Diseño y calculo geometrico de viales

DISEÑO Y CÁLCULO GEOMÉTRICO DE VIALES 2011

Recopilado por: Sergio Navarro Hudiel

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DISEÑO Y CÁLCULO GEOMÉTRICO DE VIALES RECINTO UNIVERSITARIO AUGUSTO C. SANDINO Carrera de Ingeniería Civil ASIGNATURA: DISEÑO Y CÁLCULO GEOMÉTRICO DE VIALES

ING. SERGIO NAVARRO HUDIEL

AGOSTO 2011

ESTELÍ - NICARAGUA



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ÍNDICE DE CONTENIDO I- INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 3

II- TÉRMINOS BÁSICOS UTILIZADOS EN EL PROYECTO GEOMÉTRICO.................. 5

III- HISTORIA DE LAS CARRETERAS Y VEHÍCULOS EN EL MUNDO .......................... 6

IV- ETAPAS DE UN PROYECTO DE CARRETERA ............................................................. 8

IV.I ESTUDIO PRELIMINAR ................................................................................................... 8

IV.I - Pasos del estudio preliminar .............................................................................................. 9

IV.I.I Recopilación de la información: La información más determinante en .........................10

IV.I.II Establecimiento de controles: no técnicos y técnicos .....................................................10

IV.I.III Reconocimiento ............................................................................................................12

IV.I.IV Trazo preliminar ............................................................................................................13

IV.I.V Evaluación de las rutas y elección de la mejor .......................................................13

IV.I.VI Definición del eje preliminar de la vía ......................................................................15

IV.I.VII Determinación de la Línea de Banderas ................................................................16

IV.II. ANTEPROYECTO ..........................................................................................................18

IV.II.I Criterios para el trazado de la vía ..................................................................................18

Normas generales para el alineamiento horizontal ...................................................................18

Normas Generales para el alineamiento vertical .......................................................................20

Coordinación entre alineamiento Vertical y Horizontal ...........................................................22

IV.II.II Trazado de la vía ...........................................................................................................23

IV.II.IV TANGENTES HORIZONTALES COMPENSADAS. ...............................................25

IV.III. PROYECTO DEFINITIVO ...........................................................................................27

BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 0



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I- INTRODUCCIÓN

La asignatura Diseño y Cálculo Geométricos de Viales tiene como objetivo fundamental desarrollar habilidades para el Diseño Geométrico de una carretera. Se trata de correlacionar los elementos físicos (número y ancho de carriles, grado de curvatura, visibilidad entre otros) con un vehículo tipo a través de la física, la geometría analítica y las matemáticas.

Para ello se deberán identificar los pasos que deben seguirse para la confección de un proyecto vial así como dominar aspectos fundamentales referidos a localización y replanteo de una vía, diseño y cálculo longitudinal y transversal, movimiento de tierra y drenaje vial.

El diseño geométrico es la parte más importante dentro de un proyecto de construcción o mejoramiento de una vía, pues allí se determina su configuración tridimensional, es decir, la ubicación y la forma geométrica definida para los elementos de la carretera; de manera que ésta sea funcional, segura, cómoda, estética, económica y compatible con el medio ambiente.1

En ese sentido el trazado debe reunir determinadas características en sus alineamientos y pendientes, y para ello deberán establecerse desde un principio los radios de curvatura mínimo y las pendientes máximas que pueden emplearse.

Para el ingeniero de carretera, una de las principales metas durante la elaboración de un proyecto es lograr la combinación del alineación horizontal y vertical (pendientes) que, cumpliendo con las normas del trazado, y permita la construcción de la carretera con el menor movimiento de tierras posibles y el mejor balance entre los volúmenes de excavación y relleno.

El proyecto geométrico tiene como objetivo establecer las características óptimas del alineamiento horizontal y vertical de una carretera, en función de los parámetros indicados a continuación:

1 Tomado de Programa de Ingeniería civil. Universidad de Ibagué.



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Según Chocontá (1998), el diseño geométrico es “el proceso de correlacionar los elementos físicos de la vía con las condiciones de operación de los vehículos y las características del terreno”.

VOLÚMENES DE

TRÁNSITO

ESPERADO

ORIGEN-

DESTINO

DE

VIAJES

TIPO

DE

CARRETERA

1. - PATRÓN DE VIAJES ENTRE LOS PUNTOS PRINCIPALES

POR DONDE DEBE DE PASAR LA CARRETRA

2.- TOPOGRAFÍA, GEOLOGÍA, HIDROLOGÍA, DRENAJE

Y USO DE LA TIERRA

3. - CARACTERÍSTICAS DEL CONDUCTOR

4.- COMPOSICIÓN VEHICULAR DEL TRÁNSITO

(% DE VEHÍCULOS PESADOS)



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II- TÉRMINOS BÁSICOS UTILIZADOS EN EL PROYECTO GEOMÉTRICO.

Velocidad de Operación: Es la velocidad máxima a la cual los vehículos pueden circular en un tramo de carretera, bajo las condiciones prevalecientes del tránsito y bajo condiciones atmosféricas favorables, sin rebasar en ningún caso, la velocidad de proyecto del tramo.

Velocidad de Proyecto: Es la velocidad máxima que pueden alcanzar los vehículos para circular de manera segura en un tramo de carretera, bajo condiciones atmosféricas y del tránsito sumamente favorables.

Capacidad: El concepto de capacidad se utiliza para indicar el número máximo de vehículos que pueden circular por un tramo de carretera o de un carril de circulación durante un período preestablecido, bajo las condiciones prevalecientes de la carretera y del tránsito. Es esencial conocer la capacidad requerida de una carretera para seleccionar adecuadamente el tipo de carretera y determinar sus características geométricas, tales como el número de carriles de circulación y la longitud de las zonas de entrecruzamiento.

