-89 - Profesor: José L. Reyes INGENIERÍA DE CARRETERAS

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Profesor: José L. Reyes

INGENIERÍA DE CARRETERAS

DISEÑO GEOMÉTRICO DEL CAMINO

Alineamiento Horizontal

Alineamiento Vertical

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El diseño geométrico está regido por la velocidad directriz que se define como:

“la máxima velocidad que se podrá mantener con seguridad sobre una

sección determinada de la carretera, cuando las circunstancias sean

favorable para que prevalezcan las condiciones de diseño”. La velocidad

directriz se determina mediante la demanda de tráfico, el tipo de terreno y la

clase de vía.

VELOCIDAD

DIRECTRIZ Alineamiento vertical

Secciones transversales

Alineamiento horizontal

• Tipo de vía

• Orografía

• Demanda

DISEÑO GEOMÉTRICO DEL CAMINO

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Estimación de la demanda

“El objetivo del estudio de la circulación es deducir las relaciones existentes

entre sus características (cantidad de vehículos que circulan por unidad de

tiempo y velocidad).

La acertada predicción del volumen de demanda, composición,

distribución y la evolución que esta variable puede experimentar a lo

largo de la vida útil de diseño es indispensable para seleccionar la

categoría de la vía.

La estimación de la demanda juega un papel importante en la estimación de

la velocidad de diseño de la carretera. Las condiciones de seguridad y

confort dependerán de la apropiada estimación de la demanda”.

Fuente: Cal y Mayor, 2000

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“Es el número de vehículos que pasan por un

punto o sección transversal, de un carril o de

una calzada durante un período de tiempo

determinado”

Características

Espaciales

• Ocupan un lugar

Temporales

• Consumen tiempo

• Varían constantemente

Fuente: Área transporte-PUCP


Volumen de tránsito

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Q = N/T

Q: volumen de tránsito

N: número de vehículos que pasan

T: período determinado (tiempo)

De acuerdo al valor que tome T, los volúmenes pueden ser:

• Tránsito anual (TA) T = 1 año

• Tránsito mensual (TM) T = 1 mes

• Tránsito semanal (TS) T = 1 semana

• Tránsito diario (TD) T = 1día

• Transito horario (TH) T = 1 hora

• Tasa de flujo o flujo (q), T < 1 hora

Volúmenes de tránsito

absolutos

Nota: no es necesario orden cronológico

Volumen de tránsito


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“Es el número total de vehículos que pasan durante un período dado

(en días completos) igual o menor a un año y mayor que un día”.

Dependiendo del período de recolección de datos puede ser:

• Tránsito promedio diario anual (TPDA) o IMDA

• Tránsito promedio diario mensual (TPDM)

• Tránsito promedio diario Semanal (TPDS)

TPDA = TA/365

TPDM = TM/30

TPDS = TS/7

Tránsito promedio diario


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TPDA

El valor del TPDA es un valor medio, que es usado en el análisis del tráfico

que circula. Pero es un valor medio que no representa muchas veces las

fluctuaciones del tráfico en el día, siendo superado muchas veces.

En caminos donde el tránsito es importante y presenta muchas variaciones,

no es el TPDA el que determina las características que deben otorgarse al

proyecto para prevenir problemas de congestión y ofrecer al usuario

condiciones de servicio aceptables. En estos casos se usa el Volumen

horario de diseño.

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VELOCIDAD

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Velocidad

Los vehículos viajan a

diferente velocidad y

generalmente no mantienen

una velocidad constante.

Existen diferentes velocidades definidas, de acuerdo a la finalidad que se

persiga (operación del transporte público, modelos teóricos de flujo vehicular,

etc). Tenemos: veloc. Instantánea, de recorrido, de marcha, espacial etc.

60 km/h

75 km/h

80 km/h

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Velocidad de recorrido

Es el resultado de dividir la distancia recorrida entre el tiempo total de viaje.

Es la velocidad de un vehículo a su paso por un determinado punto de una

carretera o calle.

