folleto tema ib

DISEO GEOMETRICO DE CARRETERAS

AUTORES: Dra. Ileana Cadenas Freixas Dr. Wilfredo Martnez Lpez del Castillo

Camagey, 2003

Tema I. Generalidades sobre la proyeccin de carreteras. 1.1. Introduccin. 1.2. Evolucin histrica del diseo de Obras Viales. 1.3. Factores que influyen en el diseo de caminos. 1.4. Estudios del trazado.

1.4.1. Etapas en el diseo de una Obra Vial. 1.5. Clasificacin de las vas.

AUTORES: Dra. Ileana Cadenas Freixas

Dr. Wilfredo Martnez Lpez del Castillo 2

Diseo Geomtrico de Vas. 1.1. Introduccin. Uno de los elementos fundamentales y determinantes en el desarrollo de un pas lo constituye el sistema de transporte, que interrelaciona los diferentes tipos de transporte: Por carretera. Por ferrocarriles. Areo. Vas fluviales. Por tuberas. Martimo. Existen muchas formas de explicar el fenmeno del transporte, de las cuales se expone por su sencillez el Diagrama de LeCorbusier, el cual considera al hombre articulado en una cudruple faceta que interrelaciona sus actividades en la sociedad: como miembro de una familia, trabajador, consumidor y sujeto de ocio. Cuando el hombre no puede desarrollar estas diversas funciones en el mismo sitio se produce el transporte. Todos los sistemas de transporte se disean atendiendo a: Consideraciones econmicas. Caractersticas del terreno. Objetivos del proyecto. Que su trazado sea tan directo como sea posible entre los puntos a enlazar, cumplindose en l todos los principios y normas de ingeniera que permitan obtener una obra: Resistente. Segura De agradable apariencia. Una carretera puede definirse como: Una curva alabeada en el espacio de forma tal que su vista en perspectiva ofrezca una armnica sucesin de imgenes de la va, con el objetivo de garantizar un recorrido espacial continuo. En esta asignatura estudiaremos los principios y normas de ingeniera referentes al diseo geomtrico de caminos con el fin de garantizar la comodidad, seguridad y apariencia de la misma. 1.2. Evolucin histrica del diseo de obras viales.

Familia Trabajo

Tiempo libre Consumo

Hombre



Los grandes sistemas de carreteras de nuestra civilizacin moderna tienen su origen en los albores de la historia. Los primeros viajes se realizaban a pie, luego se utilizaron animales para transportar las cargas, se desarrollaron trineos y aparecieron vehculos sencillos de ruedas. Las migraciones que se produjeron en los primeros perodos histricos involucraron gran nmero de personas que cubran grandes distancias. Se desarrollaron as rutas ms o menos regulares. A medida que diferentes civilizaciones alcanzaron un nivel de desarrollo ms alto los pueblos antiguos tomaron conciencia de la importancia de mejorar los caminos. Las calles de Babilonia se pavimentaron hacia el ao 2000 a.n.e La historia tambin registra la construccin de caminos en la poca de la ejecucin de la pirmide de Giseh, en Egipto 3000 a.n.e. No puede dejar de mencionarse los caminos del Inca, una de las ms grandes y monumentales obras de Ingeniera del Imperio Incaico, con una extensin de 13 300 km de los cules 5000 km pertenecan al Per. La singularidad de este sistema de caminos radica en su elevado sentido estratgico que aseguraba la defensa del imperio y su ejecucin, generalmente por el parte aguas de la cordillera andina que propicia excelentes condiciones de drenaje. Se considera el sistema de caminos ms avanzados del mundo antiguo el de Roma, que lleg a abarcar todo el imperio romano. Muchos de esos caminos fueron construidos de piedra con 0,90 m de espesor. An se conservan restos de esos caminos y otros todava sirven de base a algunos tramos de carreteras modernas. El desarrollo en la construccin de carreteras se detuvo y an en el siglo XVIII las nicas formas de viajar eran a pie, a caballo o en diligencias. Durante el rgimen de Napolen en Francia (1800 1814) se dio un gran impulso a la construccin de caminos, principalmente con objetivos militares. Hasta finales del siglo XIX en Europa las carreteras se construan exclusivamente para la circulacin de animales de carga y carros de traccin animal, utilizando firmes de piedra partida. La carga de un animal a lomo poda llegar a 150 kg, mientras que la de un carro con traccin simple poda oscilar desde 500 6000 kg movindose a una velocidad de unos 10 km/h. En la segunda mitad de los aos 1920 se comienzan a acondicionar carreteras para la circulacin de automviles, dotndolas de tratamientos superficiales: mezclas bituminosas, hormigones y adoquinados. Tras la 1ra Guerra Mundial se difundi rpidamente en Europa el transporte de mercancas por carretera con vehculos de motor. Sin embargo estos vehculos tenan que circular por unas carreteras concebidas para velocidades de 10 km/h y carentes de un trazado refinado desde el punto de vista geomtrico cuando por ejemplo el modelo Hispano-suizo de 1906 con 40 caballos de vapor de potencia poda alcanzar los 100 km/h en terreno llano. Las disposiciones establecidas para la circulacin de vehculos han ido cambiando en el tiempo, aumentando las velocidades permitidas, el peso de vehculos y sus dimensiones; todo ello acompaado de cambios en sus caractersticas geomtricas. Se han introducido las curvas de transicin, han disminuido las pendientes longitudinales mximas admisibles, se han aumentado los radios de curvatura mnimos, y han variado las dimensiones de la seccin transversal, entre otros aspectos. Analicemos el caso de China, pas muy extenso, en desarrollo y con un crecimiento econmico de gran ritmo en los ltimos aos. El aumento de la red que integra todos los tipos de carreteras se ha comportado de la siguiente forma:



