el concepto d “diseño espacial” se refiere a la configuración q considera el emplazamiento d una obra vial.
una carretera es una obra tridimensional q se gesta, sin embargo, proyectando separadamente sus planos horizontal, longitudinal y transversal.
las normas y recomendaciones precedentes apuntan a producir niveles aceptables d visibilidad, comodidad, agrado visual y d servicio en general, mediante una correcta elección d los elementos en planta y elevación q configuran el trazado.
No obstante esto, dichas normas y recomendaciones, aplicadas x separado a los referi2 planos, no asegura un buen diseño.
x ello es necesario estudiar tb su efecto combinado, aplicarles ciertas normas d compatibilización y coordinarlos, d acuerdo a criterios funcionales y estéticos.
abordaremos los principios, procedimientos y medios q se deben tener presentes y usar para ejecutar un trazado lo + acabado posible en el espacio tridimensional. O sea, un trazado q integre cada 1 d sus elementos en un diseño seguro, cómodo, sin indeterminaciones para el usuario y adecuadamente implantado en el medio ambiente.
este objetivo optimizador requiere la revisión d una serie d conceptos q verificaremos en el desarrollo d esta asignatura y su unificación con otros q se refieren específicamente a la compatibilización d la planta y el alzado d una carretera (entendíén2e x planta la proyección horizontal del trazado y el alzado la proyección vertical del mismo).
Elementos del alineamiento espacial:
los elementos del alineamiento espacial son los traza2 en planta y alzado.
cuando ellos se superponen y se unen a las carácterísticas transversales d la carretera. Podremos constituir una visión tridimensional d la misma.
cuando el alineamiento horizontal se combina con las pendientes y curvas del alineamiento vertical, el camino deja d consistir en los meros alineamientos planos representa2 en planta y perfil, para convertirse en una curva tridimensional. A los ojos del conductor, la superficie d la calzada y d las bermas forma una faja q se desenvuelve en una serie d planos, subiendo y bajando, avanzando y retrocediendo, ven100do obstáculos o aleján2e d ellos, asumiendo las cualidades d una composición espacial abstracta, ondulante y sinuosa.
el vehículo al circular x el camino y el conductor al observar el trazado y tomar las decisiones q exige la conducción, lo hacen en un espacio tridimensional, en el cual se conjuga el alineamiento horizontal, el vertical y la sección transversal del camino. En ese contexto, tb está incorporado el entorno q ofrece la topografía y el uso del suelo en las proximidades del trazado. X lo tanto la coordinación d los alineamientos horizontal y vertical confiere al camino carácterísticas superiores d capacidad, estética y d seguridad y confort en la conducción
dicha coordinación podrá alcanzarse mejor, si es tenida en cuenta x el proyectista desde los esta2 iniciales del diseño geométrico. Para esto, el proyectista con sus conocimientos y habilidad debe imaginar el trazado sobre el terreno, desde el mismo momento en q se realizan los levantamientos preliminares.
es conveniente q el proyectista comience x trazar rasantes tentativas, en planta y en elevación, con escalas adecuadas, q le permitan detectar las secciones del camino q puedan presentar problemas d coordinación planialtimétrica.
en la siguiente lámina se muestran las combinaciones posibles d los elementos verticales y horizontales del trazado, con su correspondiente apariencia en perspectiva
la ejecución d tales esquemas para la totalidad d un trazado no es siempre factible ni indispensable. En la mayoría d los casos basta con respetar las normas y recomendaciones consignadas para evitar efectos contraproducentes para la seguridad y la estética d la vía.
el diseño espacial d una vía consiste en una serie d traza2 rectos uni2 x curvas d enlaces, estas pueden ser d tipo vertical u horizontal.
una curva adecuadamente elegida presenta ventajas para el diseño y/o para los usuarios. Provee una alineación fácil d seguir, tal q la fuerza centrífuga aumenta y disminuye en forma gradual, según si el vehículo pasa a un radio d curvatura menor o mayor, respectivamente.
esto minimiza la invasión a la pista adyacente o la aproximación excesiva a la demarcación q las separa y promueve la uniformidad d la velocidad, todo lo cual redunda en una mayor seguridad, comodidad y eficacia operativa.
