Pontificia Universidad JaverianaFacultad de ingeniería

Ingeniería Civil

Diseño Geométrico de VíasProyecto Final

Profesora: Luz Eneida BotinaPresentado por:

Rodrigo Alejandro Arce Esquivel

Santiago de Cali, Valle del CaucaMayo 27 del 2016

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CONTENIDO

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN......................................................................................1-3CAPÍTULO 2. OBJETIVOS Y ALCANCES.....................................................................2-4OBJETIVOS........................................................................................................................................2-4

ALCANCES........................................................................................................................................2-4

CAPÍTULO 3. OBTENCION DE LA INFORMACION DE CAMPO..............................3-5CAPÍTULO 4. LOCALIZACION GENERAL DEL PROYECTO....................................4-6CAPÍTULO 5. PARÁMETROS DE DISEÑO GEOMÉTRICO.........................................5-7

DISEÑO GEOMÉTRICO EN PLANTA.........................................................................................5-7

Tipo de Terreno................................................................................................................................5-7

Velocidad de diseño.........................................................................................................................5-7

Radio mínimo y peralte máximo......................................................................................................5-9

Peraltes y transición de peralte........................................................................................................5-9

Entretangencias..............................................................................................................................5-11

Entretangencia mínima...............................................................................................................5-11

Entretangencia máxima..............................................................................................................5-11

CAPÍTULO 6. DISEÑO EN PERFIL...............................................................................6-12Pendiente mínima...........................................................................................................................6-12

Pendiente máxima..........................................................................................................................6-12

Longitud de las curvas verticales...................................................................................................6-13

Longitud mínima........................................................................................................................6-13

Longitud máxima.......................................................................................................................6-13

CAPÍTULO 7. SECCIONES TRANSVERSALES...........................................................7-14Sección transversal típica...............................................................................................................7-14

Secciones transversales del proyecto..........................................................................................7-14

CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES....................................................................................8-15

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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

La infraestructura vial reviste una enorme importancia para el desarrollo económico. Las vías terrestres interconectan los puntos de producción y consumo y el estado de las mismas determina en un alto porcentaje el nivel de costos de transporte, los cuales a su vez influyen sobre los flujos de comercio nacional e internacional de un país.

El diseño geométrico de la carretera se refiere a los cálculos y análisis hechos por los ingenieros enfocados en la parte de transporte y diseño vial para ajustar la carretera a la topografía del lugar, satisfaciendo estándares de seguridad, de servicio y de funcionamiento.

Su clasificación se da por diversos criterios: de acuerdo con su necesidad operacional o funcionalidad, pueden ser nacionales o primarias, departamentales o secundarias, y municipales o terciarias; conforme con la topografía predominante en el tramo de estudio, pueden ser de terrenos plano, ondulado, montañoso y escarpado; según sus características, pueden ser autopistas, multi carriles o de dos direcciones; y, según el ancho de la vía, pueden ser estrechas, medias o anchas.

“En el mundo moderno, no obstante que es posible establecer medios de transporte ya sea de pasajeros o de carga por diferentes medios, las condiciones particulares de cada región, medidas como una suma de factores de tipo económico, social, político y físico, determinan la elección final del modo prioritario a usar. Colombia no ha sido ajena a este proceso, por lo que en sus diferentes momentos históricos y de desarrollo tecnológico ha acudido a diversos modos y sistemas de transporte con el fin de atender la creciente economía nacional, hasta el momento actual en el que la mayor parte del transporte se desarrolla mediante el uso de las carreteras, consideradas en la mayoría de los casos como ejes articuladores de los diferentes procesos de poblamiento y expansión económica. Dadas las condiciones geoestratégicas del país, que lo ubican en un lugar prioritario dentro de los procesos de integración regional y de globalización, es necesario contar con una red vial que le permita servir a la demanda de transporte en forma segura, cómoda y eficiente.” (INVIAS ’08)

El objetivo de este informe es dar a conocer un corredor de ruta o vía, debidamente seleccionado bajo el cumplimiento de la normatividad vial vigente en Colombia, del Manual de Diseño Geométrico de Carreteras (INVIAS ’08)

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CAPÍTULO 2. OBJETIVOS Y ALCANCES

OBJETIVOS

Determinar la traza de la carretera propuesta. Incorporar características físicas al alineamiento del camino para asegurar que los

conductores tienen suficiente visión del camino (y de los obstáculos) hacia adelante de modo que puedan ajustar su velocidad de viaje para mantener seguridad y calidad de conducción.