Fuente: I.Cabrera

Velocidad instantánea

Fuente: Tyssatransito

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Velocidad media de recorrido

Para un grupo de vehículos es la suma de sus distancias recorridas dividida

entre la suma de los tiempos totales de viaje.

Velocidad de marcha

Conocida como velocidad de crucero; es resultado de dividir la distancia

recorrida entre el tiempo durante el cual el vehículo estuvo en movimiento. Es

mayor a la velocidad de recorrido.

Velocidad media de marcha

Se define como la razón entre la distancia total recorrida entre el tiempo total de

marcha de los vehículos

Cuando no se disponga de un estudio de velocidad de marcha, se tomarán como

valores teóricos los comprendidos entre el 85% y 95% de la velocidad de diseño.

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Diferencia entre Velocidad de Recorrido y Velocidad de Marcha:

La Velocidad de Recorrido toma todas aquellas demoras operacionales por

reducciones de velocidad y paradas en la vías, el tránsito y los dispositivos de

control, ajenos a la voluntad del conductor; y la Velocidad de Marcha descontará

del tiempo total de recorrido, todo aquel tiempo que el vehículo se hubiese

detenido, por cualquier causa.. Por lo tanto esta velocidad será de valor superior

a la de recorrido.

Fuente: Manual de diseño Geométrico DG-2001

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Velocidad de proyecto, diseño o velocidad directriz

Es la máxima velocidad a la cual pueden circular los vehículos con

seguridad sobre una vía cuando las condiciones atmosféricas y del

tránsito son favorables y las características geométricas del proyecto

gobiernan la circulación.

• categoría de la vía

• volúmenes de tránsito

• topografía

• disponibilidad de recursos

Depende de:

Los cambios repentinos en la velocidad de diseño a lo largo de una carretera

deberán ser evitados. Si se consideran cambios de velocidad éstos deberán

darse en tramos de longitud mínima de 2 km y entre tramos sucesivos no se

deben presentar diferencias en las velocidades de diseño superiores a los 20

km/h.

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VELOCIDAD DIRECTRIZ O DE DISEÑO

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El alineamiento horizontal está formado por la sucesión de tramos rectos

(tangentes) y tramos curvos. Los tramos curvos pueden ser curvas simples o

curvas compuestas, las cuales pueden ser unidas a los tramos tangentes

mediante curvas de transición (clotoides).

tangente Curva circular

Curva circular

Fuente: José Céspedes

DISEÑO GEOMETRICO DEL CAMINO

ALINEAMIENTO HORIZONTAL

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Fuente: AASHTO

Tangente

Curva de transición

Curva circular

Componentes

Fuente: Quintana y Altez

Fuente: AASHTO



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Las longitudes mínimas y máximas de los tramos en tangente dependerá de la

velocidad directriz y del tipo de alineación entre curvas y tangentes.

TRAMOS EN TANGENTE



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TRAMOS EN TANGENTE

Se busca eliminar problemas relacionados con el cansancio, deslumbramiento y

exceso de velocidad

Alineación recta entre alineaciones curvas con

radios de curvatura de sentido contrario

Lmin.s (m) = 1.39 Vd

Alineación recta entre alineaciones curvas

con radios de curvatura del mismo sentido

Lmin o (m) = 2.78 Vd

Longitud máxima

Lmáx (m) = 16.7 Vd

“Vd” en km/h


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Fuente: Adaptado de Manual de diseño Geométrico para carreteras DG-2001



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DISTANCIAS MINIMAS DE VISIBILIDAD

DISTANCIA DE VISIBILIDAD DE PARADA

Es la distancia mínima requerida para que se detenga un vehículo que viaja a

velocidad de diseño, antes de que alcance un objetivo inmóvil que se encuentra

en su trayectoria.

dpr = distancia recorrida durante el tiempo de percepción-reacción

df = distancia recorrida durante el tiempo de frenado

Dp = distancia de parada = dpr + df

> 0.15 m

1.15 m

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Distancia de percepción – reacción (dpr)

Depende de:

• La reacción natural del conductor (edad, habilidad)

• Visibilidad (clima).

