Capítulo 2 Controles para el diseño geométrico - Doble Vía · PDF...

Ing. dgar Jim nez doblevia.wordpress.comÉ é ·

Diseño geométrico de vías

Ingeniería Civil

Capítulo 2

Controles para el diseño geométrico

2009A


¿Qué voy a encontrar aquí?¿Qué voy a encontrar aquí?

• ¿Cómo se escoge la velocidad de diseño?– ¿Todos los elementos tienen la misma velocidad de diseño?

– ¿De qué manera la seguridad depende de la velocidad?

• ¿Cuáles son los vehículos de diseño?– ¿Qué implica escoger un determinado vehículo de diseño?

• ¿Qué es distancia de visibilidad?– ¿Qué es distancia de visibilidad de parada y cómo se calcula?

– ¿Qué es distancia de visibilidad de adelantamiento y cómo se calcula?

– ¿Es verdad que no se debe adelantar en curva (horizontal)?

– ¿De qué manera influye las distancias de visibilidad en el diseño de la carretera?


VelocidadVelocidad

• Velocidad puntual: Es la velocidad de un vehículo a su paso por un punto de la carretera en un instante dado.

• Velocidad media temporal: Es el promedio aritmético de la velocidad puntual de un grupo de vehículos observados durante un intervalo de tiempo dado.

• Velocidad media espacial: Promedio aritmético de la velocidad puntual de todos los vehículos que un instante determinado se encuentren en un tramo de carretera.

• Velocidad de recorrido: Ver capítulo 1.

• Velocidad de marcha: Ver capítulo 1.

• Velocidad de diseño o de proyecto: Aquella que se utiliza para diseñar los elementos geométricos de la carretera.

• Velocidad específica o de operación: Se puede definir como la velocidad que adopta la mayoría de los conductores al recorrer un elemento geométrico de la carretera en particular [cuando se encuentran en condiciones de flujo libre].


Velocidad de diseñoVelocidad de diseño

• Antes se definía la velocidad de diseño como “la máxima velocidad segura y cómoda que puede ser mantenida en un tramo determinado de una vía, cuando las condiciones son tan favorables, que las características geométricas de la vía predominan”. (1)

• En la actualidad, se considera que la velocidad de diseño es simplemente la velocidad seleccionada para determinar el diseño de los distintos elementos geométricos de cada tramo de la vía. (2)

1. Cárdenas, James. Diseño geométrico de carreteras. Ecoe ediciones, 2005. p. 6. Esta definición fue adoptada por el Manual de diseño geométrico para carreteras del INVIAS, 1998.2. American Association of State Highway and Transportation Officials. A policy on geometric design of highways and streets. 2001. Esta definición ha sido adoptada en la versión 2008 del Manual de diseño geométrico de carreteras del INVIAS.

La velocidad de diseño determina las características de los elementos geométricos

que componen una vía, por ejemplo, el radio de una curva circular.


Velocidad de diseñoVelocidad de diseño

• Particularmente en Colombia la velocidad de operación suele ser mayor a la de diseño. De manera que no es adecuado considerar a una velocidad superior a la de diseño como insegura per se.

• Si se tiene la posibilidad de realizar un estudio de velocidad, un indicativo para escoger la de diseño corresponde a aquella que sólo el 2% de los conductores la supere. Dicho de otro modo, que el 98% de ellos viaje, cuando mucho, a esa velocidad.

• Existe la tendencia a no utilizar velocidades de diseño mayores a 120 km/h. (1)

• En Colombia, nominalmente, la máxima velocidad de diseño es de 110 km/h. Sin embargo, es difícil encontrar carreteras diseñadas para más de 90 km/h, pese a que el límite actual es de 120 km/h en vías rurales.