Elementos d la plataforma
(elementos d los alineamientos horizontales)
la visión q el conductor tiene d la plataforma d la carretera, así como d su enmarcamiento en el paisaje, le produce una serie d impresiones.
si éstas son poco claras o desvían su atención, la conducción se hace tensa, errática o distraída, con lo q las posibilidades d accidente aumentan.
las condiciones ideales para el conductor son aquellas en las q la visión d la carretera es dinámicamente estable y su transcurso posterior predecible
la plataforma, entonces, es la guía óptica x excelencia para el conductor, cumpliendo tal función, cada vez mejor, en la medida q sus elementos estén mejor defini2 y demarca2. En este sentido, la señalización horizontal (q corresponde a demarcaciones, símbolos letras tachas reflectantes u otras), es fundamental. Especialmente la q realza los bordes del camino.
La recta
rectas largas son monótonas y x lo tanto cansadoras. Además, inducen aumentos d velocidad y facilitan encandilamiento. X lo tanto, ellas deben evitarse y en cualquier caso limitarse. Sin embargo, las rectas pueden acomodarse eventualmente a topografías específicas y servir a la simplificación d ciertos traza2 en zonas complicadas para el conductor.
cuando, a pesar d todo, las rectas largas se produzcan, es conveniente disminuir la sensación d rigidez q provocan mediante curvas verticales cóncavas d gran parámetro, q disminuyen el encandilamiento y permiten apreciar la velocidad d los vehículos enfrenta2
La curva
los valores máximos del radio d curvatura están tb acota2, con el fin d no utilizar valores q hagan imperceptible su diferencia con las rectas (7.500 – 10.000 m).
a las curvas amplias tb deben limitarse su desarrollo o longitud, alternán2e distintos elementos en planta con el fin d evitar la monotonía.
rectas d desarrollo o longitud breve entre 2 curvas del mismo sentido producen un efecto estético indeseable y ofrecen una perspectiva equívoca al conductor
asimismo, una curva d pequeño desarrollo entre 2 alineaciones rectas largas produce una mala imagen visual
esto puede ser resuelto con una curva amplia
Secuencia d elementos en planta
en un trazado donde la topografía obliga la utilización d curvas d radio reducido es normal y admisible encontrar radios considera2 mínimos d acuerdo a la normativa
en cambio, allí donde las alineaciones en planta sean amplias, y x lo tanto inductores d velocidades d operación q pueden exceder a las d proyecto, el intercalamiento d un radio mínimo es peligroso
respetando el rango d curvaturas sucesivas se evitarán estas situaciones
Elementos del alzado
La recta
en elevación, una recta corresponde a un tramo con inclinación constante.
si ella va asociada a una recta en planta, son válidas las recomendaciones hechas respecto d la recta como elemento d la plataforma.
a continuación se exponen 2 ejemplos para graficar el resultado d una mala elección en relación a:
rectas cortas, entre 2 curvas cóncavas
recta corta entre 2 curvas convexas
ambas situaciones anteriores, dan sensación d ambigüedad y no deben ser utilizadas. Deben ser reemplazadas x curvas verticales únicas y amplias como se representa en las figuras q a continuación se exponen y q representan los ejemplos anteriores corregi2
estos principios deben ser respeta2 especialmente en el caso d existir estructuras
Acuer2 verticales y cóncavos
este elemento favorece el guiado óptico puesto q la plataforma en ningún momento desaparece d la vista del usuario. Sin embargo, deben evitarse curvas verticales d radio reducido entre tramos largos d pendiente constante, puesto q estas configuraciones, como se aprecia en las figuras q a continuación se exponen (y en la perspectiva del conductor), presentan una discontinuidad evidente
Acuer2 verticales convexos
este elemento es el – favorable para un buen guiado óptico, agraván2e el fenómeno a medida q el valor d su parámetro disminuye.
en las curvas convexas q enlazan pendientes del mismo sentido, se deben evitar los parámetros reduci2, puesto q ellas dan sensación d quiebre. Deben usarse parámetros verticales lo + grandes posibles.
