Diseño geométrico de vías
Ingeniería Civil
Capítulo 2
Controles para el diseño geométrico
¿Qué voy a encontrar aquí?
¿Qué voy a encontrar aquí?
•
¿Cómo se escoge la velocidad de diseño?
–
¿Todos los elementos tienen la misma velocidad de diseño?
–
¿De qué manera la seguridad depende de la velocidad?
•
¿Cuáles son los vehículos de diseño?
–
¿Qué implica escoger un determinado vehículo de diseño?
•
¿Qué es distancia de visibilidad?
–
¿Qué es distancia de visibilidad de parada y cómo se calcula?
–
¿Qué es distancia de visibilidad de adelantamiento y cómo se
calcula?
–
¿Es verdad que no se debe adelantar en curva (horizontal)?
Velocidad
Velocidad
•
Velocidad puntual:
Es la velocidad de un vehículo a su paso por un punto de la
carretera en un instante dado.
•
Velocidad media temporal:
Es el promedio aritmético de la velocidad
puntual de un grupo de vehículos observados durante un intervalo de tiempo dado.
•
Velocidad media espacial:
Promedio aritmético de la velocidad puntual de
todos los vehículos que un instante determinado se encuentren en un tramo de carretera.
•
Velocidad de recorrido:
Ver capítulo 1.
•
Velocidad de marcha:
Ver capítulo 1.
•
Velocidad de diseño o de proyecto:
Aquella que se utiliza para
diseñar los elementos geométricos de la carretera.
•
Velocidad específica o de operación:
Se puede definir como la
velocidad que adopta la mayoría de los conductores al recorrer un elemento geométrico de
la carretera en particular [cuando se encuentran en condiciones de flujo libre].
Velocidad de diseño
Velocidad de diseño
•
Antes se definía la velocidad de diseño
como “la máxima velocidad segura y
cómoda que puede ser mantenida en un
tramo determinado de una vía, cuando
las condiciones son tan favorables, que
las características geométricas de la vía
predominan”. (1)
•
En la actualidad, se considera que la
velocidad de diseño es simplemente la
velocidad seleccionada para determinar
el diseño de los distintos elementos
geométricos de cada tramo de la vía. (2)
1. Cárdenas, James. Diseño geométrico de carreteras. Ecoe ediciones, 2005. p. 6. Esta definición
La velocidad de diseño determina las características de los elementos geométricos
Velocidad de diseño
Velocidad de diseño
•
Particularmente en Colombia la velocidad de
operación suele ser mayor a la de diseño. De
manera que no es adecuado considerar a una
velocidad superior a la de diseño como insegura
per se.
•
Si se tiene la posibilidad de realizar un estudio
de velocidad, un indicativo para escoger la de
diseño corresponde a aquella que sólo el 2% de
los conductores la supere. Dicho de otro modo,
que el 98% de ellos viaje, cuando mucho, a esa
velocidad.
•
Existe la tendencia a no utilizar velocidades de
diseño mayores a 120 km/h. (1)
