Infraestructura del Transporte Terrestre Diseño Geométricofi.uba.ar/materias/6807/contenidos/Notas Diseno.pdfRoberto D. Agosta – Arturo Papazian – marzo de 2006 23 Factores que

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1Roberto D. Agosta – Arturo Papazian – marzo de 2006

NOTAS DE CLASE

Infraestructura del Transporte Terrestre

Diseño Geométrico

Ing. Roberto D. [email protected]

Ing. Arturo [email protected]

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Contenido

Conceptos básicos.Criterios generales de diseño.Características de los vehículos carreteros.Trazado altimétrico: curvas verticales.Trazado planimétrico: curvas horizontales/peraltes.Desagües y drenajes.Movimiento de suelos.

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Definiciones

Diseño geométrico: se refiere al dimensionamientofísico de la infraestructura, diferenciándose de otros aspectos del diseño, como el estructural.Comprende 5 aspectos básicos:

sección transversal del camino;curvas horizontales (planimetría);curvas verticales (altimetría);peraltes; ydesagües y drenajes.

Trazado: Definición - en planta y en elevación - de las coordenadas de la rasante del camino.

Rasante: Línea de eje del camino a la altura de la calzada.

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Zona de Camino (expropiación)

AlambradoCarrilBanquina

Calzada

Talud

Contratalud

Cuneta

Rasante

Subrasante

Paquete estructural: pavimento (capa de rodamiento), base y subbase.

Alcantarilla

Elementos de la sección transversalde una obra vial

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Sección transversal de una obra vialPerfiles viales diversos: calzadas indivisas

6


Sección transversal de una obra vialPerfiles viales diversos: calzadas divididas

Deseable

Intermedio

Con restricciones

Secciones de plataforma para carreteras divididas

9 3 73 12

6 3 73 76

Cada pavimento inclinado en dos sentidos

Cada pavimento inclinado en un sentido

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Intersecciones vialesTipos de intersección

A NIVEL:No canalizadasCanalizadasRotatorias

“T” (o en 3 direcciones)4 direccionesMúltiples direcciones

A DISTINTO NIVEL:Puente sin accesosPuente con accesosTrébol de cuatro hojasIntersección de tres o más niveles

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Intersecciones vialesIntersecciones a nivel: simples no canalizadas

“T” simple

c/carril de adelantamiento

c/carril de giro

c/carril de giro y de adelantamiento

9


Intersecciones vialesIntersecciones a nivel: simples canalizadas

“T” canalizada con plataforma de giro

c/isleta divisoria y carril de adelantamiento

c/un par de plataformas de giro

c/isletas divisorias y plataformas de giro

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Intersecciones vialesIntersecciones a nivel: elementos

Isletas divisorias

Carril de giro a la derecha

Carril de adelantamiento

Plataformas de giro

11


Intersecciones vialesIntersecciones a distinto nivel

12


Intersecciones vialesIntersecciones a distinto nivel

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Factores que influencian el diseño vialResumen

Funcionalidad de la vía:categoría (especial y de I a V)clasificaciónvelocidad de diseño.

Tránsito:volumencomposición (clasificación).

Topografía:terreno llano, ondulado o montañoso.

Geotecnia:tipos de suelos y yacimientos de materiales naturales.

Clima:ladera del sol en zonas de heladas.

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Factores que influencian el diseño vialResumen

Características de manejo.Tamaño y características de los vehículos.Factores de seguridad.Costos unitarios de insumos.Disponibilidad de recursos financieros.Consideraciones sociales:

aislamiento de barrios,estética de diseño.

Consideraciones ambientales:áreas sensibles,medidas de mitigación.

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Factores que influencian el diseño vialFuncionalidad de la vía: movimientos

Jerarquías de movimientos:movimiento principal;transición;distribución;colección;acceso; yterminación.

