manual de carreteras 2013

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Los Conceptos emitidos en el siguiente manual están en fase de revisión por expertos en la materia, favor omitir errores que puedan aparecer en el mismo. Año 2013 NOTAS DE CATEDRA: APUNTES SOBRE EL DISEÑO (PLANIMETRICO Y ALTIMETRICO) DE VIAS. Elaborado por: Ing. Agustin Balbi Agustin Balbi

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Page 1: Manual de Carreteras 2013

Los Conceptos emitidos en el siguiente manual están en fase de revisión por expertos en la materia, favor omitir errores que puedan aparecer en el mismo.

Año 2013

NOTAS DE CATEDRA: APUNTES SOBRE EL DISEÑO (PLANIMETRICO Y ALTIMETRICO) DE VIAS. Elaborado por: Ing. Agustin Balbi Agustin Balbi

Page 2: Manual de Carreteras 2013

2

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 3

CAPÍTULO 1: GENERALIDADES ................................................................................................... 4

1.1 Clasificación de las carreteras en la República Dominicana. ...................................................... 4

1.2 Parámetros a tomar en cuenta en el diseño de una carretera. ....................................................... 5

CAPÍTULO 2: ETAPAS DE UNA CARRETERA .............................................................................. 8

2.1 Estudio topográfico ................................................................................................................... 8

2.2 Selección de rutas. ................................................................................................................... 12

2.3 Evaluación de rutas ................................................................................................................. 12

CAPÍTULO 3: ALINEAMIENTO HORIZONTAL ........................................................................... 15

3.1 Curvas circulares ..................................................................................................................... 15

3.2 Elementos geométricos de una curva circular ........................................................................... 16

3.3 Movimiento de los vehículos en las curvas circulares............................................................... 18

3.4 Curvas de Transición ............................................................................................................... 29

3.5 Sobreancho y su transición ..................................................................................................... 33

3.6 Curvas con Espiral de Transición............................................................................................. 38

CAPÍTULO 4: DISEÑO ALTIMÉTRICO ........................................................................................ 43

4.1 Perfiles .................................................................................................................................... 43

4.2 Perfil Longitudinal .................................................................................................................. 44

4.3 Subrasante ............................................................................................................................... 45

4.4 Rasante ................................................................................................................................... 47

4.5 Curvas verticales ..................................................................................................................... 47

4.6 Perfil Transversal .................................................................................................................... 53

4.7 Determinación de las Áreas y el volumen de las secciones Transversales ................................. 56

4.8 Movimiento de tierras.............................................................................................................. 58

4.9 Diagrama de masas.................................................................................................................. 61

CAPÍTULO 5: ESTUDIO HIDROLÓGICO ..................................................................................... 66

5.1 Antecedentes hidrológicos ....................................................................................................... 67

5.2 Análisis de precipitación.......................................................................................................... 67

5.3 Antecedentes topográficos ....................................................................................................... 73

5.4 Estudio de la escorrentía .......................................................................................................... 74

CAPÍTULO 6: DISEÑO HIDRÁULICO DE ESTRUCTURAS DE DRENAJE SUPERFICIAL ....... 78

6.1 Diseño de drenaje longitudinal y obras de desagüe ................................................................... 79

6.2 Diseño de alcantarilla ............................................................................................................. 83

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 95

Page 3: Manual de Carreteras 2013

3

INTRODUCCIÓN

Para ejecutar un proyecto de carretera, es necesario definir y conocer una serie de criterios y

conceptos fundamentales.

Sírvase el presente trabajo, como material de apoyo dirigido a los estudiantes de la carrera

de Ingeniería Civil, que se encuentren cursando la asignatura de Carretera I y Carretera II.

En el mismo se presentan los conocimientos básicos del diseño geométrico de carreteras, en

apego a las normas y reglamentos existentes en nuestro país.

En el Capítulo 1, se da a conocer la clasificación de las carreteras en nuestro país, y los

parámetros más importantes a considerar en el diseño de una vía.

El Capítulo 2 trata sobre los conceptos preliminares para la selección de una ruta. En esta

sección se hace énfasis en el estudio topográfico que debe llevarse a cabo al momento de

elaborar el proyecto de la vía.

El Capítulo 3 incluye todo lo relacionado con el diseño planimétrico de una carretera.

El Capítulo 4 aborda lo que debe tenerse en cuenta al momento de realizar el diseño

altimétrico de una carretera: perfil longitudinal, subrasante, curvas verticales, perfil

transversal, cálculo de área y volumen y finalmente diagrama de masas.

El Capítulo 5 presenta los procedimientos que intervienen en el estudio hidrológico para

determinar el caudal de escorrentía. Se describen los métodos estadísticos para

determinación de la curva I-D-F. El método sugerido para determinar el caudal de diseño es

el Método Racional, por ser usado comúnmente; haciendo la salvedad de que éste se utiliza

preferiblemente para cuencas cuya área de aportación es menor de 3 km2.

El diseño hidráulico de las estructuras de drenaje se trata en el Capítulo 6.

Page 4: Manual de Carreteras 2013

4

CAPÍTULO 1: GENERALIDADES

Una carretera es una infraestructura de transporte especialmente acondicionada dentro de

toda una faja de terreno que se designa como derecho de vía, con el propósito de permitir la

circulación de vehículos de manera continua en el espacio y en el tiempo, con niveles

adecuados de seguridad y comodidad.

En el proyecto de una carretera, el diseño geométrico es la parte más importante ya que a

través de él se establece su configuración geométrica con el propósito de que la vía sea

funcional, segura, cómoda, estética, económica y compatible con el medio ambiente.

Una vía será funcional de acuerdo a su tipo, características geométricas y volúmenes de

transito, de tal manera que ofrezca una adecuada movilidad a través de una suficiente

velocidad de operación.

La geometría de la vía tendrá como premisa básica la de ser segura, a través de un diseño

simple y uniforme.

La vía será económica cuando cumpliendo con los demás objetivos, ofrece el menor costo

posible tanto en su construcción como en su mantenimiento.

Finalmente, la vía deberá ser compatible con el medio ambiente, adaptándola en lo posible a

la topografía natural, a los usos del suelo y al valor de la tierra, y procurando mitigar o

minimizar los impactos ambientales.

1.1 Clasificación de las carreteras en la República Dominicana.

Las carreteras en la República Dominicana se clasifican de acuerdo a la función que

desempeñan en redes, y se clasifican en:

Page 5: Manual de Carreteras 2013

5

1.1.1 Carreteras de la red primaria o troncal

Son aquellas que unen las regiones extremas del país, sirven de recolectoras del tráfico de las

regiones adyacentes a ellas y están destinadas, sobre todo a largos recorridos.

1.1.2 Carreteras de la red secundaria o regional

Estas unen las comunidades de una misma región, desembocan en carreteras de la red

primaria y se destinan a trayectos de alcance medio. En ocasiones comunican comunidades de

varias regiones.

1.1.3 Carreteras de la red terciaria o local

Son aquellas que comunican las carreteras secundarias con puntos de difícil acceso,

generalmente de producción agrícola.

1.2 Parámetros a tomar en cuenta en el diseño de una carretera.

Los parámetros de diseños son todos los detalles que hay que tomar en cuenta en el diseño de

la carretera, es decir, las especificaciones técnicas que van a regir todo el trayecto, por lo

que se hace necesario conocer previamente.

1.2.1 Velocidad Directriz o de Diseño.

La AASHTO define la velocidad de diseño como una velocidad seleccionada para determinar

las diferentes características geométricas de la vía. La velocidad de diseño depende de la

clase funcional de la carretea, de la topografía del área en la cual se ubica la carretera y del

uso del suelo del área adyacente. Es el elemento básico para el diseño geométrico de

carreteras y el parámetro de cálculo de la mayoría de los diversos componentes del proyecto.

Page 6: Manual de Carreteras 2013

6

<2000 (*)

LLANA 80

ONDULADA 65

MONTAÑOSA 45

<250 (*) 250-400(*)

LLANA 65 80

ONDULADA 45 65

MONTAÑOSA 35 35

<50 (*) 50-100(*)

LLANA 35 45

ONDULADA 25 30

MONTAÑOSA 15 20

(*) Promedio Diario Anual del Transito Vehicular ( T.M.D.A.)

45

100-250(*)

60

45

30

TERCIARIA O

LOCAL

100

90

65

>400(*)

65

PRIMARIA O

TRONCAL

SECUNDARIA O

REGIONAL

VALORES DE LA VELOCIDAD DIRECTRIZ

CLASIFICACION TOPOGRAFIA

VELOCIDAD DIRECTRIZ (Km/h)

TRAFICO PROMEDIO DIARIO ANUAL ( T.M.D.A)

>2000(*)

La velocidad debe ser estudiada, regulada y controlada, con el fin de que ella origine un

perfecto equilibrio entre el usuario, el vehículo y la carretera, de tal manera que siempre se

garantice la seguridad.

Se define la velocidad de diseño como la máxima velocidad con la cual se podrá mantener la

seguridad sobre la carretera siempre y cuando prevalezcan las condiciones de diseño.

Todos aquellos elementos geométricos del alineamiento horizontal, de perfil longitudinal y

transversal, tales como, radio mínimo, pendiente máximas, distancia de visibilidad, peralte,

ancho de carriles y bermas, anchuras y alturas libres, entre otros, dependen de la velocidad

de diseño y varían con un cambio de ella.

La elección de la velocidad directriz depende de varios factores:

1. Topografía del terreno.

2. Tránsito Medio Diario Anual (TMDA).

3. Clasificación de la carretera.

1

1 Manual de Diseño Geométrico de Carreteras, M-012, Pag.8. República Dominicana.

Page 7: Manual de Carreteras 2013

7

1.2.2 Tránsito Medio Diario Anual (TMDA).

Es el valor resultante de dividir la totalidad del tránsito vehicular durante todo el año entre

365.

1.2.3 Vehículo del proyecto.

Es aquel tipo de vehículo cuyo peso, dimensiones y características de operación son utilizados

para controles de diseño de las carreteras, de modo que estas puedan acomodar vehículos de

este tipo. Para efecto de diseño, se consideran dos clases de vehículos: livianos y pesados.

La figura A, muestra los distintos tipos

de vehículos con sus características

principales.

Figura A.

Page 8: Manual de Carreteras 2013

8

CAPÍTULO 2: ETAPAS DE UNA CARRETERA

La decisión de construir una vía, surge como resultado de los propósitos de desarrollo de

un país, la misma estará contemplada en un plan nacional de transporte, al cual solo se

llegará mediante un proceso minucioso de planificación. La planeación de una carretera

consiste en agrupar, dentro del análisis técnico, de manera coordinada todos los factores

geográficos–físicos, económicos-sociales y políticos que caracterizan una región2.

Una vez el proceso de la planificación se ha llevado a cabo, le corresponde al

ingeniero vial, intervenir para elaborar el estudio detallado y así ejecutar el proyecto. Su

labor conlleva las siguientes etapas:

Selección y evaluación de rutas.

Estudio de los trazados alternos.

Evaluación de los trazados.

Elaboración del proyecto de la vía.

Para la selección y evaluación de rutas, se debe englobar todo el proceso preliminar de

recopilación de todas las informaciones generales y específicas relacionadas con el proyecto

tales como: acopio de datos, estudio de planos, reconocimientos y localización de poligonales

de estudio, entre otros.

2.1 Estudio topográfico

Para ejecutar todo proyecto de ingeniería y en especial relacionado con el diseño de una

carretera es necesario conocer minuciosamente la topografía predominante de la zona donde

se va a ejecutar dicha obra vial.

2 Crespo Villalaz, Carlos.” Vías de comunicación: caminos, ferrocarriles, aeropuertos, puentes y

puertos”. Limusa. Tercera edición, 2004, México. Pág. 61.

Page 9: Manual de Carreteras 2013

9

La topografía juega un papel muy importante y decisivo en toda obra civil, por lo que se

garantiza un buen diseño, teniendo en cuenta la misma.

Para realizar el estudio topográfico se procederá a conocer el desnivel existente a lo

largo del trayecto de control primario (puntos obligados) y control secundario (puntos

intermedios), una vez conocido esos desniveles por tramos, se obtendrá la pendiente en cada

tramo, pero al final se determinará la pendiente predominante de la zona mediante un

promedio de las pendientes conocidas por tramos, dicho promedio se realizara con las sumas

algebraicas de las mismas.

2.1.1 Pendiente

Se define como la inclinación que existe entre dos puntos de cota conocida y la distancia

horizontal que hay de uno a otro.

(Ecuación fundamental de la altimetría).

Figura B.

Page 10: Manual de Carreteras 2013

10

Donde:

CF = Cota final.

CI = Cota Inicial.

DH = Distancia Horizontal.

Pendiente en porciento.

Rango de la pendiente:

Topografía

P% 0% - 3% Llana

P% 3% - 6% Ondulada

P% 6% - 8% Montañosa

P% > 8% Muy montañosa

Trazado de líneas de pendientes o líneas de ceros

La línea de ceros o línea de sinuosa, es una línea imaginaria que, pasando por los puntos

obligados del proyecto, conserva la pendiente uniforme especificada y que de coincidir con el

eje de la vía, este no aceptaría ni cortes ni rellenos.

Características:

Tiene o mantiene una pendiente constante.

Describe el comportamiento del terreno.

Va lo mas adyacente posible al terreno. (línea pelo de tierra)

Representa el trazado más económico, pero no el más seguro.

Fuente: American Association of State Highway and Transportation

officials - AASHTO

Page 11: Manual de Carreteras 2013

11

2.1.2 Pasos para el trazado de la sinuosa.

Primero se debe conocer la topografía de la zona, esta se puede determinar mediante un

estudio topográfico (estudio de pendientes). Una vez se conoce la misma, se determina la

equidistancia (Es la distancia vertical que existe entre dos curvas de nivel consecutivas). Con

estos datos ya conocidos entonces se procede a determinar la pendiente constante que llevara

la línea de sinuosa, la cual puede ser:

La pendiente promedio.