Proporcionar una base para evaluar y planificar la construcción de la sección transversal de la carretera propuesta.

Aprender acerca de la herramienta de diseño vial llamado TOPO3, elegido como el software más apropiado para la iniciación en diseño de una vía.

A parir de aplicar lo básico de diseño de vías, según criterio ingenieril, establecer la mejor manera de desarrollo de la carretera.

ALCANCES

Uno de los aspectos clave en la dirección de proyectos es la definición del alcance del proyecto, la cual se desarrolla durante las fases de inicialización e inicio de la planificación. En este índice se trata el tema de cómo definir correctamente el alcance del proyecto.

Los alcances que se deben tener en cuenta en este trabajo son los siguientes:

Definir exitosamente un corredor trabajando sobre pendientes de mínimo y máximo diseño.

Dar un claro conocimiento de que tipo de terreno sobre el cual se está trabajando. Adecuación de este corredor como un diseño vial. Realización efectiva del diseño en planta, perfil, secciones transversales y movimientos

de tierra. Estos, realizados a partir del software de diseño TOPO3 Chequeo y monitoreo de curvas, tanto horizontales como verticales, dentro de los

parámetros establecidos por el Manual de Diseño de Carreteras (INVIAS ’08)

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CAPÍTULO 3. OBTENCION DE LA INFORMACION DE CAMPO

Algunas de las principales herramientas requeridas para la realización de la adaptación estética del proyecto, y que deben estar presentes en todas las fases de formulación, son:

Fotografías aéreas de la zona. Restituciones aerofotogramétricas. Sistemas de Información Geográfica. Estudio de Impacto Ambiental de cada una de las zonas del proyecto. Planos de diseño según la fase del proyecto correspondiente.

Un Modelo Digital de Terreno (MDT) es una estructura numérica de datos que representa la distribución espacial de una variable cuantitativa y continúa. Un MDT es una representación en 3D de la topografía (altimetría y/o batimetría) de una zona terrestre mediante un ordenador digital. Un MDT representa la superficie de suelo desnudo y sin ningún objeto, como la vegetación o los edificios.

Requerimientos para armar el MDT Nube de puntos COGO N, E, Cota, Identificación Identificación de líneas de quiebre del terreno: son aquellas que definen un cambio brusco en

la pendiente, como son las divisorias de aguas, los cursos de quebradas, los ejes de carreteras existentes, etc. Son las aristas que configuran planos significativos de cambio de nivel

Construir el MDT A partir de la nube de puntos obtenida, formar la red de triangulación del terreno. Incluir líneas de quiebre a la red de triangulación Construir la ecuación de cada plano que conforma la red de triangulación

Usos: Extracción de los parámetros del terreno. Trazados de perfiles topográficos. Modelización de la escorrentía del agua o del movimiento de masa (por ejemplo, para

avalanchas y corrimientos de terreno). Creación de mapas en relieve. Sistemas de información geográfica (SIG) Ingeniería y diseño de infraestructuras. Agricultura de precisión y gestión forestal.

Diseño

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CAPÍTULO 4. LOCALIZACION GENERAL DEL PROYECTO

Este paisaje corresponde a mesas o superficies planas y onduladas disectadas por profundos vallecitos por donde fluyen quebradas y riachuelos que tributan sus aguas al río Magdalena; comprende dos tipos de relieve: las mesas propiamente dichas y las colinas y lomas, las cuales son antiguas mesas disectadas. Las superficies de relieve plano y ligeramente ondulado tienen pendientes 0-3-7%. Las áreas disectadas presentan un relieve colinado de cimas planas y angostas y laderas fuertemente inclinadas con pendientes hasta de 50%. Este paisaje ocurre entre 1000 y 1700 metros de altura sobre el nivel del mar, especialmente en el sector suroeste y centro-oeste del departamento, correspondiendo a las formaciones vegetales de bosque muy húmedo.

Características

Los suelos han evolucionado a partir de flujos ignimbríticos y otros depósitos volcánicos (Tobas) y sobre cenizas volcánicas que han recubierto arcillas residuales de la alteración de rocas volcánicas, en forma discontinua y con espesores variables desde algunos centímetros hasta dos metros o más, especialmente en el sector suroeste del departamento. Los suelos desarrollados sobre cenizas son profundos, humíferos, ácidos, de perfil ABC, friables y bien drenados. Los suelos desarrollados sobre arcillas residuales, producto de la alteración de las ignimbritas, a veces mezcladas con cenizas, son superficiales a profundos, de colores pardos amarillentos y rojizos en profundidad, poco permeables, arcillosos, de complejo saturado, de reacción ácida y algunas veces básica. Actualmente, parte de estas tierras están cubiertas de bosque natural y donde se ha talado se utilizan en pastos, en algunos sectores sobresalen los cultivos de café y plátanos. La aptitud de estos suelos para actividades agropecuarias es moderada a alta. (Memoria técnica de suelos. Descripcion de suelos. Asociación Entic Haplustolls. 1997-2002)