Movimiento ininterrumpido, flujo de alta velocidad

Reducción de velocidad en las ramas

Arterias de velocidad moderada

Caminos colectores

Destino

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Factores que influencian el diseño vialFuncionalidad de la vía: relaciones funcionales

Categorización de viajes

Clasificación funcional de caminos y calles

Zona ruralArterias principales

• Autopistas• Otras arterias principales

Arterias menoresColectoras ruralesCaminos locales rurales

Zona urbanaArterias principales urbanas

• Autopistas• Avenidas, calles principales

Arterias menoresCalles colectorasCalles locales

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Factores que influencian el diseño vialFuncionalidad de la vía: esquemas funcionales

Zona ruralArterias principales

• Autopistas• Otras arterias principales

Arterias menoresColectoras ruralesCaminos locales rurales

Zona urbanaArterias principales urbanas

• Autopistas• Avenidas, calles principales

Arterias menoresCalles colectorasCalles locales

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Factores que influencian el diseño vialFuncionalidad de la vía: funciones de las calles

SOCIAL

• Es la que desempeña la vía pública como ámbito de relaciones que ligan la vida de cada persona, vecino, ciudadano, con la de su comunidad, vecindario o ciudad.

AMBIENTAL O ECOLOGICA

• Es la que cumple la vía al proporcionar luz, aire y un medio ambiente propicio en torno a los edificios.

• Es la que cumple la vía en tanto sirve a los movimientos vehiculares, ya sea de una parte de la ciudad a otra, como desde o hacia el exterior de la misma.

TRÁNSITO O MOVILIDAD

ACCESO

• Se refiere a la utilización de la vía en el componente peatonal de un viaje vehicular, ya sea de personas o de bienes, tanto en los extremos de viaje como en los transbordos.

• También comprende el ingreso de los vehículos, o su salida, a o de edificios y predios, así como el estacionamiento en la adyacencia de éstos

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Factores que influencian el diseño vialFuncionalidad de la vía: acceso vs. movilidad

Tipos de víassegún el

control de acceso y la participación

de tránsito pasante

ACCESOvs

MOVILIDAD

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Factores que influencian el diseño vialTránsito: variables asociadas

Transito Medio Diario Anual (TMDA)Volumen Horario de Diseño (VHD)Nivel de Servicio de DiseñoDistribución direccional (D)Porcentaje de camiones (%C)

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n

VTMD

n

ii∑

== 1

365

365

1∑== i

iVTMDA

Transito Medio Diario Anual

Volumen Horario de Diseño

Factores que influencian el diseño vialTránsito: TMDA y VHD

19%

15%

12%

22


Factores que influencian el diseño vialTránsito: Nivel de Servicio de Diseño

Llana u ondulada

Montañosa

Autopista B C CArteria B C C

Colectora C D DLocal D D D

Tipo de víaLocalización

urbana y suburbana

Localización rural

Nivel de Servicio de Diseño

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Factores que influencian el diseño vialCaracterísticas de diseño geométrico de caminos rurales

TMD Diseño

Control de Accesos

Nº de Trochas

Deseable [m]

Absoluto [m]

Llanura 130 8% 1.200 700

Ondulado 110 8% 800 500

Llanura 130 8% 1.200 700

Ondulado 110 8% 800 500

Montañosa 80 10% 550 220

Llanura 120 8% 900 600

Ondulado 100 8% 600 400

Montañosa 70 10% 250 160

Llanura 110 8% 800 500

Ondulado 90 10% 450 300

Montañosa 60 10% 180 120

Llanura 100 8% 600 400

Ondulado 70 10% 250 160

Montañosa 40 10% 80 50

Llanura 90 8% 520 300

Ondulado 50 10% 120 80

Montañosa 30 10% 40 25

Categoría del

Camino

Características Básicas Velocidad Directriz [km/h]

TopografíaPeralte Máximo

[%]

Radio mínimo

Especial

I

>15.000 Total >(2+2)

5.000 a 15.000

Total o parcial

2+2

II

III

IV

V

1.500 a 5000

500 a 1.500

150 a 500

<150

Parcial

Parcial o sin control

Sin control

Sin control

2

2

2

2

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Factores que influencian el diseño vialTamaño y características de los vehículos