•
En Colombia, nominalmente, la máxima
velocidad de diseño es de 110 km/h. Sin
embargo, es difícil encontrar carreteras
diseñadas para más de 90 km/h, pese a que el
1. Cal y Mayor, Rafael y Cárdenas, James.
Ingeniería de tránsito. Fundamentos y aplicaciones. Alfaomega, 2006. p. 221
Tramos homogéneos
Tramos homogéneos
•
Para que la vía sea
segura, la velocidad de
diseño debe ser lo más
estable posible. Para
lograrlo se escogen
tramos que, por su
topografía, presentan
condiciones homogéneas
que permiten asignarles
una misma velocidad de
diseño, la velocidad de
diseño del tramo
3 km
Longitud mínima para un tramo homogéneo cuando lavelocidad de diseño esté entre 20 km/h y 50 km/h
4 km
Longitud mínima para un tramo homogéneo cuando lavelocidad de diseño esté entre 60 km/h y 110 km/h
20 km/h
Máxima diferencia en la velocidad de diseño de dos
tramos homogéneos sucesivos
10 km/h
Máxima diferencia en la velocidad de diseño de dos
tramos homogéneos sucesivos, siempre y cuando las condiciones del
terreno exijan un tramo de menor longitud que la especificada más arriba
Velocidad de diseño del tramo
Velocidad de diseño del tramo
homogéneo (V
homogéneo (V
TR
TR
)
)
Tabla 2.1 del Manual de diseño geométrico de carreteras, INIVAS, 2008. p. 38
•
La velocidad de diseño del
tramo depende
primordialmente de:
–
El tipo de vía
–
El tipo de terreno
•
Pero también se escoge en
función de:
–
Servicio a ofrecer
–
Facilidades de financiamiento
–
Facilidades de acceso
–
Consideraciones ambientales
–
Volúmenes de tránsito
–
Usos del suelo, en especial la
Velocidad específica de los
Velocidad específica de los
elementos
elementos
•
Uno de los cambios
introducidos en la versión
2008 del Manual de
diseño geométrico de
carreteras del INVIAS
consiste en la evaluación
de una velocidad de
diseño diferente para
cada elemento de los que
integran el trazado de la
vía en planta y perfil.
La velocidad de diseño específica de un elemento de la carretera depende del valor que se haya seleccionado como velocidad de diseño del tramo homogéneo (VTR) y, particularmente, de la geometría
del trazado inmediatamente anterior al elemento considerado, teniendo en cuenta el sentido de circulación de los vehículos.
V
TR
+ 20 km/h
Máxima diferencia en la velocidad de diseño específica de un elemento y la velocidad de diseño del tramo homogéneo.
Velocidad específica de los
Velocidad específica de los
elementos en planta
elementos en planta
•
Velocidad específica de la curva horizontal (V
CH
)
–
Está en función de:
•
La velocidad de diseño del tramo en el que se encuentra la curva
(V
TR
)
•
El sentido de circulación
•
La velocidad específica de la curva horizontal anterior
•
La longitud del segmento recto anterior
–
Se entiende por segmento recto la distancia entre el PT de la curva
anterior y el PC de la analizada, o entre los puntos medios de las
espirales si las curvas son espiralizadas.
Velocidad específica de los
Velocidad específica de los
elementos en planta
elementos en planta
•
Velocidad específica de la
curva horizontal (V
CH
)
–
Según el manual de diseño del
INVIAS (2008), se pueden
presentar cinco situaciones
cuando un conductor se
acerca a una curva horizontal:
•
Caso 1: La longitud del
segmento recto es muy corta
y el conductor juzga que no
tiene tiempo suficiente para
obtener plena claridad sobre
la curva siguiente, por lo tanto,
no modifica su velocidad.
En este caso 1 la velocidad específica de la curva
horizontal (V
CH) analizada debe ser igual a la de
la curva horizontal inmediatamente anterior (en el
sentido de circulación).
Velocidad específica de los
Velocidad específica de los
elementos en planta
elementos en planta
•
Velocidad específica de la
curva horizontal (V
CH
)
•
Caso 2: La longitud del
segmento recto es
relativamente corta (el
conductor percibe que la
curva está muy cerca). Si el
ángulo de deflexión de la
curva es menor a 45° el
conductor tiene una noción
razonablemente clara de la
situación. En consecuencia,
no modifica su velocidad.
En este caso 2 la velocidad específica de la curva
horizontal (V
CH) analizada debe ser igual a la de
la curva horizontal inmediatamente anterior (en el
sentido de circulación).
