Trabajo Final 20141

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Índice

Introducción
Objetivo
Ubicación y Descripción de la Carretera
Parámetros de diseño – Vehículo de Diseño
Orografía y velocidad de diseño
Clasificación de acuerdo a la demanda
Clasificación según el tipo de terreno
Alternativas Preliminares
Primera alternativa
Segunda alternativa
Tercera alternativa
Alineamiento Horizontal
Datos
Pendiente máxima
Método del compas
Tramos tangentes
Distancia de visibilidad de parada (DP)
Radio mínimo
Curvas de transición
Sobreanchos
Despeje mínimo para visibilidad en curvas horizontales
Alineamiento Vertical
Pendientes
Pendiente máxima
Longitud crítica de una pendiente
Longitud de curvas verticales
Longitud mínima de curvas concavas
Longitud mínima de curvas convexas

Sección Transversal
Cálculo de ancho de calzada
Ancho de berma
Bombeos de calzada
Taludes en corte
Terraplenes
Corredor
Reporte de Volúmenes


1. Introducción

Durante el desarrollo del presente ciclo en el curso Carreteras se diseñó una carretera mediante el uso del AutoCAD Civil 3D. El objetivo principal de esta actividad fue el aprendizaje del proceso de diseño y edificación de un camino y los distintos requerimientos que este debe cumplir para que cumpla con los propósitos para la que fue diseñada. Los requerimientos son encontrados en la Norma Técnica de Diseño Geométrico de Carreteras DG-2013, también se ha tomado como referencia algunas especificación de la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO).
El desarrollo de carreteras viene a ser una actividad de alta importancia en nuestro país, ya que nuestra sinuosa geografía dificulta la comunicación entre las urbes de nuestra nación. Las carreteras son el principal medio para mantener comunicado a todo el país y necesitamos que estas sean eficientes tanto en temas de funcionalidad así como en los aspectos de su construcción, por este motivo, consideramos que este curso tiene una gran importancia a nivel nacional debido a que promueve la creación de diseños de carreteras buscando la economía, la funcionalidad, el menor impacto ambiental posible pero sobre todo la seguridad que brinda la carretera a los conductores en caso se presente algún tipo de accidente.









2. Objetivos

Durante el curso de Ing. De Carreteras se ha utilizado el programa AutoCad Civil 3D para poder diseñar una vía que pase por los puntos número 4 (ver imagen 1). Este diseño se hizo teniendo siempre en cuenta lo estipulado en el Manual De Diseño Geométrico De Carreteras (DG-2013). Además, se trabaja conjuntamente con la Norma Peruana DG-2013, ya que en el Perú existe una orografía distinta a las condiciones que se realiza una carretera en Estados Unidos u otros países. En el siguiente trabajo se presentará una carretera que una los puntos 2.


Curvas de Nivel del terreno (Figura 1)
Fuente: propia

El objetivo del presente trabajo es elegir la mejor opción de carretera entre los tres diseños realizados. Tomando en cuenta que cumpla con los requerimientos del constructor sin dejar de lado la seguridad de la vía así como del impacto ambiental que ocasionaría. También, se tomará en cuenta la economía, es decir, el presupuesto de esta misma (factor más importante al momento de diseñar una carretera) y por último la topografía del terreno al momento de elegir la velocidad.

3. Ubicación y Descripción del Terreno

Mediante el Civil 3D se obtiene las coordenadas del terreno donde se desarrollara el proyecto, estas coordenadas son importadas al Google Earth. El terreno esta ubicado en el departamento de Apurímac, provincia de Grau, distrito de Curpahuasi con las coordenadas UTM:

INICIO
FIN
759133.127 - 8459560.384
758906.875 - 8458710.722


Luego, mediante el AutoCad Civil 3D (Figura 3), se halló la pendiente transversal máxima que presenta el terreno y por donde pasará nuestra carretera. Según nuestra carretera seleccionada se obtuvo una pendiente máxima de 68.2%, esto está muy relacionado al tipo de vehículo que transitará en la carretera.