Clasificación de la AASHTOP AutomóvilSU Camión livianoBUS AutobúsA-BUS Autobús articuladoWB-12 Semirremolque intermedio 1-1-2WB-15 Semirremolque grande 1-2-2WB-18 Semirremolque-Remolque completo Doble fondoWB-19 Semirremolque interestatal 1-2-2WB-20 Semirremolque interestatal 1-2-2WB-29 Semirremolque triple 1-1-1-1-1-1-1WB-35 Semirremolque doble Turnpyke 1-2-2-2-2MH Casa rodanteP/T Coche y remolque caravanaP/B Coche y remolque boteMH/B Casa rodante y remolque bote

25



26


Factores que influencian el diseño vialTamaño y características de los vehículos - DNV

SEMIRREMOLQUE

SIN ACOPLADO

CON ACOPLADO

11

12

11-12

11-12

12-11

12-12

111

112

113

122

123

LIVIANOSOMNIBUS

27



28


Factores que influencian el diseño vialConsideraciones ambientales: impactos del transporte

ENERGIA

USO DE RECURSOScausas:

infraestuctura / vehículos PAISAJE

ESPACIO URBANO

ACCIDENTES

RUIDO

CONTAMINACION AIRECONTAMINACION

VIBRACIONES

SEPARACION

INTIMIDACION, DEMORAS PEATONALES

INTRUSION VISUAL

EMISIONES ELECTROMAGNETICAS

DETERIORO DELMEDIO SOCIAL Y

FISICO

causas:infraestuctura /

vehículos

“PLANNING BLIGHT”

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CAMBIOS EN LA ACCESIBILIDAD

ESPACIAL

Factores que influencian el diseño vialConsideraciones ambientales: impacto ambiental

VIA USO DEL SUELO VIACAMBIOS EN LA ACCESIBILIDAD

ESPACIAL

Representación Esquemática

INTRUSION VISUAL - SEPARACION

INTRUSION VISUAL - SEPARACION

RUIDO - POLUCION DEL AIRE - VIBRACIONES

RUIDO - POLUCION DEL AIRE - VIBRACIONES

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Factores que influencian el diseño vialConsideraciones ambientales: mitigación

Mitigación: atenuación del impacto mediante acciones intramodales; intermodales; y planeamiento integral uso del suelo y transporte.

Mitigación intramodal:Tecnología vehículos y sistemas de controlOperación

• utilización de la capacidad• modalidad de operación

Infraestructura • emplazamiento• protección

Normas

Mitigación intermodal:Partición modal de los viajes

Planeamiento integral uso del suelo y transporte:ZonificaciónDisminución de necesidades de transporte

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Factores que influencian el diseño vialConsideraciones ambientales: trade-offs mitigación

Interacción entre distintos tipos de impactosEnfoque sistémicoEvaluación integral

Ejemplos: seguridad vs. consumoconsumo energético vs. ruidoemisiones (velocidad, congestión) vs. seguridad, ruido consumo energético (aditivos) vs. Contaminación

LEY DE BUCHANAN

accesibilidad

costoambiente

Estudio analítico de los impactos:Unidad de medidaCriterio de evaluaciónCorrelación causa/efectoEstándar ambientalCapacidad ambiental

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Genera el mismo ruido que:

CausasEstudios empíricos permiten correlacionar:

características de la vía (ancho, pendiente)características del tránsito (volumen, composición, velocidad)distancia entre la fuente y el receptor.

Características del tránsito (ejemplos):

Factores que influencian el diseño vialConsideraciones ambientales: ruido

Genera el doble de ruido que:

Volumen

2000 veh/hora

200 veh/hora

Genera el doble de ruido que:

Velocidad media

110 km/hora

50 km/hora

Composición

1 camión a 90 km/h

28 autos a 90 km/h

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Características geométricas y de diseño:La intensidad sonora disminuye con el cuadrado de la distancia (si la fuente es puntual) o con la distancia (si la fuente es lineal).