1. Cal y Mayor, Rafael y Cárdenas, James. Ingeniería de tránsito. Fundamentos y aplicaciones. Alfaomega, 2006. p. 221

http://www.flickr.com/photos/cesarastudillo/215987893/


Tramos homogéneosTramos homogéneos

• Para que la vía sea segura, la velocidad de diseño debe ser lo más estable posible. Para lograrlo se escogen tramos que, por su topografía, presentan condiciones homogéneas que permiten asignarles una misma velocidad de diseño, la velocidad de diseño del tramo homogéneo (VTR)

3 kmLongitud mínima para un

tramo homogéneo cuando la velocidad de diseño esté entre 20 km/h y 50 km/h

4 kmLongitud mínima para un

tramo homogéneo cuando la velocidad de diseño esté entre 60 km/h y 110 km/h

20 km/hMáxima diferencia en la

velocidad de diseño de dos tramos homogéneos

sucesivos

10 km/hMáxima diferencia en la

velocidad de diseño de dos tramos homogéneos sucesivos, siempre y

cuando las condiciones del terreno exijan un tramo de

menor longitud que la especificada más arriba


Velocidad de diseño del tramo Velocidad de diseño del tramo homogéneo (Vhomogéneo (VTRTR))

Tabla 2.1 del Manual de diseño geométrico de carreteras, INIVAS, 2008. p. 38

• La velocidad de diseño del tramo depende primordialmente de:– El tipo de vía

– El tipo de terreno

• Pero también se escoge en función de:– Servicio a ofrecer

– Facilidades de financiamiento

– Facilidades de acceso

– Consideraciones ambientales

– Volúmenes de tránsito

– Usos del suelo, en especial la ocupación de la zona aledaña a la carretera


Velocidad específica de los Velocidad específica de los elementoselementos

• Uno de los cambios introducidos en la versión 2008 del Manual de diseño geométrico de carreteras del INVIAS consiste en la evaluación de una velocidad de diseño diferente para cada elemento de los que integran el trazado de la vía en planta y perfil.

La velocidad de diseño específica de un elemento de la carretera depende del valor que se haya seleccionado como velocidad de

diseño del tramo homogéneo (VTR) y, particularmente, de la geometría del trazado inmediatamente anterior al elemento considerado, teniendo en cuenta el sentido de circulación de los vehículos.

VTR + 20 km/hMáxima diferencia en la velocidad de diseño específica de

un elemento y la velocidad de diseño del tramo homogéneo. En ningún caso puede ser menor a la VTR.


Velocidad específica de los Velocidad específica de los elementos en plantaelementos en planta

• Velocidad específica de la curva horizontal (VCH)– Está en función de:

• La velocidad de diseño del tramo en el que se encuentra la curva (VTR)

• El sentido de circulación

• La velocidad específica de la curva horizontal anterior

• La longitud del segmento recto anterior– Se entiende por segmento recto la distancia entre el PT de la curva

anterior y el PC de la analizada, o entre los puntos medios de las espirales si las curvas son espiralizadas.

• El ángulo de deflexión de la curva analizada



• Velocidad específica de la curva horizontal (VCH)– Según el manual de diseño del

INVIAS (2008), se pueden presentar cinco situaciones cuando un conductor se acerca a una curva horizontal:

• Caso 1: La longitud del segmento recto es muy corta y el conductor juzga que no tiene tiempo suficiente para obtener plena claridad sobre la curva siguiente, por lo tanto, no modifica su velocidad.

En este caso 1 la velocidad específica de la curva horizontal (VCH) analizada debe ser igual a la de

la curva horizontal inmediatamente anterior (en el sentido de circulación).



• Velocidad específica de la curva horizontal (VCH)

• Caso 2: La longitud del segmento recto es relativamente corta (el conductor percibe que la curva está muy cerca). Si el ángulo de deflexión de la curva es menor a 45° el conductor tiene una noción razonablemente clara de la situación. En consecuencia, no modifica su velocidad.

En este caso 2 la velocidad específica de la curva horizontal (VCH) analizada debe ser igual a la de

la curva horizontal inmediatamente anterior (en el sentido de circulación).




• Caso 3: La longitud del segmento recto es relativamente corta (el conductor percibe que la curva está muy cerca). Si el ángulo de deflexión de la curva es mayor o igual a 45° el conductor tiene una noción incierta del trazado que sigue. En consecuencia, reduce su velocidad al aproximarse a la curva.