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CAPÍTULO 5. PARÁMETROS DE DISEÑO GEOMÉTRICO

DISEÑO GEOMÉTRICO EN PLANTA

Tipo de Terreno

Determinada por la topografía predominante en el tramo en estudio, es decir que a lo largo del proyecto pueden presentarse tramos homogéneos en diferentes tipos de terreno.

Durante la transición del proyecto en el software, TOPO3, y sus utilidades, se obtuvo que la Pendiente Media Máxima del corredor de ruta es de 67.36 grados lo que bajo las medidas y especificaciones del Manual de Diseño Geométrico de Carreteras (INVIAS ’08)es considerado, topográficamente, como un terreno Escarpado El cual por definición tiene pendientes transversales al eje de la vía generalmente superiores a cuarenta grados (40°). Exigen el máximo movimiento de tierras durante la construcción, lo que acarrea grandes dificultades en el trazado y en la explanación, puesto que generalmente los alineamientos se encuentran definidos por divisorias de aguas. Generalmente sus pendientes longitudinales son superiores a ocho por ciento (8%). (INVIAS 08)

Velocidad de diseño

El diseñador, para garantizar la consistencia en la velocidad, debe identificar a lo largo del corredor de ruta tramos homogéneos a los que por las condiciones topográficas se les pueda asignar una misma velocidad. Esta velocidad, denominada Velocidad de Diseño del tramo homogéneo (Vtr), es la base para la definición de las características de los elementos geométricos incluidos en dicho tramo.

Rige el diseño de todos los elementos del camino: una vez seleccionada, todas las características pertinentes de la carretera deberían relacionarse a la velocidad escogida para obtener un diseño equilibrado

En el medio colombiano la velocidad tope a la que viajan los conductores en un momento dado es función, principalmente, de las restricciones u oportunidades que ofrezca el trazado de la carretera, el estado de la superficie de la calzada, las condiciones climáticas, la intensidad del tráfico y las características del vehículo y en menor medida por las señales de límite de velocidad colocadas en la vía o por una eventual intervención de los agentes de tránsito. (INVIAS ’08)

Los conductores no ajustan sus velocidades a la importancia de la carretera, sino a su percepción de las limitaciones físicas, y por consiguiente, el tránsito.

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A cada uno de los tramos homogéneos identificados se le debe asignar su Velocidad de Diseño conforme a los criterios establecidos en la Tabla 2.1. Manual de Diseño Geométrico de Carreteras (INVIAS ’08)

Se optó por hacer el trazado de la vía, Terciaria. Dado el numeral anterior se obtuvo por criterio que es un terreno Escarpado, lo que según por la tabla, nuestra velocidad de diseño debe estar entre 20 km/h y 30 km/h.

Se escogió como velocidad de diseño en tramos homogéneos (Vtr) una velocidad de 30 Km/h.

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Radio mínimo y peralte máximo

El Radio mínimo de curvatura solo debe ser usado en situaciones extremas, donde sea imposible la aplicación de radios mayores.

En las Tabla 3.3 del Manual de Diseño Geométrico de Carreteras (INVIAS ’08) se indican los valores de Radio mínimo para diferentes Velocidades Específicas (VCH) según el peralte máximo (emáx) y la fricción máxima (fTmáx). Estos valores sujetos al tipo de terreno y velocidad de diseño. (INVIAS ’08)

Acoplado al diseño de la vía con velocidad de diseño de 30 Km/h y un peralte máximo de 6% dado por ser vía terciaria el radio mínimo otorgado al corredor de vía diseñado es de 20,8 m

Peraltes y transición de peralte

A cada una de las curvas horizontales se le asigna su Velocidad Específica a partir de la velocidad de diseño especificada en el numeral 4.1.2 de este informe, atendiendo a los criterios consignados en el Capítulo 2 y en el numeral 3.5 del Manual. Relación entre los Radios de curvas horizontales contiguas. Una vez asignada la Velocidad Específica (VCH) a cada curva horizontal y con el Radio de curvatura elegido (RC), que se supone es el que permite ajustar de la mejor manera la trayectoria de la curva a la topografía del terreno, es necesario asignar el peralte que debe tener dicha curva para que con su Radio (RC) permita que los vehículos puedan circular con plena seguridad a la Velocidad Específica (VCH). (INVIAS ’08)

Lo anterior implica que para curvas de Radios superiores al mínimo, la fricción transversal demandada no es la fricción transversal máxima (fTmáx) sino que su valor es establecido mediante una función parabólica. Se presenta el valor del peralte en función de la VCH y el Radio de curvatura para carreteras Terciarias en la Tabla 3.5.

