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P L A T A F O R M A T E C N O L Ó G I C A E S P A Ñ O L A D E L A C A R R E T E R A ( P T C )

Nuevo proceso de diseño geométrico para unas carreteras convencionales más seguras

Autores: A. García García, F. J. Camacho Torregrosa,

A. M. Pérez Zuriaga, A. T. Moreno Chou, C. Llorca GarcíaGIIC - Universitat Politècnica de València

Nº 06/ 2013Cuadernos Tecnológicos de la PTC

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La Plataforma Tecnológica Española de la Carretera (PTC) es el foro de encuentro apoyado por el Ministerio de Economía y Competitividad para todos los agentes del sistema ciencia-tecnología-empresa con un papel relevante en el fomento del empleo, la competitividad y el crecimiento en el sector de las infraestructuras viarias en España.

Desde su presentación en sociedad en febrero de 2010, la PTC trabaja como una plataforma transversal que fomenta el intercambio fl uido de información y las discusiones a nivel tecnológico entre los agentes privados y públicos del sector, con el objeto de contribuir a que España se convierta en el referente mundial en materia de tecnologías asociadas a la carretera.

La colección de publicaciones “Cuadernos Tecnológicos de la PTC” surge de los convenios de colaboración que la Plataforma mantiene con un importante número de instituciones académicas activas en la I+D+i en materia de infraestructuras viarias. Cada Cuaderno se incardina dentro de alguna o varias de las temáticas y sub-temáticas de la vigente Agenda Estratégica de Investigación de la Carretera en España (2011-2025).

LA COLECCIÓN “CUADERNOS TECNOLÓGICOS DE LA PTC”

Colección de Cuadernos Tecnológicos de la PTC

Año 2013

01/2013: Técnicas avanzadas de fusión de información de fuentes heterogéneas para la extracción de información de movilidad en carreteras

02/2013: Software para la explotación de datos LiDAR en carreteras

03/2013: Desarrollo de una metodología de análisis del coste de ciclo de vida

04/2013: Carga tarifaria y fi scal del transporte por carretera: un análisis comparado entre E.E.U.U. y Europa

05/2013: Captación de energía en carretera: colectores solares asfálticos

06/2013: Nuevo proceso de diseño geométrico para unas carreteras convencionales más seguras

07/2013: Informe del estado del arte sobre el factor humano en la conducción

08/2013: Optimización del uso de las carreteras existentes

09/2013: Diseño de estación de carga para vehículos eléctricos mediante energías renovables

Año 2012

01/2012: Análisis del Megatruck en España

02/2012: Conceptualización del transporte sostenible desde el comportamiento prosocial

03/2012: Consideraciones para la modifi cación de los límites de la velocidad en base a la accidentalidad

04/2012: Extrapolación de materiales viarios

05/2012: Gestión de la mejora de la movilidad

06/2012: Infl uencia de la meteorología adversa sobre las condiciones operacionales del tráfi co y recomendaciones para la localización de sensores de variables atmosféricas

07/2012: Membranas fl exibles ancladas al terreno para la estabilización de taludes en carreteras

08/2012: Priorización de actuaciones sobre accidentes de tráfi co mediante reglas de decisión

09/2012: Sistemas lidar móvil para el inventario geométrico de carreteras

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Año 2011

01/2011: Sistemas de adquisición de información de tráfi co: estado actual y futuro

02/2011: Firmes Permeables

03/2011: Sistema fotogramétrico para la medición remota de estructuras en programas de inspección de puentes

04/2011: Pago por uso de las infraestructuras viarias: Estudio de los accesos a Madrid

05/2011: Sistema eCall: Situación actual y estándares

06/2011: La velocidad de operación y su aplicación en el análisis de la consistencia de carreteras para la mejora de la seguridad vial

07/2011: Desarrollo de una metodología de análisis de ciclo de vida integral específi ca para carreteras

08/2011: Control pasivo de velocidad: intervención en tramos de acceso a entornos urbanos

Para cualquier información adicional, contacte con [email protected] o visite www.ptcarretera.es

Cuaderno Tecnológico de la PTC Nº 06/2013

Autores:A. García García, F. J. Camacho Torregrosa,

A. M. Pérez Zuriaga, A. T. Moreno Chou, C. Llorca GarcíaGIIC - Universitat Politècnica de València


En colaboración con:

Agenda Estratégica de Inves gación de la Carretera en España

(2011-2025)

Temá cas: Sub-temá cas:

Seguridad vial Actuaciones innovadoras en seguridad vial

Índice

1. Introducción .................................................................................................... 13

1.1. El proceso tradicional de diseño geométrico de carreteras ................... 13

1.2. Dimensiones de la seguridad vial ............................................................. 14

1.3. Conceptos de velocidad ........................................................................... 15

1.4. Aplicación de la consistencia en el diseño geométrico .......................... 21

1.5. El diseño geométrico en las fases de planeamiento y proyecto ............23

1.6. Limitaciones del proceso de diseño geométrico actual .........................24

2. Propuesta de nuevo proceso de diseño geométrico seguro de carreteras

convencionales .................................................................................................. 27

2.1. Proceso general ........................................................................................ 27

2.2. La elección de la velocidad de diseño y el proceso de tramifi cación ....30

2.2.1. Sección transversal, nudos y tráfi co ............................................... 31

2.2.2. Método alemán ............................................................................... 31

2.2.3. Método de Cafi so et al. ...................................................................32

2.2.4. Método de García et al. ..................................................................33

2.3. Desarrollo de perfi les de velocidad de operación ..................................35

2.3.1. Modelos de velocidad de operación en curvas ..............................35

2.3.2. Modelos de velocidad de operación en rectas ..............................36

2.3.3. Modelos de tasas de aceleración y deceleración ..........................38

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2.3.4. Construcción del perfi l de velocidad de operación .......................39

2.4. Consistencia del diseño geométrico .......................................................39

2.4.1. Criterios I y II de Lamm ................................................................... 41

2.4.2. Índice de Consistencia Inercial (ICI) ...............................................42

2.4.3. Criterio global de Polus ..................................................................43

2.4.4. Modelo global de Camacho-Torregrosa et al. .............................. 44

3. Adaptación a la fase de planeamiento ..........................................................47

3.1. Criterio global de Polus ............................................................................47

3.2. Modelo global de Camacho-Torregrosa et al. ....................................... 48

4. Aplicación a la evaluación de la seguridad de carreteras en servicio .......... 51

4.1. Restitución geométrica de carreteras.....................................................52

5. Adaptación al rediseño de carreteras ...........................................................55

6. Discusión ........................................................................................................59

7. Conclusiones ...................................................................................................63

8. Publicaciones propias de la investigación ....................................................65

9. Conclusión ..................................................................................................... 69

10. Agradecimientos .......................................................................................... 71

11. Referencias ....................................................................................................73

1. Introducción

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1.1. El proceso tradicional de diseño geométrico de carreteras

La parte más importante del proyecto de una carretera lo constituye su diseño geométrico. Este proceso consiste en, a partir de una serie de condicionantes previos, defi nir la confi guración geométrica defi nitiva que perseguirá satisfacer al máximo los siguientes objetivos fundamentales: funcionalidad, seguridad, comodidad, integración ambiental, armonía o estética, economía y elasticidad.

La carretera es una realidad tridimensional, si bien no suele concebirse directamente como tal. El proceso de diseño tradicional consiste en centrarse iterativamente sobre cada una de sus partes o proyecciones (planta, alzado y sección transversal). A su vez, en cada uno de los pasos hay que tener en mente la realidad tridimensional del conjunto, analizando el cumplimiento de la normativa y el conjunto de criterios u objetivos.

Además, no todos los objetivos del diseño están en correspondencia. De hecho, algunos de ellos son contrapuestos. La imposibilidad de satisfacer la totalidad de los mismos conlleva la necesaria priorización de unos frente a otros. Otro problema existente es, en ocasiones, la difi cultad o imposibilidad de medir su grado de cumplimiento. De hecho, el objetivo de seguridad vial tradicionalmente se ha asociado con la mera verifi cación del cumplimiento de la normativa de trazado.

En cuanto a los factores infl uyentes, son muy numerosos, por lo que conviene clasifi carlos en externos (o previamente existentes) e internos (propios de la vía y su diseño). Así pues, entre los factores externos podría destacarse la orografía, geología y geotecnia, la demanda de tráfi co, condicionantes urbanísticos y climatología. Como factores internos puede citarse las velocidades o los efectos operacionales de la geometría (visibilidad, etc.).

De todos estos factores, es quizá la velocidad que se espera poder facilitar a los conductores el más evidente para los ingenieros, y el que más peso tiene en el proceso de diseño. Así pues, defi nir una velocidad de partida en la que poder basar el diseño de la vía se convierte en una cuestión fundamental. A esta velocidad se la conoce como velocidad de diseño internacionalmente, y como velocidad de proyecto en España. Su selección, se basa principalmente en la clase o tipo de carretera y en las características orográfi cas y urbanísticas del entorno.

Esta velocidad es considerada como punto de partida para la defi nición

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Cuaderno Tecnológico de la PTC Nº 06/ 2013

de los controles geométricos que afectan el diseño del tramo. Así pues, los valores mínimos de visibilidad, radio en curvas en planta, parámetro de acuerdos verticales o sección transversal se defi nen a partir de dicha velocidad. El paso siguiente consiste en el diseño geométrico de la vía, respetando dichos controles y las normas de diseño.

A lo largo de los últimos años se ha hecho un avance importante en el conocimiento del factor humano y su relación con la geometría y con la siniestralidad. En cuanto a la geometría, dicho conocimiento permite estimar con cierto grado de fi abilidad cómo responderán los conductores frente a un determinado diseño. Esto es muy útil, puesto que permite diseñar vías más adaptadas a las posibilidades y los requerimientos de los usuarios, y que no produzcan sorpresas. Por otra parte, también se conoce en mayor medida cómo el factor humano e infraestructura se relacionan con la siniestralidad, lo que permite estimar los efectos que un diseño tendrá sobre la misma.

Sin embargo, estos conocimientos no están plasmados en el proceso de diseño tradicional. En dicho proceso, existen diversos parámetros introducidos por el diseñador que luego no se verifi ca su cumplimiento, dando lugar potencialmente a falta de concordancia entre las facilidades de la vía y las necesidades de los conductores.

En este cuaderno se pretende revisar el proceso de diseño actual, con el fi n de incorporar los avances expuestos anteriormente. El nuevo proceso de diseño permitirá desarrollar carreteras que no sólo se ajusten a la normativa, sino que también estén concebidas desde el principio considerando a los conductores para la mejora de la seguridad vial.

1.2. Dimensiones de la seguridad vial

Este nuevo proceso de diseño de carreteras gira en torno a la seguridad vial. Por ello el primer paso deberá consistir en defi nir dicho objetivo y cómo puede medirse. La seguridad vial es uno de los objetivos del diseño más importantes. Gran parte del contenido de normas y recomendaciones se centran en este aspecto, por lo que también debe recibir una atención especial en el proceso de diseño. A las diferentes formas de medir el grado de cumplimiento de la seguridad vial se les denomina dimensiones de la seguridad vial, existiendo cuatro posibles dimensiones (García, 2011):

• Seguridad nominal. Viene dada por el grado de cumplimiento de los criterios y preceptos recogidos en las guías y normativas de diseño. En estas guías se recogen una serie de parámetros, que actúan como umbrales, defi niendo lo que es válido desde el punto de vista del diseño de lo que no lo es. El valor de estos umbrales considera no sólo la seguridad, sino también otros objetivos del diseño, como la economía, la integración ambiental, etc. Por tanto, el cumplimiento de la seguridad en su dimensión nominal

no implica necesariamente que el diseño resultante sea seguro.