Tomar una arbitraria que este dentro del rango de pendiente de acuerdo con la

topografía.

Calculo la pendiente desde el punto A al punto B.

Con la pendiente de la línea sinuosa ya conocida y utilizando la ecuación de la pendiente

(ecuación fundamental de la altimetría), se obtiene:

(Ecuación fundamental de la altimetría).

Con esta ecuación se conoce la distancia horizontal necesaria para mantener una pendiente

constante en todo el trayecto del trazado. También se le llama a la distancia horizontal,

abertura del compas debido a que la

misma se traza con un compas de punta

seca.

Figura C.

Page 12: Manual de Carreteras 2013

12

2.2 Selección de rutas.

Se define una ruta como aquella franja de terreno, de ancho variable comprendida entre dos

puntos obligados extremos y que pasa a lo largo de puntos obligados intermedios, dentro de

lo cual es factible realizar la localización de trazado de una vía.

Para el trazado de una ruta se debe tomar en cuenta varios factores que inciden directamente

en el alineamiento horizontal. Es por esto que se hay que conocer los criterios básicos para el

trazado de las rutas, entre estos están:

La alineación será tan directa como sea posible pero se adaptará a la topografía del

terreno.

En general el número de curvas se reducirá al mínimo.

No deben introducirse cambio brusco en la alineación.

Se debe evitar el uso de curvas reversas pronunciadas.

Las curvas horizontales deberán estar lo más lejos posibles de los cursos fluviales

(ríos, vaguadas).

Para salvar un obstáculo (río, vaguada), se hará el trazado lo mas perpendicular

posible, con un ángulo de esviaje lo más cercano a 90.

Existen otros criterios que están contenidos en el Manual de Criterios Básicos para el Diseño

Geométrico de Carreteras M-012.

2.3 Evaluación de rutas

Para la selección de la ruta se debe realizar una serie de trabajos preliminares que tienen que

ver con el acopio de datos, estudios de los planos, el estudio de cada una de las poligonales,

la hidrología de la zona entre otros factores que intervienen en la selección de la ruta.

Existen varios métodos para la evaluación de rutas y trazados con los cuales se podrá hacer

la mejor selección. Dentro de estos métodos se encuentra el de BRUCE, en el cual se aplica

el concepto de longitud virtual. Compara, para cada ruta o trazado alterno, sus longitudes,

Page 13: Manual de Carreteras 2013

13

sus desniveles y sus pendientes, tomando en cuenta únicamente el aumento de longitud

correspondiente al esfuerzo de tracción en las pendientes3.

El mismo se expresa con la siguiente fórmula:

Xo = x + K∑Y

Donde:

Xo = Longitud resistente (m)

x = Longitud total del trazado (m).

K = Inverso del coeficiente de tracción.

∑Y = Sumatoria de desnivel

Figura D.

3 Cárdenas Grisales, James. Diseño Geométrico de Carretera. COE ediciones, Primera edición, 2002,

Colombia. Pág.17-18.

Page 14: Manual de Carreteras 2013

14

Tabla 2.4.1 Valores del inverso de coeficiente de tracción.

Tipo de superficie Valor medio de K

Carretera en tierra 21

Macadam 32

Pavimento asfáltico 35

Pavimento rígido 44

Generalmente para seleccionar una ruta si se observa la figura D, una vez las mismas están

trazadas, se debe graficar el perfil longitudinal de cada una de ellas, luego se deben evaluar

cada una por el método de Bruce y aquella que resulte con menor longitud resistente será

elegida como la ruta más factible desde ese punto de vista.

Page 15: Manual de Carreteras 2013

15

CAPÍTULO 3: ALINEAMIENTO HORIZONTAL

El alineamiento horizontal también conocido como diseño geométrico en planta, es la

proyección sobre un plano horizontal de su eje real. Dicho eje horizontal está constituido por

una serie de tramos rectos denominados tangentes, enlazados entre sí por curvas.

3.1 Curvas circulares

Las curvas circulares son arcos de circunferencia de radio conocido que unen dos tangentes

consecutivas, conformando la proyección de las curvas reales.

Estas se dividen en:

3.1.1 Curvas circulares simples:

Son aquellas que tienen un solo radio.

3.1.2 Curvas circulares compuestas:

Una curva compuesta consiste de una o más curvas en sucesión que dan vuelta en la misma

dirección con cualesquiera dos curvas sucesivas que tiene un punto de tangencia común.

Estas curvas se utilizan principalmente para obtener formas convenientes para el

alineamiento horizontal, además no es muy recomendable el uso de la misma a menos que la

topografía de

la zona así lo

amerite, por

lo que su uso

es más

conveniente

en terreno

montañoso.

Page 16: Manual de Carreteras 2013

16

Las curvas compuestas pueden ser concéntricas y policéntricas.

Concéntricas: son las que tienen un solo centro.

Policéntricas: las que tienen más de un centro.

3.2 Elementos geométricos de una curva circular

Leyenda:

Pc = Punto donde comienza la curva.

Pi = Punto de intersección.

Pt = Punto donde termina la curva.

R = Radio de la curva.

A = Angulo de deflexión.

CL = Cuerda larga.

Lc = Longitud de curva.

T = Tangente.

Lt = Longitud del tramo.

M = Ordenada media.

E = Externa

Page 17: Manual de Carreteras 2013

17

Utilizando operaciones trigonométricas conocidas se puede conocer las expresiones de cada

uno de los elementos de la curva.

Tan (∆/2) = T/R

T = R tan (∆/2)

sen(∆/2) = (CL/2) / R = CL/2R

CL = 2 R sen(∆/2)

360 -> 2πR

∆ -> Lc

Lc = 2πR ∆ / 360 = ∆ πR / 180

Lc = ∆πR / 180

Cos(∆/2) = R/R +E

R + E = R/cos(∆/2)

E = R/cos(∆/2) – R

E = R (1/cos (∆/2)) – 1

E = R (sec (∆/2) - 1

Page 18: Manual de Carreteras 2013

18

Cos(∆/2) = R – M/ R

R - M = R cos (∆/2)

-M = R cos(∆/2) – R

M = R – R cos(∆/2)

M = R (1 – cos (∆/2)

3.3 Movimiento de los vehículos en la s curvas circulares

Cuando un vehículo circula por un tramo de carretera en curva, sobre él aparece actuando

una fuerza de tipo centrífugo, que tiende a desviarlo radialmente hacia fuera de su

trayectoria.

Si el vehículo viaja a una velocidad constante y el radio de la curva es R, la magnitud de

fuerza viene dada por la expresión:

Donde:

Fc= Fuerza centrifuga desarrollada en la curva

W= Peso del vehículo

V= Velocidad del vehículo

g= Aceleración de la gravedad

En una curva de radio R, si la velocidad de circulación de los vehículos es fija, los valores

de las fuerzas W y F son constantes, pero sus componentes en dirección normal y paralela a

la calzada varían según la inclinación transversal que tenga ésta.

Page 19: Manual de Carreteras 2013

19

Peralte.

De lo expresado anteriormente se afirma que dos fuerzas se oponen al deslizamiento lateral

de los vehículos que circulan por las curvas: la componente del peso del vehículo paralela a

la calzada y la fuerza de rozamiento transversal entre neumáticos y pavimento.

El peralte o sobreelevación, no es más que la inclinación transversal de la calzada en las

curvas horizontales que sirven para contrarrestar la fuerza centrífuga que tiende a desviar

radialmente a los vehículos hacia fuera de su trayecto.

Esta inclinación, generalmente gira alrededor del eje de la carretera, esto es así, ya que de

esta forma, los cambios de elevación de los bordes producen menos distorsión, por ende

mejor transición. Ahora bien, si se desea disminuir los volúmenes de excavación o corte, es

preferible girar el peralte desde el borde interior de la curva o si se desea disminuir los

volúmenes de relleno o terraplén, entonces se deberá girar el peralte desde el borde exterior

de la curva.

Dado que la magnitud de las componentes del peso y de la fuerza centrífuga paralelas a la

calzada depende de la inclinación transversal de ésta, para evitar el deslizamiento lateral de

los vehículos en las curvas se acostumbra a dar cierta inclinación transversal a la calzada.

Esta inclinación se mide por la

tangente del ángulo Ø que

forma la superficie de la

calzada con la horizontal y

recibe el nombre de peralte,

designándose con la letra e. A

la velocidad de equilibrio, V,

Si no se toma en cuenta la consideración del efecto de rozamiento:

Page 20: Manual de Carreteras 2013

20

Cuando , la resultante será perpendicular al pavimento y la fuerza centrifuga no es

sentida por los ocupantes del vehículo. La velocidad que produce este efecto se llama

velocidad de equilibrio.

;

, entonces

Sustituyendo se obtiene:

;

Luego,

, sustituyendo a se obtiene:

, resolviendo para :

;

Sustituyendo a g por su valor (9.8m/s2) y expresando a V en km/h y R en metros se obtiene:

( )

Para velocidades distintas a las de equilibrio, llamadas V , y la tendencia del

vehículo a deslizarse lateralmente, proveniente de la diferencia debe ser resistida

por la fuerza de rozamiento, cuya magnitud es igual a la suma de las componentes normales

que actúan sobre el vehículo, multiplicada por un coeficiente de rozamiento transversal entres

los neumáticos y el pavimento, es decir:

Page 21: Manual de Carreteras 2013

21

( )

Cuando la resultante se desplaza en el sentido de la fuerza centrifuga, hay una

tendencia del vehículo a deslizarse hacia el exterior de la curva resistida por una fuerza de

sentido opuesto que se produce como consecuencia del rozamiento transversal de entre los

neumáticos del vehículo y el pavimento. Simultáneamente se origina un momento en sentido

contrario a las manecillas del reloj que tiende a volcar el vehículo hacia fuera de la curva.

Cuando , la resultante se desplaza en sentido contrario a la fuerza centrifuga. Los

efectos son opuestos a los descritos en el párrafo anterior: el vehículo tiende a deslizarse

hacia al interior de la curva y a volcar también hacia adentro.

Cuando , el valor del coeficiente de rozamiento es:

Para los valores de usados en la práctica, se puede suponer que ya que su

valor es muy pequeño comparado con . Luego ,

Y donde se puede escribir:

Sustituyendo a

y a ,

De la misma manera, cuando

Donde es el valor del peralte calculado para la velocidad de equilibrio y V es la velocidad

de circulación del vehículo.

Page 22: Manual de Carreteras 2013

22

Habiéndose demostrado anteriormente que

, el coeficiente de rozamiento deducido no

es otra cosa, numéricamente que la diferencia de los peraltes correspondientes a las

velocidades de circulación y de equilibrio.

En efecto, para

Se puede escribir

y para

Las relaciones anteriores también se pueden expresar en la forma,

Para

Para

Es decir que para las velocidades mayores que la de equilibrio, el rozamiento lateral y el

peralte se complementan para balancear la fuerza centrifuga, en tanto que cuando la

velocidad de circulación es menor que la de equilibrio, el rozamiento lateral complementa a

la fuerza centrifuga para contrarrestar el exceso de peralte.

Para la forma usual de expresar V en Km/h y R en m, las expresiones anteriores toman de

forma generalizada.

Radio Mínimo de Curvatura.

El radio mínimo de curvatura es el valor mínimo que se puede utilizar para el diseño de las

curvas durante todo el trayecto del proyecto. El mismo se calcula según el valor máximo del

peralte, el máximo coeficiente de fricción o rozamiento y la velocidad de diseño de la vía.

Page 23: Manual de Carreteras 2013

23

De la fórmula anterior se puede escribir:

( )

Donde:

V = velocidad de diseño de la carretera.

= peralte máximo.

Coeficiente de fricción.

Rmín = Radio mínimo.

Valores Máximo del Peralte.

La AASHTO, recomienda utilizar varios valores del peralte y no solo uno al fijar los

controles de diseño (parámetros), de las curvas. Basándose en las condiciones climáticas,

configuración topográfica entre otros factores, los valores máximos son los siguientes:

Condición % Peralte Para volúmenes de tráfico

elevados y en áreas

urbanas.

4% - 6%

En regiones de frecuentes

nevadas 8%

En regiones de clima

templado con un

Porciento de vehículos

pesados a tomar en

cuenta.

10%

En regiones de clima

templado sin tomar en

cuenta los vehículos

pesados.

12%

Page 24: Manual de Carreteras 2013

24

Estos valores de peralte máximos nos darán valores de radio de curvatura mínimos, por lo que desde

que se asuma radios de diseño mayores, estos disminuirán. El valor mínimo del peralte con que se

diseñará una curva será el que tenga el mismo bombeo de diseño de la calzada del proyecto.

Coeficiente de fricción.

Este se determinará por la siguiente expresión:

Radio de Diseño.

Este radio es un valor tomado a partir del radio mínimo calculado con los valores de máximos de

peralte y fricción. El mismo es el utilizado para el diseño de las curvas horizontales, el cual deberá ser

mayor o igual que el radio mínimo.

Ejemplo del cálculo de una curva circular simple.

Con los siguientes datos encontrar la estación final de la siguiente poligonal.

Factores:

Velocidad (V) = 80 km/h

Fricción (f) = 0.19 – 0.00068V = 0.19 – 0.00068 (80) = 0.1356 = 0.13

Peralte (e) = 0.10 = 10%

Rmín = V2 / 127.14 (e + f) = (80)2 / 127.14 (0.10 +0.13)

= 218.86 m

Rdis = 250.00 m

∆1 = 320

∆2 = 110

∆3 = 580

A – B = 400 m = Lt1

B – C = 776 m = Lt2

C – D = 298 m = Lt3

D – F = 334 m = Lt4

Total = 1808 m = LT

Page 25: Manual de Carreteras 2013

25

Calculo de las Tangentes:

T1 = Rtan(∆1/2) = 250tan (32/2) = 71.69 m

T1 = Rtan(∆2/2) = 250tan (11/2) = 24.07 m

T1 = Rtan(∆3/2) = 250tan (58/2) = 138.57 m

Chequeo de Tangentes:

BC – (T1 + T2) ≥ 100m = 776 – (71.69 + 24.07) = 680.24 m > 100 m OK!

