criterios de diseÑo, seguridad y operaciÓn …

CRITERIOS DE DISEÑO, SEGURIDAD Y OPERACIÓN GEOMÉTRICO EN EL DISEÑO VERTICAL DE CARRETERAS. ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE LOS MANUALES DEL INVIAS (COLOMBIA), MINISTERIO DE FOMENTO (ESPAÑA) Y

AASHTO (EE.UU.)

DAYAN SMITH MONTOYA CORREA

20141032015

VICTOR JULIO GARRIDO MURILLO

20132032015

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIOAMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

INGENIERÍA TOPOGRÁFICA BOGOTÁ D.C., COLOMBIA

2020

CRITERIOS DE DISEÑO, SEGURIDAD Y OPERACIÓN GEOMÉTRICO EN EL DISEÑO VERTICAL DE CARRETERAS. ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE LOS MANUALES DEL INVIAS (COLOMBIA), MINISTERIO DE FOMENTO (ESPAÑA) Y

AASHTO (EE.UU.)

DAYAN SMITH MONTOYA CORREA 20141032015

VICTOR JULIO GARRIDO MURILLO 20132032015

MONOGRAFÍA PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO TOPOGRÁFICO

DIRECTOR Ing. MARIO ARTURO RINCON VILLALBA Msc.

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIOAMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

INGENIERÍA TOPOGRÁFICA BOGOTÁ D.C., COLOMBIA

2020

3

DEDICATORIA

El presente trabajo va dedicado en primera instancia a Dios, por permitirme llevar una vida en la que puedo alcanzar cada una de mis metas y en donde mis sueños se vuelven alcanzables con el paso del tiempo, A mi abuela Sofia Rodríguez por brindarme las herramientas básicas en mi desarrollo personal, por su compañía en cada uno de mis pasos y por el apoyo incondicional, por cada una de esas palabras de aliento que enmarcaron mi vida, a mi padre Edgar Montoya por enseñarme que las cosas se consiguen con esfuerzo y la importancia de trabajar duro, por último, a toda mi familia por su compañía en el transcurso de mi vida personal y profesional.

Dayan Smith Montoya Correa

Este trabajo va dedicado a mi madre Cecilia Murillo y a mi padre Julio Garrido quienes me han brindado todo su apoyo y me invitaban a superarme cada día, a mi hermana Deisy Garrido quién me enseñó que con esfuerzo y dedicación se puede llegar tan alto como uno quiera, a mis hermanos Jessica, Jeyson, John y Bairo quienes siempre me han brindado palabras de aliento y su apoyo incondicional.

Victor Julio Garrido Murillo

4

AGRADECIMIENTOS

Quisiéramos comenzar agradeciéndole a Dios por darnos la oportunidad de terminar nuestros estudios de pregrado y por brindarnos estos últimos años llenos de bendiciones, a nuestros padres y familiares que han hecho parte de este gran mérito, por ser los principales promotores de nuestras metas con la compañía incondicional en cada paso a lo largo de nuestra vida, entregándonos las bases necesarias para llegar a este momento tan esperado por nosotros, a ellos, nuestros más grandes agradecimientos y respeto.

A nuestros amigos que se convirtieron en familia por su apoyo, y por las enseñanzas que nos brindaron a lo largo de la carrera, por aportarnos conocimientos no solo a nivel académico sino mostrarnos la importancia de un verdadero equipo de trabajo, en donde el apoyo se convierte en los cimientos para avanzar y mejorar tanto como sea posible. a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por hacernos participes de tan prestigiosa educación.

Agradecerle al Ing. Mario Rincón Villalba director de tesis por su paciencia, disponibilidad y generosidad para compartir su experiencia y amplio conocimiento sobre el diseño geométrico de vías estudiado en este trabajo, y a todos los docentes de Ingeniería Topográfica quienes, con su esfuerzo, nos proporcionan las herramientas adecuadas para desenvolvernos en la vida profesional.

5

CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 14

2. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN ........................................................... 15

3. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ...................................................................... 16

4. OBJETIVOS .................................................................................................... 17

4.1. Objetivo general ........................................................................................ 17

4.2. Objetivos específicos ................................................................................ 17

5. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 18

5.1. Diseño geométrico .................................................................................... 18

5.1.1. Alineamiento vertical ............................................................................. 18

5.1.2. Curvas verticales ................................................................................... 19

6. TRADUCCIÓN DEL ALINEAMIENTO VERTICAL (AASHTO) ....................... 23

7. COMPARACIÓN ............................................................................................. 95

8. ANÁLISIS DE LA COMPARACIÓN .............................................................. 113

8.1. Tangente vertical .................................................................................... 113

8.1.1. Pendiente Máxima ............................................................................ 113

8.1.2. Longitud Mínima ............................................................................... 120

8.1.3. Longitud Critica ................................................................................ 120

8.1.4. Carriles Adicionales y rampas de escape. ....................................... 123

8.1.5. Pendientes en Túneles ..................................................................... 130

8.2. Curvas verticales .................................................................................... 131

8.2.1. Tipo de Curva ................................................................................... 131

8.2.2. Elementos Geométricos de la Curva Vertical ................................... 133

8.2.3. Longitud de la Curva Vertical ........................................................... 138

8.2.4. Longitud Mínima ............................................................................... 139

8.2.5. Longitud Máxima .............................................................................. 144

8.2.6. Distancia de Visibilidad Bajo Estructuras ......................................... 145

9. ANOTACIONES AL INVIAS .......................................................................... 149

9.1. Rampas de escape ................................................................................. 149

9.2. Clasificación de vías ............................................................................... 152

9.2.1. Caminos recreacionales ................................................................... 152

6

9.3. Longitud critica ........................................................................................ 152

9.4. Carriles adicionales ................................................................................ 152

10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................. 158

REFERENCIAS ................................................................................................... 160

7

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Elementos de la curva vertical. ............................................................... 20

Figura 2. Tipos de curvas verticales convexas. ..................................................... 21

Figura 3. Tipos de curvas verticales cóncavas. ..................................................... 22

Figura 4. Curvas velocidad - distancia para un camión típico de 120 kg/kW para desaceleración en subidas. ............................................................................ 25

Figura 5. Curvas velocidad - distancia de aceleración de un camión típico de 120 kg/kW en subidas y bajadas ........................................................................... 26

Figura 6. Curvas de velocidad - distancia para un vehículo recreacional típico en subidas seleccionadas. ................................................................................... 28

Figura 7. Índice de involucramiento en choques de camiones, para los cuales se reducen las velocidades de marcha por debajo de la velocidad media de marcha de todo el tránsito. ............................................................................. 30

Figura 8. Longitudes críticas de pendientes de diseño, camión típico supuesto de 120 kg/kW, velocidad de entrada = 110 km/h. ................................................ 34

Figura 9. Longitudes críticas de pendientes para una velocidad al aproximarse a la subida de 90 km/h para vehículo recreacional típico. ..................................... 34

Figura 10. Carriles de ascenso en carreteras de dos carriles. ............................... 37

Figura 11. Carril de ascenso en autopistas y carreteras multicarriles .................... 46

Figura 12. Sección de carriles de adelantamiento en carreteras de dos carriles. .. 48

Figura 13. Esquema para calzada 2 + 1. ............................................................... 52

Figura 14. Esquema para la intersección de tres tramos en una calzada 2 + 1. .... 53

Figura 15. Esquema para la intersección de cuatro patas en una calzada 2+1. .... 54

Figura 16. Esquema de los conos de perdida de carril adyacentes en una calzada 2 + 1. ............................................................................................................... 55

Figura 17. Esquema de los conos de adición de carril adyacentes en una calzada 2 + 1. ............................................................................................................... 55

8

Figura 18. Fuerzas que actúan sobre un vehículo en movimiento. ........................ 60

Figura 19. Tipos básicos de rampas de escape de emergencia. ........................... 65

Figura 20. Rampa de escape típica. ...................................................................... 71

Figura 21. Tipos de curvas verticales. ................................................................... 74

Figura 22. Parámetros considerados en la determinación de la longitud de curva vertical convexa, Curva para proporcionar distancia de visibilidad. ................ 77

Figura 23. Controles de diseño para curvas verticales convexas: condiciones en carretera abierta. ............................................................................................ 79

Figura 24. Controles de diseño para curvas verticales cóncavas: condiciones de carretera abierta. ............................................................................................ 87

Figura 25. Distancia de visibilidad en cruces subterráneos. .................................. 91

Figura 26. Efecto de las pendientes en los vehículos con relación peso/potencia de 150 kg/HP. .................................................................................................... 121

Figura 27. Longitudes críticas de pendientes de diseño, camión típico supuesto de 120 kg/Kw. .................................................................................................... 122

Figura 28. Carriles de ascenso en carreteras de dos carriles. ............................. 124

Figura 29. Sección de carriles de adelantamiento en carreteras de dos carriles. 124

Figura 30. Esquema para calzada 2 + 1. ............................................................. 124

Figura 31. Fuerzas que actúan sobre un vehículo en movimiento. ...................... 126

Figura 32. Carril adicional para circulación rápida ............................................... 127

Figura 33. Carril adicional para circulación lenta. ................................................ 128

Figura 34. Carril adicional para adelantamiento con la zona cebreada reducida. 128

Figura 35. Apartadero de emergencia. ................................................................ 128

Figura 36. Apartadero de revisión y control de vehículos pesados. ..................... 129

Figura 37. Lechos de frenado. ............................................................................. 130

9

Figura 38. Tipos de curvas verticales convexas. ................................................. 131

Figura 39. Tipos de curvas verticales cóncavas. ................................................. 131

Figura 40. Tipos de curvas verticales simétricas. ................................................ 132

Figura 41. Tipos de curvas verticales asimétricas. .............................................. 132

Figura 42. Acuerdos verticales 1. ......................................................................... 133

Figura 43. Acuerdos verticales 2. ......................................................................... 133

Figura 44. Elementos de la curva vertical simétrica. ............................................ 134



Figura 47. Elementos de la curva vertical asimétrica. .......................................... 137

Figura 48. Distancia de visibilidad bajo estructuras. ............................................ 145

Figura 49. Distancia de visibilidad bajo estructuras. ............................................ 147

Figura 50. Rampa de escape de gravedad. ......................................................... 149

Figura 51. Rampa de escape pila de arena. ........................................................ 150

Figura 52. Rampa de escape lecho de detención. ............................................... 151

Figura 53. Índice de involucramiento en choques de camiones, para los cuales se reducen las velocidades de marcha por debajo de la velocidad media de marcha de todo el tránsito. ........................................................................... 153

Figura 54. Carriles de ascenso en carreteras de dos carriles. ............................. 153

Figura 55. Sección de carriles de adelantamiento en carreteras de dos carriles. 155

Figura 56. Esquema para calzada 2 + 1. ............................................................. 155

Figura 57. Apartadero de emergencia ................................................................. 156

Figura 58. Apartadero para revisión y control de vehículos pesados. .................. 157

10

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Longitudes óptimas del carril de adelantamiento para la eficiencia operativa del tráfico. ....................................................................................... 51

Tabla 2. Longitudes recomendadas de apartaderos, incluido el abocinamiento. ... 57

Tabla 3. Resistencia a la rodadura de los materiales de revestimiento de carreteras. ....................................................................................................... 62

Tabla 4. Controles de diseño para curvas verticales convexas basadas en la distancia de visibilidad de frenado. ................................................................. 81

Tabla 5. Controles de diseño para curvas verticales convexas basadas en la distancia de visibilidad de adelantamiento. ..................................................... 84

Tabla 6. Controles de diseño para curvas verticales cóncavas. ............................ 90

Tabla 7. Tabla comparativa entre los manuales INVIAS, AASHTO y FOMENTO. 95

Tabla 8. Relación entre la pendiente máxima (%) y la Velocidad Específica de la tangente vertical (VTV). ................................................................................ 113

Tabla 9. Pendiente máxima para caminos rurales locales. .................................. 114

Tabla 10. Pendientes máximas de caminos recreacionales. ............................... 115

Tabla 11. Pendiente máxima para colectores rurales. ......................................... 115

Tabla 12. Pendiente máxima para colectores urbanos. ....................................... 116

Tabla 13. Pendiente máxima para arterias rurales. ............................................. 117

Tabla 14. Pendiente máxima para arterias urbanas. ........................................... 117

Tabla 15. Pendiente máxima para autopistas rurales y urbanas. ........................ 118

Tabla 16. Pendiente máxima para autopistas y autovías. .................................... 119

Tabla 17. Pendiente máxima para carreteras convencionales y carreteras multicarril. ..................................................................................................... 119

Tabla 18. Longitudes recomendadas de apartaderos incluyendo abocinamiento.125

11

GLOSARIO

Bombeo: Pendiente transversal en las entretangencias horizontales de la vía, que tiene por objeto facilitar el escurrimiento superficial del agua. Está pendiente, va generalmente del eje hacia los bordes.

Curva vertical: Curvas utilizadas para empalmar dos tramos de pendientes constantes determinadas, con el fin de suavizar la transición de una pendiente a otra en el movimiento vertical de los vehículos; permiten la seguridad, comodidad y la mejor apariencia de la vía. Casi siempre se usan arcos parabólicos porque producen un cambio constante de la pendiente.

Diseño perfil: Proyección del eje real o espacial de la vía sobre una superficie vertical paralela al mismo.

Diseño de la sección transversal: Definición de la ubicación y dimensiones de los elementos que forman la carretera, y su relación con el terreno natural, en cada punto de ella sobre una sección normal al alineamiento horizontal.

Línea de pendiente: Es aquella línea que, pasando por los puntos obligados del proyecto, conserva la pendiente uniforme especificada y que, de coincidir con el eje de la vía, los cortes y los terraplenes serían mínimos, razón por la cual también se le conoce con el nombre de línea de ceros.

Pendiente transversal del terreno: Corresponde a las inclinaciones naturales del terreno, medidas en el sentido transversal del eje de la vía.

Rasante: Es la proyección vertical del desarrollo del eje de la superficie de rodadura de la vía.

Subrasante: Superficie especialmente acondicionada sobre la cual se apoya la estructura del pavimento.

Tangente vertical: Tramos rectos del eje del alineamiento vertical, los cuales están enlazados entre sí por curvas verticales.

Velocidad de diseño: Velocidad guía o de referencia de un tramo homogéneo de carretera, que permite definir las características geométricas mínimas de todos los elementos del trazado, en condiciones de seguridad y comodidad.

Visibilidad: Condición que debe ofrecer el proyecto de una carretera al conductor de un vehículo de poder ver hacia delante la distancia suficiente para realizar una circulación segura y eficiente.

12

Apartaderos: Es una berma ampliada que permita a los vehículos lentos salir del carril para dar oportunidad de adelantamiento a otros vehículos.

Berma: Fajas comprendidas entre los bordes de la calzada y las cunetas. Sirven de confinamiento lateral de la superficie de rodadura, controlan la humedad y las posibles erosiones de la calzada.

MUTCD: Manual sobre dispositivos uniformes de control de tráfico.

HCM: Manual de capacidad de la carretera.

FHWA: Administración Federal de Carreteras.

NCHRP: Programa Nacional de Investigación de Carreteras Cooperativas.

13

RESUMEN

En este trabajo se pretende realizar la comparación de tres manuales de diseño de carreteras en el componente geométrico vertical, Manual de Diseño Geométrico de Carreteras 2008 del Instituto Nacional de Vías de Colombia, A Policy on Geometric Desing of Highways and Streets 2011 de American Association of State Highway and Transportation Officials de Estados Unidos y la Norma 3.1-IC Trazado de la Instrucción de Carreteras 2016 del Ministerio de Fomento, para este fin, se realiza la traducción del capítulo de diseño vertical de la norma A Policy on Geometric Desing of Highways and Streets al idioma español y a partir de ello, realizar un cuadro comparativo donde se vean reflejados los criterios de diseño, seguridad y operación en el trazado vertical. Con el fin de encontrar falencias en el manual de Diseño Geométrico de Carreteras 2008 para modificar o adicionar criterios y/o elementos que mejoren la experiencia del usuario.

ABSTRACT

This project aims to make a comparison of three highway design manuals in the vertical geometric component, Manual de Diseño Geométrico de Carreteras 2008 from Instituto Nacional de Vías de Colombia, A Policy on Geometric Desing of Highways and Streets 2011 from American Association of State Highway and Transportation Officials of the United States and la Norma 3.1-IC Trazado de la Instrucción de Carreteras 2016 from Fomento Ministry, for this purpose, is make translate of the vertical design chapter of the standard A Policy on Geometric Desing of Highways and Streets to the Spanish language and, from there, make a comparative table where the design, safety and operation criteria are reflected in the vertical desing. to find shortcomings in the Manual de Diseño Geométrico de Carreteras 2008 to modify or add criteria and/or elements that improve the user experience.

14

1. INTRODUCCIÓN

“En la definición de diseño geométrico de carreteras, este se concibe como el proceso de correlación entre sus elementos físicos y las características de operación de los vehículos automotores, mediante el uso de las matemáticas, la física y la geometría”. (Leclair, 2004)

La modernización y armonización de las normatividades técnicas en los manuales viales que son la base para el diseño de carreteras en el país han presentado una leve mejoría con respecto a los manuales internacionales más destacados del mismo tema en cuestión. Lo que implica hacer muy difícil comparar la infraestructura local con algunas de los países más avanzados.

Es por ello que el tener las pautas y requerimientos geométricos apropiados según cada normatividad avalada en cada nación según las características orográficas es sin duda alguna uno de los criterios más apropiados que puedan establecer el cumplimiento y el desarrollo vital de este tipo de estructuras que a medida del aumento en la demanda se hace más necesario cumplir parámetros de eficiencia, seguridad y operación.

Es por esto que en la presente monografía realiza la comparación de tres manuales de diseño de carreteras en el componente geométrico vertical, habiendo el Manual de Diseño Geométrico de Carreteras del Instituto Nacional de Vías de Colombia 2008 (INVIAS ahora en adelante), A Policy on Geometric Desing of Highways and Streets de AASHTO de Estados Unidos 2011 (AASHTO ahora en adelante) y la Norma 3.1-IC Trazado, de la Instrucción de Carreteras 2016 (FOMENTO ahora en adelante). Donde se determine las ausencias e inconsistencias que se presenta en la normatividad colombiana con respecto a las otras dos normas de referencia, de tal forma que los autores de la monografía puedan relacionar algunas recomendaciones al respecto.

La información del manual AASHTO, se presenta con información en unidades del sistema internacional y el sistema inglés, de ahora en adelante se van a presentar solo unidades del sistema internacional.

15

2. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN

Aunque bien no se encuentra un antecedente similar al cual trata el presente trabajo, se puede mencionar el documento realizado por López y Trujillo (López & Trujillo, 2012) titulado: “Análisis comparativo del diseño geométrico del trayecto 6 (t6_1, t6_2 y t6_4) de la concesión variante Rumichaca - Pasto - Chachagüi - aeropuerto referenciado a la normatividad vigente”. En donde el trabajo tenía como objetivo realizar una comparación de un diseño a nivel geométrico elaborado por DEVINAR SA del trayecto de una carretera en el departamento de Nariño con base en el manual del INVIAS del año 1998 y el diseño que se pudo haber contemplado con el manual de la misma entidad del año 2008 contemplando los parámetros que componen el diseño geométrico.

Desde luego el diseño geométrico vertical en una carretera de cualquier clasificación es uno de los parámetros de mayor importancia, y la utilización de los correctos estándares de acuerdo a los parámetros establecidos por los manuales civiles nacionales permiten mantener la funcionalidad, seguridad y eficiencia del constante crecimiento del tránsito sobre el terreno en el cual se demanda tal estructura. Conforme a lo anteriormente mencionado cabe adicionar la dificultad que en algunas ocasiones resulta efectuar este diseño en los terrenos del país que en su gran mayoría se compone de grandes extensiones montañosas. Es por esto que ante la falta de actualización e incluso de apropiación de métodos y normativas más efectivas para hacer tal diseño se ha convertido en una de las puestas más complicadas en la infraestructura vial colombiana, y frente al marco del constante crecimiento y densificación poblacional lo que implica la adquisición de vehículos por parte de los habitantes se hace necesario el establecimiento de vías con mejores condiciones en donde se contemple mejores factores de diseño como lo son la velocidad, visibilidad, uniformidad, entre otros, que se puedan llevar a cabo en la topografía existente.

Frente a esto, las normativas no han sido reguladas y actualizadas frente a la modernidad que otras si presentan y que son capaces de establecer parámetros eficaces frente a la demanda de la movilidad vial. Por consiguiente, esta monografía estipula la concepción de brindar anotaciones teóricas en el “Diseño geométrico vertical”.

Por esta razón, otros referentes teóricos bibliográficos que se tomaran en la realización del documento son la norma AASHTO de los Estados Unidos, que a través tiempo ha sido una guía base para la gran mayoría de los países Latinoamericanos y europeos debido a su aplicabilidad y funcionalidad y la norma 3.1 I.C Fomento del gobierno español donde sus criterios han sido ejemplo y base para las guías de otras naciones de habla hispana.

16

3. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

Dentro del marco de desarrollo de una nación el aspecto vial es uno de los factores más importantes a la hora de medir el progreso económico, tecnológico y social de un país, es por esto que el tener un marco normativo apropiado, actualizado y funcional promueve un buen manejo y empleo en este tema.

Dado que en este contexto el desarrollo de las vías en la nación colombiana ha sido uno de los aspectos más complicados a desarrollar debido a las condiciones de la variabilidad de los terrenos y su aplicación en las condiciones geométricas verticales las cuales no en todos los casos se pueden adaptar debido a lo que se estipulan en los manuales nacionales. Por ende, es necesario ante el crecimiento poblacional y el impulso en las mejoras geométricas dados los estándares internacionales que las normativas nacionales adapten nuevas condiciones y/o parámetros que faciliten y promuevan un tratamiento más detallado del diseño geométrico vertical que se hace tan especial por la versatilidad de los de terrenos y que se adapten a mejorar el trazado de las carreteras.

Por consiguiente, se necesita elaborar un balance en el componente geométrico vertical del manual nacional avalado frente a otros manuales internacionales de gran importancia.

Es por ello que el presente documento tiene como fin recopilar información de los tres manuales del INIVIAS, AASHTO y FOMENTO para realizar un análisis comparativo en cuanto al diseño geométrico vertical de carreteras.

17

4. OBJETIVOS

4.1. Objetivo general

Realizar el análisis comparativo de los criterios de diseño, seguridad y operación geométricos en el diseño vertical de carreteras, entre los manuales del INVIAS (Colombia), ministerio de FOMENTO (España) y AASHTO (EE.UU.).

4.2. Objetivos específicos

• Realizar la traducción del capítulo de diseño vertical de la norma A Policy on Geometric Desing of Highways and Streets al idioma español.

• Comparar el Manual de Diseño Geométrico de Carreteras, A Policy on Geometric Desing of Highways and Streets y la Norma 3.1-IC Trazado, de la Instrucción de Carreteras en lo que refiere al diseño geométrico vertical.

• Analizar la información del diseño geométrico vertical de carreteras del Manual de Diseño Geométrico de Carreteras, de la Norma 3.1-IC Trazado, de la Instrucción de Carreteras y de A Policy on Geometric Desing of Highways and Streets.

• Elaborar anotaciones sugiriendo cambios o adiciones de elementos y/o criterios del diseño vertical que permitan una mejora en el manual colombiano de Diseño Geométrico de Carreteras.

18

5. MARCO TEÓRICO

5.1. Diseño geométrico

Se encarga de determinar las características geométricas de una vía a partir de factores como el tránsito, topografía, velocidades, de modo que se pueda circular de una manera cómoda y segura. Se compone por tres elementos bidimensionales que se ejecutan de manera individual, pero dependiendo unos de otros, y que al unirlos finalmente se obtiene un elemento tridimensional que corresponde a la vía propiamente, y son1:

✓ Alineamiento Horizontal: Compuesto por ángulos y distancias formando un plano horizontal con coordenadas norte y este.

✓ Alineamiento vertical: Compuesto por distancias horizontales y pendientes dando lugar a un plano vertical con abscisas y cotas.

✓ Diseño transversal: Constan de distancias horizontales y verticales que a su vez generan un plano transversal con distancias y cotas. (Agudelo, 2002).

5.1.1. Alineamiento vertical

Tangentes

Las tangentes son las rectas enlazadas por curvas verticales, se caracterizan por su longitud y pendiente, medida por la relación entre el desnivel y la distancia entre dos de sus puntos llamados PIV que son la intersección entre dos tangentes continuas. (Instituto Nacional de Vías, 2008)

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. (Instituto Nacional de Vías, 2008)

1 (Agudelo, 2002, págs. 43-44)

19

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, en donde la necesidad de minimizar los movimientos de tierra y pobre superficie de rodadura son las condiciones dominantes. (Instituto Nacional de Vías, 2008)

5.1.2. Curvas verticales

Las curvas verticales son las que enlazan dos tangentes consecutivas del alineamiento vertical para que, en su longitud, se efectué el paso gradual de la pendiente de la tangente de entrada a la de la tangente de salida. Deben dar por resultado una vía de operación segura y confortable, con apariencia agradable y características de drenaje adecuadas. El punto común de una tangente y una curva vertical al inicio de esta, se representa como PCV y como PTV el punto común de la tangente y la curva al final de esta. Al punto de intersección de dos tangentes consecutivas se les denomina PIV, y a la diferencia algebraica de pendientes en ese punto se les representa por la letra A. Las curvas verticales pueden ser cóncavas o convexas. (Gonzáles Vergara, Rincón Villalba, & Vargas Vargas, Diseño geométrico de vías, 2012).

El drenaje del pavimento en curvas verticales requiere que en curvas convexas la longitud máxima no sea muy alta y cause que en la parte central quede plana la superficie dificultando el drenaje. (Instituto Nacional de Vías, 2008).

20

Figura 1. Elementos de la curva vertical.

Fuente: (Instituto Nacional de Vías, 2008)

PCV: Principio de la curva vertical

PIV: Punto de intersección de las tangentes verticales.

PTV: Final de la curva vertical.

S₁: Pendiente de la tangente de entrada.

S₂: Pendiente de la tangente de salida.

L₁: Longitud de la primera rama.

L₂: Longitud de la segunda rama.

L: Longitud de la curva vertical.

A: Diferencia algebraica de pendientes.

E: Externa.

x₁: Distancia horizontal a cualquier punto de la primera rama de la curva medida desde el PCV.

x₂: Distancia horizontal a cualquier punto de la segunda rama de la curva medida desde el PTV.

y₁: Ordenada vertical en cualquier punto de la primera rama medida desde el PCV.

21

y₂: Ordenada vertical en cualquier punto de la segunda rama medida desde el PTV.

Longitud mínima de curvas convexa

La longitud mínima de estas curvas se determina con base en la distancia de visibilidad, estas curvas permiten tener distancias de visibilidad demasiado grandes, esta longitud también logra que no haya cambios bruscos de pendientes proporcionando adecuada estética y apariencia. Por último, este criterio se encuentra relacionado principalmente con la velocidad especifica de proyecto. (Instituto Nacional de Vías, 2008)

Figura 2. Tipos de curvas verticales convexas.


Longitud mínima de curvas cóncava

Se reconocen criterios para establecer las longitudes de curvas verticales en curvas cóncavas: a) Criterio de seguridad b) Criterio de drenaje.

Según el criterio de seguridad se debe tener en cuenta la distancia de visibilidad y para esta uno de los factores importantes es la altura de las luces del automóvil, este valor es tomado como 0.6 m, también se tiene en cuenta el ángulo de divergencia de los rayos de luz del faro y la diferencia algebraica de pendientes en porcentaje.

Por otro lado, está el criterio de operación el cual proporciona una longitud mínima de la curva a partir de la velocidad especifica del proyecto y utilizando el mismo criterio que en curvas convexas. (Instituto Nacional de Vías, 2008)

22

Figura 3. Tipos de curvas verticales cóncavas.


23

6. TRADUCCIÓN DEL ALINEAMIENTO VERTICAL (AASHTO)

Alineamiento vertical

Terreno

La topografía del terreno transversal influye en el alineamiento de carreteras y calles. La topografía afecta el alineamiento horizontal, pero tiene un efecto aún más pronunciado en el alineamiento vertical. Para caracterizar las variaciones en la topografía, los ingenieros generalmente lo separan en tres clasificaciones de acuerdo con el terreno: plano, ondulado y montañoso.

En terrenos planos las distancias de visibilidad en las carreteras, que se rigen por restricciones horizontales y verticales, son generalmente largas o pueden hacerse sin dificultades de construcción o gastos mayores.

En terrenos ondulados, las pendientes naturales constantemente suben y bajan con respecto al nivel de la carretera o calle, y las pendientes pronunciadas ocasionales limitan los alineamientos horizontal y vertical.

En terrenos montañosos, los cambios longitudinales y transversales en la elevación del suelo con respecto a la carretera o la calle son abruptos, y con frecuencia se necesitan rellenos y excavaciones laterales para obtener una alineación horizontal y vertical aceptable.

