GUIA DE DISEÑO GEOMÉTRICO
 
CAPÍTULO 4: DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y PERFIL
 
Sección 403: Diseño Geométrico del Perfil Longitudibal
   
  403.01 GENERALIDADES

El perfil longitudinal está controlado principalmente por:

  •  Categoría del Camino

  •  Velocidad de Diseño

  •  Topografía

  •  Alineamiento Horizontal

  •  Distancias de Visibilidad

  •  Seguridad

  •  Drenaje

  •  Costos de Construcción

  •  Valores Estéticos.

403.02 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

  • Una rasante en que se alternan pendientes de diverso sentido y/o magnitud en cortas longitudes genera numerosos quiebres, tipificando la situación opuesta a la descrita como deseable.

    Puntos bajos sin visibilidad, seguidos por tramos que son visibles, crean desconcierto en el usuario y son causa de aumento de los accidentes asociados a maniobras de adelantamiento.

  • En pendientes de bajada, largas y pronunciadas, es conveniente disponer, cuando sea posible, carriles de emergencia que permitan maniobras de frenado en caso de falla de frenos.

  • No se debe colocar la parte inferior de una curva vertical cóncava en un tramo en corte, debido a las dificultades de drenaje. Asimismo, se deberá evitar colocar una curva vertical convexa entre dos tangentes planas en una zona en corte, ya que el drenaje será muy pobre.

  • En áreas sujetas a inundaciones, se colocará la rasante por lo menos 500 mm por encima del nivel ordinario de aguas altas, protegiendo convenientemente los taludes.

403.03 CURVAS VERTICALES

403.03.01 Necesidad de Curvas Verticales

La función de las curvas verticales consiste en reconciliar las tangentes verticales de las gradientes. Las curvas parabólicas se usan casi exclusivamente para conectar tangentes verticales por la forma conveniente en que pueden calcularse las ordenadas verticales.

Esas parábolas, de 2º grado, son definidas por su parámetro de curvatura K, que equivale a la longitud de la curva en el plano horizontal, en metros, para cada 1% de variación en la pendiente, así:

K = L/A

Donde,
L = Longitud de la curva vertical

A = Valor Absoluto de la diferencia algebraica de las pendientes

Además podrían emplearse curvas circulares de radio grande, según la relación

R=100 K.


403.03.02 Proyecto de las Curvas Verticales

Las curvas verticales se proyectan, para que en su longitud se efectúe el paso gradual de la pendiente de la tangente de entrada a la de la tangente de salida. Deben dar por resultado una vía de operación segura y confortable, apariencia agradable y con características de drenaje adecuadas.

Para una operación segura de los vehículos al circular sobre curvas verticales, especialmente si son convexas, deben obtenerse distancias de visibilidad adecuadas, como mínimo iguales a la de parada.

Debido a los efectos dinámicos, para que exista comodidad es necesario que la variación de pendiente sea gradual, situación que resulta más crítica en las curvas cóncavas, por actuar las fuerzas de gravedad y centrífuga en la misma dirección.

Generalmente se proyectan curvas verticales simétricas, es decir, aquellas en las que las tangentes son de igual longitud. Las tangentes desiguales o las curvas verticales no simétricas son curvas parabólicas compuestas. Por lo general, su uso se garantiza sólo donde no puede introducirse una curva simétrica por las condiciones impuestas del alineamiento.

El proyecto de curvas verticales, puede resumirse en cuatro criterios para determinar la longitud de las curvas:

  •   Criterios de Comodidad. Se aplica al diseño de curvas verticales cóncavas en donde la   fuerza centrífuga que aparece en el vehículo al cambiar de dirección se suma al peso   propio del vehículo. Generalmente queda englobado siempre por el criterio de seguridad.

  •   Criterios de Operación. Se aplica al diseño de curvas verticales con visibilidad completa,   para evitar al usuario la impresión de un cambio súbito de pendiente.

  •   Criterios de Drenaje. Se aplica al diseño de curvas verticales convexas ó cóncavas   cuando están alojadas en corte. Para advertir al diseñador la necesidad de modificar las   pendientes longitudinales de las cunetas.