CD – (T2 + T3) ≥ 100m = 298 – (24.07 + 138.57) = 135.36 m > 100 m OK!

Estacionamiento:

PI1 = PTn-1

-T n-1

+ Lt1 = 0 - 0 + 400 = 400 m EST = 40 +0.00 m

PC1= PI1 –T1 = 400 - 71.69 = 328.31 m EST = 32 + 8.31 m

PT1=PC1 + Lc Lc = πR∆1/180

Lc = π (250)(32)/180 = 139.63 m

PT1= 328.31 + 139.63 = 497.94 m EST = 46 + 7.94 m

CL = 2Rsen ∆1/2 = 2(250)sen(32/2) = 137.82 m

E = R[(1/cos∆1/2)-1] = 250 [(1/cos(32/2))-1] = 10.07 m

M = R(1-cos∆1/2) = 250(1-cos(32/2)) = 9.68 m

Page 26: Manual de Carreteras 2013

26

Replanteo desde el PC de la 1ra

curva por el método de la cuerda larga

EST DIST 2 * R RAD DEGREES

33 1.69 500 0.00338 0.1936601

34 11.69 500 0.023382 1.3396974

35 21.69 500 0.043394 2.48627112

36 31.69 500 0.063423 3.63384215

37 41.69 500 0.083477 4.78287499

38 51.69 500 0.103565 5.93383945

39 61.69 500 0.123695 7.08721244

40 71.69 500 0.143876 8.24347981

41 81.69 500 0.164116 9.40313829

42 91.69 500 0.184424 10.5666975

43 101.69 500 0.204809 11.7346822

44 111.69 500 0.225281 12.9076346

45 121.69 500 0.245849 14.086117

46 131.69 500 0.266524 15.2707143

CL 137.08 500 0.277720 15.9119601

PI2 = PTn-1

-T n-1

+ Lt2 = 467.94 - 71.69 + 776 = 1172.25 m EST = 117 +2.25 m

PC2= PI2 –T2 = 1172.25 – 24.07 = 1148.18 m EST = 114 + 8.18 m

PT2 =PC2 + Lc Lc = πR∆2/180

Lc = π(250)(11)/180 = 48.00 m

PT2= 1148.18 + 48.00 = 1196.18 m EST = 119 + 6.18 m

CL = 2Rsen ∆2/2 = 2(250)sen(11/2) = 47.92 m

E = R[(1/cos∆2/2)-1] = 250 [(1/cos(11/2))-1] = 1.16 m

M = R(1-cos∆2/2) = 250(1-cos(11/2)) = 1.15 m

Page 27: Manual de Carreteras 2013

27

Replanteo desde el PC de la 2da curva por el método de la cuerda:

EST DIST 2 * R RAD DEGREES

115 1.69 500 0.00338 0.19366

116 11.69 500 0.023382 1.339697

117 21.69 500 0.043394 2.486271

118 31.69 500 0.063423 3.633842

119 41.69 500 0.083477 4.782875

CL 47.92 500 0.09599 5.49967

PI3 = PTn-1

-T n-1

+ Lt3 = 1196.18 – 24.07 +298 = 1470.11 m EST = 147 +0.11 m

PC3= PI3 –T3 = 1470.11 – 138.57 = 1331.54 m EST = 131 + 1.54 m

PT3 =PC3 + Lc Lc = πR∆3/180

Lc = π(250)(58)/180 = 253.07 m

PT3= 1331.54 + 253.07 =1584.62 m EST = 158 + 4.61 m

CL = 2Rsen ∆3/2 = 2(250)sen(58/2) = 242.40 m

E = R[(1/cos∆3/2)-1] = 250 [(1/cos(58/2))-1] = 35.34 m

M = R(1-cos∆3/2) = 250(1-cos(58/2)) = 31.34 m

Page 28: Manual de Carreteras 2013

28

Replanteo desde el PC de la 3ra curva por el método de la cuerda:

PI4 = EF = PTn-1

-T n-1

+ Lt4 = 1588.18 – 127.38 +310 = 1804.71 m ; EF = 180+4.71 m

EST DIST RAD DEGREES

134 1.33 0.00266 0.1524

135 11.33 0.02266 1.2984

136 21.33 0.04267 2.445

137 31.33 0.0627 3.5925

138 41.33 0.08275 4.7415

139 51.33 0.10284 5.8924

140 61.33 0.12297 7.0456

141 71.33 0.14315 8.2018

142 81.33 0.16339 9.3613

143 91.33 0.18369 10.5247

144 101.33 0.20407 11.6926

145 111.33 0.22454 12.8653

146 121.33 0.24511 14.0436

147 131.33 0.26578 15.228

148 141.33 0.28657 16.419

149 151.33 0.30748 17.6174

150 161.33 0.32854 18.8239

151 171.33 0.34975 20.039

152 181.33 0.37112 21.2636

153 191.33 0.39267 22.4985

154 201.33 0.41442 23.7446

155 211.33 0.43638 25.0026

156 221.33 0.45856 26.2737

157 231.33 0.48099 27.5589

158 241.33 0.50369 28.8593

CL 242.4 0.50613 28.9994

Page 29: Manual de Carreteras 2013

29

3.4 Curvas de Transición

Longitud de transición del peralte

La transición del peralte debe efectuar una variación de forma gradual, entre el bombeo y el

peralte, que no provoquen cambios bruscos en la pendiente de la calzada.

Si en el diseño de las curvas horizontales se han empleado espirales, la transición del

peraltado se realizará sobre las longitudes de estas. Si no se han empleado, entonces se

determinará en función de la velocidad de diseño de la carretera y ésta a su vez se repartirá

entre la tangente y la curva circular. Uno de los métodos más empíricos reparte dos tercios

32L de la longitud al tramo recto y un tercio 3L a la curva.

Para mantener la seguridad, la comodidad y apariencia de la carretera se recomienda que la

longitud de transición debe ser tal que la pendiente longitudinal del borde exterior, relativa al

eje central no debe ser mayor de 1: 200, lo que equivale a una diferencia de pendiente de de

0.5 %.

La AASHTO, recomienda los siguientes valores de pendientes relativas en función de

diferentes velocidades de proyecto o diseño:

Velocidad

(km/h)

50 65 80 95 105 110 120 130

Pendiente

relativa

(%)

0.66

0.58

0.50

0.45

0.41

0.40

0.38

0.36

Page 30: Manual de Carreteras 2013

30

⌂ Por lo que la longitud mínima a usar, será:

r

mínTp

eacL

)(

Donde:

Lt (mín) : Longitud mínima de transición del peralte.

ac : Ancho de carril

e o P : Peralte máximo de diseño ( por seguridad)

Pr : Pendiente relativa

El valor obtenido se redondeará un valor múltiplo de diez (10). Este valor solo será para

carreteras de dos carriles, cuando se tengan calzadas con:

⌂ 4 carriles: se aumentará en un 50 %.

⌂ 6 carriles: se aumentará en un 100%.

A continuación: Esquematización y Estaciones Críticas Progresivas de la Transición del

Peralte en curvas sin y con espiral:

Page 31: Manual de Carreteras 2013

31

ESTACIONES CRÍTICAS DE LA TRANSICIÓN DEL PERALTE

Curvas sin Espirales

Para peralte rotado desde el eje central

Estaciones de Entrada:

P

BLLPCB

3

2)(

P

BLBB )(%)0(

P

BLBB %)0()(

3)(

LPCP

Estaciones de Salida:

3)(

LPTP

P

BLLPTB

3

2)(

3

2%)0(

LPTB

P

BLBB %0)(

TRANSICIÓN DEL PERALTE

Curvas sin Espirales

L= LONGITUD DE TRANSICION DEL

PERALTE

3

2L

3

L

BORDE EXTERIOR

BORDE INTERIOR

EJE DE ROTACIONTT

Pc

TC

B

P

BL

P

BL

TT : TANGENTE - TRANSICION

PC : PRINCIPIO DE CURVA

TC : TRANSICION - CURVA

B : BOMBEO

P : PERALTE

CARRETERAS

NO DIVIDIDAS

P

P

B( -)

B( -)

B( -)

B(0%)

B( -)

B(+)

P(+)

P(-)

TRANSICIÓN DEL PERALTE

Curvas sin Espirales

L= LONGITUD DE TRANSICION DEL

PERALTE

3

2L

3

L

BORDE EXTERIOR

BORDE INTERIOR

EJE DE ROTACIONTT

Pc

TC

B

P

BL

P

BL

TT : TANGENTE - TRANSICION

PC : PRINCIPIO DE CURVA

TC : TRANSICION - CURVA

B : BOMBEO

P : PERALTE

CARRETERAS

NO DIVIDIDAS

P

P

B( -)

B( -)

B( -)

B(0%)

B( -)

B(+)

P(+)

P(-)

Page 32: Manual de Carreteras 2013

32

ESTACIONES CRÍTICAS DE LA TRANSICIÓN DEL PERALTE

Curvas con Espirales

⌂ Para Peralte rotado desde el eje central.

Estaciones de Entrada:

P

BLTEB )(

TEB %)0(

P

BLTEB )(

ECP )(

Estaciones de Salida:

CEP )(

P

BLETB )(

ETB %)0(

P

BLETB )(

TRANSICIÓN DEL PERALTE

Curvas con Espirales

L= LONGITUD DE LA ESPIRAL DE TRANSICION

BORDE EXTERIOR

BORDE INTERIOR

P

BL

P

BL

EJE DE ROTACION

CARRETERAS

NO DIVIDIDAS

P

P

B( -)

B( -)

B( -)

B( -)

B(0%)

B(+

)

P(+

)

P(-)

TE EC

TE : TANGENTE – ESPIRAL

EC : ESPIRAL – CURVA

TRANSICIÓN DEL PERALTE

Curvas con Espirales

L= LONGITUD DE LA ESPIRAL DE TRANSICION

BORDE EXTERIOR

BORDE INTERIOR

P

BL

P

BL

EJE DE ROTACION

CARRETERAS

NO DIVIDIDAS

P

P

B( -)

B( -)

B( -)

B( -)

B(0%)

B(+

)

P(+

)

P(-)

TE EC

TE : TANGENTE – ESPIRAL

EC : ESPIRAL – CURVA

Page 33: Manual de Carreteras 2013

33

3.5 Sobreancho y su transición

El Sobreancho

Este se introduce en las curvas horizontales para mantener las mismas condiciones de

seguridad que los tramos rectos, en cuanto al cruce de vehículos de sentido contrario,

por las siguientes razones:

⌂ El vehículo al describir la curva, ocupa mayor ancho que en la tangente, esto es

debido a que las ruedas traseras recorren una trayectoria ubicada en el interior de la

descrita por las ruedas delanteras. Además, el extremo delantero lateral izquierdo,

describe la trayectoria exterior del vehículo.

⌂ La dificultad que experimentan los conductores para mantenerse en el eje del carril

de recorrido debido a la menor facilidad de apreciar la posición relativa de sus

vehículos dentro de la curva.

Sabiendo que si un vehículo va a baja velocidad, el sobreancho se podría describir

geométricamente, ya que el eje es radial, lo mismo ocurriría cuando describiera una

curva peraltada a una velocidad de equilibrio tal, de manera que la fuerza centrífuga

quedara completamente contrarrestada por la de equilibrio, las ruedas traseras se

moverían a lo largo de una trayectoria más cerrada o más abierta, respectivamente.

Por lo expuesto, la posición relativa de las ruedas traseras depende de la velocidad y

no existe forma analítica de calcular el desplazamiento entre las trayectorias de las

ruedas delanteras y traseras, ya que ello depende del ángulo de esviaje desarrollado

por el vehículo.

Para determinar el valor del sobreancho, debe elegirse un vehículo representativo del

tránsito de la vía. Cuando el valor del sobreancho sea menor a 0.30 m, no será

obligatoria su aplicación.

₪ Hay que tomar en cuenta que, sí:

Page 34: Manual de Carreteras 2013

34

⌂ La curva horizontal consta de una espiral de transición, el sobreancho se repartirá a

ambos lados de ésta: S/2.

⌂ La curva horizontal no consta de una espiral de transición, el sobreancho se

repartirá solo del lado interior de ésta: S.

Page 35: Manual de Carreteras 2013

35

Transición del sobreancho

Con el fin de disponer de un alineamiento continuo en los bordes de la calzada, el

sobreancho debe desarrollarse gradualmente a la entrada y a la salida de las curvas.

En el caso de curvas circulares simples, por razones de apariencia, el sobreancho debe

desarrollarse linealmente a lo largo del lado interno de la calzada en la misma longitud

Lt utilizada para la transición del peraltado. Así por ejemplo, si la transición al PC y

PT es del 70 %, en la Fig. mostrada, se aprecia la repartición del sobreancho S, de tal

forma que el sobreancho Sp en cualquier punto P, situado a una distancia Lp, desde el

inicio, es:

SL

LS

T

Pp

₪ Son diversas las formulas que han sido recomendadas, siendo la más aceptada la

desarrollada por Barnett y la AASHTO:

R

VRLLLRLLRRS

1022 121

22

3

2

2

2

R

VLRRnS

10

22

Demostración de ésta ecuación. (Ver Pág. 24, Vías

de Comunicación del Ing. Carlos Crespo Villalaz)

Page 36: Manual de Carreteras 2013

36

Donde:

S : Sobreancho.

n : Numero de carriles.

R : Radio de diseño de la curva.

Li : Longitud existente entre el eje delantero y el primer eje, el primer eje

y el segundo eje, el segundo eje y el tercer eje, respectivamente.

L : Longitud total del vehículo representativo de la vía.

V : Velocidad de diseño.

