El diseño geométrico de la carretera se inicia con el trazado en planta, es decir el diseño horizontal, para lo cual, previamente se ha tenido que realizar la actividad de topografía y generación de la representación topográfica y superficie en el plano.

Sobre esta topografía, se trazan las líneas de pendiente o líneas de ceros, tantas, como alternativas se requieran para analizar.

En la presente unidad, se describen los principales conceptos sobre trazado de línea de pendiente, entretangencia, análisis de velocidades, vehículo de diseño y distancias de visibilidad como aspectos fundamentales para el inicio del diseño.

Objetivo general

Presentar los criterios para definir el alineamiento horizontal de la vía.

Objetivos específicos

• Brindar a los estudiantes los criterios básicos de pendiente, entre tangencias y distancias de visibilidad.
• Entender las etapas para definir los alineamientos antepreliminar y horizontal de la vía.
• Entender las etapas para realizar el estudio de velocidades para una vía.

La línea de ceros, también denominada línea de pendiente es la que, al trazarla, nos referencia la futura localización de la poligonal que se va a convertir en el eje de la carretera. Para su trazado hay que definir algunos puntos que pueden ser de paso obligado. La línea de ceros sigue la conformación geográfica de las deformaciones de la ladera o del terreno. El trazado de la poligonal debe seguir al máximo la línea de ceros trazada.

Para trazar la línea de ceros, debe tenerse en cuenta la categoría de la carretera que nos define una pendiente máxima. Se determina la pendiente puede ser para todo el proyecto o por tramos homogéneos según sea la conformación topográfica del corredor carretero.

En el trazado de la línea de ceros o de pendiente, se dispone de la topografía en escala adecuada según el requerimiento del proyecto. Puede ser 1:2000 o 1:1000 o 1:5000 o 1:10000 o 1:25000, entre otros, lo cual lo fija la entidad correspondiente.

Se denomina pendiente a la inclinación de un elemento ideal, natural o constructivo respecto de la horizontal.

Trazado de una línea de ceros

Luego, de manera general realizar los siguientes pasos:

• Identificación de la distancia entre los puntos y el desnivel a superar de todo el trazado.
• Localizar posibles puntos obligados por donde es necesario que pase la línea de pendiente.
• Entre puntos obligados o entre final y destino si no se tienen los puntos obligados, determinar la pendiente media.
• Con la pendiente media, determinar la medida de abertura del compás o el radio del círculo. Esta alternativa sería si no se tiene previsto modificar la pendiente entre los puntos y se va a trazar con pendiente media uniforme.
• Con la abertura del compás, proceder al trazado de la línea de pendiente o línea de ceros, cortando de curva en curva de nivel.

Se pueden tener tantos puntos obligados como puntos de interés turístico o puntos de cuidado geológico o geotécnico se tengan a lo largo del proyecto.

Puede como alternativa analizarse un pendiente uniforme constante durante todo el proyecto y también cambiando la pendiente por tramos sin exceder la pendiente máxima especificada para el proyecto según la categoría de la carretera a diseñar.

Y luego determinamos el paso de avance y procedemos al trazado de la línea cortando progresivamente curva a curva de nivel.

Luego de definir la línea antepreliminar para cada una de las alternativas estudiadas se procede obtener la información que permita decidir cuál es la mejor de ellas y efectuar el estudio y diseño definitivo sobre esta.

El alineamiento horizontal consiste en el trazado de rectas que van siguiendo al máximo la dirección de la línea de ceros, por lob tanto se van encontrando quiebres en las rectas que van a ser unidas por curvas horizontales.

En cada cambio de dirección de las rectas se tendrá un punto denominado PI, que se identificará posteriormente por coordenadas y por su ángulo de deflexión. En cada PI, se diseñará una curva que una los alineamientos rectos. De esta forma, se va obteniendo una poligonal a lo largo del trazado, que una vez sea unida en sus Pis, por las curvas del diseño, se va a convertir en el eje del proyecto.