Las clasificaciones de terreno pertenecen a las características generales de un corredor específico. Las rutas en valles, pasos o áreas montañosas que tienen todas las características de caminos o calles que atraviesan terrenos planos u ondulados deben clasificarse como planas u onduladas. En general, el terreno ondulado genera pendientes más pronunciadas que el terreno plano, lo que hace que los camiones reduzcan las velocidades por debajo de las de los automóviles; El terreno montañoso tiene efectos aún mayores, haciendo que algunos camiones operen a velocidades de arrastre.

Pendientes

Las carreteras y calles deben estar diseñadas para fomentar la operación uniforme en todo momento. Como se discutió en las Secciones 2.3.6 (Velocidad), 3.2 (Distancia de Visibilidad) y 3.3 (Alineamiento horizontal) del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011), las velocidades de diseño se utilizan como un medio para este fin mediante la correlación de varias características geométricas de la carretera o calle. Se han determinado los criterios de diseño para muchas características de la carretera, pero se sabe poco sobre la relación apropiada de las pendientes con la velocidad de diseño. En esta sección

24

se presentan las características de operación del vehículo en pendientes y las relaciones establecidas de pendientes y sus longitudes con la velocidad de diseño.

Características de operación del vehículo en las pendientes

Automóviles: Las prácticas de los conductores de automóviles en las pendientes varían enormemente, pero generalmente se acepta que casi todos los automóviles pueden maniobrar fácilmente pendientes tan pronunciadas como del 4 al 5 por ciento sin una pérdida apreciable de velocidad por debajo de la que normalmente se mantiene en carreteras planas. La pérdida de velocidad puede ser más pronunciada para automóviles con altas relaciones peso/potencia, incluidos algunos automóviles compactos y subcompactos.

Los estudios muestran que, en condiciones no congestionadas, la operación en una subida del 3 por ciento tiene solo un ligero efecto en las velocidades de los automóviles en comparación con las operaciones en terrenos planos. En las subidas más pronunciadas, las velocidades disminuyen progresivamente con el aumento de la pendiente. En las bajadas, las velocidades de los automóviles generalmente son un poco más altas que en las secciones planas.

Camiones: El efecto de las pendientes en las velocidades de los camiones es mucho más pronunciado que en las velocidades de los automóviles. La velocidad promedio de los camiones en las secciones planas de la carretera se aproxima a la velocidad promedio de los automóviles. Los camiones generalmente aumentan la velocidad hasta en un 5 por ciento en las bajadas y disminuyen la velocidad en un 7 por ciento o más en las subidas en comparación con su operación en terrenos planos. En las subidas, la velocidad máxima que puede mantener un camión depende principalmente de la longitud, la inclinación de la pendiente y la relación peso/potencia del camión, que es el peso bruto del vehículo dividido por la potencia neta del motor. Otros factores que afectan la velocidad promedio del camión en una pendiente son la velocidad de entrada, la resistencia aerodinámica y la habilidad del conductor. Los dos últimos factores causan solo variaciones menores en la velocidad promedio en la pendiente.

Se han realizado amplios estudios sobre el rendimiento de los camiones para determinar los efectos separados y combinados en la pendiente de la carretera, el esfuerzo de tracción y el peso bruto del vehículo.

El efecto de la velocidad y la longitud de la pendiente sobre la velocidad de un camión pesado típico se muestra en las Figuras 4 y 5. De la Figura 4 se puede determinar qué tan lejos un camión, comenzando su ascenso desde cualquier velocidad hasta aproximadamente 120 km/h, recorre varias pendientes o combinaciones de pendientes antes de alcanzar una velocidad determinada o uniforme. Por ejemplo, con una velocidad de entrada de aproximadamente 110

25

km/h, el camión recorre aproximadamente 950 m hasta una pendiente del 6 por ciento antes de que su velocidad se reduzca a 60 km/h. Si la velocidad de entrada es de 60 km/h, la velocidad al final de una subida de 300 m es de aproximadamente 43 km/h. Esto se determina comenzando en la curva para una pendiente del 6 por ciento correspondiente a 60 km/h para la cual la distancia es de 750 m, y avanzando a lo largo del punto donde la distancia es de 300 m más, o 1 050 m, para los cuales la velocidad es de aproximadamente 43 km/h. La Figura 4 muestra el rendimiento de un camión que se aproxima a la pendiente a una velocidad de arrastre o menos. El camión puede acelerar a una velocidad de 40 km/h o más solo en pendientes de menos del 3.5 por ciento. Estos datos sirven como una guía valiosa para el diseño al evaluar el efecto de los camiones en la operación del tráfico para un conjunto dado de condiciones de perfil.

Figura 4. Curvas velocidad - distancia para un camión típico de 120 kg/kW para desaceleración en subidas.

Fuente: (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011)

26

Figura 5. Curvas velocidad - distancia de aceleración de un camión típico de 120 kg/kW en subidas y bajadas


El tiempo de viaje (y, por lo tanto, la velocidad) de los camiones en pendientes está directamente relacionado con la relación peso/potencia. Los camiones con la misma relación peso/potencia suelen tener características de funcionamiento similares. Por lo tanto, esta relación es de gran ayuda para anticipar el rendimiento de los camiones. Normalmente, la relación peso/potencia se expresa en términos de peso bruto y potencia neta, en unidades de kg/kW; Mientras que la unidad métrica kg es una unidad de masa, en lugar de peso, se usa comúnmente para representar el peso del objeto. Se ha encontrado que los camiones con relaciones peso/potencia de aproximadamente 120 kg/kW tienen características operativas aceptables desde el punto de vista del usuario en la autopista. Tal relación peso/potencia debería proporcionar una velocidad mínima de aproximadamente 60 km/h en una subida del 3 por ciento. Existe evidencia de que la industria automotriz considera que una relación peso/potencia de esta magnitud es aceptable como un objetivo mínimo en el diseño de vehículos comerciales. También hay evidencia de que los operadores de transporte están reconociendo voluntariamente esta relación como el control

27

mínimo de rendimiento en las cargas colocadas en camiones de diferente potencia, el resultado general es que la relación peso/potencia de los camiones en las carreteras ha mejorado en los últimos años. Las proporciones desarrolladas a partir de la información obtenida junto con los estudios de rendimiento de frenos a nivel nacional realizados entre 1949 y 1985 muestran, por ejemplo, que, para un peso bruto del vehículo de 18 000 kg, la relación peso/potencia promedio disminuyó de aproximadamente 220 kg/kW en 1949, a aproximadamente 130 kg/kW en 1975; la relación peso/potencia continuó cayendo a aproximadamente 80 kg/kW en 1985. Esta relación peso/potencia disminuida, significa mayor potencia y mejor capacidad de escalada para los camiones en las subidas.

Hay una tendencia hacia camiones más grandes y pesados con hasta tres unidades de remolque permitidas en ciertas carreteras en algunos estados. Los estudios indican que a medida que aumenta el número de ejes, aumenta la relación peso/potencia. Teniendo en cuenta todos los factores, es más común utilizar una relación peso/potencia de 120 kg/kW para determinar la longitud crítica de la pendiente. Sin embargo, hay lugares donde una relación peso/potencia de hasta 120 kg/kW no es apropiada. Cuando esto ocurre, se alienta a los diseñadores a utilizar una relación peso/potencia más representativa o un método alternativo que se ajuste más a las condiciones.

Vehículos recreativos: No es tan importante tener en cuenta las pendientes en vehículos recreativos en comparación con los camiones. Sin embargo, en ciertas rutas como las recreativas designadas, donde un bajo porcentaje de camiones puede no garantizar un carril de ascenso, el tráfico suficiente de vehículos recreativos puede indicar la necesidad de un carril adicional. Esto puede evaluarse utilizando los cuadros de diseño en la Figura 6 de la misma manera que para los camiones descritos en los párrafos anteriores. Los vehículos recreativos incluyen casas rodantes autónomas, camionetas y remolques de varios tamaños. Debido a que las características de los vehículos recreativos varían mucho, es difícil establecer un único vehículo de diseño. Sin embargo, un estudio sobre la velocidad de los vehículos en pendientes incluyó vehículos recreativos. Se consideraba que el vehículo crítico era un vehículo que tiraba de un remolque de viaje, y los cuadros en la Figura 6 para un vehículo recreativo típico se basan en esa suposición.

28

Figura 6. Curvas de velocidad - distancia para un vehículo recreacional típico en subidas seleccionadas.


Pendientes de control para diseño

Pendiente máxima: Sobre los datos de las Figuras 4 a 7, y de acuerdo con los controles de pendientes que ahora se usan en un gran número de estados, se pueden establecer pautas de diseño razonables para las pendientes máximas. Las pendientes máximas de alrededor del 5 por ciento se consideran apropiadas para una velocidad de diseño de 110 km/h. Para una velocidad de diseño de 50 km/h, las pendientes máximas generalmente están en el rango de 7 a 12 por ciento, dependiendo del terreno. Si solo se consideran las carreteras más importantes, parece que las pendientes máximas de 7 u 8 por ciento son representativas del diseño actual para una velocidad de diseño de 50 km/h. Las pendientes de control para velocidades de diseño de 60 a 100 km/h se encuentran entre los extremos de las pendientes anteriormente descritas (5-12 por ciento). Los controles de pendiente máxima para cada tipo de carretera y calle se presentan en los capítulos 5

29

(carreteras y calles locales) a 8 (Autopistas) del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011).

La pendiente de diseño máxima debe usarse con poca frecuencia; En la mayoría de los casos, las pendientes deben ser inferiores a la pendiente máxima de diseño. Por otro lado, para tramos cortos de pendiente menores de 150 m de longitud y para pendientes descendentes unidireccionales, la pendiente máxima puede ser aproximadamente 1 por ciento más pronunciada que en otros lugares; para carreteras rurales de bajo volumen, la pendiente máxima puede ser 2 por ciento más empinada.

Pendiente mínima: Las pendientes planas generalmente pueden proporcionar un drenaje superficial adecuado en las carreteras sin curvas donde la pendiente transversal es adecuada para drenar lateralmente la superficie del pavimento. En las curvas de calles o carreteras, se deben proporcionar pendientes longitudinales para facilitar el drenaje de la superficie. Una pendiente mínima apropiada es típicamente 0.5 por ciento, pero se pueden usar pendientes de 0.30 por ciento donde hay una superficie pavimentada con una inclinación precisa y apoyada en una subrasante firme. El uso de pendientes incluso más planas puede justificarse en casos especiales como se discutió en el Capítulo 5 (carreteras y calles locales) del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011). Se debe prestar especial atención al diseño de las entradas de aguas pluviales y su espacio para mantener la propagación del agua en el camino recorrido dentro de límites tolerables. Frecuentemente las cunetas laterales necesitan pendientes más pronunciadas que la rasante de la carretera para un drenaje adecuado. Los canales de drenaje se discuten en la Sección 4.8.3 (Canales de drenaje) del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011).

Longitudes críticas de pendientes de diseño

La pendiente máxima no es un parámetro de diseño completo. También es apropiado considerar la longitud de una pendiente en relación con la operación deseable del vehículo. El término "longitud crítica de pendiente" se usa para indicar la longitud máxima de una pendiente designada en la cual un camión cargado puede operar sin una reducción irrazonable de la velocidad. Para una longitud de pendiente determinada, longitudes inferiores a las críticas dan como resultado una operación aceptable en el rango de velocidades deseado. Si se desea mantener la libertad de operación deseada en pendientes más largas que las críticas, se deben considerar ajustes de diseño, como cambios en la ubicación para reducir las pendientes o la adición de carriles adicionales. Los datos para longitudes críticas de pendiente se deben usar con otros factores pertinentes (como el volumen de tráfico en relación con la capacidad) para determinar dónde se justifican los carriles adicionales.

30

Figura 7. Índice de involucramiento en choques de camiones, para los cuales se reducen las velocidades de marcha por debajo de la velocidad media de marcha de todo el tránsito.


Para establecer valores de diseño para longitudes críticas de pendiente para las cuales la capacidad de ascenso de los camiones es el factor determinante, se necesitan datos o suposiciones para lo siguiente:

1. Tamaño y potencia de un camión representativo o combinación de camión

para ser utilizado como un vehículo de diseño junto con los datos de

capacidad de subida de este vehículo:

Los datos muestran que la relación peso/potencia del percentil 85 para camiones en las carreteras principales están típicamente en el rango de 102 a 126 kg/kW. Un típico camión cargado, propulsado de manera que la relación peso/potencia sea de aproximadamente 120 kg/kW, es representativo del tamaño y tipo de vehículo que normalmente se usa como control de diseño para las carreteras principales. Los datos en las Figuras 4

31

y 5 se aplican a dicho vehículo. Los camiones más potentes con relaciones peso/potencia en el rango de 102 a 108 kg/kW pueden ser apropiados en algunos estados occidentales, mientras que algunas autopistas de dos carriles que no son rutas interurbanas principales, pueden tener claramente diferentes tipos de camiones con relaciones peso/potencia superiores a 126 kg/kW.

2. Velocidad de entrada a la longitud crítica de pendiente:

La velocidad de entrada promedio en relación con la velocidad de diseño se puede usar para aproximar la velocidad de los vehículos que comienzan una subida. Esta estimación está, por supuesto, sujeta a ajustes según lo determinen las condiciones de aproximación a dicha subida. Cuando los vehículos se aproximan en pendientes casi planas, la velocidad de entrada se puede usar directamente. Para una aproximación a una bajada se debe aumentar un poco, y para una aproximación a una subida se debe disminuir.

3. Velocidad mínima en la pendiente a la que puede viajar un vehículo sin

considerarse excesiva.

No hay datos específicos disponibles sobre los cuales basar las velocidades mínimas tolerables de los camiones en las subidas. Es lógico suponer que tales velocidades mínimas deben estar en relación directa con la velocidad de diseño. Las velocidades mínimas del camión son de aproximadamente 40 a 60 km/h para la mayoría de las autopistas (en las cuales las velocidades de diseño son de aproximadamente de 60 a 100 km/h) probablemente no sean molestas para los conductores que no pueden adelantar por carreteras de dos carriles, si el intervalo de tiempo durante el cual no puede adelantar no es demasiado largo. Es menos probable que el intervalo de tiempo sea molesto en carreteras de dos carriles con volúmenes muy por debajo de sus capacidades, mientras que es más probable que sea molesto en carreteras de dos carriles con volúmenes cercanos a la capacidad. Probablemente se puedan tolerar velocidades mínimas de camión más bajas en carreteras de varios carriles, que en carreteras de dos carriles porque hay más oportunidades y menos dificultades para adelantar. Las carreteras deben diseñarse de manera que las velocidades de los camiones no se reduzcan lo suficiente como para causar condiciones intolerables para los siguientes conductores.

Los estudios muestran que, independientemente de la velocidad promedio en la carretera, cuanto más se aleja un vehículo de dicha velocidad, mayores son las posibilidades de verse involucrado en un choque. Uno de estos estudios utilizó la

32

distribución de velocidad de los vehículos que circulan por las autopistas en un estado y lo relacionó con la tasa de participación en accidentes, para obtener la tasa para camiones de cuatro o más ejes que operan en pendientes planas. Las tasas de participación en accidentes para reducciones de velocidad de camiones son de 10, 15, 25 y 30 km/h, se desarrollaron suponiendo que la reducción en la velocidad promedio para todos los vehículos en una pendiente fue del 30 por ciento de la reducción de la velocidad del camión en la misma pendiente. Los resultados de este análisis se muestran en la Figura 7.

Una base común para determinar la longitud crítica de pendiente se basa en una reducción en la velocidad de los camiones por debajo de la velocidad promedio de circulación del tráfico. Lo ideal sería que todo el tráfico operara a la velocidad promedio.

Esto, sin embargo, no es práctico. En el pasado, la práctica ha sido utilizar una reducción en la velocidad del camión de 25 km/h por debajo de la velocidad promedio de funcionamiento de todo el tráfico para identificar la longitud crítica de la pendiente. Como se muestra en la Figura 7, la tasa de participación del choque aumenta significativamente cuando la reducción de la velocidad del camión excede los 15 km/h con una tasa de participación de 2.4 veces mayor para una velocidad de 25 km/h que para una reducción de 15 km/h. Sobre la base de estas relaciones, se recomienda utilizar un criterio de reducción de 15 km/h como guía general para determinar longitudes críticas de pendiente.

La longitud de cualquier pendiente que hará que la velocidad de un camión representativo de 120 kg/kW al ingresar a la pendiente a 110 km/h se reduzca su velocidad por debajo de la velocidad promedio de funcionamiento de todo el tráfico, se muestra gráficamente en la Figura 8, que se basa en los datos de rendimiento del camión presentados en la Figura 4. La curva que muestra una reducción de velocidad de 15 km/h se utiliza como guía de diseño general para determinar las longitudes críticas de pendiente. Se puede encontrar información similar sobre la longitud crítica de la pendiente para vehículos recreativos en la Figura 9, que se basa en los datos de rendimiento del vehículo recreativo presentados en la Figura 6.

Cuando la velocidad de entrada es inferior a 110 km/h, y se aproxima a una subida, las reducciones de velocidad que se muestran en las Figuras 8 y 9 ocurrirán en tramos de tangentes más cortos. Por el contrario, cuando se aproxima un descenso, la velocidad de llegada probable es mayor a 110 km/h y el camión o vehículo recreativo ascenderá una mayor longitud de pendiente que la que se muestra en las figuras antes de que la velocidad se reduzca a los valores mostrados.

33

El método de usar la Figura 8 para determinar longitudes críticas de pendiente se demuestra en los siguientes ejemplos.

Suponga que una carretera está siendo diseñada para 100 km/h y tiene una entrada bastante plana para una subida del 4 por ciento. La curva de reducción de velocidad de 15 km/h en la Figura 8 muestra que la longitud crítica de pendiente es de 350 m. Si, en cambio, la velocidad de diseño fuera de 60 km/h, las velocidades iniciales y mínimas tolerables en la pendiente serían diferentes, pero para la misma reducción de velocidad permitida, la longitud crítica seguiría siendo 350 m.

En otro caso, se desconoce la longitud crítica de una subida del 5 por ciento precedida por una longitud de 500 m de subida del 2 por ciento. La Figura 8 muestra que una subida del 2 por ciento de 500 m de longitud daría como resultado una reducción de velocidad de aproximadamente 9 km/h. La tabla muestra además que la reducción de la velocidad tolerable restante de 6 km/h ocurriría en 100 m en una subida del 5 por ciento.

En donde se acerque una subida después de un tramo en bajada, los camiones aumentan considerablemente la velocidad para comenzar la subida a la mayor velocidad posible. Este factor puede reconocerse en el diseño al aumentar la reducción de velocidad tolerable. Queda para el diseñador juzgar hasta qué punto la velocidad de los camiones aumentaría en la parte inferior de la pendiente por encima del impulso que generalmente se encuentra en los tramos planos. Parece que se puede considerar un aumento de velocidad de aproximadamente 10 km/h para pendientes negativas moderadas y un aumento de velocidad de 15 km/h para pendientes más pronunciadas de longitud moderada o extensa. Sobre esta base, la reducción de velocidad tolerable con pendientes de impulso sería de 25 o 30 km/h. Por ejemplo, donde hay una longitud moderada con una pendiente del 4% en descenso antes de una subida con pendiente del 6%, se puede admitir una reducción de velocidad tolerable de 25 km/h. Para este caso, la longitud crítica de la subida es del 6 por ciento es de aproximadamente 370 m.

34

Figura 8. Longitudes críticas de pendientes de diseño, camión típico supuesto de 120 kg/kW, velocidad de entrada = 110 km/h.


Figura 9. Longitudes críticas de pendientes para una velocidad al aproximarse a la subida de 90 km/h para vehículo recreacional típico.


35

La longitud crítica de la pendiente en la Figura 8 se deriva de la longitud de la pendiente tangente. Cuando una curva vertical es parte de una longitud crítica de pendiente, se debe usar una longitud de pendiente tangente equivalente aproximada. Donde la condición involucra curvas verticales de los Tipos II y IV que se muestran en la Sección 3.4.6 (Curvas Verticales) del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011) en la Figura 21 y la diferencia algebraica en las pendientes no es demasiado grande, la medición de la longitud crítica de la pendiente se puede hacer entre los puntos de intersección vertical (VPI). Cuando las curvas verticales de los Tipos I y III en la Figura 21 están involucradas, aproximadamente un cuarto de la longitud de la curva vertical debe considerarse como parte de la pendiente bajo consideración.

En muchas situaciones de diseño, la Figura 8 puede no ser directamente aplicable a la determinación de la longitud crítica de la pendiente por varias razones. Primero, la población de camiones para un sitio determinado puede ser que una relación peso/potencia menor o mayor que el valor de 120 kg/kW asumido en la Figura 8 puede ser apropiado como criterio de diseño. Segundo, por las razones descritas anteriormente, la velocidad del camión a la entrada de la pendiente puede diferir de los 110 km/h asumidos en la Figura 8. Tercero, la rasante en ascenso puede no mantener una pendiente constante. En tales situaciones, un programa de hoja de cálculo, conocido como el Modelo de perfil de velocidad de camión (TSPM), está disponible y puede usarse para generar perfiles de velocidad de camión para cualquier relación peso/potencia, velocidad inicial de camión y cualquier secuencia de pendientes.

Las pendientes pronunciadas cuesta abajo en vías con altos volúmenes de tráfico y numerosos camiones pueden reducir la capacidad de tráfico y aumentar la frecuencia de accidentes. Algunas bajadas son largas y empinadas lo suficiente como para que algunos vehículos pesados viajen a velocidades de arrastre para evitar la pérdida de control en la pendiente. Los vehículos de movimiento lento de este tipo pueden impedirles el paso a otros vehículos. Por lo tanto, hay casos en los que se debe considerar proporcionar un carril para camiones para el tráfico cuesta abajo. Se han desarrollado procedimientos en el HCM (Manual de Capacidad de Carreteras) para analizar esta situación. El criterio de diseño sugerido para determinar la longitud crítica de la pendiente no pretende ser un control estricto sino una guía. En algunos casos, el terreno u otros criterios físicos pueden impedir acortamiento o aplanamiento de pendientes para cumplir con estos controles. Cuando no se puede evitar una reducción de velocidad mayor que la guía de diseño sugerida, puede resultar una operación indeseable en carreteras con numerosos camiones, particularmente en carreteras de dos carriles con volúmenes que se aproximan a la capacidad y, en algunos casos, en carreteras de varios carriles. Cuando se excede la longitud crítica de la pendiente, se debe considerar la posibilidad de proporcionar un carril cuesta arriba adicional para vehículos de

36

movimiento lento, particularmente donde el volumen está en la capacidad o cerca de ella y el volumen de camiones sea alto. Los datos en la Figura 8 se pueden usar junto con otros factores clave, particularmente los datos de volumen en relación con la capacidad y los datos de volumen de camiones, para determinar dónde se justifican dichos carriles adicionales.

Carriles de ascenso

Carriles de ascenso para carreteras de dos carriles

General: La libertad y seguridad de operación en carreteras de dos carriles, además de estar influenciada por la extensión y la frecuencia de las secciones de adelantamiento, se ven afectadas negativamente por el tráfico de vehículos con mucha carga, que operan en pendientes de longitud suficiente para dar como resultado velocidades que podrían impedir la continuidad del flujo vehicular. En el pasado, la provisión de carriles de ascenso adicionales para mejorar la operación en las subidas ha sido bastante limitada, debido a los costos de construcción. Sin embargo, debido al tráfico lento y la cantidad de accidentes graves que ocurren en las pendientes, estos carriles ahora se incluyen más comúnmente en los planes de construcción originales, y los carriles adicionales en las carreteras existentes se consideran proyectos de mejora de la seguridad. El potencial de choque creado por esta condición se ilustra en la Figura 7.

Una sección de carretera con un carril de ascenso no se considera una carretera de tres carriles, sino una carretera de dos carriles con un carril adicional para vehículos que se mueven lentamente cuesta arriba, con el fin de que los vehículos que usen el carril normal no se retrasen. Los vehículos rápidos pasan a los vehículos más lentos en movimiento, pero no en el carril de tráfico opuesto, como lo que sucede en una carretera convencional de dos carriles. Es preferible un carril de ascenso separado exclusivamente para vehículos de movimiento lento, que añadir un carril adicional con tráfico mixto. Los diseños de carreteras de dos carriles con carriles de ascenso se ilustran en las Figuras 10A y 10B. Los carriles de ascenso están diseñados para cada dirección independientemente de la otra. Dependiendo de las condiciones de alineamiento y perfil, pueden no superponerse, como en la Figura 10A, o pueden superponerse, como en la Figura 10B, donde hay una curva convexa con una pendiente larga en cada lado.

37

Figura 10. Carriles de ascenso en carreteras de dos carriles.


38

Agregar un carril de ascenso para una subida en una carretera de dos carriles puede compensar la disminución en las operaciones de tráfico causada por los efectos combinados de la pendiente, el volumen de tráfico y los vehículos pesados. Los carriles de ascenso son apropiados cuando el nivel de servicio o la velocidad de los camiones es sustancialmente menor en una subida que antes de llegar a ella. Cuando se proporcionan carriles de ascenso, se ha presentado un alto grado de cumplimiento en su uso por parte de los conductores de camiones.

En carreteras con bajos volúmenes, ocasionalmente solo un automóvil se retrasa, y los carriles de ascenso, aunque sea deseable, puede no justificarse económicamente incluso cuando se excede la longitud crítica de pendiente. Para tales casos, debe considerarse los apartaderos para vehículos de movimiento lento, con el fin de reducir el retraso ocasional a los demás vehículos. Los resultados se discuten en la Sección 3.4.4 "Métodos para aumentar las oportunidades de adelantamiento en carreteras de dos carriles" del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011).

Los siguientes tres criterios, que reflejan consideraciones económicas, deben cumplirse para justificar un carril de ascenso:

1. Volumen de subida del tráfico mayor de 200 vehículos por hora.

2. Volumen de camiones mayor a 20 vehículos por hora.

3. Existe una de las siguientes condiciones:

• Se espera una reducción de velocidad de 15 km/h o mayor para un camión

de diseño.

• El nivel de servicio E o F existente en la pendiente.

• Se experimenta una reducción de dos o más niveles de servicio desde el

segmento anterior a la subida hasta la subida.

Además, las altas frecuencias de choque pueden justificar la adición de un carril de ascenso, independientemente de la pendiente o los volúmenes de tráfico.

El caudal de subida se determina multiplicando el volumen horario de diseño predicho o existente, por el factor de distribución direccional para la subida y dividiendo el resultado por el factor de hora pico (la hora pico y los factores de distribución direccional se discuten en la Sección 2.3 (características del tráfico) del

39

manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011). El número de camiones de subida se obtiene multiplicando el caudal de subida por el porcentaje de camiones en subida.

Camiones: Como se indica en los párrafos inmediatamente anteriores, solo se debe cumplir una de las tres condiciones especificadas en el Criterio 3. La figura 8 muestra la longitud crítica de la pendiente para lograr una reducción de velocidad de 15 km/h para los camiones. Esta longitud crítica se compara con la longitud de la pendiente evaluada. Si la longitud crítica de la pendiente es menor que la longitud de la pendiente estudiada, se cumple el Criterio 3. Esta evaluación debe hacerse primero porque, cuando se excede la longitud crítica de la pendiente, no se necesitarán más evaluaciones bajo el Criterio 3.

La justificación para carriles de ascenso donde no se excede la longitud crítica de la pendiente debe considerarse desde el punto de vista de la capacidad de la carretera. Los procedimientos utilizados son los del HCM (Manual de Capacidad de Carreteras) para el análisis de pendientes específicas en carreteras de dos carriles. Las condiciones restantes en el Criterio 3 se evalúan utilizando estos procedimientos de HCM (Manual de Capacidad de Carreteras). El efecto de los camiones en la capacidad es principalmente una función de la diferencia entre la velocidad promedio de los camiones y la velocidad promedio de funcionamiento de los vehículos recreacionales en la carretera. Las dimensiones físicas de los camiones y sus características de aceleración más pobres también influyen en el espacio que ocupan en el flujo de tráfico.

En pendientes individuales, el efecto de los camiones es más severo que su efecto promedio en una sección más larga de la carretera. Por lo tanto, para un volumen dado de tráfico mixto y una sección transversal fija de la carretera, se experimenta un mayor grado de congestión en las pendientes individuales que para la operación promedio en secciones más largas que incluyen bajadas y subidas. Para determinar el volumen de servicio de diseño en pendientes individuales, use los factores del camión derivados de la geometría de la pendiente y el nivel de servicio seleccionado por la agencia de carreteras como base para el diseño de la carretera en consideración.

Si no hay una reducción de velocidad de 15 km/h (es decir, si no se excede la longitud crítica de pendiente), se debe examinar el nivel de servicio en la pendiente para determinar si el nivel de servicio E o F existe. Esto se realiza calculando del índice de servicio de la limitación del flujo para el nivel de servicio D y comparando el índice real de la pendiente. El caudal real se determina dividiendo el volumen de tráfico por hora por el factor de hora pico. Si el caudal real excede el índice de flujo de servicio para el nivel de servicio D, cumple el Criterio 3. Cuando el caudal real

40

es menor que el valor límite, este segundo elemento del Criterio 3 no garantiza un carril de ascenso.