  •   Criterios de Seguridad. Se aplica a curvas cóncavas y convexas. La longitud de la curva   debe ser tal, que en toda la curva la distancia de visibilidad sea mayor o igual a la de   parada. En algunos casos el nivel de servicio deseado puede obligar a diseñar curvas   verticales con la distancia de visibilidad de paso.

403.03.03 Longitud de las Curvas Convexas.

La longitud de las curvas verticales convexas, viene dada por las siguientes expresiones:

(a) Para contar con la visibilidad de parada (Dp)

Cuando Dp < L;

Cuando Dp ³ L;

Donde, para todos lo casos.

L : Longitud de la curva vertical (m)
Dp : Distancia de visibilidad de parada (m)
A : Diferencia algebraica de pendientes (%)
h1 : Altura del ojo sobre la rasante (m)
h2 : Altura del objeto sobre la rasante (m)

En la Figura 403.01, se presenta los gráficos para resolver las ecuaciones planteadas, para el caso más común con h1 = 1070 mm y h2 = 150 mm.


(b) Para contar con la visibilidad de Paso (Da).

Se utilizarán las mismas formulas que en (a); utilizándose como h2 = 1.30 m, considerando h1 = 1.07 m

Tenemos.

Sí Da < L

Da ³ L

Da : Distancia de visibilidad de Paso (m)
L y A : Idem (a)

La Figura 403.02 muestra la solución gráfica de las ecuaciones presentadas en (b).


403.03.04 Longitud de las Curvas Cóncavas.

La longitud de las Curvas verticales cóncavas, viene dada por la siguiente expresión

D < L

D ³ L


D   :   Distancia entre el vehículo y el punto donde con un ángulo de 1º, los rayos de luz de los          faros, interseca a la rasante.

Del lado de la seguridad se toma D = Dp, el resultado de la aplicación de estas formulas se demuestra en la Figura 403.03.

Adicionalmente, considerando que los efectos gravitacionales y de fuerzas centrífugas afectan en mayor proporción a las curvas cóncavas, a fin de considerar este criterio, se tiene que:

V : Velocidad Directriz (Kph)
L y A : Idem 403.03.03 (a)


403.03.05 Consideraciones Estéticas

La condición de la curva vertical mostrada en la norma, tiene en cuenta el aspecto estético, puesto que las curvas demasiado cortas puedan llegar a dar la sensación de quiebre repentino, hecho que produce incomodidad.

Igualmente las gradientes excesivamente pronunciadas, asociadas generalmente con un trazado sensiblemente recto, no son deseables por motivos estéticos y por proporcionar situaciones de peligro en terrenos ligeramente ondulados: una sucesión de pequeñas lomas y depresiones oculta a los vehículos en los puntos bajos dando una falsa impresión de oportunidad para adelantar.

403.04 PENDIENTE

403.04.01 Pendientes Mínimas

Los valores mínimos para pendiente longitudinal, están determinados por las condiciones de drenaje. En las secciones de terraplen o relleno, pueden haber pendientes a nivel cuando el bombeo y las cunetas, con suficiente pendiente, son los encargados del drenaje de la superficie del pavimento. No obstante, bajo las mejores condiciones es preferible tener una pendiente mínima de cuando menos 0.3% con objeto de asegurar un drenaje adecuado.


403.04.02 Pendientes Máximas

El empleo de las pendientes para los diferentes tramos de un trazado debe ser objeto de atento estudio por parte del proyectista, que procederá a las comparaciones necesarias y explicará la elección efectuada.

Por lo tanto, incumbe el proyectista la obligación de demostrar que la solución elegida es mejor que las otras posibles, sin superar los valores máximos expuestos en el Tópico 403.04.02 de la normativa.

Al efectuar la elección el proyectista tendrá en cuenta antes que nada, la influencia de la pendiente sobre el costo de construcción de la carretera, tanto por lo que se refiere a los mayores costos en conexión con los desarrollos que generalmente se acompañan al empleo de una pendiente menor, como por lo referente a los costos más altos que podrían derivar del empleo continuo de la pendiente indicada como máxima. Además, el proyectista tendrá en cuenta las repercusiones de la pendiente sobre el costo de operación y sobre la capacidad de la carretera.
El proyectista procurará utilizar las menores pendientes compatibles con la topografía en que se emplaza el trazado. Carreteras con un alto volumen de tránsito justifican económicamente el uso de pendientes moderadas, pues el ahorro en costos de operación y la mayor capacidad de la vía compensan los mayores costos de construcción.


