Consideraciones generales

De la investigación y experiencia acumulada se establecieron los valores límite del peralte (emáx) y demanda de fricción lateral (fmáx) para diseñar la curva. El uso de estos valores límite establecidos en la fórmula básica permite determinar la curva de radio mínimo de cur- va para diferentes velocidades directrices. El uso de curvas con radios más grandes que este mínimo permite que el peralte, la fricción lateral, o ambas cosas, tengan valores inferio- res a sus límites respectivos. La cantidad en la que cada factor está por debajo de su límite respectivo se elige para dar una contribución equitativa de cada factor hacia el mantenimien- to de la aceleración lateral resultante. Son varios los métodos utilizados para obtener esta equidad para situaciones diferentes de diseño.

Peralte

Hay límites superiores prácticos del peralte de una curva horizontal, los cuales se refieren a consideraciones de clima, construcción, uso de la tierra adyacente, y la frecuencia de los vehículos lentos. Donde la nieve y el hielo son un factor, el peralte no debe exceder el valor al cual un vehículo detenido o de baja velocidad se deslice hacia el centro de la curva con pavimento helado. A velocidades más altas, el fenómeno de hidroplaneo parcial puede pro- ducirse en curvas con mal drenaje que permitan la acumulación de agua de lluvia en la su- perficie del pavimento. Por lo general el deslizamiento ocurre en las ruedas traseras, cuando el efecto lubricante de la película de agua reduce la fricción disponible lateral por debajo de la demanda de fricción para las curvas.

Cuando se viaja lentamente alrededor de una curva con peralte alto se desarrollan fuerzas laterales negativas y el vehículo sólo se mantiene en la trayectoria correcta cuando el con- ductor presiona el volante hacia arriba, en contra del sentido de la curva horizontal. Volan- tear en tal sentido le parece antinatural al conductor y puede explicar la dificultad de con- ducción en caminos donde el peralte supera al necesario como para viajar a velocidades normales. Estos peraltes altos no son deseables en los caminos de alto volumen, como en las zonas urbanas y suburbanas, donde hay numerosas ocasiones en que las velocidades de los vehículos deben reducirse sustancialmente por el volumen de tránsito u otras condi- ciones.

Algunos vehículos tienen centros de gravedad altos y algunos coches de pasajeros están suspendidos libremente sobre sus ejes. Cuando estos vehículos viajan lentos en pendientes transversales fuertes, los neumáticos cuesta abajo (interiores de la curva) llevan un alto por- centaje del peso del vehículo, y pueden volcar si esta condición se vuelve extrema.

Estas consideraciones y las razones para establecer un peralte máximo adecuado para el diseño de las curvas horizontales se tratan en detalle en la subsección sobre “Peralte máxi- mo en calles y caminos” de la Sección 3.3.3.

vehículo tiende a ser ligeramente mayor que la predicha por el producto fg debido a ángulo de balanceo de la carrocería del vehículo.

Con la amplia variación de la velocidad de los vehículos en las curvas, por lo general hay una fuerza desequilibrada así la curva esté peraltada o no. Esta fuerza da lugar al empuje lateral del neumático, que se ve contrarrestado por la fricción entre los neumáticos y la su- perficie del pavimento. Esta contrafuerza friccional es desarrollada por la distorsión de la zona de contacto del neumático.

El coeficiente de fricción f es la fuerza de fricción dividida por el componente del peso per- pendicular a la superficie del pavimento, y se expresa como una simplificación de la fórmula de curva básica de la Ecuación 3-6. El valor del producto ef en esta fórmula es siempre pe- queño. Como resultado, el término 1 – 0.01ef es casi igual a 1. y normalmente se lo omite en el diseño vial; así se obtiene la ecuación básica de la fricción lateral:

(3.7)

Esta ecuación se conoce como la fórmula simplificada de curva y resulta en valores ligera- mente más grandes (más conservadores) de la estimación de la demanda de fricción lateral que la que se obtendría mediante la fórmula básica de curva.