Si no se cumple ninguno de los elementos del Criterio 3, el problema restante por examinar es si hay una reducción de dos niveles en el nivel de servicio entre la llegada a la subida y la subida. Para evaluar este criterio, se debe determinar el nivel de servicio para la pendiente del segmento de llegada a la subida. Dado que este criterio necesita consideración solo en un número muy limitado de casos, no se evalúa en detalle.

El HCM (Manual de Capacidad de Carreteras) proporciona detalles adicionales y hojas de trabajo para realizar los cálculos necesarios para el análisis en los criterios anteriores. Este procedimiento también está disponible en software de computadora, lo que reduce la necesidad de cálculos manuales.

Debido a que hay tantas variables involucradas, prácticamente ningún conjunto de condiciones puede describirse adecuadamente como típico. Por lo tanto, se recomienda un análisis detallado como el que se describe siempre que se consideren los carriles de ascenso.

La ubicación donde debe comenzar un carril adicional depende de las velocidades a las que los camiones se acercan a la pendiente y del alcance de las restricciones de distancia de visibilidad al aproximarse a la subida. Cuando no haya restricciones de distancia de visibilidad u otras condiciones que limiten las velocidades al aproximase a la subida, el carril adicional se puede introducir en la subida después de su comienzo, porque la velocidad de los camiones no se reducirá más del nivel tolerable para los próximos conductores, cuando hayan recorrido alguna distancia hasta la subida. En este punto óptimo empezara a reducir la velocidad del camión a 60 km/h, pero una disminución de 15 km/h en la velocidad del camión por debajo de la velocidad promedio de funcionamiento, como se discutió en “Longitudes críticas de pendiente para el diseño" de la Sección 3.4.2 del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011), es la reducción más práctica que se puede obtener desde el punto de vista del nivel de servicio y la frecuencia de choques. Esta reducción de 15 km/h es la base aceptada para determinar la ubicación en la que empieza los carriles de ascenso. La distancia desde la parte inferior de la pendiente hasta el punto donde las velocidades de los camiones disminuyen 15 km/h por debajo de la velocidad promedio de funcionamiento puede determinarse a partir de las Figuras 4 o 8. Se aplicarían diferentes curvas para camiones con una relación de peso/potencia diferente de 120 kg/kW. Por ejemplo, suponiendo una condición al acercarse a la subida en la cual los camiones con una relación peso/potencia de 120 kg/kW viajan dentro de un flujo que tiene una velocidad de operación promedio de 110 km/h, el resultado - La reducción de velocidad de 15 km/h ocurre a distancias de aproximadamente 175 a

41

350 m para pendientes que varían de 7 a 4 por ciento. Con una aproximación a la bajada, estas distancias serían más largas, y al acercarse a la subida, serían más cortas. Las distancias así determinadas pueden usarse para establecer el punto en el que debe comenzar un carril de ascenso. Cuando las restricciones, las aproximaciones a subidas u otras condiciones indiquen la probabilidad de bajas velocidades para los camiones que se aproximan, el carril adicional debe introducirse cerca al pie de la pendiente. El comienzo del carril agregado debe estar precedido por una sección cónica con una relación de conicidad deseada de 25: 1 que debe tener al menos 90 m de largo.

El diseño ideal es extender un carril de ascenso hasta un punto más allá de la cresta, donde un camión típico podría alcanzar una disminución de velocidad que esté dentro de 15 km/h en comparación de los otros vehículos con una velocidad deseable de mínimo 60 km/h. Esto puede no ser práctico en muchos casos debido a la distancia indebidamente larga que necesitan los camiones para acelerar a la velocidad deseada. En tales situaciones, un punto práctico para finalizar el carril agregado es donde los camiones pueden regresar al carril normal sin interferencia indebida con el tráfico, en particular, donde la distancia de visibilidad es suficiente para permitir el paso cuando no hay tráfico en sentido contrario o, preferiblemente, al menos 60 m más allá de ese punto. Se debe proporcionar una longitud de cono adecuada para permitir que los camiones regresen sin problemas al carril normal. Por ejemplo, en una carretera donde la distancia de visibilidad pasa a 30 m más allá de la cresta de la pendiente, el carril de ascenso debe extenderse 90 m más allá de la cresta (es decir, 30 m más 60 m), y una sección cónica adicional con una relación de conicidad deseable de 50: 1 que debe ser de al menos 180 m de largo.

Un carril de ascenso debería ser deseablemente tan ancho como los otros carriles. Debe estar construido de manera que pueda reconocerse inmediatamente como un carril adicional para una señal de viaje. La línea central de la carretera normal de dos carriles debe estar claramente marcada, incluidas las líneas de barrera amarillas para zonas de no paso. Se pueden usar carteles al comienzo de la subida, como "Tráfico más lento, manténgase a la derecha" o "Los camiones usan el carril derecho" para dirigir los vehículos que se mueven lentamente hacia el carril de ascenso. Estas y otras señales y marcas apropiadas para los carriles de ascenso se presentan en el MUTCD (Manual de Dispositivos Uniformes para el Control del Tránsito).

La pendiente transversal de un carril de ascenso generalmente se maneja de la misma manera que la adición de un carril a una carretera de varios carriles. Dependiendo de la práctica de la agencia, este diseño da como resultado una continuación de la pendiente transversal o un carril con un poco más de pendiente transversal que el carril adyacente. En una sección peraltada, la pendiente transversal es generalmente una continuación de la pendiente utilizada en el carril.

42

Deseablemente, la berma en el borde exterior de un carril de ascenso debe ser tan ancho como la berma en la sección transversal normal de dos carriles, particularmente donde hay tráfico de bicicletas. Sin embargo, esto puede ser poco práctico, particularmente cuando el carril de ascenso se agrega a una carretera existente. Una berma utilizable de 1,2 m de ancho o mayor es aceptable. Aunque no es lo suficientemente ancho como para que un vehículo parado pueda despejar completamente el carril de ascenso, una berma de 1,2 m en combinación con el carril de ascenso generalmente proporciona suficiente ancho tanto para el vehículo parado como para un vehículo que pasa a baja velocidad sin necesidad de invadir el carril.

En resumen, los carriles de ascenso ofrecen un medio comparativamente económico para superar las reducciones en la capacidad y proporcionar una operación mejorada donde la congestión en las pendientes es causada por camiones lentos en combinación con altos volúmenes de tráfico. Como se discutió anteriormente en esta sección, los carriles de ascenso también reducen los choques. En algunas carreteras de dos carriles existentes, la adición de carriles de ascenso podría no necesitar la reconstrucción durante muchos años o de forma indefinida. En un nuevo diseño, los carriles de ascenso podrían hacer que una carretera de dos carriles opere eficientemente, mientras que se necesitaría una carretera de varios carriles mucho más costosa sin ellos.

Carriles de ascenso en autopistas y carreteras de varios carriles

General: Los carriles de ascenso, aunque son cada vez más frecuentes, no se han utilizado tanto en autopistas y carreteras de carriles múltiples como en carreteras de dos carriles. Esto puede deberse a que las vías de varios carriles con mayor frecuencia tienen capacidad suficiente para satisfacer sus demandas de tráfico, incluido el porcentaje típico de vehículos de movimiento lento con altas relaciones peso/potencia, sin congestionarse. Por lo general, los carriles de ascenso no se justifican tan fácilmente en las vías de varios carriles como en las carreteras de dos carriles, porque los vehículos detrás de los de movimiento más lento en las subidas no pueden pasar por el carril de tráfico adyacente debido el tráfico opuesto. En vías de varios carriles, no existe tal impedimento para pasar. Un vehículo que se mueve lentamente en el carril derecho normal no impide que los siguientes vehículos puedan moverse a la izquierda al carril adyacente y proceder sin dificultad, aunque hay evidencia de que los choques se reducen cuando los vehículos en el flujo de tránsito se mueven a la misma velocidad.

Debido a que las autopistas normalmente están diseñadas para 20 años o más, hay menos probabilidades de que los carriles de ascenso se justifiquen en vías de varios carriles que en carreteras de dos carriles durante varios años después de la construcción, a pesar de que son diseñados para las horas pico del año actual.

43

Cuando este es el caso, existe una ventaja económica en el diseño, pero aplazando la construcción de carriles de ascenso en vías de varios carriles. En esta situación, la pendiente para el futuro carril de ascenso debe proporcionarse inicialmente. La pendiente adicional necesaria para un carril de ascenso es pequeña en comparación con la necesaria para la sección transversal general. Sin embargo, incluso si está pendiente adicional no es práctica, es aceptable, aunque no deseable, usar una berma más angosta y adyacente al carril de ascenso en lugar de la berma completa provista en una sección normal.

Aunque es principalmente aplicable en áreas rurales, hay casos en los que se necesitan carriles de ascenso en áreas urbanas. Los carriles de ascenso son particularmente importantes para la libertad de operación en las autopistas urbanas donde los volúmenes de tráfico son altos en relación con la capacidad. En las autopistas urbanas más antiguas y en las calles arteriales con pendientes apreciables y sin carriles de ascenso, es frecuente que el tráfico pesado, que de otro modo podría funcionar bien, lleguen a acumularse en subidas.

Camiones: Los principales determinantes de la necesidad de carriles de ascenso en carreteras de varios carriles son las longitudes críticas de pendiente, los efectos de los camiones en las pendientes en términos de caudales equivalentes de automóviles y volúmenes de servicio para el nivel de servicio deseado y el siguiente nivel de servicio más pobre.

La longitud crítica de la pendiente se ha discutido previamente en la Sección 3.4.2. (Pendientes) del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011). Es la longitud con una pendiente particular que reduce la velocidad de los camiones a 15 km/h por debajo de la velocidad promedio de funcionamiento del tráfico restante. La longitud crítica de la pendiente que resulta en una reducción de 15 km/h de la velocidad del camión se encuentra en la Figura 8 y luego se compara con la longitud de la pendiente particular que se examina. Si la longitud crítica de la pendiente es menor que la longitud de la pendiente que se evalúa, se considera un carril de ascenso.

Al determinar el volumen de servicio, el equivalente de vehículos a camiones es un factor significativo. En general, se acuerda que los camiones en vías de varios carriles tienen menos efecto para disuadir a los vehículos que en las carreteras de dos carriles. La comparación de los vehículos equivalentes en el HCM (Manual de Capacidad de Carreteras) para el mismo porcentaje de pendiente, longitud y porcentaje de camiones, muestra claramente la diferencia para vías de dos carriles y de varios carriles si tienen una cantidad equivalente de camiones.

44

Para justificar el costo de proporcionar un carril de ascenso, la existencia de un bajo nivel de servicio en la pendiente debería ser el criterio, como en el caso de justificar los carriles de ascenso para carreteras de dos carriles, porque los usuarios de la autopista aceptarán un mayor grado de congestión. (es decir, un nivel de servicio más bajo) en las pendientes individuales que en tramos largos de carretera. Como práctica, el volumen de servicio en una pendiente individual no debe exceder el del siguiente nivel de servicio más pobre del utilizado para el diseño básico. La única excepción es que el volumen de servicio para el nivel de servicio D no debe excederse.

En general, no se deben considerar los carriles de ascenso a menos que el volumen de tráfico direccional para la subida sea igual o mayor que el volumen de servicio para el nivel de servicio D. En la mayoría de los casos, cuando el volumen de servicio, incluidos los camiones, es mayor de 1,700 vehículos por hora, por carril y la longitud de la pendiente y el porcentaje de camiones son suficientes para considerar carriles de ascenso, es probable que el volumen en términos de automóviles equivalentes se acerque o incluso exceda la capacidad. En esta situación, un aumento en el número de carriles en toda la sección de la carretera representaría una mejor inversión que la provisión de carriles de ascenso.

Los carriles de ascenso tampoco están generalmente garantizados en carreteras de cuatro carriles con volúmenes unidireccionales por debajo de 1,000 vehículos por hora por carril, independientemente del porcentaje de camiones. Aunque un conductor de camión ocasionalmente pasará a otro camión, el inconveniente con este bajo volumen no es suficiente para justificar el costo de un carril de ascenso.

Los procedimientos en el HCM (Manual de Capacidad de Carreteras) deben usarse para considerar las características operativas del tráfico en la pendiente que se está examinando. Se debe determinar el volumen de servicio máximo para el nivel de servicio deseado, junto con el volumen del siguiente nivel de servicio más bajo. Si el flujo en la pendiente supera el volumen de servicio del siguiente nivel más bajo, se justifica considerar un carril de ascenso. Para utilizar los procedimientos de HCM (Manual de Capacidad de Carreteras), se debe determinar o estimar la velocidad de flujo libre. La velocidad de flujo libre puede determinarse midiendo la velocidad media de los vehículos recreativos en condiciones de flujo bajo a moderado (hasta 1.300 vehículos recreativos por hora por carril) en las vías o vías similares.

Los datos indican que la velocidad media de flujo libre en condiciones ideales para autopistas de varios carriles varía de 0.6 km/h más baja que la velocidad del percentil 85 de 65 km/h a 5 km/h y más bajo que la velocidad del percentil 85 de 100 km/h. El límite de velocidad es un factor que afecta la velocidad de flujo libre. La investigación sugiere que la velocidad de flujo libre es aproximadamente 11 km/h más alta que el límite de velocidad en vías con límites de velocidad de 65 y 70 km/h,

45

y 8 km/h más alto que el límite de velocidad en vías con límites de velocidad de 80 y 90 km/h. El análisis basado en estas reglas generales debe usarse con precaución. La medición de campo es el método recomendado para determinar la velocidad de flujo libre, y la estimación utiliza los procedimientos anteriores empleados solo cuando los datos de campo no están disponibles.

Cuando la pendiente que se investiga se encuentra en una carretera de varios carriles, a veces se deben considerar otros factores; tales factores incluyen el ancho de los carriles, el espacio libre lateral y la densidad del punto de acceso. Estos factores se tienen en cuenta en los procedimientos de análisis de capacidad haciendo ajustes en la velocidad de flujo libre y normalmente no son una consideración aparte para determinar si un carril de ascenso sería favorable.

Para las autopistas, se realizan ajustes en los análisis operativos del tráfico utilizando factores para anchos de carril restringidos, espacios libres laterales, vehículos recreativos y poblaciones de conductores desconocidos. El HCM (Manual de Capacidad de Carreteras) debe usarse para obtener información sobre cómo considerar estos factores en el análisis.

Bajo ciertas circunstancias, debería considerarse la posibilidad de carriles adicionales para acomodar camiones en la dirección de bajada. Esto se logra utilizando el mismo procedimiento descrito anteriormente y utilizando los automóviles equivalentes a los camiones en bajadas en lugar de los valores para camiones y vehículos recreativos en subidas.

Los carriles de ascenso en carreteras de varios carriles generalmente se colocan en el lado exterior o derecho de la carretera, como se muestra en la Figura 11. Los principios para las pendientes transversales, para ubicar puntos terminales y para diseñar áreas terminales o conos para los carriles de ascenso se discuten en la parte anterior de esta sección sobre "Carriles de ascenso para carreteras de dos carriles”; Estos principios son igualmente aplicables a los carriles de ascenso en vías de varios carriles. Una consideración principal es que la ubicación del extremo cuesta arriba del carril de ascenso debe estar en el punto donde los camiones alcancen una velocidad satisfactoria, preferiblemente a unos 15 km/h por debajo de la velocidad promedio de la carretera. La distancia de visibilidad de adelantamiento no necesita ser considerada en carreteras de varios carriles.

46

Figura 11. Carril de ascenso en autopistas y carreteras multicarriles


Métodos para aumentar las oportunidades de adelantamiento en carreteras de dos carriles

Varios organismos viales han sido pioneras en métodos exitosos para proporcionar más oportunidades de adelantamiento a lo largo de carreteras de dos carriles. Algunos de los más reconocidos de estos métodos, incluidos los carriles de adelantamiento, apartaderos, conducción por bermas y secciones de bermas de uso, se describen en la guía informativa de FHWA Métodos de bajo costo para mejorar las operaciones de tráfico en carreteras de dos carriles. Se ha informado una alternativa de diseño adicional o método conocido como calzada 2 + 1 en NCHRP Resultados de la investigación resumidos Aplicación de diseños europeos de calzadas 2 + 1. Una sinopsis de las porciones de material encontradas en estas fuentes se presenta en el resto de esta sección. Criterios más detallados para estos métodos se encuentran en los documentos de referencia.

47

Carriles de adelantamiento

Se puede proporcionar un carril adicional en una o ambas direcciones de viaje para mejorar las operaciones de tráfico en secciones de menor capacidad con al menos la misma calidad de servicio que las secciones de carretera adyacentes. Los carriles de adelantamiento también se pueden proporcionar para mejorar las operaciones generales de tráfico en las carreteras de dos carriles al reducir los retrasos causados por oportunidades de adelantamiento inadecuadas en tramos significativos de carreteras, generalmente de 10 a 100 km. Cuando los carriles de adelantamiento se utilizan para mejorar las operaciones de tráfico a lo largo de una carretera, con frecuencia se proporcionan sistemáticamente a intervalos regulares.

La ubicación del carril agregado debe parecer lógica para el conductor. La importancia de un carril de adelantamiento es más obvio en lugares donde la distancia de visibilidad de adelantamiento está restringida que en tangentes largas que pueden proporcionar oportunidades de adelantamiento incluso sin carriles de adelantamiento. Por otro lado, la ubicación de un carril de adelantamiento debe reconocer la necesidad de adecuada distancia de visibilidad en los abocinamientos de adición y pérdida de carril. Se recomienda una distancia de visibilidad mínima de 300m para llegar a los abocinamientos. La selección de una ubicación apropiada también necesita considerar la ubicación de las intersecciones y las entradas de vehículos de alto volumen para minimizar la cantidad de los movimientos de giro en una sección de la carretera donde se facilita el adelantamiento. Además, se deben evitar otras restricciones físicas, como puentes y alcantarillas, si ellas limitan restringen la provisión de una berma continua.

El siguiente es un resumen del procedimiento de diseño a seguir al proporcionar carriles de adelantamiento en carreteras de dos carriles:

1. El alineamiento horizontal y vertical debe diseñarse para proporcionar la mayor parte de la carretera posible con la distancia de visibilidad (consulte la Tabla 3-4 “Distancia de visibilidad de adelantamiento para el diseño de carreteras de dos carriles)” del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011).

2. Cuando el volumen de diseño se acerca a la capacidad, debe reconocerse el efecto de la falta de oportunidades de adelantamiento en la reducción del nivel de servicio.

3. Cuando la longitud crítica de pendiente es menor que la longitud física de una

subida, se debe considerar la construcción de carriles de ascenso adicionales. La longitud crítica de la pendiente se determina como se muestra en las Figuras 8 y 9.

48

4. Cuando el alcance y la frecuencia de las oportunidades de adelantamiento disponibles mediante la aplicación de los Criterios 1 y 3 son aún muy pocos, se debe considerar la construcción de carriles de adelantamiento.

Las secciones de carriles de adelantamiento, que pueden tener tres o cuatro carriles de ancho, se construyen en carreteras de dos carriles para proporcionar la frecuencia deseada de zonas de adelantamiento o para eliminar la interferencia de vehículos pesados de baja velocidad, o ambos. Cuando no se puede obtener un número y una longitud suficientes de secciones de adelantamiento solo en el diseño del alineamiento horizontal y vertical, se puede introducir un carril adicional ocasional en uno o ambos sentidos, como se muestra en la Figura 12 para proporcionar más oportunidades de adelantamiento. Dichas secciones son particularmente ventajosas en terrenos ondulados, especialmente cuando el terreno es ondulado el perfil incluye longitudes críticas de pendiente.

Figura 12. Sección de carriles de adelantamiento en carreteras de dos carriles.


49

En terreno ondulado, una carretera en tangente puede tener condiciones de paso restringidas, aunque las pendientes estén por debajo de la longitud crítica. El uso de carriles de adelantamiento sobre algunas de las crestas, proporciona secciones de paso adicionales en ambas direcciones donde más se necesitan. Las secciones del carril de adelantamiento deben ser lo suficientemente largas como para permitir que pasen varios vehículos en línea detrás de un vehículo de movimiento lento antes de regresar a la sección transversal normal de la carretera de dos carriles. Se necesita una longitud mínima de 300 m, excluyendo los abocinamientos, para que los vehículos retrasados tengan la oportunidad de completar al menos un adelantamiento en el carril agregado. Cuando se proporciona dicho carril para reducir los retrasos en un cuello de botella específico, la longitud necesaria se controla por la extensión del cuello de botella. Un carril agregado para mejorar las operaciones de tráfico en general debe ser lo suficientemente largo, más de 0.5 km, para proporcionar una reducción sustancial en el tráfico. La longitud óptima suele ser de 0.8 a 3.2 km, con longitudes más largas de carril adicional apropiadas donde los volúmenes de tráfico son más altos. El HCM (Manual de Capacidad de Carreteras) proporciona orientación en la selección de un carril de adelantamiento de longitud óptima. Los beneficios operacionales generalmente resultan en una reducción del tráfico de 5 a 15 km con la corriente, dependiendo de los volúmenes y las oportunidades de adelantamiento. Después de eso, los niveles normales de tráfico, hasta que se aproxime un carril de adelantamiento agregado.

La introducción de una sección de carril de adelantamiento en una carretera de dos carriles no implica necesariamente movimiento de tierra adicional. El ancho de un carril adicional normalmente debería ser el mismo que el ancho de los carriles de la carretera de dos carriles. También es deseable que la berma contigua tenga al menos 1,2 m de ancho y, siempre que sea práctico, el ancho de la berma en la sección adicional debe coincidir con el de la carretera contigua de dos carriles. Sin embargo, un ancho de la berma completo no es tan necesario en una sección de carril de adelantamiento como en una carretera convencional de dos carriles porque los vehículos que probablemente se detengan son pocos y hay poca dificultad para pasar un vehículo con solo dos ruedas en la berma. Por lo tanto, si el ancho normal de la berma en la carretera de dos carriles es de 3.0 m, todo lo que puede necesitar es un ensanchamiento de 1.8 a 2.4 m de la carretera en cada lado.

Las secciones de cuatro carriles introducidas explícitamente para mejorar las oportunidades de adelantamiento no necesitan dividirse porque no hay separación del tráfico opuesto en las porciones de dos carriles de la carretera. Sin embargo, el uso de una mediana es beneficioso y debe considerarse en las autopistas que transportan un total de 500 vehículos por hora o más, particularmente en las autopistas que finalmente se convertirán en una sección transversal dividida de cuatro carriles.

50

Los abocinamientos de transición en cada extremo de la sección del carril agregado deben diseñarse para fomentar una operación eficiente y reducir los choques La longitud del abocinamiento de pérdida de carril donde el límite de velocidad establecido o legal es de 70 km/h o mayor debe calcularse con la Ecuación 1, basada en el MUTCD (Manual de Dispositivos Uniformes para el Control del Tránsito). Cuando el límite de velocidad establecido o legal sea inferior a 70 km/h, la longitud del abocinamiento de perdida de carril debe calcularse con la Ecuación 2. La longitud recomendada para el abocinamiento de adición de carril de medio a dos tercios de la longitud de perdida de carril.

Ecuaciones 1 y 2.

𝐿 = 0.62 𝑊𝑆 ( 1)

𝐿 =𝑊𝑆2

155 ( 2)

L = Longitud del cono (m)

W = Ancho (m)

S =Velocidad (km/h)

La señalización vertical y horizontal de un carril adicional se aborda parcialmente en el MUTCD (Manual de Dispositivos Uniformes para el Control del Tránsito), que indica las marcas de línea central apropiadas para dichos carriles, así como la señal y el marcado de las transiciones de caída de carril. Sin embargo, el MUTCD (Manual de Dispositivos Uniformes para el Control del Tránsito) no aborda la señal antes y en la adición del carril. Se debe colocar un letrero con la leyenda “Pasando el Kilómetro del Carril 1” antes de cada carril agregado para que los conductores de los vehículos de movimiento lento y los siguientes puedan prepararse para hacer un uso efectivo del carril adicional. Señales adicionales de 3 a 10 km antes también son deseables porque pueden reducir la frustración y la impaciencia de los conductores que siguen un vehículo que se mueve lentamente al asegurarles que pronto tendrán la oportunidad de adelantar. Además, se debe instalar una señal al comienzo del abocinamiento de carril para alentar a los vehículos que se mueven más despacio a mantenerse a la derecha.

Las transiciones entre los pavimentos de dos y tres o cuatro carriles deben ubicarse donde el cambio de ancho esté a la vista del conductor. Las secciones de la carretera de cuatro carriles, en particular las secciones divididas, más largas de aproximadamente 3 km pueden hacer que el conductor pierda su conciencia de que la carretera es básicamente una instalación de dos carriles. Por lo tanto, es esencial

51

que las transiciones de una sección transversal de tres o cuatro carriles a dos carriles se marquen e identifiquen adecuadamente con marcas y señales en el pavimento para alertar al conductor de la próxima sección de la carretera de dos carriles. Una señal de avance antes del final del carril de adelantamiento es particularmente importante para informar a los conductores de la carretera más angosta por delante; Para obtener más información, consulte el MUTCD (Manual de Dispositivos Uniformes para el Control del Tránsito).

Un carril de adelantamiento debe ser lo suficientemente largo para que el siguiente vehículo complete al menos una maniobra de adelantamiento. Los carriles de adelantamiento cortos, con una longitud de 0.4 km o menos, no son muy efectivos para reducir el tráfico de caravanas. A medida que la longitud de un carril de adelantamiento aumenta por encima de 1.6 km, un carril de adelantamiento generalmente proporciona beneficios operativos decrecientes, y generalmente es apropiado solo en vías de mayor volumen con caudales superiores a 700 vehículos por hora. La Tabla 3-31 presenta las longitudes óptimas de diseño para los carriles de adelantamiento.

Tabla 1. Longitudes óptimas del carril de adelantamiento para la eficiencia operativa del tráfico.

Flujo en una Vía (veh/h)

Longitud del carril de

adelantamiento (km)

100 - 200 0.8

201 - 400 0.8 - 1.2

401 - 700 1.2 - 1.6

701 - 1200 1.6 - 3.2


52

Calzadas 2 + 1

Se ha descubierto que el concepto de calzadas 2 + 1 mejora la eficiencia operativa y reduce los choques en carreteras seleccionadas de dos carriles. La figura 13 es un esquema del concepto. El concepto proporciona una sección transversal continua de tres carriles y la carretera está marcada de manera tal que permite al carril de adelantamiento funcionar en direcciones alternas a lo largo de la sección. Este concepto puede ser una alternativa atractiva a dos o cuatro carriles para algunas carreteras con volúmenes de tráfico más altos donde se necesitan continuamente carriles de alelamiento alternos para obtener el nivel de servicio deseado.

Figura 13. Esquema para calzada 2 + 1.


El diseño 2 + 1 puede ser un tratamiento adecuado para carreteras con volúmenes de tráfico superiores a los que pueden atender los carriles de adelantamiento aislados, pero no lo suficientemente altos como para justificar una carretera de cuatro carriles. Este diseño también es potencialmente aplicable para su uso en ubicaciones donde las restricciones ambientales o fiscales, o ambas, hacen que la provisión de una instalación de cuatro carriles sea poco práctica. Una calzada 2 + 1 generalmente operará al menos dos niveles de servicio más altos que una carretera convencional de dos carriles que atiende el mismo volumen de tráfico.

En general, no se debe considerar una calzada 2 + 1 cuando los volúmenes actuales o proyectados exceden los (1.200 vehículos / h) en una dirección de desplazamiento. Una carretera de cuatro carriles generalmente es más eficiente a velocidades de flujo tan altas. Este concepto se puede utilizar en una amplia gama de composición del tráfico para proporcionar oportunidades de adelantamiento a medida que aumenta el porcentaje de vehículos pesados.

Una calzada 2 + 1 solo debe usarse en terreno plano u ondulado. En terrenos montañosos y en pendientes empinadas aisladas, normalmente es más apropiado introducir carriles de ascenso en las mejoras como se discutió en la Sección 3.4.3. (Carriles de ascenso) del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011).

La ubicación de las principales intersecciones y entradas de alto volumen debe ser una consideración clave al seleccionar ubicaciones de carriles de adelantamiento

53

en las calzadas 2 + 1. La posición adecuada de los carriles de adelantamiento y las secciones de transición con respecto a las intersecciones de mayor volumen, minimizará el número de movimientos de giro dentro de las secciones del carril de adelantamiento. Las intersecciones principales deben ubicarse en el área de transición entre los carriles de cruce opuestos y los carriles convencionales de giro a la izquierda provistos en la intersección, como se ilustra en las Figuras 14 y 15. Como alternativa a los carriles de giro a la izquierda desde el carril de adelantamiento, las técnicas descritas en la Sección 9.9 sobre “Giros indirectos a la izquierda y giros en U” pueden ser apropiadas. Las intersecciones y entradas de bajo volumen pueden acomodarse dentro de las secciones del carril de adelantamiento.

Figura 14. Esquema para la intersección de tres tramos en una calzada 2 + 1.


54

Figura 15. Esquema para la intersección de cuatro patas en una calzada 2+1.


La distancia de frenado debe proporcionarse continuamente a lo largo de una calzada 2+1. Distancia de visibilidad de decisión debe considerarse en las intersecciones y en los carriles.