En este caso 3 la velocidad específica de la curva horizontal (VCH) analizada debe ser 10 km/h

menor a la de la curva horizontal inmediatamente anterior (en el sentido de circulación).




• Caso 4: La longitud del segmento recto es suficientemente larga para que los conductores incrementen su velocidad al salir de la curva anterior. Sin embargo, no hay suficiente tiempo para que el incremento sea drástico.


mayor a la de la curva horizontal inmediatamente anterior (en el sentido de circulación).

Catalina Rodriguez




• Caso 5: El segmento recto presenta una longitud relativamente larga, suficiente para que los conductores decidan aumentar la velocidad 20 km/h por encima de la velocidad de diseño del tramo homogéneo (VTR) al que pertenecen las curvas horizontales.


mayor a la velocidad de diseño del tramo homogéneo (VTR)

Catalina Rodriguez




Tabla 2.2 del Manual de diseño geométrico de carreteras, INIVAS, 2008. p. 43



• Velocidad específica de la entretangencia horizontal (VETH)– La entretangencia horizontal es

el espacio que existe entre dos curvas horizontales sucesivas (similar al segmento recto del que se venía hablando).

– La velocidad específica de la entretangencia horizontal (VETH) debe ser la mayor de las velocidades específicas de las curvas horizontales (VCH) que enmarcan la entretangencia.


Velocidad específica de los Velocidad específica de los elementos en perfilelementos en perfil

• Velocidad específica de la curva vertical (VCV)– Si la curva vertical coincide

con una curva horizontal, VCV debe ser igual a VCH

– Si la curva vertical está localizada dentro de una entretangencia horizontal, VCV debe ser igual a VETH

• Velocidad específica de la tangente vertical (VTV)– Debe ser igual a la

velocidad de la entretangencia horizontal


¿Para que sirven las anteriores ¿Para que sirven las anteriores velocidades?velocidades?

• Velocidad de diseño del tramo homogéneo (VTR)– Determina las velocidades de diseño específicas de los elementos y guía de

manera general el diseño de cada tramo.

• Velocidad de la curva horizontal (VCH)– Sirve como parámetro para determinar el radio, el peralte, el sobreancho y la

longitud de las espirales.

– Determina la distancia de visibilidad de parada y adelantamiento.

• Velocidad de la entretangencia horizontal (VETH)– Determina la distancia de visibilidad de parada y adelantamiento.

• Velocidad de la curva vertical (VCV)– Sirve como parámetro de cálculo para la longitud de la curva vertical y la

distancia de visibilidad de parada y adelantamiento.

• Velocidad de la tangente vertical (VTV)– Determina la distancia de visibilidad de parada y adelantamiento.


Consistencia en el diseñoConsistencia en el diseño

• El diseño consistente se logra cuando la velocidad de diseño de todos los tramos y elementos ha sido escogida de manera apropiada.

• Así se garantiza que los conductores no deberán cambiar su velocidad de operación bruscamente obligados por las características geométricas de la carretera.

• Lo anterior se traduce en seguridad, es decir, menos accidentes, menos heridos, menos muertes, menos daños a la propiedad.

• Lo ideal es que todos los elementos tuvieran la misma velocidad de diseño (y que fuera igual a VTR).

• Los criterios explicados para escoger las velocidades específicas y la longitud de los tramos resultan en un diseño consistente.


¿Cómo controlar la velocidad?¿Cómo controlar la velocidad?

• La mejor manera:– Con el diseño (self-

enforcement)

• Una manera eficaz para sitios críticos:– Con dispositivos de control

• La medida menos eficaz:– Limitaciones legales

• Una que es eficaz, pero limitada en el tiempo y el espacio:– Control policial

Si la desviación estándar de las velocidades tomadas en una carretera en determinado periodo de tiempo es pequeña (es decir,

todos los vehículos viajan casi a la misma velocidad) se disminuirían las probabilidades de accidentes cuya causa esté asociada a la velocidad. Esta es la razón por la cual en algunos sitios existen

límites mínimos.

The truth about. http://flickr.com/photos/thetruthabout


Vehículo de diseñoVehículo de diseño

• El vehículo de diseño es aquel que sea representativo de todos los vehículos que puedan circular por la vía.