Curvas circulares: Son los arcos de círculo que forman la proyección horizontal de las curvas empleadas para unir dos tangentes consecutivas. Las curvas circulares pueden ser simples o compuestas, según se trate de un solo arco de círculo o de dos o más sucesivos, de diferente radio.

El tránsito promedio diario anual (TPDA): es el promedio de los volúmenes de tránsito diario que circulan por un tramo de carretera en todo un año. El TPDA tiene las siguientes características:

Son vehículos en ambos sentidos de circulación.

Son vehículos mezclados, no se conoce su clasificación vehicular.

Son volúmenes medidos las 24 horas del día los 365 días del año. Ruta: La faja del terreno de ancho variable entre dos puntos obligados, dentro de la cual es factible hacer la localización de un camino. Mientras más detallado y precisos sean los estudios, para determinar la ruta, el ancho de la franja será más reducido.



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III- HISTORIA DE LAS CARRETERAS Y VEHÍCULOS EN EL MUNDO

De acuerdo a los registros históricos existentes como pueden ser restos humanos y reliquias arqueológicas encontradas por importantes antropólogos el ser humano existe desde hace 100,000 años; y se sabe que deja su condición de nómada para formar comunidades plenamente establecidas, en las cuales se desarrollaron culturas y ciudades con trazos urbanos definidos, hace 10,000 años. Registros de estas civilizaciones se han encontrado en las riveras de los ríos Nilo, Eufrates y Ganges. De estos vestigios se ha determinado que la existencia de la rueda se da hace casi 5,000 años en la zona de Mesopotamia y de esto se puede desprender la necesidad de construcción de superficies de rodamiento a través de las cuales se pudiera transitar. Cronológicamente se pueden mencionar los siguientes intentos registrados históricamente con relación a la existencia de caminos en diferentes partes del mundo, estos son:

Desde hace 3,000 años AC los ASIRIOS y EGIPCIOS iniciaron la construcción de sus caminos.

Para los años 500 AC los CARTAGINESES realizaron importantes caminos localizados en la costa sur del Mediterráneo.

Entre los años 830 y 350 AC la cultura ETRUSCA realizó caminos previos a la fundación de Roma.

El rey KEOPS de EGIPTO tuvo que construir caminos para poder transportar material pétreo para construir las pirámides que llevan su nombre.

Se conoce que los primeros caminos construidos bajo un procedimiento constructivo científico fueron realizados por los ROMANOS y uno de los más conocidos es la famosa Vía Appia en Roma.

En América, los MAYAS construyen los famosos caminos blancos de los Mayas tanto en el Sur de México con en Centro América.

Los AZTECAS construyeron en era Precolombina las calzadas en el centro de la ciudad de Tenochtitlan y establecen comunicación con el Golfo de México.

En Sudamérica los INCAS construyen caminos insertados en una topografía altamente montañosa.

Entre los siglos I, II y III el Imperio Romano realiza importantes construcciones desde la península Ibérica hasta China.

Las incidencias en el resto del mundo desde los Romanos, pasando por la Edad Media, siglo X y hasta el siglo XV fueron numerosas y es hasta el siglo XVI cuando Don Sebastián de Aparicio construye en México los primeros caminos del nuevo mundo localizados entre México y Veracruz (1540 y 1550) y México – Zacatecas (1561).

En el siglo XVIII inicia la era moderna y con ello el invento de las máquinas de vapor y combustión interna dando paso a la aparición del automóvil, autopropulsado, y como consecuencia la evolución de los caminos con superficies de rodamiento más acondicionadas para este tipo de vehículo.



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En la Época del Oro a pesar de las diligencias la evolución de estas máquinas se da por la necesidad de movilidad de una población en claro crecimiento. En Inglaterra nace el Ferrocarril entre 1825 y 1830, el cual tiene un auge tremendo hasta 1876, naciendo a nivel urbano los tranvías y el tren subterráneo como el de Londres, 1863, Nueva York, 1867 y Chicago, 1882.

En Viena, entre 1831 y 1898, Siegfres Marcus inicia la construcción de los primeros vehículos de motor y paralelamente en Alemania Nicolás A. Otto. La primera patente del motor de gasolina se registra en los Estados Unidos en el año de 1878.

Para 1998 se registró en los Estados Unidos el registro número 200 millones de vehículos. Si es para fines del siglo XIX cuando aparece el automóvil y considerando que para estas fechas tiene escasos 100 años, la evolución del mismo en este tiempo ha sido vertiginosa, ya que esto se ha dado en los últimos 100 años con relación a los 10,000 de existencia del ser humano en ciudades urbanamente constituidas.



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IV- ETAPAS DE UN PROYECTO DE CARRETERA

Las etapas del proyecto geométrico de carreteras son:

Estudio Preliminar Anteproyecto Proyecto Definitivo. Todo inicia con la selección de la nueva ruta o eje de camino, para la cual Debemos hacer trazados preliminares hasta alcanzar el proyecto defitivo. Esquemáticamente la selección de esta implica.

*En el estudio o proyecto definitivo se estiman los volúmenes de movimiento de tierra así como la ubicación definitiva de las alcantarillas.

SELECCIÓN

DE LA

RUTA

TRAZO

PRELIMINAR

LÍNEA

“A PELO

DE TIERRA”

LÍNEA

DEFINITIVA

PROYECTO

DEFINITIVO



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IV.I ESTUDIO PRELIMINAR

El estudio preliminar, es la primera etapa de un proyecto de carretera, en el cual se hace un estudio comparativo de todas las rutas posibles, teniendo en cuenta las necesidades que éstas deben satisfacer, las características del terreno y en general las ventajas e inconvenientes de las distintas posibilidades. Por ruta se entiende la faja de terreno de ancho variable, que se extiende entre los puntos terminales e intermedios (controles no técnicos) por donde la carretera tiene obligatoriamente que pasar, y dentro de la cual podrá localizarse el trazado de la vía. El estudio es por consiguiente un proceso altamente influenciado por los mismos factores que afectan el trazado y abarca actividades que van desde la obtención de información hasta la evaluación. Este estudio permitirá conocer los costos y ventajas de las diferentes rutas para elegir, que sea más conveniente, es decir la que tiene mejores condiciones para que se emplace en ella la vía.