Los abocinamientos en cada extremo de la sección del carril agregado deben diseñarse para fomentar una operación eficiente y reducir los choques. La longitud del abocinamiento de carril donde el límite de velocidad establecido o legal es de 70 km/h o mayor debe calcularse con la Ecuación 1, basada en el MUTCD (Manual de Dispositivos Uniformes para el Control del Tránsito). Cuando el límite de velocidad establecido o legal sea inferior a 70 km/h, la longitud del abocinamiento de carril debe calcularse a partir de la Ecuación 2. La longitud recomendada para el abocinamiento de adición de carril es de medio a dos tercios de la longitud de perdida de carril. Las Figuras 16 y 17 son esquemas para la perdida de carril adyacente y los conos de adición de carril en una calzada 2 + 1.

55

Figura 16. Esquema de los conos de perdida de carril adyacentes en una

calzada 2 + 1.


Figura 17. Esquema de los conos de adición de carril adyacentes en una calzada 2 + 1.


Los anchos de carril y berma deben ser comparables a los anchos determinados para los volúmenes y velocidades a carreteras de dos carriles para clases funcionales específicas en los capítulos 5 a 7 (CARRETERAS Y CALLES LOCALES - RURAL Y ARTERIAS URBANAS) del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011).

Cuando las carreteras de dos carriles existentes con una corona normal se convierten en calzadas 2 + 1, la ubicación y la transición de la corona es quizás uno de los problemas de diseño más complicados. Una variedad de prácticas se relaciona con la ubicación de la corona. Cuando una carretera existente de dos carriles se restringe como una calzada 2 + 1 o se ensancha para convertirse en una calzada 2 + 1, se puede permitir poner la corona dentro del camino recorrido. Una

56

carretera existente también se puede ampliar en un solo lado, con el resultado de que el bombeo se encuentra en una línea de carril. No hay indicios de diferencias en los choques entre colocar el bombeo de la carretera en un límite de carril o colocarla dentro de un carril. Para calzadas 2 + 1 de nuevo diseño, la corona debe colocarse en el límite de un carril.

Las curvas horizontales deben estar peraltadas de acuerdo con las disposiciones de la Sección 3.3 sobre “Alineamiento horizontal” del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011). El peralte no debe manejarse de manera diferente en una calzada 2 + 1 que en una carretera de dos o cuatro carriles comparables.

Si bien la separación de los carriles de tráfico opuestos puede no ser necesaria en todas las autopistas, es deseable cierta separación entre carriles en direcciones opuestas. Se puede considerar una separación al ras de 1.2 m entre las direcciones opuestas.

Apartaderos

Un apartadero es una berma amplia y sin obstáculos que permite que los vehículos de movimiento lento salgan del carril para dar oportunidades de adelantamiento a los siguientes vehículos. Se espera que el conductor del vehículo de movimiento lento, si hay vehículos siguientes, salga del carril de normal y permanezca en el apartadero solo el tiempo suficiente para que lo adelanten los siguientes vehículos antes de regresar al carril. Cuando solo hay uno o dos vehículos siguientes, esta maniobra se puede lograr sin que sea necesario que el conductor del vehículo se detenga. Sin embargo, cuando se excede este número, el conductor puede necesitar detenerse en el apartadero para que todos los siguientes vehículos pasen. Los apartaderos se usan con mayor frecuencia en carreteras de menor volumen donde las caravanas largas son raras y en terrenos difíciles con pendientes pronunciadas donde la construcción de un carril adicional puede no ser rentable. Tales condiciones se encuentran a menudo en la montaña, áreas costeras y lugares donde más del 10 por ciento de los volúmenes de vehículos son camiones grandes y vehículos recreativos.

La longitud recomendada de apartaderos, incluyendo el abocinamiento, se muestra en la Tabla 2. No se recomiendan apartaderos de menos de 60 m incluso para velocidades muy bajas. Los apartaderos de más de 185 m no se recomiendan para carreteras de alta velocidad para evitar el uso del apartadero como carril de adelantamiento. Las longitudes recomendadas se basan en la suposición de que los vehículos de movimiento lento ingresan a la desviación a 8 km/h más despacio que la velocidad media del tráfico directo. Esta longitud permite que el vehículo entrante descienda hasta el punto medio del apartadero sin frenar y luego, si es

57

necesario, frene con una velocidad de desaceleración que no exceda los 3 m/s2. Las longitudes recomendadas para apartaderos incluyen entradas y salidas de los abocinamientos. Las longitudes típicas de abocinamiento de entrada y salida varían de 15 a 30 m.

Tabla 2. Longitudes recomendadas de apartaderos, incluido el abocinamiento.

Velocidad de aproximación

(km/h)

Longitud Mínima (m)

30 60

40 60

50 65

60 85

70 105

80 135

90 170

100 185

a La longitud máxima debe ser de 185 m para evitar el uso del apartadero como carril de adelantamiento.


El ancho mínimo del apartadero es de 3.6 m a 5 m. No se recomiendan apartaderos de más de 5 m.

Un apartadero no debe ubicarse sobre o adyacente a una curva horizontal o vertical que limite la distancia de visibilidad en cualquier dirección. La distancia de visibilidad disponible debe ser de al menos 300 m en antes del apartadero.

58

También es necesario señalar y marcar correctamente el pavimento para maximizar el uso de la participación y reducir los choques. Una línea de borde marcada en el lado derecho del apartadero para guiar a los conductores, especialmente en apartaderos más amplios.

Berma de Conducción

En partes de los Estados Unidos, se ha establecido una costumbre para que los vehículos de movimiento lento se muevan hacia la berma cuando otro vehículo se acerca desde la parte trasera, y luego regresan al camino recorrido después de que el siguiente vehículo haya pasado. La práctica generalmente ocurre donde existen bermas pavimentados adecuadas y, en efecto, estas bermas funcionan como apartaderos continuos. Esta costumbre se considera como una cortesía para otros conductores que necesitan poco o ningún sacrificio en velocidad por parte de cualquiera de ellos. Si bien algunos organismos viales pueden querer permitir dicho uso como un medio para mejorar las oportunidades de adelantamiento sin una gran inversión de capital, deben reconocer que en muchos estados la ley actualmente prohíbe conducir por la berma. Por lo tanto, Es posible que el organismo que considera la conducción en la berma como una ayuda para pasar tenga que proponer legislación para autorizar dicho uso, así como desarrollar una campaña de educación pública para familiarizar a los conductores con la nueva ley.

Organismos viales deben evaluar el kilometraje de las carreteras de dos carriles con bermas pavimentadas, así como su calidad estructural antes de decidir si permiten su uso como ayuda para adelantar. Debe reconocerse que, cuando la conducción en berma se vuelve común, no se limitará a sitios seleccionados, sino que ocurrirá en cualquier parte del sistema donde se proporcionan bermas pavimentadas. Otra consideración es que se necesitan anchos de berma de al menos 3.0 m, y preferiblemente 3.6 m. También se debe considerar el efecto que puede tener conducir en la berma sobre el uso de la carretera por parte de los ciclistas. Debido a que la práctica de conducir en la berma se ha evolucionado como costumbre local, no se ha creado ninguna señal especial para promover dicho uso.

Secciones de uso de berma

Otro enfoque para proporcionar oportunidades de adelantamiento adicionales es permitir que los vehículos de movimiento lento usen bermas pavimentadas en sitios seleccionados designados por señalización específica. Esta es una aplicación más limitada del uso de las bermas por vehículos de movimiento lento que la conducción por berma descrita en la sección anterior. Por lo general, los conductores se mueven hacia la berma solo el tiempo suficiente para que los siguientes vehículos pasen y luego regresen al carril. Por lo tanto, la sección de uso de la berma funciona como una participación extendida. Esta permite al organismo vial que promueva el uso de

59

bermas solo cuando la berma es adecuada para manejar cargas de tráfico anticipadas y la gran cantidad de caravanas de vehículos ha establecido la necesidad de oportunidades de adelantamiento más frecuentes.

Las secciones de uso de la berma generalmente varían en longitud de 0.3 a 5 km. El uso de berma debe permitirse solo donde las bermas tienen al menos 3.0 m y preferiblemente 3.6 m de ancho. Se necesita una resistencia estructural adecuada para soportar las cargas anticipadas junto con buenas condiciones de superficie. Se debe prestar especial atención a la condición de la berma porque es poco probable que los conductores usen una berma si está áspera, rota o cubierta de escombros. Las señales deben colocarse tanto al principio como al final de la sección donde se permite el uso de bermas. Sin embargo, dado que la señal de secciones de uso de bermas no se aborda en el MUTCD (Manual de Dispositivos Uniformes para el Control del Tránsito), se debe utilizar una señal especial.

Rampas de escape de emergencia

General

Donde existan pendientes largas y descendentes, o donde los controles topográficos y de ubicación indiquen la necesidad de tales pendientes en un nuevo alineamiento, es deseable el diseño y la construcción de una rampa de escape de emergencia en una ubicación adecuada para proporcionar un apoyo para vehículos fuera de control, particularmente camiones, para reducir la velocidad y detenerse lejos del flujo principal de tráfico. Los vehículos fuera de control son generalmente el resultado de la pérdida de la capacidad de frenado de un conductor, ya sea por el sobrecalentamiento de los frenos debido a una falla mecánica o una falla en el cambio en el momento apropiado. La considerable experiencia con rampas construidas en carreteras existentes ha llevado al diseño e instalación de rampas efectivas que salvan vidas y reducen el daño a la propiedad. Los informes y las evaluaciones de las rampas existentes indican que proporcionan tasas de desaceleración aceptables y permiten un buen control del conductor del vehículo en la rampa.

Las fuerzas que actúan en cada vehículo para afectar la velocidad incluyen las fuerzas de resistencia del motor, frenado y tracción. Las fuerzas de resistencia del motor y de frenado pueden ignorarse en el diseño de las rampas de escape porque la rampa debe diseñarse para el peor de los casos, en el que el vehículo está fuera de marcha y el sistema de frenos ha fallado. La fuerza de resistencia a la tracción contiene cuatro subclases: inercial, aerodinámica, rodante, y pendiente. Las fuerzas inerciales y de pendientes negativas actúan para mantener el movimiento del vehículo, mientras que las fuerzas de rodadura, pendiente positiva y resistencia al

60

aire actúan para retrasar su movimiento. La figura 18 ilustra la acción de las diversas fuerzas de resistencia en un vehículo.

Figura 18. Fuerzas que actúan sobre un vehículo en movimiento.


La resistencia de inercia puede describirse como una fuerza que resiste el movimiento de un vehículo en reposo o mantiene un vehículo en movimiento, a menos que el vehículo sea actuado por alguna fuerza externa. Se debe superar la resistencia inercial para aumentar o disminuir la velocidad de un vehículo. Se dispone de fuerzas de resistencia a la pendiente positiva y rodante para superar la resistencia inercial. La resistencia a la rodadura es un término general utilizado para describir la resistencia al movimiento en el área de contacto entre los neumáticos de un vehículo y la superficie de la carretera y solo es aplicable cuando un vehículo está en movimiento. Está influenciado por el tipo y las características de desplazamiento del material de superficie de la carretera. Cada material de superficie tiene un coeficiente, expresado en kg/1000kg de peso bruto del vehículo (GVM), que determina la cantidad de resistencia a la rodadura de un vehículo. Los valores que se muestran en la Tabla 3 para resistencia a la rodadura se han obtenido de varias fuentes en todo el país y son la mejor estimación disponible.

61

La resistencia a la pendiente resulta de la gravedad y se expresa como la fuerza necesaria para mover el vehículo a través de una distancia vertical dada. Para que la resistencia de la pendiente proporcione una fuerza beneficiosa en una rampa de escape, el vehículo debe estar en movimiento, contra la gravedad. En el caso de que el vehículo descienda una pendiente, la resistencia gradual es negativa, lo que reduce las fuerzas disponibles para desacelerar y detener el vehículo. La cantidad de resistencia de la pendiente está influenciada por el peso total del vehículo y la magnitud de la pendiente. Para cada porcentaje de pendiente, la resistencia de la pendiente es de 10 kg/1000kg ya sea que la pendiente sea positiva o negativa.

El componente restante de la resistencia de tracción es la resistencia aerodinámica, la fuerza resultante del efecto retardador del aire sobre las diversas superficies del vehículo. El aire causa una resistencia significativa a velocidades superiores a 80 km/h, pero es insignificante por debajo de 30 km/h. El efecto de la resistencia aerodinámica se ha descuidado al determinar la longitud del lecho de detención, proporcionando así una pequeña margen adicional de seguridad.

62

Tabla 3. Resistencia a la rodadura de los materiales de revestimiento de carreteras.

Material superficial Resistencia a la rodadura

(kg/1000 kg GVM) Pendiente

equivalente

Hormigón cemento Portland

10 1

Hormigón asfáltico 12 1.2

Gravilla, compactada 15 1.5

Tierra, arenosa, suelta 37 3.7

Agregado triturado, suelto

50 5

Grava, suelta 100 10

Arena 150 15

Gravilla 250

a Resistencia a la rodadura expresada como pendiente equivalente.


Necesidad y ubicación de rampas de escape de emergencia

Cada pendiente tiene sus propias características únicas. El alineamiento, la pendiente, la longitud y la velocidad de descenso de la carretera contribuyen al potencial de vehículos fuera de control. En el caso de las carreteras existentes, los funcionarios encargados de hacer cumplir la ley, los conductores de camiones o el público en general informarán de las inquietudes operacionales en una bajada. Una revisión de campo de una pendiente específica puede revelar una barandilla dañada, superficies de pavimento excavadas o aceite derramado que indica lugares donde los conductores de vehículos pesados tuvieron dificultades para negociar una bajada. Para las carreteras existentes, se debe proporcionar una rampa de escape tan pronto como se establezca la necesidad. La experiencia de choque (o para nuevas vías) y las operaciones de camiones en la pendiente, combinado con el

63

juicio de un ingeniero, se utilizan con frecuencia para determinar la necesidad de una rampa de escape de camiones. A menudo, el impacto de un posible camión desbocado en actividades adyacentes o centros de población proporcionará una razón suficiente para construir una rampa de escape.

Se deben evitar las rampas de escape innecesarias. Por ejemplo, una segunda rampa de escape no debería ser necesaria más allá de la curva que creó la necesidad de la rampa inicial.

Si bien no hay pautas universales disponibles para las vías nuevas y existentes, se debe considerar una variedad de factores al seleccionar el sitio específico para una rampa de escape. Cada ubicación presenta una variedad diferente de necesidades de diseño; Los factores que deben considerarse incluyen la topografía, la longitud y el porcentaje de pendiente, la velocidad potencial, la economía, el impacto ambiental y la experiencia de choque. Las rampas deben ubicarse para interceptar la mayor cantidad de vehículos fuera de control, como en la parte inferior de la pendiente y en puntos intermedios a lo largo de la pendiente donde un vehículo fuera de control podría causar un choque catastrófico.

Una técnica para vías nuevas y existentes disponibles para su uso en el análisis de operaciones en una pendiente, además del análisis de choque, es el Sistema de Clasificación de Gravedad. El sistema utiliza un límite predeterminado de temperatura de frenado 260 °C para establecer una velocidad de descenso segura para la pendiente. También se puede usar para determinar las temperaturas de frenado paradas a intervalos de 0.8 km a lo largo de la bajada. La ubicación en la que las temperaturas de los frenos exceden el límite indica el punto en que pueden ocurrir fallas en los frenos, lo que lleva a posibles fugas.

Las rampas de escape generalmente se pueden construir en cualquier lugar práctico donde el alineamiento de la carretera principal sea tangente. Deben construirse antes de las curvas horizontales que no pueden ser negociadas de manera segura por un vehículo fuera de control sin volcarse y antes de las áreas pobladas. Las rampas de escape deben salir a la derecha de la carretera. En las carreteras divididas de varios carriles, donde una salida izquierda puede parecer la única ubicación práctica, se pueden esperar dificultades por la negativa de los vehículos en el carril izquierdo a ceder el paso a vehículos fuera de control que intentan cambiar de carril.

Aunque los accidentes que involucran camiones fuera de control pueden ocurrir en varios sitios a lo largo de una pendiente, las ubicaciones que tienen múltiples accidentes deben analizarse en detalle. El análisis de los datos del choque pertinentes a un posible sitio de rampa de escape debe incluir la evaluación de la sección de la carretera inmediatamente cuesta arriba, incluida la cantidad de

64

curvatura recorrida, la distancia y el radio de la curva adyacente. Una parte integral de la evaluación debe ser la determinación de la velocidad máxima que un vehículo fuera de control podría alcanzar en el sitio propuesto. Esta velocidad máxima obtenible se puede utilizar como la velocidad de diseño mínima para la rampa. La velocidad de entrada de 130 a 140 km/h, recomendada para el diseño, pretende representar una condición extrema y, por lo tanto, no debe usarse como base para seleccionar ubicaciones de rampas de escape. Aunque las variables involucradas hacen que sea poco práctico establecer una garantía de velocidad máxima para la ubicación de las rampas de escape, es evidente que las velocidades anticipadas deben estar por debajo del rango utilizado para el diseño. El factor principal para determinar la necesidad de una rampa de escape de emergencia debe ser la seguridad del otro tráfico en la carretera, el conductor del vehículo fuera de control y los residentes a lo largo y al final de la pendiente. Una rampa de escape, o rampas si las condiciones indican la necesidad de más de una, debe ubicarse donde las pendientes sean empinadas y de longitud que presenten un riesgo sustancial de camiones fuera de control y las condiciones topográficas permitirán la construcción.

Tipos de rampas de escape de emergencia

Las rampas de escape de emergencia se han clasificado de varias maneras. Tres categorías amplias utilizadas para clasificar las rampas son la gravedad, la pila de arena y el lecho de detención. Dentro de estas amplias categorías, predominan cuatro diseños básicos de rampa de escape de emergencia. Estos diseños son la pila de arena y tres tipos de lechos de detención, clasificados por la pendiente del lecho de detención: pendiente descendente, pendiente horizontal y pendiente ascendente. Estos cuatro tipos se ilustran en la Figura 19.

La rampa de gravedad tiene una superficie de agregado pavimentada o densamente compactada, que se basa principalmente en las fuerzas gravitacionales para frenar y detener el fugitivo. Las fuerzas de resistencia a la rodadura contribuyen poco para ayudar a detener el vehículo. Las rampas de gravedad suelen ser largas, empinadas y están limitadas por la topografía del terreno y los costos. Mientras que una rampa de gravedad detiene el movimiento hacia adelante, la superficie pavimentada no puede evitar que el vehículo retroceda por la pendiente de la rampa y pierda el control. Por lo tanto, la rampa de gravedad es la menos deseable de los tipos de rampa de escape.

65

Figura 19. Tipos básicos de rampas de escape de emergencia.


Las pilas de arena, compuestas de arena suelta y seca vertida en el sitio de la rampa, generalmente no tienen más de 120 m de longitud. La influencia de la gravedad depende de la pendiente de la superficie. El aumento de la resistencia a la rodadura es suministrado por arena suelta. Las características de desaceleración de las pilas de arena suelen ser severas y la arena puede verse afectada por el clima. Debido a las características de desaceleración, la pila de arena es menos deseable que la lecho de descarga. Sin embargo, en lugares donde existe espacio

66

inadecuado para otro tipo de rampa, el montón de arena puede ser apropiado debido a sus dimensiones compactas.

Las rampas de escape de lecho de detención de pendiente descendente se construyen paralelas y adyacentes a los carriles contiguos de la carretera. Estas rampas usan agregado suelto en un lecho de detención para aumentar la resistencia a la rodadura y reducir la velocidad del vehículo. La resistencia del gradiente actúa en la dirección del movimiento del vehículo. Como resultado, las rampas de pendiente descendente pueden ser bastante largas porque el efecto gravitacional no actúa para ayudar a reducir la velocidad del vehículo. La rampa debe tener una vía de regreso claro y obvio a la carretera para que los conductores que duden de la efectividad de la rampa sientan que podrán regresar a la autopista a una velocidad reducida.

Donde la topografía puede acomodarse, una rampa de escape de lecho de detención de pendiente horizontal es otra opción. Construida en un gradiente esencialmente plano, la rampa de pendiente horizontal se basa en la mayor resistencia a la rodadura del agregado suelto en un lecho de detención para desacelerar y detener el vehículo fuera de control, ya que el efecto de la gravedad es mínimo. Este tipo de rampa es más larga que el lecho de detención de pendiente ascendente.

La rampa de escape más utilizada es el lecho de detención de pendiente ascendente. Las vías de rampa de este tipo utilizan la resistencia de gradiente como ventaja, complementando los efectos del agregado en el lecho de detención y, en general, reduciendo la longitud de la rampa necesaria para detener el vehículo. El material suelto en el lecho de detención aumenta la resistencia a la rodadura, como en los otros tipos de rampas, mientras que la resistencia del gradiente actúa en una dirección descendente, opuesta a la dirección del movimiento del vehículo. El material del lecho suelto también sirve para mantener el vehículo en su lugar en la pendiente de la rampa después de que se haya detenido de manera segura.

Cada uno de los tipos de rampa es aplicable a una situación particular en la que es deseable una rampa de escape de emergencia y debe ser compatible con la ubicación establecida y los controles topográficos en los posibles sitios. Los procedimientos utilizados para el análisis de las rampas de escape de camiones son esencialmente los mismos para cada una de las categorías o tipos identificados. El factor de resistencia a la rodadura del material de superficie utilizado para determinar la longitud necesaria para reducir la velocidad y detener el camión fuera de control de forma segura es la diferencia en los procedimientos.

67

Consideraciones de diseño

La combinación de la resistencia externa y numerosas fuerzas de resistencia interna, actúan para limitar la velocidad máxima de un vehículo fuera de control. Raramente se alcanzarán velocidades superiores a 130 o 140 km/h. Por lo tanto, se debe diseñar una rampa de escape para una velocidad mínima de entrada de 130 km/h, prefiriéndose una velocidad de diseño de por encima de 140 km/h. Se han desarrollado varias fórmulas y softwares para determinar la velocidad fuera de control en cualquier punto de la pendiente. Estos métodos pueden usarse para establecer una velocidad de diseño para pendientes específicas y alineamientos horizontales.

El diseño y la construcción de rampas de escape efectivas implican una serie de consideraciones de la siguiente manera:

• Para detener con seguridad un vehículo fuera de control, la longitud de la rampa debe ser suficiente para disipar la energía cinética del vehículo en movimiento.

• El alineamiento de la rampa de escape debe ser recto o de curvatura muy abierta para minimizar la dificultad del conductor al controlar el vehículo.

• El ancho de la rampa debe ser adecuado para acomodar más de un vehículo porque no es raro que dos o más vehículos necesiten la rampa de escape en poco tiempo. Un ancho mínimo de 8 m puede ser práctico en algunas áreas, aunque es preferible usar anchos mayores.

• Deseablemente, un ancho de 9 a 12 m acomodaría más adecuadamente dos o más vehículos fuera de control. Se han utilizado con éxito anchos de rampa inferiores a los indicados anteriormente, en algunos lugares donde se determinó que un ancho más amplio era excesivamente costoso o no era necesario. Los anchos de las rampas en uso varían de 3.6 a 12 m.

• El material de superficie utilizado en el lecho de detención debe estar limpio, no compactado fácilmente y tener un alto coeficiente de resistencia a la rodadura. Cuando se usa agregado, debe ser redondeado, sin triturar, predominantemente de un solo tamaño, y tan libre de material de tamaño fino como sea posible. Dicho material maximizará el porcentaje de huecos, proporcionando así un drenaje óptimo y minimizando el enclavamiento y la compactación. Es deseable un material con baja resistencia al corte para permitir la penetración de los neumáticos. La durabilidad del agregado debe evaluarse utilizando una prueba de trituración adecuada.

68

La gravilla es el material utilizado con mayor frecuencia, aunque también se utilizan grava suelta y arena. Una gradación con un tamaño superior de 40 mm se ha utilizado con éxito en varios estados. El material conforme a la gradación AASHTO No. 57 es efectivo si se retira el material de tamaño fino.

• Los lechos de detención deben construirse con una profundidad de agregado mínima de 1 m. La contaminación del material puede reducir la efectividad del lecho de detención creando una capa de superficie dura de hasta 300 mm de espesor en el fondo del lecho. Por lo tanto, se recomienda una profundidad de agregado de hasta 1100 mm. A medida que el vehículo ingresa al lecho de detención, las ruedas del vehículo desplazan la superficie, hundiéndose en el material del lecho, aumentando así la resistencia a la rodadura. Para ayudar a desacelerar el vehículo suavemente, la profundidad del lecho debe reducirse desde un mínimo de 75 mm. En el punto de entrada hasta la profundidad total del agregado en los primeros 30 a 60 m.

• Debe proporcionarse un medio para drenar el lecho de detención, para ayudar a protegerlo de la congelación y evitar la contaminación del material. Esto se puede lograr nivelando la base para drenar, interceptando el agua antes de ingresar al lecho, sistemas de drenaje por debajo con salidas transversales o desagües de borde. Se pueden usar geotextiles o pavimentos entre la subbase y los materiales del lecho para evitar la infiltración de materiales finos que puedan atrapar agua. Cuando hay contaminación por combustible Diesel u otro derrame de material contaminante, es una preocupación, la base del lecho de detención puede estar pavimentada con concreto y se pueden suministrar tanques de retención para retener los contaminantes derramados.

• La entrada a la rampa debe estar diseñada para que un vehículo que viaja a una velocidad alta, pueda ingresar de manera segura. Se debe proporcionar tanta distancia de visibilidad como sea práctica antes de la rampa para que un conductor pueda ingresar de manera segura. La longitud total de la rampa debe ser visible para el conductor. El ángulo de salida de la rampa debe ser pequeño, generalmente de 5 grados o menos. Un carril auxiliar puede ser apropiado para ayudar al conductor a prepararse para ingresar a la rampa de escape. La superficie de la carretera principal debe extenderse hasta, o más allá de la entrada al lecho, para que ambas ruedas delanteras del vehículo fuera de control entren simultáneamente; Esto también proporciona tiempo de preparación para el conductor antes de que comience la desaceleración real. El lecho de detención debe estar desplazado lateralmente de los carriles

69

principales en una cantidad suficiente para evitar que se arroje material suelto sobre ellos.

• El acceso a la rampa debe indicarse claramente mediante la señalización de salida para permitir que el conductor de un vehículo fuera de control reaccione, para minimizar la posibilidad de perder la rampa. Se necesita la demarcación anticipada para informar a los conductores de la existencia de una rampa de escape y preparar a los conductores con anticipación al punto de decisión para que tengan tiempo suficiente para decidir si usarán o no la rampa de escape. Deben usarse letreros reglamentarios cerca de la entrada para disuadir a otros automovilistas de entrar, detenerse o estacionarse en la rampa. La ruta de la rampa se debe delinear para definir los bordes de la rampa y proporcionar dirección nocturna; Para obtener más información, consulte el MUTCD (Manual de Dispositivos Uniformes para el Control del Tránsito). Es preferible iluminar antes de llegar y en la rampa.

• La característica que hace efectiva la rampa de escape es la que más se dificulta para la recuperación de un vehículo capturado por la rampa. Se necesita una vía de servicio ubicado junto al lecho de detención para que las grúas y los vehículos de mantenimiento puedan recuperarlo sin quedar atrapados en el material del lecho. El ancho de esta vía de servicio debe ser de al menos 3 m. Preferiblemente, esta vía de servicio debe estar pavimentado, pero puede estar cubierta de grava. La vía debe estar diseñada de tal manera que el conductor de un vehículo fuera de control no confunda la vía de servicio con el lecho de detención.

• Se necesitan anclajes, generalmente ubicados adyacentes al lecho de detención, a intervalos entre 50 y 100 m, para asegurar una grúa cuando se retira el vehículo del lecho de detención. Un anclaje debe ubicarse aproximadamente 30 m antes del lecho para ayudar al camión de auxilio a devolver un vehículo capturado a la vía. Los operadores locales de grúas pueden ser eficientes para ubicar adecuadamente los anclajes.

A medida que el vehículo avanza, pierde impulso y eventualmente se detendrá debido al efecto de la gravedad. Para determinar la distancia necesaria para detener el vehículo considerando la resistencia a la rodadura y la resistencia al gradiente, se puede usar la siguiente ecuación simplificada:

70

Ecuación 3.

𝐿 = 𝑉2

254(𝑅 − 𝐺)

( 3)

L = Longitud del lecho de detención (m)

V = Entrar, velocidad (km/h)

R = Resistencia a la rodadura, expresada como gradiente equivalente dividido por 100

G = Porcentaje de pendiente dividido por 100

Por ejemplo, suponga que las condiciones topográficas en un sitio seleccionado para una rampa de escape de emergencia limitan la rampa a una pendiente del 10 por ciento (G = +0.10). El lecho de detención se construirá con gravilla suelta para una velocidad de entrada de 140 km/h. Usando la Tabla 4, se determina que R es 0.10. La longitud del lecho de detención debe determinarse utilizando la Ecuación 3. Para este ejemplo, la longitud del lecho de detención es de aproximadamente 400 m.