Secuencia d elementos en el perfil
en la secuencia d elementos en el perfil longitudinal, q depende principalmente d la topografía, se debe considerar:
en parajes con ondulaciones acentuadas, deben preferirse parámetros convexos mayores q los cóncavos, para mejorar la visibilidad en las zonas d relieve abrupto
en parajes planos, o con poca diferencia d cotas (10 m a lo sumo), son los parámetros cóncavos los q deben ser mayores q los convexos, para aprovechar al máximo la buena visibilidad q aquéllos confieren. Deben evitarse la sucesión rápida d curvas convexas y cóncavas en paisajes con visibilidad
Superposición d planta y elevación:
relación entre los elementos d diseño en planta y alzado.
además d lo ya dicho anteriormente, se debe tener presente q los radios d las curvas en planta y los d las curvas cóncavas en alzado q se superpongan deben estar relacionadas entre sí.
relación entre los puntos d inflexión en planta y alzado.
en general, los puntos d inflexión en planta y alzado deben aproximadamente coincidir y ser iguales en cantidad a lo largo d un tramo. Cuando lo último no sea posible x imposiciones del terreno, se recomienda evitar q el conductor vea + d una curva en planta mediante pantallas artificiales o naturales
la superposición d curvas horizontales y verticales, además d brindar una apariencia agradable, facilita el drenaje al combinar puntos d poca inclinación longitudinal (vértice d los acuer2) con puntos d peraltes mayores, y puntos d poca inclinación transversal (transiciones d peralte) con otros d inclinación longitudinal máxima.
x otra parte esta superposición es especialmente conveniente para el caso d curvas horizontales y verticales q no permitan adelantamiento. D este modo no se ha perjudicado la conducción, como sucede si se superpone una curva q frustra la maniobra con una recta q sí la permite.
respetando este principio d superposición y d coincidencia aproximada d los puntos d inflexión, conviene además, para mejorar la predictibilidad del trazado, q las curvas verticales convexas sean + cortas q las curvas en planta correspondientes, y q las cóncavas sean + largas.
Combinaciones indeseables:
no deben proyectarse curvas horizontales d radio mínimo, en correspondencia o próximas al punto + bajo d una curva vertical cóncava q enlace rasantes d pronunciadas pendientes descendentes, puesto q el incremento d velocidad q dichas rasantes generan redunda en aumento d accidentes.
d = modo, rasantes con ondulaciones cortas, en correspondencia con rectas o curvas en planta, q pueden ser observadas desde una zona alta del trazado, producen un efecto estético deplorable.
en carreteras unidireccionales, en las q las rasantes d una y otra calzada son distintas, no se deben variar sus posiciones relativas, ya sea en planta o elevación, si no es en tramos donde existan combinaciones d curvas horizontales y verticales.
no se debe recurrir a alineaciones en planta exageradamente amplias si ello fuerza pendientes longitudinales importantes durante tramos largos. Asimismo, lograr pendientes suaves mediante traza2 sinuosos q no están obliga2 x la topografía es francamente desaconsejable
la sucesión d curvas verticales en tramos rectos o curvos, q permitan la visión del trazado como un tobogán, son antiestéticas y deben evitarse
Pérdidas d trazado:
se entiende x pérdida d trazado la desaparición d la plataforma a la vista del conductor y su reaparición a una distancia q no es lo sufi100temente grande como para hacer desaparecer el efecto sicológico adverso q tal situación produce. Este efecto sicológico es d incertidumbre y ha sido comprobado exhaustivamente en la práctica.
pérdida d trazado en recta
pérdida d distancia d visibilidad d adelantamiento.
existencia d visibilidad d adelantamiento pero perspectiva hace difícil la evaluación d las distancias
pérdida d distancia d visibilidad d adelantamiento.