Velocidad específica de los
Velocidad específica de los
elementos en planta
elementos en planta
•
Velocidad específica de la
curva horizontal (V
CH
)
•
Caso 3: La longitud del
segmento recto es
relativamente corta (el
conductor percibe que la
curva está muy cerca). Si el
ángulo de deflexión de la
curva es mayor o igual a 45°
el conductor tiene una noción
incierta del trazado que sigue.
En consecuencia, reduce su
velocidad al aproximarse a la
curva.
En este caso 3 la velocidad específica de la curva
horizontal (V
CH) analizada debe ser 10 km/h
menor a la de la curva horizontal inmediatamente
anterior (en el sentido de circulación).
Velocidad específica de los
Velocidad específica de los
elementos en planta
elementos en planta
•
Velocidad específica de la
curva horizontal (V
CH
)
•
Caso 4: La longitud del
segmento recto es
suficientemente larga para
que los conductores
incrementen su velocidad al
salir de la curva anterior. Sin
embargo, no hay suficiente
tiempo para que el incremento
sea drástico.
En este caso 4 la velocidad específica de la curva
horizontal (V
CH) analizada debe ser 10 km/h
mayor a la de la curva horizontal inmediatamente
anterior (en el sentido de circulación).
Velocidad específica de los
Velocidad específica de los
elementos en planta
elementos en planta
•
Velocidad específica de la
curva horizontal (V
CH
)
•
Caso 5: El segmento recto
presenta una longitud
relativamente larga, suficiente
para que los conductores
decidan aumentar la velocidad
20 km/h por encima de la
velocidad de diseño del tramo
homogéneo (V
TR
) al que
pertenecen las curvas
horizontales.
En este caso 5 la velocidad específica de la curva
horizontal (V
CH) analizada debe ser 20 km/h
mayor a la velocidad de diseño del tramo
homogéneo (V
TR)
Velocidad específica de los
Velocidad específica de los
elementos en planta
elementos en planta
•
Velocidad específica de la curva horizontal (V
CH
)
Velocidad específica de los
Velocidad específica de los
elementos en planta
elementos en planta
•
Velocidad específica de la
entretangencia horizontal
(V
ETH
)
–
La entretangencia horizontal es
el espacio que existe entre dos
curvas horizontales sucesivas
(similar al segmento recto del
que se venía hablando).
–
La velocidad específica de la
entretangencia horizontal (V
ETH
)
debe ser la mayor de las
velocidades específicas de las
curvas horizontales (V
CH
) que
Velocidad específica de los
Velocidad específica de los
elementos en perfil
elementos en perfil
•
Velocidad específica de la
curva vertical (V
CV
)
–
Si la curva vertical coincide
con una curva horizontal,
V
CV
debe ser igual a V
CH
–
Si la curva vertical está
localizada dentro de una
entretangencia horizontal,
V
CV
debe ser igual a V
ETH
•
Velocidad específica de la
tangente vertical (V
TV
)
–
Debe ser igual a la
velocidad de la
¿Para que sirven las anteriores
¿Para que sirven las anteriores
velocidades?
velocidades?
•
Velocidad de diseño del tramo homogéneo (V
TR)
–
Determina las velocidades de diseño específicas de los elementos y guía de
manera general el diseño de cada tramo.
•
Velocidad de la curva horizontal (V
CH)
–
Sirve como parámetro para determinar el radio, el peralte, el sobreancho y la
longitud de las espirales.
–
Determina la distancia de visibilidad de parada y adelantamiento.
•
Velocidad de la entretangencia horizontal (V
ETH)
–
Determina la distancia de visibilidad de parada y adelantamiento.
•
Velocidad de la curva vertical (V
CV)
–
Sirve como parámetro de cálculo para la longitud de la curva vertical y la
distancia de visibilidad de parada y adelantamiento.
Consistencia en el diseño
Consistencia en el diseño
•
El diseño consistente se logra cuando la velocidad de diseño
de todos los tramos y elementos ha sido escogida de manera
apropiada.
•
Así se garantiza que los conductores no deberán cambiar su
velocidad de operación bruscamente obligados por las
características geométricas de la carretera.