403.04.03 Pendientes Máximas Absolutas

La limitación principal al empleo de pendientes suaves la constituye el factor económico, debido al aumento en el costo de la construcción en regiones topográficamente desfavorables.
En el análisis de pendientes y del control de las mismas, una de las consideraciones más importantes son las consecuencias que tienen aquellas sobre el costo de operación de los vehículos de motor. Cuando se incrementan las pendientes, es evidente que se incrementa el consumo de gasolina y que se reduce la velocidad. Puede lograrse una aproximación económica balanceando el costo anual agregado de la reducción de la pendiente con el costo anual de operación del vehículo sin la reducción de la pendiente. La solución precisa del problema depende del conocimiento del volumen y tipo de tránsito, lo que puede obtenerse únicamente mediante un estudio.


403.04.04 Relación entre velocidad directriz y pendiente.

La pendiente gobernadora es la pendiente media que teóricamente puede darse a la línea de subrasante para vencer un desnivel determinado, en función de las características basadas en la velocidad de diseño. La mejor pendiente gobernadora para cada caso, será aquella que al conjugar estos conceptos, permita obtener el menor costo de construcción, conservación y operación. Sirve de guía a la sección de pendientes que se deben proyectar para ajustarse en lo posible al terreno.


403.04.05 Tramos en Descanso

Cuando la pendiente gobernadora o media supera el 5%, en tramos muy largos es conveniente el uso de tramos en descanso a fin de mejorar el rendimiento vehicular.

Las pendientes en tramos muy largos deberán ser menores que la pendiente máxima utilizada en cualquier tramo particular de una carretera.

Frecuentemente, es preferible cortar una pendiente uniforme muy larga formando mayores pendientes en la parte más bajas y menores cerca de la parte más alta.

Deberán también evitarse los "columpios" en la parte en la que los vehículos pueden quedar ocultos.


403.05 LONGITUD EN PENDIENTE

Pendientes de hasta 7% afectan sólo marginalmente la velocidad de operación de la gran mayoría de los automóviles, cualquiera que sea la longitud de la pendiente.

En el caso de los camiones, pendientes sobre un 3% causan reducciones crecientes de su velocidad de operación, a medida que la longitud en pendiente aumenta. Esto afecta la velocidad de operación de los automóviles, en especial en caminos bidireccionales con alta densidad de tránsito.

La Figura 403.04a muestra la caída de velocidad para un camión tipo semitrailer o con acoplado, cargado, cuya relación peso/potencia sea del orden de 150 Kg/Hp Neto. Se considera que la rasante de aproximación a la pendiente es prácticamente horizontal y la velocidad al comienzo de la pendiente de 65 KPH. La sección horizontal de las curvas indica la velocidad de régimen del camión, la que no puede ser superada en tanto no disminuya la pendiente.

El ábaco está elaborado para camiones pesados del tipo 150 a 180 Kg/Hp Neto, que representan adecuadamente el parque de camiones con remolque o semirremolque que operan en el país.

El ábaco es independiente de la velocidad de entrada a la pendiente, en tanto la rasante de aproximación sea prácticamente horizontal.

Se recomienda en casos normales no superar los 25 KPH de caída de velocidad para camiones en pendiente.

403.06 CARRILES DE ASCENSO

403.06.01 Necesidad del Carril

Las rampas largas y de gran inclinación tiene un efecto muy desfavorable en la velocidad de los vehículos, sobre todo de los pesados.

Además, las rasantes muy inclinadas, al ser recorridas en sentido descendente, pueden tener un efecto adverso sobre la seguridad pues, aparte de la velocidad, aumenta también la distancia necesaria para detenerse.

Si bien la velocidad de los vehículos ligeros se ve poco afectada por rampas inferiores al 7%, la de los vehículos pesados se ve muy reducida apenas la inclinación rebasa el 3% y la rampa es larga. Como además suele coincidir con restricciones en la visibilidad, resulta difícil adelantar a los vehículos lentos, por la menor aceleración disponible en rampa y la velocidad de todo el tráfico está determinada por ellos. Por lo tanto, el nivel de servicio se ve perjudicado.

