6 Diseño Geometrico Vial

DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE ASFALTO Y Capítulo VI: DRENAJE COSTADO SUR-OESTE TRAMO DE 1.5 KM CUATRO ESQUINAS Diseño Geométrico LAS JAGUITAS-ESQUIPULAS, MANAGUA Vial.

50 Elaborado: Br. Anlly Melissa García Hurtado Br. Jonathan Saúl Martínez Br. Leonel Vásquez

CAPITULO VI: DISEÑO GEOMETRICO VIAL.

6.1 Introducción

El diseño geométrico vial tiene como objetivo garantizar comodidad y seguridad

al tránsito, es por esto que el diseño de una carretera debe ser consistente, lo

que significa que deben evitarse cambios abruptos en las características

geométricas de un segmento de esta, manteniendo la coherencia de todos los

elementos de diseño acorde con las expectativas del conductor. En el diseño

debe prestarse atención a las necesidades de los peatones, ciclistas y

motociclistas que circulan.

6.2 Funciones de las carreteras

La clasificación funcional agrupa calles y carreteras de acuerdo con el carácter

de servicio al cual están destinadas a brindar. Esta clasificación reconoce que

los caminos y calles individuales no sirven a los viajes independientemente,

más bien, la mayoría de los viajes comprenden movimientos a través de las

redes de caminos y pueden categorizarse con relación a tales redes en una

forma lógica y eficiente.

Al clasificar funcionalmente las redes de carreteras y calles, las dos principales

consideraciones son acceso y movilidad. El conflicto entre servir al movimiento

directo y dar acceso a un disperso patrón de orígenes y destinos de viaje,

necesita las diferencias y gradaciones de los varios tipos funcionales.

Definición de zona urbana y rural: Las zonas urbanas y rurales tienen

diferentes características con respecto a la densidad y tipos de uso de la tierra,

densidad de redes de calles y carreteras, naturaleza de los patrones de viaje y

la forma en que estos elementos están relacionados.



Las zonas urbanas son aquellas zonas dentro de los límites establecidos por

funcionarios responsables, con una población de 5000 a más habitantes.

Las zonas rurales son las zonas ubicadas fuera de los límites de las zonas

urbanas.

La jerarquía de los sistemas funcionales comprende las Arterias Principales,

Arterias Menores, Colectoras y Caminos y Calles Locales.

Según las definiciones anteriores, el tramo de carretera en estudio se encuentra

inscrito en una zona urbanizada y desempeña la función de Colectora Urbana

ya que provee servicio de entrada a la propiedad y circulación del tránsito

dentro de las vecindades residenciales y zonas comerciales.

Tabla 6.2.1: Clasificación de las carreteras, Volúmenes de tránsito, número de carriles y tipo de superficie de rodamiento

TPDA > 20,000 20,000 - 10,000 10,000 - 3,000 3,000 - 500

Clasificación Funcional

Carriles Superficie Carriles Superficie Carriles Superficie Carriles Superficie

Autopistas Regionales

6-8 Pavimento 4-6 Pavimento

Troncales Suburbanas

4 Pavimento 2-4 Pavimento 2 Pavimento

Troncales Rurales

4 Pavimento 2-4 Pavimento 2 Pavimento

Colectoras Suburbanas

2-4 Pavimento 2 Pavimento 2 Pavimento

Colectoras Rurales

2 Pavimento 2 Pavimento

Fuente: Manual centroamericano de normas de diseño geométrico de carreteras.

6.3 Controles y criterios de diseño.

Se refiere a las características de los vehículos de diseño, peatones y tránsito

que sirven de criterios para optimizar el diseño de varias clases funcionales de

carreteras y calles.



Vehículo de diseño: Se refieren a las características físicas y las proporciones

de los vehículos que toman para el diseño de carreteras y que constituyen

eficientes controles para el diseño geométrico. Para propósitos de diseño, los

vehículos tienen mayores dimensiones físicas y mayores radios de giro mínimo

que los de casi todos los vehículos de su clase.