existencia d visibilidad d adelantamiento pero perspectiva hace difícil la evaluación d las distancias
casos extremos en los q el conductor puede equivocar su apreciación del desarrollo del trazado y del tránsito contrario
efecto del entorno d la carretera en el diseño espacial.
la forma y escala del espacio ambiental x el q discurre una carretera tiene influencia definida sobre los conductores.
durante el día, to2 los elementos laterales q ayuden al guiado óptico, tales como plantaciones, muros, barreras, postes – guía, etc., son favorables si ellos están a una distancia sufi100te d la plataforma
el guiado óptico en condiciones d conducción nocturna se materializa a través d la demarcación del eje y d las líneas laterales.
cuando sea necesario se puede reforzar dicha visualización mediante hitos d aristas en rectas y curvas, y si es necesario, mediante delineadores verticales allí donde se requiera reforzar la visualización del desarrollo d las curvas en planta.
en 1 y otro caso, los elementos q el proyectista disponga deben ser estudia2 desde el punto d vista d su efecto en perspectiva
Diseño d curva circular
es importante tener claro q el diseño d una vía, en términos generales, es un trabajo donde se prueban distintas soluciones q cumplen con los estándares estableci2 x el manual. Pero q implican diferentes costos y obligan a un proceso d decisión donde se debe definir el estándar d la vía. Esta situación nos puede obligar a repetir el proceso una o + veces hasta encontrar la solución q + se ajuste a nuestro presupuesto y a las necesidades d la obra
el diseño d una vía considera en términos generales, la alineación d sectores rectos y curvos.
en primer lugar hay q saber q toda carretera se compone d 3 tipos d curvaturas, estas son:
– las rectas, en donde la curvatura es = a cero.
– las d transición, en donde la curvatura es variable.
– la curva como tal, en donde la curvatura es constante.
el objetivo principal d las curvas d transición consiste en evitar varias discontinuidades en la curvatura d la carretera
teniendo en cuenta esto, las curvas d transición deben cumplir con las mismas condiciones d seguridad y d estética d toda la carretera.
en la mayoría d los casos, la curva + aceptada para el diseño d carreteras es la clotoide.
podemos (genéricamente), establecer q las curvas son las q se emplean en las vías d comunicación para cambiar d una dirección a otra uniendo los tramos rectos con los curvos. Estas curvas son arcos d circunferencia y están consideradas en el plano horizontal del camino, en el plano vertical se denominan parábolas, en este último caso hablamos d ellas diferenciándolas como curvas verticales convexas y curvas verticales cóncavas.
los parámetros q se deben considerar para el diseño d una curva circular están detalla2 totalmente en el volumen iii del manual d carreteras, sin embargo y con el objeto d lograr q el aprendizaje sea d una forma mucho + didáctica efectuaremos el procedimiento necesario mediante un ejemplo.
consideraremos la necesidad d diseñar una curva circular en un camino con los siguientes datos d entrada y q considera los siguientes factores:
datos:
– la categoría del camino corresponde a una carretera.
– la calzada es bidireccional con una pista x sentido d 3,5 metros cada una.
el terreno es ondulado.
el bombeo o inclinación transversal d la plataforma del camino se considerara d un 2,5 %.
nota: el largo d la recta q antecede a la curva q se diseñara (en nuestro ejemplo 1300 m, es un valor q el proyectista puede establecer d forma arbitraria d acuerdo a las condiciones d terreno), este valor tb nos puede determinar ciertos antecedentes cuando estas sobrepasan determina2 largos.
con estos datos debemos trasladarnos al manual d carretera y verificar la tabla 3.201.5 a, la q establece los parámetros d diseños mínimos en planta y alzado.
d acuerdo a la categoría del camino y según establece la tabla antes indicada:
la velocidad d proyecto (en adelante vp) q podemos asumir para el diseño puede ser d 80 – 90 ó 100 (km/h).
esta decisión es tomada x el proyectista d acuerdo a criterios d seguridad d la vía y costos d la solución (lo q él estime conveniente)en nuestro caso determinaremos q la vp escogida será d 90 km/h.