Cuando se construye un lecho de detención utilizando más de una pendiente a lo largo de su longitud, como se muestra en la Figura 20, la pérdida de velocidad que ocurre en cada una de las pendientes a medida que el vehículo atraviesa el lecho y debe determinarse utilizando la siguiente ecuación:

Ecuación 4.

𝑉𝑓2 = 𝑉𝑖

2 − 254𝐿(𝑅 ± 𝐺)

( 4)

Vf = velocidad al final de la pendiente (km/h)

Vi = Velocidad en la entrada de la pendiente (km/h)

71

L = longitud de la pendiente (m)

R = resistencia a la rodadura, expresada como gradiente porcentual equivalente dividido por 100

G =Porcentaje de pendiente dividido por 100

La velocidad final para una sección de la rampa se resta a la velocidad de entrada

para determinar una nueva velocidad de entrada para la siguiente sección, y el

cálculo se repite en cada cambio de pendiente en la rampa hasta que se

proporcione la longitud suficiente para reducir la velocidad del vehículo fuera de

control a cero.

La Figura 20 muestra la planta y perfil de una rampa de escape de emergencia con accesorios típicos.

Figura 20. Rampa de escape típica.


Cuando la única ubicación práctica para una rampa de escape no proporcione la longitud y pendiente suficientes para detener por completo un vehículo fuera de control, debe complementarse con un adecuado dispositivo de atenuación.

Cuando se debe proporcionar una rampa de longitud completa con capacidad de desaceleración total para la velocidad de diseño, se debe considerar un dispositivo

72

de "última oportunidad" cuando las consecuencias de dejar el extremo de la rampa son graves.

Cualquier tratamiento de final de rampa debe diseñarse con cuidado para que sus ventajas superen a sus desventajas. El riesgo para los demás como resultado de un camión fuera de control que sobrepasa el final de una rampa de escape puede ser más importante que el daño al conductor o la carga del camión. La desaceleración brusca de un camión fuera de control puede provocar el desplazamiento de la carga, corte de la quinta rueda o el coleo, cualquier suceso con posibles daños al conductor y la carga.

Se han utilizado montículos de material entre 0.6 y 1.5 m de altura con pendientes de 1V: 1.5H (es decir, pendientes que cambian de elevación en una unidad de longitud vertical por cada 1 a 1.5 unidades de distancia horizontal) al final de la rampa, como dispositivos de "última oportunidad" en varias ocasiones. Se ha construido al menos una rampa de escape con una serie de amortiguadores instalados, para evitar que un vehículo fuera de control salga del final de la rampa. Además, al final de una rampa de gravedad de superficie dura, un lecho de grava o un conjunto de atenuadores pueden inmovilizar lo suficiente un vehículo fugitivo sin frenos para evitar que ruede hacia atrás y se estrelle. Cuando se usan barriles, los barriles deben llenarse con el mismo material que se usa en el lecho de detención, de modo que cualquier material más fino no dé como resultado la contaminación del lecho y la reducción de la resistencia a la rodadura esperada.

Áreas de verificación de frenos

Las áreas de apartadero en la cumbre de una pendiente se pueden usar para verificación de frenos o como áreas de parada obligatoria para brindar al conductor la oportunidad de inspeccionar el equipamiento del vehículo y verificar que los frenos no estén sobrecalentados al comienzo del descenso. Además, se puede proporcionar información sobre la pendiente por delante y la ubicación de las rampas de escape mediante las señales esquemática o los folletos. No se necesita un diseño elaborado para estas áreas. Un área de control de frenos puede ser un carril pavimentado separado de la berma o una berma ensanchada, donde un camión puede detenerse. Se debe usar la señal apropiada para evitar la detención informal por parte del público.

Mantenimiento

Después de cada uso, los lechos de detención de agregados se deben remodelar utilizando equipos mecánicos en la medida de lo posible y el agregado se debe cortarse según corresponda. Como el agregado tiende a compactarse con el tiempo, el material del lecho debe limpiarse de contaminantes y cortarse periódicamente para retener las características del material del lecho y mantener un drenaje

73

adecuado. El uso de equipos eléctricos para trabajar en el lecho de detención reduce el tiempo de exposición de los trabajadores de mantenimiento al momento que un camión fuera de control puede necesitar usar la instalación. El mantenimiento de los accesorios debe realizarse según corresponda.

Curvas verticales

Consideraciones generales

Las curvas verticales sirven para que los cambios entre pendientes tangentes sean graduales, pueden ser convexas o cóncavas se muestran en la Figura 21. Las curvas verticales deben ser simples en su aplicación y deben dar como resultado un diseño que permita al conductor ver el camino por delante, mejorar el control del vehículo, agradable en apariencia y sea adecuada para el drenaje. El principal control de diseño para las curvas verticales convexas es la provisión de amplias distancias de visibilidad para la velocidad de diseño; Si bien la investigación ha demostrado que las curvas verticales con una distancia de visibilidad limitada no necesariamente experimentan choques frecuentes, se recomienda que todas las curvas verticales se diseñen para proporcionar al menos las distancias de visibilidad de frenado que se muestran en la Tabla 3-1 “Distancia de visibilidad de parada en carreteras planas” del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011). Siempre que sea práctico, se deben utilizar distancias de visibilidad de frenado más largas, Además, se debe proporcionar una distancia de visibilidad adicional en los puntos de decisión.

Para la comodidad del conductor, la tasa de cambio de pendiente debe mantenerse dentro de los límites tolerables. Esta consideración es más importante en las curvas verticales cóncavas, donde las fuerzas centrípetas gravitacionales y verticales actúan en direcciones opuestas. La apariencia también debe considerarse al diseñar curvas verticales. Una curva larga tiene una apariencia más agradable que una corta; Las curvas verticales cortas pueden dar la apariencia de una ruptura repentina en el perfil debido al efecto del acortamiento.

74

Figura 21. Tipos de curvas verticales.


El drenaje de carreteras en curvas verticales cóncavas (Tipo III en la Figura 21) necesita un diseño de perfil cuidadoso para mantener una pendiente de no menos de 0.50 por ciento o, en algunos casos, 0.30 por ciento para los bordes exteriores de la carretera. Aunque no es deseable, las pendientes más planas pueden ser apropiadas en algunas situaciones.

75

Para simplificar, una curva parabólica con un eje vertical equivalente centrado en el Punto de intersección vertical (VPI) se usa generalmente en el diseño de perfiles de carreteras. Los desplazamientos verticales de la tangente varían según el cuadrado de la distancia horizontal desde el extremo de la curva (Punto de tangencia). El desplazamiento vertical desde la pendiente de la tangente en cualquier punto a lo largo de la curva se calcula como una proporción del desplazamiento vertical en el VPI, que es AL/800, donde los símbolos son como se muestran en la Figura 21. El índice de cambio de pendiente en puntos sucesivos de la curva es una cantidad constante para incrementos iguales de distancia horizontal, y es igual a la diferencia algebraica entre pendientes de las tangentes intersectantes divididas por la longitud de la curva en metros, o A/L en porcentaje por metro. La L/A recíproca es la distancia horizontal en metros necesaria para realizar un cambio de 1 por ciento en la pendiente y, por lo tanto, es una medida de curvatura. La cantidad L/A, denominado "K", es útil para determinar la distancia horizontal desde el Principio de la curva vertical (VPC) hasta el punto alto de las curvas Tipo I o el punto bajo de las curvas Tipo III. Este punto donde la pendiente es cero ocurre a una distancia de la VPC igual a K veces la pendiente de entrada. El valor de K también es útil para determinar longitudes mínimas de curvas verticales para varias velocidades de diseño. Más detalles sobre las curvas verticales parabólicas se encuentran en los libros de texto sobre ingeniería de carreteras.

En ciertas situaciones, debido al espacio crítico u otros controles, el uso de curvas verticales asimétricas puede ser apropiado. Debido a que las condiciones bajo las cuales tales curvas son apropiadas son poco frecuentes, la derivación y el uso de las ecuaciones relevantes no se han incluido aquí. Para usar en casos tan limitados, consulte los datos de curvas asimétricas que se encuentran en varios textos de ingeniería de carreteras.

Curvas verticales convexas

Las longitudes mínimas de las curvas verticales convexas basadas en criterios de distancia de visibilidad generalmente son satisfactorias desde el punto de vista de seguridad, comodidad y apariencia. Una excepción puede ser en las áreas de decisión, como las entradas a las rampas, donde se deben proporcionar distancias de visibilidad más largas y, por lo tanto, curvas verticales más largas; para obtener más información, consulte la Sección 3.2.3, “Distancia de visibilidad de decisión” del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011).

La Figura 22 ilustra los parámetros utilizados para determinar la longitud de una curva vertical convexa necesaria para proporcionar cualquier valor específico de distancia de visibilidad. Las ecuaciones básicas para la longitud de una curva vertical convexa en términos de diferencia algebraica de pendiente y distancia de visibilidad son las siguientes:

76

Ecuaciones 5 y 6.

Cuando S es menos que L

𝐿 =𝐴𝑆2

100(√2ℎ1 + √2ℎ2)2

( 5)

Cuando S es mayor que L

𝐿 = 2𝑆 200(√ℎ1 + √ℎ2)2

𝐴

( 6)

L = longitud de la curva vertical(m)

A = diferencia algebraica en los grados, porcentaje

S = distancia de visibilidad (m)

h₁ = altura del ojo por encima de la superficie de la carretera (m)

h₂ = altura del objeto por encima de la superficie de la calzada (m)

77

Figura 22. Parámetros considerados en la determinación de la longitud de curva vertical convexa, Curva para proporcionar distancia de visibilidad.


Cuando la altura del ojo y la altura del objeto son 1.08 y 0.60 m, respectivamente, se usan para hallar la distancia de visibilidad, las ecuaciones se convierten en:

78

Ecuaciones 7 y 8.

Cuando S es menor que L

𝐿 = 𝐴𝑆2

658

( 7)


𝐿 = 2𝑆 − 658

𝐴

( 8)

Controles de diseño: Distancia de visibilidad de frenado: En la Figura 23 se muestran las longitudes mínimas de las curvas verticales convexas para diferentes valores de A para proporcionar las distancias de visibilidad mínimas de frenado para cada velocidad de diseño. Las líneas continuas dan las longitudes mínimas de curva vertical, sobre la base de valores redondeados de K como se determina a partir de las ecuaciones 7 y 8.

79

Figura 23. Controles de diseño para curvas verticales convexas: condiciones en carretera abierta.


La curva corta discontinua en la parte inferior izquierda, cruzando estas líneas, indica dónde S=L. Observe que a la derecha de la línea S=L, el valor de K, o la longitud de la curva vertical por porcentaje de cambio en A, es simple y expresión conveniente del control de diseño. Para cada velocidad de diseño, este valor único es un número entero positivo que es indicativo del índice de curvatura vertical. El control de diseño en términos de K cubre todas las combinaciones de A y L para cualquier velocidad de diseño; por lo tanto, A y L no necesitan indicarse por separado en una tabulación del valor de diseño. La selección de curvas de diseño se facilita porque la longitud mínima de la curva en metros es igual a K veces la diferencia algebraica en porcentaje, L= KA. Por el contrario, la verificación de los planos se simplifica comparando todas las curvas con el valor de diseño para K.

La Tabla 4 muestra los valores K calculados para longitudes de curvas verticales correspondientes a las distancias de visibilidad de frenado que se muestran en la Tabla 3-1 “Distancia de visibilidad de parada en carreteras planas” del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011) para cada velocidad de diseño. Para uso directo en el diseño, los valores de K se redondean como se muestra en la columna de la derecha. Los valores redondeados

80

de K se trazan como las líneas continuas en la Figura 23. Estos valores redondeados de K son más altos que los valores calculados, pero las diferencias no son significativas.

Donde S es mayor que L (abajo a la izquierda en la Figura 23), los valores calculados se trazan como una curva (como se muestra en la línea punteada para 70 km/h) que se dobla hacia la izquierda y para valores pequeños de A, las longitudes de la curva vertical son cero porque la línea de visión pasa sobre el punto alto. Esta relación no representa una práctica de diseño deseable. La mayoría de los estados usan una longitud mínima de curva vertical, expresada como un valor único, un rango para diferentes velocidades de diseño, o una función de A. Los valores ahora en uso van desde aproximadamente 30 a 100 m. Para reconocer la distinción en la velocidad de diseño y para aproximar el rango de la práctica actual, las longitudes mínimas de las curvas verticales se expresan como aproximadamente 0.6 veces la velocidad de diseño en km/h, L min = 0.6V, donde V está en kilómetros por hora y L es en metros. Estos ajustes terminales se muestran como las líneas verticales en la parte inferior izquierda de la Figura 23.

81

Tabla 4. Controles de diseño para curvas verticales convexas basadas en la

distancia de visibilidad de frenado.

Velocidad de diseño (km/h)

Distancia de visibilidad de frenado (m)

tasa de curvatura vertical K°

Calculada Diseñada

20 20 0.6 1

30 35 1.9 2

40 50 3.8 4

50 65 6.4 7

60 85 11 11

70 105 16.8 17

80 130 25.7 26

90 160 38.9 39

100 185 52 52

110 220 73.6 74

120 250 95 95

130 285 123.4 124

a Tasa de curvatura vertical, K; longitud de la curva en m por cada 1% de diferencia algebraica entre las pendientes que se intersecan; K = L/A.


Los valores de K derivados anteriormente cuando S es menor que L también se pueden usar sin errores significativos donde S es mayor que L. Como se muestra en la Figura 22, extensión de las líneas diagonales para cumplir con las líneas verticales para longitudes mínimas de curvas verticales resulta en diferencias apreciables de lo teórico solo cuando A es pequeño y hay poco o ningún costo adicional involucrado en la obtención de curvas verticales más largas.

82

Para la conducción nocturna en carreteras sin iluminación, la longitud visible de la carretera es aquella que está iluminada directamente por los faros del vehículo. Para ciertas condiciones, los valores mínimos de distancia de visibilidad de frenado, utilizados para el diseño, exceden la longitud visible de la carretera. Primero, los faros de los vehículos tienen limitaciones en la distancia sobre la cual pueden proyectar los niveles de intensidad de luz necesarios para la visibilidad. Cuando los faros funcionan con luces bajas, la potencia reducida de las velas en la fuente más el ángulo de proyección hacia abajo restringe significativamente la longitud visible de la superficie de la carretera. Por lo tanto, particularmente para condiciones de alta velocidad, los valores de distancia de visibilidad de frenado exceden las distancias de visibilidad de la superficie de la carretera iluminada por los faros de luz baja independientemente de si el perfil de la carretera es plano o curvo verticalmente. En segundo lugar, para las curvas verticales convexas, el área delantera del punto de tangencia del haz del faro con la superficie de la carretera está sombreada y solo recibe iluminación indirecta.

Dado que la altura de montaje de los faros (generalmente están alrededor de 0,60 m) es menor que la altura del ojo del conductor utilizada para el diseño 1,08 m, la distancia de visibilidad de un objeto iluminado se controla por la altura de los faros del vehículo en lugar de por la línea de visión directa. Cualquier objeto dentro de la zona de sombra debe ser lo suficientemente alto como para extenderse hacia el haz del faro para iluminarlo directamente. Sobre la base de la Ecuación 9, la parte inferior del haz del faro está a unos 0,40 m por encima de la carretera a una distancia por delante del vehículo igual a la distancia de visibilidad de frenado. Aunque el sistema de faros del vehículo limita la visibilidad en la Carretera como se mencionó anteriormente, hay algún efecto mitigante en que otros vehículos, cuya altura de la luz trasera generalmente varía de 0,45 a 0,60 m, y otros objetos de gran tamaño reciben luz directa de los faros a los valores de distancia de visión utilizados para el diseño, además, los conductores son conscientes de que la visibilidad por la noche es menor que durante el día, independientemente de las características de diseño de la carretera y la calle, por lo que pueden estar más atentos y alertas.

Hay un punto nivelado en una curva vertical convexa de Tipo I (ver Figura 21), pero no se experimenta dificultad con el drenaje en carreteras con bordillos si la curva es lo suficientemente aguda como para alcanzar una pendiente mínima de 0.30 por ciento en un punto, a unos 15 m de la curva vertical convexa. Esto corresponde a K de 51 m por cambio porcentual en la pendiente, que se representa en la Figura 23 como el máximo drenaje. Todas las combinaciones arriba o a la izquierda de esta línea satisfacen el criterio de drenaje. Las combinaciones a continuación y a la derecha de esta línea implican curvas verticales más planas. Se necesita especial atención en estos casos para proporcionar un drenaje adecuado del pavimento cerca del punto alto de las curvas verticales convexas. No se pretende que K=51 m

83

se considere como parámetro de diseño máximo, sino simplemente un valor más allá del cual el drenaje debe diseñarse con más cuidado.

Controles de diseño: Distancia de visibilidad de adelantamiento: Los valores de diseño de las curvas verticales convexas para la distancia de visibilidad de adelantamiento difieren de aquellos para la distancia de visibilidad de frenado debido a los diferentes criterios de distancia de visibilidad y altura del objeto. Se aplican las ecuaciones generales 9 y 10. El uso de la altura del objeto de 1.08 m da como resultado las siguientes fórmulas específicas con los mismos términos que se muestran arriba:

Ecuaciones 9 y 10.


𝐿 = 𝐴𝑆2

864


( 9)

𝐿 = 2𝑆 − 864

𝐴

( 10)

Para las distancias de visuales de adelantamiento mínimas que se muestran en la Tabla 3-4 “Distancia de visibilidad de adelantamiento para el diseño de carreteras de dos carriles” del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011), las longitudes mínimas de las curvas verticales convexas son sustancialmente más largas que aquellas para detener distancias de visión. La extensión de la diferencia es evidente por los valores de K, o la longitud de la curva vertical por porcentaje de cambio en A, para las distancias de visibilidad de adelantamiento se muestran en la Tabla 5.

84

Tabla 5. Controles de diseño para curvas verticales convexas basadas en la distancia de visibilidad de adelantamiento.

Velocidad de diseño

(km/h)

Distancia de visibilidad de

adelantamiento

tasa de curvatura vertical K° de

diseño

30 120 17

40 140 23

50 160 30

60 180 38

70 210 51

80 245 69

90 280 91

100 320 119

110 355 146

120 395 181

130 440 224

a Tasa de curvatura vertical, K; la longitud de la curva en m por cada 1% de diferencia algebraica entre las pendientes que se interceptan (A), K = L/A.


En general, no es práctico diseñar curvas verticales convexas que proporcionen una distancia de visibilidad de adelantamiento debido al alto costo en el que están involucrados los cortes de curvas convexas y la dificultad de ajustar las largas curvas verticales resultantes al terreno, particularmente para carreteras de alta velocidad. La distancia de visibilidad de adelantamiento en las curvas verticales convexas puede ser práctica en carreteras con combinaciones inusuales de

85

velocidades de diseño bajas y pendientes suaves, o velocidades de diseño más altas con diferencias algebraicas muy pequeñas en las pendientes. Por lo general, la distancia de visibilidad de adelantamiento solo se proporciona en lugares donde las combinaciones de alineamiento y perfil no necesitan un significativo movimiento de tierras. La Tabla 5 muestra los valores calculados de K para determinar las longitudes de las curvas verticales correspondientes a los valores de distancia de visibilidad que se muestran en la Tabla 3-4 " Distancia de visibilidad de adelantamiento para el diseño de carreteras de dos carriles" del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011).

Curvas verticales cóncavas

Se tienen en cuenta al menos cuatro criterios diferentes para establecer longitudes de curvas verticales cóncavas, estos son: (1) distancia de visibilidad del faro, (2) comodidad del pasajero, (3) control de drenaje y (4) apariencia general.

La distancia de visibilidad de los faros ha sido utilizada directamente por algunas agencias y, en su mayor parte, es la base para determinar la longitud de las curvas verticales cóncavas recomendadas aquí. Cuando un vehículo atraviesa una curva vertical cóncava por la noche, la porción de carretera iluminada hacia adelante depende de la posición de los faros y la dirección del haz de luz. Se supone comúnmente una altura del faro de 0,60 m y una divergencia hacia arriba de 1 grado del haz de luz desde el eje longitudinal del vehículo. La extensión hacia arriba del haz de luz por encima del ángulo de divergencia de 1 grado proporciona una longitud visible adicional de la carretera, pero generalmente no se considera en el diseño. Las siguientes ecuaciones muestran las relaciones entre S, L y A, usando S como la distancia entre el vehículo y el punto donde el ángulo ascendente de 1 grado del haz de luz se cruza con la superficie de la carretera:

Ecuaciones 11, 12, 13 y 14.


𝐿 = 𝐴𝑆2

200(0.6 + 𝑆(tan 1°))

( 11)

O,

86

𝐿 = 𝐴𝑆2

120 + 3.5𝑆 ( 12)


𝐿 = 2𝑆 −200(0.6 + 𝑆(tan 1°))

𝐴

( 13)

O,

𝐿 = 2𝑆 − 120 + 3.5𝑆

𝐴

( 14)

L = longitud de la curva vertical de hundimiento (m)

A = diferencia algebraica en las pendientes (%)

S = distancia del haz de luz (m)

Para que los conductores vean la carretera, una curva vertical cóncava debe ser lo suficientemente larga como para que la distancia del haz de luz sea aproximadamente la misma que la distancia de visibilidad de frenado. Por consiguiente, es apropiado usar distancias de visibilidad de frenado para diferentes velocidades de diseño como el valor de S en las ecuaciones anteriores. Las distancias de visibilidad de frenado recomendadas de las curvas verticales cóncavas para cada velocidad de diseño se muestran en la Figura 24 con líneas continuas que usan valores redondeados de K, como se hizo para las curvas verticales convexas.

87

Figura 24. Controles de diseño para curvas verticales cóncavas: condiciones de carretera abierta.


El efecto sobre la comodidad de los pasajeros del cambio de pendiente es mayor en la curva vertical cóncava que en la convexa porque las fuerzas gravitacionales y centrípetas se combinan en lugar de fuerzas opuestas. Debido al cambio en la dirección vertical no se mide fácilmente porque se ve afectado de manera apreciable por la suspensión de la carrocería del vehículo, el peso de la carrocería del vehículo, la flexibilidad de los neumáticos y otros factores. Los intentos limitados de tales mediciones han llevado a la conclusión general de que la conducción es cómoda en curvas verticales cóncavas cuando la aceleración centrípeta no supera los 0.3 m / s2. La expresión general para tal criterio es:

Ecuaciones 15.

𝐿 = 𝐴𝑉2

395 ( 15)

88

L = longitud de la curva de hundimiento vertical (m)


V = velocidad de desiste (km/h)

La longitud de la curva vertical necesaria para satisfacer este factor de comodidad en las diversas velocidades de diseño es solo alrededor del 50 por ciento de la necesaria para satisfacer el criterio de distancia de visión del faro para el rango normal de condiciones de diseño.

El drenaje afecta el diseño de curvas verticales de Tipo III (ver Figura 22). Un criterio aproximado para las curvas verticales cóncavas es el mismo que el expresado para las condiciones de la convexa (es decir, se debe proporcionar una pendiente mínima de 0.30 por ciento a 15 m del punto de cota mínimo). Este criterio corresponde a un K de 51 m por cambio porcentual en la pendiente, que se representa en la Figura 24 como el máximo drenaje. El criterio de drenaje difiere de otros criterios en que la longitud de la curva vertical cóncavas determinada es máxima, mientras que la longitud de cualquier otro criterio es mínima. La longitud máxima del criterio de drenaje es mayor que la longitud mínima para los otros criterios de hasta 100 km/h.

Para mejorar la apariencia de las curvas verticales cóncavas, la guía previa utilizó una regla general para una longitud mínima de la curva de 30A o, en la Figura 24, K = 30 m por cambio porcentual en la pendiente. Esta aproximación es un control generalizado para valores pequeños o intermedios de A. En comparación con la distancia visual del faro, corresponde a una velocidad de diseño de aproximadamente 80 km/h. En carreteras de tipo alto, las curvas más largas son apropiadas para mejorar la apariencia.

De la discusión anterior, es evidente que los controles de diseño para las curvas verticales cóncavas difieren de los de las convexas, y se necesitan valores de diseño separados. La distancia de visibilidad del faro parece ser el criterio más lógico para el uso general, y los valores determinados para las distancias de visión están dentro de los límites reconocidos en la práctica actual. Se recomienda el uso de este criterio para establecer valores de diseño para un rango de longitudes de curvas verticales cóncavas. Como en el caso de las curvas verticales convexas, es conveniente expresar el control de diseño en términos del índice K para todos los valores de A. Esto implica cierta desviación de los valores calculados de K para valores pequeños de A, pero las diferencias no son significativas. La Tabla 6 muestra el rango de valores calculados y los valores redondeados de K seleccionados como controles de diseño. Las líneas continuas en la Figura 24 muestran las longitudes de las curvas verticales cóncavas sobre la base de los valores de velocidad de diseño de K. Debe enfatizarse que estas longitudes son valores mínimos basados en la velocidad de diseño; se desean curvas más largas

89

siempre que sea práctico, pero se debe prestar especial atención al drenaje cuando se utilizan valores de K superiores a 51 m por porcentaje de cambio de pendiente.

En las curvas verticales cóncavas para pendientes planas también se reconocen longitudes mínimas. Los valores determinados para las condiciones de las convexas parecen ser generalmente aptos para las cóncavas. Las longitudes de las curvas verticales cóncavas, mostradas como líneas verticales en la Figura 24, son iguales a 0.6 veces la velocidad de diseño en km/h.

Las curvas verticales cóncavas más cortas que las longitudes calculadas en la Tabla 6 pueden justificarse por razones económicas en los casos en que una característica existente, como una estructura que no está lista para el reemplazo, controla el perfil vertical. En ciertos casos, las rampas también pueden diseñarse con curvas verticales cóncavas más cortas. Es deseable una fuente de iluminación fija en tales casos. Para el diseño de calles, algunos ingenieros aceptan el diseño de una curva cóncava o convexa donde A es aproximadamente 1 por ciento o menos, sin una longitud de curva vertical calculada. Sin embargo, las modificaciones de campo durante la construcción generalmente dan como resultado la construcción de una curva vertical equivalente, incluso si es corta.

90

Tabla 6. Controles de diseño para curvas verticales cóncavas.


Distancia de visibilidad de frenado (m)

tasa de curvatura vertical K°

Calculada Diseñada

20 20 2.1 3

30 35 5.1 6

40 50 8.5 9

50 65 12.2 13

60 85 17.3 18

70 105 22.6 23

80 130 29.4 30

90 160 37.6 38

100 185 44.6 45

110 220 54.4 55

120 250 62.8 63

130 285 72.7 73

a Índice de curvatura vertical K; longitud de la curva dividida en la diferencia algebraica de pendientes (A), K = L/A (m/%)


Distancia de visibilidad en cruces bajo estructuras

La distancia de visibilidad en la carretera en un cambio de nivel debe ser al menos la distancia de visibilidad mínima de frenado y preferiblemente más larga. El diseño del alineamiento vertical es el mismo que en cualquier otro punto de la carretera,

91

excepto en algunos casos de curvas verticales cóncavas que pasan por debajo de una estructura como se ilustra en la Figura 25. Si bien no es una preocupación frecuente, la estructura puede cortar la línea de visión y limitar la distancia de visibilidad. En general, es práctico proporcionar la longitud mínima de la curva vertical cóncava en las estructuras donde se presente un cambio de nivel, e incluso cuando se exceden las pendientes recomendadas, la distancia de visibilidad no debería reducirse por debajo de los valores mínimos recomendados para la distancia de visibilidad de frenado.

Para algunas condiciones, el diseñador puede verificar la distancia de visibilidad disponible en un cruce bajo nivel, como en un cruce bajo nivel de dos carriles sin rampas donde sería deseable proporcionar una distancia de visibilidad de adelantamiento. Dichas comprobaciones se realizan mejor gráficamente en el perfil, pero pueden realizarse mediante cálculos.

Figura 25. Distancia de visibilidad en cruces subterráneos.


92

Las ecuaciones generales para la longitud de la curva vertical cóncava en los cruces inferiores son:

Caso 1: distancia de visibilidad mayor que la longitud de la curva vertical (S> L):

Ecuación 16.

𝐿 = 2𝑆 − 800 [𝐶 − (

ℎ1 + ℎ2

2 )]

𝐴 ( 16)

L = longitud de vertical curve (m)


C = aclaramiento vertical (m)

h₁ = altura del ojo (m)

h₂ = altura del objeto (m)


Caso 2: distancia de visibilidad menor que la longitud de la curva vertical (S <L):

Ecuación 17.

𝐿 = 𝐴𝑆2

800 [𝐶 − (ℎ1 + ℎ2

2 )] ( 17)

L = longitud de vertical curve (m)


C = aclaramiento vertical (m)

h₁ = altura del ojo (m)

h₂ = altura del objeto (m)


93

Con una altura de ojo de 2.4 m para un conductor de camión y una altura de objeto de 0.6 m para las luces traseras de un vehículo, se pueden derivar las siguientes ecuaciones:

Caso 1: distancia de visibilidad mayor que la longitud de la curva vertical (S> L):

Ecuación 18.