Sobreancho en las curvas:

Page 37: Manual de Carreteras 2013

37

Page 38: Manual de Carreteras 2013

38

3.6 Curvas con Espiral de Transición

Espiral de Transición

Ésta, no es más, que una curva de transición entre una recta y un arco de círculo. Una

curva cuya curvatura varía proporcionalmente con la longitud de su desarrollo, siendo

cero al comienzo de la recta RR ,01 y constante al inicio de la curva circular

disRRCR ,1 . Esta variación del R permite ir variando progresivamente la

incomodidad dinámica.

Se recomienda su utilización cuando el desdismín RRR , mientras que para

desdis RR

, solo será necesaria para fines de estética cuando se tengan curvas consecutivas muy

próximas.

Radio Mínimo Deseado

Este será el valor mínimo para el cual no será necesario tener que utilizar la espiral.

Éste valor viene de asumir las condiciones climáticas más desfavorables

0;10.0 ffe , en zonas templadas y 0;08.0 ffe , en zonas de nieve, será igual:

22

08.010.0127

dis

dis

des VV

R

2

2

098.008.0127

dis

dis

des VV

R

Longitud Mínima de la Espiral

Según hemos visto, es necesario introducir las curvas de transición cuando la magnitud

de la solicitación centrifuga es perceptible para los ocupantes de un vehículo.

Ahora bien, no solo es necesario introducir la transición sino que además su longitud

debe ser adecuada para permitir que el efecto de la fuerza centrífuga vaya apareciendo

gradualmente, permitiendo de ese modo la adaptación a tal solicitación. Los distintos

Page 39: Manual de Carreteras 2013

39

criterios para determinar la longitud mínima de la espiral establecen que la

aceleración centrífuga en el tiempo debe ser constante, o sea que:

R

Va

dis

c

2

Rk

VL

dis

e

3

Donde “k” representa la variación de la aceleración centrífuga en el tiempo, o sea, que

es la aceleración de la aceleración centrífuga 3segm . Los valores de “Acp” ó de “k”

están acotados entre 0.30 y 0.80 m/seg3. Se adopta Acp = 0.45 m/seg

3.

Criterio por Comodidad:

Según este criterio, el peralte es en cada punto de la espiral proporcional al desarrollo

de la curva. Esto nos da que podamos expresar la longitud de la espiral como una

variable de la velocidad y el tiempo, y que para determinar ésta, es condición que la

variación de la aceleración centrifuga en el tiempo sea constante. El que produce la

incomodidad es el factor de la Fc que está relacionado con la fricción:

gfnec

Pc

a

necPg

CR

dV

gf

CR

Vdf

necPg

fnec

Pg

dV

CR

CR

dV

fnec

Pf

necP

dV

CR

CR

dV

Ca

2

127

22

127

2

127

2

;

2

Page 40: Manual de Carreteras 2013

40

El primer término absorbe el 38.80 %.

⌂ El segundo término absorbe el 61.20 %.

₪ El peralte no es perjudicial porque esta resguardado por la normal.

A = Acp = k

CP

d

eA

gfVL

;

d

e

V

L

gfA

Luego:

nec

C

d

cp

d

e

cp

nec

C

d

d

míne PR

V

A

VL

A

PgR

VV

L127

72.22

2

)(

Donde:

Pnec : Peralte necesario (ver: Método Curvilíneo)

de VL de VL

ca

gfgPa necc

Page 41: Manual de Carreteras 2013

41

mLV

Lmíne

d

míne 00.3080.1

)()(

Método Curvilíneo: para éste método, la AASHTO determina el peralte necesario en función de la

curvatura de una parábola asimétrica. Tiene las siguientes ventajas:

⌂ Para velocidades bajas, este nos da menores peraltes que otros métodos. Esto resulta conveniente,

ya que el conductor acepta una mayor incomodidad a bajas velocidades, por ejercer mayor control

sobre el vehículo.

⌂ Para velocidades altas, se obtienen mayores peraltes que otros métodos. Resulta conveniente ya

que para altas velocidades se exige una menor incomodidad debido a la mayor atención presentada

al manejo.

Partiendo de esto tenemos:

dis

mín

dis

mín

máxnecR

R

R

RPP

2

22

Criterio por Apariencia General:

Este criterio establece que la longitud mínima debe ser tal que un vehículo circulando a la Vdis, tarde

al menos dos (2) segundos en recorrerla. Una curva no tiene que ser tan corta, de tal manera que al

recorrerla no demore menos del tiempo antes citado, por lo que se tiene que:

;260.3

; segV

LtVL d

ed

Page 42: Manual de Carreteras 2013

42

Criterio por Apariencia de Borde:

Está relacionado con el giro de la calzada alrededor del eje. Este criterio establece que la transición

del peralte debe efectuarse a lo largo de la longitud de la espiral, sabiendo que, la pendiente relativa

(i %) entre el eje y bordes de calzada no debe superar el siguiente valor:

;

dnecamíne VPSacL 25.1)(

240.02

;

2

;;%40

Sa

acd

Vnec

P

eL

necP

Sa

ac

eLi

Sa

ac

h

necP

eL

hi

Vmáxi

Donde:

Aca : Ancho de calzada

S : Sobreancho

S : Sobreancho

Page 43: Manual de Carreteras 2013

43

CAPÍTULO 4: DISEÑO ALTIMÉTRICO

El diseño altimétrico corresponde a todos los aspectos relacionados con la altimetría de la

carretera, es decir el alineamiento vertical, perfil longitudinal, trazado de subrasante, curvas

verticales, entre otros aspectos.

El alineamiento vertical consta de secciones rectas que se conocen como pendientes o tangentes, las

mismas están unidas por curvas verticales. Por tanto el diseño altimétrico incluye la selección de

pendientes adecuadas, para las secciones en tangente y el diseño de las curvas verticales. La

topografía del área por la que atraviesa el camino, tiene un gran impacto importante sobre el diseño

del alineamiento vertical.

4.1 Perfiles

Un perfil, es la sección producida sobre unas superficies topográficas por una o varias superficies

verticales sucesivas. Estas superficies pueden ser planas (directriz recta) o cilíndricas (directriz

curva).

A la proyección horizontal de dichas superficies se les denomina alineaciones, todas las alineaciones

forman la traza del perfil y a la proyección vertical se le denomina propiamente perfil.

Trazado de perfiles

El trazado de un perfil pasa simplemente por marcar en planta su trazado y levantar verticales por

los puntos de intersección de este trazado con las curvas de nivel hasta interceptar los

correspondientes planos de nivel.

Tipos de perfiles

Los tipos de perfiles que se pueden trazar son: Perfil Longitudinal y Perfil Transversal.

Page 44: Manual de Carreteras 2013

44

4.2 Perfil Longitudinal

Es la representación grafica de lugares geométricos (puntos), que describen el comportamiento del

terreno a lo largo de un itinerario topográfico.

El perfil longitudinal va describiendo los desniveles del terreno de manera longitudinal es decir,

paralelo al eje de la vía, el mismo debe ser interpretado por el ingeniero vial, con el fin de poder

tomar una buena decisión en el diseño altimétrico.

Para la elaboración del perfil longitudinal se debe conocer la cota o elevación de cada una de las

estaciones existentes en el diseño planimétrico y se necesita determinar una escala para graficar

dichas cotas.

Escala del perfil longitudinal.

Una escala es la relación que existe entre el plano y el terreno. Para la elaboración grafica de los

datos conocidos de cada una de las estaciones se debe fijar una escala, tanto horizontal como

vertical.

Generalmente y por cuestión de estética la escala vertical es diez veces mayor que la escala

horizontal, es decir que

la relación es uno es a

diez.

En el dibujo de un perfil

longitudinal

convencionalmente se

utiliza una escala de

1:2000, en la horizontal

y 1:200 para la vertical.

En la República

Dominicana según el

manual publicado por el Ministerio de Obras Públicas y Comunicaciones (MOPC), de

Recomendaciones Provisionales para la Presentación de Proyectos viales (R-017), las escala

Figura D.

Page 45: Manual de Carreteras 2013

45

utilizadas para el dibujo de un perfil longitudinal para la construcción de carreteras es de 1:1000

para la horizontal y de 1:100 para la vertical.

En la figura D se puede observar un grafico de un perfil longitudinal con la tarjeta donde se anotan

los demás datos que complementan el diseño altimétrico.

4.3 Subrasante

La subrasante es la línea que en el perfil longitudinal representa el alineamiento vertical, es decir la

línea que define el movimiento de tierra, la misma tiene como objetivo principal compensar en todo

lo que sea posible los cortes y los terraplenes en el sentido longitudinal y aun en el transversal

cuando se aloje en una ladera que permita la compensación lateral.

Para proyectar la subrasante deben tenerse en cuenta las especificaciones de pendiente máxima y

de longitud de curvas verticales, además de la conveniencia de usar contrapendientes innecesaria, ni

excesivas cantidad de quiebres que darían un alineamiento vertical defectuoso e inadecuado para el

tránsito de vehículos el cual debe ser seguro y cómodo.

Page 46: Manual de Carreteras 2013

46

Criterios básicos para un buen trazado de la subrasante.

Donde sea posible se tratara de compensar los cortes y los rellenos.

La Pendiente mínima es aquella que garantice el drenaje de la vía por lo que se recomienda

según el M-012 usar como mínimo en cualquier tramo de la carretera una pendiente de

0.5%.

La pendiente máxima dependerá de la distancia horizontal del tramo (ver longitud crítica de

pendiente).

En intersecciones a nivel es aconsejable utilizar la menor pendiente posible.

En zona llana por razones de drenaje la subrasante debe estar por encima del nivel del

terreno.

La cota Inicial de Sub Rasante coincide con la cota de terreno para caminos de tierra, igual

sucede con la cota de la estación final.

No es recomendable las curvas verticales cóncavas de pendientes contrarias en zonas de

corte, sino en zonas de relleno para evitar estancamiento de agua pluvial.

No es recomendable las curvas verticales convexas de pendientes contrarias en zonas de

relleno, sino en zonas de corte para evitar rellenos innecesarios.

NO SI

Las curvas horizontales no deben coincidir con las curvas verticales para evitar inseguridad

en la carretera, en casos excepcionales de ser así, la curva horizontal tiene que arropar la

vertical.

La distancia mínima que debe existir entre una curva horizontal y una vertical será la

distancia de parada.

P% (-)

P% (+)

P% (+)

P% (-)

Page 47: Manual de Carreteras 2013

47

Longitud Crítica

Longitud crítica es aquella que queda definida como la longitud del trayecto que motiva una

reducción de 25km/h en la velocidad de los vehículos pesados.

Según establece la AASTHO, es necesario que, donde sea posible, las pendientes positivas o en

subida no deben tener una longitud tal que los camiones cargados tengan que reducir su velocidad

indebidamente.

Las normas establecen como longitudes críticas de pendiente en subida, las siguientes:

Pend. De subida

(porcentaje)

3 4 5 6 7 8

Long. Critica de pendiente

en subida (metros)

500 350 245 200 170 150

4.4 Rasante

La rasante representa el perfil de la obra terminada, es decir, los puntos representativos de la

carretera, camino, etc. Una vez concluida la obra. En definitiva la rasante representa a la geometría

de la obra que se realiza.

4.5 Curvas verticales Las curvas verticales tienen por objeto efectuar una transición gradual de un tramo en que la

subrasante tiene una pendiente determinada a otro en que la pendiente es diferente.

Clasificación y elementos de las curvas verticales.

Las curvas verticales usadas en carreteras como curvas de enlace de los alineamientos rectos

longitudinales, es la parábola de eje vertical, la cual simultáneamente sirve como curva de enlace y

Page 48: Manual de Carreteras 2013

48

de transición de las curvaturas. Además, su forma se ajusta a la de la trayectoria de los vehículos

para la condición de máximo confort de éstos4.

Según su posición, las parábolas verticales pueden ser cóncavas o convexas, y en ellas hay que

distinguir los siguientes elementos.

Propiedades Geométricas.

De acuerdo con la distribución de la longitud en proyección horizontal de la curva existen dos tipos

de curvas: curvas verticales simétricas y curvas verticales asimétricas.

Curvas verticales simétricas.

Estas son curvas en las cuales la distancia que existe desde el PCCV hasta el PICV, es la misma que

existe desde el PICV hasta el PTCV. Este tipo de curva es el más usado en proyectos viales, debido a

que es más fácil realizar los cálculos correspondientes y además, resulta más estética y más segura a

la vía que se está diseñando.

4 Carciente, Jacob.” Carreteras, estudio y proyecto”. Ediciones Vega, S.R.L. Segunda edición, 1985, España. Pág. 277

Page 49: Manual de Carreteras 2013

49

Curvas verticales asimétricas.

Estas son curvas en las cuales la distancia que existe desde el PCCV hasta el PICV, es diferente a la

que existe desde el PICV hasta el PTCV. Este tipo de curva se diseña cuando la misma se acople

mejor a ciertas exigencias impuestas en donde las curvas simétricas usuales no puedan utilizarse.

Movimiento de los vehículos en las curvas verticales.

Para completar el estudio sobre las relaciones entre velocidad y curvatura, es necesario analizar el

movimiento de los vehículos en los alineamientos verticales.

Cuando un vehículo recorre una vía en pendiente cuyo perfil longitudinal presenta una curvatura

importante queda sometido a una aceleración vertical que puede modificar las condiciones de

estabilidad y afectar considerablemente el confort de los pasajeros. Para evitar discontinuidades en

las aceleraciones aplicadas al vehículo al circular éste en la curva vertical, es conveniente hacer que

la aceleración vertical aparezca gradualmente. Esto se logra mediante una transición de la

curvatura del perfil longitudinal, introduciendo una curva cuya razón de variación de pendiente sea

constante5.

Este criterio conlleva a seleccionar la parábola como curva de enlace y transición en los

alineamientos verticales. En efecto, debiendo ser constante la razón de variación de la pendiente, la

segunda derivada de la curva debe ser constante, es decir

( )

5IDEM. Pág. 276.

Page 50: Manual de Carreteras 2013

50

Matemáticamente hablando, las pendientes en los extremos A y B de la parábola están representadas

por g1 y g2, respectivamente6.