Según la simbología utilizada por la AASHTO, se definen cinco vehículos tipo

para el diseño de las carreteras. El vehículo tipo P corresponde a la categoría

de vehículos livianos, el tipo BUS que representa al autobús sencillo, el vehículo

tipo SU representa que simboliza al camión sencillo articulado, el camión de

tres ejes no aparece en la clasificación de la AASHTO, sin embargo puede

asimilarse al camión sencillo por ser más restrictivo que los vehículos

articulados, en la categoría de vehículos de carga articulados se encuentran al

vehículo tipo WB-19 que utiliza un semirremolque de 14.6 metros de largo, y,

por ultimo tenemos al vehículo tipo WB-20 que está provisto de un

semirremolque de 16.2 metros de longitud.

Tabla 6.3.1: Dimensiones de los vehículos de diseño (Metros)

DIMENSION P BUS SU WB-15 WB-19 WB-20

Altura 1.3 4.1 4.1 4.1 4.1 4.1

Ancho 2.1 2.6 2.4 2.6 2.6 2.6

Longitud 5.8 12.1 9.2 16.7 21 22.5

Voladizo Delantero 0.9 2.1 1.2 0.9 1.2 1.2

Voladizo Trasero 1.5 2.4 1.8 0.6 0.9 0.9

Distancia entre ejes extremos WB-1 3.5 7.6 6.1 6.1 6.1 6.1

Distancia entre ejes extremos WB-2 9.1 12.8 14.3

Fuente AASHTO.



Tabla 6.3.2: Radios mínimos de giro de los vehículos de diseño (Metros)

Vehículo - Tipo Radio Interior Radio de diseño

Automóvil, P 4.2 7.3

Autobus Sencillo, BUS 7.4 12.8

Camion Sencillo, SU 8.5 12.8

Camion Articulado, WB-15 5.8 13.7

Camion Articulado, WB-19 2.8 13.7

Camion Articulado, WB-20 0 13.7 Fuente AASHTO.

De acuerdo con el estudio de tránsito, el vehículo de mayores proporciones que

circula por la vía es el camión de tres ejes, siendo este el que se considerará

para el presente diseño geométrico, y que según la denominación AASHTO

puede considerarse para tales efectos como el tipo Camión sencillo (SU).

Figura 6.3.1: Dimensiones para el vehículo de diseño Tipo SU

Fuente: AASHTO



Figura 6.3.2: Radio mínimo de giro para el vehículo de diseño Tipo SU

Fuente: AASHTO

Velocidad de diseño: La velocidad de diseño es aquella que se selecciona

para determinar los múltiples parámetros geométricos de diseño para

carreteras, la velocidad de diseño asumida suele estar en concordancia con la

topografía, el uso de la tierra adyacente y la clasificación funcional de la vía, la

velocidad de diseño seleccionada debe ser consistente con la velocidad que un

conductor probablemente espera, sin embargo, no debe suponerse una

velocidad directriz baja donde la topografía es tal que permita que los

conductores viajen a altas velocidades, ya que los conductores no ajustan sus

velocidades a la importancia de la carretera sino a su percepción de las

limitaciones físicas, y, por consiguiente, de tránsito. Para obtener consistencia



en el diseño, una velocidad directriz de 50 km/h o mayor suele ser usada para

el caso de las carreteras colectoras urbanas, en dependencia de derecho de vía

disponible, terrenos, desarrollo adyacente, así como de la presencia de

peatones. Basado en lo anterior se selecciona para nuestro diseño la velocidad

mínima recomendada de 50 km/h para una colectora urbana, motivada por el

menor costo de construcción, así como las limitantes que representa el derecho

de vía con que se cuenta actualmente.

Ancho de carril: Para una carretera colectora urbana, el ancho de carril suele

estar comprendido de 3.0 a 3.6 metros, en el caso del proyecto en estudio

puede usarse un ancho de carril de 3.6 metros.

Cunetas: Las colectoras urbanas normalmente presentan en su configuración

amplias cunetas para controlar el drenaje, y también son aprovechadas por los

peatones como protección.