Reduce el ruido a la mitad (10 dBA)

Vegetación

34



35



36


Es la máxima velocidad a la cual un conductor de habilidad media manejando con razonable atenciónpuede circular con entera seguridad.

También, es la máxima velocidad segura que puede mantenerse sobre una dada sección de carretera cuando las condiciones son tan favorables que gobiernan las características de diseño de la carretera (AASHTO).

Rige el diseño de todos los elementos del camino: una vez seleccionada, todas las características pertinentes de la carretera deberían relacionarse a la velocidad directriz para obtener un diseño equilibrado.

Velocidad de diseñoVelocidad directriz (VD)

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Velocidad de operación: es la más alta velocidad general a la cual un conductor puede viajar sobre una carretera dada bajo condiciones de tiempo favorables y bajo condiciones prevalecientes de tránsito, sin superar en ningún momento la velocidad segura según está determinada por la velocidad directriz sobre una base de sección-por-sección.

Velocidad de marcha: es la velocidad de un vehículo sobre una sección de carretera; es la distancia recorrida dividida por el tiempo de marcha (el tiempo que el vehículo está en movimiento).

Velocidad de diseñoVelocidad de Operación y Velocidad de Marcha

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Velocidad de diseñoVelocidad directriz (VD)

No debería suponerse una VD baja donde la topografía es tal que probablemente los conductores viajen a altas velocidades.

Los conductores no ajustan sus velocidades a la importancia de la carretera, sino a su percepción de las limitaciones físicas, y por consiguiente, el tránsito.

La VD seleccionada debería ajustarse a los deseos y hábitos de viaje de casi todos los conductores.

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Co

tas

(m)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

1

2

3

4

56 7

8 9

10

1112 13 14

15

17

15

Progresivas (km)Progresivas (km)

Progresivas (km)Progresivas (km)

Trazado de un caminoConcepto General

Trazado: Definición - en planta y en elevación - de las coordenadas de la rasante del camino.

PLANIMETRÍA

ALTIMETRÍA (desarrollada)

EH = 1:5000EV = 1:100

40


Trazado de un caminoPlano Tipo

41


Trazado planimétricoPrincipios

Disponer la mayor cantidad posible de rectas.No disponer tramos rectos de más de 10 km de longitud, interponiendo curvas amplias (mantenimiento de la atención del conductor).Evitar trazados contiguos a vías férreas (accesibilidad + empalmes).Atravesar cursos de agua en puntos estables del cauce y preferentemente en forma normal a los mismos.Cruzar vías férreas preferentemente a distinto nivel o a nivel en forma normal (nunca inferior a los 60°).Distancia de visibilidad ≥ distancia de detención en todo el camino.Zonas de sobrepaso permitido a no más de 2 minutos de distancia a la Vd.

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Trazado altimétricoCruces

Cruce de caminos a distinto nivel o p/debajo vía férrea:

Altura Libre de Paso (ALP) = 4,80m Altura de la estructura (AE) = 1,40m H = 6,20m

Cruce de camino sobre vía férrea:Trocha ancha (1,676m) ALP = 5,20m H = 6,60mTrocha media (1,435m) ALP = 5,10m H = 6,50mTrocha angosta (1,000m) ALP = 4,40m H = 5,80m

Revancha de la estructura sobre cursos de agua:Curso permanente = 1,00mAlcantarillas = 0,40m

Altura de rasante sobre aguas libres:Aguas subterráneas = 1,80 mZonas inundables = 1,00 m

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Diseño altimétricoCurvas verticales

Objeto: Vincular verticalmente dos rasantes - al menos una de ellas no horizontal - que forman por lo tanto un cierto ángulo entre sí.

Los tramos rectos - de distintas pendientes longitudinales - se empalman mediante una parábola contenida en el plano vertical.