IV.I - Pasos del estudio preliminar

El estudio preliminar debe contener los siguientes pasos:

Recopilación de información

Establecimiento de controles: no técnicos, técnicos.

Reconocimientos: Aéreo, terrestre.

Evaluación de las rutas y elección de la mejor.

Definición del eje preliminar de la vía.

Determinación de la Línea de Bandera

Confección de los planos topográficos. Información necesaria que se debe tener para arrancar un proyecto:

Estudio económico o de factibilidades

Mapa político

Juego de mapa geodésico

Juego de mapa geológico

Juego de mapa suelo

Puntos de control

Fotografías aéreas

Datos hidrológicos

*(Los Mapas que más influyen en la información son topográfico, hidrológico y geológicos)



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IV.I.I Recopilación de la información: La información más determinante en

Dado que la topografía, la geología, el drenaje y el uso de la tierra, tienen un efecto importante en la localización y en la determinación del tipo de carretera a proyectar. Desde un principio del estudio debe obtenerse información relativa a ello. Esta información junto a los datos de trafico y vehículos, constituyen los mayores controles para la localización y diseño de las carreteras.

La información requerida en la etapa de localización puede encontrarse en distintas fuentes. Principalmente de los planos topográficos de la región, de foto croquis, recorrido por las zonas de estudio ya existentes etc. Las principales fuentes de información con que se cuenta en NICARAGUA son: Ministerio de Transporte e Infraestructuras (MTI), Instituto Nacional de Estudios Territoriales (INETER), Instituto Nacional de Estadísticos y Censos (INEC), Alcaldías, etc. 2 La localización se obtiene de los estudios de los mapas de la república, del o los departamentos donde se proyecta la vía y los planos de la región específica. Estos mapas y/o planos deben contener información: topográfica, hidrológica, geológica, geotécnica, del uso del suelo, tipos de suelos, potencial económico, etc. La información obtenida le servirá al ingeniero para tener una idea clara de las características de la región y de todos los elementos que puedan influir en la toma de decisiones.

Los mapas deben tener una escala que permita apreciar como un todo la zona donde se proyectará la vía. La escala a usarse debe ser 1:50,000 ó 1: 25,000. Actualmente se cuenta con fotografías aéreas a escala 1:30,000.

IV.I.II Establecimiento de controles: no técnicos y técnicos

Los controles son aquellos puntos por donde debe o no pasar la vía, lo cual se debe a razones técnica o no técnicas. Cuando se tiene previsto la construcción de una carretera se trata siempre de que la línea entre los puntos de control quede alojada en terreno plano la mayor extensión posible para evitar incurrir en movimientos de tierra y así evitar altos costos.

En ocasiones la pendiente al pie de una cuesta es mayor que la permitida y esto obliga a tomar otra ruta que probablemente aumentará la longitud.

2 Apuntes de Curso de Títulación 2011. MSc. Orlando López



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a) Controles NO TÉCNICOS: La construcción de una carretera responde a intereses económicos, sociales, políticos y militares, de tal forma que estos aspectos definen el objetivo fundamental de la vía, lo que obliga en mayor o menor grado a que la carretera se trace por puntos o zonas, a los que se le denomina CONTROLES NO TECNICOS. Estos lugares por donde pasará la vía son seleccionados por el inversionista, con o sin participación del Ingeniero proyectista.

Ejemplo de controles no técnicos:

• El punto inicial y final del proyecto (A y B). • Zona Agrícola (C). • Zona Ganadera (D) • Zona Minera. (E)

RECUERDA: En general es conveniente no pasar la carretera por los centros de los pueblos como se hacía antiguamente, sino que pase por las afueras.

b) Controles TÉCNICOS:

Con base en la información recopilada en los planos y fotografías aéreas de la zona, pueden establecerse puntos por donde debe o no pasar la vía en atención a factores: topográficos, hidráulicos, geológicos, etc.

Estos controles pueden ser positivos o negativos, por ejemplo:

Los controles técnicos positivos: Son los puntos por donde hay buenas condiciones para que pase la vía, entre ellos tenemos: las partes rectas de los ríos, donde está bien definido el cauce, con buen acceso y posibilidades de cimentación adecuada, también los puertos son un punto de control positivo. PUERTO: Se entiende por puerto a un punto bajo de paso a través de una coordillera, siendo los puertos los lugares más decisivos en la localización de una vía terrestre. Los controles técnicos negativos son: los puntos por donde no debe pasar la vía, entre ellos tenemos: las zonas de inundaciones, las área de deslizamientos geológicos, los cerros, farallones o acantilados. Muchas veces un buen número de las variables que determinan la dirección general de una ruta no es decisión del ingeniero o de la comisión encargada del estudio y proyecto de esa Vía. Por ejemplo, consideraciones de orden político, entre otras pueden imponer



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el paso de la carretera por localidades que constituyen grandes controles de paso o control primario.