Andenes: Se construyen a ambos lados de la carretera y son usados para la

circulación y el acceso de peatones a sitios públicos como colegios, parques,

sitios de compra, el ancho mínimo para un andén debe ser de 1.20 metros.

Para el proyecto se considera la construcción de andenes en las zonas más

críticas donde es necesario brindarle protección para el tránsito peatonal como

pueden ser: Curvas cerradas, cruce de alcantarillas y presencia de taludes de

considerable altura.

6.4 Elementos de diseño.

El alineamiento de una calle o carretera provoca un gran impacto en el medio y

los usuarios, un alineamiento está compuesto de una serie de elementos que se

unen para brindar comodidad al tráfico de una forma segura y eficiente, cada

elemento del alineamiento complementa a otro para dar como resultado un



diseño consistente, seguro y eficiente. Los elementos de diseño indispensables,

y comunes para todas las clases de calles y carreteras son: Distancia de

visibilidad, sobreelevación, sobre anchos, pendientes, alineamiento horizontal y

vertical y otros elementos de diseño geométrico.

El alineamiento horizontal: Para balancear el diseño de una carretera,

todos sus elementos geométricos deben de ser económicos y prácticos,

diseñados para brindar seguridad y operación continua a cierta

velocidad. El diseño de curvas horizontales para carreteras se centra en

una apropiada relación entre la velocidad de diseño y curvatura, y su

interacción conjunta con la sobreelevación y la fricción lateral. Los

valores actuales de diseño dependen de límites prácticos y factores

determinados más o menos de manera empírica.

Gobiernan en el diseño factores como el efecto de las fuerzas centrípetas y

centrifugas, la baja velocidad de los vehículos pesados cuando suben las

pendientes y las altas velocidades cuando bajan.

Para dar seguridad y economía al desarrollo del tránsito, se introducen factores

limitantes en los métodos de diseño del alineamiento horizontal, como el radio

mínimo de curva o el grado máximo de curvatura, la tasa de sobreelevación

máxima o peralte máximo, los factores de fricción y las longitudes de transición

mínima cuando se pasa de una tangente a una curva.

La expresión matemática que toma en cuenta estos factores y la velocidad de

diseño es la siguiente:

127



Donde

e: Tasa de sobreelevación, en decimales.

f: Factor de fricción lateral, en decimales.

V: Velocidad de diseño, en km/h

R: Radio de la curva horizontal, en metros.

La sobreelevación máxima (e) en curvas horizontales para el tipo de carretera

colectora urbana suele ser de 6%, misma que será adoptada para el presente

proyecto con el objetivo de brindar mejor drenaje y reducir los radios de diseño

para curvas horizontales, limitado además por el escaso derecho de vía con

que se dispone.

El factor de fricción lateral (f) representa la necesidad de los vehículos por

fricción lateral que contrarreste la fuerza centrífuga que actúa sobre estos al

circular a cierta velocidad en una curva horizontal.

En general los estudios han demostrado que el máximo factor de fricción lateral

desarrollado entre las llantas nuevas de un vehículo y un pavimento de concreto

relativamente nuevo varía de 0.50 a una velocidad de 30 km/h hasta

aproximadamente 0.35 a una velocidad de 100 km/h. Para pavimentos de

concreto en condiciones normales y llantas desgastadas, el máximo factor de

fricción lateral es de 0.35 a una velocidad de 70 km/h, en todos los casos, los

estudios demuestran que cuanto mayor sea la velocidad de ruedo, menos será

el coeficiente de fricción lateral actuante.

El “Ball Bank Indicator” es un sencillo instrumento que se ha utilizado

extensamente para la medición de la fricción lateral, el cual consiste en una

bola de acero dentro de un tubo sellado, en el que la bola se desplaza hasta



registrar el ángulo que marca la incomodidad para el conductor en una curva.

En una serie de pruebas definitivas, se concluyó que las velocidades en curvas

que causan incomodidad en los conductores indican un ángulo de 14 grados

para una velocidad de 30 km/h o menores, 12 grados para velocidades de 40 a

50 km/m y 10 grados para velocidades entre 50 y 80 km/h; las que son

indicativos de coeficientes de fricción lateral de 0.21, 0.19 y 0.15

respectivamente.