Figura 2
4. Parámetros de diseño – vehículo de diseño
Nuestro tramo de carretera estuvo diseño para un ómnibus de cuatro ejes B4-1. Los datos de las dimensiones máximas de los vehículos a emplear se obtuvieron mediante la tabla 202.01 del Manual de Diseño de carreteras.

Un aspecto importante en la decisión del tipo de vehículo fue la zona donde se ubica el tramo, esta pertenece a una zona rural.

5. Orografía y velocidad de diseño:
5.1. Clasificación de Acuerdo a la demanda:

Mediante los datos obtenidos como IMDA: 320 veh/día se verifica que es de Tercera clase (IMDA hasta 400 veh/día), lo cual servirá para desarrollar un óptimo diseño ya que se puede realizar una acertada predicción de la cantidad de vehículos que transitarán en los años de vida de esta misma.

5.2. Clasificación según el tipo de terreno:

Con ayuda del programa AutoCad Civil 3D se halló la pendiente transversal del terreno máxima que fue de 68.2%.



Tipo I: pendiente entre 0 y 10%
Tipo II: pendiente entre 10% y 50%
Tipo III: pendiente entre 50% y 100%
Tipo IV: pendiente > 100%

Mediante esta tabla se determina la orografía del terreno que según las condiciones de la pendiente seria de Tipo 3.

5.3. Determinación de la velocidad de diseño:

La velocidad de diseño o directriz escogida para esta carretera tendrá que ser la necesaria para mantener al vehículo dentro de su carril, así como también dar comodidad al usuario.
Con los valores anteriores del IMDA, el tipo de orografía y estableciendo que nuestra carretera presenta restricciones económicas durante el proceso de construcción, se calcula la velocidad de diseño según la tabla 101.01 (Figura 3)


Figura 3
Fuente: Manual de diseño geométrico para carreteras DG – 2013

Como se observa en la anterior imagen la Velocidad de diseño varia en un rango de [30-50] KPH y como se señaló al comienzo en este proyecto se presentan restricciones económicas, por ello se trabajará con una Velocidad de diseño igual a 30KPH.
6. Alternativas preliminares:
Originalmente se trazaron 3 alternativas de tramos que pasaran por los puntos 2, cada una de estas nos brindaba diferentes perspectivas del terreno.
6.1. Primera Alternativa:
La primera alternativa tuvo como Especificaciones Técnicas las siguientes
Carretera de tercera clase (De acuerdo a la demanda)
IMDA (veh/día) : 320 vehículos por día
Velocidad Max: 30 Km/h
Pendientes entre 50% a 100% (Tipo 3)
Con todos estos datos se pudo trazar mediante el método de compas la ruta:


Obteniéndose los siguientes datos en el alineamiento horizontal:
Curva
Radio
Longitud
Delta
Longitud entre curvas
 
 
 
 
67.464
C1
60.00
56.979
54°24°40°
37.113
C2
60.00
59.095
56°25°52°
137.718
C3
50.00
2.340
2°40°53°
224.544
C4
43.00
38.580
51°24°25°
95.961
C5
33.47
29.915
51°12°34°
105.933
C6
60.00
30.721
29°20°13°
204.004


6.2. Segunda Alternativa:
La segunda alternativa tuvo como Especificaciones Técnicas las siguientes
Carretera de tercera clase (De acuerdo a la demanda)
IMDA (vehc/día) : 320 vehículos por día
Velocidad Max: 30 Km/h
Pendientes entre 50% a 100% (Tipo 3)
Con todos estos datos se pudo trazar mediante el método de compas la ruta:



Obteniéndose los siguientes datos en el alineamiento horizontal:

Curva
Radio
Longitud
Delta
Longitud entre curvas
 
 
 
 
203.94
C1
33.00
19.776
34.3352
237.868
C2
52.00
106.580
117.5443
198.864
C3
70.00
133.580
109.3368
163.456
C4
40.00
52.100
74.6271
95.367


6.3.- Tercera Alternativa:
La tercera alternativa tuvo como Especificaciones Técnicas las siguientes
Carretera de tercera clase (De acuerdo a la demanda)
IMDA (vehc/día) : 320 vehículos por día
Velocidad Max: 30 Km/h
Pendientes entre 50% a 100% (Tipo 3)
Con todos estos datos se pudo trazar mediante el método de compas la ruta:



Obteniéndose los siguientes datos en el alineamiento horizontal:

Curva
Radio
Longitud
Delta
Longitud entre curvas




105.532
C1
50.00
2.268
2.5985
72.529
C2
140.00
36.843
15.0784
119.735
C3
60.00
20.744
19.8095
155.316
C4
50.00
30.334
34.7597
141.128
C5
60.00
58.714
56.0676
134.425
C6
54.00
5.112
5.4237
140.316

7.- Alineamiento horizontal:

Para el modelado de nuestra carretera es indispensable el alineamiento horizontal ya que es uno de los dos elementos físicos principales de la vía y consta de un eje central que se proyectara de forma horizontal en el terreno. Este alineamiento está conformado por tramos rectos o tangentes y tramos curvos, estos últimos pueden ser curvas circulares simples o compuestas, las cuales son unidas a los tramos tangentes mediante curvas de transición (espirales). El aspecto crítico en el Alineamiento Horizontal, está en el diseño de las curvas horizontales donde los vehículos tienden a conservar el movimiento en línea recta y por ende invadir otro carril.
Los vehículos permanecen en la curva primeramente debido a la fricción transversal entre el pavimento y las llantas de los vehículos, pero a veces no es suficiente por lo que se da una inclinación a la calzada llamada peralte o bombeo.
7.1. Datos:
Vehículo de diseño: B4-1
IMDA: 320 veh/día
Precipitación (mm/año): 400
Acabado superficial: Pavimento
Velocidad de diseño: 30 Km/h
Clasificación: Tercera clase (Orografía tipo 3)
Con los Datos obtenidos previamente, comenzaremos con el diseño horizontal de la carretera.
7.2. Pendiente máxima:

Ya con la velocidad de diseño, el IMDA y sabiendo de que clase y tipo orográfico tiene nuestra carretera procedemos a obtener la pendiente máxima según la tabla 403.01 (Figura4). Se obtiene la pendiente máxima de 10% y por un factor de seguridad se le reducirá 4%; trabajando con una pendiente de 6%.


Figura 4
Fuente: Manual de diseño geométrico para carreteras DG – 2013


7.3. Método del Compas o línea gradiente:

Este método consiste en calcular la distancia máxima horizontal que se halla mediante sacando la relación geométrica entre la pendiente y la altura que hay entre curvas de nivel en el plano de curvas de nivel.



Se toma la distancia calculada como el radio de circunferencias que se trazaron a lo largo del terreno entre los puntos 4. La primera circunferencia tendrá como centro uno de los puntos 4, que será escogido como en inicio de nuestra vía, a continuación se trazaran círculos entre una curva de nivel superior o una inferior a la que se encuentra el anterior círculo. Luego se unirá el punto central o el primer punto 4 con la intersección de la cota y el arco de la circunferencia con una recta y se continuara trazando la ruta repitiendo los mismo pasos. Es así como se desarrolló las tres rutas que representarían el menor corte y relleno más no la ruta definitiva. Luego se trazará un suavizado sobre cada polilínea que disminuirá la cantidad de curvas iniciales.


Figura 5
Fuente: Propia

7.4. Tramos Tangentes:

Establecer límites de estos tramos entre curvas evita problemas relacionados con el cansancio del usuario, deslumbramiento y exceso de velocidad.
Las longitudes mínimas y máximas de los tramos tangentes dependerán de la velocidad de diseño (Vd =30KPH). Pueden hallarse estos valores mediante fórmulas o la tabla 302.01 (Figura 6), la cual brindara la longitud mínima en una curva "S" así como en una "O" y la longitud máxima de tangente.