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Convexas

Cóncavas

Diseño altimétricoCurvas verticales: tipos

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Diseño altimétricoCurvas verticales: longitud mínima

Los factores a considerar para el cálculo de la longitud mínima (L) de la curva vertical son:

SeguridadVisión de un obstáculo con anticipación suficiente para detener el vehículo.

ComodidadLimitación de la aceleración radial (0,3m/s2).

EstéticaRasante sin quiebres.

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Según la DNV

H1 = 1,10 m (altura del ojo del automovilista)

H1’ = 0,65 m (altura del faro)

H2 = 0,20 m (altura del objeto)

Diseño altimétricoCurvas verticales: longitud mínima

Longitud Mínima (L) por seguridad: El conductor debe ver un obstáculo imprevisto con la debida anticipación, de modo que pueda detener su vehículo, circulando a la velocidad de diseño, antes de alcanzarlo.

Sentado en un automóvil, debe ver un objeto de altura H2 sobre el pavimento a una distancia mayor o igual a la distancia de detención.

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Diseño altimétricoCurvas verticales: distancia de detención

Distancia de detención: es la distancia que recorre un conductor de habilidad media, circulando con la velocidad de diseño, desde que observa un obstáculo hasta que se detiene.

El tiempo de detención se divide en:

Tiempo de percepción y reacción (tP): es el tiempo que transcurre desde que se observa el obstáculo hasta que se acciona el freno.

Tiempo de frenado (tF): es el tiempo que transcurre desde que se accionan los frenos hasta que se detiene el vehículo.

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Diseño altimétricoCurvas verticales: distancia de frenado

0sencos =++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛αα WfWa

gW

Condición de equilibrio estático

Distancia de frenado

αcosxDF =

[2]

[3]

Sustituyendo [3] en [1], resulta:

αcos2

20

2

FDvva −

=

FUERZAS ACTUANTES (rampa)

Y luego sustituyendo en [2], y dividiendo por W cosα:

( )ifgvvDF +

−=2

220

αsenWαcosW

Wα

ma

αcosWN =

αcosfWfNF ==

avvxx

2

20

2

0−

=− [1]

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Diseño altimétricoCurvas verticales: distancia de frenado

0sencos =−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛αα WfWa

gW

Condición de equilibrio estático

Distancia de frenado

αcosxDF =

[2’]

[3]

Sustituyendo [3] en [1], resulta:

αcos2

20

2

FDvva −

=

FUERZAS ACTUANTES (pendiente)

Y luego sustituyendo en [2’], y dividiendo por W cosα:

( )ifgvvDF −

−=2

220

αsenWαcosW

Wα

ma

αcosWN =

αcosfWfNF ==

avvxx

2

20

2

0−

=− [1]

50


Diseño altimétricoCurvas verticales: distancia de detención

Distancia de frenado:

Donde:VD Velocidad de diseño [km/h]fL Coeficiente de fricción longitudinali Pendiente (tan α)

Distancia de percepción:

Donde:tP Tiempo de percepción [seg] = 2,5”VD Velocidad de diseño [km/h]

Distancia de detención:

( )ifVD

l

DF−

=254

2 VD (km/h)6080

100120140160

fl

0,350,320,290,270,260,25

( )ifVtVDDD

l

DPDFPD −

+=+=2546,3

. 2

6,3. DPPVtD =

51


Diseño altimétricoCurvas verticales: distancia de sobrepaso

Distancia de sobrepaso:Distancia que necesita un vehículo para sobrepasar a otro que marcha en igual sentido en el mismo carril sin peligro de interferir con un tercer vehículo que se hace visible al iniciar la maniobra y que circula en sentido contrario por el carril que se utiliza para el sobrepaso.