𝐿 = 2𝑆 − 800(𝐶 − 1.5)

𝐴 ( 18)

Caso 2: distancia de visibilidad menor que la longitud de la curva vertical (S <L):

Ecuación 19.

𝐿 =𝐴𝑆2

800(𝐶 − 1.5) ( 19)

Controles generales para alineamiento vertical

Además de los controles específicos para el alineamiento vertical discutidos anteriormente, hay varios controles generales que deben considerarse en el diseño.

• Se debe buscar una línea de pendiente con cambios graduales suaves, en consonancia con el tipo de vía, carretera o calle y las características del terreno, en lugar de una línea con numerosos saltos y tramos cortos de pendientes. Los criterios de diseño específicos son la pendiente máxima y longitud crítica de la pendiente, pero la forma en que se aplican y ajustan al terreno en una línea continua determina la idoneidad y la apariencia del producto terminado.

• Debe evitarse el tipo de rasante "montaña rusa" o "hundimiento oculto". Tales perfiles generalmente ocurren en alineamiento horizontal relativamente directo, donde el perfil de la carretera sigue de cerca el perfil de terreno natural. Ejemplos de tales perfiles no deseados son evidentes en muchas carreteras y calles antiguas; Son desagradables estéticamente y difíciles de manejar. Los hundimientos ocultos pueden crear dificultades para los conductores que desean adelantar, ya que pueden ser engañados si la vista de la carretera o la calle más allá del hundimiento está libre de

94

vehículos que transitan en sentido opuestos. Incluso con hundimientos pocos profundos, este tipo de rasantes pueden ser desconcertantes, porque el conductor no puede estar seguro de si hay un vehículo que se aproxima oculto más allá de la subida. Este tipo de perfil se evita mediante el uso de curvas horizontales o pendientes más graduales.

• Las líneas de pendiente onduladas, que involucran sustanciales longitudes de pendientes de impulso, deben evaluarse por su efecto en la operación del tráfico. Generalmente dichos perfiles permiten que los camiones operen a velocidades más altas que cuando una subida no está precedida por una bajada, pero pueden fomentar velocidades excesivas de camiones, con probables conflictos con el resto del tráfico.

• En general, se debe evitar una rasante "discontinua" (dos curvas verticales en la misma dirección, separadas por una sección corta de pendiente tangente), particularmente en las curvas cóncavas donde la vista completa de ambas curvas verticales no es agradable. Este efecto es particularmente notable en carreteras divididas con secciones medianas.

• En pendientes largas, es preferible dividir el tramo con pendiente continua en tramos cortos, colocando la pendiente más pronunciada en la parte inferior y la pendiente más plana en la parte superior, la pendiente más pronunciada que este ligeramente debajo de la máxima recomendada. Esto es particularmente aplicable a carreteras y calles con bajas velocidades de diseño.

• Donde se producen intersecciones a nivel en las secciones de la carretera con pendientes moderadas a pronunciadas, es conveniente reducir la pendiente a través de la intersección. Dichos cambios de rasante son beneficiosos para los vehículos que giran y sirven para reducir la posibilidad de accidentes.

• Deben evitarse las curvas verticales cóncavas en los cortes a menos que se pueda proporcionar un drenaje adecuado.

95

7. COMPARACIÓN

Tabla 7. Tabla comparativa entre los manuales INVIAS, AASHTO y FOMENTO.

CONCEPTO AASHTO INVIAS FOMENTO

TA

NG

EN

TE

S

PE

ND

IEN

TE

S D

E C

ON

TR

OL

PA

RA

DIS

EÑ

O

PE

ND

IEN

TE

MÁ

XIM

A

Las pendientes máximas dependen del tipo de vía y terreno, siendo para cada velocidad las siguientes: · 20km/h entre 8-18%, · 30km/h entre 7-16%, · 40km/h entre 7-15%. · 50km/h entre 7-14% · 60km/h entre 5-13% · 70km/h entre 5-12% · 80km/h entre 4-10% · 90km/h entre 4-10% · 100km/h entre 3-9% · 110km/h entre 3-5% · 120km/h entre 3-5% · 130km/h entre 3-5%

Considera Dos Situaciones: · Función de la velocidad del proyecto Vp.

1. Fase 1 del proyecto, la pendiente media máxima (PMMAX) debe estar en consonancia con la velocidad de diseño del tramo homogéneo (VTR).

· En tramos de la calzada donde sea posible la existencia de hielo, debe procurarse que la pendiente no sea mayor al 10 %.

Autopistas Y Autovías

2. Función de la velocidad específica de la tangente vertical (VTV) Pudiendo ser aumentada en 2 % si son curvas verticales consecutivas (una convexa y la otra cóncava o viceversa) y no exista entretangencia vertical.

· 80 y 90 km/h = 5 %. · 100 a 140 km/h = 4 %. · En casos justificados puede aumentar 1 %. · Calzadas con un diseño vertical independiente, pueden aumentar 1 % adicional.

En los tramos cortos de pendiente con menos de 150 m de longitud la pendiente máxima en zonas urbanas puede ser 1% más pronunciada y 2% para carreteras rurales.

Vías Primarias: Las pendientes máximas se ubican en velocidades altas entre (70-130km/h).

Carreteras Convencionales Y Carreteras Multicarril

Vías Secundarias: Las pendientes máximas se ubican en velocidades entre (40-80 o 100km/h).

· 40 y 50 km/h = 7 % o 10%. · 60 y 70 km/h = 6 % o 8 %. · 80 y 90 km/h = 5 % o 7 %. · 100 km/h = 4 % o 5 %.

Las pendientes máximas no deben usarcé con frecuencia.

Vías Terciarias: Las pendientes máximas se ubican en velocidades entre (20-60km/h).

La pendiente máxima la maneja en carreteras recreacionales con el 18%.

La pendiente máxima la maneja en carreteras terciarias con el 14%.

La pendiente máxima la maneja en carreteras con velocidades de 50 y 40 km//h con el 10%.

96


TA

NG

EN

TE

S

PE

ND

IEN

TE

S D

E C

ON

TR

OL

PA

RA

DIS

EÑ

O

PE

ND

IEN

TE

MÍN

IMA

· 0.5 % para el escurrimiento de aguas lluvia en la superficie y el adecuado funcionamiento de las cunetas.

· 0.5 % para el escurrimiento de aguas lluvia en la superficie y el adecuado funcionamiento de las cunetas.

No menor a 0.5 %. Puede llegar a alcanzar el 0.2 % en casos especiales y justificados

· 0.3 % en casos especiales y justificados.

· 0.3 % en terreno plano o donde no sea posible usar la pendiente mínima deseable.

PE

ND

IEN

TE

EN

CA

RR

ILE

S

AD

ICIO

NA

LE

S

Se omite la pendiente individual del carril adicional y se toma por sentado que esta debe tener la misma pendiente que el carril directo.

N/A La misma que la correspondiente a la plataforma o calzada de la que formen parte.

PE

ND

IEN

TE

EN

TU

NE

LE

S

N/A

se evitan tramos donde se pueda presentar pendiente critica. Se recomiendan pendientes longitudinales máximas de 3% y en algunos casos de 5% siempre y cuando no se exceda la longitud critica de la pendiente.

La pendiente ideal es la que ayude a cumplir con la longitud critica para que no sea necesario crear carriles adicionales y menos en un túnel, de lo contrario se debe cumplir con los siguientes criterios:

· Vp ≥ 100 km/h la velocidad de los vehículos pesados sea ≥ 60 km/h

El drenaje debe hacerse por gravedad como pendiente longitudinal mínima se acepta en 0.5%.

· Vp < 100 km/h, La velocidad de los vehículos pesados debe ser ≥ a la mitad de la máxima velocidad señalizada en el túnel.

TA

NG

EN

TE

S

LO

NG

ITU

D

CR

ÍTIC

A

La longitud critica de pendiente se usa para indicar la longitud máxima de una pendiente designada a la cual un camión cargado puede operar sin una reducción irrazonable de velocidad.

· Relación peso/potencia del vehículo pesado de diseño.

No se puede hacer uso de tramos con la pendiente máxima que superen una longitud de 3 km, sin importar la velocidad del proyecto (Vp) o la clase de carretera.

97


• Tamaño y potencia del camión de diseño. · Velocidad media de operación de

los vehículos pesados (estudio de tránsito y geometría de la vía). • Velocidad de entrada a la longitud

critica de pendiente.

• Velocidad mínima en la pendiente bajo la cual la interferencia a vehículos se considera irrazonable, se recomienda utilizar un criterio de reducción de 15 km/h para reducir la tasa de participación en choques.

· El vehículo pesado de diseño sufre una reducción en su velocidad de 25 km/h con respecto a su velocidad media de operación.

La medición de la longitud critica de la pendiente se puede hacer entre los VIP.

Pendiente De La Tangente Vertical Siguiente De La Longitud Crítica Pendiente recomendable para que el vehículo pesado recupere su velocidad inicial es 1 %, en longitud igual o mayor a la longitud crítica anteriormente superada.

Cuando se excede la longitud critica se puede considerar la creación de un carril adicional para vehículos pesados.

LO

NG

ITU

D M

ÍNIM

A

N/A

· Para VTV ≤ 40 km/h, será la distancia recorrida en 7 segundos a dicha velocidad. Corresponde a la distancia igual o

mayor recorrida a la velocidad del proyecto (Vp) en 10 segundos.

· Para VTV > 40 km/h no podrá tener una longitud menor a la distancia recorrida en 10 segundos a dicha velocidad.

98


CA

RR

ILE

S D

E A

SC

EN

SO

CA

RR

ILE

S D

E A

SC

EN

SO

PA

RA

CA

RR

ET

ER

AS

DE

DO

S C

AR

RIL

ES

1. Caudal de subida del tráfico mayor a 200 veh/h.

Criterios Generales Para Un Tercer Carril: - Cuando la velocidad de un vehículo pesado disminuye 25 km/h respecto a la velocidad media de operación. - Cuando el TDP (transito promedio diario) es mayor a 1000 veh y la inclinación de la rasante mayor al 4%. - Si la velocidad media mínima del tránsito liviano disminuye del valor representado en una tabla del INVIAS.

Carriles De Mejora De Los Niveles De Servicio *Carriles En Rampa O Pendiente.

2. Caudal de camiones mayor a 20 veh/h.

1. Caudal de subida del tráfico mayor a 200 veh/h.

3. C

ondic

ion

es

Se espera una reducción de velocidad de 15km/h para un camión.

2. Caudal de camiones mayor a 20 veh/h.

3. C

ondic

ion

es

Se espera una reducción de velocidad de 15km/h para un camión.

El nivel de servicio E o F existente en la pendiente

El nivel de servicio E o F existente en la pendiente

Se experimenta una reducción de 2 o más niveles de servicio desde el segmento próximo a la subida hasta la subida.

Se experimenta una reducción de 2 o más niveles de servicio desde el segmento próximo a la subida hasta la subida.

*Carriles De Trenzado.

Es la unión de dos carriles uno de aceleración y otro de deceleración. -La longitud máxima de un carril de trenzado no debe ser mayor a 1500 m. -El ancho debe ser de 3.5 m. -Pendiente transversal igual a la calzada.

99


CA

RR

ILE

S D

E A

SC

EN

SO

CA

RR

ILE

S D

E A

SC

EN

SO

PA

RA

CA

RR

ET

ER

AS

DE

DO

S C

AR

RIL

ES

Los carriles de ascenso son carriles adicionales, que se incluyen generalmente en subidas donde el flujo vehicular se ve afectado por vehículos de tráfico lento. Es necesario agregar un carril de ascenso cuando no se cumple con la longitud critica de la pendiente (15 km/h). Tiene su comienzo en este mismo punto.

La causa de los carriles adicionales es por la disminución de velocidad en vehículos livianos y la distancia de visibilidad

*Carriles De Adelantamiento.

Carriles para mejorar el nivel de servicio y disminuir la accidentalidad.

Lo vehículos pesados presentan una disminución importante de velocidad cuando está en rampas largas con pendientes superiores al 3%

Ancho del carril de adelantamiento debe ser de 3.5 m. La longitud para un carril de adelantamiento no será mayor a 1500 m.

Cuando se excede la longitud critica de la pendiente debe proporcionarse un carril de ascenso

*Carriles De Convergencia Y Divergencia.

Son para mejorar el funcionamiento de los carriles de cambio de velocidad. Ancho del carril debe ser de 3.5 m y debe tener la pendiente transversal igual que la calzada.

Los carriles de ascenso no se justifican en instalaciones con varios carriles, pero son utilizados para autopistas urbanas con altos volúmenes de tráfico para lograr la libertad de operación. No debe considerarse los carriles de ascenso a menos que el volumen del grafico de subida sea igual o mayor que el volumen de servicio para el nivel de servicio D. Los carriles de ascenso se instalan en el lado derecho y exterior de la carretera.

Esta limitada por la extensión y frecuencia de las secciones de adelantamiento e influenciada por los camiones principalmente en las secciones con pendientes altas

Carriles Especializados Para La Circulación De Un Tipo De Vehículo * Carriles Para Vehículos De Transporte Colectivo. Carril habilitado para autobús, microbús y autocar. estos carriles se dicen en 4 tipos: -Carril uso exclusivo: solo para vehículos de transporte colectivo. -Carril de uso preferente: utilizado en algunas veces por otros vehículos.

100


Longitudes críticas de pendiente Longitud mínima del carril de ascenso debe ser igual a un tiempo recorrido en 20 s con una velocidad especifica de la tangente vertical y no ser menor a 300 m. El carril de ascenso debe tener como mínimo 3 m de ancho. La berma debe tener el ancho adoptado en la sección transversal de la vía.

Unidireccionales: cada sentido tiene su propia plataforma. -Bidireccionales: Ambos sentidos comparten una sola plataforma.

Efectos de los camiones en las pendientes en termino de caudales

Volúmenes de servicio

El carril de ascenso se justifica también cuando hay alta frecuencia de choques, independiente de la pendiente o volúmenes de tráfico.

En plataformas de más de un carril el ancho debe ser de 3.5 m, si es un único carril será de 4m. Y la berma podrá ser de hasta 50 cm.

ME

TO

DO

S P

AR

A A

UM

EN

TA

R L

AS

OP

OR

TU

NID

AD

ES

DE

AD

EL

AN

TA

MIE

NT

O E

N

CA

RR

ET

ER

AS

DE

DO

S C

AR

RIL

ES

CA

RR

ILE

S D

E A

DE

LA

NT

AM

IEN

TO

Se proporcionan para mejorar las operaciones del tráfico en una carretera utilizando tramos de 10 a 100km. Deben colocarse en lugares donde la distancia de visualización está restringida

N/A

* Carriles Para Vehículos De Transporte Colectivo Y Vehículos De Alta Ocupación. Vehículos de alta ocupación son aquellos que su uso es exclusivo para transportar personas y su máxima más debe ser 3500 kg. El ancho de este carril deberá ser de 3.5 m.

El ancho de un carril adicional debe ser el mismo que los carriles de la carretera

*Carriles para vehículos pesados. Plataformas exclusivamente para vehículos pesados, se denomina pesado cuyo vehículo supere los 3500 kg destinados al transporte de mercancías y personas. El ancho de este carril será de 3.5 m y si existe un único carril será de 4 m.

El ancho de la berma debe ser mínimo de 1.2 m en una sección de adelantamiento

La sección en donde estén los carriles adicionales debe estar marcada en el pavimento para alertar al conductor que regresa la sección de solo 2 carriles

101


Debe colocarse señalización antes de un carril agregado y de 3 - 10km antes también para evitar la impaciencia del conductor

Paradas De Vehículos De Transporte Colectivo

CA

LZ

AD

AS

2+

1

Mejoran eficiencia operativa y reducen los choques

Es un ensanche de plataforma para que los vehículos de pasajeros puedan parar, los conductores de estos vehículos deberán tener una visualización de las paradas a una distancia igual o mayor a la visibilidad de parada. El ancho de las paradas será de 4.5 m, 3.5 m para la parada del vehículo y 1 m de cebreado de separación con el carril acompañado de un resguardo de peatones de 1.5 m.

En una sección continua de 3 carriles con la carretera marcada para pasar carriles en direcciones alternas a lo largo de ella

ME

TO

DO

S P

AR

A A

UM

EN

TA

R L

AS

OP

OR

TU

NID

AD

ES

DE

AD

EL

AN

TA

MIE

NT

O E

N C

AR

RE

TE

RA

S D

E D

OS

CA

RR

ILE

S La configuración 2+1 es utilizada cuando

los volúmenes de transito son superiores a los que puede soportar los carriles de adelantamiento, pero no son tan altos como para hacer una carretera de 4 carriles o donde la instalación de 4 carriles es poco practica

N/A

En estas calzadas operan al menos 2 niveles de servicio más altos que los que operan en una carretera convencional de dos carriles con el mismo volumen de trafico

Si coinciden dos vehículos en esa parada con frecuencia la parada debe tener una longitud mayor o igual a 30 m si los vehículos son rígidos y 40 m si los vehículos son articulados. Pero si ni es así la parada podrá tener un ancho de 15 - 20 m según tipo de vehículo.

No colocar carreteras 2+1 en lugares donde los caudales de tráfico exceden los 1200 veh/h en una sola dirección

Utilizarlas en terrenos planos u ondulados

AP

AR

TA

DE

RO

S Es una berma amplia que permite que

los vehículos de movimiento salgan para dar paso a los siguientes vehículos

Apartaderos

Son ensanches de la plataforma de la carretera para poder permitir la detención temporal de vehículos.

Utilizados en carreteras de menos volumen y en terrenos con pendientes pronunciadas donde construir un carril adicional no es rentable

*Apartaderos de conservación y explotación. Uso exclusivo para vehículos de conservación y explotación el ancho total de estos apartaderos es de 4.5

102


ME

TO

DO

S P

AR

A A

UM

EN

TA

R L

AS

OP

OR

TU

NID

AD

ES

DE

AD

EL

AN

TA

MIE

NT

O E

N

CA

RR

ET

ER

AS

DE

DO

S C

AR

RIL

ES

Ubicados en zonas montañosas, áreas costeras y donde el volumen de camiones y vehículos recreativos superen el 10%

m (3.5 m para el apartadero y 1 m de cebreado de separación con la calzada). La longitud de estos apartaderos será de 10 m. y su pendiente transversal será la misma de la berma de la calzada. Los apartaderos ni deben ser menores a

60 m para carreteras de bajas velocidades y para carreteras de altas velocidades apartaderos no mayores a los 185 m para evitar su uso como carril de adelantamiento.

Ancho mínimo de 3.6 m a 5 m. No colocarlos en lugares donde se limite la distancia de visualización (Curvas horizontales y verticales)

*Apartaderos De Emergencia. Para detención de vehículos averiados el ancho total del apartadero debe ser de 4.5 m (3.5 m de apartadero y 1 m de cebreado de separación con la calzada), la longitud mínima del apartadero debe ser 30 m.

BE

RM

A D

E

CO

ND

UC

CIÓ

N

Las bermas funcionan como apartaderos continuos.

En algunos estados está prohibido la conducción por las bermas.

Ancho de la berma mínimo de 3 m y preferiblemente 36 m.

*Apartaderos Para Revisión Y Control De Vehículos Pesados.

SE

CC

ION

ES

DE

US

O D

E B

ER

MA

Dar paso utilizando bermas con señalización específica, es más limitada que la conducción por la berma, los vehículos solo deben moverse a la berma el tiempo suficiente para que el vehículo pase y deben volver al carril

Apartaderos para hacer revisiones y control de determinados vehículos pesados. El ancho total de estos apartaderos es de 5.5 m (3.5 m para el apartadero, 1 m de berma, y entre la berma y la carretera un cebreado de 1 m).

Están secciones deben tener como longitud entre 0.3 - 5 km y solo permitirse si la berma tiene de ancho entre 3 - 3.6 m

La longitud de estos apartaderos como mínimo debe ser 40 m.

Las señalizaciones deben colocarse tanto al inicio como el final de la sección donde se permite el uso de la berma.

El uso de apartaderos la ubicación y su cantidad será objeto de un estudio.

103

CONCEPTO AASHTO INVIAS FOMENTO R

AM

PA

S D

E E

SC

AP

E D

E E

ME

RG

EN

CIA

NE

CE

SID

AD

DE

UB

ICA

CIÓ

N D

E R

AM

PA

S D

E

ES

CA

PE

DE

EM

ER

GE

NC

IA

La creación de rampas debe pensarse en los peores casos cuando el vehículo esta fuera de marcha y el sistema de frenos falle.

N/A

Donde hay pendientes empinadas y largas y puede haber una pérdida de control en el frenado por parte de los vehículos se instalan lechos de detención con el fin de detener el vehículo. Deben ser ubicados en zonas donde sean vistos fácilmente incluso en la noche. - Localizados en tramos rectos. - Se evita que la salida del lecho de detención sea en un tramo en curva. - No se sitúa exactamente después de una curva vertical convexa. - Deben tener señales para que los vehículos se preparen para hacer la maniobra de entrada.

Topografía

Longitud

Porcentaje de pendiente

la velocidad potencial

la economía

el impacto ambiental

experiencia de choque

Evitar rampas de escape innecesaria

ubicarse para interceptar la mayor cantidad de vehículos fuera de control, en la parte inferior de la pendiente o a mediados de ella donde se pueda evitar un choque catastrófico. Antes de una curva horizontal y de áreas pobladas.

TIP

OS

DE

RA

MP

AS

DE

ES

CA

PE

DE

EM

ER

GE

NC

IA

GR

AV

ED

AD

Superficie pavimentada o densamente compactada basada en las fuerzas gravitacionales para frenar y detener al fugitivo.

Los lechos de detención deben estar ubicados paralelos a la carretera:

Son rampas largas, empinadas y están limitadas por lo controles topográficos y costos

El ancho de los lechos de detención ≥ 4.5 m.

La superficie no puede evitar que el vehículo no retroceda por la pendiente de la rampa.

Rampa menos deseable.

104


AM

PA

S D

E E

SC

AP

E D

E E

ME

RG

EN

CIA

TIP

OS

DE

RA

MP

AS

DE

ES

CA

PE

DE

EM

ER

GE

NC

IA

PIL

A D

E A

RE

NA

Compuestas de arena suelta y seca vertida en la rampa.

N/A

SI el lecho de detención es paralelo a la carretera la distancia entre el borde de la vía y el borde de la rampa de escape será ≥ 2 m.

Su longitud no supera los 120 m.

La influencia de la gravedad depende de la pendiente de la superficie.

Desaceleración severa y la arena se afecta por el clima.

Utilizadas en zonas donde no hay espacio para otro tipo de rampa y esta resulta ser la más apropiada.

LE

CH

O D

E D

ET

EN

CIÓ

N

Paralelas a los carriles de la carretera.

Si el lecho de detención tiene una vía de servicio exclusiva para el esta vía deberá tener un ancho de 4.5 m.

Rampas de agregado suelto en un lecho de detención para aumentar la resistencia a la rodadura y reducir la velocidad.

Tiene una vía de regreso a la carretera claro

Pendiente Descendente: Rampas largas porque la gravedad no actúa y debe tener un camino claro de regreso a la carretera por si el conductor duda de su efectividad.

RA

MP

AS

DE

ES

CA

PE

DE

EM

ER

GE

NC

IA

TIP

OS

DE

RA

MP

AS

DE

ES

CA

PE

DE

EM

ER

GE

NC

IA

Pendiente Horizontal: Rampas construida en gradiente plano su función principal es la resistencia a la rodadura del agregado suelto porque el efecto de gravedad es mínimo. Mas largas que las rampas de pendiente ascendente.

El material adecuado es gravilla rodada suelta de 5-10mm con una profundidad ≥ 50 cm. Pendiente Ascendente: Rampas más

utilizadas utilizando la resistencia del gradiente más los efectos del agregado suelto sobre la rodadura y su longitud es menos que las anteriores rampas.

105


AM

PA

S D

E E

SC

AP

E D

E E

ME

RG

EN

CIA

CO

NS

IDE

RA

CIO

NE

S D

E D

ISE

ÑO

La velocidad máxima de un vehículo fuera de control alcanza los 130 o 140 km/h, por lo tanto, diseña una rampa de escape para una velocidad mínima de entrada de 130 km/h.

N/A

• La longitud de La rampa debe ser suficiente para disipar La energía cinética del vehículo en movimiento. • El alineamiento de la rampa de escape debe ser recto o de curvatura muy abierta. • El ancho de la rampa debe ser adecuado para acomodar más de un vehículo, un ancho mínimo de 8 m. • El material de superficie utilizado debe estar limpio, no compactado fácilmente y tener un alto coeficiente de resistencia a la rodadura. • Los lechos de detención deben construirse con una profundidad de agregado mínima de 1 m. • Debe proporcionarse un medio para drenar el lecho de detención

Según la velocidad con la que entra el vehículo al lecho de detención se puede determinar la longitud de dicha rampa.

• La entrada a la rampa debe estar diseñada para que un vehículo que viaja a una velocidad alta, pueda ingresar de manera segura. • El acceso a la rampa debe indicarse claramente mediante la señalización de la salida. • Se necesita una vía de servicio ubicado junto al lecho de detención. • Se necesitan anclajes ubicados adyacentes al lecho de detención, a intervalos entre 50 y 100 m.

106


ÁR

EA

S D

E C

ON

TR

OL

DE

FR

EN

O

Las áreas de desvíos o bermas ensanchadas en una subida se pueden utilizar como áreas de verificación de frenos, señalándolas debidamente, para evitar las detenciones informales.

N/A

M

AN

TE

NIM

IEN

TO

El material del lecho debe limpiarse de contaminantes y escarificarse periódicamente para retener las características de retardo del material del lecho y mantener un drenaje adecuado.

CU

RV

AS

VE

RT

ICA

LE

S

TIP

OS

DE

CU

RV

AS

Curva Convexa Curva Convexa

Se adopta en todos los casos como forma de la curva, una parábola

simétrica de eje vertical.

Simétricas o asimétricas. Tipo 1, Tipo 2 Simétricas o asimétricas. Tipo

1, Tipo 2

Curva Cóncava Curva Cóncava

Simétricas o asimétricas. Tipo 3, Tipo 4 Simétricas o asimétricas. Tipo

3, Tipo 4

EL

EM

EN

TO

S D

E L

A

CU

RV

A

AS

IMÉ

TR

ICA

N/A PCV, PIV, PTV, L1, L2, L, S1, S2, A, E, x1, x2, y1, y2

N/A

107


CU

RV

AS

VE

RT

ICA

LE

S

EL

EM

EN

TO

S D

E L

A C

UR

VA

AS

IMÉ

TR

ICA

N/A

PCV: Principio de la curva vertical. PIV: Punto de intersección de las tangentes verticales. PTV: Terminación de la curva vertical. L₁: Longitud de la curva vertical, medida por su proyección horizontal, en metros. L₂: Longitud de la curva vertical, medida por su proyección horizontal, en metros. S₁: Pendiente de la tangente de entrada, en porcentaje (%). S₂: Pendiente de la tangente de salida, en porcentaje (%). A: Diferencia algebraica de pendientes, en porcentaje (%). E: Externa. Ordenada vertical desde el PIV a la curva, dada en metros. x₁: Distancia horizontal a cualquier punto de la curva desde el PCV x₂: Distancia horizontal a cualquier punto de la curva desde el PTV y₁: Ordenada vertical en cualquier punto, también llamada corrección de la curva vertical. y₂: Ordenada vertical en cualquier punto, también llamada corrección de la curva vertical.

N/A

108


CU

RV

AS

VE

RT

ICA

LE

S

EL

EM

EN

TO

S D

E L

A C

UR

VA

SIM

ÉT

RIC

A

L, VPI, VPT, VPC, G1, G2, E, A PCV, PIV, PTV, L, S1, S2, A, E, x, y T, L, i1, i2, Ɵ, d, X,y

VPC: Punto de curvatura vertical VPI: Punto de intercepción vertical VPT: Punto de tangencia vertical L: Longitud de la curva vertical G₁: Pendiente de la tangente de entrada en porcentaje % G₂: Pendiente de la tangente de salida en porcentaje % A: Diferencia algebraica dada en porcentaje % E: Ordenada vertical desde el PIV a la curva

PCV: Principio de la curva vertical. PIV: Punto de intersección de las tangentes verticales. PTV: Terminación de la curva vertical. L: Longitud de la curva vertical, medida por su proyección horizontal, en metros. S₁: Pendiente de la tangente de entrada, en porcentaje (%). S₂: Pendiente de la tangente de salida, en porcentaje (%). A: Diferencia algebraica de pendientes, en porcentaje (%). E: Externa. Ordenada vertical desde el PIV a la curva, dada en metros. x: Distancia horizontal a cualquier punto de la curva desde el PCV o desde el PTV. y: Ordenada vertical en cualquier punto, también llamada corrección de la curva vertical.

T= L/2 L: Longitud de la curva i₁: Inclinación de la tangente de entrada

i₂: Inclinación de la tangente de salida θ: Valor absoluto de la diferencia algebraica de las inclinaciones de los extremos d: Ordenada vertical desde el PIV a la curva X: Distancia horizontal a cualquier punto de la curva desde el PCV o desde el PTV y: Ordenada vertical en cualquier punto, también llamada corrección de la curva vertical.