• El vehículo de diseño determina buena parte de las dimensiones de la vía.

• La selección del vehículo de diseño debe corresponderse con la composición vehicular que arroje el estudio de proyección de tránsito.

Cuando se trata de intersecciones la elección del vehículo de diseño es crucial, especialmente porque determina el

radio mínimo de giro.



• En Colombia se distinguen dos tipos de vehículos:– Vehículos livianos: Aquellos

con una capacidad de carga menor a 5 toneladas (automóviles, camionetas, camperos).

– Vehículos pesados: Los que puedan soportar más de 5 toneladas (buses y camiones).

Pese a que, en la mayoría de carreteras, los vehículos ligeros son más numerosos que los pesados, es necesario tener en cuenta estos últimos para determinar dimensiones en la sección transversal de la vía. Los vehículos ligeros, en

cambio, suelen ser más determinantes en el diseño de parqueaderos.

Catalina Rodriguez



• Se consideran 6 categorías de vehículos dentro de los tres tipos mencionados:

Tabla 2.4 del Manual de diseño geométrico de carreteras. INVIAS, 2008.

Tabla 2.5 del Manual de diseño geométrico de carreteras. INVIAS, 2008.Dimensiones principales de los vehículos de diseño


Vehículo livianoVehículo liviano

Figura 2.2 del Manual de diseño geométrico de carreteras. INVIAS, 2008.


Bus medianoBus mediano



Bus grandeBus grande



Camión C2Camión C2



Camión C3Camión C3



Camión C3S2Camión C3S2



Distancia de visibilidadDistancia de visibilidad

• La distancia de visibilidad se define como “la longitud de carretera continua que es visible hacia adelante por el conductor de un vehículo que circula por ella” (INVIAS, 2008).

• Existen varias distancias de visibilidad que se deben tener en cuenta según las características de la carretera:

– De parada (Dp)

– De adelantamiento (Da)

– De cruce (Dc)

– De encuentro

– De decisión


Distancia de visibilidad de Distancia de visibilidad de parada (Dp)parada (Dp)

• Es la distancia necesaria para que el conductor de un vehículo pueda detenerlo por completo ante la presencia de un obstáculo en la vía.

• La distancia de visibilidad de parada se debe garantizar en todos los tramos y elementos de la carretera, de acuerdo a la velocidad específica de cada uno.

• Distancia de percepción-reacción– La que transcurre durante el tiempo de

percepción-reacción (PIEV), es decir, desde el momento en el que el obstáculo es visible al conductor hasta que este aplica los frenos. Se asume un movimiento uniforme a velocidad constante.

• Distancia de frenado– La que se recorre mientras el vehículo

se detiene por completo, desde el inicio de la aplicación de los frenos. Se asume un movimiento uniformemente acelerado.

DPIEV=V e tPIEV

d=V i

2−V f2

2a

Con pendiente p

d=V i

2−V f

2

2gag±p

Vía a nivel


Distancia de visibilidad de Distancia de visibilidad de parada (Dp)parada (Dp)

• Un tiempo PIEV de 2,5 s recoge la reacción de la mayoría de conductores.

• Una tasa de deceleración de 3,4 m/s² garantiza una frenada cómoda y segura para la mayoría de conductores y vehículos.

• La velocidad final, desde luego, es nula.

• Distancia PIEV (DPIEV):

• Distancia de frenado (d):

• Distancia de visibilidad de parada (Dp):

DPIEV =V e2,5 s

3,6km /hm / s

= 0,695V e

d =

V e2

1m/s3,6 km /h

2

29,81m/s2[

3,4m/ s2

9,81m/ s2±p]

=V e

2

2540,347±p

Dp = 0,695Ve Ve2

254 0,347±p

Dp: Distancia de visibilidad de parada en mVe: Velocidad específica del elemento en

análisis en km/hp: Pendiente del tramo expresada en decimales


Distancia de visibilidad de Distancia de visibilidad de adelantamiento (Da)adelantamiento (Da)

• Corresponde a la distancia de visibilidad necesaria para que un vehículo pueda sobrepasar a otro de manera segura, sin interferir con un tercer vehículo que circule en sentido contrario.