El valor de peralte de la tabla para nuestro diseño estará en función de la velocidad específica de nuestro diseño y los radios de cada curva particularmente como se muestra en la siguiente imagen.

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Manual de Diseño Geométrico de Carreteras (INVIAS ’08)

La transición de peraltado se efectúa sobre cada espiral diseñada en planta, la transición de peralte se realiza de acuerdo al procedimiento especificado en el Manual de Diseño Geométrico de Carreteras de INVIAS (2008) y a su vez la Rampa de Peralte (Δs) se selecciona en función de la Velocidad Específica (VCH) en la tabla 3.6 del Manual.

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Manual de Diseño Geométrico de Carreteras (INVIAS ’08)

EntretangenciasEntretangencia mínima

- Para curvas de distinto Sentido

Considerando el empleo de curvas espirales, se puede prescindir de tramos de entretangencia rectos. Si el alineamiento se hace con curvas circulares únicamente, la longitud de entretangencia debe satisfacer la mayor de las condiciones dadas por la longitud de transición, de acuerdo con los valores de pendiente máxima para rampa de peraltes y por la distancia recorrida en un tiempo de 5 segundos (5 s) a la menor de las Velocidades Específicas (VCH) de las curvas adyacentes a la entretangencia en estudio. (INVIAS ’08)

- Para curvas del mismo sentido

En el diseño con curvas espirales la entretangencia no puede ser menor a la distancia recorrida en un tiempo de 5 segundos (5 s) a la Velocidad Específica de la entretangencia horizontal (VETH). Para diseños con curvas circulares, especialmente en terreno plano, la entretangencia no puede ser menor al espacio recorrido en un tiempo no menor de quince segundos (15 s) a la Velocidad Específica de la entretangencia horizontal (VETH). Por su misma naturaleza, las curvas del mismo sentido se deben considerar indeseables en cualquier proyecto de carreteras, por la inseguridad y disminución de la estética que representan. Ya que por dificultades del terreno, son a veces imposibles de evitar, se debe intentar siempre el reemplazo de dos curvas del mismo sentido por una sola curva que las envuelva. (INVIAS ’08)

Entretangencia máxima

Se deben acondicionar entretangencias suficientemente largas que permitan cumplir con la Distancia de Visibilidad de Adelantamiento, pero en el caso que se excedan estas distancias por razones propias del diseño es necesario procurar que la longitud máxima de recta no sea superior a quince (15) veces la Velocidad Específica de la entretangencia horizontal (VETH) expresada en kilómetros por hora (km/h). Este criterio se aplica de igual forma para curvas de igual sentido como para curvas de diferente sentido. (INVIAS ’08)

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CAPÍTULO 6. DISEÑO EN PERFIL

Pendiente mínima

La pendiente mínima longitudinal de la rasante debe garantizar especialmente el escurrimiento fácil de las aguas lluvias en la superficie de rodadura y en las cunetas. La pendiente mínima que garantiza el adecuado funcionamiento de las cunetas debe ser de cero punto cinco por ciento (0.5%) como pendiente mínima deseable y cero punto tres por ciento (0.3%) para diseño en terreno plano o sitios donde no es posible el diseño con la pendiente mínima deseable. En la selección de uno de los dos valores anteriores se debe tener en cuenta el criterio de frecuencia, intensidad de las lluvias y el espaciamiento de las obras de drenaje tales como alcantarillas y aliviaderos. (INVIAS ’08)

Basado en lo anterior, para el diseño propuesto en este proyecto se utiliza la pendiente mínima para tangentes verticales de 0,5% para ayudar a la parte de desagüe