Integrando en (1) tenemos,

( )

, ,

Entonces, de donde,

( )

Y,

(

)

Integrando de nuevo se tiene,

(

)

(4)

Pero C'=0, pues Y=0 cuando X=0

De los triángulos semejantes se tiene

, donde (5)

Sustituyendo (5) en (4) y simplificando se tiene,

(

)

6 Hickerson F., Thomas.” Levantamiento y Trazado de Caminos “. Ediciones del Castillo, S. A. Sexta Edición, 1981, España. Pág. 177-

178.

Page 51: Manual de Carreteras 2013

51

Como y esta medido hacia abajo (desde Q) en lugar de hacia arriba como Y, debe cambiarse el

signo anterior, de menos a más. Además poniendo x (estaciones) en lugar de X y expresando g1 y

g2 en decimal.

(

)

Si , Diferencia algebraica de pendiente. Se tiene:

Expresión que se utiliza para obtener el valor de y en cualquier punto de la curva.

Donde:

y= ordenada de la parábola en cualquier punto en m.

X= valor de la distancia horizontal en m.

L= Longitud total de la curva vertical en m.

Para el caso de la ymáx se tiene que la misma esta a una distancia de x= L/2.

Por tanto, (

)

de donde se tiene

Si se quiere expresar a A en tanto porciento se tiene:

Estas formulas son las utilizadas para el cálculo de una curva vertical simétrica.

Cuando las curvas verticales son asimétricas, las formulas a emplearse son:

a) Para la ordenada máxima se tiene:

( )

Page 52: Manual de Carreteras 2013

52

b) Para las demás ordenadas de la parábola.

Para la primera y segunda rama se tiene:

;

Longitud mínima de curvas verticales.

La longitud mínima que debe tener una curva vertical se determina por la consideración de la

distancia de visibilidad de parada correspondiente a la velocidad de proyecto elegida.

Para satisfacer las necesidades de visibilidad mínima de frenado la AASHTO recomienda un valor

de de L no menor de KA, donde como se vio anteriormente A es la diferencia algebraica de

pendientes en tanto porciento, y los valores de K, para obtener L en m, son los siguientes:

Velocidad en km/h 50 65 80 95 110

Valor mínimo de k para:

a) Curvas verticales en divisoria 9 15 24 45 73

b) Curvas verticales en vaguada 11 15 21 43 30

Una vez conocido el valor de k correspondiente la longitud mínima de curva vertical será igual a:

También esta longitud mínima se puede obtener de los gráficos tanto para curvas cóncava como

convexas, ubicado en el manual de Criterios Básicos para el Diseño de Carreteras (M-012), en

donde se relaciona la velocidad de diseño con la diferencia algebraica de pendiente.

Una vez determinada la longitud mínima esta se tomara un número mayor múltiplo de 10 para

tomar el valor como la longitud de la curva.

Page 53: Manual de Carreteras 2013

53

4.6 Perfil Transversal

Es la representación grafica de lugares geométricos (puntos) que describen el comportamiento del

terreno transversalmente al eje de la vía.

Hay que considerar que los perfiles transversales, son la intersección del terreno normal al eje

longitudinal del terreno, o sea, son perpendiculares al perfil longitudinal; por lo general los mismos

se toman frente a cada una de las estacas que indican el trazado y se levantan a escala mayor que

los longitudinales. Estos se señalan primero con jalones y después con miras o cinta métrica, y con

un nivel se hace su levantamiento.

Los perfiles transversales dan una referencia sobre la forma del terreno en zonas laterales de la

traza del perfil longitudinal. Su utilidad principal es para obtener el movimiento de tierras necesario

para la realización del proyecto. Los mismos se representan verticalmente uno detrás del otro,

teniendo el mismo eje vertical.

Para llevar el terreno se realiza por medio de un sistema de coordenadas cartesianas en el cual se

toma como origen el punto que representa el eje de las subrasante, una vez determinado el origen de

coordenadas del transversal se toman en planta las distancias de los puntos representativos del

mismo a izquierda y derecha de la traza.

Page 54: Manual de Carreteras 2013

54

En el perfil transversal están contenidos el ancho del derecho de vía, por lo que dependiendo del tipo

de carretera, el perfil transversal tendrá un ancho variable.

Para conocer el ancho del derecho de vía relacionado con el tipo de carretera ver el manual de

Criterios Básicos para el Diseño Geométrico de Carreteras M-012.

Sección Transversal.

La sección transversal de una carretera es aquella faja de terreno que forma parte del perfil

transversal que comprende el ancho total de la vía así como de sus obras complementarias.

Una vez ya se ha trazado la línea subrasante y dibujado los perfiles transversales que generalmente

se dibujan con una escala de 1:100 tanto vertical como horizontal, entonces se hace el dibujo de la

sección transversal. Por medio de la subrasante se puede conocer el espesor de corte y de relleno

para cada estación, entonces se procede a conocer todos los elementos y sus dimensiones de la

sección transversal de acuerdo con las normas y criterios correspondientes.

Elementos que conforman la sección transversal

Carril: Espacio físico de la sección transversal destinado al uso exclusivo de los vehículos. Las

dimensiones de éste dependerán del T.M.D.A., tipo vehículo y del tipo de carretera.

Paseo: Espacio físico destinado al estacionamiento de vehículos en caso de emergencia. Las

dimensiones del mismo dependen de la velocidad Directriz y del tipo de vehículo.

Bombeo: Inclinación transversal de la calzada desde el eje de la vía, el mismo tiene como

función principal garantizar el drenaje en la parte perpendicular al eje de la vía. Este está en

función del tipo de pavimento.

Cunetas: Obra de arte superficial destinada a la transportación de las aguas pluviales

proveniente de la calzada, las dimensiones de la misma dependen de la pluviometría de la zona.

Contracuneta: Obras longitudinales de drenaje destinadas a disipar la velocidad del agua que

va a la cuneta. La misma dependerá de la Ordenada de Corte y de la pluviometría de la zona).

Page 55: Manual de Carreteras 2013

55

Talud: Angulo de inclinación que forma el terreno con el suelo. Este depende del tipo de

material, ya sea tanto en corte o desmonte así como también en relleno o terraplén.

Estos son los elementos principales de la sección transversal, debido a que existen más

elementos que se pueden verificar en otros textos destinados al diseño geométrico de

carreteras.

Las dimensiones y las normas que rigen el diseño de los elementos de la sección transversal arriba

descritos, están estipuladas en el manual Criterios Básicos para el Diseño Geométrico de Carreteras

M-012, y en el manual de Recomendaciones Provisionales para el diseño y construcción de Sistema

de Drenaje de Carreteras (R-019) ambos los emite el Ministerio De Obras Públicas Y

Comunicaciones (MOPC).

Figura. Elementos de una sección transversal.

Page 56: Manual de Carreteras 2013

56

Secciones típicas

4.7 Determinación de las Áreas y el volumen de las secciones Transversales

Determinación de las Áreas

Una vez dibujados los perfiles transversales de cada una de las estaciones, y sobre estos marcado la

sección transversal, se procede a determinar el área en cuestión de la sección transversal.

La determinación de las misma se puede hacer por varios métodos, entre estos están el método del

planímetro, como las secciones se dibujan con la misma escala tanto horizontal como vertical, con el

planímetro se puede obtener fácilmente el área tanto en corte como en terraplén, limitada por el

perfil transversal del terreno natural, por la sección del camino y los taludes del corte o el terraplén.

Otro procedimiento utilizado es el método de las ordenadas, el mismo consiste en dividir la

superficie en fajas del mismo ancho mediante líneas verticales con una separación K igual entre

todas. Mientras más cercanas sean las separaciones de las líneas verticales, mayor será la

Page 57: Manual de Carreteras 2013

57

aproximación que se logre con este método. Se puede obtener buena precisión cuando el terreno sea

bastante uniforme.

El área de la sección se obtiene mediante la siguiente fórmula:

A = ∑L.K

Donde:

A = área en m2.

∑L = sumatoria de las ordenadas en m

K = factor que depende de la separación de las ordenadas en m.

Determinación de los volúmenes entre estaciones

Page 58: Manual de Carreteras 2013

58

4.8 Movimiento de tierras

El proyecto que tiene por objeto la modificación de la geometría del mismo se le denomina de

movimiento de tierras: la determinación del volumen de tierras necesario para llevarla a cabo se

denomina cubicación. En el movimiento de tierras se producen dos tipos de movimientos uno de

desmonte cuando la tierra se excava y se quita del sitio donde estaba: y otro de terraplén cuando se

aporta tierra sobre el terreno natural.

El volumen de terraplén puede proceder del terreno removido o excavado de la misma obra o de otro

lugar denominándose en ese caso terrenos de préstamo.

Métodos de cubicación.

Los métodos más comunes para cubicar son los siguientes:

Método de los perfiles transversales: es el método más usado y está parcialmente indicado en

obras de desarrollo lineal como carreteras, caminos, canales, entre otros.

Método de secciones horizontales o de la curvas de nivel: se utiliza en obras de desarrollo

superficial como explanaciones, cubicación de embalses entre otros.

Método del momento medio: se utiliza en la cubicación de explanaciones donde los desmontes

y terraplenes tengan poca altura y por ello, no sean apropiados los perfiles. Es el único método

que permite cubicar compensando los volúmenes de desmonte con los de terraplén sin conocer

a priori las cotas de la rasante.

Método de perfiles transversales.

Se basa este método en la formula de SIMPSON para el volumen del prismatoide. El prismatoide es

un cuerpo comprendido entre dos bases planas paralelas y su volumen es:

( )

Page 59: Manual de Carreteras 2013

59

A1

A2

Sabiendo que:

Resulta que sustituyendo tenemos:

( (

) =

( )

( )

Estas bases planas paralelas son los perfiles transversales, que al ser previamente superficiados

sirven para el cálculo de los sucesivos prismatoides en los que se divide la obra.

Diferentes casos planteados en el cálculo del volumen entre dos estaciones:

Caso secciones homogéneas (desmonte- desmonte o terraplén- terraplén)

En estos casos el volumen comprendido entre las secciones es la semisuma de sus áreas por la

distancia entre ellos.

Ejemplo gráfico

Page 60: Manual de Carreteras 2013

60

A1

A2

Caso de secciones diferentes (desmonte-terraplén o terraplén desmonte)

En estos casos se busca una sección de paso (área nula) ficticio que se sitúa a una distancia de la

sección anterior y posterior proporcionales a sus áreas, en cuya perspectiva de una situación ideal

en la que se perciben tanto la sección de terraplén como la de desmonte y la sección de paso o de

valor cero.

A2

A1

L1

L2L

( )

( )

Page 61: Manual de Carreteras 2013

61

A1

A2

4.9 Diagrama de masas

Para analizar el movimiento de tierra de un proyecto de carretera, se debe de conocer un método

que permita calcular la compensación longitudinal y que a la vez indique las distancias de acarreo

del material movido.

De estos métodos, los más empleados son el del perfil de cortes y rellenos y el Diagrama de Masas o

método de Bruckner.

El diagrama de masas es el mejor recurso existente para estudiar la disposición de los volúmenes de

material en exceso a lo largo de la carretera y ayudar en la determinación del equipo a asignar a un

trabajo.

La curva masa como también es llamado busca el equilibrio para la calidad y economía de los

movimientos de tierras, además es un método que indica el sentido del movimiento de los volúmenes

excavados, la cantidad y la localización de cada uno de ellos.

Page 62: Manual de Carreteras 2013

62

Compensación y Transporte.

Conceptos

El significado de la compensación de los volúmenes de material se puede prestar de diversas

interpretaciones.

Cuando la compensación se hace a fin de balancear los volúmenes que se obtienen en los cortes y

que se necesitan en los rellenos, es necesario tomar en cuenta que cuando un material se compacta

al construirse un terraplén, su volumen disminuye, lo mismo pasa cuando el material en estado

natural se produce un corte.

Por tal razón un metro cúbico de corte no producirá un metro cúbico de terraplén; un metro de

cúbico de terraplén necesitara un metro cúbico de corte más cierto volumen adicional

correspondiente a la contracción que se producirá al compactar.

Por otra parte cuando el material es movido de su sitio natural aumenta su volumen. Por ello para

el contratista de una obra, los volúmenes a transportar no serán los medidos en el sitio, en el corte,

sino el volumen que se produzca una vez removido el material y cargado sobre el equipo de

transporte.

Estos fenómenos de encogimiento y expansión que sufren los materiales al compactarse o al pasar

de su posición natural al estado suelto, pueden conducir a la elaboración de distintos diagramas de

compensación que, aunque hechos de manera idéntica, tomaran en cuenta diferentes volúmenes,

según la finalidad del diagrama.

La proporción de encogimiento y de expansión de cada tipo de material puede ser establecida con

bastante exactitud por medio directa del lugar de excavación y del volumen producido, o por

relación de la variación de los pesos unitarios durante la excavación, transporte y compactación de

los materiales.

Page 63: Manual de Carreteras 2013

63

A este último efecto los ensayos de la ASTM y AASHTO pueden ser utilizados. Cuando los ensayos

no se pueden llevar a cabo, con la consulta de tablas de propiedades de los materiales, como la

siguiente, pueden ser utilizadas como guía.

Coeficientes de expansión y de contracción para distintos tipos de suelos.7

Tipo de Suelo Condición Inicial Convertido A

En sitio Suelto Compactado

ARENA En sitio - 1.11 0.95

Suelta 0.90 - 0.86

Compactada 1.05 1.17 -

TIERRA COMÚN En sitio - 1.25 0.90

Suelta 0.80 - 0.72

Compactada 1.11 1.39 -

ARCILLA En sitio - 1.43 0.90

Suelta 0.70 - 0.63

Compactada 1.11 1.59 -

ROCA En sitio - 1.50 1.30

Suelta 0.67 - 0.87

Compactada 0.77 1.15 -

Es evidente que el factor de expansión o encogimiento no se mantendrá constante a todo lo largo de

un proyecto.