2) así mismo, la tabla referenciada con anterioridad nos indica q para 90 km/h, el radio mínimo d la curva circular debe ser d 330 m.
este último parámetro indicado es, tal y como lo indicamos anteriormente, el mínimo necesario para el diseño d esta curva circular
3) d acuerdo a esta última observación, y considerando q en terreno tenemos el espacio necesario para poder trabajar con un radio aún + amplio sin la necesidad d tener q recurrir a expropiaciones d terreno, adoptaremos para efectos d ejemplo un radio mayor al mínimo y q será d 400 m.
como ya se expuso con anterioridad, no se pretende q el manual reemplace el conocimiento y experiencia del especialista. X el contrario se espera alcanzar la solución + adecuada desde los puntos d vista técnico, económico, operacional y medio ambiental.
los límites normativos d diseño q se indican en este volumen corresponden a valores mínimos según la situación q se está resolviendo, es decir, representan el límite inferior d tolerancia en el diseño. X lo tanto, ellos constituyen una norma q no puede ser transgredida. X el contrario, cada vez q estos límites mínimos puedan ser mejora2 existirán las instancias para hacerlo teniendo siempre presente q el proyectista será responsable d la calidad d los diseños q proponga.
4) a continuación deberemos determinar la posición d los elementos o parámetros del diseño q se obtienen mediante los cálculos q + adelante abordaremos, estos nos permitirán poder replantearlos en terreno identificándolos o materializándolos según corresponda.
d acuerdo a estos datos y según el croquis anterior debemos comenzar a despejar los parámetros necesarios para el diseño d la curva.
los elementos asocia2 a la curva circular necesarios para el diseño son los siguientes:
vn: vértice; punto d intersección d 2 alineaciones consecutivas del trazado.
: ángulo entre 2 alineaciones, medido a partir d la alineación d entrada, en
el sentido d los punteros del reloj, hasta la alineación d salida.
ω: ángulo d deflexión entre ambas alineaciones, q se repite como ángulo del
centro subtendido x el arco circular.
r: radio d curvatura del arco d circulo (m).
t: tangentes, distancias iguales entre el vértice y los puntos d tangencia del
arco d circulo con las alineaciones d entrada y salida (m).
determinan el principio d curva pc y fin d curva fc.
s: bisectriz ; distancia desde el vértice al punto medio, mc, del arco del circulo (m).
d: desarrollo; longitud del arco d círculo entre los puntos d tangencia pc y fc
(m).
p: peralte; valor máximo d la inclinación transversal d la calzada, asociado al
diseño d la curva (%).
Estos parámetros se identifican e individualizan en la imagen q a continuación se expone:
para esto comenzaremos despejando “ω”:
ω = (240 – 200)
ω = 40g
t = r * tg (ω/2) = 400 * tg (20) =
s = r * [ 1 – 1] = 400 * [ 1 – 1] =
cos (ω/2) cos (20)
d = π * r * ω/200 = π * 400 * 40/200 =
para determinar los kilometrajes se efectúan los siguientes cálculos:
pc= 1300 – t = 1170,04
mc= 1170,04 + d/2 = 1295,70
fc= 1170,04 + d = 1421,36
para determinar los peraltes, q corresponden a la elevación d la parte exterior d una curva d una vía d circulación o una pista, para impedir o limitar el efecto d la fuerza centrífuga q actúa sobre un vehículo q la recorre procedemos como sigue:
el peralte máximo lo obtenemos directamente desde la tabla 3.203.303 (1).A
ingresando a ella d acuerdo a la categoría del camino y al radio adoptado
en consecuencia podemos obtener q para nuestro ejercicio y d acuerdo a las carácterísticas antes señaladas:
camino primario y radio 400 m.
el peralte máximo permitido corresponde a 8%.
para obtener el peralte mínimo en nuestro caso debemos desarrollar la siguiente ecuación:
pmín (%) = v 2 (el valor 3,81 corresponde a una constante obtenida
(3,81 * r) del cálculo d valores estableci2)
pmín (%) = (90) 2 = (3,81 * 400) 5,31 %