LO

NG

ITU

D D

E L

A C

UR

VA

Debe estar dentro de los valores de longitud mínima y máxima que se establecen más adelante, para que el conductor tenga visibilidad, presente buen drenaje, comodidad al conducir y sea agradable en apariencia.

Criterio De Seguridad La longitud de la curva se establece con valores de Kv (radio de la circunferencia osculatriz en el vértice de dicha parábola) mínimos, que se hallan teniendo en cuenta: • Consideraciones de visibilidad, de adelantamiento (en carreteras convencionales) y de parada. • Consideraciones de percepción visual.

Establece una longitud mínima que debe tener la curva vertical para que en toda su trayectoria la distancia de visibilidad sea mayor o igual a la de parada (DP).

Criterio De Operación

Establece una longitud mínima que debe tener la curva vertical para evitar al usuario la impresión de un cambio súbito de pendiente.

109

(20)


CU

RV

AS

VE

RT

ICA

LE

S

Criterio De Drenaje

Estas consideraciones se tienen en cuenta para evitar que, al realizar el recorrido con un vehículo, provoque a su conductor la sensación de circular por un tobogán.

Establece una longitud máxima que puede tener la curva vertical para evitar que, por ser muy extensa, en su parte central resulte muy plana dificultándose el drenaje de la calzada.

CU

RV

A C

ON

VE

XA

LO

NG

ITU

D M

ÍNIM

A

Consideración De Visibilidad

Criterio De Seguridad Consideraciones De Visibilidad

La longitud mínima, se establece por las siguientes formulas, siendo S distancia de visibilidad y L longitud de la curva, cuando: - S es menor que L

𝐿 =𝐴𝑆2

100(√2ℎ1 + √2ℎ2)2

- S es mayor que L

𝐿 = 2𝑆 −200(√ℎ1 + √ℎ2)2

𝐴

La longitud mínima se halla utilizando la distancia de visibilidad de parada, sin embargo, si hay áreas para toma de decisión se debe utilizar la distancia de visibilidad de decisión.

Cuando DP < L y DP > L. Sin embargo, se adopta Dp > L. Existe también un Kmin para un control de Dp.

𝐿𝑚𝑖𝑛 =𝐴 ∗ (𝐷𝑃)2

200(√ℎ1 + √ℎ2)2

𝐿𝑚𝑖𝑛 = 2(𝐷𝑃) −200(√ℎ1 + √ℎ2)2

𝐴

Si L > D Si se utilizan parámetros de acuerdos verticales Kv superiores a 5 km es necesario confirmar el correcto drenaje de la carretera en el tramo correspondiente. h1 = h2 = 1.10 m.

𝐾𝑣 =𝐷2

2 ∗ (√ℎ1 + √ℎ2)2

𝐿 =|𝑖2 − 𝑖1| ∗ 𝐷2

2 ∗ (√ℎ1 + √ℎ2)2

Si L < D Frecuente en ramales de enlace.

𝐿 = 2𝐷 −2 ∗ (√ℎ1 + √ℎ2)2

|𝑖2 − 𝑖1|

𝐾𝑣 =2𝐷

|𝑖2 − 𝑖1|−

2 ∗ (√ℎ1 + √ℎ2)2

|𝑖2 − 𝑖1|²

(21)

(5)

(6)

(22)

(23)

(24)

(25)

110


CU

RV

AS

VE

RT

ICA

LE

S

Para la practica la longitud mínima de se expresa aproximadamente como 𝐿𝑚𝑖𝑛 = 0.6 ∗ 𝑉

Criterio De Operación Consideraciones de percepción visual

Evita el cambio súbito de pendiente, además de un perfil de buena estética y apariencia. Está en función de la Vcv. 𝐿𝑚𝑖𝑛 = 0.6 ∗ 𝑉𝑉𝐶

Debe cumplir la condición: L ≥ Vp L [m]; Vp [km/h] Si L = Kv * Ɵ (Kv tomado de tabla) es inferior a Vp, se determina el valor de Kv por:

𝐾𝑣 ≥𝑉𝑝

𝜃

LO

NG

ITU

D M

ÁX

IMA

Criterio De Drenaje Criterio De Drenaje Si se utilizan parámetros de curvas verticales Kv superiores a 5 km es necesario chequear el correcto drenaje de la carretera en el tramo correspondiente.

Para garantizar el adecuado drenaje de la carretera, se utiliza K = 51 𝐿𝑚𝑎𝑥 = 51 ∗ 𝐴

Se basa en AASHTO 2004, Kmáx = 50 𝐿𝑚𝑎𝑥 = 50 ∗ 𝐴

CU

RV

A C

ÓN

CA

VA

LO

NG

ITU

D M

ÍNIM

A

Según Seguridad Criterio De Seguridad Consideraciones De Visibilidad

Cuando: - S es menor que L

𝐿𝑚𝑖𝑛 =𝐴𝑆2

200(0.6 + 𝑆(𝑡𝑎𝑛 1º)

- S es mayor que L

𝐿𝑚𝑖𝑛 = 2𝑆 −200(0.6 + 𝑆(𝑡𝑎𝑛 1º)

𝐴

Considera las restricciones que se presentan en la noche y estima la longitud del sector de carretera iluminado hacia adelante, como la distancia de visibilidad. DP < L El conductor y el obstáculo están dentro de la curva y la distancia de visibilidad es menor que la longitud de la curva. Cuando DP > L Cuando el conductor y el objeto están fuera de la curva, la distancia de visibilidad es mayor que la longitud de la curva.

Si L > D. h1 = 1.10 m; h2 = 0.50 m; h = 0.75 m; α = 1°

𝐿 =|𝑖1 − 𝑖2| ∗ 𝐷2

2 ∗ (ℎ − ℎ2 + 𝐷 ∗ tan(𝛼))

𝐾𝑣 =𝐷2

2 ∗ (ℎ − ℎ2 + 𝐷 ∗ tan(𝛼))

(26) (27)

(28)

(29) (30)

(11)

(13)

(31)

(32)

111


CU

RV

AS

VE

RT

ICA

LE

S

CU

RV

A C

ÓN

CA

VA

LO

NG

ITU

D M

ÍNIM

A

Según la apariencia La longitud mínima de la curva se halla utilizando el parámetro K=30 para valores pequeños de A 𝐿𝑚𝑖𝑛 = 30 ∗ 𝐴

DP < L


200 ∗ (𝐻 + 𝐷𝑃 ∗ 𝑡𝑎𝑛(𝛼))

DP > L 𝐿𝑚𝑖𝑛

= 2𝐷𝑃 −200 ∗ (0.6 + 𝐷𝑃 ∗ 𝑡𝑎𝑛(𝛼))

𝐴

Si L < D. Frecuente en ramales de enlace.

𝐿 = 2𝐷 −2 ∗ (ℎ − ℎ2 + 𝐷 ∗ tan(𝛼))

|𝑖2 − 𝑖1|

𝐾𝑣 =2𝐷

|𝑖2 − 𝑖1 |−

2 ∗ (ℎ − ℎ2 + 𝐷 ∗ tan(𝛼))

|𝑖2 − 𝑖1|²

Para la practica la longitud mínima de se expresa aproximadamente como 𝐿𝑚𝑖𝑛 = 0.6 ∗ 𝑉

Criterio De Operación Consideraciones De Percepción Visual

Se aplica el mismo criterio de las curvas convexas. No es necesario calcular distancia de visibilidad de adelantamiento. 𝐿𝑚𝑖𝑛 = 0.6 ∗ 𝑉𝑉𝐶

Debe cumplir la condición: L ≥ Vp. L [m]; Vp [km/h]. Si L = Kv * Ɵ (Kv tomado de tabla) es inferior a Vp, se determina el valor de Kv por:


𝜃

LO

NG

ITU

D M

ÁX

IMA

Criterio De Drenaje Criterio De Drenaje Criterio De Drenaje

Evitar el empozamiento de las aguas superficiales en el punto más bajo de la curva. Valor de K ≤ 51

Evitar el empozamiento de las aguas superficiales en el punto más bajo de la curva. Valor de K ≤ 50

Si se utilizan parámetros de curvas verticales Kv superiores a 5 km es necesario chequear el correcto drenaje de la carretera en el tramo correspondiente.

(33)

(34)

(35)

(26)

(27) (28)

(45)

(46)

112

CONCEPTO AASHTO INVIAS FOMENTO C

UR

VA

S V

ER

TIC

AL

ES

DIS

TA

NC

IA D

E V

ISIB

ILID

AD

EN

CR

UC

ES

BA

JO

ES

TR

UC

TU

RA

S

· Debe ser como mínimo la distancia de visibilidad de parada, se recomienda mayor. Para los casos donde la estructura queda sobre una curva vertical, se tienen en cuenta los siguientes casos: CASO 1 Distancia de visibilidad mayor que la longitud de la curva vertical (S> L), siendo C el espacio vertical libre:

𝐿 = 2𝑆 − 800(𝐶 − (

ℎ1 + ℎ2

2))

𝐴

CASO 2 Distancia de visibilidad menor que la longitud de la curva vertical (S <L), siendo C el espacio vertical libre:

𝐿 = 𝐴𝑆2

800(𝐶 − (ℎ1 + ℎ2

2))

· Debe ser como mínimo la distancia de visibilidad de parada Dp, se recomienda mayor. · Criterios aplicados son los mismos que en cualquier otro punto de la vía, excepto donde se presentan curvas verticales cóncavas ubicadas en pasos inferiores.

N/A

· Dp > L:

𝐿 = 2𝐷𝑝 − 800(𝐶 − 1.5)

𝐴

· Dp < L:

𝐿 = 𝐴 𝐷𝑝2

800(𝐶 − 1.5)

Fuente: Elaboración Propia

(16)

(17)

(36)

(37)

113

8. ANÁLISIS DE LA COMPARACIÓN

8.1. Tangente vertical

8.1.1. Pendiente Máxima

No se puede establecer una relacion de pendientes maximas debido a que cada uno de los manuales (INVIAS, AASHTO y FOMENTO) presentan una clasificación distinta de carreteras, como se muestra a continuación:

INVIAS

• Primaria de una y dos calzadas

Son vías con accesos a capitales de Departamentos su fin es integrar las principales zonas de producción y consumo del país, deben funcionar pavimentadas.

• Secundaria

Son vías que conectan cabeceras municipales entre si y/o con una carretera primaria, pueden funcionar pavimentadas o en afirmado.

• Terciaria

Son vías de acceso que unen cabeceras municipales con veredas o unen veredas entre si, estas deben funcionar en afirmado, en caso de pavimentarse, debe cumplir con las condiciones geometricas establecidas para las vías secundarias.

Tabla 8. Relación entre la pendiente máxima (%) y la Velocidad Específica de la tangente vertical (VTV).


En los casos, en donde no se presente entretangecia entre curvas verticales consecutivas convexa y concava o viceversa, la pendiente maxima puede ser aumentada en 2%.

114

AASHTO

El manual de la AASHTO hace una clasificación de la pendiente según tipos de carreteras y de terreno (plano, ondulado y montañoso).

• Vías rurales locales

Son carreteras locales de dos carriles en una red vial rural, que dan acceso a fincas, residencias, empresas u otras propiedades colindantes, conectan con carreteras principales o de clasificación más alta, diseñadas con criterios que tengan alta compatibilidad con el tránsito y topografía de la zona, para establecer sus parámetros principales se tiene en cuenta una velocidad de diseño, establecida por la demanda de flujo vehicular y el tipo de terreno característico de la pendiente.

Velocidades entre 20 – 100 Km/h

Tabla 9. Pendiente máxima para caminos rurales locales.

Tipo de terreno

Pendiente máxima (%) para velocidad de diseño especifica (km/h)

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Plano 9 8 8 8 8 8 6 6 5

Ondulado 12 11 11 10 10 9 8 7 6

Montañosa 17 16 15 14 13 12 10 10 -


• Vías Recreacionales

Son caminos ubicados dentro de lugares recreacionales donde se le permite a las personas recorrer un sitio y tener la oportunidad de disfrutar del paisaje que está recorriendo a bajas velocidades. Las pendientes deben mantenerse en los límites sugeridos, sin embargo, la longitud critica de pendiente no es tenida en cuenta, pues las velocidades que manejan los vehículos recreacionales como casas rodantes son muy bajas, así que la reducción de velocidad no es muy notable.


115

Tabla 10. Pendientes máximas de caminos recreacionales.

Tipo de terreno


20 30 40 50 60

Plano 8 8 7 7 7

Ondulado 12 11 10 10 9

Montañosa 18 16 15 14 12


• Colectores rurales

Vías colectoras de dos carriles de la red vial rural, son vías que dan acceso a barrios o urbanizaciones adyacentes, diseñados de acuerdo con el volumen del tránsito y topografía. Para su diseño también se realiza el análisis de la historia de choques, volumen del transito actual y proyectado y el alineamiento horizontal y vertical.


Tabla 11. Pendiente máxima para colectores rurales.

Tipo de terreno


30 40 50 60 70 80 90 100

Plano 7 7 7 7 7 6 6 5

Ondulado 10 10 9 8 8 7 7 6

Montañosa 12 11 10 10 10 9 9 8


Nota: Las longitudes cortas de pendiente en las zonas rurales, de menos de 150 m de longitud, en pendientes de un solo sentido y las pendientes de los colectores rurales de bajo volumen puede ser de hasta un 2% más pronunciada que la calificación que aparece más arriba.

116

• Colectores Urbanos

Incluye zonas que permitan el acceso libre a la propiedad privada o libre flujo de peatones o bicicletas sin afectar el flujo vehicular normal, son más amplias que dos carriles, pero casi nunca sobrepasan los cuatro carriles. Las pendientes en estos colectores deben ser lo más niveladas posibles y conforme al terreno.


Tabla 12. Pendiente máxima para colectores urbanos.

Tipo de terreno


30 40 50 60 70 80 90 100

Plano 9 9 9 9 8 7 7 6

Ondulado 12 12 11 10 9 8 8 7

Montañosa 14 13 12 12 11 10 10 9


Nota: Las longitudes cortas de pendiente en las áreas urbanas, de menos de 150 m de largo, en pendientes de un solo sentido, y las pendientes de los colectores urbanos de bajo volumen puede ser de hasta 2% más pronunciada que las pendientes que se muestran arriba.

• Arterias Rurales

Las arterias principales rurales comprenden el sistema interestatal y autopistas rurales, las arterias rurales menores vinculan los centros urbanos y las grandes ciudades, la pendiente influye en las características operativas de una arteria.


117

Tabla 13. Pendiente máxima para arterias rurales.

Tipo de terreno

Pendiente máxima (%) para velocidad de diseño especifica

60 70 80 90 100 110 120 130

Plano 5 5 4 4 3 3 3 3

Ondulado 6 6 5 5 4 4 4 4

Montañosa 8 7 7 6 6 5 5 5


• Arterias Urbanas

Transportan grandes cantidades de transito dentro de las zonas urbanas su diseño varía desde autopistas a calles de dos carriles, su tipo de seleccionado arterial depende del nivel de servicio, su objetivo es lograr la movilidad adecuada, estos dan acceso a la propiedad colindante, la pendiente en estas tiene un efecto en el rendimiento operativo como por ejemplo en la pendientes pronunciadas la velocidades de los camiones disminuyen y cuando el número de camiones está cerca a la capacidad de operación las pendientes deben ser más planas para evitar la reducción de velocidad.


Tabla 14. Pendiente máxima para arterias urbanas.

Tipo de terreno

Pendiente máxima (%) para velocidad de diseño especifica

50 60 70 80 90 100

Plano 8 7 6 6 5 5

Ondulado 9 8 7 7 6 6

Montañosa 11 10 9 9 8 8


118

• Autopistas Rurales y Urbanas

Estas autopistas son vías arteriales con control total de acceso, donde su objetivo es brindar seguridad y eficiencia en el movimiento de grandes volúmenes de tránsito a altas velocidades. Las pendientes en las autopistas son similares en rurales y urbanas a la misma velocidad, por el hecho de que se presenten velocidades altas se pretende usar pendientes lo más planas posibles.


Tabla 15. Pendiente máxima para autopistas rurales y urbanas.

Tipo de terreno


80 90 100 110 120 130

pendiente (%)

Plano 4 4 3 3 3 3

Ondulado 5 5 4 4 4 4

Montañosa 6 6 6 5 - -


Se pueden aumentar en 1% las pendientes mostradas cuando se dan en las zonas urbanas con dificultad o donde se necesiten, en terreno montañoso.

FOMENTO

Las pendientes máximas dependen de la velocidad que tenga el proyecto, y son divididas en dos categorías:

• Autopistas y Autovías.

Las autopistas y las autovías van dirigidos a mantener la máxima velocidad en el ámbito interurbano, periurbano y urbano.

119

Tabla 16. Pendiente máxima para autopistas y autovías.

Fuente: (Ministerio de Fomento, Gobierno de España, 2016)

• Carreteras convencionales y carreteras multicarril

Las carreteras multicarril se diseñan en tramos urbanos y periurbanos para un flujo vehicular menor a las autopistas y autovías, pero con una facilidad de acceso superior a ellas, las carreteras convencionales tienen se diseñan en la zona el interurbana, periurbana y urbana, pudiendo orientarse significativamente hacia la movilidad o hacia la accesibilidad.

Tabla 17. Pendiente máxima para carreteras convencionales y carreteras multicarril.


Al relacionar las pendientes máximas que manejan cada uno de los manuales, se puede concluir que, el manual de la AASHTO permite un porcentaje de pendiente máxima del 18% en caminos recreacionales, siendo este valor superior al INVIAS con 14% y al FOMENTO con 10%, cabe destacar que cada uno de los tres manuales tiene una clasificación de vías diferente.

120

NOTA: La pendiente maxima no debe usarse con frecuencia.

8.1.2. Longitud Mínima

INVIAS

Para velocidades específicas de la tangente vertical menores o iguales a 40 km/h, la longitud mínima será la distancia recorrida en 7s a dicha velocidad, medida como proyección horizontal de PIV a PIV.

Para velocidades específicas de la tangente vertical mayores a 40 km/h, la longitud mínima es la distancia recorrida en 10s a dicha velocidad.

AASHTO

La norma no especifica una longitud mínima.

FOMENTO

La longitud mínima establecida por el FOMENTO es la distancia recorrida en 10s a la velocidad del proyecto (Vp), medida entre vértices consecutivos.

La longitud de la tangente vertical en los dos manuales (INVIAS y FOMENTO), es la distancia recorrida a la velocidad del proyecto o velocidad específica del elemento, medida de PIV a PIV, siendo condicionada por el INVIAS según la velocidad, si es mayor, menor o igual a 40 km/h mientras que, en el FOMENTO la longitud mínima es la distancia recorrida en 10s para cualquier velocidad.

8.1.3. Longitud Critica

Para saber la longitud critica se consideran algunos aspectos en el INVIAS;

• Relación peso/potencia del vehículo pesado de diseño.

• Velocidad media de operación de los vehículos pesados (estudio de tránsito y geometría de la vía).

• Perdida de velocidad aceptable en la tangente vertical de 25 km/h con respecto a su velocidad media de operación.

121

Figura 26. Efecto de las pendientes en los vehículos con relación

peso/potencia de 150 kg/HP.


Los vehículos pesados de diseño típicos presentan características de relación peso/potencia de: 150 kg/HP y 180 kg/HP.

La AASHTO considera que los datos necesarios para establecer longitudes críticas de pendiente son:

• Tamaño y potencia del camión o combinación de camión utilizado como vehículo de diseño junto con sus datos de capacidad de subida, vehículo de diseño típico utilizado presenta una relación peso potencia de 120 Kg/kW.

• Velocidad de entrada a la longitud critica de pendiente, la velocidad de diseño se puede utilizar en pendientes casi planas, en pendientes cuesta abajo ese debe aumentar y, en pendientes cuesta arriba se debe disminuir, esta estimación está sujeta a ajustes.

• Velocidad mínima en la pendiente bajo la cual la interferencia a vehículos se considera irrazonable, se recomienda utilizar un criterio de reducción de 15 km/h para reducir la tasa de participación en choques, en carreteras de dos carriles con volúmenes cercanos a su capacidad, probablemente los tiempos de espera para adelantar son fatigosos.

122

Figura 27. Longitudes críticas de pendientes de diseño, camión típico supuesto de 120 kg/Kw.


La figura 27 puede no ser directamente aplicable a la determinación de la longitud critica de la pendiente por tres razones.

1. La población de camiones para un sitio determinado puede ser tal que la relación peso/potencia sea menor o mayor a 120 kg/kW, asumida como parámetro de diseño.

2. La velocidad del camión a la entrada de la pendiente puede ser diferente de los 110 km/h.

3. El perfil no puede mantener una pendiente constante.

123

Nota:

• El criterio de diseño sugerido para determinar la longitud critica de la pendiente no pretende ser un control estricto sino una guía.

• Cuando no se puede evitar una reducción de velocidad mayor que la guía de diseño cuando se exceda la longitud de la pendiente critica se debe considerar la posibilidad de proporcionar un carril cuesta arriba para vehículos de movimiento lento, sobre todo, cuando el volumen vehicular está en o cerca de la capacidad y el volumen de camiones es alto.

En el FOMENTO no se puede hacer uso de tramos de tangente con la pendiente máxima que superen los 3 km, indiferente de la velocidad del proyecto (Vp) o la clase de carretera.

Según el FOMENTO no se tiene en cuenta la relación peso/potencia de camiones de diseño como en el INVIAS y la AASHTO, a pesar de que el INVIAS presenta ciertos parámetros con los que sugiere valores de la longitud critica, no proporciona otras formas de calcularlo, se sabe que no aplica para todos los casos, adicional, la reducción de velocidad que acepta es de 25 km/h, a diferencia de la AASHTO que acepta una reducción de hasta de 15 km/h, pues se reduce la tasa de choques de camiones en 2.4 veces.

8.1.4. Carriles Adicionales y rampas de escape.

El manual del INVIAS no describe una pendiente adecuada para carriles adicionales. A diferencia del manual de la AASHTO y FOMENTO; el manual de la AASHTO realiza una subdivisión detallada de los carriles adicionales:

• Carril de ascenso

La pendiente del carril debe ser introducida al pie de la pendiente del carril directo. Estos carriles se utilizan en terrenos con pendientes empinadas o terrenos montañosos.

124



• Carril de adelantamiento

Estos carriles son adecuados para terrenos ondulados.

Figura 29. Sección de carriles de adelantamiento en carreteras de dos

carriles.


• Calzada 2+1

Solo deben utilizarse en topografía plana u ondulada.



125

• Apartaderos

Utilizados en terrenos difíciles con pendientes muy empinadas y en donde por costos no es rentable hacer un carril adicional, Los apartaderos son comúnmente utilizados en zonas costeras y montañosos en donde más del 10% de vehículos que circulas son camiones o vehículos recreativos.

Tabla 18. Longitudes recomendadas de apartaderos incluyendo

abocinamiento.

Velocidad de aproximación

(km/h)

Longitud Mínima (m)

30 60

40 60

50 65

60 85

70 105

80 135

90 170

100 185

a La longitud máxima debe ser de 185 m para evitar el uso del apartadero como carril de adelantamiento.


• Berma

Las bermas son muy utilizadas para propiciar el adelantamiento de vehículos o como apartaderos continuos, debido a esto conservan la pendiente de la calzada.

126

• Rampas de escape

Son utilizadas para detener vehículos que pierden el control (especialmente camiones), ubicadas por seguridad en caso de que las pendientes sean muy largas, y donde las condiciones topográficas den la necesidad de diseñarlas, teniendo en cuenta que deben ser situadas fuera de la corriente principal del tránsito.

Figura 31. Fuerzas que actúan sobre un vehículo en movimiento.


La pendiente de este tipo de estructuras varía según la necesidad y tipo de rampa, para que la resistencia de pendiente permita obtener una fuerza positiva en la rampa de escape, el vehículo debe ir en subida en contra de la gravedad. Estas rampas son utilizadas principalmente al finalizar la pendiente en bajadas o puntos intermedios donde la probabilidad de producirse un choque catastrófico sea elevada.

Existen tres tipos de rampas de escape, estas son:

1. Gravedad

Las rampas de gravedad son conocidas por ser muy largas y con pendientes empinadas pero su uso no es muy común por los controles topográficos y los costos.

127

2. Pilas de arena

En esta rampa la resistencia a la gravedad puede ser influenciada por la pendiente.

3. Lecho de detención descendente

Se construyen paralelos a los carriles de la vía y su pendiente es descendente y por este motivo este tipo de rampas es mucho más larga que las otras 2 ya nombradas, aparte de esta característica también suele tener una salida de regreso a la carretera para proporcionar confianza al conductor que dude de su capacidad, sin embargo, estas rampas son las más utilizadas y eficaces.

Los carriles adicionales son construidos según el tipo de terreno donde se encuentre la vía y en donde se vea la necesidad de implementar uno de estos métodos, pero en el manual de la AASHTO se omite la pendiente individual del carril adicional y se toma por sentado que esta debe tener la misma pendiente que el carril directo, de igual modo, el FOMENTO también enfatiza en utilizar la pendiente de la calzada de la que hagan parte los carriles adicionales y este manual tiene otros tipos de carriles adicionales que son:

Carriles de mejora de los niveles de servicio:

• Carriles en rampa o pendiente.

Son carriles utilizados para evitar que los vehículos pesados reduzcan su velocidad y provoque retención de tráfico (Ministerio de Fomento, Gobierno de España, 2016), Sus características son iguales a los carriles de ascenso del manual de la AASHTO.

Figura 32. Carril adicional para circulación rápida


128

Figura 33. Carril adicional para circulación lenta.


• Carriles de adelantamiento.

Este carril se encuentra en el manual de la AASHTO también, se denomina carril de adelantamiento cuando se desea mejorar el nivel de servicio y reducir la accidentalidad por no poder rebasar otro vehículo. Al igual que el carril de trenzado este tiene un ancho de 3.5 m y una longitud no mayor a 1500 m.

Figura 34. Carril adicional para adelantamiento con la zona cebreada reducida.


Apartaderos:

• Apartaderos de emergencia.

Los apartaderos de emergencia son muy utilizados cuando los vehículos se encuentran varados.

Figura 35. Apartadero de emergencia.


129

• Apartaderos para revisión y control de vehículos pesados.

Sirven para realizar revisiones a vehículos pesados con una longitud mínima de 30 m.

Figura 36. Apartadero de revisión y control de vehículos pesados.


Los anteriores pronunciados fueron los carriles de ascenso presentados en el manual de FOMENTO, la mayoría de estos por no decir que todos constan de un ancho de 3.5 m y un área cebrada de 1 m. en comparación de los otros 2 manuales se asemeja mucho a la AASHTO ya que el INVIAS no muestra ejemplos de carriles adicionales.

Rampas de emergencia

• Lechos de detención

Esta es una rampa de emergencia utilizada para detener vehículos que pierden el control a causa de los frenos, está compuesta de un agregado que cumple la función de detener el vehículo y evitar una catástrofe en carretera, esta rampa es la única mencionada en el FOMENTO y es la más utilizada en los estados unidos según el manual de la AASHTO.

130

Figura 37. Lechos de frenado.


8.1.5. Pendientes en Túneles

Al realizar el análisis de las pendientes en los tres manuales (AASHTO, INVIAS y FOMENTO) se encontró que solo el manual de FOMENTO proporciona alguna información sobre pendientes en túneles, se procura que la inclinación o la longitud de la pendiente no obligue a la construcción de carriles adicionales.

Se debe tener en cuenta dos casos en particulares para la pendiente en túneles y estos son:

• Vp ≥ 100 km/h, La velocidad de los vehículos pesados debe ser ≥ 60 km/h

• Vp < 100 km/h, La velocidad de los vehículos pesados debe ser ≥ a la mitad de la máxima velocidad señalizada en el túnel.

131

8.2. Curvas verticales

Son las curvas encargadas de enlazar dos tangentes consecutivas en un alineamiento vertical su función principal es lograr una vía con operación segura y agradables. (Instituto Nacional de Vías, 2008)

8.2.1. Tipo de Curva

El manual de la AASHTO y del INVIAS manejan los mismos tipos de curvas divididas en dos grupos.

• Curvas verticales convexas.

• Curvas verticales cóncavas.

Figura 38. Tipos de curvas verticales convexas.


Figura 39. Tipos de curvas verticales cóncavas.


132

Y de acuerdo con la proporción que tenga entre si son clasificadas en otros dos grupos.

• Curva vertical simétrica.

• Curva vertical asimétrica.

Figura 40. Tipos de curvas verticales simétricas.


Figura 41. Tipos de curvas verticales asimétricas.


En el manual de FOMENTO no se tiene una clasificación como tal de las curvas verticales, estas son tomadas como una parábola simétrica de eje vertical.

133

Figura 42. Acuerdos verticales 1.


Figura 43. Acuerdos verticales 2.


8.2.2. Elementos Geométricos de la Curva Vertical

8.2.2.1. Simétrica

Los elementos geométricos de las curvas verticales en los tres manuales son muy parecidos con la variación de que en alguno hay más elementos que en otros como es el caso del INVIAS, este es el manual que más elementos en la curva señala en su totalidad son 10.

134

Figura 44. Elementos de la curva vertical simétrica.