• Seguridad legal. Es una parte constituyente de la seguridad nominal.

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Deja en el ámbito exclusivo del conductor la responsabilidad de la siniestralidad debida a una infraestructura con limitaciones. El cumplimiento de determinados preceptos legales no tiene por qué garantizar ningún nivel concreto de seguridad vial, ya que muchos de ellos están establecidos para limitar las repercusiones económicas.

• Seguridad sustantiva. Al contrario que las anteriores, está relacionada con la siniestralidad y no con la adaptación a la normativa de la solución proporcionada. Así pues, está asociada a la cantidad de accidentes y a su gravedad. Mediante la consideración de esta dimensión de la seguridad, es posible llevar a cabo una estimación del impacto que un determinado diseño viario o actuación de mejora puede tener sobre la siniestralidad, empleando diversos métodos previamente calibrados. Esta dimensión presenta un carácter continuo, en el que se podrá estimar el impacto que la alteración de un factor del diseño tiene sobre la siniestralidad. Esto se corresponde con una interpretación de la seguridad más próxima a la realidad que las dimensiones nominal y legal, que tienen un carácter discreto (el diseño es o no es seguro).

• Seguridad real. Viene determinada por la siniestralidad que se produce en una red viaria en explotación. Su análisis debe alimentar la búsqueda de soluciones locales efectivas; pero su investigación conjunta y rigurosa mejora el conocimiento de seguridad, para propiciar una seguridad sustantiva más efi ciente.

Los procesos de diseño tradicionales consideran la seguridad como un aspecto discreto (seguridad nominal), lo cual no sólo es irreal (la seguridad en sí es un aspecto continuo), sino que, debido a la formulación de sus reglas, en ocasiones puede dar lugar a diseños que nominalmente son seguros pero que en la realidad no lo son.

La aplicación de la seguridad sustantiva, fundamentada en la seguridad real, puede permitir trascender la seguridad nominal y abordar un dominio más amplio del diseño de carreteras, que incorpore los nuevos conceptos de fl exibilidad y adaptación al entorno. Es crucial seleccionar medidas adecuadas, comparar alternativas, priorizar proyectos, cuantifi cando y previendo el comportamiento frente a la seguridad vial de los diferentes elementos de la carretera (García, 2006).

Esta necesidad ha provocado que, especialmente en los últimos años, se hayan desarrollado métodos y herramientas que permiten aglutinar y poner en valor práctico todo el conocimiento obtenido de la experiencia y la investigación. De esta forma, cualquier ingeniero puede verifi car sus diseños desde la dimensión de la seguridad sustantiva. Ello le permite cuantifi carla, y así contrastar y comparar alternativas.

1.3. Conceptos de velocidad

Como se ha indicado anteriormente, la velocidad de diseño es uno de los factores más importantes del diseño viario. Históricamente el criterio clásico ha sido

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seleccionar y aplicar la velocidad de diseño, tal y como fue defi nida y adoptada en Estados Unidos en 1936 (Barnett, 1936). Según esta defi nición, la velocidad de diseño es aquella a la que se espera que circulen y mantengan los vehículos una vez la vía esté construida. Dicha velocidad es escogida por el ingeniero, en función de la clase de carretera y de las características orográfi cas y urbanísticas del entorno. Su aplicación permite establecer la referencia mínima para algunos parámetros básicos del diseño, como el radio mínimo de las curvas y las distancias de visibilidad necesarias.

Sin embargo, la velocidad de diseño parte de una hipótesis falsa: los conductores no circulan a una velocidad uniforme a lo largo de un trazado, sino que la varían en función de las condiciones existentes, principalmente las de tipo geométrico. Esto tiene una importante trascendencia sobre el diseño alcanzado, y es que, puesto que la velocidad de diseño es la mínima del tramo de carretera, se traducirá en algunos elementos geométricos infradimensionados para la respuesta de los conductores. No sólo existe este problema, sino que la variación de velocidad de los vehículos a lo largo del tramo puede llegar a ser problemática, aspecto que la defi nición anterior no contempla. Como después se mostrará, la velocidad de respuesta de los conductores recibe el nombre de velocidad de operación.

Es por ello que durante las dos últimas décadas en algunos países se ha reexaminado el concepto clásico, revisando los métodos para tener mejor en cuenta las disparidades manifi estas entre la velocidad de diseño y la velocidad de operación, especialmente en carreteras convencionales.

Dentro del concepto de velocidad de diseño pueden distinguirse dos términos distintos: velocidad de diseño designada y velocidad de diseño inferida (Donnell et al., 2009a).

La velocidad de diseño designada (velocidad de diseño per se) es aquella utilizada explícitamente por el ingeniero para el establecimiento de los valores mínimos del diseño geométrico, tales como los radios de las curvas o las distancias de visibilidad. Este concepto sería el equivalente a la velocidad de proyecto defi nida en la Instrucción de Trazado española.

La velocidad de diseño inferida se aplica únicamente a características y elementos geométricos de carreteras en servicio, que fueron determinados a partir de criterios basados en la velocidad de diseño (designada). Equivale a deducir, para un determinado elemento geométrico existente, la velocidad de diseño (designada) que estaría asociada al mismo, pese a que dicho elemento no sea el más restrictivo del tramo homogéneo al que pertenece. Este concepto podría considerarse equivalente a la velocidad específi ca defi nida en la Instrucción de Trazado.

Como aspecto contrapuesto a la velocidad de diseño aparece la velocidad de operación, que puede defi nirse como la velocidad a la que operan los vehículos

ligeros en condiciones de fl ujo libre y sin restricciones ambientales, esto

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es, siendo coartados sus conductores exclusivamente por la geometría de la vía. Cabe hacer hincapié en que los conductores son desconocedores de la velocidad de diseño del tramo, y por ello se desenvuelven de forma variable, en función de la velocidad que consideran adecuada para cada uno de los elementos geométricos. Estas velocidades varían en función de un gran número de parámetros, algunos en función de la carretera y su entorno, y otros en función de aspectos sociológicos. Así pues, la velocidad de operación presenta variación tanto longitudinal (evolución a lo largo del trazado) como en cada punto (dispersión entre diferentes conductores y diferentes condiciones). Por lo tanto, no debe entenderse la velocidad de operación como un valor único, sino como una distribución de velocidades.

Suele asumirse una distribución normal para la distribución de velocidades puntuales, si bien su media y dispersión varían. La Figura 1 muestra en un mismo gráfi co las funciones de densidad para las distribuciones de velocidad de operación típicas para recta y curva. Las velocidades de operación en rectas suelen presentar un mayor valor medio y una mayor dispersión que en las curvas.

Pese a que la defi nición anterior de velocidad de operación es correcta, dicha defi nición no es operativa, puesto que no ofrece un valor cuantifi cable de la misma. Por ello, en la práctica, se suele considerar la velocidad de operación como el percentil 85 de la distribución de velocidades a la que operan los vehículos ligeros en condiciones de circulación libre y sin restricciones ambientales. El uso de este parámetro está ampliamente extendido en el campo de la ingeniería del tráfi co y de la seguridad vial. Esto es debido a que se considera que la gran mayoría de usuarios de la vía conducen en condiciones de comodidad y seguridad. El 15% restante se corresponde a perfi les de conducción más agresivos, que la mayoría estará en condiciones de seguridad pero no de comodidad. Por ello, puede entenderse que el conductor correspondiente al percentil 85 de la velocidad puede caracterizar un comportamiento cómodo y prudente (Donnell et al.,

Figura 1. Funciones de densidad de la distribución de velocidades en recta y en curva

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2009a).

La velocidad de operación es un parámetro de respuesta de los conductores, y por ello se desconoce en el momento de diseño de la carretera. Ello, en teoría, imposibilita su utilización en la fase de diseño. Sin embargo, puede estimarse dicho comportamiento a través de los denominados modelos de velocidad de operación. Estos modelos empíricos permiten estimar la velocidad de operación que se desarrollará en un determinado elemento del trazado, fundamentalmente en función de sus características geométricas. En función de las variables consideradas, el modelo será más o menos preciso.

Como después se verá, conocer la velocidad de operación de un determinado elemento geométrico es importante, pero aún lo es más conocer cómo varía dicha velocidad a lo largo de un determinado tramo de carretera. A la representación de la evolución de la velocidad de operación en función del punto kilométrico (PK) de la carretera se le denomina perfi l de velocidad de operación. Para cada tramo existen dos perfi les: uno para cada sentido de circulación. Estos perfi les se obtienen a partir de la estimación de la velocidad de operación en cada recta y curva, y posteriormente aplicando tasas de aceleración y deceleración para determinar el perfi l completo.

Como se dijo anteriormente, la velocidad de operación no sólo está condicionada por las características del elemento geométrico, sino también por otros aspectos sociológicos. Estos aspectos no pueden ser considerados por los modelos de velocidad de operación tradicionales, traduciéndose en una falta o limitación de ajuste. Gran parte de estos aspectos sociológicos no son cuantifi cables, pero están asociados a la región geográfi ca. De ahí que los modelos de velocidad calibrados para una cierta zona tiendan a ajustarse mejor en dicho entorno que los modelos desarrollados en otro ámbito.

En España ya se dispone de ciertos modelos de velocidad de operación, además de modelos de las tasas de cambio de velocidad, y de las reglas de construcción de los perfi les de velocidad de operación.

Además de las velocidades de diseño y operación, hay otros conceptos de velocidad que deben tenerse en cuenta a la hora de evaluar la operación del tráfi co en las carreteras. Estos conceptos son:

• Velocidad de diseño:

- Velocidad de diseño designada, equivalente a la velocidad de proyecto.

- Velocidad de diseño inferida, equivalente a la velocidad específi ca.

• Velocidad límite:

- Límite genérico de velocidad.

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- Límite específi co de velocidad.

• Velocidad recomendada.

• Distribución de la velocidad:

- Percentil 85 de la velocidad. Velocidad de operación (V85).

- Velocidad media.

- Percentil 50 de la velocidad.

- Percentil 15 de la velocidad.

- Desviación estándar.

En España, el límite genérico de velocidad de cada carretera se establece básicamente según las características de su sección transversal. Sin embargo, los límites específi cos de velocidad responden a otros factores, como pueden ser las características geométricas de los elementos individuales, restricciones de visibilidad, el estado del pavimento, presencia de accesos, etc. Ocurre lo mismo con las velocidades recomendadas. En otros países se recomienda que los límites de velocidad específi cos se establezcan dentro de un rango de 8 km/h del percentil 85 de la distribución de velocidad de los vehículos circulando en fl ujo libre (FHWA, 2009).

Es importante considerar las relaciones entre la velocidad de diseño, la velocidad de operación y los límites de velocidad en el diseño geométrico de carreteras (Donnell et al., 2009b). Existen ciertos criterios de diseño que pretenden defi nir en qué casos las velocidades de diseño, de operación y límite son armónicas entre sí. Se considera que hay armonía de velocidades cuando: la velocidad de diseño designada se encuentra dentro de un rango específi co (por ejemplo, ± 8 km/h) de la velocidad de operación observada; y la velocidad de operación se encuentra dentro de un rango específi co (por ejemplo, ± 8 km/h) de la velocidad límite. La velocidad de diseño inferida debe ser igual o mayor que la velocidad de diseño designada, mientras que la velocidad límite debe ser menor o igual que la velocidad de diseño designada.