El conocimiento del tipo de suelo encontrado permitirá aplicar el factor de corrección pertinente en

cada caso.

7 Carciente, Jacob.” Carreteras, estudio y proyecto”. Ediciones Vega, S.R.L. Segunda edición, 1985, España. Pág. 161

Page 64: Manual de Carreteras 2013

64

Tabla del diagrama de masa y explicar cada una de las columnas.

Dibujo de la Curva Masa

Se dibuja la curva masa con las ordenadas en el sentido vertical y las abscisas en el sentido

horizontal utilizando el mismo dibujo del perfil.

Cuando esta dibujada la curva se traza la compensadora que es una línea horizontal que

corta la curva en varios puntos.

Propiedades del Diagrama de Masas.

La curva crece en el sentido del cadenamiento cuando se trata de cortes y decrece cuando

predomina el terraplén. En las estaciones donde se presenta un cambio de ascendente a

descendente o viceversa se presentara un máximo y un mínimo respectivamente.

Cualquier línea horizontal que corta a la curva en dos extremos marcara dos puntos con la

misma ordenada de corte y terraplén indicando así la compensación en este tramo por lo que

Page 65: Manual de Carreteras 2013

65

serán iguales los volúmenes de corte y terraplén. Esta línea se denomina compensadora y es la

distancia máxima para compensar un terraplén con un corte.

La diferencia de ordenada entre dos puntos indicara la diferencia de volumen entre ellos. El

área comprendida entre la curva y una horizontal cualquiera, representa el volumen por la

longitud media de acarreo Cuando la curva se encuentra arriba de la horizontal el sentido del

acarreo de material es hacia delante, y cuando la curva se encuentra abajo el sentido es hacia

atrás, teniendo cuidado que la pendiente del camino lo permita.

Page 66: Manual de Carreteras 2013

66

CAPÍTULO 5: ESTUDIO HIDROLÓGICO

Según Nicholas Garber y Lester A Hoel, en su libro “Ingeniería de Tránsito y Carreteras”, la

hidrología es la ciencia que estudia las características y la distribución del agua en la atmosfera,

sobre la superficie de la tierra y en el suelo. El fenómeno básico en la hidrología es el ciclo

hidrológico que consiste en la precipitación que cae sobre el suelo en forma de agua, nieve, granizo,

etc., y regresa a la atmósfera en forma de vapor.

Los estudios hidrológicos permiten determinar el caudal de diseño de la estructura, el cual está en

correspondencia con el tamaño y característica de la cuenca, su cubierta de suelo y la tormenta de

diseño.

Las tres propiedades que interesan principalmente de la precipitación para este estudio son:

Intensidad: tasa de caída (velocidad de caída de la lluvia).

Duración: intervalo de tiempo para una intensidad dada.

Periodo de retorno: número probable de años que van a transcurrir antes de que se repita

una combinación dada de intensidad y duración.

Básicamente, lo que se busca es determinar la precipitación de diseño de manera de determinar

posteriormente el caudal de crecida. Este caudal de crecida se estimará para un periodo de retorno.

La elección de cual periodo de retorno seleccionar se basó en el riesgo que implicaría el fallo de la

obra hidráulica, pérdida de vidas humanas, costo y duración de la reconstrucción, importancia de la

carretera, volumen de transito y la densidad de población del área. En lo adelante, se pretende hacer

una verificación de las obras de arte existentes y diseñar nuevas obras de arte en caso de ser

necesario.

Page 67: Manual de Carreteras 2013

67

5.1 Antecedentes hidrológicos

Para el estudio de los aportes que producen las cuencas en el momento que ocurren las

precipitaciones, es necesario disponer de la información correspondiente a registros de lluvia en las

zonas más cercanas al tramo de ruta de estudio.

5.2 Análisis de precipitación

El análisis de precipitación en este estudio, consiste en determinar las curvas de Intensidad-

Duración-Frecuencia (IDF), mediante el método de Grunsky.

Los datos pluviométricos se obtendrán de las estaciones más cercanas y representativas, con

estadísticas confiables y de antigüedad adecuadas. De esta forma se procederá a determinar las

precipitaciones máximas para los periodos de retorno de 2, 5, 10,50 y 100 años.

Para el desarrollo del presente estudio se utilizó la siguiente información y/o referencias:

Cartas topográficas, escala 1:50,000

Estadísticas pluviométricas de precipitaciones de la Oficina Nacional de Meteorología –

ONAMET y del Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos – INDRHI.

Curva Intensidad-Duración-Frecuencia

La información estadística disponible en las estaciones, corresponde a precipitaciones máximas en

veinticuatro (24) horas.

El análisis estadístico de las precipitaciones máximas en 24 horas, se realiza mediante la asignación

de probabilidades a las precipitaciones utilizando la formula de Weibull. Este procedimiento se

aplica a los datos de las estaciones pluviométricas, los pasos a seguir son:

Ordenar en forma decreciente los datos de lluvias diarias máximas anuales para los años

del periodo de registros seleccionados,

Page 68: Manual de Carreteras 2013

68

Calcular el período de retorno para cada uno de los datos con la ecuación:

Donde:

n: número de orden de la precipitación diaria máxima anual correspondiente al

ordenamiento decreciente.

N: número total de años de registros.

T: periodo de retorno, en años.

Xi: precipitación diaria máxima en 24 horas.

Xm: promedio aritmético de la muestra.

Las distribuciones de probabilidad más utilizadas para el ajuste son Log-Normal, la de Valores de

Extremos Tipo I (Gumbel) y tipo III (Log-Pearson).

Se plantea la utilización de la Ley de distribución de Gumbel, dado que ella según estudios ha

demostrado poseer una adecuada capacidad de ajuste a valores máximos de caudales de

precipitación en distintos periodos de tiempo, aportaciones anuales, etc.

Definición de la función de Gumbel

Una variable aleatoria E, sigue una distribución de probabilidad de Gumbel, si:

( ) [ ] ( )

donde

x, representa el valor a asumir para la variable; d y u, parámetros y e, base de los logaritmos

neperianos.

Despejando x de la ecuación anterior, queda:

Page 69: Manual de Carreteras 2013

69

( ( ))

Para la determinación de los parámetros d y u, se utilizan las siguientes expresiones que los definen:

donde:

= Media aritmética de la serie de datos considerados.

S = Desviación típica de la muestra de datos considerados.

Los valores de 0.450047 y 0.779696, son válidos para un número de cincuenta datos. Sin embargo,

Heras (s/a), los señala como admisibles para cualquier tamaño de población, en virtud de la escasa

relevancia que poseen.

Determinación de la probabilidad

Para conseguir definir la probabilidad implícita es preciso consignar dos conceptos previos, que son

el periodo de retorno y la probabilidad de excedencia.

Período de retorno: se define como el tiempo que transcurre entre dos sucesos iguales. Sea

ese tiempo T.

Probabilidad de excedencia: es la probabilidad asociada al período de retorno.

Así,

( )

Page 70: Manual de Carreteras 2013

70

En otras palabras, la probabilidad de que la variable aleatoria tome un valor igual o inferior a

cierto número x, esta dado por la función de distribución de probabilidad F(x).

( ) ∫ ( )

( )

luego, la probabilidad de que x sea mayor que X está dada por la función complementaria:

( ) ( )

Bondad de ajuste

Se entiende por bondad de ajuste, la asimilación de datos observados de una variable a una función

matemática establecida y reconocida. A través de esta es posible interpolar y extrapolar

información, en otras palabras, predecir el comportamiento de la variable en estudio (Pizarro et al,

1986).

Para la estimación de la bondad de ajuste, existen variadas pruebas, las cuales poseen distinto

grado de efectividad. En el presente estudio se considera el Test de Kolmogorov – Smirnov.

A continuación se presenta el procedimiento:

Se determina la frecuencia observada acumulada.

En el caso de Gumbel, para determinar la frecuencia observada, los datos se ordenan en

orden ascendente:

Donde:

Fn (x): frecuencia observada acumulada.

n: número total de orden.

N: número total de datos.

Page 71: Manual de Carreteras 2013

71

La frecuencia teórica acumulada se determina a través de la función de Gumbel.

( ) ( )

Una vez determinadas ambas frecuencias, se obtiene el supremo de las diferencias entre

ambas, en la i-ésima posición de orden, que se denomina, D:

| ( ) ( ) |

Luego, asumiendo un valor de significancia, se recurre a la Tabla de valores críticos que ofrece los

valores críticos del parámetro D (Valores Críticos Para La Prueba Kolmogorov – Smirnov en Internet), en ésta

prueba se considera el tamaño de la muestra:

Si D < D Tabla, se acepta que el ajuste es adecuado, con el nivel de confiabilidad asumido.

Características geomorfológicas de la cuenca

La geomorfología de la cuenca, o de estudio cuantitativo de la forma del terreno superficial, se

utiliza para hacer medidas de similaridad geométrica entre cuencas, especialmente entre sus redes

de ríos.

Las características físicas de una cuenca dependen de la morfología (forma, relieve, red de drenaje,

etc.), los tipos de suelo, la cubierta vegetal, la geología, los usos del suelo, etc. Estas características

influyen de manera decisiva en la respuesta hidrológica de la cuenca.

Cuenca

La cuenca es una zona de la superficie en donde las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser

drenadas hacia un mismo punto de salida.

Área de drenaje

Page 72: Manual de Carreteras 2013

72

El área de drenaje (A), es la superficie en proyección horizontal, delimitada por la divisoria de

aguas (Parte aguas).

Divisoria de aguas

Es una línea imaginaria que pasa por los puntos de mayor nivel topográfico y que separa la cuenca

de estudio de otras cuencas vecinas. Debe tenerse en cuenta que esta línea no es en general el

contorno real de la cuenca, ya que la influencia de la geología puede hacer que el contorno de

aportación de aguas subterráneas y sub-superficiales sea distinto del superficial.

Pendiente del cauce principal

Se pueden definir varias pendientes del cauce principal, la pendiente media, la pendiente media

ponderada y la pendiente equivalente.

La pendiente media ( ): es la relación entre la altura total del cauce principal (cota máxima

menos cota mínima) y la longitud del mismo.

á í

La pendiente media ponderada ( ): es la pendiente de la hipotenusa de un triángulo cuyo vértice

se encuentra en el punto de salida de la cuenca y cuya área es igual a la comprendida por el perfil

longitudinal del rio hasta la cota mínima del cauce principal.

La pendiente equivalente constante ( ): es la pendiente de un canal de sección transversal

uniforme de la misma longitud que el cauce principal y que posee la misma velocidad media o

tiempo de recorrido que el cauce principal. Como la velocidad del flujo en régimen permanente es

proporcional a la raíz cuadrada de la pendiente. se puede obtener ponderando los segmentos en

el cual se divide el cauce de acuerdo a la raíz cuadrada de sus pendientes. Así:

Page 73: Manual de Carreteras 2013

73

El Método de Taylor y Schwarz, fue el utilizado en este trabajo para determinar la pendiente del

cauce principal de las cuencas de estudio.

Donde, L es la longitud del cauce principal (km), son las longitudes de los n tramos del cauce

principal considerados y son las pendientes de dichos tramos. Despejando:

(

)

Orden de la cuenca

Es un número que refleja el grado de ramificación de la red de drenaje.

Red de Drenaje de una Cuenca: la red de drenaje de una cuenca está formada por el cauce

principal y los cauces tributarios.

Densidad de Drenaje (D)

La densidad de drenaje se define como la relación entre la longitud total de los cursos de agua de la

cuenca y su área total:

Donde ∑ es la longitud de todos los cauces y tributarios de la cuenca, Strahler (1952) encontró en

Estados Unidos valores de 0.2 ⁄ para cuencas con drenaje pobre hasta 250 ⁄ para

cuencas muy bien drenadas.

5.3 Antecedentes topográficos

Page 74: Manual de Carreteras 2013

74

La información básica esta en base a las cartas topográficas del Instituto Cartográfico

Militar (Escala: 1:50,000)

Cobertura y uso de suelo

La cobertura y el uso de suelo, son características de la cuenca a considerar, cuando se está

determinando ya sea, el coeficiente de escurrimiento directo (C), en el caso de emplear el método

racional y el numero de curva (CN), si ha de utilizarse el método de hidrograma unitario, para el

estudio de escorrentía. En el sector considerado, el escurrimiento superficial está caracterizado

en su mayor parte por arroyos de régimen efímero, en los que circula agua esporádicamente.

5.4 Estudio de la escorrentía

La cantidad de escurrimiento directo para cualquier combinación de intensidad y duración, depende

del tipo de superficie. Por ejemplo, el escurrimiento directo será mucho más alto en pendientes

impermeables rocosas o sin capa vegetal en techos y en pavimentos, que en tierra arada o en

bosques.

Se dispone de varios métodos para la estimación del escurrimiento directo. Los presentados en este

estudio son el método racional y el método del hidrograma unitario triangular del NRCS, por ser los

métodos que se usan comúnmente.

El método racional, se empleara para la determinación de caudales procedentes de cuencas menores

a 3km2. El método del hidrograma unitario, se empleara para estimar el caudal de cuencas mayores

a 3 km2.

Método Racional

El Método Racional se basa en la premisa de que la tasa de escurrimiento directo para cualquier

tormenta, depende de la intensidad promedio de la tormenta, el tamaño del área de drenaje y el tipo

de superficie del área de drenaje. Para cualquier tormenta dada, la intensidad de la precipitación

generalmente no es constante en un área muy grande, ni tampoco durante la duración completa de la

tormenta. Por tanto, la formula racional utiliza la teoría de que para una precipitación de intensidad

promedio, I, que cae sobre un área impermeable de tamaño A, la tasa máxima de escurrimiento

Page 75: Manual de Carreteras 2013

75

directo a la salida del área de drenaje Q, ocurre cuanto toda el área de drenaje está contribuyendo

al escurrimiento directo y esta tasa de escurrimiento directo es constante. Esto requiere que la

duración de la tormenta sea cuando menos igual al tiempo de concentración, que es el tiempo

requerido para que fluya el escurrimiento directo desde el punto más alejado del área de drenaje

hasta la salida.