Luego de decidir cuál de las alternativas en estudio presenta las mejores condiciones, se procede a definir sobre esta los alineamientos.

Pautas y procedimiento

Según el Manual de diseño geométrico de carreteras (Invías, 2008), los alineamientos se obtienen a partir de la línea antepreliminar siguiendo algunas pautas y recomendaciones.

En términos generales el procedimiento para determinar los alineamientos horizontales es:

Se tiene la línea de ceros o línea antepreliminar, cada vez que la línea de ceros presente un cambio de dirección se debe intentar el diseño de una curva horizontal, dependiendo siempre de los radios mínimos establecidos según la velocidad del tramo homogéneo, para lo cual en el plano de línea de ceros se trazan los círculos respectivos, intentando seguir lo más cerca posible a la línea de ceros.

Para definir la línea de tránsito o alineamientos definitivos se trazan líneas tangentes a los círculos, las cuales se extienden hasta que se encuentren entre si definiendo de esta forma los correspondientes PIs, se aclara que se debe contemplar y verificar que se cumplan las entretangencias.

El resultado final de alineamientos se ilustra en la que se encuentra en pantalla.

La entretangencia es el tramo recto de la carretera localizado entre dos curvas consecutivas. Es decir, entre el punto de terminación de una curva y el punto de comienzo de la curva siguiente.

El diseño de una carretera puede realizarse con la aplicación de curvas circulares simples, curvas circulares compuestas o curvas espiralizadas.

Para el tema de entretangenciasse contemplan los siguientes análisis y pautas que se deben cumplir a cabalidad:

1. Curvas de distinto sentido:
   Considerando el empleo de curvas de transición, se puede prescindir de tramos rectos. Si el alineamiento se hace con curvas circulares únicamente, la longitud mínima de entretangenciadebe satisfacer la mayor de las siguientes condiciones: distancia suficiente para desarrollar la transición del peralte y las distancia recorrida en metros a la velocidad especifica de la entretangenciahorizontal en un tiempo no menor de 5 segundos.
2. Curvas del mismo sentido:
   Para garantizar la comodidad y seguridad del usuario, la entretangenciapara el diseño con espirales, no puede ser menor a 5 segundos y para diseños en con arcos circulares, no menor a 15 segundos de la velocidad especifica de la entretangenciahorizontal.

La velocidad es el elemento básico para el diseño geométrico de una carretera y es el parámetro que gobierna y controla todos los aspectos de diseño. La velocidad en general, es el resultado de la relación entre una distancia recorrida y el tiempo en que se empleó en recorrerla.

V = d/t

Generalmente en carreteras, intervienen todos los tipos de velocidades que se analizan en la ingeniería de tránsito, velocidad puntual, velocidad instantánea, velocidad media temporal, velocidad media espacial, velocidad de recorrido, velocidad de operación, velocidad de diseño y velocidad especifica.

Pondremos especial cuidado en las dos últimas mencionadas, para lo cual se plantean los siguientes conceptos generales básicos:

• Velocidad de diseño, es la velocidad guía o de referencia que permite determinar los parámetros y criterios mínimos, para el diseño de una carretera.
• La velocidad de operación en la geometría de carreteras se considera como la velocidad segura y cómoda a la que un vehículo considerado aislado, puede circular por ese tramo.

Los criterios generales para establecer la consistencia de la velocidad a lo largo del trazado de la carretera, la velocidad de diseño del tramo homogéneo (VTR) y la velocidad específica de los elementos que integran el trazado en planta y perfil son mecanismos que refiere Invías para la asignación de las velocidades claves en el control del diseño geométrico.

Según Invías (2008), el proceso de asignación de la velocidad de diseño se debe otorgar la máxima prioridad a la seguridad de los usuarios. Por ello la velocidad de diseño a lo largo del trazado debe ser tal que los conductores no sean sorprendidos por cambios bruscos y/o muy frecuentes en la velocidad a la que pueden realizar con seguridad el recorrido.