•
Lo anterior se traduce en seguridad, es decir, menos
accidentes, menos heridos, menos muertes, menos daños a la
propiedad.
•
Lo ideal es que todos los elementos tuvieran la misma
velocidad de diseño (y que fuera igual a V
TR
).
•
Los criterios explicados para escoger las velocidades
¿Cómo controlar la velocidad?
¿Cómo controlar la velocidad?
•
La mejor manera:
–
Con el diseño
(self-enforcement)
•
Una manera eficaz para
sitios críticos:
–
Con dispositivos de control
•
La medida menos eficaz:
–
Limitaciones legales
•
Una que es eficaz, pero
limitada en el tiempo y el
espacio:
Si la desviación estándar de las velocidades tomadas en una carretera en determinado periodo de tiempo es pequeña (es decir, todos los vehículos viajan casi a la misma velocidad) se disminuirían
las probabilidades de accidentes cuya causa esté asociada a la velocidad. Esta es la razón por la cual en algunos sitios existen
Vehículo de diseño
Vehículo de diseño
•
El vehículo de diseño es
aquel que sea representativo
de todos los vehículos que
puedan circular por la vía.
•
El vehículo de diseño
determina buena parte de las
dimensiones de la vía.
•
La selección del vehículo de
diseño debe corresponderse
con la composición vehicular
que arroje el estudio de
proyección de tránsito.
Cuando se trata de intersecciones la elección del vehículo de diseño es crucial, especialmente porque determina el
Vehículo de diseño
Vehículo de diseño
•
En Colombia se distinguen
dos tipos de vehículos:
–
Vehículos livianos: Aquellos
con una capacidad de carga
menor a 5 toneladas
(automóviles, camionetas,
camperos).
–
Vehículos pesados: Los que
puedan soportar más de 5
toneladas (buses y camiones).
Pese a que, en la mayoría de carreteras, los vehículos ligeros son más numerosos que los pesados, es necesario tener en cuenta estos últimos para determinar dimensiones en la sección transversal de la vía. Los vehículos ligeros, en
cambio, suelen ser más determinantes en el diseño de
Vehículo de diseño
Vehículo de diseño
•
Se consideran 6 categorías de vehículos dentro de los
tres tipos mencionados:
Tabla 2.4 del Manual de diseño geométrico de carreteras. INVIAS, 2008.
Tabla 2.5 del Manual de diseño geométrico de carreteras. INVIAS, 2008. Dimensiones principales de los vehículos de diseño
Vehículo liviano
Bus mediano
Bus grande
Camión C2
Camión C3
Camión C3S2
Distancia de visibilidad
Distancia de visibilidad
•
La distancia de visibilidad se
define como “la longitud de
carretera continua que es visible
hacia adelante por el conductor
de un vehículo que circula por
ella” (INVIAS, 2008).
•
Existen varias distancias de
visibilidad que se deben tener en
cuenta según las características
de la carretera:
–
De parada (Dp)
–
De adelantamiento (Da)
–
De cruce (Dc)
Distancia de visibilidad de
Distancia de visibilidad de
parada (Dp)
parada (Dp)
•
Es la distancia necesaria
para que el conductor de
un vehículo pueda
detenerlo por completo
ante la presencia de un
obstáculo en la vía.
•
La distancia de visibilidad
de parada se debe
garantizar en todos los
tramos y elementos de la
carretera, de acuerdo a la
velocidad específica de
cada uno.
•
Distancia de percepción-reacción
–
La que transcurre durante el tiempo de
percepción-reacción (PIEV), es decir,
desde el momento en el que el
obstáculo es visible al conductor hasta
que este aplica los frenos. Se asume
un movimiento uniforme a velocidad
constante.
•
Distancia de frenado
–
La que se recorre mientras el vehículo
se detiene por completo, desde el inicio
de la aplicación de los frenos. Se
asume un movimiento uniformemente
acelerado.