Solo después que estos controles quedan establecidos es cuando interviene el redactor del proyecto, es decir el ingeniero acompañado de distintos especialistas, quienes están obligados a respetar los controles (no técnicos) impuestos por los dueños. Es a partir de ese momento, y entre esos controles primarios que la guía de localización se hace técnica y de presupuesto, y el responsable es el ingeniero La localización de una carretera, y por ende su diseño esta altamente influenciada por las características: topográficas, geológicas, hidrológicas, hidráulicas, factores socioeconómicos uso de suelo etc. La topografía es uno de los factores principales en la localización de una carretera. Generalmente afecta al alineamiento, las pendientes, visibilidad secciones transversales, los, ríos, y lagos imponen limitaciones en la localización y son por consiguiente, determinantes durante el estudio de la ruta. A menudo las cumbres de los cerros son buenas rutas los valles son también rutas excelentes, si siguen la dirección conveniente Si la carretera cruza una montaña, el paso entre ellas constituye un control. Cuando el problema a resolver consiste en obtener mayor desarrollo del trazado para vencer desniveles pronunciados, la pendiente máxima admisible es de por si un punto de control. IV.I.III Reconocimiento

Una vez establecidos los controles queda definida la ruta o corredor. a) Reconocimiento Aéreo: Es el que ofrece mayor ventaja sobre los demás, por lo que permite tener una idea de conjunto de un área extensa, además que pueden apreciarse importantes detalles. Este reconocimiento se efectúa en avioneta o helicóptero. El reconocimiento aéreo tiene como objetivo comparar y corroborar la información suministrada por los planos utilizados para la marcación de los puntos. b) Reconocimiento Terrestre: Se lleva a cabo cuando no es posible realizar el aéreo. Es menos efectivo ya que el ingeniero no puede observar grandes áreas. Este reconocimiento se realiza a pie, a caballo o en vehículo de campo y se lleva a cabo después de haber estudiado las cartas geográficas. Durante este reconocimiento se deben dejar señales sobre la ruta para que luego puedan ser seguidas por el trazo preliminar.



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IV.I.IV Trazo preliminar

Una vez seleccionada la ruta y fijados los puntos obligados del alineamiento horizontal, se procede al trazo de la línea preliminar entre dichos puntos. La línea preliminar es una poligonal abierta que se traza entre puntos obligadas, siguiendo la topografía del terreno con una pendiente ligeramente menor a la pendiente gobernadora que haya sido especificada para cada uno de los tramos del camino. La línea preliminar también nos permite conocer la topografía de una faja del terreno, la cual es información esencial para proyectar el eje definitivo del camino. Una vez trazada la línea preliminar, se procede a su nivelación, la cual se hace por tramos, fijando bancos de nivel a distancias máximas de 500 metros. Como resultado de esta actividad se calculan las cotas de todas las estaciones del trazo preliminar. Con el fin de conocer la configuración topográfica del terreno a ambos lados de la línea preliminar, se levantan secciones de topografía, generalmente a cada 20 metros y normales a la línea preliminar, abarcando usualmente de 100 a 200 metros a cada lado del trazo. A partir de la información de las secciones de topografía se obtienen las curvas de nivel, con una equidistancia vertical de 1 a 2 metros. El proceso de estudio del trazado de una carretera implica una búsqueda continua, una evaluación y selección de las posibles líneas que se pueden localizar en cada una de las fajas de terreno que han quedado como merecedoras de un estudio más detallado después de haber practicado los reconocimientos preliminares y la evaluación de las rutas. La finalidad de este estudio es establecer en dichas fajas la línea o líneas correspondientes a posibles trazados de la carretera. Para ello es necesario llevar a efecto un minucioso reconocimiento topográfico de campo, que permita obtener información adicional sobre las rutas seleccionadas

IV.I.V Evaluación de las rutas y elección de la mejor

La mejor solución de la ruta entre varias posibles es un problema de cuya solución depende el futuro de la carretera.

Con los datos que se han recopilado y verificado se hace un estudio técnico- económico de cada una de las rutas posibles. Se recomienda trazar por lo menos tres rutas. Al comparar las ventajas que ofrezcan se debe comparar los gastos de construcción, mantenimiento de la vía contra los beneficios probables que se deriven de ella.



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Pasos a seguir en el trazado de las rutas

Una vez terminados todos los estudios de planeación que justifican la construcción de un nuevo camino, o las mejoras a caminos existentes, se da inicio al análisis comparativo de las diversas opciones de ruta que se consideran factibles técnica y económicamente. Como paso final, se selecciona la ruta que ofrezca las mayores ventajas económicas y sociales.

Todas las opciones de ruta deben de incluir los puntos obligados del camino. Estos puntos son aquellos por los que forzosamente deberá pasar el camino, por razones técnicas, económicas, sociales y políticas; poblaciones sitios o zonas productivas y puertos orográficos, entre otros.

La selección de ruta incluye diversas actividades, tales como la recopilación de datos, su verificación y análisis, así como levantamientos aéreos y terrestres para estimar preliminarmente los costos y ventajas de las diferentes opciones de ruta consideradas, con el fin de elegir la más conveniente. Para la selección de ruta se requieren datos de: Topografía, Geología, Hidrología, Drenaje y Uso de la tierra. Los pasos que normalmente se siguen en el proceso de selección de ruta son los siguientes: 1) Estudio de cartas geográficas y geológicas, en las que se ubican las diferentes opciones de ruta. 2) Primer reconocimiento aéreo: participan especialistas en planeación, localización y Geotecnia. Se fijan las franjas de terreno en que se obtendrán fotografías aéreas a escala 1:50,000. 3) Interpretación geotécnica e hidrológica de las fotografías aéreas, así como estudio de drenaje. 4) Segundo reconocimiento aéreo: se realiza en un helicóptero y se verifican los resultados de la foto interpretación. Como resultado de este paso, se delimita la franja de terreno en que se obtendrán fotografías aéreas a escala 1:25,000. 5) Cálculo preliminar de volúmenes de materiales y elaboración del ante presupuesto de las opciones de ruta estudiadas. 6) Selección de ruta 7) Trazo preliminar de la opción de ruta seleccionada. En el trazado y localización de la vía se deben atender los siguientes aspectos:

Puntos de control técnico y no técnico.