El método racional está representado por la siguiente ecuación:

Donde:

Q = Tasa pico de escurrimiento directo o caudal de diseño (m3/s).

I = Intensidad promedio para una frecuencia o periodo de retorno seleccionado, y

una duración igual a cuando menos el tiempo de concentración (mm/h).

A = Área de drenaje (km2).

C = Coeficiente de escorrentía (adimensional).

ÁÁrreeaa ddee ddrreennaajjee

El área de drenaje, es el área del terreno que contribuye a escurrimiento directo para el punto donde

debe determinarse la capacidad del canal. Está determinada por una línea imaginaria que encierra

el área de confluencia. La línea que separa una cuenca de las circundantes se denomina línea

divisoria de aguas o parte aguas, y en su trazado no se debe cortar ninguna corriente de agua, salvo

la salida de ella.

IInntteennssiiddaadd ddee llaa lllluuvviiaa

Page 76: Manual de Carreteras 2013

76

La intensidad se expresa como el promedio de la lluvia en mm/h, para un periodo de retorno

determinado y una duración igual al tiempo de concentración de la cuenca.

Los valores de intensidades se obtienen a partir de las curvas Intensidad-Duración-Frecuencia

(IDF).

TTiieemmppoo ddee ccoonncceennttrraacciióónn

El tiempo de concentración, Tc, es el tiempo que se requiere para que el escurrimiento directo fluya

desde el punto de la cuenca más alejado hidráulicamente, hasta el punto de interés dentro de la

cuenca. Debe determinarse el tiempo de concentración para un área de drenaje, con objeto de

seleccionar una intensidad promedio de la precipitación para un periodo de retorno seleccionado.

El tiempo de concentración depende de varios factores, incluye tamaño y forma del área de drenaje,

tipo de superficie, pendiente del área de drenaje, intensidad de la precipitación y si el flujo escurre

totalmente sobre el terreno o está parcialmente canalizado.

El tiempo de concentración, puede calcularse usando la ecuación de Kirpich, desarrollada a partir

de informaciones del SCS (hoy NRCS), en siete cuencas en Tennessee empinadas (3% a 5%); para

flujo superficial. En canales de cemento o asfalto se debe multiplicar Tc por 0.4, para canales de

concreto, se debe multiplicar por 0.2; no se debe hacer ningún ajuste para flujo superficial en suelo

descubierto o para flujo en cunetas, la ecuación está dada por:

Donde:

tc = Tiempo de concentración (min).

L = Longitud del canal desde aguas arriba hasta la salida (m).

S = Pendiente promedio de la cuenca (m/m).

Otras:

Page 77: Manual de Carreteras 2013

77

Ecuación de Témez:

(

)

Donde:

tc = Tiempo de concentración (hr).

L = Longitud del canal desde aguas arriba hasta la salida K(m).

i = Pendiente promedio de la cuenca (%).

Formula CHPW (California Highways and Public Works)

(

)

Donde:

tc = Tiempo de concentración (hr).

L = Longitud del canal desde aguas arriba hasta la salida (Km).

H = Desnivel entre la cota máxima y mínima de la cuenca (m).

Modelo de Soil Conservation

(

)

Donde:

tc = Tiempo de concentración (hr).

L = Longitud del canal desde aguas arriba hasta la salida (Km).

H = Desnivel entre la cota máxima y mínima de la cuenca (m).

Modelo de California Culvets

(

)

Donde:

tc = Tiempo de concentración (min).

L = Longitud del canal desde aguas arriba hasta la salida (mi).

Page 78: Manual de Carreteras 2013

78

H = Diferencia de nivel entre el parteagua y el sitio de la estructura (pies).

CCooeeffiicciieennttee ddee eessccoorrrreennttííaa

El coeficiente C, toma en consideración las pérdidas debidas a la infiltración y la evaporación. El

coeficiente de escorrentía depende de varios factores como el tipo de cubierta de suelo, pendiente del

área de drenaje, de la duración de la tormenta, de la humedad antecedente y de la pendiente del

suelo. En casos en los cuales el área de drenaje tiene características diferentes de terreno, con

diferentes coeficientes de escurrimiento superficial, se calcula un valor representativo Cp, mediante

la determinación del coeficiente ponderado.

Donde:

Cp = Coeficiente ponderado de escurrimiento directo para el área de drenaje total.

Ci = Coeficiente de escurrimiento directo para la cuenca i.

Ai = Área de la cuenca i (km2).

n = Número de las diferentes cuencas en el área de drenaje.

CAPÍTULO 6: DISEÑO HIDRÁULICO DE ESTRUCTURAS

DE DRENAJE SUPERFICIAL

Page 79: Manual de Carreteras 2013

79

El objetivo de la determinación de los requerimientos hidráulicos para cualquier estructura de

drenaje en carreteras, es proveer un tamaño adecuado de la estructura que maneje al escurrimiento

directo esperado en forma económica y eficiente.

6.1 Diseño de drenaje longitudinal y obras de desagüe

El sistema de drenaje longitudinal está constituido por una red de cunetas y obras de desagüe. Las

cunetas recogen principalmente las aguas procedentes de la plataforma y de las zonas adyacentes.

Diseño de canales abiertos

Una consideración de diseño importante es que la velocidad del flujo en el canal, no debe ser tan

baja que cause el depósito del material transportado, ni tan alta que cause la erosión del canal. En

general, la velocidad que satisface a esta condición depende de la forma y el tamaño del canal, del

tipo de revestimientos del canal, de la cantidad de agua que esta transportando y del tipo de material

suspendido en el agua.

El rango más apropiado para la pendiente de un canal, para producir la velocidad requerida entre

el 1 y 5 por ciento. Para la mayoría es un problema cuando los taludes son menores al 1% y ocurrirá

erosión excesiva del revestimiento cuando los taludes sean mayores que el 5%. En el M-019, se da el

valor de 3.5 m/s para “cuneta encachada” (modelo de diseño propuesto).

Principios de diseño

El diseño hidráulico de un canal de drenaje, implica la determinación del área mínima de la sección

transversal del canal que aloje al flujo derivado, y que evite que el agua rebose por los datos de la

canaleta.

La formula más comúnmente usada para este propósito es la fórmula de Manning, que supone un

flujo permanente en el canal y que da la velocidad media del canal como:

⁄ ⁄

Page 80: Manual de Carreteras 2013

80

Donde

v = velocidad promedio de la descarga (m/s).

R = radio hidráulico medio del flujo en el canal (m).

a = área de la sección.

P = perímetro mojado (m).

S = pendiente longitudinal del canal (m/m).

n = coeficiente de rugosidad de Manning.

La rugosidad de Manning depende del tipo de material que se usa para revestir la superficie del

canal. En la tabla #, se dan los valores recomendados del coeficiente de rugosidad de diferente

materiales de revestimiento. Entonces el flujo en el canal esta dado como:

⁄ ⁄

Donde Q = es la descarga o caudal (m3/s).

Ya que la formula de Manning supone un flujo estable uniforme en el canal, ahora es necesario

discutir los conceptos de flujo estable, inestable, uniforme y no uniforme.

El flujo en canales abiertos puede agruparse en dos categorías: estable e inestable. Cuando la tasa

de descarta no varía con el tiempo el flujo es estable; viceversa, el flujo es inestable cuando la tasa

de descarga varia con el tiempo. El flujo estable se agrupa además en uniforme y no uniforme,

dependiendo de las características del canal. Un flujo uniforme se obtiene cuando las propiedades

del canal como pendiente, rugosidad y la selección transversal, son constantes a lo largo de la

longitud del canal, mientras que se obtiene un flujo no uniforme cuando estas propiedades varían a

lo largo de la longitud del canal.

Cuando se obtiene un flujo uniforme en un canal, la profundidad d y la velocidad van se toman como

normales y la pendiente del agua es paralela a la pendiente del canal. Ya que es muy difícil obtener

exactamente las mismas profundidades a lo largo del canal, en la práctica es muy difícil obtener las

Page 81: Manual de Carreteras 2013

81

condiciones de flujo uniforme. Sin embargo, la ecuación de Manning puede usarse para obtener

soluciones prácticas a los problemas de flujo en corrientes en la ingeniería de carreteras ya que, en

la mayor parte de los casos el error en que se incurre es pequeño.

El flujo en un canal puede ser también lento o rápido. El flujo lento es similar al flujo de agua en un

canal abierto con una pendiente longitudinal relativamente suave, mientras que el flujo rápido es

similar al agua que desciende como cascada por una pendiente pronunciada.

La profundidad para la cual el flujo en un canal cambia de lento a rápido se conoce como

profundidad critica. Cuando la profundidad de flujo es mayor que la profundidad critica, el flujo se

conoce como subcrítico. Este tipo de flujo ocurre con frecuencia en corrientes en planicies y en

regiones de valles amplios. Cuando la profundidad del flujo es menor que la profundidad critica, el

flujo se conoce como supercrítico. Este tipo de flujo prevalece en canalones empinados y en

corrientes de montañas. La profundidad crítica (yc), también puede definirse como la profundidad de

flujo para la cual la energía especifica es mínima.

La energía especifica (E) se define como la energía por unidad de peso (mkg/kg) con relación a la

solera del canal.

E = profundidad + altura de velocidad =

. α – factor de corrección de energía cinetica; se

toma igual a 1.0, lo que no introduce errores en los resultados, ya que la altura de velocidad

representa, por lo general, en pequeño porcentaje de la altura total (energía total).

En función del caudal q por unidad de anchura b del canal (o sea, q= Q/b)

( ⁄ )( ⁄ )

√ ( )

Para un flujo uniforme, la energía específica permanece constante de una sección a otra. Para un

flujo no uniforme, la energía específica a lo largo del canal puede aumentar o disminuir.

La profundidad crítica (yc) para un caudal unidad constante q en un canal rectangular es aquella

para la cual la energía específica es mínima.

Page 82: Manual de Carreteras 2013

82

Esta expresión puede transformarse en

√ para flujo critico.

Por consiguiente, si el número de Froude NF = √ =1, existe flujo critico. Si NF >1, hay flujo

supercrítico (flujo rápido); y si NF <1, el flujo es subcrítico (flujo tranquilo).

En canales no rectangulares y para un flujo critico.

Donde b´ es la anchura de la superficie de agua.

La profundidad crítica depende solamente de la forma del canal y de la descarga. Esto implica que

para cualquier sección transversal de canal, una profundidad critica para un gasto dado.

Cuando un flujo cambia abruptamente de supercrítico a subcrítico, se produce un salto hidráulico,

en el cual la turbulencia resultante absorbe parte de la energía.

Las condiciones aguas abajo pueden modificar las condiciones aguas arriba de un flujo subcrítico,

lo que significa que el control esta aguas abajo. Entonces, cuando el flujo es subcrítico, cualesquiera

cambios aguas debajo de la pendiente, de la sección transversal, o la intersección con otra corriente

van a resultar en un cambio gradual de la profundidad aguas arriba, lo que se conoce como curva

de remanso. Por el contrario, normalmente el flujo supercrítico no es afectado por las condiciones

aguas abajo y el control está aguas arriba.

El diseño de un canal de drenaje para una vía consiste en determinar la sección transversal del

canal, que transporte.

Parámetros a considerar en el diseño hidráulico de la cuneta:

Page 83: Manual de Carreteras 2013

83

Áreas de aportación: naturales y semicalzada.

Longitud del tramo.

Pendiente del tramo.

Tipo de material natural y su velocidad máxima permisible.

Tipos de materiales de revestimiento.

Sección típica de la cuneta.

6.2 Diseño de alcantarilla

Los principales factores a considerar en el diseño de una alcantarilla son: la ubicación de la

alcantarilla, las características hidrológicas de la cuenca que está siendo servida por la alcantarilla,

la economía y el tipo de control de flujo.

Ubicación de la alcantarilla

La ubicación más apropiada de una alcantarilla es en el lecho del canal existente, con la línea de eje

y la pendiente de la alcantarilla que coincidan con las del canal.

El principio básico que se emplea en la ubicación de alcantarillas, considera que deben evitarse

cambios abruptos en la corriente en la entrada y la salida de la alcantarilla.

Consideraciones hidrológicas y económicas

Las consideraciones hidrológicas y económicas son similares a aquellas para el diseño de canales

abiertos, en que la tasa de flujo de diseño se basa en la tormenta con un periodo de retorno

aceptable. Este periodo de retorno se selecciona de modo que los costos de construcción y de

mantenimiento, equilibren al costo probable del daño a las propiedades adyacentes si se presenta la

tormenta.

La alcantarilla se diseña para el gasto pico o tasa de flujo pico de la tormenta de diseño.

Page 84: Manual de Carreteras 2013

84

Los factores que deben considerarse en el diseño de alcantarillas son las condiciones de

almacenamiento en la descarga y corriente arriba.

Condiciones de descarga. Las condiciones de descarga, se definen como la profundidad del agua

que se encuentra encima del punto de salida de la alcantarilla, a medida que el agua fluye fuera de

la alcantarilla. El diseño de la capacidad de la alcantarilla debe considerar la cabeza de agua en el

punto de descarga, especialmente cuando el diseño es con base en las condiciones de salida. Deben

usarse observaciones de campo y mapas para identificar las condiciones que informen sobre las

elevaciones de campo y mapas para identificar las condiciones que informen sobre las elevaciones

de la cabeza de agua en los sitios de descarga. Estas condiciones incluyen las restricciones del

canal, las intersecciones con otros cursos de agua, los represamientos aguas abajo, los obstáculos

en el canal, y los efectos de marea. Si no existen estas condiciones, la elevación de la cabeza de agua

en el sitio de descarga, es la correspondiente a la superficie del agua en el canal natural.

Almacenaje aguas arriba. Deberá verificarse la capacidad de almacenaje aguas arriba, con el uso

de mapas con curvas de nivel en gran escala, de los cuales se obtiene información topográfica.