El diseñador, para garantizar la consistencia en la velocidad, debe identificar a lo largo del corredor de ruta tramos homogéneos a los que por las condiciones topográficas se les pueda asignar una misma velocidad. Esta velocidad, denominada velocidad de diseño del tramo homogéneo (VTR), es la base para la definición de las características de los elementos geométricos incluidos en dicho tramo.

Según el Manual de diseño geométrico de carreteras (Invías, 2008) la velocidad de diseño de un tramo homogéneo (VTR) está definida en función de la categoría de la carretera y el tipo de terreno.

A un tramo homogéneo se le puede asignar una velocidad de diseño (VTR) en el rango que se indica en la tabla, en ella se resume el equilibrio entre el mejor nivel de servicio que se puede ofrecer a los usuarios de las carreteras colombianas y las posibilidades económicas del país.

En el medio colombiano la velocidad tope a la que viajan los conductores en un momento dado es función, principalmente, de las restricciones u oportunidades que ofrezca el trazado de la carretera, el estado de la superficie de la calzada, las condiciones climáticas, la intensidad del tráfico y las características del vehículo y en menor medida por las señales de límite de velocidad colocadas en la vía o por una eventual intervención de los agentes de tránsito.

Para tener en cuenta en el diseño esta actitud de relativa indisciplina de los conductores es necesario dimensionar los elementos geométricos, curvas y entretangencias en planta y perfil, en forma tal que puedan ser recorridos con plena seguridad a la velocidad máxima más probable con que sería abordado cada uno de dichos elementos geométricos.

La velocidad máxima más probable con que sería abordado cada elemento geométrico es justamente su velocidad específica y es con la que se debe diseñar ese elemento.

Conozca la clasificación de las velocidades específicas en la Interactividad.

Para asegurar la mayor homogeneidad posible en la velocidad específica de curvas y entretangencias, lo que necesariamente se traduce en mayor seguridad para los usuarios, se obliga a que las velocidades específicas de los elementos que integran un tramo homogéneo sean como mínimo iguales a la velocidad de diseño del tramo (VTR) y no superen esta velocidad en más de veinte kilómetros por hora (VTR + 20 km/h).

A continuación se presenta un ejemplo de asignación de velocidades para un tramo de vía:

Se tiene un tramo de vía con los valores de entretangencia relacionados en la figura 6, también se tiene los siguientes datos de los ángulos de deflexión de cada curva.

Para conocer los resultados finales de esta asignación, revise el documento.

Según el Manual de diseño geométrico de carreteras (Invías, 2008) el diseño geométrico de una vía está orientado a definir un trazado que facilite la circulación de los vehículos tanto en el sentido longitudinal como en su ubicación en el sentido transversal de la calzada. El vehículo representativo de todos los vehículos que puedan circular por dicha vía se denomina vehículo de diseño. La selección del vehículo de diseño debe ser tal que corresponda con la composición del transito definida en el estudio de ingeniería de tránsito para el proyecto en estudio.

Es necesario tener en cuenta que esta selección incide directamente en la definición de las dimensiones de los anchos de carril, calzada, bermas y sobreanchosde la sección transversal, el radio mínimo de giro en el diseño de las intersecciones y el gálibo bajo las estructuras (pasos elevados).

Revise la nomenclatura empleada para la descripción de los vehículos de diseño y las dimensiones y trayectorias de giro.

Según el Manual de diseño geométrico de carreteras (Invías, 2008) una de las características más importantes que deberá ofrecer el proyecto de una carretera al conductor de un vehículo es la habilidad de ver hacia adelante, tal que le permita realizar una circulación segura y eficiente.

La distancia de visibilidad se define como la longitud continua de carretera que es visible hacia adelante por el conductor de un vehículo que circula por ella.