Evitar grandes cortes o rellenos.

Que las curvas tengan radios adecuados y que no varíen bruscamente de una



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curva a otra, etc.

Sacar el perfil longitudinal del terreno a partir de las curvas de nivel.

Trazo de la subrasante atendiendo la coordinación entre la planta y el perfil, se

debe procurar que exista compensación entre excavación y terraplén, que las

pendientes estén acorde a las normas en cuanto a su valor, y que se deje el

mínimo de relleno para las obras de drenaje.

Localizar los puntos en contra las vertientes.

Salir de los controles altos hacia los bajos.

Tipos de obras de drenaje

Entre las obras de drenaje se tienen:

1. Obras de drenaje mayor: Puentes. 2. Obras de drenaje menor: cunetas, contra-cunetas, alcantarillas.

IV.I.VI Definición del eje preliminar de la vía

Teniendo como base la ruta seleccionada, se procede a definir la localización del eje de la carretera. Se entiende por localización, a todas las actividades de campo y gabinete realizadas, encaminadas a replantear en el terreno el eje definitivo de la carretera.



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Uno de los criterios para el trazado en planta dice: “ La alineación debe ser tan directa como sea posible, pero debe estar de acuerdo con la Topografía del terreno”.

Una alineación sinuosa que siga los contornos naturales es estéticamente preferible a una con grandes pendientes que irrumpa a través del terreno, pues así las huellas de la construcción pueden ser reducidas a un mínimo y conservarse las pendientes y arbolados naturales. Lo anterior depende de razones económicas y normas geométricas.

IV.I.VII Determinación de la Línea de Banderas

La línea de banderas, es una línea quebrada localizada en el terreno, cuyos segmentos tienen pendientes constantes. Para determinar dicha línea se utiliza un CLISIMITRO, el cual es un instrumento que permite medir las pendientes del terreno, marcará el ángulo de inclinación o el correspondiente en porcentaje. La línea de bandera es la base para el levantamiento topográfico.

Para tener el eje del corredor basta con unir los puntos de control, dicho corredor tendrá un ancho de 50mt a cada lado del eje de la vía, sobre este corredor se hará un levantamiento topográfico que se traducirá en un plano con curvas de nivel de la faja en estudio, un plano de perfil longitudinal del terreno en el eje de la poligonal (Línea de Banderas) y un plano de secciones transversales a dicho eje. Sobre estos planos se efectuará el Anteproyecto del eje de la vía. Se recomienda que los planos se elaboren a escala de 1:5000 con equidistancia de 5m entre curvas de nivel, de manera que se aprecien mejor los detalles del terreno.



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Actividad de Aprendizaje

Junto a tu equipo de trabajo máximo cuatro integrantes, recopila un plano de un municipio o región cualquiera y realiza lo siguiente:

Identifica la ruta actual para llegar de un punto de origen a otro de destino (Por ejemplo: Estelí – San Nicolás). Con base a los criterios estudiados en el ESTUDIO PRELIMINAR selecciona tres posibles rutas alternativas a la existente y realiza un análisis mediante un informe de

las características de las rutas marcadas, haciendo énfasis en los puntos de control, ventajas y desventajas desde el punto de vista técnico y económico, etc. Sería muy importante que conozcas la zona a fin de proporcionar conclusiones más acertadas y realistas. El mapa puede ser en formato digital o impreso, atendiendo las escalas estudiadas. Características del Informe 1. Portada 2. Introducción 3. Desarrollo 3.1 Descripción General de la zona (ubicación, morfología del terreno, clima, riesgos existentes, usos de la tierra, etc) 3.2 Descripción de la ruta existente (Ventajas, desventajas, longitud, etc) 3.3 Descripción de las rutas propuestas. 3.4 Justificación de la nueva ruta seleccionada. 4. Conclusiones 5. Recomendaciones 6. Anexos (Fotografías, plano, imágenes de Google Earth, etc)3

3 Tomado de Material de Clase. Ing. Moisés Suarez. UNI.2010.



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IV.II. ANTEPROYECTO

El Anteproyecto es la segunda etapa en la proyección de una vía, es el resultado del conjunto de estudios y levantamientos topográficos que se llevan a cabo con base en los datos previos.

Una vez obtenidos los planos con curvas de nivel a una escala apropiada, se inicia el estudio para el trazo del camino, considerando un número variable de posibilidades, hasta seleccionar la más conveniente para el eje de la carretera.

Económicamente el mejor trazado es aquel que se adapta a la topografía del terreno. Sin embargo la selección de una línea debe atender el tipo y volumen de tránsito previsto para el período de diseño de la carretera, así como de la velocidad de proyecto.

IV.II.I Criterios para el trazado de la vía

Se refieren específicamente al trazado geométrico en armonía con estado natural del terreno que atraviesa la carretera y deben ser tomados en cuenta desde la fase de anteproyecto o antes. Como resultado de la aplicación de estos criterios, pueda que el costo inicial de la obra no sea el mínimo posible, pero indefinitiva la obra, incluyendo su mantenimiento, el costo de su uso, que el numero de accidentes sea el mínimo con un mínimo de perdida de vidas humanas y materiales, será una obra mas económica y con un rendimiento máximo. Los criterios que aquí se establecen son específicos y por lo tanto no deben aplicarse mecánicamente. Se, en función del logro de estos objetivos, estarán dados los siguientes criterios:

Normas generales para el alineamiento horizontal

Estas normas generales están reconocidas en la práctica y son importantes para lograr una circulación cómoda y segura, entre las cuales se pueden citar las siguientes4:

1. La seguridad al transito que debe ofrecer el proyecto es la condición que debe tener preferencia.

2. La tipografía condiciona muy especialmente los radios de curvatura y velocidad de proyecto.

4 Tomado de Curso de Títulación. MSc. Orlando López. UNI 2011.



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3. La distancia de visibilidad debe ser tomada en cuenta en todos los casos, porque con frecuencia la visibilidad requiere radios mayores que la velocidad en si.