El coeficiente f fue llamado relación lateral, relación de giro, relación centrífuga desequilibra- da, factor de fricción, y factor de fricción lateral. Debido a su uso generalizado, aquí se usa el término “factor de fricción lateral”. El límite superior del factor de fricción lateral es el punto en el que el neumático empieza a patinar, lo que se conoce como punto de desliza- miento inminente. Debido a que las curvas viales se diseñan para que los vehículos puedan evitar el deslizamiento con un margen de seguridad, los valores f utilizados en el diseño de- ben ser sustancialmente menores que el coeficiente de fricción de deslizamiento inminente. El factor de fricción lateral en deslizamiento inminente depende de un número de otros facto- res, entre los cuales los más importantes son la velocidad del vehículo, el tipo y condición de la superficie de la calzada, y el tipo y condición de los neumáticos del vehículo. Diferentes observadores registraron diferentes factores máximos de fricción lateral a la misma veloci- dad para pavimentos de composición similar, y lógicamente es así debido a la variabilidad inherente a la textura de los pavimentos, las condiciones meteorológicas y el estado de los neumáticos. En general, los estudios muestran que los factores de máxima fricción lateral desarrollada entre neumáticos nuevos y pavimentos de hormigón húmedos varían desde alrededor de 0.5 a 30 km/h hasta alrededor de 0.35 a 100 km/h. Para condiciones similares y neumáticos lisos, el factor de fricción lateral máximo en deslizamiento inminente es de aproximadamente 0.35 a 70 km/h.

En todos los casos, los estudios muestran una disminución de los valores de fricción lateral al aumentar la velocidad (46. 47. 60).

Las curvas horizontales no deben diseñarse directamente sobre la base del máximo factor de fricción lateral disponible. Más bien, el factor de fricción lateral máxima utilizada en el diseño debe ser la parte de la fricción lateral máxima disponible que se puede utilizar con comodidad, y sin probabilidad de deslizamiento por la gran mayoría de los conductores. Los niveles de fricción lateral de pavimentos vidriosos, sangrados, o de otra forma carentes de razonables propiedades antideslizantes no deben controlar el diseño, porque tales condicio- nes son evitables, y el diseño geométrico debe basarse superficies de pavimento en condi- ciones aceptables, alcanzables a costo razonable.

Al diseñar las curvas horizontales, una consideración clave en la selección de los factores máximos de fricción lateral es el nivel de aceleración lateral suficiente para que los conduc- tores experimenten una sensación de incomodidad y reaccionen instintivamente para evitar una mayor velocidad. La velocidad en una curva en la que el malestar debido a la acelera- ción lateral es evidente para los conductores se utiliza como un control de diseño para el factor de fricción lateral máxima a alta velocidad. A bajas velocidades, los conductores son más tolerantes al malestar, permitiendo así el empleo de una mayor cantidad de fricción lateral al diseñar las curvas horizontales.

Los grupos de investigación, organismos y departamentos viales locales y estatales usaron ampliamente el indicador de inclinación ball-bank como una medida uniforme de la acelera- ción lateral al establecer las velocidades en curvas que evitan la incomodidad del conductor. Se compone de una bola de acero en un tubo de vidrio sellado; excepto por el efecto de amortiguación del líquido en el tubo, la bola puede rodar libremente. Su simplicidad de cons- trucción y operación condujo a la aceptación generalizada como guía para determinar velo- cidades adecuadas de curva.

Con un dispositivo montado en un vehículo en movimiento, la lectura del ball-bank en cualquier momento es indicativa del efecto combinado de balanceo de la carrocería, el ángulo de aceleración lateral, y peralte, como se muestra en la Figura 3-3.

Figura 3-3. Geometría para el indicador Ball-

En una serie de pruebas definitivas (47) se concluyó que las velocidades en las curvas que evitan la incomodidad del conductor se indican mediante lecturas del ball-bank de 14 grados para velocidades de 30 km/h o menos, 12 grados para velocidades de 40 y 50 km/h, y 10 grados para velocidades de 55 a 80 km/h. Estas lecturas son indicativas de los factores de fricción lateral de 0.21, 0.18, y 0.15, respectivamente, para los ángulos de balanceo de la carrocería de prueba y dan un amplio margen de seguridad contra el deslizamiento o vuelco del vehículo.