• Sólo se considera en carreteras de dos carriles, dos sentidos.

Tomado del Manual de diseño geométrico de carreteras, INVIAS, 2008.

De acuerdo a estudios realizados por la AASHTO, la maniobra de adelantamiento se puede dividir en cuatro

fases, agrupadas de manera general en dos etapas. A cada una de las fases le corresponde una distancia. Por

consiguiente, la distancia de visibilidad de adelantamiento (Da) corresponde a la suma de estas cuatro longitudes.



Durante la Fase 1 el conductor del vehículo que adelanta toma la decisión de realizar la maniobra. En consecuencia, acelera y ocupa el carril contrario.

d1 = 0,278 t1V−ma⋅t12

d1: Distancia recorrida durante la fase 1

expresada en metros

t1: Tiempo de la maniobra durante la fase

1 en segundos

V: Velocidad del vehículo que adelanta en km/h

m: Diferencia entre las velocidades del vehículo que adelanta y el adelantado. Se asume que m = 15 km/h

a: Aceleración que el vehículo necesita para iniciar la maniobra de adelantamiento en km/h/s



En la Fase 2 el vehículo que adelanta utiliza el carril opuesto para sobrepasar otro vehículo y, una vez lo juzgue seguro, regresar a su carril.

d 2 = 0,278 t2⋅V

d2: Distancia recorrida durante la fase 2

expresada en metros

t2: Tiempo de la maniobra durante la fase

1 en segundos

V: Velocidad del vehículo que adelanta en km/h


Distancia de visibilidad de Distancia de visibilidad de adelantramiento (Da)adelantramiento (Da)

La Fase 3 se corresponde con una distancia de seguridad que debe guardarse entre el vehículo que adelanta (que acaba de entrar a su propio carril) y el vehículo que circula

en sentido contrario.La Fase 4, por su parte, consiste en la distancia recorrida por el vehículo que circula en

sentido contrario mientras el otro realizaba su maniobra de adelantamiento.

d3 = [30m , 90m]

d3: Distancia de seguridad entre el

vehículo que adelanta y el que circula en sentido contrario. Fluctúa entre 30 m y 90 m en función de la velocidad de la maniobra.

d 4 =23d2

d4: Distancia que recorre el vehículo que

circula en sentido contrario. Se considera igual a dos tercios de d2 porque si el vehículo que adelanta no alcanza a superar esa longitud mientras se aproxima el vehículo que viene frente a él, generalmente suspende la maniobra y retorna a su carril.

d2: Distancia de la Fase 2.



Da = d1d 2d3d4 = 0,278 {t1V−ma⋅t12 53 V⋅t2 }d3




• Cualquier tramo de la carretera que tenga una distancia de visibilidad mayor a Da permite el adelantamiento sin importar su geometría (una curva horizontal p.ej.).

• Las oportunidades de adelantamiento están relacionadas directamente con la capacidad de las carreteras de dos carriles dos sentidos. Por ello, se deben garantizar subtramos con suficiente visibilidad.

• En un tramo de 5 km deben encontrarse tramos para adelantar que sumen la longitud indicada (en porcentaje) en la siguiente tabla:

VTR (km/h) 20 - 50 60 - 80 90 - 100

% del tramo de 5 km con visibilidad de adelantamiento

20% 30% 40%


BibliografíaBibliografía

• American Association of State Highway and Transportation Officials. A policy on geometric design of highways and streets. AASHTO, Washington D.C., 2001. ISBN 1-56051-156-7

• Cal y Mayor, Rafael y Cárdenas, James. Ingeniería de tránsito. Fundamentos y aplicaciones. Alfaomega. Bogotá, 2006

• Cárdenas Grisales, James. Diseño Geométrico de Carreteras. Ecoe ediciones. Bogotá. 2002.

• Instituto Nacional de Vías, INVIAS, Ministerio de Transporte. Manual de Diseño Geométrico de Carreteras. Bogotá. 2008.


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