4. El alineamiento debe ser tan direccional como sea posible, sin dejar de ser consistente con la Topografía, que se adapta al terreno natural, es preferible a otra con tangente largas pero con repetidos cortes y rellenos.

5. Para velocidad de proyecto dada, debe evitarse dentro de lo razonable, el uso de curvatura máxima permisible. el proyectista debe tender, en lo general, a usar curvas suaves, dejando las curvaturas máximas para las condiciones mas criticas, en general el ángulo central de cada curva debe ser tan pequeño como lo permitan las condiciones físicas de manera que la carretera tenga el trazado más directo posible. este ángulo central debe ser resuelto con la curva mas larga posible.

6. Debe procurarse un alineamiento uniforme que no tenga quiebres bruscos en su desarrollo, por lo que deben evitarse curvas forzadas después de tangentes largas o pasar repentinamente de tramos de curvas suaves a otros de curvas forzadas. donde hay que introducir curvas cerradas, se hará la aproximación desde la zona de curvatura más suave, por medio de curvas cada vez más cerrada.

7. En rellenos altos y largos solo son aceptables alineamientos rectos o de muy suave curvatura, pues es muy difícil para un conductor percibir la curva forzada y ajustar su velocidad a las condiciones prevalecientes.

8. En caminos abiertos debe evitarse el uso de curvas compuestas, esto es permisible únicamente en casos especiales, debido a la topografía del terreno, a pasos obligados de una carretera. donde la topografía hace necesario su uso, el radio R1 de la curva más suave no debe ser mayor de un 50% que el radio R de la curva circular de más curvatura.

9. Debe evitarse cualquier Inversa brusca en la alineación. tal cambio dificulta al conductor del vehículo mantenerse dentro del carril. además es difícil super-elevar ambas curvas adecuadamente sin el resultado de una maniobra peligrosa.

10. Deben evitarse las curvas de Lomo Roto (dos curvas en la misma dirección con una pequeña recta entre ellas). tal alineación es peligrosa, ya que la mayoría de los conductores no esperan que las curvas sucesivas tengan su inflexión en el mismo sentido. es preferible en tales condiciones el uso de espirales de transición y de una curvatura compuesta, el término de lomo roto no se aplica si la recta es mayor de 500 mts. pero aun en este caso la alineación no será de apariencia agradable.

11. Para anular la apariencia de distorsión, el alineamiento horizontal debe estar coordinado con el vertical.

12. Es conveniente limitar el empleo de tangentes muy largas, pues la atención de los conductores se concentra durante largo tiempo en puntos fijos, que motivan somnolencia, especialmente durante la noche, por lo cual es preferible proyectar un alineamiento ondulado con curvas amplias.



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Normas Generales para el alineamiento vertical

En el perfil longitudinal de una carretera la sub.-rasante es la línea de referencia que define el alineamiento vertical. La posición de las sub.-rasante depende principalmente de la topografía de la zona atravesada, pero existen otros factores que debe de considerarse:

1. La condición topográfica del terreno influye en diversas formas al definir la sub-rasante. así, en terrenos planos, la altura de la sub.-rasante sobre el terreno es regulada, generalmente, por el drenaje. en terrenos en lomeríos se adoptan sub-rasantes onduladas, las cuales conviene tanto por la operación de los vehículos como por la economía del costo, en terrenos montañosos la sub-rasante es controlada estrechamente por las condiciones y restricciones de la topografía.

2. Una sub-rasante suave con cambios graduales es consistente con el tipo de camino y el carácter del terreno; a esta clase de proyectos debe dársele preferencia, en lugar de uno con numerosos quiebres y pendientes en longitudes



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cortas. los valores de diseño son la pendiente máxima y la longitud critica. 3. Deberá evitarse la sub-rasante tipo Montaña Rusa o de depresión escondida. tales

perfiles ocurren generalmente en alineaciones en planta relativamente rectas y donde el perfil de la carretera se ciñe mucho a la línea ondulada natural del terreno. estos son estéticamente desagradables y peligrosas.

4. Es importante el redondeo de las cimas y depresiones para que no hagan el efecto de puntos angulosos. la sucesión continuada de cimas y depresiones cortas producen una oscilación vertical de paisaje de sensación muy desagradable. el cambio o variación de altura debe ser lo mas gradual posible.

5. Deben observarse y analizarse las sub-rasantes ondulantes que desde el punto de vista dinámico benefician el transito. tales perfiles permiten que los camiones pesados operen a mayor velocidad, que cuando una rampa no esta precedida por una pendiente, pero pueden inducir a velocidades excesivas con el consiguiente mayor peligro para el resto del transito.

6. Dos curvas verticales sucesivas y en la misma dirección separada por un tangente vertical corto, deben ser evitadas, particularmente en columpios donde la vista completa de ambas curvas verticales no es agradable.

7. Un perfil escalonado es preferible a una sola pendiente sostenida, porque permite aprovechar el aumento de velocidad previo al ascenso y el correspondiente impulso.

8. Cuando la magnitud del desnivel a vencer o la limitación del desarrollo motiva largas pendientes uniformes, de acuerdo a las características previsible del transito, puede convenir adoptar un carril adicional en la sección transversal.

9. Los carriles auxiliares de ascenso también deben ser considerados donde la longitud critica de la pendiente está excedida y donde el volumen horario de proyecto excede el 20% de la capacidad de diseño para dicha pendiente, en el caso de caminos de dos carriles y del 30% en el caso de caminos de varios carriles.