1) PCV: Principio de la curva vertical. 2) PIV: Punto de intersección de las tangentes verticales. 3) PTV: Terminación de la curva vertical. 4) L: Longitud de la curva vertical, medida por su proyección horizontal,

en metros. 5) S₁: Pendiente de la tangente de entrada, en porcentaje (%). 6) S₂: Pendiente de la tangente de salida, en porcentaje (%). 7) A: Diferencia algebraica de pendientes, en porcentaje (%).

𝐴 = (𝑆1 − 𝑆2) (38)

8) E: Externa. Ordenada vertical desde el PIV a la curva, dada en metros.

𝐸 =𝐴 × 𝐿

800 (39)

9) x: Distancia horizontal a cualquier punto de la curva desde el PCV o desde el PTV.

10) y: Ordenada vertical en cualquier punto, también llamada corrección

de la curva vertical.

135

𝑦 = 𝑥2 × (𝐴

200 × 𝐿) (40)

Para el manual de la AASHTO se repiten todos los elementos de las curvas verticales del INVIAS excepto x (Distancia horizontal a cualquier punto de la curva desde el PCV o desde el PTV) y y (Ordenada vertical en cualquier punto, también llamada corrección de la curva vertical). Y algunos elementos reciben diferentes siglas.



1) VPC: Punto de curvatura vertical 2) VPI: Punto de intercepción vertical 3) VPT: Punto de tangencia vertical 4) L: Longitud de la curva vertical 5) G₁: Pendiente de la tangente de entrada en porcentaje % 6) G₂: Pendiente de la tangente de salida en porcentaje % 7) A: Diferencia algebraica dada en porcentaje % 8) E: Ordenada vertical desde el PIV a la curva

136

Por último, los elementos de las curvas verticales según el FOMENTO son solo 8 elementos geométricos, este manual es el que menos elementos representa en una curva vertical.



1) T= L/2 2) L: Longitud de la curva 3) i₁: Inclinación de la tangente de entrada 4) i₂: Inclinación de la tangente de salida 5) θ: Valor absoluto de la diferencia algebraica de las inclinaciones de los

extremos 6) d: Ordenada vertical desde el PIV a la curva 7) X: Distancia horizontal a cualquier punto de la curva desde el PCV o desde

el PTV 8) y: Ordenada vertical en cualquier punto, también llamada corrección de la

curva vertical.

8.2.2.2. Asimétrica

De los tres manuales (INVIAS, AASHTO Y FOMENTO) el único que habla de los elementos geométricos de las curvas verticales asimétricas es el INVIAS, las curvas verticales asimétricas son parábolas conformados por diferentes longitudes de curva unidas el PIV como se muestra en la figura 47.

137

Figura 47. Elementos de la curva vertical asimétrica.


1) PCV: Principio de la curva vertical. 2) PIV: Punto de intersección de las tangentes verticales. 3) PTV: Terminación de la curva vertical. 4) L₁: Longitud de la curva vertical, medida por su proyección horizontal, en

metros. 5) L₂: Longitud de la curva vertical, medida por su proyección horizontal, en

metros. 6) S₁: Pendiente de la tangente de entrada, en porcentaje (%). 7) S₂: Pendiente de la tangente de salida, en porcentaje (%). 8) A: Diferencia algebraica de pendientes, en porcentaje (%).

𝐴 = (𝑆1 − 𝑆2) (38)

9) E: Externa. Ordenada vertical desde el PIV a la curva, dada en metros.

𝐸 =𝐴 × 𝐿

800 (39)

10) x₁: Distancia horizontal a cualquier punto de la curva desde el PCV 11) x₂: Distancia horizontal a cualquier punto de la curva desde el PTV 12) y₁: Ordenada vertical en cualquier punto, también llamada corrección de la

curva vertical.

138

𝑦₁ = 𝑥₁2 × (𝐴

200 × 𝐿) (41)

13) y₂: Ordenada vertical en cualquier punto, también llamada corrección de la curva vertical.

𝑦₂ = 𝑥₂2 × (𝐴

200 × 𝐿) (42)

De los otros dos manuales no se obtiene información sobre curvas verticales asimétricas pero la AASHTO redirecciona a textos de ingeniería de carreteras.

8.2.3. Longitud de la Curva Vertical

INVIAS

Para seleccionar la longitud de la curva se maneja en el INVIAS 3 criterios que son:

• Criterio de seguridad: Este criterio establece la longitud mínima de la curva vertical con el fin de lograr que en todo el camino el conductor tenga una distancia de visibilidad mayor o igual a la distancia de parada (DP).

• Criterio de operación: Este criterio también consta de establecer una longitud mínima con el fin de que el conductor no experimente cambios bruscos en la pendiente.

• Criterio de drenaje: a diferencia de los criterios anteriores este se encana de establecer la longitud máxima de la curva evitando que se dificulte el drenaje de la calzada y que la curva sea demasiado larga.

AASHTO

Debe estar dentro de los valores de longitud mínima y máxima que se establecen más adelante, para que el conductor tenga visibilidad, presente buen drenaje, comodidad al conducir y sea agradable en apariencia.

FOMENTO

Para el FOMENTO la longitud de la curva se establece con valores de Kv (radio de la circunferencia osculatriz en el vértice de dicha parábola) mínimos, que se hallan teniendo en cuenta:

• Consideraciones de visibilidad, de adelantamiento (en carreteras convencionales) y de parada.

139

• Consideraciones de percepción visual.

• Estas consideraciones se tienen en cuenta para evitar que, al realizar el recorrido con un vehículo, provoque a su conductor la sensación de circular por un tobogán.

8.2.4. Longitud Mínima

Los tres manuales presentan métodos y fórmulas para hallar la longitud mínima de la curva, siendo el manual AASHTO e INVIAS los más parecidos, encontrando exactamente las mismas formulas, sin embargo, la AASHTO considera un criterio adicional, que implica utilizar un K = 30 para A pequeños.

AASHTO

Las longitudes mínimas en las curvas verticales convexas para la distancia visual son más adecuadas en cuanto a seguridad y comodidad, por tanto, para calcular la longitud mínima se utiliza la distancia de visibilidad de frenado, su fórmula es K veces la diferencia algebraica de las pendientes en porcentaje, o por práctica, es 0.6 veces la velocidad de diseño.

Curvas verticales convexas

Las longitudes mínimas de las curvas convexas por practica se puede calcular 0.6 veces la velocidad de diseño o son como mínimo la distancia de visibilidad de parada y se calcula con las ecuaciones 5 y 6, mostradas a continuación.

Ecuaciones 5 y 6.

Cuando S es menos que L

𝐿 =𝐴𝑆2

100(√2ℎ1 + √2ℎ2)2

( 20)


𝐿 = 2𝑆 −200(√ℎ1 + √ℎ2)2

𝐴 ( 21)

140

Curvas verticales cóncavas

Al igual que la curva convexa, se puede calcular por practica 0.6 veces la velocidad de diseño, o para mejorar la apariencia de las curvas verticales cóncavas se utiliza un K = 30 o por criterio de visibilidad según el haz de luz del faro, como se muestra a continuación en las ecuaciones 11 y 12.

Ecuaciones 11, 12, 13 y 14


𝐿 = 𝐴𝑆2

200(0.6 + 𝑆(tan 1°)) ( 22)

O,

𝐿 = 𝐴𝑆2

120 + 3.5𝑆 ( 23)


𝐿 = 2𝑆 −200(0.6 + 𝑆(tan 1°))

𝐴

( 24)

O,

𝐿 = 2𝑆 − 120 + 3.5𝑆

𝐴 ( 25)

INVIAS

Curva vertical Convexa

• Criterio de Seguridad

La longitud mínima se obtiene aplicando el DP (distancia de visibilidad de parada) y de allí se puede obtener dos relaciones:

• DP < L


200(√ℎ1 + √ℎ2)2 (43)

141

K en porcentaje y L en metros. DP > L

𝐿𝑚𝑖𝑛 = 2(𝐷𝑃) −200(√ℎ1 + √ℎ2)2

𝐴 (44)

Las ecuaciones que representan la longitud de la curva para cada relación tienen en cuenta las siguientes observaciones.

La altura del ojo del conductor es de 1.08 m

La altura del obstáculo es de 0.6 m

• Criterio de operación

Este criterio evita el cambio brusco en la pendiente permitiendo que la curva vertical tenga buena apariencia, para que la longitud mínima cumpa con el criterio de operación debe estar en función de la velocidad especifica (Vcv).

𝐿𝑚𝑖𝑛 = 0.6 ∗ 𝑉𝑉𝐶 (27)

Vcv Velocidad especifica de la curva vertical en Km/h

Curva Vertical Cóncava

• Criterio de seguridad

Para la longitud mínima de la curva vertical se pone en función de la distancia de visibilidad de parada DP, la altura de las luces delanteras del vehículo (H) y un Angulo de divergencia del rayo de luz hacia arriba (α).

DP < L


200 ∗ (𝐻 + 𝐷𝑃 ∗ tan(𝛼)) (45)

DP > L

𝐿𝑚𝑖𝑛 = 2𝐷𝑃 −200 ∗ (0.6 + 𝐷𝑃 ∗ 𝑡𝑎𝑛(𝛼))

𝐴 (46)

142

• Criterio de operación

Este criterio se aplica del mismo modo que en las curvas convexas teniendo en cuenta la velocidad especifica.

𝐿𝑚𝑖𝑛 = 0.6 ∗ 𝑉𝑉𝐶 (27)

La distancia de visibilidad de adelantamiento en este caso no es relevante ya que es imposible ver las luces del vehículo el sentido contrario.

FOMENTO

• Consideraciones de visibilidad

Si la longitud de la curva de acuerdo vertical (L) es superior a la visibilidad requerida (D)

(L > D), el valor del parámetro (Kv) vendrá dado por las expresiones siguientes (Ministerio de Fomento, Gobierno de España, 2016):

− En acuerdos convexos:

𝐿 = |𝑖1 − 𝑖2| ∗ 𝐷2

2 ∗ (√ℎ1 + √ℎ2)2 (23)

𝐾𝑣 =𝐷2

2 ∗ (√ℎ1 + √ℎ2)2 (22)

− En acuerdos cóncavos:

𝐿 = |𝑖1 − 𝑖2| ∗ 𝐷2

2 ∗ (ℎ − ℎ2 + 𝐷 ∗ tan(𝛼)) (31)

143

𝐾𝑣 =𝐷2

2 ∗ (ℎ − ℎ2 + 𝐷 ∗ tan(𝛼)) (32)

Siendo:

Kv = Parámetro de la parábola (m).

h1 = Altura del punto de vista del conductor sobre la calzada (m).

h2 = Altura del objeto sobre la calzada (m).

h = Altura de los faros del vehículo (m).

∝ = Ángulo que el rayo de luz de mayor pendiente del cono de luz de los faros forma con el eje longitudinal del vehículo.

D = Visibilidad requerida (m).

θ = |i2 − i1| = Valor absoluto de la diferencia algebraica de las inclinaciones de las rasantes en tanto por uno.

• Consideraciones de percepción visual

La longitud de la curva de acuerdo vertical cumplirá la condición:

𝐿 ≥ 𝑉𝑝 (47)

Siendo:

L = Longitud de la curva de acuerdo (m).

Vp = Velocidad de proyecto (km/h).

Si la longitud de la curva de acuerdo vertical L = Kv ∙ θ obtenida, es inferior a Vp, se determinará el valor de Kv por la condición:


𝜃 (28)

Siendo:

Vp = Velocidad de proyecto (km/h).

144

θ = |i2 − i1| = Valor absoluto de la diferencia algebraica de las inclinaciones de las rasantes en tanto por uno.

8.2.5. Longitud Máxima

AASHTO

Curva vertical cóncava

La longitud máxima de la curva se determina por el criterio de drenaje, se debe tener en cuenta un parámetro máximo de K = 51.

Curva vertical convexa

La longitud máxima de la curva se determina por el criterio de drenaje, se debe tener en cuenta un parámetro máximo de K = 51.

INVIAS

Curva vertical cóncava

Criterio de drenaje

Para controlar longitud máxima para evitar empozamiento de aguas superficiales en el punto más bajo de la curva para esto el valor de K debe ser menor o igual a 50 para dibujar la curva vertical cóncava.

Curva vertical convexa

Criterio de drenaje

En una curva vertical convexa siempre va a ver un tramo con una pendiente del 0% cuando S₁ y S₂ son de signos diferentes, y haciendo referencia a la AASHTO-2004 toman el valor de A =0.6% para un tramo de 30m para dar un adecuado drenaje al sector plano de la curva vertical.

𝐾𝑚𝑎𝑥 = 30

0.6= 50 (48)

Para garantizar el adecuado drenaje de la curva vertical convexa en la cresta el valor de K debe ser menos o igual a 50.

FOMENTO

Según el FOMENTO, si se utiliza Kv superiores a cinco mil metros se debe confirmar el correcto drenaje, (es lo mismo que en el INVIAS, pero utilizando unidades diferentes).

145

8.2.6. Distancia de Visibilidad Bajo Estructuras

AASHTO

La distancia visual en separación de niveles debe ser por lo menos igual de larga que la distancia visual mínima de detención o mayor en su preferencia, aunque Las curvas cóncavas bajo estructuras no son una preocupación frecuente esta estructura puede cortar la línea visual, en estos casos se debe dar la longitud mínima de la curva vertical y en donde la pendiente se exceda no es necesario que la distancia visual sea menor que los valores mínimos de la distancia visual de detención.

Figura 48. Distancia de visibilidad bajo estructuras.


CASO 1

S > L (distancia visual mayor que la longitud de la curva vertical)

𝐿 = 2𝑆 −800(𝐶 − (

ℎ1 + ℎ2

2 )

𝐴 (49)

L: Longitud de la curva vertical, en metros.

S: Distancia de visibilidad de parada, en metros.

146

A: Diferencia algebraica de pendientes, en porcentaje (%).

C: Gálibo, en metros.

h1: Altura del ojo del conductor, en metros

h2: Altura del obstáculo, en metros.

CASO 2

S < L (Distancia visual menor que la longitud de la curva vertical)

𝐿 =𝐴𝑆2

800(𝐶 − (ℎ1 + ℎ2

2 )) (50)


S: Distancia de visibilidad de parada, en metros.



h1: Altura del ojo del conductor, en metros.

h2: Altura del obstáculo, en metros.

INVIAS

La distancia de visibilidad en la vía bajo estructuras debe ser como mínimo igual a la distancia de visibilidad de parada, pero es mejor que sea mayor. Los criterios de diseño son los mismo para curvas convexas, pero no igual en curva cóncavas por el corte de la línea de visibilidad por este motivo no se debe reducir la distancia de visibilidad por debajo de la distancia de visibilidad de parada (DP).

Se recomienda utilizar una distancia de visibilidad igual a la distancia de visibilidad de adelantamiento (Da).

147

Figura 49. Distancia de visibilidad bajo estructuras.


CASO 1

DP > L (distancia visual mayor que la longitud de la curva vertical)

𝐿 = 2 × 𝐷𝑝 −800(𝐶 − (

ℎ1 + ℎ2

2 )

𝐴 (51)


DP: Distancia de visibilidad de parada, en metros.



h₁: Altura del ojo del conductor, en metros

h₂: Altura del obstáculo, en metros.

148

CASO 2

DP < L (Distancia visual menor que la longitud de la curva vertical)

𝐿 =𝐴 × (𝐷𝑝)2

800(𝐶 − (ℎ1 + ℎ2

2 )) (52)


DP: Distancia de visibilidad de parada, en metros.



h₁: Altura del ojo del conductor, en metros.

h₂: Altura del obstáculo, en metros.

FOMENTO

Debería encontrarse información acerca de la distancia de visibilidad bajo estructuras, pues si no esto se deja a la práctica ingenieril.

149

9. MODIFICACIONES Y/O ADICIONES AL INVIAS

Los elementos y criterios descritos a continuación están plasmados con el fin de sugerir cambios para mejorar la comodidad, operación y seguridad en la normatividad colombiana INVIAS.

9.1. Rampas de escape

Las rampas de escape tienen como función detener un vehículo que se encuentre fuera de control por perdida de frenos, en Colombia se registran 3.273 casos de siniestros viales entre los años 2014 y 2019 por falla de los frenos, es por esto que se pretende sugerir la inclusión de rampas de escape de emergencia, que se dividen en tres tipos:

• Gravedad

Estas se caracterizan por ser largas y empinadas, están limitadas por la topografía del terreno y sus costos. Esta rampa es la menos utilizada debido a que detiene el movimiento hacia delante, pero la superficie pavimentada no puede evitar que el vehículo retroceda por la pendiente.

Figura 50. Rampa de escape de gravedad.

Fuente: Elaboración propia

150

• Pila de arena

Son rampas no mayores a 120 m de longitud y están compuestas de arena seca suelta que causan la resistencia a la rodadura, y la influencia de la gravedad depende de la pendiente de la superficie, estas rampas desaceleran a un vehículo de manera brusca, y son afectadas por el clima por estas dos razones son utilizadas en caso donde el espacio no sea el adecuado para colocar una rampa de lecho de detención.

Figura 51. Rampa de escape pila de arena.

Fuente: Elaboración propias.

• Lecho de detención ✓ Pendiente descendente

Son rampas construidas paralelas a los carriles principales, son agregado suelto en un lecho de detención donde la fricción con la rodadura es el actor principal estas rampas son demasiados largos por la gravedad que actúa a favor de la velocidad de vehículo, estas rampas deben tener una

151

clara entrada de nuevo a la carretera principal para que los conductores que duden de su efectividad entren de manera tranquila.

✓ Pendiente Horizontal

Gradiente plano, se basa mayormente en la resistencia con la rodadura en el lecho de detención, estas rampas son más largas que las de pendiente ascendente.

✓ Pendiente Ascendente

Estas rampas utilizan la resistencia de gradiente como ventaja y el material suelto aumenta la resistencia a la rodadura, en contrario a las rampas de gravedad aquí el lecho de detención no dejaría que el vehículo se devuelva por la pendiente.

Figura 52. Rampa de escape lecho de detención.

Fuente: Elaboración propia

152

9.2. Clasificación de vías

La clasificación de vías permite asignar una carretera a una categoría, con el fin de proporcionar criterios preestablecidos a cada una, y por tanto a cada carretera, Colombia tiene solo cuatro categorías, en donde la de pendiente máxima es del 14%, en carreteras terciarias, sin embargo, hay carreteras en las que se puede utilizar pendientes más altas, por los vehículos que van a transitar o el uso que se le va a dar (velocidades más reducidas).

En comparación con el manual de la AASHTO, y teniendo en cuenta la clasificación de este manual, se puede especificar la importancia de los caminos recreacionales y un buen motivo para implementarlos en la normatividad colombiana.

9.2.1. Caminos recreacionales

Los caminos recreacionales son diseñados con el fin de ajustarse a la topografía del terreno, garantizando la seguridad, operación y comodidad a los usuarios, también minimizando los costos de estudio y construcción, y debido a sus bajas velocidades brindan a el usuario la oportunidad de recorrerlo, mientras es aprovechado el paisaje, en Colombia existe gran variedad de destinos que pertenecerían a esta clasificación propuesta, como el parque nacional del café o la hacienda Nápoles debido a su cantidad de vías internas, sin dejar a un lado las reservas naturales, o zoológicos.

9.3. Longitud critica

La longitud critica es un criterio que está presente en el INVIAS, garantiza que la distancia de una subida esté limitada para evitar que los camiones tengan una reducción de velocidad muy por debajo de la velocidad media marcha de todo el tránsito, y puedan involucrarse en accidentes, en el INVIAS la reducción de velocidad permitida es de 25 km/h, se sugiere cambiar dicha reducción por 15 km/h, como está en la norma AASHTO, pues según estudios realizados por la entidad, la cantidad de accidentes de camión se reducen en 2.4 veces, los datos del estudio se ven reflejados en la siguiente tabla.

153

Figura 53. Índice de involucramiento en choques de camiones, para los cuales se reducen las velocidades de marcha por debajo de la velocidad media de marcha de todo el tránsito.


9.4. Carriles adicionales

En el manual del INVIAS no existe una sección sobre los diferentes tipos de carriles adicionales, es por esto que se plantea la modificación de la norma creando dicha sección, en donde incluye el único carril adicional que se encuentra en la norma colombiana “Carriles Especiales de Ascenso”, e incluyendo más tipos de carriles adicionales que se mencionan más adelante.

• Carriles Especiales de Ascenso

Siguiere complementar este tipo de carriles, pues se encuentra dentro del manual del INVIAS, pero no especifica correctamente criterios y parámetros que permitan su correcto diseño, los carriles de ascenso son necesarios para dar continuidad al flujo vehicular, generalmente se incluyen cuando una tangente en ascenso sobrepasa su longitud crítica, en tal caso los vehículos pesados entran a este nuevo carril para dar paso a los vehículos livianos.

154



• Carriles de adelantamiento

Se propone la inclusión de este tipo de carriles en el manual colombiano, gracias a la importancia que tiene su funcionamiento y que ha sido demostrada en los otros dos manuales, según algunos casos previstos en Colombia su implementación provocaría mejoras en el flujo de las carreteras especialmente en vías importantes donde sea alto el volumen de vehículos pesados. Dos de los que mejor se acogida tienen son:

✓ Carriles de adelantamiento en carretera de dos carriles

Los carriles de adelantamiento se utilizan para mejorar las operaciones de tráfico a lo largo de una carretera creando oportunidades de adelantamiento y por tanto mejorar el flujo vehicular, que proporcionan generalmente intervalos regulares debe diseñarse para proporcionar la mayor parte de la carretera posible con distancia de visibilidad.

155

Figura 55. Sección de carriles de adelantamiento en carreteras de dos carriles.


✓ Calzada 2+1

Es una calzada de tres carriles, uno de ellos funciona como carril de adelantamiento en direcciones alternas a lo largo de un tramo. Son necesarias donde los volúmenes de tráfico son altos continuamente, mejorando el nivel de servicio.



156

• Apartadero

Estos carriles adicionales llamados apartaderos deberían estar en el manual de Colombia pues en los casos donde no se pueda adicionar alguno de los carriles anteriores por la topografía o el poco espacio es muy probable que los apartaderos sean la mejor solución para despejar una fila de automóviles que este siendo retrasada por las bajas velocidades de un vehículo pesado.

Un apartadero es una bahía amplia y sin obstáculos que permite que los vehículos de movimiento lento salgan del carril para dar oportunidades de adelantamiento a los siguientes, deteniéndose solo el tiempo necesario para dar paso, sin embargo, cuando la fila de vehículos no es muy larga se puede hacer esta maniobra sin detenerse.

• Apartadero de emergencia

Los apartaderos de emergencia son propuestos para incluir en el manual por su gran importancia, en Colombia algunas de las carreteras solo cuentan con un carril para cada sentido, en estos casos si un vehículo llega a detenerse por fallas mecánicos no tiene un lugar donde esperar mientras soluciona su problema, y esto se debe a que las bermas colombianas son muy angostas para tener el espacio necesario de ubicar un vehículo y en algunos casos una grúa.

Son áreas utilizadas en caso de que un vehículo llegue a necesitar detenerse de emergencia, como es el caso de los vehículos averiados en carretera, estos vehículos necesitan un espacio para estacionarse. Los apartaderos de emergencia son ubicados usualmente donde se presenten registros de vehículos que sufren fallas mecánicas.

Figura 57. Apartadero de emergencia


157

• Apartadero para revisión y control de vehículos pesados

Al implementar las rampas de emergencia se propone la ubicación de apartaderos para revisión y control de vehículos pesados, por sugerencia de algunos manuales antes de comenzar un descenso, un camión debería tener un espacio donde poder verificar el funcionamiento correcto de los frenos para no presentar problemas en el transcurso de la pendiente, de la misma forma a la entrada de túneles donde alguna falla (choque o la detención repentina de un vehículo) podría detener el flujo vehicular por varias horas.

Figura 58. Apartadero para revisión y control de vehículos pesados.


158

10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• Las rampas de emergencias se tienen en cuenta en el manual FOMENTO y en la AASHTO, pero no en el INVIAS, según estudios realizados por el Observatorio Nacional de Seguridad Vial, en Colombia, entre el 2014 y 2019 se han presentado aproximadamente 3.273 accidentes, cuya hipótesis han sido falla en los frenos, por tal razón, es recomendable fomentar el uso de rampas de emergencia y que estén incluidas dentro del manual con sus respectivas especificaciones, su uso podría implementarse en zonas donde sea necesario y además quede con un diseño óptimo.

• Los carriles adicionales se tienen en cuenta en el manual del INVIAS, pero no con la importancia que debería como lo hace el manual de la AASHTO, el cual divide los carriles adicionales en varias categorías, en Colombia solo se tienen en cuenta por la disminución de velocidad de camiones en pendientes pronunciadas, la disminución de velocidad en vehículos livianos y cuando se excede la longitud critica de pendiente. La implementación de dichos carriles mejoraría el tráfico en muchas zonas del país proporcionando fluidez en la movilidad y zonas adecuadas para parquear en casos de necesitar estacionar por algún problema técnico, pues la berma no cumple con las medidas necesarias para garantizar que el vehículo quede totalmente por fuera de la calzada.

• La reducción de velocidad para calcular la longitud critica en el manual de la AASHTO 2011 fue cambiada con respecto a la AASHTO 2004, de 25km/h fue modificado a 15km/h debido a que la cantidad de accidentes se reducen en 2.4 veces, según la sección “3.4.2. Pendientes” del manual (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011), mientras que el manual del INVIAS 2008, sigue manteniendo dicha reducción de 25km/h. Teniendo en cuenta esto, es necesario hacer estudios en Colombia acerca de dicha reducción de velocidad, para obtener datos con el porcentaje de choques y poder determinar qué tan viable es cambiar este parámetro de diseño.

• El INVIAS no cuenta con una clasificación de vías inclusiva en comparación con la AASHTO, este manual estadounidense presenta varios tipos de vías como lo son vías rurales locales, vías recreacionales, colectores rurales, colectores urbanos, arterias rurales, arterias urbanas y autopistas rurales y urbanas, y esta clasificación permite que se tenga más cobertura sobre los tipos de vías que se desean diseñar, en el caso del INVIAS, al no presentar una clasificación más detallada segregan algunas vías que no entran en la clasificación (primaria dos calzadas, primaria de una calzada, secundaria y terciaria), por lo tanto, se deben hacer estudios

159

que pueden generar más costos y trabajo para obtener los parámetros necesarios que conlleva un correcto diseño, lo mismo ocurre en el caso del FOMENTO al clasificar las vías en solo dos categorías (autopistas y autovías; carreteras convencionales y carreteras multicarril), es por esta razón que, el INVIAS debería tener en cuenta el aumento de más categorías en su clasificación.

• Camino recreacional, es una de las clasificaciones de carreteras que contiene la AASHTO para la asignación de pendientes máximas, a esta clasificación pertenecen las carreteras ubicadas principalmente en parques, reservas, zoológicos, playas, entre otros que tienen como objetivo brindar un espacio de ocio a las personas, donde las velocidades de los vehículos son muy bajas, Colombia cuenta con muchos lugares turísticos que puede tener esta clasificación, pero al no estar dentro del manual del INVIAS, no se puede controlar su diseño, ni construcción para que garantice comodidad y seguridad al usuario.

160

REFERENCIAS

Agudelo, J. J. (2002). Diseño Geométrico de Vías Ajustado al Manual Colombiano. Medellín: Facultad de Minas - Universidad Nacional de Colombia.

American Association of State Highway and Transportation Officials. (2011). A Policy on Geometric Design of Highways and Streets. Washington, DC: American Association of State Highway and Transportation Officials.

Gonzáles Vergara, C. J., Rincón Villalba, M. A., & Vargas Vargas, W. E. (2012). Diseño geométrico de vías. Bogotá: Editorial Universidad Nacional de Colombia.

Gonzáles Vergara, C. J., Rincón Villalba, M. A., & Vargas Vargas, W. E. (2018). Diseño Geométrico de vías con Civil 3D. Bogotá D.C.: ECOE EDICIONES.

IDU, I., Unal, U., & CAF, C. (s.f.). Guía Para El Diseño De Vías Urbanas Para Bogotá D.C. Bogotá D.C.

Instituto Nacional de Vías. (2008). Manual de Diseño Geométrico de Carreteras. Bogotá D.C.

Leclair, R. (2004). Normas para el diseño geométrico de las carreteras regionales. Ciudad de Guatemala: SIECA.

López, C. C., & Trujillo, D. F. (2012). Análisis comparativo del diseño geométrico del trayecto 6 (t6_1, t6_2 y t6_4) de la concesión variante Rumichaca - Pasto - Chachagüi - aeropuerto referenciado a la normatividad vigente. Pasto: Facultad de Ingenieria - Universidad de Nariño.

Ministerio de Fomento, Gobierno de España. (2016). Instrucción de Carreteras. Norma 3.1-IC. Madrid: Dirección General de Carreteras.

Secretaria de Comunicaciones y Transportes. (2018). Manual de Proyecto Geométrico de Carreteras (Vol. Segunda edición). Ciudad de México, México.

criterios de diseÑo, seguridad y operaciÓn …

Documents