• Características del objeto estacionario.

• Dependiendo de la situación y de las características del conductor, el tiempo

de percepción-reacción varía entre 0.5 y 4.0 segundos.

La distancia de visibilidad de parada es la suma de las distancias recorridas

durante los tiempos de percepción-reacción y frenado.

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Distancia de percepción – reacción (dpr)

La AASHTO recomienda un tiempo promedio de 2.5 segundos, y se considera

que la velocidad del vehículo (V0) se mantiene constante durante este tiempo.

dpr = V0(tpr)

3.6

tVd

pr0

pr dpr: distancia perecepción-reacción (m)

V0: velocidad de diseño (Km/h)

tpr: tiempo percepción-reacción (seg)

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Distancia de frenado (df)

Depende de: fricción entre el pavimento y las llantas, peso del vehículo, número

de ejes y tipo de pavimento.

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• Sin tomar en cuenta las resistencias al rodamiento, al aire y del motor se tiene

que:

Donde: V0 = velocidad al momento de aplicar los frenos

t = tiempo en recorrer la distancia df

a = tasa de deceleración

• También en movimiento uniformemente decelerado y cuando el vehículo se

detiene se sabe:

Vf=V0-at V0 = at t = V0/a

DISTANCIAS MINIMAS DE VISIBILIDAD DISTANCIA DE VISIBILIDAD DE PARADA


2

attVd

2

0f

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También se sabe que sobre el vehículo actúa una fuerza F=ma que debe ser

contrarrestada por otra igual a fin de detener el vehículo, denominada fuerza de

fricción longitudinal FL=fW

F=FL => ma = fW = fmg

=> a = fg

f: coeficiente de fricción longitudinal FL

F

W=mg

N

2a

V

2

a

Va

a

VVd

2

0

2

0

00f

Reemplazando t se obtiene:

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Reemplazando en la distancia de frenado, tenemos:

El coeficiente de fricción longitudinal f, depende de:

• Superficie de rodadura

• Rigidez de las llantas

• Deformación de las llantas

• Presión y temperatura de las llantas

2fg

Vd

2

0f

V0: (km/h)

df: (m) 254f

Vd

2

0f

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Finalmente:

254f

V

3.6

tVDp

2

0pr0

“f” no es constante. Los estudios realizados se hicieron sobre pavimento húmedo

y a diferentes velocidades iniciales.

Por ejemplo, en la siguiente tabla podemos ver como el coeficiente de fricción

longitudinal disminuye conforme aumenta la velocidad.

Dp: distancia parada (m)

V0: velocidad de diseño (Km/h)

tpr: tiempo percepción-reacción (seg)

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DISTANCIAS DE PARADA EN PAVIMENTO HUMEDO Y A NIVEL

(AASHTO)

La tabla muestra los coeficientes de fricción longitudinal relacionados a cada velocidad de

diseño.

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EFECTO DE LA PENDIENTE EN LA DISTANCIA DE VISIBILIDAD DE PARADA

a)

+ p%

- p%

b)

- El vehículo se considera viaja con V0 < Vd

- Las distancias de parada son más cortas

- El vehículo se considera viaja con V0 ≥ Vd

- Las distancias de parada son más largas

p: porcentaje dividido entre 100

p)254(f

V

3.6

tVDp

2

0pr0

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Figura 402.05 DG-2001


La distancia de parada “Dp” está expresada en metros.

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• Es la distancia mínima necesaria para que un vehículo pueda adelantar a otro

sin tener problemas con un tercer vehículo que viaja en sentido contrario.

• Se analiza considerando una calzada compuesta por dos carriles uno para

cada sentido de circulación.

• El análisis se realiza en 2 fases que incluyen las distancias d1, d2, d3 y d4.