10. Cuando se trata de salvar desniveles apreciables, bien con pendientes escalonadas o largas pendientes uniformes, deberá procurarse disponer las pendientes mas fuertes al comenzar el ascenso. Donde las intersecciones a nivel ocurren en tramos de caminos con pendientes de moderadas a fuertes, es deseable reducir la pendiente a través de la intersección; este cambio en el perfil es benéfico para todos los vehículos que den vuelta.



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Coordinación entre alineamiento Vertical y Horizontal

Los alineamientos horizontal y vertical no deben de ser considerados independientes en el proyecto, dado que se complementan el uno al otro. Aunque ambos tengan características muy particulares en su proyección; se debe de analizar la buena armonización o combinación entre ellos. Si uno de los dos alineamientos presenta partes problemáticas proyectada, estas influyen negativamente tanto en el resto de ese alineamiento como en el otro. Por lo anterior deben estudiarse en forma minuciosa ambos alineamientos, tomando en cuenta que la bondad en su proyecto incrementara su uso y seguridad.5 Es difícil discutir la coordinación de los alineamientos horizontal y vertical sin referirse al amplio aspecto de la localización de caminos; ambos temas están relacionados entre si y cuanto pueda decirse de uno generalmente es aplicable al otro. Si se supone que la localización general ha sido realizada y que el problema restante es lograr un proyecto armónico entre los alineamientos horizontal y vertical y que obtenido éste la carretera resulte una vía económica, agradable y segura, se tendrá que la velocidad de proyecto adquiere mayor importancia, puesto que en el calculo es el parámetro que logra el equilibrio buscado. Las combinaciones apropiadas de los alineamientos horizontal y vertical se logran por medio de estudios de ingeniería y de las siguientes normas generales:

La curvatura y la pendiente deben estar balanceadas. Las tangentes o las curvas horizontales suaves en combinación con pendientes fuertes o largas, o bien una curvatura horizontal excesiva con pendientes suaves, corresponden a diseños pobres. Un diseño apropiado es igual que combinar ambos alineamientos ofreciendo lo máximo en seguridad, capacidad, velocidad, facilidad y uniformidad en la operación, además de una apariencia agradable dentro de los límites prácticos del terreno y del área atravesada.

La curvatura vertical sobrepuesta a la curvatura horizontal o viceversa, generalmente da como resultado una vía mas agradable a la vista pero debe ser analizada tomando en cuenta el transito. Cambios sucesivos en el perfil que no están en combinación con la curvatura horizontal pueden tener como consecuencia una serie de jorobas al conductor por alguna distancia. Sin embargo en ocasiones la combinación de estos alineamientos pueden también resultar peligrosos bajo ciertas condiciones, tal como se discute en seguida.

No deben proyectarse curvas horizontales forzadas en o cercas del punto bajo de una curva vertical en columpio, porque el camino da la impresión de estar cortado. Cuando la curva horizontal es muy suave presenta una apariencia de distorsión

5 Tomado de Apuntes Curso Titulación. MSc. Orlando López . UNI 2011.



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indeseable. Muchas veces la velocidad de otros vehículos, especialmente las de los camiones, son alta al final de las pendientes y pueden conducir a operaciones erráticas especialmente durante la noche.

En caminos de dos carriles, la necesidad de tramos para rebasar con seguridad a intervalos frecuentes y en un porcentaje apreciable de la longitud del camino, influye en la combinación de ambos alineamientos, en estos casos es necesario proporcionar suficientes tangentes largas para asegurar la distancia de visibilidad de rebase.

En las intersecciones donde la distancia de visibilidad a lo largo de ambos caminos sea importante y los vehículos tengan que disminuir su velocidad o parar, la curvatura horizontal y el perfil deben proyectarse lo mas suave posible.

En caminos divididos se pueden emplear diferentes combinaciones de alineamiento horizontal y vertical para cada sentido de circulación, si la anchura de la faja separadora lo permite. La combinación entre los alineamientos horizontal y vertical debe de iniciarse en la etapa de anteproyecto, donde pueden realizarse los ajustes correspondientes, mediante estudios exhaustivos.

En conclusión, se puede decir que en la etapa de Anteproyecto, se realiza el trazado de la sub-rasante, con soluciones prácticamente definitivas, solo sujetas a modificaciones pequeñas.

IV.II.II Trazado de la vía

Ya teniendo el plano de la faja por donde deberá trazarse la vía a escala 1:50,000 y con equidistancia entre curvas de nivel de 5m, se realiza el trazado de la misma tanto en planta como en perfil. Trazado en Planta

La alineación debe ser tan directa como sea posible, pero debe estar de acuerdo con la topografía del terreno. Una alineación sinuosa que siga los contornos naturales del terreno es estéticamente preferible que una que irrumpa a través del terreno, pues así las huellas de la construcción pueden ser reducidas a un mínimo y conservar las pendientes y arbolados naturales.

Para el trazado en planta se debe atender la LINEA A PELO DE TIERRA, la cual es una línea quebrada localizada en el plano , el trazado será el más óptimo a medida que nos apeguemos más a ésta. La línea “a pelo de tierra” es una sucesión de líneas rectas que se dibujan siguiendo la topografía del terreno con una pendiente preestablecida entre dos puntos. Esta pendiente se fija con base en las especificaciones del proyecto y se conoce comúnmente



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con el nombre de pendiente gobernadora. Los puntos por los que pasa la línea “a pelo de tierra” se determinan por medio de un compás, cuya abertura es función de la escala del plano y la pendiente establecida. Para lograr el criterio anterior, es importante determinar lo que se denomina: Línea a Pelo de Tierra. La línea formada por curvas y/o rectas que se aproxime más a las Líneas de Pelo de Tierra será la que mas se adapte al terreno. Para trazar la Línea a Pelo de Tierra, en el plano se utiliza el Método del Compás que establece: Conociendo la equidistancia entre curvas de nivel y la pendiente gobernadora (1 o 2 % menor que la máxima) o sea la pendiente que se quiere trazar, se calcula la abertura del Compás de manera que al interceptar las curvas consecutivas, la línea imaginaria que une estos puntos tenga la pendiente deseada. Se aconseja siempre que al desarrollar este método no se use el valor de la pendiente máxima para que la línea final resulte más apegada a las condiciones que se esperan.