Se considera que la relación ideal entre los diferentes conceptos de velocidad es la que se muestra en la Figura 2a. La Figura 2b muestra una interpretación de cómo esta relación ideal se aplica mediante un diseño operacional. En dicho esquema, la velocidad de diseño inferida lo es para cada elemento geométrico (equivalente a la velocidad específi ca), mientras que la velocidad de diseño designada lo es para el tramo completo.

Cuando el límite de velocidad es conocido durante el proceso de diseño normalmente (no siempre) se designa una velocidad de diseño igual o superior a dicho límite. Sin embargo, la relación entre la velocidad de diseño designada y la velocidad

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límite varía, ya que el límite de velocidad no tiene por qué ser conocido durante el proceso de diseño y, además, los límites de velocidad están sujetos a revisiones.

Mientras que la velocidad designada se determina explícitamente durante el proceso de diseño, la velocidad de diseño inferida se determina implícitamente como resultado de las decisiones tomadas para el diseño geométrico. Como se ha comentado anteriormente, las velocidades de diseño designadas e inferidas son muchas veces diferentes debido a que los ingenieros tienden a aplicar valores para los parámetros utilizados en el diseño, superiores a los mínimos dados por la velocidad de diseño designada. El resultado es que muchas de las características del diseño se corresponden con criterios correspondientes

a una velocidad de diseño mucho mayor que la velocidad de diseño designada.

Así, cuando una carretera se abre al tráfi co, las velocidades de operación reales pueden ser mayores que las esperadas, como se muestra en la Figura 3a.

Figura 2. Relaciones de velocidad consideradas en el proceso de diseño: (a) ideal y (b) típica.

Figura 3. Relaciones de velocidad: (a) que pueden desarrollarse con velocidades de diseño bajas o moderadas y (b) que se producen cuando la velocidad límite se aumenta para

adecuarse a las velocidades de operación observadas

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Si, además, el límite de velocidad se modifi ca para refl ejar adecuadamente las velocidades de operación reales, la relación entre velocidad de diseño y velocidad límite se altera completamente. La Figura 3b ilustra el escenario resultante cuando el límite de velocidad es mayor que la velocidad de diseño designada. Estas condiciones no son deseables pero ocurren frecuentemente, poniendo en peligro la seguridad vial, ya que el aumento del límite de velocidad puede conllevar un aumento incluso mayor de las velocidades de operación.

La Figura 4 muestra la relación de velocidades de un tramo de carretera de la Comunidad Valenciana. Para evitar estos casos y alcanzar la armonía de velocidades, puede ser útil incluir métodos para la estimación de las velocidades de operación e incluir las velocidades de diseño inferidas durante el proceso de diseño.

1.4. Aplicación de la consistencia en el diseño geométrico

Un trazado seguro debe ofrecer a los conductores una lectura e

Figura 4. Ejemplo real de las relaciones de velocidad en una carretera convencional

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interpretación sencillas, que inviten a recorrerlo gradualmente, a los niveles de velocidad para los que se diseñó cada uno de sus elementos. Esto no quiere decir que los conductores deban saber dichas velocidades de referencia, sino que inconscientemente puedan deducirlas del propio trazado y su entorno, y traducirlo en su respuesta.

En el proceso de conducción, cada uno de los usuarios se forma una imagen mental de la carretera en la que se apoya para recorrer la misma. Esta imagen mental es fruto de las expectativas que dicho conductor tiene, y que pueden ser de dos tipos (Gibreel et al., 1999):

• Expectativas a priori. Son las expectativas que un conductor tiene sobre la carretera formadas a partir de toda su experiencia como conductor. Estas expectativas aumentan a medida que el usuario tiene más experiencia. Un ejemplo es cómo tomar una glorieta o los aspectos básicos de negociación de curvas, así como los diferentes niveles de velocidad esperables al recorrer diferentes tipos de carreteras.

• Expectativas ad hoc. Son independientes de la experiencia del conductor, y diferentes para cada zona de un tramo de carretera. Responden a la imagen que el conductor se va formando de la vía a medida que la va recorriendo. Así pues, el conductor adapta su forma de conducir según lo que ha observado y experimentado en la última parte recorrida y, por tanto, estas expectativas evolucionan de forma inercial.

El hecho de que el conductor tenga unas expectativas sobre la carretera supone una ayuda fundamental en el proceso de conducción. Una vez el conductor tiene sus expectativas formadas, puede dejar de prestar tanta atención al trazado de la misma y centrarse en otros aspectos, como el tráfi co, condiciones del entorno imperantes, etc. Además, cuando el conductor se apoya tanto en la información de la vía como en sus expectativas, su carga de trabajo disminuye, reduciendo en principio la probabilidad de sufrir un accidente.

Existen, sin embargo, dos casos en los que la formación de la imagen mental de la vía puede tener un efecto contrario. El primero de ellos es cuando un trazado es muy simple y desde un inicio no requiere una gran carga de trabajo. Ello fomenta la aparición de distracciones (Figura 5). El otro caso es cuando existe una inconsistencia.

Se defi ne consistencia del diseño geométrico al grado de adecuación entre las expectativas de los conductores y el comportamiento que permite la vía (Wooldridge et al., 2003). Mientras estos dos aspectos concuerden, el usuario podrá mantener su carga de trabajo media-reducida, sin variaciones bruscas, y no habrá problemas. Sin embargo, en el momento en el cual la vía presente un cambio súbito en su comportamiento, que no se adapte a las expectativas, supondrá una sorpresa y por tanto en un aumento súbito de la

carga de trabajo. En función del grado de discordancia habrá más o menos probabilidad de sufrir un accidente.

Así pues, hay que lograr un diseño geométrico consistente, homogéneo

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y fácilmente legible por los conductores, contribuyendo así a minimizar las violaciones de sus expectativas. Se persigue de este modo que estos perciban el trazado de forma homogénea, sin variaciones bruscas en el nivel de atención.

Existen diversos métodos para estimar la consistencia, si bien los más extendidos están basados en el análisis de la velocidad de operación. El motivo es que se tiene un gran conocimiento de la velocidad de operación, debido a la facilidad para estimar e interpretar dicho parámetro.

La evaluación de la consistencia permite confi rmar en la fase de diseño de la carretera si el trazado de la misma puede considerarse de consistencia buena, aceptable o pobre, e incluso estimar el número de accidentes que pueden llegar a producirse. En el caso de que un trazado de carretera sea evaluado como pobre o aceptable, deberá replantearse su diseño. Por otra parte, en carreteras en servicio, la evaluación de su consistencia permite identifi car qué zonas son más problemáticas y así centrar las actuaciones en ellas, volviendo a emplear el análisis de la consistencia para evaluar las posibles mejoras de trazado.

1.5. El diseño geométrico en las fases de planeamiento y proyecto

Las fases de planeamiento y de proyecto deben abordarse de forma distinta, ya que los objetivos perseguidos también difi eren. Si bien en la primera se busca defi nir a grandes rasgos una serie de posibles soluciones viarias, decantándose fi nalmente por la más adecuada, en la segunda de ellas se pretende concretar el diseño fi nal de la vía.

En la fase de planeamiento se defi nen diferentes soluciones tentativas, de las cuales deberán determinarse características globales, destacando sus velocidades de planeamiento, así como los tramos en los que pueden dividirse y sus correspondientes velocidades de diseño. Se persigue un correcto escalonamiento de las diferentes velocidades de diseño y una correcta consistencia de la solución con el

Figura 5. Esquema que simula el proceso de distracción

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entorno (a nivel de red de carretera).

Puesto que para cada tramo de carretera se corresponde una velocidad de diseño única, un paso fundamental en el planeamiento es la división del trazado en tramos de características homogéneas (tramifi cación).

En la fase de proyecto ya se dispone de una correcta tramifi cación y de unas velocidades de diseño adecuadas. Es en este punto donde deben determinarse las restricciones geométricas a aplicar y proceder a la defi nición geométrica de la carretera.

1.6. Limitaciones del proceso de diseño geométrico actual

El actual proceso de diseño geométrico presenta ciertas carencias, derivadas principalmente de cómo se consideran las diferentes velocidades en el proceso. Tal y como ha sido descrito, el hecho de que la carretera se ajuste a los criterios marcados por las normas o guías de diseño no necesariamente garantiza su seguridad.

La velocidad de diseño impone un mínimo estricto en ciertas características del tramo, como el radio mínimo de las curvas o las visibilidades mínimas necesarias. Sin embargo, en la mayor parte del tramo homogéneo las condiciones geométricas serán más suaves que estas, por lo que la velocidad de operación tenderá a ser superior a la de diseño. Esto puede redundar en problemas de seguridad, especialmente referentes a la falta de visibilidad disponible.

Por otra parte, pese a que el conocimiento sobre las características operacionales de los conductores y su relación con la seguridad ha aumentado signifi cativamente en los últimos años, estas evaluaciones no han sido incorporadas al proceso de diseño. Por ello, en muchas ocasiones el producto fi nal presenta disparidades importantes en las velocidades, redundando fi nalmente en una mayor siniestralidad.

En cuanto a la fase de planeamiento, actualmente se consideran gran diversidad de parámetros en el análisis de soluciones, como la economía, impacto ambiental, capacidad y operación, longitud, etc. Sin embargo, la seguridad vial raramente es uno de dichos aspectos y, cuando sí lo es, suele considerarse de forma cualitativa o mediante indicadores simples no adecuados. Es por ello que debería incorporarse de una manera más directa, a ser posible, mediante un análisis de la consistencia de las alternativas propuestas y la estimación de su impacto sobre el número de accidentes futuro, es decir, mediante la seguridad sustantiva.

Hasta ahora, sólo algunos países como Australia, Inglaterra, Alemania o Suiza han incorporado en su normativa o guías de diseño geométrico la consistencia, pero no se

ha llegado a formular un proceso global y coherente para su integración.

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2. Propuesta de nuevo proceso de diseño geométrico seguro de carreteras convencionales

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Tomando como base el proceso de diseño actual, y considerando los diferentes aspectos refl ejados anteriormente, se presenta un nuevo proceso de diseño geométrico de carreteras convencionales que sí considera criterios operacionales. En esta nueva propuesta de diseño se consideran los criterios normativos, pero al mismo tiempo, se evalúan diversos aspectos operacionales y de seguridad, encaminados a ofrecer una solución mucho más optimizada y segura.

La propuesta se centra en carreteras convencionales de calzada única y doble sentido de circulación, que son las más afectadas por posibles problemas de falta de consistencia, al contar con una geometría más variada y, por tanto, una mayor dispersión de las velocidades de operación a lo largo de las mismas.

En primer lugar se describirá el proceso general y lo que se persigue en cada una de las fases. Posteriormente, y a lo largo de diferentes apartados, se analiza en detalle cada una de dichas fases, además de mostrar ejemplos de herramientas que pueden servir para tal fi n. El diseñador es libre de emplear cualquier herramienta disponible, adaptándose a las posibilidades y restricciones existentes. Entre otros, el motivo es que estas herramientas evolucionan con el tiempo y rápidamente son sustituidas por otras más potentes.