DISTANCIA DE VISIBILIDAD DE SOBREPASO


d1 d2 d3 d4

1

1 1

3 3

2

- 124 -



d1 1/3 d2

d1

2/3 d2

d2 d3 d4

FASE 1

FASE 2



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d1: Es la distancia recorrida durante el tiempo de percepción reacción y la

aceleración inicial para alcanzar el punto de cambio de carril.



d1

1

1 2

Se ha estimado que el tiempo necesario para conseguir esta distancia varía de

3.7 a 4.3s y que la aceleración varía de 2.27 a 2.37 m/s2

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Donde:

t: tiempo de la maniobra inicial (s)

a: aceleración promedio (km/h/s)

v: Velocidad promedio del vehículo (km/h)

m: diferencia de velocidad entre el vehículo que sobrepasa y el adelantado

La expresión que permite calcular la distancia d1 es:



)2

atm0.278t(vd1

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d2: distancia recorrida por el vehículo que sobrepasa mientras ocupa el carril

izquierdo.



d1 1/3 d2

d1

2/3 d2

d2 d3 d4

FASE 1

FASE 2

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Se ha encontrado que el tiempo promedio que un vehículo ocupa el carril

izquierdo varía de 9.3 a 10.4 s.

El vehículo que adelanta tiene en promedio una velocidad de 15 km/ h mayor a

la del vehículo sobrepasado

La expresión que permite calcular la distancia d2 es:

Donde:

t: tiempo que el vehículo ocupa carril izquierdo (s)

v: velocidad promedio del vehículo (km/h)



0.278vtd2

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d3: distancia entre el vehículo que sobrepasa al final de su maniobra y el vehículo

que viaja en sentido contrario.

Se ha encontrado (AASHTO) que la distancia d3 varía de 30 a 90 m según la

velocidad



2/3 d2

d3 d4

FASE 2

90md330m

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d4: Distancia recorrida por el vehículo que viaja en sentido contrario

Se asume que el vehículo que adelanta y el que viaja en sentido contrario

tienen la misma velocidad.



2/3 d2

d3 d4

FASE 2

d23

2d4

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- Se necesitaría mayor distancia para sobrepasar

- La aceleración sería menor.

- Se necesitarían mayores tiempos.

- El vehículo en el carril contrario podría tener mayor

velocidad.

- Los vehículos sobrepasados usualmente son

camiones.

- La distancia necesaria para adelantar sería más corta.

- La velocidad y aceleración podrían ser mayores.

- El tiempo para sobrepasar seria menor.

- El vehiculo sobrepasado también podría acelerar.

EFECTO DE LA PENDIENTE EN LA DISTANCIA DE VISIBILIDAD DE SOBREPASO

+ p%

- p%

a)

b)



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Estas distancias de paso ya incluye la suma de las distancias d1, d2, d3, y d4 mencionadas anteriormente.



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• Cuando no existen impedimentos impuestos por el terreno y que se reflejan por

lo tanto en el costo de construcción, la visibilidad de paso debe asegurarse para

el mayor desarrollo posible del proyecto.

• Los sectores con visibilidad adecuada para adelantar deberán distribuirse lo más

homogéneamente posible a lo largo del trazado

• Se deberá evitar que se tengan sectores sin visibilidad de adelantamiento en

longitudes superiores a las de la Tabla 205.01, según la categoría de la

carretera.

Consideraciones:



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TABLA 205.01

LONGITUD MAXIMA SIN VISIBILIDAD DE ADELANTAMIENTO EN SECTORES CONFLICTIVOS

Fuente: adaptado de Manual de diseño Geométrico para carreteras DG-2001



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En un tramo de carretera de longitud superior a 5 Kms, emplazado en una

topografía dada, se procurará que los sectores con visibilidad adecuada para

adelantar, respecto del largo total del tramo, se mantengan dentro de los

porcentajes que se indican en la Tabla 205.02.

Fuente: adaptado de Manual de diseño Geométrico para carreteras DG-2001



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