas circulares simples está compuesto por tramos rectos enlazados por arcos circulares. Un tramo recto, o en tangente, presenta un radio de curvatura infinito mientras que un arco circular presenta una radio de curvatura constante lo que significa que en el PC y PT de una curva circular se presenta un cambio brusco y puntual de curvatura, ocasionando a su vez un cambio inmediato en la fuerza centrífuga. Lo anterior obliga a los conductores a desarrollar una trayectoria errónea durante un tramo de vía, principalmente a la entrada y salida de las curvas, mientras se asimila el cambio en dicha fuerza centrífuga.

Las curvas de transición tienen por finalidad evitar las discontinuidades en la curvatura del trazo, por lo que en su diseño deberán ofrecer las mismas condiciones de seguridad, comodidad y estética que el resto de los elementos del trazado.Son curvas de transición que proveen un cambio gradual en su mayoría entre una tangente y una curva o entre curvas de diferente radio.

El uso de estos elementos, permite que un vehículo, circulando a la velocidad de diseño, se mantenga en el centro del carril. Esto no ocurre por lo general, al enlazar directamente una recta con una curva circular, ya que en tales casos el conductor adopta instintivamente una trayectoria de curvatura variable que lo aparta del centro de su carril incluso lo puede hacer invadir el adyacente, con el peligro que ello implica. Por tanto, como elemento de curvatura variable en curvas de transición, o como elemento de trazado, se empleará la clotoide.

TIPOS DE CURVAS DE TRANSICIÓN

Las curvas de transición inicialmente se aplicaron en el trazado de líneas férreas a finales del siglo XIX mientras que para las carreteras su uso se inicia en la década de los treinta en el siglo pasado. A lo largo de todos estos años se han planteado diferentes tipos de curvas de transición dentro de las cuales tenemos:

• La parábola cúbica• La espiral cúbica• Curva de transición de Klein• Curva de transición senoide de Bloss• Curva de transición de Schram (parábola de cuarto grado)• Curva de transición de Lange (ecuación de quinto grado)• Curva de transición de óvalos de Cassini o curva elástica (radioide a las abscisas)• La lemniscata de Bernoulli (radioide a las cuerdas)

• Clotoide o espiral de Euler (radioide a los arcos)• Curva de transición de séptimo grado• Espiral de Searles• Espiral logarítmica

Dentro de todas las anteriores las más utilizadas son la espiral de Euler, la lemniscata de Bernoulli y la curva elástica. Siendo la primera la más conveniente y empleada en ferrocarriles y carreteras.

LA CLOTOIDE O ESPIRAL DE EULER

Es también conocida como espiral de Cornu y espiral de Arquímedes y se trata de una curva plana que se desarrolla a partir de un punto dando vueltas, alejándose de él cada vez más y disminuyendo su radio. Para el diseño geométrico de vías se utiliza solo su parte inicial. La clotoide es una curva de la familia de las espirales que presenta las siguientes ventajas:

• El crecimiento lineal de su curvatura permite una marcha uniforme y cómoda para el usuario, quien solo requiere ejercer una presión creciente sobre el volante, manteniendo inalterada la velocidad, sin abandonar el eje de su carril.

• La aceleración transversal no compensada, propia de una trayectoria en curva, puede controlarse limitando su incremento a una magnitud que no produzca molestia a los ocupantes del vehículo, al mismo tiempo, aparece en forma progresiva, sin los inconvenientes de los cambios bruscos.

• El desarrollo del peralte se logra en forma también progresiva, consiguiendo que la pendiente transversal de la calzada sea en cada punto exactamente la que corresponde al respectivo radio de curvatura.

• La flexibilidad de la clotoide permite acomodarse al terreno sin romper la continuidad, lo que permite mejorar la armonía y apariencia de la carretera.

• Las múltiples combinaciones de desarrollo versus curvatura facilitan la adaptación del trazado a las características del terreno, lo que en oportunidades permite disminuir el movimiento de tierras logrando trazados más económicos.

La ecuación paramétrica de la clotoide está dada por:

A² = RL (*)

A: Parámetro de la clotoide, característico de la misma. Define la magnitud de la clotoide.La variación de ésta, genera, por tanto, una familia de clotoide que permite cubrir una gama infinita de combinaciones de radio de curvatura y de desarrollo asociado.R: Radio de curvatura en un punto cualquiera (m)L: Longitud de la curva entre el punto de inflexión (R = Infinito) y el punto de radio R.En el punto origen L = 0 y por lo tanto R = Por otro lado:

radianes = L² / 2 A² = 0.5 L / R Grados cent = 31.831 L / R 1 rad = 63.662g.

Elección del Parámetro para una Curva de Transición.

La introducción de una curva de transición implica el desplazamiento del centro de la curva circular original en una magnitud que está en función del desplazamiento ΔR y del ángulo de deflexión de las alineaciones. El radio de la curva circular permanece constante y el desarrollo de esta es parcialmente reemplazado por secciones de las clotoides de transición.dx = dL cosdx = dL sena su vez:R = dL/d y = L/2RMediante algunos reemplazos

Los valores de X e Y se obtienen de tablas o mediante programas de computación.Para los valores menores de < 0.5 radianes (31.8g), se recomienda evaluar los tres primeros términos de las series.

Elementos de la curva espiral – circular – espiral. En la Figuras 49, 50 y 51 se presentan todos los elementos que conforman la curva compuesta por una espiral de entrada, un arco circular central y una espiral de salida.

TE = Punto de empalme entre la recta y la espiralEC = Punto de empalme entre la espiral y el arco circularCE = Punto de empalme entre el arco circular y la espiralET = Punto de emplame entre la espiral y la rectaΔ = Deflexión de la curva.Rc = Radio curva circularLe = Longitud curva espiralθe = Delta o deflexión curva espiralXc = Coordenada X de la espiral en los puntos EC y CE

Yc = Coordenada Y de la espiral en los puntos EC y CEP = Disloque = Desplazamiento del arco circular con respecto a la tangenteK = Abscisa Media. Distancia entre el TE y el punto donde se produce el disloqueTe = Tangente de la curva. Distancia TE – PI y PI - ETEe = ExternaTl = Tangente larga. Distancia entre TE o ET y PIeTc = Tangente corta. Distancia entre PIe y EC o CECe = Cuerda larga de la espiral. Línea que une TE con EC y CE con ETΦ = Angulo de la cuerda larga de la espiralΔc = Deflexión de la curva circularG = Grado de curvatura circularLc = Longitud curva circularCc = Cuerda larga circular