2.1. Proceso general

Básicamente, el proceso de diseño que se plantea incorpora la evaluación del comportamiento de los conductores con el objetivo de lograr una mejora en la seguridad vial. La Figura 6 muestra el diagrama de fl ujo de dicho proceso para carreteras de nueva creación.

El primer paso consiste en la elección, para la totalidad de la carretera a diseñar, de una velocidad objetivo anticipada, que supone la base de la velocidad de diseño. A la hora de escoger esta velocidad de diseño inicial, deben tenerse en cuenta las características de la funcionalidad de la vía dentro de la red de carreteras, la orografía y el desarrollo urbanístico en el entorno, entre otros factores.

La velocidad de diseño inicial es la base para el cálculo de la mayor parte de los controles geométricos, destacando las visibilidades, trazado en planta, alzado y sección transversal. De esta forma, se obtiene un diseño geométrico inicial. El paso siguiente consiste en determinar si este diseño es seguro o necesita

28


alteraciones.

Dentro de esta comprobación, el primer paso es estimar los perfi les de velocidad de operación (tanto en el sentido de ida como en el de vuelta), mediante los modelos correspondientes.

Una vez se dispone de los perfi les de velocidad de operación, es el momento de determinar el nivel de consistencia del tramo. Se recomienda la aplicación de criterios de consistencia basados en la velocidad de operación, si bien hay dos grupos fundamentales:

• Modelos locales. Se centran fundamentalmente en analizar las variaciones de velocidad puntuales, que por lo general responden a un elemento del trazado no concordante con los que le rodean. Su gran ventaja es que permiten focalizar rápidamente el origen de la inconsistencia y actuar sobre ella.

• Modelos globales. Evalúan el tramo de forma conjunta, a través de examinar la dispersión de la velocidad de operación. No permiten identifi car directamente el origen de la inconsistencia, pero son efectivos puesto que en ocasiones un tramo presenta un mal diseño por excesivos cambios en la carga de trabajo del conductor. Además, existen calibraciones de funciones de estimación de la seguridad (en inglés, Safety Performance Functions o SPF), a través de las cuales es posible estimar el número de accidentes con víctimas.

Para cada grupo de los anteriores existen diversos modelos, como posteriormente se indicará. Sólo en el caso de que todos los modelos arrojasen un buen valor de la consistencia, podría validarse el diseño como bueno. En cualquier otro caso se debería proceder de forma iterativa a mejorar la solución propuesta.

En el caso más general, la consistencia obtenida en esta primera iteración no será buena, ya que existen numerosos aspectos que todavía no se han tenido en cuenta. Así pues, en el supuesto de tener que rediseñar el tramo, el primer paso consiste en determinar si el tramo que se está analizando es realmente único o, por el contrario, se puede dividir en varios tramos homogéneos, que tendrán un tratamiento diferenciado. Para ello pueden emplearse una gran diversidad de criterios de tramifi cación.

En el caso de que, tras el proceso de tramifi cación, el tramo sea único, el diseñador deberá plantearse si la falta de consistencia puede ser debida a una mala selección inicial de la velocidad de diseño o simplemente se debe a un mal diseño geométrico. En el primero de los casos deberá redefi nir dicha velocidad, mientras que en el segundo caso deberá simplemente proceder a mejorar el diseño.

En caso de que la vía se componga de varios tramos homogéneos, el diseñador deberá defi nir una velocidad de diseño para cada uno de ellos, y proceder posteriormente

a un diseño geométrico tentativo de cada uno. Es importante recordar que no pueden establecerse saltos muy importantes de velocidad de diseño

29


Figura 6. Nuevo proceso de diseño geométrico seguro de carreteras convencionales

30


entre tramos consecutivos (no más de 20 km/h).

Para cada uno de los tramos deberá desarrollarse el perfi l de velocidad de operación correspondiente, y evaluarse la consistencia considerando criterios locales y globales. Si no se obtiene una consistencia buena, el diseñador deberá plantearse la posibilidad de cambiar la/s velocidad/es de diseño y/o el propio diseño geométrico, según el caso.

Sólo en el momento en que todos los tramos presenten una consistencia buena, se procederá a determinar los perfi les de velocidad de operación para todo el conjunto y aplicar criterios de consistencia locales. En principio, la consistencia general de la carretera debería ser buena. En caso contrario, y en función de qué tipo de inconsistencia se produzca, el diseñador deberá volver al paso anterior y modifi car los tramos correspondientes, volviendo a iniciar el proceso, reconsiderando las velocidades de diseño de los mismos. La Figura 6 muestra de forma esquemática el proceso.

Posteriormente, y ya en fase de explotación, deben tomarse mediciones de velocidad de operación y de distancias de visibilidad disponibles, que permitan defi nir un perfi l de cada una de estas variables a lo largo de la carretera. Tomando como base los perfi les de velocidad de operación real de la vía y los perfi les de distancias de visibilidad disponibles, se debe proceder al establecimiento o redefi nición de los límites de velocidad específi cos y recomendados. De esta forma, se alcanzará el concepto de armonía de velocidades al que se ha hecho referencia en el apartado de introducción, dando como resultado un diseño de la carretera más seguro y adaptado al comportamiento de los conductores.

2.2. La elección de la velocidad de diseño y el proceso de tramifi cación

En la mayoría de ocasiones, una carretera no presenta unos factores condicionantes constantes a lo largo de su traza, sino que son cambiantes, especialmente aquellos relativos a la orografía o al desarrollo urbanístico del entorno. Esto puede extrapolarse a que también debería escogerse una velocidad de diseño cambiante a lo largo de dicha traza, adaptándose a dichos cambios. Esto implica la necesidad de dividir la vía en tramos homogéneos. A este proceso se le conoce como tramifi cación. Cada tramo homogéneo debe, además, tener una longitud mínima de tal forma que los conductores formen sus expectativas ad hoc y, por tanto, el concepto de velocidad de diseño cobre sentido. Los estudios de esta longitud mínima de tramo todavía están en fases muy previas de desarrollo, si bien suele aceptarse 2 km. La velocidad de diseño entre tramos consecutivos también deberá estar correctamente escalonada.

El método de tramifi cación puede considerar varios factores, como:

• Variaciones en el tipo de carretera. Son los métodos más simples, basados en dividir la carretera en función de las variaciones en su sección transversal, nudos

importantes, etc.

31


• Variaciones geométricas. Las herramientas de tramifi cación que consideran la geometría lo hacen a través de ciertos indicadores, como el CCR (tasa de cambio de curvatura).

• Variaciones operacionales. Son los más avanzados y buscan dividir la carretera en función de diferentes comportamientos por parte de los conductores.

Se presentan cuatro metodologías de tramifi cación, en función de los factores considerados:

2.2.1. Sección transversal, nudos y tráfi co

La metodología más simple para llevar a cabo la tramifi cación de una carretera se basa en la división de la vía considerando los nudos más importantes y los cambios en la sección transversal. Estos tipos de metodologías también tienen en cuenta la intensidad de tráfi co como variable importante.

Por su parte, el Highway Safety Manual (AASHTO, 2010) ha establecido una metodología que se divide en dos pasos. El primero de ellos segmenta la carretera según los nudos más importantes, para, posteriormente, analizar las variaciones de la sección transversal dentro de cada una de estas divisiones, obteniendo así los tramos homogéneos fi nales.

Los nudos importantes o existencia de poblaciones sí que deben considerarse como cambios de tramo, puesto que suponen la incorporación de nuevos usuarios a la vía en el primer caso, y cambios importantes de comportamiento en el segundo. Sin embargo, este método no considera otros aspectos importantes, como la geometría, por lo que no debería considerarse de forma exclusiva para la tramifi cación.

2.2.2. Método alemán

Se trata de uno de los principales métodos para tramifi car carreteras, tanto por su efectividad como por su sencillez de aplicación (Forschungsgesellschaft für Strassen, 1995). El procedimiento consiste en la representación gráfi ca del valor absoluto de los ángulos de defl exión acumulados de todos los elementos geométricos en planta. Posteriormente, este perfi l se divide en secciones homogéneas con pendiente aproximadamente constante, que se corresponde con sinuosidad del trazado en planta similar. Cada tramo homogéneo se caracteriza por el valor de su tasa de cambio de curvatura (CCR), defi nida según la ecuación 1.

(1)

32


Donde: CCR es la Tasa de Cambio de Curvatura; i es el ángulo de defl exión de cada elemento geométrico (gon); y L es la longitud del tramo de carretera (km). Esta tasa suele expresarse en gon/km. La longitud mínima recomendable del tramo de carretera es 2000 m, aunque no existe una razón subyacente. La Figura 7 muestra un ejemplo de tramifi cación.

Esta metodología tiene en cuenta las variaciones en la geometría, pero no así otros como el ancho de vía, nudos, etc. Es por ello que tampoco debería considerarse de forma aislada sino, al menos, conjuntamente con el criterio anterior.

2.2.3. Método de Cafi so et al.

Cafi so et al. (2008) mejoraron los métodos anteriores, combinándolos y añadiendo otros aspectos. Esta metodología de tramifi cación actúa en función de tres tipos de variables:

• Aspectos geométricos. Se considera la tasa de cambio de curvatura (CCR) y el ancho medio de calzada.

• Aspectos de tráfi co. Recogido a través de la Intensidad Media Diaria (IMD).

• Índice de Seguridad de la Vía (Road Safety Index o RSI). Describe los condicionantes del entorno que pueden tener repercusión sobre la seguridad y por tanto condicionan

el estilo de conducción.

Figura 7. Ejemplo de tramifi cación según el método alemán

Cambios de pendiente

33


2.2.4. Método de García et al.

García et al. (2013) desarrollaron una metodología que considera, además de los aspectos anteriores, la operación vehicular. La operación también debe recogerse de forma homogénea, por lo que se plantea un nuevo indicador: la velocidad de operación inercial. Esta velocidad se formula para cada PK como el promedio de la velocidad de operación en los últimos 1000 metros recorridos. Así pues, pretende recoger las expectativas ad hoc de los conductores, tomando como base esta distancia.

La velocidad de operación inercial puede representarse en un diagrama en función del PK, tal y como se muestra en la Figura 8. La hipótesis de partida de este método es que la velocidad inercial tiende a mantenerse constante, o aumentar, o decrecer dentro de cada tramo. Así pues, cuando el diagrama de perfi l de velocidad de operación inercial muestra un cambio claro en la tendencia, se podrá asumir que hay un cambio de tramo. Así pues, los tramos homogéneos se defi nen como los segmentos de carretera que están limitados por mínimos locales de la velocidad de operación inercial, independientemente del sentido al que pertenecen. En este caso se recomienda que la longitud mínima de tramo sea de 1000 m. Igualmente, no todos los mínimos se consideran, sino únicamente los denominados signifi cativos, esto es, aquellos mínimos cuya diferencia de velocidad de operación inercial sea al menos de 10 km/h.

Figura 8. Velocidades de operación y de operación inercial para los dos sentidos de circulación

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Las inconsistencias locales también pueden ser origen de algunos mínimos signifi cativos, por lo que previamente a tramifi car hay que proceder a eliminarlas de los gráfi cos (las inconsistencias se detectan según el criterio de consistencia del ICI -Índice de Consistencia Inercial, que se defi nirá posteriormente-, asumiendo un diferencial de 30 km/h, como podrá verse en el apartado correspondiente). Para corregir los efectos de las inconsistencias existen dos posibilidades:

• Reducir el efecto de la inconsistencia decreciendo la diferencia entre la velocidad de operación inercial y la velocidad de operación a 20 km/h. De este modo, las inconsistencias detectadas se verán rebajadas al mismo orden de magnitud que otras variaciones de velocidad, no afectando la tramifi cación.