Ao Km 1980 920 000 1985 972 000 1990 1 032 000 1993 1 076 000 1996 1 150 00

Para una densidad de 0,115 km/km2 . En Espaa la densidad es de 0,6 km/ km2. El actual gobierno chino concede una gran importancia y ha dado prioridad al desarrollo de la infraestructura del transporte y especficamente a la red de carreras. Se ha intensificado la construccin de autopistas, impuesta por la demanda de un transporte rpido. No solo se ha logrado el aumento de 16 000 km. por ao sino que ya cuentan con 1 555 km de autopistas. Sin embargo puede decirse que una gran parte de las carreteras existentes deben reconstruirse por causa de deficientes caractersticas geomtricas y estructurales. 1.3. Factores que influyen en el diseo geomtrico de carreteras. El diseo geomtrico de carreteras tiene un carcter multifactorial, rebasando en campo puramente tcnico y llegando a constituir decisiones polticas que atienden a necesidades econmicas, sociales o estratgicas, que se tratarn en el tema referido a la planificacin vial. Los principales factores tcnicos que influyen en el diseo geomtrico de carreteras son: 1. Trnsito. 2. Topografa. 3. Suelos. 4. Drenaje. 5. Esttica (Paisaje e impacto ambiental) 6. Influencia de la va sobre la regin. 7. Radios de curvatura. 8. Visibilidad. Trnsito. Conocer el trnsito que va a circular por una va es un dato fundamental para proyectarla. El conocer el nmero total de vehculos, su tipo y distribucin en el tiempo permite determinar: Seccin transversal. Pendiente longitudinal mxima admisible. Ubicacin de carriles para marcha lenta o balsas de adelantamiento. Diseo del pavimento. Para lograr conocer el trnsito se recurre a los estudios de origen y destino y a los conteos manuales o electrnicos de los vehculos, los cuales permiten conocer: Trfico total del ao Trfico medio diario. Trfico horario. El trfico horario es el que se utiliza para determinar las caractersticas de la seccin transversal de la carretera. Es lgico que si para el diseo de la va se toma la intensidad horaria mxima,



la va estara subutilizada en todas las restantes horas del ao. Es por ello que como norma se toma para el diseo la hora 30 del ao, o sea aquella cuyo trfico slo se excede 30 veces en el ao. Este valor de la hora 30 se corresponde con un 12 18% del promedio anual de la intensidad diaria del trnsito. Es importante sealar que cuando se proyecta una va no debe hacerse slo para el trnsito actual sino prever el trnsito esperado en un plazo de 15-20 aos. O sea debe tenerse en cuenta el crecimiento o desarrollo de la zona as como un aumento del trfico generado por la propia construccin de la carretera. Topografa. El xito econmico de una carretera consiste en que la misma una los extremos previstos de forma tal que sea mnimo: - El recorrido - El movimiento de tierra necesario para alcanzar la cota de subrasantes del proyecto. Estas dos condiciones son difciles de aunar en un solo proyecto por lo que es objetivo del proyectista tomar las mayores ventajas de lo uno y lo otro. Esto hace necesario que el ingeniero domine el relieve del terreno observado en mapas y planos de la zona o mediante el estudio estereoscpico de fotografas areas de la regin. Las condiciones topogrficas de la regin es un factor muy importante al seleccionar la situacin del trazado y es la que primero se debe analizar para poder establecer diferentes alternativas entre los puntos a enlazar. Segn las condiciones topogrficas se pueden diferenciar tres tipos de trazado:

Trazado en valle Trazado por las divisorias de las aguas. Trazado perpendicular a la divisoria de las aguas. Trazado en valle: sigue el valle de un ro. Satisface en mayor medida las necesidades de la regin ya que generalmente las poblaciones e industrias se encuentran cercanas a los ros. Sin embargo necesita de gran cantidad de obras de arte para atravesar los numerosos arroyos. En causes muy seperteantes aumenta la longitud del trazado. Fig.1a. Trazado en valle.

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Trazado por la divisoria de las aguas: Se sita sobre la divisoria de las aguas. Presenta como ventajas un movimiento de tierra mnimo y reduce los problemas de drenaje pero resulta de un perfil muy ondulado. Fig.1b. Trazado por la divisoria de las aguas. Trazado perpendicular a la divisoria de las aguas: es el que presenta el trazado ms corto sin embargo su perfil es muy ondulado y conlleva a grandes movimientos de tierra. Generalmente dentro de un Proyecto se van conjugando los tres tipos de trazado en funcin de las caractersticas topogrficas de la zona. Fig. 1.c. Trazado perpendicular a la divisoria de las aguas. Suelos. Es necesario conocer las propiedades ingenieriles de los suelos por los que atravesar la va para evaluar su uso en la construccin de los terraplenes o sustituirlos por otros cuando no renan dichas propiedades.

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Las carreteras cubren un rea de construccin y una zona de emplazamiento cuyo ancho depende del tipo de va. Esta zona se mantiene improductiva a la agricultura por lo que siempre que sea posible la va debe atravesar terrenos improductivos desde el punto de vista agrcola. La Norma Peruana para el diseo de carreteras plantea que la faja de dominio o derecho de va dentro de la que se encuentra la carretera se extender hasta 5 metros ms all del borde de los cortes, del pie de los terraplenes o del borde ms alejado de las obras de drenaje que se construyan. En todo caso la faja de dominio no ser menor de:

20 metros en zonas en que sea necesario adquirir el terreno 50 metros de ancho en zonas en que el terreno sea de propiedad fiscal. Drenaje. Es uno de los elementos fundamentales para garantizar la vida til de la va prevista en el diseo. Por esto la superficie de la carretera se construye con cierto bombeo que permita evacuar el agua de lluvia que cae en su superficie hacia las cunetas laterales o bajos del terreno. Mediante la construccin de puentes y alcantarillas se logra canalizar las aguas a travs de la va sin que la misma erosione y se infiltre en los cimientos de la carretera. Por lo general, las grandes obras de fbrica son de un costo muy elevado en relacin con el presupuesto con que se cuenta para disear y construir la carretera, sin embargo, pueden en muchos casos ahorrar longitud del trazado y por lo tanto disminuir el costo total de la obra. Es un error la prctica usual de primero fijar la ubicacin del puente y despus obligar a que el trazado pase por l. El puente y el trazado deben estudiarse conjuntamente. Por razones de orden econmico, las estructuras oblicuas son ms costosas por sus mayores dimensiones. No obstante, no debe sacrificarse la viabilidad del camino por evitar una estructura oblicua, ya que los puentes con accesos difciles son muy peligrosos. En el XXII Semana de la Carretera celebrada en Espaa en Octubre de 1998 se plante entre sus conclusiones:

Los puentes y tneles son obras singulares de elevado costo, cuyo nmero y magnitud debe minimizarse, estudiando para ello cuantas alternativas de trazado sean compatibles con el conjunto de condicionantes que intervienen en la decisin.

Los puentes deben ser proyectados para asegurar a lo largo de toda su vida til las mismas condiciones de servicio y seguridad que el resto del itinerario de que formar parte.