Definidos los valores de e y f, y conociendo la velocidad de diseño, despejamos

el Radio mínimo de la curva, quedando la fórmula de la siguiente manera:

Grafico 6.4.1: Factores de fricción lateral para diferentes velocidades de

diseño.

Fuente: AASHTO.



127

Ingresando valores tenemos que:

50127 0.06 0.19

78.74

Curvas horizontales de Transición.

Son incorporadas al diseño para dar seguridad al recorrido de los vehículos

desde una sección en recta o tangente de una carretera a una determinada

curva horizontal circular, se ha vuelto practico implementar curvas de transición

que facilite a los conductores el recorrido seguro y cómodo de la curva,

manteniendo al vehículo dentro de su carril de circulación.

La longitud mínima de transición de la espiral (Le) por el mayor de los

siguientes valores:

0.0214∗

o

24 ∗

Donde:

L: Longitud mínima de transición

Pmin: Separación lateral mínima entre la tangente y la curva circular (0.20 mts)

R: Radio de la curva circular (m)

V: Velocidad de diseño (km/m)



C: Tasa de incremento máxima de aceleración centrípeta (1.2 m/s2)

Ingresando valores obtenemos:

0.0214∗

0.021450

78.74 ∗ 1.20. . ñ

24 ∗ = 24 0.20 ∗ 78.74 = 19.44 .

Sobre anchos en Curvas horizontales.

Los sobre anchos son diseñados en curvas horizontales de radios pequeños,

combinados con carriles angostos, son necesarios para acomodar la mayor

curva que describe el eje trasero de un vehículo pesado, y para compensar la

dificultad que enfrenta un conductor al tratar de ubicarse en el centro de su

carril de circulación. La práctica común es aplicar el sobre ancho en la parte

interna de la curva y debe ajustarse a la longitud total de transición.

Para determinar el sobre ancho requerido por un vehículo al circular por una

curva horizontal debe determinarse primeramente el ancho total requerido por el

vehículo de diseño al circular por una curva, esto se obtiene:

Donde

U: Ancho utilizado por el vehículo de diseño al circular por una curva.

u: Ancho total del vehículo de diseño, al exterior de las llantas (2.40 mts)

R: Radio de diseño de la curva horizontal (78.74 mts)

L: Longitud entre ejes extremos del vehículo de diseño (6.10 mts)



Sustituyendo valores se obtiene

√ 2.4 78.74 78.74 6.10 . .

Luego debe calcularse la distancia radial entre la cara de la llanta que define la trayectoria externa y el extremo exterior del cuerpo del vehículo, su valor viene dado por:

2

Donde

FA: Distancia desde la trayectoria externa descrita por la llanta del vehículo de diseño y el punto más extremo del cuerpo del vehículo.

R: Radio de diseño de la curva horizontal (78.74 mts)

A: Longitud del voladizo delantero del vehículo de diseño (1.20 mts)

L: Longitud entre ejes extremos del vehículo de diseño (6.10 mts)


2 78.74 1.20 2 ∗ 6.10 1.20 78.740.102

A continuación se procede a calcular un ancho adicional que se diseña para brindar mejor maniobrabilidad a los conductores cuando circulan por una curva, este ancho extra es un valor empírico que varía según la velocidad del tránsito y el radio de la curva, este se expresa como:

0.10√


0.10√

0.1050

√78.740.563 .



Con los encontrados se puede calcular el ancho total de la calzada requerida por nuestro vehículo de diseño cuando este circula por una curva, su valor es obtenido como sigue:

1

Donde

N: Número de carriles

U: Ancho utilizado por el vehículo de diseño al circular por una curva.

C: Es un valor conocido como claro lateral, sus valores están definidos por la AASHTO y son 0.60, 0.75 y 0.90 para anchos de calzada de 6.0, 6.6 y 7.2 metros respectivamente (0.90 para calzada de 7.20 mts)

FA: Distancia desde la trayectoria externa descrita por la llanta del vehículo de diseño y el punto más extremo del cuerpo del vehículo.