• Cambiando el perfi l de velocidad de operación, para lo cual pueden darse dos casos. Tanto para el primero como para el segundo, el perfi l de velocidad de operación inercial debe volver a componerse después:

- Si la velocidad de operación inercial es menor que la velocidad de operación, la segunda se sustituye por la primera.

- Si la velocidad de operación inercial es superior a la velocidad de operación, el decremento de la velocidad de operación en la zona de inconsistencia se

elimina, pasando directamente del valor de antes al de después.

Figura 9. Establecimiento de la velocidad de diseño para cada tramo en función de la de operación

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El método de tramifi cación de García et al. considera no sólo la velocidad inercial, sino también los criterios de nudos, IMD y CCR. De hecho, los cambios debidos al CCR y a la velocidad inercial están altamente correlacionados y en muchas ocasiones apuntan sus umbrales al mismo PK. Se recomienda que si dos divisiones están a menos de 250 m, debe considerarse el mismo cambio de tramo, prevaleciendo la localización ofrecida por la velocidad de operación inercial.

Una vez los tramos homogéneos han sido identifi cados, puede designarse la velocidad de diseño para cada uno de ellos, a través del perfi l de velocidad de operación modifi cado (eliminando las inconsistencias). La velocidad de diseño para cada tramo será la mínima velocidad de operación constante mantenido en dicho tramo, redondeado a un múltiplo de 5 km/h, dependiendo de si se trata de una velocidad de operación mínima o máxima (Figura 9).

2.3. Desarrollo de perfi les de velocidad de operación

La velocidad de operación es el pilar fundamental sobre el que se asienta este proceso de diseño, por lo que es necesario introducir los fundamentos y las metodologías para su estimación.

Para desarrollar un perfi l de velocidad de operación es necesario contar con modelos de velocidad de operación para los elementos geométricos curva circular y recta, además de modelos para estimar las tasas de aceleración y deceleración, y unas reglas de construcción.

Estos modelos responden al comportamiento observado de los conductores, el cual es además muy variable en función de la región geográfi ca. Por ello, se recomienda siempre que sea posible acudir a modelos calibrados en la misma región donde se vaya a diseñar la carretera.

A continuación se van a recoger diferentes modelos existentes, mostrando algunos de los más importantes y haciendo especial hincapié en los desarrollados por Pérez et al. (2010), ya que fueron calibrados en España y además con una metodología de una precisión mucho mayor que la gran mayoría del resto de investigaciones.

2.3.1. Modelos de velocidad de operación en curvas

Existe un gran número de modelos para estimar la velocidad de operación en curvas circulares, debido a la gran correlación que dicha variable presenta con el radio (o grado de curvatura, en su caso).

Generalmente, los datos para calibrar estos modelos fueron tomados en un emplazamiento fi jo, por medio de pistolas radar, tubos neumáticos, o procedimientos similares. Ello obligaba a tomar como hipótesis que la

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mínima velocidad en una curva se daba en el centro de la misma, y se mantenía constante mientras que la curvatura no variase. Pérez et al. (2013a) expusieron un nuevo proceso de toma de datos en el que emplea dispositivos GPS. Ello permite obtener perfi les continuos de velocidad de operación de forma directa, lo que permitió calibrar modelos más precisos y, además, verifi car las hipótesis realizadas en investigaciones anteriores, como la validez de asumir la mínima velocidad en curvas en su punto medio.

Este modelo de curvas es:

Donde:

v85: Velocidad de operación (km/h)

R: Radio de la curva (m)

La Tabla 1 muestra otros modelos importantes para curvas.

2.3.2. Modelos de velocidad de operación en rectas

A diferencia de las curvas en planta, para las rectas no existe un parámetro del diseño tan directamente relacionado como el radio para las curvas en planta. Ello se traduce en una mayor dispersión de las velocidades de operación, así como en una menor precisión de los modelos.

Estos modelos suelen tener en consideración aspectos tales como la longitud de la recta, o el radio de la curva anterior y/o posterior. También existen otros que consideran el ancho de carril o de arcén. Otros estudios no han conseguido verifi car parámetros relevantes del diseño, y han optado por establecer un valor único de velocidad deseada asociada a las rectas.

Los métodos de toma de datos también jugaron un papel fundamental en su desarrollo, pudiendo ser causa de las limitaciones de las que adolecen. La práctica totalidad de estudios calibró estos modelos utilizando mediciones puntuales de velocidad de operación sobre la recta. Ello implica dos difi cultades:

• En la fase de toma de datos, ¿dónde debería tomarse la medida de la velocidad de operación? Debería estar localizado en una zona no afectada por las curvas

anterior y siguiente, con sufi ciente visibilidad y representativa de la recta. Por otra parte, los datos deberían provenir de rectas independientes.

84,0;m400m70;26,3990048,102

76,0;m950m400;94,33104254,97

2

2

85RR

R

RRRv (2)

37


• Una vez situado el punto de toma de datos, ¿los datos tomados se corresponden con una zona estable de velocidad, o por el contrario, están en zona de transición de la misma? Al ser datos puntuales, no se conoce el comportamiento longitudinal de los conductores, y por tanto, no se puede asegurar nada sobre la fi abilidad de los datos tomados.

Pérez et al. (2010), empleando dispositivos GPS según la metodología expuesta en Pérez et al. (2013a), consiguieron resolver los anteriores problemas, al conocer el comportamiento de los conductores y su evolución a lo largo de todo el tramo de recta. Gracias a ello calibraron el modelo siguiente:

Tabla 1. Otros modelos de velocidad de operación en curvas

52,0;·1 285

·8585 Rvvevv Cdes

Lc (3)

610·00625,7·10000135,0 R (4)

Modelo Expresión Raíz del Error Cuadrático Medio

Lamm et al. (1999) 15,74

Fitzpatrick y Collins (2000) (pendiente entre -4% y 0%)

8,41

Fitzpatrick y Collins (2000) (Pendiente entre 0% y +4%)

7,37

Ottesen y Krammes (2000) 7,54

Ottesen y Krammes (2000) 7,60

Donde:

: Radio (m)

: Grado de curvatura (º)

: Longitud de la curva (m)

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Donde:

v85C : Velocidad de operación de la curva anterior (km/h)

vdes : Velocidad deseada (110 km/h)

R: Radio de la curva anterior (m)

L: Longitud de la recta (m)

2.3.3. Modelos de tasas de aceleración y deceleración

Las tasas de aceleración y deceleración presentan inconvenientes derivados nuevamente del proceso de toma de datos. Para deducir dichas tasas a partir de mediciones puntuales, es necesario medir la velocidad en tres puntos: antes, dentro de la curva y después. Si bien la velocidad en la curva parece claro tomarla en su punto medio (aunque es discutible), la localización del sensor en rectas es mucho más problemática. No sólo se desconoce la distancia real que será utilizada en el proceso de cambio de velocidad, sino que esta distancia es diferente en función del conductor, el entorno y la curva.

Por ello los primeros modelos de aceleración y deceleración son muy simples, independientes de las características de las curvas y, como posteriormente se ha demostrado, faltos de ajuste con la realidad.

Los modelos desarrollados por Pérez et al. (2010) y por Camacho-Torregrosa et al. (2013) para España son basados en perfi les continuos de velocidad de operación y, por tanto, solventan el problema anterior. Además, no se trata de unas tasas únicas, sino que son variables en función de las características de la curva:

Donde:

d85: Tasa de deceleración (m/s2)

a85 : Tasa de aceleración (m/s2)

R : Radio del control geométrico (m)

A la hora de construir los perfi les de velocidad de operación, no sólo se

56,0;436,114313,0 285 R

Rd (5)

62,0;93588,6541706,0 285 R

Ra (6)

39


tienen que considerar las tasas de cambio de velocidad, sino también dónde tiene lugar dicha transición. Por lo general se ha asumido que el tramo circular mantiene la velocidad mínima constante, terminando y comenzando el cambio de velocidad en las clotoides. Pérez-Zuriaga et al. (2011) investigaron más a fondo este fenómeno, aunque podía asumirse la hipótesis anterior.

2.3.4. Construcción del perfi l de velocidad de operación

Para cada tramo de carretera existirá un perfi l de velocidad de operación para cada sentido. Estos se desarrollan a partir de los modelos presentados anteriormente, aplicando las siguientes reglas de construcción (Figura 10):

1. Cálculo de la velocidad de operación en todas las rectas y curvas circulares que componen el trazado. Las velocidades calculadas deberán extenderse hasta los límites de dichos elementos geométricos. Las curvas de transición (clotoides) permanecerán sin velocidad asignada.

2. Eliminación de velocidades anómalas. Cuando se emplean modelos de velocidad de operación para curvas y rectas procedentes de diversas fuentes, es posible que ocurran pequeñas discordancias, dando lugar a, por ejemplo, rectas con velocidad inferior a las dos curvas adyacentes. En este caso la velocidad de la recta se elimina.

3. Se recorre el perfi l desde el inicio hasta el fi nal, para localizar cada una de las zonas donde cambia la velocidad. Existen dos posibilidades: que haya curva de transición o que no. Para cada una de ellas se procede del siguiente modo:

a. En el caso de que exista curva de transición, desde el elemento con menor velocidad se aplica la tasa de aceleración o deceleración, según corresponda el sentido del escalón de velocidades, hasta llegar a la velocidad del otro elemento o intersectar el perfi l de velocidad de operación. En caso de que siga habiendo un tramo sin velocidad, se completará con la del elemento de mayor velocidad.

b. En el caso de que no haya curva de transición, el salto teórico es puntual. Desde el elemento con menor velocidad se aplica la tasa de aceleración o deceleración, según corresponda el sentido del escalón de velocidades, hasta intersectar el perfi l de velocidad de operación.

2.4. Consistencia del diseño geométrico

Tal y como se dijo en la introducción, la consistencia del diseño geométrico se defi ne como la adecuación entre las expectativas de los conductores y el comportamiento de la vía. Su implementación en el proceso de diseño es muy importante, puesto que permite producir carreteras más orientadas hacia los usuarios.

40


Figura10. Reglas de construcción del perfi l de velocidad de operación

41


La mayoría de las investigaciones relacionadas con la consistencia y sus modelos se centran en cuatro ámbitos principalmente: la velocidad de operación y sus variaciones, la estabilidad del vehículo, los índices de trazado y la carga de trabajo del conductor. Entre ellos, los criterios más extendidos están basados en el análisis de la velocidad de operación (Gibreel et al., 1999). Esta velocidad se emplea para evaluar la consistencia, bien examinando su variación a lo largo de la vía o bien comparándola con la velocidad de diseño. Hasta el momento sólo son de aplicación en carreteras convencionales de una única calzada, que es donde se producen mayores oscilaciones de la velocidad a lo largo de su recorrido y, por tanto, hay más probabilidades de que haya un desajuste entre las velocidades que permite el trazado y las que esperan desarrollar los conductores.