D
PIEV=
V
e
t
PIEV
d=
V
i 2−
V
f22a
d=
V
i 2−
V
2f2g
a
g
±
p
Distancia de visibilidad de
Distancia de visibilidad de
parada (Dp)
parada (Dp)
•
Un tiempo PIEV de 2,5 s
recoge la reacción de la
mayoría de conductores.
•
Una tasa de deceleración
de 3,4 m/s² garantiza una
frenada cómoda y segura
para la mayoría de
conductores y vehículos.
•
La velocidad final, desde
luego, es nula.
•
Distancia PIEV (D
PIEV
):
•
Distancia de frenado (d):
•
Distancia de visibilidad de
parada (Dp):
D
PIEV=
V
e
2,5 s
3,6
km/ h
m / s
=
0,695 V
ed =
V
e2
1 m/ s
3,6 km /h
229,81 m/ s
2[
3,4 m/ s
29,81 m/ s
2±
p]
=
V
e 22540,347± p
Dp = 0,695 Ve
Ve
2254 0,347±p
Dp: Distancia de visibilidad de parada en m Ve: Velocidad específica del elemento en
análisis en km/h
Distancia de visibilidad de
Distancia de visibilidad de
adelantamiento (Da)
adelantamiento (Da)
•
Corresponde a la
distancia de visibilidad
necesaria para que un
vehículo pueda
sobrepasar a otro de
manera segura, sin
interferir con un tercer
vehículo que circule en
sentido contrario.
•
Sólo se considera en
carreteras de dos carriles,
dos sentidos.
Tomado del Manual de diseño geométrico de carreteras, INVIAS, 2008.
De acuerdo a estudios realizados por la AASHTO, la maniobra de adelantamiento se puede dividir en cuatro fases, agrupadas de manera general en dos etapas. A cada
una de las fases le corresponde una distancia. Por consiguiente, la distancia de visibilidad de adelantamiento
Distancia de visibilidad de
Distancia de visibilidad de
adelantamiento (Da)
adelantamiento (Da)
Durante la Fase 1 el conductor del vehículo que adelanta toma la decisión de realizar la
d
1=
0,278 t
1
V −m
a⋅t
12
d1: Distancia recorrida durante la fase 1 expresada en metros
t1: Tiempo de la maniobra durante la fase 1 en segundos
V: Velocidad del vehículo que adelanta en km/h
m: Diferencia entre las velocidades del vehículo que adelanta y el adelantado. Se asume que m = 15 km/h
a: Aceleración que el vehículo necesita para iniciar la maniobra de
Distancia de visibilidad de
Distancia de visibilidad de
adelantamiento (Da)
adelantamiento (Da)
En la Fase 2 el vehículo que adelanta utiliza el carril opuesto para sobrepasar otro vehículo y, una vez lo juzgue seguro, regresar a su carril.
d
2=
0,278 t
2⋅
V
d2: Distancia recorrida durante la fase 2 expresada en metros
t2: Tiempo de la maniobra durante la fase 1 en segundos
V: Velocidad del vehículo que adelanta en km/h
Distancia de visibilidad de
Distancia de visibilidad de
adelantramiento (Da)
adelantramiento (Da)
La Fase 3 se corresponde con una distancia de seguridad que debe guardarse entre el
d
3= [30 m , 90 m]
d3: Distancia de seguridad entre el vehículo que adelanta y el que circula en sentido contrario. Fluctúa entre 30 m y 90 m en función de la velocidad de la maniobra.
d
4=
3
2
d
2d4: Distancia que recorre el vehículo que circula en sentido contrario. Se considera igual a dos tercios de d2 porque si el vehículo que adelanta no alcanza a superar esa longitud mientras se aproxima el vehículo que viene frente a él, generalmente suspende la maniobra y retorna a su carril.