Z: Ancho adicional.


1 2 2.636 0.90 0.102 2 1 0.5637.737 .

De esta manera el sobre ancho no es más que la diferencia que hay entre el ancho total de la calzada requerida y el ancho propuesto de calzada en tangentes. La AASHTO recomienda que sobre anchos menores de 0.60 mts nos son necesarios de aplicarse.

7.737 7.20 0.537 .

El valor calculado es menor de 0.60 mts. Por tanto no es necesario agregar sobre ancho en las curvas horizontales del tramo de carretera.

El alineamiento Vertical: La topografía del terreno ejerce gran influencia en el diseño de una carretera, afecta el alineamiento horizontal, pero tiene mayor efecto en sobre el alineamiento vertical.



El diseño vertical se centra principalmente en definir ciertos parámetros mínimos como: Pendiente máxima para la velocidad de diseño y el grado de curvatura vertical mínimo conocido como “K”.

Pendientes: Se selecciona de acuerdo con la velocidad de diseño y el tipo de terreno, sus valores están dados por la AASHTO mediante la siguiente tabla.

Tabla 6.4.1: Pendientes Máximas y Mínimas por tipo de carretera

Clasificación Tipo de Terreno

Velocidad de Diseño (km/h) y Pendiente

Máxima % Pendiente Mínima %

32

48

64

80

96

112

Autopistas Regionales

Plano - - - 4 3 3

0.5 Ondulado - - - 5 4 4

Montañoso - - - 6 6 5

Troncales Urbanas

Plano - 8 7 6 5 -

0.5 Ondulado - 9 8 7 6 -

Montañoso - 11

10

9 8 -

Troncales Rurales

Plano - - 5 4 3 3

0.5 Ondulado - - 6 5 4 4

Montañoso - - 8 7 6 5

Colectoras Urbanas

Plano 9 9 9 7 6 5

0.3-0.5 Ondulado 12

11

10

8 7 6

Montañoso 14

12

12

10

9 7

Colectoras Rurales

Plano - 7 7 6 5 -

0.5 Ondulado 11

10

9 8 6 -

Montañoso 16

14

12

10

- -

Fuente: Manual centroamericano de normas de diseño geométrico de carreteras.



Curvas Verticales.

Existen dos tipos de curvas verticales, las hay en Crestas o convexas, y en Columpio o cóncavas. Las primeras se diseñan de acuerdo con la más amplia distancia de visibilidad para la velocidad de diseño, y las otras conforme a la distancia que alcanzan a iluminar los faros del vehículo de diseño, son de fácil aplicación y contribuyen a la estética del trazado, además que facilitan la operación del drenaje de las carreteras.

El diseño de curvas verticales se simplifica empleando un factor de curvatura mínimo que define la AASHTO para las diferentes velocidades de diseño, este factor es denominado con la letra K, y sus valores para diseño de curvas tanto en crestas como en columpios se encuentran en las siguientes tablas:

Tabla 6.4.2: Controles de diseño para curvas verticales en cresta.

Velocidad de Diseño (km/h)

Distancia de visibilidad de parada (mts)

Tasa de Curvatura Vertical de Diseño

"K"

30 35 2

40 50 4

50 65 7

60 85 11

70 105 17

80 130 26

90 160 39

100 185 52

110 220 74

120 250 95

130 285 124

Fuente: AASHTO



Tabla 6.4.3: Controles de diseño para curvas verticales en columpio.

Velocidad de Diseño (km/h)

Distancia de visibilidad de parada (mts)

Tasa de Curvatura Vertical "K"

30 35 6

40 50 9

50 65 13

60 85 18

70 105 23

80 130 30

90 160 38

100 185 45

110 220 55

120 250 63

130 285 73

Fuente: AASHTO

Para nuestro proyecto están basados en la velocidad de diseño de 50 km/h, tenemos que:

K=7, para curvas verticales en cresta. K=13, para curvas verticales en columpio

El siguiente paso es determinar la longitud de la curva vertical, que viene dada por la fórmula:

∗

Donde

Lc: Longitud de la curva vertical (mts)

K: Tasa de curvatura vertical

G: Diferencia algebraica entre la pendiente de entrada y salida. (%)



Resultados del diseño para alineamiento horizontal.