La mayoría de criterios de consistencia ofrecen un resultado discreto, no continuo, en función de umbrales. El motivo de ello es el de indicar claramente cuando debe actuarse sobre la vía y cuando no. Sin embargo, la realidad se comporta de forma continua. Es por ello que otros investigadores sugieren emplear funciones continuas para determinar el grado de consistencia (Hassan, 2004). Este es el caso de los trabajos realizados por Polus y Mattar-Habib (2004) y Camacho-Torregrosa et al. (2013), en los denominados criterios globales. En ambas aproximaciones se considera de forma completa el perfi l de velocidad de operación de un tramo de carretera, refl ejando en cierta medida su dispersión. Se entiende que la dispersión en la velocidad de operación está ligada con los cambios en la carga cognitiva del trazado geométrico y por lo tanto un elevado número de cambios está asociado con una mayor siniestralidad.

A continuación se van a recoger los criterios de consistencia más importantes, tanto por su uso extendido como por su novedad, haciendo especial hincapié en cómo pueden aplicarse al proceso de diseño de carreteras.

2.4.1. Criterios I y II de Lamm

Los métodos de evaluación de la consistencia más extendidos son los desarrollados por Lamm et al. (1999). Establecieron dos criterios relacionados con la velocidad de operación, que incluían la diferencia entre la velocidad de operación de cada elemento geométrico y la de diseño (Criterio I) y la diferencia de velocidad de operación entre elementos geométricos consecutivos (Criterio II). La tabla 2 presenta un resumen de los umbrales de consistencia para los criterios I y II.

La ventaja de estos criterios reside fundamentalmente en su sencillez de utilización, ya que su obtención es prácticamente directa a partir del perfi l de velocidad de operación.

El Criterio II es más utilizado, ya que su relación con la siniestralidad es clara (es totalmente intuitivo que una mayor reducción de velocidad a priori presentará más problemas para el conductor), además de que localiza la zona sobre la que hay que actuar. El Criterio I requiere el paso adicional de inferir la velocidad de diseño, lo

42


cual en ocasiones puede ser muy inexacto y complejo. Por otra parte, las consecuencias sobre el diseño no son tan evidentes como en el Criterio II, acercándose más a los criterios globales. Un ejemplo de este caso es un tramo con una única curva cerrada. En este caso, el Criterio I mostraría una consistencia aceptable o mala en el resto del tramo, mientras que sería buena en la curva causa de la problemática. Es por ello que su interpretación debe ser realizada siempre por un experto.

2.4.2. Índice de Consistencia Inercial (ICI)

El Criterio II de Lamm compara las velocidades de operación de un elemento geométrico y del inmediatamente anterior, asumiendo implícitamente que las expectativas ad hoc de los conductores se forman exclusivamente con dicho elemento anterior. Pese a la sencillez de la formulación, esto no es cierto en la realidad, puesto que los conductores basan sus expectativas en un tramo de vía muy superior al de dicho elemento geométrico.

Con el objetivo de paliar dicho défi cit, García et al. (2013), propusieron un método basado en la velocidad de operación inercial. Este nuevo parámetro se calcula como la media móvil de la velocidad de operación en los 1000 m anteriores a cada punto. Es, por tanto, una forma más precisa de considerar las expectativas ad hoc de los conductores.

Así pues, se denomina Índice de Consistencia Inercial (ICI) a la diferencia entre la velocidad de operación inercial y la velocidad de operación, calculada para cada punto de la vía y para cada uno de sus sentidos. Los puntos críticos, donde se producen los mayores valores del ICI, se corresponden lógicamente con el inicio de tramos circulares de curvas. Los umbrales propuestos, tras correlacionar los valores de ICI con la siniestralidad en una muestra amplia de curvas, son los mismos que los propuestos por Lamm para sus criterios

I y II, como se muestra en la Tabla 3.

Rango de consistencia Criterio I (km/h) Criterio II (km/h)

Buena

Aceptable

Pobre

Tabla 2. Umbrales para la determinación de la consistencia del diseño. Criterios I y II de Lamm et al.(i hace referencia a cada elemento geométrico del trazado)

43


2.4.3. Criterio global de Polus

Los criterios de consistencia planteados anteriormente tienen la ventaja de que permiten encontrar la zona más proclive a centrar las actuaciones pero, por otra parte, no permiten estimar cuantitativamente y de forma sencilla la ganancia global en seguridad vial. Por otra parte, determinados tramos de carretera pueden no presentar inconsistencias locales, pero sí una dispersión de velocidad no muy elevada pero continua, que conduce a una mayor siniestralidad.

Los criterios de consistencia globales surgen de la necesidad de considerar la consistencia a nivel global para un determinado tramo de carretera. Por otra parte es posible calibrar su relación con la siniestralidad, por lo que pueden servir al ingeniero para estimar la variación en la seguridad vial de una determinada actuación o diseño, atendiendo al número estimado de accidentes con víctimas.

El primer modelo de este tipo fue introducido por Polus y Mattar-Habib (2004). Este modelo únicamente puede ser aplicado a tramos homogéneos de carretera, por lo que hay que cuidar este aspecto o los resultados no serán estables. La longitud del tramo debe situarse entre 3 y 10 km, y la pendiente longitudinal no debe ser muy elevada, ya que los modelos de velocidad de operación utilizados no la contemplan.

El primer paso nuevamente consiste en determinar el perfi l de velocidad de operación de la carretera, para ambos sentidos de circulación. A partir de ahí se deducen dos parámetros auxiliares: Ra y σ:

Donde:

Ra: medida de consistencia del área relativa (m/s)

∑|ai| : suma de áreas (en valor absoluto) entre la velocidad de operación en cada punto del perfi l y la velocidad de operación media (m2/s)

L: longitud del tramo (m)

Tabla 3. Umbrales de consistencia para el ICI

(7)

Buena Aceptable Mala

44


Donde:

σ: desviación estándar de las velocidades (km/h)

N: número de alineaciones

vi: velocidad individual de una alineación (km/h)

v: velocidad media del tramo (km/h)

El primero de los dos parámetros es el área encerrada entre el perfi l de velocidad de operación y su valor promedio, dividida por la longitud del tramo. El segundo es la dispersión de la velocidad de operación.

El modelo de consistencia global presenta una forma exponencial y se calcula a partir de estos dos parámetros auxiliares según la expresión:

Los umbrales seleccionados para este modelo se muestran en la Tabla 4.

2.4.4. Modelo global de Camacho-Torregrosa et al.

En 2013, Camacho-Torregrosa et al. introdujeron un nuevo modelo global de consistencia basado en múltiples parámetros operacionales. En este modelo se prestó especial atención a las condiciones de contorno de los tramos homogéneos, así como a los perfi les de velocidad de operación, ya que se utilizaron los desarrollados por Pérez et al. (2010).

Las secciones de carretera fueron divididas en tramos homogéneos, atendiendo al proceso de tramifi cación desarrollado por García et al. (2013a), considerando

variaciones en la geometría, de tráfi co y operacionales. Los tramos

(8)

(9)

Buena Aceptable Pobre

(m/s)

Tabla 4. Umbrales del Índice de Consistencia Global

45


fi nales se pueden clasifi car en dos grupos:

• Tramos condicionados. En ellos, al menos uno de los extremos del tramo está en contacto con una población, una intersección, o un elemento que haga que el conductor claramente se dé cuenta de que está cambiando de tramo. Por ello, el usuario será consciente de que está entrando en un tramo nuevo y por tanto su comportamiento inicial se derivará en ir adquiriendo las expectativas ad hoc.

• Tramos libres. Estos tramos no están en contacto con los elementos anteriores, por lo que son tramos separados exclusivamente por características geométricas u operacionales. Por ello, los conductores no son conscientes de que están cambiando de tramo, siendo su comportamiento diferente.

El modelo de consistencia fi nalmente planteado considera los promedios tanto de la velocidad de operación como de la tasa de deceleración. Se muestra en la Ecuación 10.

Donde:

C: Índice de consistencia

v85: Promedio de la velocidad de operación (km/h)

d85: Promedio de la tasa de deceleración (m/s2)

En este caso no se dieron umbrales, sino que se obtuvo directamente la relación con la siniestralidad, considerando también la exposición al riesgo. El comportamiento del tramo en función de sus condiciones de contorno es también diferenciador, y permite una mejor estimación de la siniestralidad.

85

85

dvC (10)

3. Adaptación a la fase de planeamiento

47

La adaptación de la metodología propuesta para la fase de planeamiento persigue fundamentalmente identifi car qué posibles alternativas de las planteadas son más seguras, por medio de la consistencia. Puesto que no se obtendrá un diseño detallado, el esquema del proceso es sensiblemente más sencillo que para el caso de un proyecto de nueva construcción, anteriormente descrito.

El primer paso de esta fase comienza desarrollando un conjunto de diversas alternativas, con bajo grado de defi nición, que cumplan la función perseguida para la nueva carretera. Se procederá a un prediseño de cada una de ellas, atendiendo a una primera tentativa de velocidad de diseño. A partir del mismo, se evaluará la consistencia de cada solución, empleando exclusivamente criterios globales. Las alternativas con un buen grado de consistencia podrán defi nirse como defi nitivas, mientras que las que presenten una consistencia mala deberán ser tramifi cadas, siguiendo el proceso establecido para cada uno de sus segmentos diferenciados.

Gracias al análisis de la consistencia global, pueden estimarse los accidentes con víctimas para cada una de las alternativas. Se dispone así de una medición más directa de las repercusiones sobre la seguridad. Este criterio, por tanto, se convierte en una medición objetiva (seguridad sustantiva) que puede ser igualmente considerado en el proceso de elección de la alternativa fi nal, junto con el resto de criterios que hasta ahora se consideraban.

Se recogen a continuación las funciones de estimación de la seguridad basadas en los anteriores criterios de consistencia globales.

3.1. Criterio global de Polus

Polus (2004) calibró el criterio de consistencia global anteriormente mencionado, sin considerar la seguridad vial en dicho proceso. Las carreteras seleccionadas eran de Israel, además de que el número de las mismas era muy reducido.

En 2009, García y Camacho-Torregrosa utilizaron el mismo parámetro de consistencia para calibrar una relación con la siniestralidad que estuviera basado en carreteras de España, así como emplear una muestra superior (en total 43 tramos). Además, a diferencia de Polus, consideró únicamente accidentes con víctimas, con el fi n de evitar sesgos en el reporte de accidentes.

48


Se observó que una mayor consistencia conduce a una menor siniestralidad y una menor dispersión de la misma. El descenso de la siniestralidad puede ser explicado por la mejora en las condiciones del tramo. Por otra parte, el descenso en la dispersión tiene como causas fundamentales el reducido tráfi co de las carreteras más inconsistentes, así como la incorporación de tramos de orografía algo más compleja, que desvirtúan el modelo inicial. Estos tramos fueron retirados del análisis.

La expresión fi nal del índice de peligrosidad en función de la consistencia global es:

En el que IP es el Índice de Peligrosidad, considerando únicamente accidentes con víctimas, por cada 108 veh-km, y C es el índice global de consistencia de Polus.

El coefi ciente de correlación fue R2=0.2787, lo cual es bastante reducido, aunque similar a otros estudios que relacionan infraestructura con siniestralidad.

3.2. Modelo global de Camacho-Torregrosa et al.

Este modelo de consistencia fue calibrado para tramos homogéneos libres y condicionados, para la siguiente forma funcional:

Donde:

Yi,10: Número de accidentes con víctimas en 10 años.

IMD: Intensidad Media Diaria de tráfi co, en vehículos/día.

L: Longitud del tramo homogéneo, en m.

C: Índice de consistencia global de Camacho-Torregrosa et al.