En trazados nuevos, la adopción de mayores inclinaciones de la rasante en terrenos accidentados o muy accidentados puede disminuir los costos de construcción, a costa de aumentar los de operación (los primeros soportados por la Administración, y los segundos por los usuarios). Se requiere un estudio económico para optimizar el costo total.

En trazados existentes, donde resulta difícil modificar la inclinación de la rasante sin desaprovechar la inversión inicial y manteniendo, además, la circulación, una solución asequible suele ser aumentar el número de carriles en la rampa, disponiendo carriles adicionales para la circulación lenta o, mejor aún, para la circulación rápida (que, además de ser la que pretende adelantar, es más ágil).

Los criterios para su establecimiento se basan en la disminución de la velocidad media de los vehículos ligeros y mejora en la disminución de la velocidad de los vehículos pesados y en la consiguiente caída del nivel de servicio. Si la velocidad de los vehículos pesados rebasa el 40% de la de operación (correspondiente a vehículos ligeros), en carreteras con calzadas separadas, o el 50% en carreteras de calzada única, generalmente no está justificando el disponer un carril adicional. La necesidad de éste aumenta con la intensidad de la circulación y con la proporción de vehículos pesados, según se demuestra por estudios económicos basados en la teoría de colas, o por aplicación de las teorías relacionadas con el nivel de servicio.


403.06.02 Disposición

Conviene tener en cuenta las siguientes recomendaciones:

  •   No suele estar justificado disponer vías lentas si simultáneamente IMDA<1000 y la   inclinación de la rampa no rebasa el 4%.

  •   La longitud mínima de una vía lenta debe corresponder a un tiempo de recorrido de unos   18 segundos a la velocidad de proyecto, sin bajar de 250 m. Su principio suele situarse   en el punto en que la velocidad del vehículo pesado tipo ha disminuido unos 25 Km/h.   Su final no debe situarse demasiado pronto, sino donde los vehículos lentos hayan   recuperado velocidad y puedan incorporarse al tráfico normal en buenas condiciones de   visibilidad, y nunca donde esté prohibido el adelantamiento. En el caso de que el carril   adicional se plantee como destinado a la circulación rápida, los vehículos lentos no   tendrán que ceder el paso, sino que deberán ser los rápidos quienes lo hagan.

  •   La vía debe proyectarse y señalizarse como una ayuda circunstancial al tráfico, y no   como la transformación de una carretera de dos carriles en otra de tres carriles.


403.06.03 Dimensiones

La sección de una vía con un carril de ascenso no debe considerarse como una vía de tres carriles, sino como una carretera de dos carriles con un carril adicional para vehículos que marchan lentamente cuesta arriba, de tal manera que los vehículos que utilizan el carril derecho adyacente a la vía no se retrasen. Teniendo en cuenta ello, y siendo generalmente los vehículos pesados los usuarios de estos carriles es que el ancho del carril debe ser el mismo que el de diseño para la calzada..

Al dimensionar y construir carriles de ascenso, que envuelve variables, que difícilmente se pueden describir como típicos, se recomienda un análisis taxativo detallado, teniendo en cuenta los siguientes aspectos:

  •   Una carril de ascenso puede introducirse como una alternativa más efectiva para   mantener una pendiente y aumentar la velocidad

  •   El efecto de un carril de ascenso en la eliminación de colas de vehículos, a las que   contribuye el movimiento lento de camiones, continuará por alguna distancia a lo largo   de la vía.

  •   El carril de ascenso puede ser una solución económica que difiera en el tiempo, la   necesidad de construir una segunda calzada o convertir una vía de dos carriles en una   carretera desdoblada.

  •   En las dimensiones de la sección transversal se debe considerar el ancho de la berma,   preferentemente, igual al ancho adoptado para la vía, pero en carreteras existentes   puede tener 1,20 m.

  •   El carril de ascenso está precedido y seguido por dos longitudes de transición, que no   debería en ningún caso ser menor de 45 m y de 60 a 90 m respectivamente.

  •   Los carriles de ascenso deben ser claramente señalizados como una ayuda   circunstancial al tránsito y no como la transformación de una carretera de dos carriles   en una de tres carriles.
   
 
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