De otras pruebas (11) se recomienda un factor de fricción lateral máxima de 0.16 para velo- cidades de hasta 100 km/h. Para velocidades más altas se recomienda la reducción incre- mental de este factor. Los estudios de velocidad en la autopista Pennsylvania Turnpike (60) llevaron a la conclusión de que el factor de fricción lateral no debe exceder de 0.10 para velocidades directrices de 110 km/h y superiores. Un estudio reciente (13) reexaminó los resultados anteriores y analizó nuevos datos recogidos en numerosas curvas horizontales. Los factores de demanda de fricción desarrollados en este estudio son generalmente cohe- rentes con los factores de fricción lateral anteriores.

Un acelerómetro electrónico es una alternativa del indicador ball-bank para determinar las velocidades aconsejadas (advisory speeds) en curvas horizontales y ramas; es un dispositi- vo electrónico sensible a la gravedad que puede medir fuerzas y aceleraciones laterales experimentadas por los conductores al atravesar una curva (20).

Bajo condiciones de demanda de alta fricción, otros factores influyen sobre el conductor al elegir la velocidad. Para evitar involuntarias violaciones de la línea divisoria de carril las des- viaciones se vuelven perceptibles, aumenta el ángulo de deriva y se necesita mayor esfuer- zo en el volante. En estas condiciones, el abocinamiento de visión se angosta y es acompa- ñada por un creciente sentido concentración e intensidad considerado indeseable por la ma- yoría de los conductores. Estos factores son más evidentes para un conductor bajo condi- ciones del camino abierto.

De ser posible, los factores de máxima fricción utilizados en el diseño deben ser conserva- dores para pavimentos secos y dar un amplio margen de seguridad frente al deslizamiento o vuelco en pavimentos húmedos, o con hielo o nieve. Para estas condiciones, la necesidad de pavimentos de superficies antideslizantes no se puede exagerar porque superpuesta a las demandas de fricción resultantes de la geometría vial son las que resultan de las manio- bras de conducción, tales como frenado, cambios repentinos de carril, y cambios menores de dirección en un carril. En estas maniobras de corto plazo puede existir una demanda de alta fricción, pero el umbral de molestia no puede ser percibido a tiempo como para que el conductor tome medidas correctivas.

Figura 3-4 resume los resultados de las pruebas en relación con factores de fricción lateral recomendados para diseñar curvas. A pesar de algunas diferencias en los resultados de las pruebas, todos están de acuerdo en que el factor de fricción lateral debería ser menor para alta velocidad directriz, que para baja. Un estudio reciente (13) se reafirmó la pertinencia de estos factores de fricción lateral.

Figura 3-4. Factores de fricción lateral para calles y caminos de alta velocidad

Los factores de fricción lateral máximos admisibles de calles y caminos de baja velocidad se muestran en la Figura 3-5. Para viajar en curvas más cerradas es necesario peraltar. Las curvas se basan en varios estudios (14. 16. 23) realizados para determinar el factor de fric- ción lateral para curvas de intersecciones de baja velocidad. Se usó una velocidad de curva del 95º percentil, ya que representa cerca del 85º percentil de la velocidad en recta, y da un margen razonable de seguridad contra el deslizamiento (13). Estas curvas también se apro- ximaron a los valores supuestos de baja velocidad directriz urbana basada en la comodidad del conductor. Las curvas dan un margen adecuado de seguridad contra deslizamiento y una limitación económica en el peralte.

Figura 3-5. Factores de fricción lateral para calles y caminos de baja velocidad

Los factores de fricción lateral varían con la velocidad directriz de 0.40 a 15 km/h a aproximadamente 0.15 a 70 km/h, con 70 km/h siendo el límite superior para la baja veloci- dad establecida en la discusión sobre velocidad directriz, Sección 2.3.6. En la Figura 3-6 se refieren valores del factor de fricción lateral recomendados para diseñar las curvas.

Figura 3-6. Factores de fricción lateral asu- mida para el diseño

Método 2 – La fricción lateral es tal que un vehículo que viaja a la velocidad directriz tiene