Esta distancia de visibilidad deberá ser de suficiente longitud, tal que le permita a los conductores desarrollar la velocidad del tramo y a su vez controlar la velocidad de operación de sus vehículos ante la realización de ciertas maniobras en la carretera, como lo puede ser por la presencia inesperada de un obstáculo sobre su carril de circulación, o el adelantamiento de un vehículo lento en carreteras de dos carriles dos sentidos, o la del cruce con una vía secundaria, o el encuentro de dos vehículos que circulan por el mismo carril en sentidos opuestos en carreteras terciarias de calzadas angostas.

Según el Manual de diseño geométrico de carreteras (Invías, 2008) se considera como distancia de visibilidad de parada de un determinado punto de una carretera, la distancia necesaria para que el conductor de un vehículo pueda detenerlo antes de llegar a un obstáculo que aparezca en su trayectoria al circular a la velocidad específica del elemento (VCH, VETH, VCV o VTV) en el cual se quiere verificar esta distancia de visibilidad.

La longitud requerida para detener el vehículo será la suma de dos distancias: la distancia recorrida durante un tiempo de percepción y reacción (dpr) y la distancia recorrida durante el frenado (df), como se muestra en la figura. La distancia recorrida durante el tiempo de percepción y reacción (adoptado en dos y medio segundos (2.5 s) para efectos del proyecto se mide desde el momento en que se hace visible el obstáculo hasta el instante en que se aplican los frenos.

El valor de la desaceleración asumida es tal que no implica el bloqueo de las llantas al realizar el trabajo de frenado, aun en condiciones de pavimento húmedo. Este estudio fue realizado por la AASHTO y presentado en el Manual de diseño geométrico de AASHTO – 2004. La distancia de visibilidad de parada para pavimentos húmedos, se calcula mediante la siguiente expresión:

Revise los valores recomendados para las distancias mínimas de visibilidad de parada para diferentes velocidades de diseño, para tramos de rasantes a nivel (pendiente = 0%) que se encuentra en el documento.

Según el Manual de diseño geométrico de carreteras (Invías, 2008) dice que un tramo de carretera tiene distancia de visibilidad de adelantamiento, cuando la distancia de visibilidad en ese tramo es suficiente para que, en condiciones de seguridad, el conductor de un vehículo pueda adelantar a otro, que circula por el mismo carril a una velocidad menor, sin peligro de interferir con un tercer vehículo que venga en sentido contrario y se haga visible al iniciarse la maniobra de adelantamiento.

La distancia de visibilidad de adelantamiento deberá considerarse únicamente para carreteras de dos carriles con tránsito en las dos direcciones, donde el adelantamiento se realiza en el carril del sentido opuesto; de acuerdo con la figura se determina como la suma de cuatro distancias, así:

Revise las fórmulas para determinar las distancias de adelantamiento en el documento.

Para Invías (Invías, 2008) la presencia de intersecciones rurales a nivel, hace que potencialmente se puedan presentar una diversidad de conflictos entre los vehículos que circulan por una y otra calzada. La posibilidad de que estos conflictos ocurran, puede ser ampliamente reducida mediante la provisión apropiada de distancias de visibilidad de cruce y de dispositivos de control acordes.

El conductor de un vehículo que se aproxima por la calzada principal a una intersección a nivel, debe tener visibilidad, libre de obstrucciones, de toda la intersección y de un tramo de la calzada secundaria de suficiente longitud que le permita reaccionar y efectuar las maniobras necesarias para evitar una colisión.

Revise las fórmulas para determinar las distancias de adelantamiento en el documento.

En la presente unidad se describieron los parámetros para el trazado de la Línea de pendiente o línea antepreliminar y las pautas y procedimiento para la definición de alineamientos siguiendo los criterios de velocidad y entre tangencias mínimas y máximas.

También se estudiaron los criterios generales para la definición de la velocidad de diseño del tramo homogéneo (VTR) y para la definición de la velocidad específica de los elementos que integran el trazado en planta y perfil, y se realizó un ejemplo práctico.

De igual manera se describieron los aspectos generales y tipos de vehículos utilizados en el diseño, así como las diferentes distancias de Visibilidad utilizadas y criterios básicos para la definición de los parámetros utilizados en el diseño de la vía.