Parámetros de Diseño Valor Velocidad de diseño 50 km/h

Radio Mínimo de curva 78.74 mts. Ancho de carril 3.60 mts.

Número de carriles 2 Distancia entre ejes del vehículo de diseño (SU) 6.10 mts.

Bombeo de calzada 3% Peralte máximo 6%

Coeficiente de fricción lateral 0.19 Ancho total del vehículo de diseño (SU) 2.40 mts.

Longitud del voladizo delantero (SU) 1.20 mts.

Tabla 6.4.4: Resumen De Cálculos De Elementos De Diseño Del Alineamiento Horizontal

CURVA EST. PI DEFLEXION RADIO TANG. LC G. CURV.

EXTERNA EST. PC. EST. PT. PERALTE TRANSICION SOBREANCHO

N° KM G M S MTS. MTS. MTS. MTS. KM KM % MTS. MTS.

1 00+203.18 16 49 14 200.000 29.570 58.715 5.730 2.174 00+173.61 00+232.32 3.79 11.146 0.000

2 00+310.20 7 30 57 200.000 13.136 26.235 5.730 0.431 00+297.06 00+323.30 3.79 11.146 0.000

3 00+455.87 12 54 45 200.000 22.632 45.073 5.730 1.276 00+433.24 00+478.31 3.79 11.146 0.000

4 00+597.18 19 45 13 200.000 34.822 68.953 5.730 3.009 00+562.36 00+631.31 3.79 11.146 0.000

5 00+875.20 5 30 11 200.000 9.612 19.209 5.730 0.231 00+865.59 00+884.80 3.79 11.146 0.000

6 01+010.08 11 8 53 200.000 19.519 38.914 5.730 0.950 00+990.56 01+029.48 3.79 11.146 0.000

7 01+198.35 9 49 4 80.000 6.871 13.708 14.324 0.295 01+191.48 01+205.19 6.00 27.865 0.000

8 01+304.20 28 11 45 80.000 20.092 39.369 14.324 2.484 01+284.11 01+323.48 6.00 27.865 0.000

9 01+380.65 21 49 6 80.000 15.419 30.464 14.324 1.472 01+365.23 01+395.70 6.00 27.865 0.000

10 01+515.19 51 7 57 80.000 38.272 71.394 14.324 8.683 01+476.92 01+548.31 6.00 27.865 0.000



Resultados del diseño para alineamiento vertical.

Parámetros de Diseño Valor Velocidad de diseño 50 km/h

Tasa de curvatura vertical mínima K (Cresta) 7 Tasa de curvatura vertical mínima K (Columpio) 13

Tabla 6.4.5: Resumen De Cálculos De Elementos De Diseño Del Alineamiento Vertical

DATOS DEL ALINEAMIENTO ELEVACIONES SOBRE LA CURVA

EST. PIV Elev. PIV.

P. Entrada

P. Salida

Dif. Pend. TIPO

L.C (M)

"K" DISEÑO

EST. PCV EST. PTV PCV PIV PTV

KM MTS. % % % MTS. KM KM MTS. MTS. MTS.

0+235.00 200.570 2.55 3.80 1.25 COLUMPIO 40 32 00+215.00 00+255.00 200.060 200.508 201.330

0+520.00 211.400 3.80 0.66 ‐3.14 CRESTA 450 143.31 00+295.00 00+745.00 202.850 209.634 212.885

0+945.00 214.210 0.66 1.33 0.67 COLUMPIO 60 89.55 00+915.00 00+975.00 214.012 214.160 214.609

1+118.24 216.520 1.33 1.65 0.32 COLUMPIO 40 125 01+098.24 01+138.24 216.254 216.504 216.850

1+340.00 220.190 1.65 2.94 1.29 COLUMPIO 60 46.51 01+310.00 01+370.00 219.695 220.093 221.072

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