La preocupacin por durabilidad debe ser constante. Con frecuencia un reducido costo adicional supone un incremento significativo de su vida til en buenas condiciones de explotacin, limitando los costos de mantenimiento. Paisaje e impacto ambiental. Antiguamente se daba poca importancia a la proyeccin del paisajismo que circundaba la va pues el objetivo principal de la carretera era comercial. Sin embargo en los momentos actuales la carretera no solo debe cumplir su funcin comercial, sino tambin ser fuente de cultura y turismo. Por eso en el trazado se deben tener en cuenta los elementos necesarios para que se pueda desarrollar una visin agradable, o un punto de observacin con poco sacrificio del costo o en la



longitud del trazado. Todas las disposiciones que se adopten para mejorar la apariencia y poder de observacin del paisaje circundante no deben ser escatimadas. Por otra parte, resulta necesario reducir al mnimo el impacto que las construcciones viales generan sobre el medio ambiente. Influencia de la va sobre la regin. La va no slo posibilita la entrada y salida de productos a la regin y desde la regin, sino que tambin es fuente de cultura y turismo. Siempre la construccin de una obra vial tiene un impacto positivo pues facilita las comunicaciones y el desarrollo social y cultural de la regin. Radio de curvatura. Siempre que sea posible es conveniente utilizar grados de curvatura pequeos, o sea, radios amplios, para que la transicin de un tramo recto a otro con diferente inclinacin se produzca de forma gradual. Para muchos conductores son preferibles las curvas de radios amplios a los tramos rectos muy largos, ya que estos producen monotona al conducir, incitando al automovilista a aumentar la velocidad, lo cual puede traducirse en fuente de accidentes. Se han realizado investigaciones sobre como influye el grado de curvatura en la seguridad de una carretera. Para ello se ha determinado el ndice de accidentes.

Indice de accidentes = # de accidentes en el ao # vehculos . km

Estados Unidos Grado de la curva Indice de accidentes

(por milln de vehculos, km) Menor de 10 58

10 58 - 30 16 Mayor de 30 16

2,19 3,97 6,18

Gran Bretaa Grado de la curva Indice de accidentes

(por milln de vehculos, km) Menor de 10 16

10 16 - 20 32 20 33 - 30 50 30 51 - 60 34

60 35 - 110 28 Mayor de 110 28

4,16 4,80 5,60 6,08

21,76 23,84

Visibilidad. Se precisa para que el conductor pueda tomar a tiempo las decisiones necesarias, que pueda ver los obstculos que presenta el camino, a una distancia tal que le permita evitarlo sin que ocurra algn tipo de accidente. Este problema es ms crtico en las curvas, tanto horizontales como verticales y por su importancia ser tratado a profundidad en la asignatura. Tambin es muy importante para el diseo de vas el conocimiento que tenga el proyectista sobre las especificaciones para:

El trazado en planta.



El trazado en elevacin. La coordinacin entre la planta y el perfil de la rasante de la va. 1.4. Estudios del trazado. El estudio del trazado de una va es siempre una cuestin delicada y compleja, dado el gran nmero de situaciones especficas que hay que tener en cuenta para su elaboracin por lo que incide directamente el buen juicio del proyectista, ya que la variante escogida ser resultado del ms exacto conocimiento del terreno, relieve, caractersticas geolgicas, geotcnicas, etc. adems deber tenerse en cuenta el servicio que presentar la va. La proyeccin de vas se puede dividir en dos grandes mtodos de acuerdo con la metodologa a seguir.

Trazado de mtodo clsico. Trazado de mtodo moderno.

Los mtodos a emplear en los proyectos estn relacionados con la longitud e importancia de la obra a proyectar y con la morfologa del terreno. La categora de los proyectos de carreteras vara desde trochas carrozables para trfico escaso y eventual hasta las grandes autopistas modernas que se proyectan para soportar un trfico de miles de vehculos por hora. Cuanto ms significativa es una obra se justifica el empleo de mtodos ms elaborados (modernos) utilizando aparatos de precisin para las mediciones, equipos automticos de dibujo y computadoras, dentro de un proceso de ajuste de los proyectos para lograr resultados tcnicos e econmicos favorables. 1.4.1. Etapas en el diseo de una Obra Vial. Las etapas fundamentales en el diseo de una obra vial pueden dividirse en:

Estudios tcnico econmicos de factibilidad. Estudios de Reconocimiento de Rutas. Estudios Preliminares. Estudios Definitivos de Ingeniera. Preparacin del expediente tcnico de licitacin. Licitacin de la obra proyectada. La decisin final de realizar un Proyecto Vial siempre es responsabilidad del Estado o de entidades pblicas regionales o locales, atendiendo a los costos que generan estas obras y por el efecto econmico y social que produce su construccin en la zona de su emplazamiento. Para iniciar el Diseo Geomtrico de una Va se fijan de antemano los Lugares de paso Obligado o determinantes Primario, que generalmente son poblaciones o centros de produccin Es tarea del ingeniero estudiar la forma ms conveniente de unir los lugares de paso Obligado con las diferentes posibilidades de Ruta que ofrece o permite el terreno, por su morfologa, geologa, caractersticas geotcnicas, drenaje, ubicacin de puentes, divisorias de las cuencas hidrogrficas, etc. hasta llegar a los detalles del proyecto definitivo segn la ruta escogida. Luego de definidos los Determinantes Primarios es necesario fijar las caractersticas esenciales referidas a la clase o categora del proyecto, o sea:

Nmero de carriles de circulacin. Ancho de las bermas. Velocidad directriz. Tipo de vehculo predominante



Pendiente longitudinal mxima admisible. Los estudios de ingeniera en su ejecucin van de lo extenso y genrico a lo especfico y detallado y corrientemente se dividen en las siguientes etapas:

Reconocimiento de Rutas. Estudio comparativo de Rutas para determinar la mejor opcin. Levantamientos topogrficos, por mtodos tradicionales o por aerofotografa, de la faja de terreno que contendr el eje del proyecto.

Anteproyecto: consiste en el trazado del eje, el proyecto de la subrasante, la obtencin de las secciones transversales, clculo de los volmenes de movimiento de tierra y de muros de sostenimiento.

Proyecto Tcnico: es la documentacin del proyecto definitivo con un alto grado de detalle para su correcta ejecucin. Reconocimiento de Rutas y estudios comparativos. Se le denomina Ruta a la franja de terreno de ancho variable que se extiende entre los puntos de Paso obligado por donde obligatoriamente debe pasar el trazado. Si el terreno es todo plano, la solucin de Ruta aparente es una faja estrecha de terreno cuyo eje es la recta que une los puntos extremos. Sin embargo es necesario observar si existen reas que deben evitarse, por ejemplo por ser pantanosas y tener en cuenta adems que los trazos rectos muy largos son pocos recomendables por el efecto de somnolencia que produce en los conductores de vehculos la monotona de tales tramos, a lo que se aade el efecto de deslumbramiento que producen en la noche los vehculos que transitan en sentido contrario. Cuanto ms accidentado y extenso sea el territorio entre los puntos a conectar con una va, ms aumentan las opciones de Ruta, que pueden estar ms o menos alejadas. Pueden existir lugares que halla que descartar el paso por ellos, como por ejemplo: laderas que presentan deslizamientos masivos activos o por ser un rea arqueolgica protegida. La eleccin de la Ruta es el paso ms importante en el proyecto de una carretera, una eleccin errada pude conducir a elevar el costo de la construccin, de mantenimiento y de operacin vehicular innecesariamente. El reconocimiento de Rutas puede dividirse en las siguientes etapas:

Recopilacin de la informacin disponible. Utilizacin de la informacin recopilada. Reconocimientos areos del terreno. Reconocimiento terrestre de la Ruta. En la recopilacin de la informacin disponible interviene:

Estudios viales anteriores. Cartas topogrficas. Levantamientos topogrficos. Fotografas areas. Estudios geolgicos, geotcnicos e hidrolgicos. En esta informacin es necesario ubicar los puntos obligados y zonas que deben ser excluidas. Del anlisis de esta informacin puede derivarse la necesidad de realizar vuelos aerofotogrficos en el rea de inters. Los vuelos de reconocimiento deben abarcar toda el rea sujeta a estudios de ruta y son necesarios en proyectos de cierta extensin e importancia.



A esta altura del trabajo generalmente se hacen evidentes las ventajas de una ruta con relacin a las dems o se tengan dos opciones mejores entre las que se debe escoger una. Si no existe una opcin de ruta claramente mejor que las dems, los reconocimientos terrestres de Ruta permitirn elegir acertadamente una de ellas ya que permiten observar detenidamente las fajas delimitadas en etapas anteriores y detectar aspectos que no fueron advertidos.



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