A diferencia de los anteriores, este ajuste se realizó sobre el número de accidentes con víctimas, considerando un periodo de agregación de 10 años y una distribución binomial negativa. El número de tramos homogéneos totales fue de 153. Los coefi cientes de regresión calibrados son los que se muestran en la Tabla 5.

A partir de aquí pueden extraerse algunas conclusiones importantes de cara al diseño de carreteras. La primera de ellas es que la consistencia tiene un efecto importante sobre

la siniestralidad. Carreteras con una mayor velocidad de operación promedio tienden a producir perfi les de velocidad más estables, redundando en una

mayor seguridad.

(11)

(12)

49


El parámetro que afecta la longitud es ligeramente superior a la unidad para tramos condicionados, y ligeramente inferior para tramos libres. Ello implica que para tramos condicionados, la tasa de siniestralidad aumenta a medida que lo hace su longitud, mientras que ocurre el efecto contrario para tramos libres. Este comportamiento es lógico, ya que para tramos que son nuevos a ojos del conductor, este se mantiene alerta, relajándose a medida que lo recorre. En cambio, para tramos libres, las condiciones de la carretera cambian súbitamente sin que el conductor sea consciente, lo que hace aumentar la siniestralidad al principio y disminuir en tramos más largos, cuando los conductores han reconfi gurado sus expectativas ad hoc.

Tabla 5. Coefi cientes de ajuste para el modelo global de Camacho-Torregrosa et al.

Muestra de Tramos N AIC

Todos 153 -12,68321 0,84414 1,12988 -0,13015

695,18 0,2237 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001

Libres 61 -12,52885 1,00006 0,92278 -0,10567

232,32 0,1011 <0,001 <0,001 <0,001 0,0381

Condicionados 92 -12,48151 0,78689 1,15829 -0,12598

467,18 0,2392 <0,001 <0,001 <0,001 0,00035

4. Aplicación a la evaluación de la seguridad de carreteras en servicio

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Las carreteras en servicio actuales fueron concebidas mediante el proceso tradicional de diseño geométrico. Como consecuencia, ciertos parámetros mínimos como los de los acuerdos o la visibilidad dependen de la velocidad de diseño, lo que en muchas ocasiones puede originar problemas. Los problemas de coordinación entre curvas consecutivas es otro aspecto que generalmente no ha sido considerado en trazados antiguos.

Por otra parte, es un error frecuente concebir las carreteras como un ente único, sin una clara división en tramos homogéneos, dando lugar, en algunos casos o partes del trazado, a velocidades de diseño inadecuadas. Ello puede generar problemas de adaptación e inconsistencias, generalmente resultando en una mayor siniestralidad.

La innovación metodológica planteada puede ser utilizada para analizar si una carretera actualmente construida adolece de estos problemas, así como cuantifi car el impacto y proponer soluciones. Fundamentalmente, la evaluación de una carretera actualmente existente se basa en el análisis de su consistencia, tanto global como local.

Cuando se concibe una nueva carretera siguiendo este procedimiento, la revisión de la geometría es un paso implícito. Sin embargo, en este caso la geometría viene impuesta por la realidad, y es necesario obtenerla para comenzar el proceso. A este procedimiento se le conoce como restitución geométrica.

Una vez obtenida la geometría, son aplicables todos los métodos de tramifi cación, obtención de la velocidad de operación, determinación de la consistencia y estimación del número de accidentes con víctimas que han sido presentados anteriormente. En función de su resultado se podrá valorar si es conveniente su rediseño, para actuar según lo indicado en el apartado siguiente.

Una diferencia importante respecto del método general radica en la fuente de los perfi les de velocidad de operación, de los que depende el resto de la metodología. Para carreteras de nueva construcción los perfi les de velocidad de operación deben ser estimados con modelos, puesto que dichas velocidades no pueden ser medidas. Este problema no existe en las carreteras ya construidas, por lo que existen dos alternativas: emplear los modelos o bien medir directamente las velocidades en la vía.

La opción de medir las velocidades tiene la ventaja de que es una aproximación mucho más realista al comportamiento de los conductores. Incorpora asimismo variables tales como la visibilidad o el perfi l longitudinal, que

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no son recogidas por la mayoría de modelos existentes. Por otra parte, también tiene desventajas, entre las que destacan los inconvenientes y costes del proceso de toma de datos, así como la necesidad de tomar sufi cientes datos como para poder obtener un perfi l de velocidad de operación representativo.

Entre las metodologías de toma de datos para estos casos, destaca la utilización de equipos GPS, si se desean perfi les continuos, o la toma de datos puntuales de velocidad de operación en tramos de rectas sufi cientemente largas para completar la velocidad deseada en la Ecuación 3. Todos estos aspectos, así como otras particularidades referentes al proceso de toma de datos para estudios de velocidad de operación en carreteras fueron recogidos por Pérez et al. (2013a).

Otra ventaja que tienen las carreteras existentes es que existe la posibilidad de que haya un registro de accidentes y de aforos. Contar con estos datos puede ser muy útil a la hora de distinguir el tipo de accidentes que se dan en la carretera, así como su comparación con las estimaciones realizadas.

4.1. Restitución geométrica de carreteras

El proceso de restitución geométrica de carreteras es esencial cuando el objeto a evaluar es una carretera existente. Consta de dos partes: la restitución de las coordenadas del eje que compone la vía, y la extracción de los elementos geométricos que lo componen.

Para la restitución del eje de la vía existen diferentes alternativas, desde el volcado directo de los datos a partir de una fotografía aérea, hasta procedimientos más costosos como el levantamiento topográfi co o mediante LIDAR. Existen otros procedimientos, como el desarrollado por Easa et al. (2007) y Dong et al. (2007), basados en la edición de imágenes de satélite y la obtención automática de la línea central de la calzada. Por otra parte, Pérez et al. (2010) utilizaron dispositivos GPS emplazados en varios vehículos para, posteriormente, obtener directamente las coordenadas de la línea media recorrida por los vehículos. Cada uno de los procedimientos llevará asociado un determinado error en los puntos tomados, lo cual podrá ser determinante en función del procedimiento de ajuste posterior.

Existe una gran variedad de procedimientos de ajuste de la geometría a partir de un listado de puntos, basándose la mayoría de ellos en el análisis de la curvatura local. Este tipo de procedimientos conlleva un gran error, debido a la naturaleza de la curvatura. Por ello, son frecuentes los algoritmos de suavizado y procesado de la curvatura, previamente a su determinación fi nal. Un procedimiento muy usual es la utilización de splines cúbicos (Ben-Arieh et al. (2004), Castro et al. (2006), entre otros). Existen otros procedimientos

analíticos para geometrías sencillas, como presentaron Easa et al. (2007).

Camacho-Torregrosa et al. (2010) presentaron un método de restitución

53


geométrica basado en el análisis de la curvatura a partir de datos proporcionados por diferentes recorridos por un mismo tramo de vehículos equipados con dispositivos GPS. Este método permite, por una parte, condensar diversas trayectorias en una única, que será la restituida. Por otra parte, la restitución geométrica se basa en cuatro etapas de refi namiento de los datos, lo que da lugar a diagramas de curvaturas mucho más legibles. Posteriormente, mediante técnicas de regresión es posible ajustar los diferentes elementos geométricos. La Figura 11 muestra un ejemplo de diagrama de curvaturas original (en azul) y restituido (en verde).

Curvatura (x1000)

(m-

1

)

Distancia (Km)

Figura 11. Ejemplo de restitución de un diagrama de curvaturas según el método de Camacho-Torregrosa et al. (2010).

5. Adaptación al rediseño de carreteras

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En el apartado anterior se vio cómo se pueden utilizar las técnicas presentadas para evaluar el nivel de seguridad de una carretera existente. El presente apartado implica un paso más allá, puesto que muestra cómo adaptar la metodología para el rediseño de carreteras, una vez se ha determinado que cierta vía o tramo lo requiere.

La primera gran diferencia respecto de la metodología general presentada es que no se parte de una velocidad de diseño, sino que esta se infi ere a partir de su geometría. Así pues, el primer paso a realizar consiste en determinar las características geométricas de la carretera a rediseñar (Figura 12). Estas características pueden obtenerse, o bien a partir del proyecto correspondiente, o a través de una restitución geométrica. A partir de las mismas se determinan los controles geométricos más restrictivos, conduciendo a la velocidad de diseño inferida.

El siguiente paso consiste en evaluar la consistencia del tramo existente, procediendo según el procedimiento general. En primer lugar se estimarán los perfi les de velocidad de operación para cada sentido y, posteriormente, se determinará la consistencia, que arrojará presumiblemente un valor malo. Así pues, se procederá a la tramifi cación de la vía. En el caso de que la carretera esté conformada exclusivamente por un tramo, ya sí se procederá a replantearse en primer lugar su velocidad de diseño (esta vez, velocidad de diseño designada), y se rediseñará hasta alcanzar valores adecuados de consistencia.

En caso de que la carretera esté conformada por diversos tramos, se realizará un procedimiento similar para cada uno de ellos. Así, en primer lugar se identifi carán los controles geométricos limitantes, para inferir las velocidades de diseño. Se analizará la consistencia de cada tramo, con el fi n de determinar si la velocidad de diseño inferida es adecuada o cabe la posibilidad de variarla. En el momento en que todos los tramos arrojen un valor de consistencia aceptable, se podrá avanzar al siguiente paso (análisis conjunto), en el que nuevamente se aplicarán criterios locales para determinar las posibles inconsistencias.

56


Figura 12. Nuevo proceso de rediseño geométrico seguro de carretera existente

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6. Discusión

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El diseño geométrico es la fase más importante dentro de la defi nición de una carretera, ya que en él se establece la confi guración fi nal del trazado de la vía, que debe satisfacer los objetivos fundamentales, considerando los condicionantes existentes.

Se ha indicado anteriormente que la velocidad de diseño debería estar fundamentada en el tipo de carretera y en los factores externos condicionantes (orografía, entorno urbanístico, etc.). Es el diseñador quien selecciona esta velocidad, para lo que se recomienda defi nir unas tablas que le asistan en dicho proceso. Se recomienda que estas tablas actúen como una guía, pero dejando la libertad última al diseñador para tomar la decisión.

En este proceso es fundamental determinar el perfi l de velocidad de operación, para lo que resulta fundamental defi nir unos modelos con los que trabajar. Existe una gran variedad de modelos, especialmente referidos a las curvas en planta. Sin embargo, y como se ha demostrado en diversas investigaciones, el comportamiento de los conductores es muy variable geográfi camente, por lo que se recomienda utilizar modelos de velocidad de operación calibrados en zonas cercanas. En este estudio se han presentado unos modelos, calibrados para carreteras de la Comunidad Valenciana mediante dispositivos GPS, por lo que se consideran altamente precisos y generalizables a las carreteras de España.

Asimismo, se han presentado diversos modelos de consistencia, tanto locales como globales. Se recomienda utilizar modelos locales para determinar qué zonas del trazado son más problemáticas, y modelos globales para evaluar el impacto del rediseño sobre la seguridad vial. El diseñador tendrá libertad para escoger otros modelos de consistencia, siempre y cuando persigan objetivos similares.

Se recomienda encarecidamente que los modelos de consistencia globales sean aplicados sobre tramos homogéneos, por lo que el procedimiento de tramifi cación resulta fundamental. En caso contrario, la consistencia y la estimación de accidentes con víctimas no arrojarán resultados estables.