Pendiente máxima

La pendiente máxima de una tangente vertical está en relación directa con la velocidad a la que circulan los vehículos, teniendo en dicha velocidad una alta incidencia el tipo de vía que se desea diseñar. Para vías Primarias las pendientes máximas se establecen considerando velocidades altas, entre sesenta y ciento treinta kilómetros por hora (60 - 130 km/h). En las vías Terciarias las pendientes máximas se ajustan a velocidades entre veinte y sesenta kilómetros por hora (20 - 60 km/h), en donde la necesidad de minimizar los movimientos de tierra y pobre superficie de rodadura son las condiciones dominantes. Para la selección de la pendiente máxima es necesario considerar dos situaciones. La primera, cuando durante el desarrollo de los estudios para la definición del corredor de ruta, que se llevan a cabo durante la Fase 1 del proyecto, se requiere adoptar la Pendiente Media Máxima del corredor (PMmáx), la cual debe estar en consonancia con la Velocidad de Diseño del tramo homogéneo. (INVIAS ’08)

La pendiente máxima va a estar en función de la velocidad de diseño en el tramo homogéneo que en este caso fue asignado un valor de 30 Km/h para nuestro tipo de terreno Escarpado y categoría de la vía como una vía diseñada terciaria.Esto, se puede ver más claramente en la tabla 4.1 del Manual de Diseño Geométrico de Carreteras. (INVIAS ’08)

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Longitud de las curvas verticales

Longitud mínima

La longitud mínima de las tangentes verticales con Velocidad Específica menor o igual a cuarenta kilómetros por hora (VTV ≤ 40 km/h) será equivalente a la distancia recorrida en siete segundos (7 s) a dicha velocidad, medida como proyección horizontal, de PIV a PIV. Las tangentes verticales con Velocidad Específica mayor a cuarenta kilómetros por hora (VTV > 40 km/h) no podrán tener una longitud menor a la distancia recorrida en diez segundos (10 s) a dicha velocidad, longitud que debe ser medida como proyección horizontal entre PIV y PIV. En la Tabla 4.3 se presentan los valores para diferentes Velocidades Específicas de la tangente vertical (VTV). (INVIAS ’08)

(INVIAS ’08)

Longitud máxima

El diseño del eje en perfil de la carretera debe considerar la longitud máxima de la tangente vertical. Cuando se realiza el trazado de la línea pendiente, es fundamental dejar habilitado el corredor para que sea congruente con la pendiente máxima y la longitud crítica de las tangentes verticales. La longitud crítica de la tangente vertical se define como la máxima longitud en ascenso sobre la cual un camión puede operar sin ver reducida su velocidad por debajo de un valor prefijado. Para establecer éstos parámetros es necesario considerar los siguientes aspectos: - Relación peso/potencia del vehículo pesado de diseño. - Velocidad media de operación de los vehículos pesados en tramos a nivel de la carretera que se diseña. - La velocidad media de operación de los vehículos pesados se estima con base en los resultados del estudio de tránsito y de la geometría de la vía. - Pérdida aceptable de velocidad de los vehículos pesados en la tangente vertical. Se considera que la Longitud crítica de la tangente vertical es aquella en la que el vehículo pesado seleccionado para el diseño sufre una reducción en su velocidad de veinticinco kilómetros por hora (25 km/h) con respecto a su velocidad media de operación en tramos a nivel de la carretera que se diseña.

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CAPÍTULO 7. SECCIONES TRANSVERSALES

Sección transversal típica

La sección transversal típica adoptada de este proyecto es el que se muestra a continuación:

Abscisa K0+100

Secciones transversales del proyecto

En el proyecto, las secciones transversales en su mayoría fueron adoptadas de la forma mostrada anteriormente con dichas medidas, todas generadas mediante el software de diseño TOPO3. Además, se optó por un diseño de sección transversal típica en corte utilizando así cunetas tipo D de la cual el programa da medidas por defecto y para facilitar el diseño.

Durante el proyecto de definió que se realizaría una gran parte de este con un marcado movimiento de tierra sobre la cual predomina la excavación debido al tipo de terreno y su facilidad tanto económica como en obra.

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Calzada6.00

3.00 3.00Eje

0.500.50

0.55 0.55

Berma-cunetaBerma-cuneta

CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES

Se determinó un trazado concluyendo en el terreno donde se va a realizar el diseño de la obra vial.

Se chequeó eficazmente todo el diseño para dar un mejor resultado en especificaciones.

Se realizaron varias identificaciones y características de alineamiento del corredor, asegurando así, un apropiado diseño para el usuario

Se aprendió en base a programa TOPO3 una manera eficaz y eficiente de por hacer un diseño óptimo para un ingeniero

Se aplicó tanto conceptualmente como de manera material la manera por la cual se desarrolla un proyecto ingenieril dedicado a la parte vial y como aplicar conceptos básicos y avanzados según sea la disciplina del proyecto.

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