DS VD ⋅= 7

52


Diseño altimétricoCurvas verticales: distancia de sobrepaso

DS VD ⋅= 7

53


Elementos de la Curva Vertical

L Longitud de curva verticalPC Principio de curvaFC Fin de curvai1 ,i2 pendientesPIV Punto de intersección verticalE Externa

PIV

PC

FCi1

i2

Ecuación de la parábola:

Externa:

LiiE ⋅−

=800

12

Diseño altimétricoCurvas verticales: elementos

xixLiiy

1002001212 +

−=

54


Se adopta la longitud mayor de los 3 casos


Curvas Convexas:

∆i=i1- i2 > 0

Por seguridad:

Por comodidad:

Por estética:

iDL D ∆= ..0032,0 2

iVL D ∆= ..0025,0 2

DVL .7,0=

Nota: ∆i en [%] / DD y L en [m] / VD en [km/h]

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PC FC

L

L/2

∆i

D

D

DiDL5,3130.2

+∆

=


Curvas Cóncavas:

∆i=i1- i2 < 0

Por seguridad:

Por comodidad:

Por estética:

iVL D ∆= ..0025,0 2

DVL .7,0=

Se adopta la longitud mayor de los 3 casos

Nota: ∆i en [%] / DD y L en [m] / VD en [km/h]

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Diseño altimétricoSíntesis de los pasos

1. Cálculo diferencia de pendientes ∆i = |i2–i1|2. Cálculo de la Distancia de Detención (DD) en

función de Vd.3. Cálculo de la longitud de curva más crítica (más

larga).4. Cálculo de la externa.5. Replanteo.

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Diseño planimétricoCurvas horizontales

Objeto:Vincular en planta dos alineamientos de rasantes que forman un cierto ángulo horizontal entre sípermitiendo desarrollar progresivamente las fuerzas centrífugas y desarrollar el peralte para compensarlas parcialmente.

Compuestas por una curva circular y dos curvas de transición (espirales) a la entrada y salida.

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Diseño planimétricoCurvas horizontales

Radio mínimo de curva circular (Rc):Caminos rurales primarios : entre 250 y 350 m

(excepcionalmente en zonas montañosas se pueden encontrarradios de 175 m)Colectoras : 107 mCaminos residenciales: 34 m

Curva de transición: Se diseña de tal manera que sea constante la variación de la aceleración centrífuga al pasar del tramo recto al curvo (evita el deslizamiento transversal o vuelco y la incomodidad de la variación brusca).

C

De R

VL*28

3

=Donde:

VD = velocidad de diseño (km/h)

Rc = radio de la curva circular (m)

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PI Punto intersección tangentes principalesTE Punto común de la tangente y la espiralEC Punto común de la espiral y la circularCE Punto común de la circular y la espiralET Punto común de la espiral y la tangente

c

ee R

L*2

=θ360***2 c

cc RL ∆= π

ec θ*2−∆=∆ ect LLL *2+=

Diseño planimétricoCurvas horizontales: elementos

Rc Radio curva circularLe Longitud de la curva espiralLc Longitud de la curva circular

entre EC y CETe Segmento de tangente principal

entre TE y PIE Externa∆ Ángulo entre tangentes principales∆c Ángulo tangentes en EC y CEΘe Ángulo tangentes extremas espiralK y P Coordenadas de Pc con respecto a TE

60


RVfp D

T *127

2

=+

Valores máximos del peralte p = tg α

•• 10% en zonas monta10% en zonas montaññosasosas

•• 8% en zonas llanas8% en zonas llanas

•• 6% en zonas pr6% en zonas próóximas a ximas a ááreas urbanasreas urbanas

Vd en km/h

R en metros

fT = coeficiente de fricción transversal

fT = f (VD ) ≈ 0,13 (100 km/h).

Diseño planimétricoCurvas horizontales: peralte

Peralte: Inclinación de la calzada hacia el borde interno de la curva que sirve para atenuar o compensar parcialmente la acción de la fuerza centrífuga que tiende a producir el deslizamiento o vuelco del vehículo.

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Máxima pendiente de la rampa al peralte (%) = 40 / Vd, para una dada longitud de la curva de transición.

Diseño planimétricoCurvas horizontales: transición del peralte

Alrededor del eje del camino Alrededor del borde interno

Forma de llegar a la curva circular con el máximo peralte.

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