Según la “Guía Geotécnica y Ambiental del Ministerio de Obras Publicas y Comunicaciones de la

República Dominicana”, la obtención del diámetro para una alcantarilla, está limitada por la altura

que alcanzara el agua a la entrada para el caudal de diseño.

De acuerdo con Franceschi (1984), la determinación de la cota de agua admisible a la entrada, es

uno de los aspectos que debe recibir más cuidadosa consideración, y depende de:

La elevación de la sub-rasante de la vía en la zona adyacente

La elevación de las propiedades vecinas, tanto presentes como futuras.

Las posibilidades de taponamiento de la entrada.

La presión hidrostática sobre los terraplenes de la vía.

Cuando los factores señalados no sean suficientes para definir la cota admisible de las aguas a la

entrada, se podrá recurrir a la recomendación general en el sentido de que la altura de agua debe

estar 60 cms por debajo del nivel de la rasante (de la vía), cuidando de que la relación entre la

Page 85: Manual de Carreteras 2013

85

altura de agua a la entrada (HE) y la altura de la alcantarilla (D), no exceda los valores anotados

en la siguiente tabla:

Altura de la alcantarilla (D)

(m)

(HE/D)máx

Menos de 0.90 m 1.5

Entre 0.90 m y 1.50 m 1.3

Entre 1.50 m y 2.00 m 1.2

Mayor de 2.00 m 1

Por razones de mantenimiento, y para disminuir el efecto de atarquinamiento, es preferible no usar

diámetros menores de 0.90 m.

Diseño hidráulico de las alcantarillas

La sección de control de la alcantarilla se usa para clasificar a los diferentes flujos en la misma, los

cuales posteriormente se analizan. La ubicación para la cual existe una relación única entre el gasto

o tasa de flujo y la profundidad de flujo aguas arriba es la sección de control.

Cuando el flujo está determinado por la geometría de la entrada, entonces la sección de control es la

entrada de la alcantarilla, es decir, el extremo aguas arriba de la alcantarilla y el flujo está

controlado en la entrada. Cuando el flujo está gobernado por una combinación de la cabeza de agua

en el sitio de descarga, la entrada de la alcantarilla y las características del cilindro de la

alcantarilla, el flujo está controlado en la salida. Aunque es posible que el flujo en una alcantarilla

cambie de un control al otro y viceversa, el diseño se basa en el concepto de desempeño mínimo, que

establece que la alcantarilla funcione a un nivel que nunca este más bajo que el nivel de diseño. Esto

significa que la alcantarilla puede funcionar a un nivel de mayor eficiencia.

CCoonnttrrooll eenn llaa eennttrraaddaa

Page 86: Manual de Carreteras 2013

86

Control en la entrada. El flujo en alcantarillas que operan bajo condiciones de control en la entrada,

es supercrítico con altas velocidades y profundidades bajas. El tipo de flujo depende de si la entrada,

la salida o ambas en la alcantarilla están sumergidas. En las figuras (Ver en libro “Ingeniería de

Transito y Carreteras” de los autores Nicholas Garber y Lester A Hoel), tanto la entrada como la

salida están por encima de la superficie del agua. En este caso, el flujo dentro de la alcantarilla es

supercrítico, la alcantarilla está parcialmente llena en toda su longitud y la profundidad de flujo se

aproxima en forma normal en el extremo de salida. En las figuras, solamente el extremo aguas abajo

(salida) de la alcantarilla está sumergido, pero esto no produce un control en la salida. El flujo en la

alcantarilla un poco después de la entrada de la misma (entrada) es supercrítico, y se presenta un

salto hidráulico dentro de la alcantarilla. En las figuras, se muestra el extremo de entrada de la

alcantarilla sumergido, con el agua que fluye libremente en la salida. La alcantarilla está

parcialmente llena a lo largo de su longitud, y el flujo es supercrítico dentro de la misma, ya que la

profundidad crítica se localiza justo después de la entrada de la alcantarilla. La profundidad de flujo

en la salida de la alcantarilla también se aproxima en forma normal. Este ejemplo de control en la

entrada es más común en condiciones de diseño. En las figuras, se muestra sumergidas tanto la

entrada como la salida de la alcantarilla, pero la alcantarilla está parcialmente llena en una parte

de su longitud. Se presenta un salto hidráulico dentro de la alcantarilla, lo que produce que la

alcantarilla se llene a lo largo del resto de la longitud. En estas condiciones, pueden desarrollarse

presiones menores a la atmosférica, por lo que se crea una situación inestable con la alcantarilla

que oscila entre flujo parcialmente lleno y flujo lleno. Esto se evita instalando una entrada

intermedia como se muestra.

Varios factores afectan el comportamiento de una alcantarilla bajo condiciones de control en la

entrada. Estos incluyen el área, la forma, la configuración de la entrada, además de la profundidad

de la cabeza del agua. Se dispone de varios métodos para aumentar el desempeño de las

alcantarillas bajo el control de la entrada. Estos incluyen el uso de configuraciones especiales para

los bordes de la entrada y bordes biselados en la entrada de la alcantarilla.

Se han usado pruebas de modelos para determinar las relaciones de flujo, entre la cabeza de agua

(profundidad de agua por encima del punto de entrada de la alcantarilla) y el flujo para

alcantarillas que operan bajo condiciones de control de entrada. La condición básica para

desarrollar estas ecuaciones, es si la entrada está sumergida o no. La entrada funciona como un

Page 87: Manual de Carreteras 2013

87

orificio cuando está sumergida y como un vertedor cuando no está sumergida. La primera ecuación,

se basa en la carga específica para la profundidad crítica, y la segunda ecuación, es exponencial y

similar a la ecuación de un vertedor. La ecuación tiene más soporte teórico, pero la ecuación vista al

final es de uso más sencillo.

Para la condición no sumergida,

[

( )( ) ]

[

( )( ) ]

Para la condición sumergida,

[

( )( ) ]

Donde

= profundidad de la cabeza de agua requerida por encima de la sección de

control de entrada (m)

D = altura interior del cilindro de la alcantarilla (m)

V = velocidad de flujo (m/s)

Vc = velocidad critica (m/s)

g = 9.81 m/s2

Hc = cabeza especifica en la profundidad critica, es decir, dc + (V2

c+2g) (m)

dc = profundidad critica (m)

Q = descarga o caudal (m3/s)

A = área total de la sección transversal del cilindro de la alcantarilla (m2)

S = pendiente del cilindro de la alcantarilla (m/m)

K, M, c, Y = constantes. Ver tabla en libro “Ingeniería de Transito y Carreteras” de

los autores Nicholas Garber y Lester A Hoel.

Page 88: Manual de Carreteras 2013

88

Control en la salida. Una alcantarilla fluye bajo control de salida, cuando el cilindro no tiene la

capacidad de transportar tanto flujo como pueda recibir la abertura de la entrada. En las figuras ,

tanto la entrada como la salida de la alcantarilla completamente llena. Esta es una suposición

común de diseño, aunque no ocurre frecuentemente en la práctica. En las figuras se muestra la

entrada no sumergida y la salida sumergida. Generalmente esto ocurre cuando la profundidad de la

cabeza de agua es baja, con el resultado de que la parte superior de la alcantarilla esta por arriba

de la superficie del agua, a medida que el agua se contrae para entrar a la alcantarilla. En las

figuras, la salida no está sumergida y la alcantarilla fluye llena a lo largo de toda su longitud,

debido a la altura de la cabeza de agua. Esta condición no ocurre con frecuencia, ya que requiere

mucha altura de la cabeza de agua en la entrada. Bajo esta condición se obtienen velocidades altas

en la salida. En las figuras, la entrada de la alcantarilla está sumergida y la salida no está

sumergida, y la profundidad del agua a la salida es baja. Por tanto la alcantarilla fluye parcialmente

llena en una parte de su longitud. El flujo también es subcrítico a lo largo de parte de la longitud de

la alcantarilla, pero la profundidad crítica se presenta justo aguas arriba de la salida. En la figura #

se muestran tanto la entrada como la salida no sumergidas con la alcantarilla parcialmente llena a

lo largo de toda su longitud, y con flujo subcrítico.

Además de los factores que afectan el desempeño de las alcantarillas bajo control en la entrada, el

desempeño de las alcantarillas bajo control en la salida también se afecta por la profundidad de

agua en la descarga y ciertas características de la alcantarilla, que incluyen rugosidad, área, forma,

pendiente y longitud.

El análisis hidráulico de las alcantarillas que fluyen bajo control en la salida, se basa en el balance

de la energía. La pendiente total de energía a través de la alcantarilla está dada como

HL = He + Hf +H0 +Hb +Hj + Hg

Donde:

HL = energía total requerida

He = perdida de energía en la entrada

Hf = perdida por fricción

H0 = perdida de energía en la salida

Hb = perdida por cambio de dirección

Page 89: Manual de Carreteras 2013

89

Hj = perdida de energía en la unión

Hg = perdida de energía en las rejillas de seguridad

Las pérdidas debidas al cambio de dirección, unión y rejillas ocurren solamente cuando estas

características se incorporan a la alcantarilla. Para alcantarillas sin estas características, la

pérdida total de carga (cabeza) está dada como

(

)

Donde:

= factor con base en diferentes configuraciones de la entrada

n = coeficiente de Manning para alcantarillas

R = radio hidráulico del cilindro completo de la alcantarilla = a/p (pies)

L = longitud del cilindro de la alcantarilla (pies)

V = velocidad en el cilindro (pies/s)

En el diseño de una alcantarilla, las elevaciones de la cabeza de agua se calculan para los controles

en la entrada y en la salida y se define la condición de control con la cabeza de agua más alta.

Entonces se determina la velocidad en la salida para el control que gobierna. Cuando gobierna el

control en la entrada, se toma como velocidad de salida, a la velocidad de la profundidad normal.

Cuando gobierna el control en la salida, se determina la velocidad de salida con el uso del área de

flujo en la salida, con base en la geometría de la alcantarilla y en las siguientes condiciones:

Si la profundidad del agua en la descarga es menor que la profundidad critica, use la

profundidad critica.

Si el nivel del agua en la descarga está entre la profundidad crítica y la parte más alta de la

alcantarilla, use la profundidad del agua en la descarga.

Si la profundidad del agua en la descarga está por arriba de punto más alto de la

alcantarilla, use la altura de la alcantarilla.

Altura de agua en la entrada con control de entrada:

Page 90: Manual de Carreteras 2013

90

El caudal que pasa por la alcantarilla es determinado por las condiciones geométricas e hidráulicas

de la entrada. La capacidad es función de la altura de agua en ese sitio, e independiente de la

rugosidad, la longitud y la pendiente de dicha alcantarilla.

La nomenclatura a utilizar en las expresiones de cálculo, es la siguiente:

HE: Altura de agua a la entrada

He: Perdida de energía a la entrada

Hv: Carga de velocidad a la entrada

D: Diámetro de la tubería o altura del cajón

dc: Profundidad critica

d: Tirante de agua

A los resultados de los ábacos se les ha ajustado estadísticamente una ecuación que depende del tipo

de entrada de la alcantarilla arrojando

los resultados siguientes:

Entrada de tipo I

a) Alcantarilla Circular

[

]

b) Cajones

[

]

[

]

[

]

Page 91: Manual de Carreteras 2013

91

[

]

Entrada Tipo II:

a) Circulares:

[

]

b) Cajones:

[

]

[

]

[

]

[

]

Entrada tipo III

a) Circulares

[

]

b) Cajones:

[

]

[

]

[

]

[

]

Page 92: Manual de Carreteras 2013

92

Altura de agua en la entrada con control a la salida

El caudal que pasa por la alcantarilla es determinado por las condiciones geométricas e hidráulicas

de la salida. La capacidad de una alcantarilla operando con control de salida, es función de la

altura de agua en ese sitio y de las pérdidas por fricción en el conducto, u por lo tanto del material

utilizado para su construcción, concluyendo en la siguiente ecuación:

( )

El valor de puede ser estimado en tuberías de acuerdo a la siguiente relación la cual si bien no es

exacta, es suficientemente precisa para los fines que se persiguen en el caso de tuberías con valores

de .

En alcantarillas circulares:

En el caso de cajones: √

Las pérdidas de energía (H) pueden expresarse de la siguiente manera:

a) En alcantarillas circulares:

[ ( )

]

b) En alcantarillas de sección rectangular:

[( )

( ) ( )

( ) ]

Page 93: Manual de Carreteras 2013

93

Donde,

L= Longitud de la alcantarilla. (m)

n= Coeficiente de rugosidad de Manning. En el caso de tuberías de concreto n=0.013.

D= diámetro de la alcantarilla o altura del cajón. (m)

Q= Caudal en m³/seg.

B=Ancho del cajón. (m)

K= Coeficiente de perdidas en la entrada, los cuales se presentan en la siguiente

figura,

Velocidad de salida

Esta se verifica con el fin antes mencionado, relativo a la erosión y diseño de obras de disipación de

energía, en caso de ser necesario.

Velocidad de salida con control a la entrada

La velocidad a la salida con control a la entrada es la que corresponde a la profundidad normal,

puede ser calculada de acuerdo a las siguientes ecuaciones:

En tuberías circulares:

[ ]

[

]

Esta ecuación es aproximada para valores cercanos a .

El área mojada se puede determinar con aproximación suficiente, para los fines que se persiguen,

mediante las siguientes ecuaciones:

( )

Page 94: Manual de Carreteras 2013

94

( )

En cajones, la profundidad normal se determina con las siguientes ecuaciones:

En todos los casos:

Velocidad de salida con control a la salida

Cuando la salida está sumergida, la velocidad a la salida se calcula con el área “A”

correspondiente a la altura previamente seleccionada:

En tuberías circulares:

En cajones:

De lo contrario, se supone que de haber control a la salida, en la misma sección, se toma la

velocidad crítica.

Page 95: Manual de Carreteras 2013

95

BIBLIOGRAFÍA

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Reimpresión Editorial Limusa. México. 1992.

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