EJEMPLO:

Datos: Pendiente gobernadora = +5% Equidistancia vertical entre curvas de nivel = 1m Escala del dibujo = 1:1000

;1

100

5

X mX 20

5

100

A una escala de 1:1000, 1 cm del plano equivale a una distancia horizontal en el

terreno de 10 metros. Por lo tanto, la abertura del compás será de 2 cm.



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IV.II.IV TANGENTES HORIZONTALES COMPENSADAS.

Una vez obtenida la línea “a pelo de tierra”, se procede a establecer la línea

definitiva. Esta línea incluye básicamente tangentes horizontales y curvas circulares. Primeramente, se obtienen las tangentes horizontales compensadas, que se fijan con base en los criterios siguientes:

Mayor longitud posible Que corten el mayor número de veces a la línea “a pelo de tierra” En cuanto a las figuras geométricas delimitadas por la línea “a pelo de tierra” y las

tangentes horizontales, en general, se buscará que el área de dichas figuras arriba y debajo de las tangentes sea aproximadamente igual.

Por lo indicado en el último criterio, a estas tangentes horizontales se les denomina tangentes compensadas, ya que en esta etapa del anteproyecto se pretende obtener, de

manera preliminar, una compensación aproximada entre cortes y terraplenes.

Una vez definidas las tangentes horizontales compensadas, se obtiene el perfil

deducido del terreno a lo largo de las mismas. Este perfil se utiliza para el anteproyecto de la subrasante, el cual es la primera actividad del alineamiento vertical. Trazado en Perfil

Si el eje de la vía ha sido definido en el plano, se puede deducir del plano topográfico el



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perfil del terreno. Si el eje de la vía ha sido definido directamente en el campo, el perfil del terreno se obtendrá mediante un levantamiento topográfico, osea por procedimiento de nivelación, fijando estacas y puntos de amarre.

El perfil se dibujará en papel milimitrado con escala horizontal 1:50000 o la que tenga la planta del anteproyecto y la escala vertical 10 veces mayor 1:500 con el objetivo de apreciar mejor el relieve del terreno.

LA SUBRASANTE, es un trazado vertical compuesta por líneas rectas inclinadas, unidas por arcos de círculos, que generalmente son Parábolas.

Cuando se realiza el trazo de la subrasante se debe atender los siguientes factores de diseño:

1. Pendiente gobernadora: 2. Pendiente máxima permisible 3. Longitud Crítica 4. Pendiente mínima 0.5%

Asimismo es necesario que:

1. En el trazado del perfil es necesario definir todos los puntos de altura obligada, entre estos:

• Punto de inicio y final del proyecto. • Altura de puentes • Altura de alcantarillas

2. Debe existir compensación entre excavación y relleno.

3. Calcular la longitud de las curvas verticales y colocar sobre el perfil su estación y elevación y su longitud de curva.

4. Los cambios de pendientes para ajustarse al terreno y facilitar la evacuación de las aguas, para esto se recomienda:

a) Cambios de pendientes de (+) a (–) en excavación. b) Cambios de pendientes de (-) a (+) en relleno.



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IV.III. PROYECTO DEFINITIVO

Es la etapa más importante del proyecto vial. Ya que en ella se profundiza en el estudio y los cálculos, y se detallan más los planos con el objetivo de brindar la información necesaria para la revisión y aprobación del proyecto, así como su replanteo y ejecución.

Debido a los reajustes que se han hecho en la etapa de proyecto definitivo se hace necesario hacer una evaluación de los costos de construcción, mantenimiento y operación.

Documentación de un proyecto de carretera

Memoria descriptiva o propuesta técnica.

Planos: Carátula, plano general, plano de planta, planta-perfil, sección transversal típica de la vía, obras de drenaje mayores y menores y diagrama de masas.

Pliego de condiciones (documentos de licitación y contrato).

Presupuesto

En la etapa de Anteproyecto se deben considerar además:

Condiciones Topográficas: Plano, montañoso u ondulado. Condiciones Geotécnicas: La naturaleza y calidad de los materiales que se encuentran en la zona donde se localiza la carretera.

Costos de Construcción Costos de supervisión de construcción Costos de mantenimiento Costos de operación

Replanteo del eje de la vía

La forma más usual de hacer el replanteo de la vía es basándose en los vértices de la poligonal que se realizó, con vista al levantamiento del corredor, previo a la etapa de anteproyecto. Así conocida las coordenadas de los vértices de la poligonal se pueden determinar los puntos de inflexión del eje de la vía definiendo así los valores para el replanteo.

BIBLIOGRAFÍA

Apuntes de Ingeniería de Carreteras, Proyecto Geométrico de Carreteras. Dr. Carlos H. Fonseca R. Maestría en Vías Terrestres 2010.

Apuntes de Curso de Titulación. Diseño Geométrico. MSc. Orlando López. 2011.

Doble Vía. Disponible en http://doblevia.wordpress.com/diseno-geometrico-de-vias/ Visitado el 10 de agosto

2011.

Instituto Nacional de Vías de Colombia. Disponible en:

http://www.invias.gov.co/invias/hermesoft/portalIG/home_1/recursos/informacion_institucional/201220

07/documento_tecnico.jsp

Apuntes de Diseño Geométrico de Viales. Ing. Moisés Suarez Campos. UNI Norte 2010.

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Diseño y calculo geometrico de viales

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