En los casos de rediseño de carreteras existentes, el objetivo es convertir la geometría actual en un diseño geométrico seguro a través de los mínimos cambios posibles, por lo que se dispone de una menor fl exibilidad que para el caso de nuevas carreteras. Es por ello que, en ocasiones, y cuando se parte de carreteras con mala consistencia inicial, puede resultar prácticamente imposible producir un diseño de consistencia buena a un coste razonable (la consistencia buena requeriría un cambio drástico en el trazado). Por ello, en estos casos se pueden permitir los diseños con

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nivel de consistencia aceptable.

Tanto el esquema de diseño tradicional como el propuesto fi nalizan con el establecimiento de los límites de velocidad. Estos se establecen en función de las distancias de visibilidad disponibles y de la velocidad de operación, ambos parámetros medidos una vez construida la carretera. Gracias a los modelos de estimación de la velocidad de operación, es posible estimar dichos perfi les con un relativo grado de fi abilidad, por lo que será más probable alcanzar la armonía de velocidades que si se considera el diseño tradicional. En él, la velocidad de operación puede ser considerablemente más alta que los límites de velocidad establecidos (condicionados por la visibilidad disponible) y que la velocidad de diseño designada.

En la fase de planeamiento la evaluación de la consistencia global permite estimar el número de accidentes con víctimas para cada una de las alternativas. Ello, pues, se convierte en un criterio objetivo a considerar en el proceso de selección de las mismas, junto con otros tales como la integración ambiental, economía, etc. Por otra parte, también hay criterios locales de consistencia sin relación explícita con el nivel de siniestralidad que sí han sido tenidos en cuenta en el proceso de diseño. Cabría analizar hasta qué punto resultaría conveniente introducir la evaluación de la consistencia local en el proceso de elección de alternativas y, en caso afi rmativo, la manera de hacerlo.

Por último, cabe indicar que la metodología propuesta es aplicable a todo tipo de carreteras, si bien la inmensa mayoría de modelos de velocidad de operación, tramifi cación y consistencia fueron calibrados, hasta ahora, para carreteras convencionales. En el futuro, esta metodología podría extenderse a otro tipo de carreteras.

La metodología presentada utiliza líneas de investigación actualmente muy estudiadas en todo el mundo, por lo que se hace especial énfasis en que los métodos planteados son meramente un ejemplo, y que pueden ser sustituidos a criterio del diseñador por otros que considere más adecuados o con más potencia y actualidad.

Las debilidades de la metodología se reducen a las de los modelos planteados. Por citar algunos ejemplos, los modelos de velocidad de operación presentados no consideran el alzado, por lo que no serían adecuados para zonas con fuertes variaciones en el perfi l longitudinal. Otros aspectos, como el desarrollo urbanístico del entorno, tipo de vehículos, visibilidad, etc., no han sido tenidos en cuenta, por lo que en el caso de análisis (y posible rediseño) de carreteras existentes, sería conveniente estudiar estos aspectos y no centrarse exclusivamente en la consistencia.

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7. Conclusiones

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El presente Cuaderno presenta un nuevo proceso de diseño geométrico de carreteras convencionales que incorpora el análisis la operación vehicular para obtener unas carreteras más seguras. Mientras que con el proceso tradicional de diseño se consigue garantizar la seguridad nominal de la vía, basada únicamente en los criterios y preceptos recogidos en las guías y normativas, el nuevo proceso verifi ca el diseño desde la dimensión de la seguridad sustantiva, es decir, cuantifi cable, contrastable y comparable, estimando el número de accidentes que pueden producirse, así como su gravedad. Por ello, esta visión se aproxima más a la garantía de la seguridad real en la carretera.

Además de presentar la metodología, se han expuesto ejemplos de herramientas calibradas específi camente para carreteras convencionales de España. Algunos ejemplos son los modelos de velocidad de operación, de tramifi cación y de consistencia.

Se ha presentado el diagrama de fl ujo para el diseño de una carretera de nuevo trazado, así como su adaptación para la fase de planeamiento o para el rediseño de una carretera existente.

8. Publicaciones propias de la investigación

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Artículos en revistas internacionales

Pérez-Zuriaga, A.M.; García, A.; Camacho-Torregrosa, F.J. y D’Attoma, P. (2010). “Modeling Operating Speed and Deceleration on Two-Lane Rural Roads with Global Positioning System Data”. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, No. 2171, pp. 11-20.

Camacho-Torregrosa, F. J., Pérez-Zuriaga, A. M., Campoy-Ungría, J.M, y García García, A. (2013). “New Geometric Design Consistency Model Based on Operating Speed Profi les for Road Safety Evaluation”. Accident, Analysis and Prevention, accepted DOI: 10.1016/j.aap.2012.10.001.

García, A., Llopis-Castelló, D., Camacho-Torregrosa, F.J. y Pérez-Zuriaga, A.M. (2013b). “New Consistency Index Based on Inertial Operating Speed”. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board (aceptado, pendiente de publicación).

Pérez-Zuriaga, A. M.; Camacho-Torregrosa, F.J.; Campoy-Ungría, J.M. y García, A. (2013a). “Application of Global Positioning System and Questionnaires Data for the Study of Driver Behaviour on Two-Lane Rural Roads”. ITE Intelligent Transport Systems, vol. 7, issue 2, pp. 182-189.

Pérez-Zuriaga, A.M.; Camacho-Torregrosa, F.J. y García, A. (2013b). “Study of Tangent-to-Curve Transition on Two-Lane Rural Roads Based on Continuous Speed Profi les”. Journal of Transportation Engineering (Aceptado, pendiente de publicación). DOI:10.1061/(ASCE)TE.1943-5436.0000583.

Artículos en revistas nacionales

García, A. (2006). “Velocidad de proyecto vs. velocidad del proyecto”. Rutas: revista de la Asociación Técnica de Carreteras, No. 117, pág. 3.

García, A. y Camacho-Torregrosa, F.J., (2009). “Evaluación de la Seguridad Vial de Carreteras Convencionales mediante la Determinación de la Consistencia Global de su Diseño Geométrico”. Revista Carreteras, vol. 163, pp. 21-32.

García, A. (2011). “Las cuatro dimensiones de la seguridad vial”. Rutas: revista de la Asociación Técnica de Carreteras, No. 142, pág. 3.

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Ponencias en congresos internacionales

Camacho-Torregrosa, F.J.; Pérez-Zuriaga, A.M. y García, A. (2010). “Mathematical Model to Determine Road Geometric Consistency in order to Reduce Road Crashes”. Mathematical Models of Addictive Behaviour, Medicine and Engineering, Valencia.

Pérez-Zuriaga, A.M.; García, A.; Camacho-Torregrosa, F.J. y D’Attoma, P. (2010). “Use of GPS Data to Model Operating Speed and Deceleration on Two-Lane Rural Roads”. Transportation Research Board 89th Annual Meeting, Washington D. C.

Camacho-Torregrosa, F.J.; Pérez-Zuriaga, A.M. y García, A. (2011). “New Geometric Design Consistency Model Based on Operating Speed Profi les for Road Safety Evaluation”. 3rd Road Safety and Simulation Conference, Indianapolis (EEUU).

Pérez-Zuriaga, A.M.; García, A. y Camacho-Torregrosa, F.J. (2011). “Study of Tangent-to-Curve Transition on Two-Lane Rural Roads with Continuous Speed Profi les”. Transportation Research Board 90th Annual Meeting, Washington D. C.

Pérez-Zuriaga, A.M.; Camacho-Torregrosa, F.J. y García, A. (2012). “Data Collection Methodology for Naturalistic Driving Studies”. European Conference on Human Centred Design for Intelligent Transport Systems, Valencia.

García, A.; Llopis-Castelló, D.; Pérez-Zuriaga, A.M. y Camacho-Torregrosa, F.J. (2013a). “Homogeneous Road Segment Identifi cation based on Inertial Operating Speed”. Transportation Research Board 92nd Annual Meeting, Washington D. C.

García, A.; Llopis-Castelló, D.; Camacho-Torregrosa, F.J. y Pérez-Zuriaga, A.M. (2013c). “Consistency Index based on Inertial Operating Speed”. Transportation Research Board 92nd Annual Meeting, Washington D. C.

Ponencias en congresos nacionales

Pérez-Zuriaga, A.M.; García, A.; Romero, M. y Camacho-Torregrosa, F.J. (2007). “Utilización de Equipos GPS de Seguimiento Pasivo en la Obtención de la Geometría de la Vía y en la Evaluación de la Seguridad Vial”. VII Congreso Español sobre Sistemas Inteligentes de Transporte. Valencia.

Camacho-Torregrosa, F.J.; García, A.; Romero, M. y Pérez-Zuriaga, A. (2008). “Empleo de un Modelo Global de Consistencia en el Estudio de la Siniestralidad de Carreteras Convencionales”. VIII Congreso de Ingeniería del Transporte. A Coruña.

Romero, M.; García, A.; Pérez-Zuriaga, A.M. y Camacho-Torregrosa, F.J. (2008). “Aplicación de Rastreadores GPS para la Restitución de la Geometría de la Vía”. VII Congreso

Español sobre Sistemas Inteligentes de Transporte. Valencia.

Pérez-Zuriaga, A.M.; García, A. y Camacho-Torregrosa, F.J. (2010).

67


“Estudio de la Transición Recta-Curva a partir de Perfi les Continuos de Velocidad Empíricos”. IX Congreso de Ingeniería del Transporte. Madrid.

Camacho-Torregrosa, F.J.; García, A.; Romero, M. y Pérez-Zuriaga, A. (2012). “Modelo Global de Consistencia del Diseño Geométrico de Carreteras Convencionales”. X Congreso de Ingeniería del Transporte. Granada.

Libros

Pérez-Zuriaga, A.M.; Camacho-Torregrosa, F.J. y García, A. (2011). “La velocidad de operación y su aplicación en el análisis de la consistencia de carreteras para la mejora de la seguridad vial”. Cuaderno Tecnológico 6/2011 de la Plataforma Española de la Carretera (PTC). Madrid.

9. Conclusión

69

Este cuaderno recoge un nuevo planteamiento metodológico para el diseño de carreteras convencionales que incorpora los últimos estudios de la operación vehicular. Así pues, permite diseñar carreteras más enfocadas a ser comprendidas por los conductores, siendo por tanto más seguras.

Además del marco planteado en cuanto al procedimiento metodológico, se han indicado herramientas para su desarrollo particularizadas para España y publicadas en diversas revistas de investigación.

Con todo ello, se considera que se han cumplido satisfactoriamente los objetivos del presente Cuaderno de la Plataforma Tecnológica de la Carretera (PTC).

10. Agradecimientos

71

Los estudios desarrollados fueron llevados a cabo gracias a la colaboración del Centro de Experimentación de Obras Públicas (CEDEX), entidad dependiente del Ministerio de Fomento, que subvencionó parcialmente la investigación a través del proyecto REVEL. – Una Metodología para la Revisión de los Límites de Velocidad, referencia PT-2006-031-25 IAPP.

A los autores también les gustaría agradecer su colaboración: a la Conselleria de Infraestructures, Territori i Medi Ambient de la Comunitat Valenciana; al Área de Carreteras de la Diputación de Valencia; y a la Dirección General de Tráfi co del Ministerio del Interior, por su colaboración en las diferentes tomas de datos.

11. Referencias

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Con el apoyo de:

En colaboración con:

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE LA CARRETERA (PTC)Goya, 23 - 3º, 28001 Madrid (España)

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