Figura 6
Fuente: Manual de diseño geométrico para carreteras DG – 2013
A partir de ello podemos analizar las distancias tangentes en nuestro diseño:
Curva
Radio
Longitud
Delta
Longitud entre curvas




105.532
C1
50.00
2.268
2.5985
72.529
C2
140.00
36.843
15.0784
119.735
C3
60.00
20.744
19.8095
155.316
C4
50.00
30.334
34.7597
141.128
C5
60.00
58.714
56.0676
134.425
C6
54.00
5.112
5.4237
140.316

7.5. Distancia de visibilidad de parada (Dp):

Es la distancia mínima requerida para que se detenga un vehículo que viaja a la velocidad de diseño antes de colisionar un obstáculo que se encuentra en su trayectoria.
Esta distancia se halla mediante la siguiente fórmula:

Dp=vo.tpr3.6+v02254(f±i)Dp=vo.tpr3.6+v02254(f±i)
Dp=vo.tpr3.6+v02254(f±i)
Dp=vo.tpr3.6+v02254(f±i)
Donde:
Vo: velocidad de diseño en m/s
tpr: tiempo de percepción-reacción
f: coeficiente de fricción longitudinal
i: pendiente
El coeficiente de fricción longitudinal se halla mediante una tabla de la AASHTO (Figura 7) que indica que en coeficiente de fricción es de 0.4

Figura 7
Fuente: Aula virtual (AASHTO)

Calculando con nuestros datos, obtenemos


La distancia de parada será de 29.6 metros.
7.6. Distancia de visibilidad de paso:
Es la distancia mínima que tiene que haber para que el conductor de nuestro vehículo, observe, reaccione y adelante a otro vehículo sin ningún problema, reduciendo la probabilidad de algún choque entre vehículos.
Esta puede ser calculada a partir de la tabla 205.03 de la norma.

Figura 8
Fuente: Manual de diseño geométrico para carreteras DG – 2013
A nuestra velocidad de diseño (30KPH) le corresponde una distancia de adelanto de 110m con esta medida se pueden establecer los tramos en donde es factible los adelantes entre vehículos.

7.7. Radio mínimo:
Para el cálculo de radio mínimo utilizamos la tabla 402.02 DG-2013. Si queremos podemos hallar estos radios mediante la siguiente fórmula.

Rmín=V2127ftmax+Smax

ftmax:Friccion maxima
Smax:Peralte máximo
V:Velocidad de diseño
La fricción máxima se hallara mediante la siguiente formula o puede ser hallada en la tabla 302.03 donde a una velocidad de diseño de 30KPH le corresponde 0.18 de fricción máxima.

Figura 9
Fuente: Manual de diseño geométrico para carreteras DG – 2013


Esto se puede verificar en nuestra tabla de datos, y si alguna curva no cumple con los mínimos tanto en distancia de parada o en el radio mínimo se debe volver a modificar el trazo suavizado de la carretera.
El peralte dependerá del tipo de terreno así como del clima, zona de hielo y deshielo en nuestro caso. Según la tabla se determina que el peralte maximo es de 8% (Figura10)

Figura 10
Fuente: Aula Virtual
A partir de ello sacamos que el radio mínimo de diseño será 30.81 metros, este será el radio con el cual nuestro vehículo transitara por la curva a la velocidad de diseño de una manera segura y sin descarrilarse.

Curva
Radio
Longitud
Delta
Longitud entre curvas
 
 
 
 
67.464
C1
60.00
56.979
54°24°40°
37.113
C2
60.00
59.095
56°25°52°
137.718
C3
50.00
2.340
2°40°53°
224.544
C4
43.00
38.580
51°24°25°
95.961
C5
33.47
29.915
51°12°34°
105.933
C6
60.00
30.721
29°20°13°
204.004




7.8.Calculo de Sobreancho:
Para calcular los valores del sobre ancho es necesario contar con los siguientes datos:
N= número de carriles
R=Radio en metros
L= Distancia entre eje posterior y parte frontal en metros
V= Velocidad de diseño Km/h

Sa=n*R-(R2-L2)+V10R

Los sobreanchos se calculan para cada curva que se tiene en el diseño horizontal o empleando la tabla con datos aproximados del manual de diseño de carreteras.

Figura 11
Fuente: Aula Virtual

Cálculo de espirales:
Para proceder con el cálculo de espirales es necesario contar con los radios de las curvas, los peraltes necesarios y el valor A.
Según la norma las longitudes de espirales no pueden ser menores a 30m. Por este motivo, si es que alguna curvas nos diera como resultado una longitud menor es necesario remplazarla con 30m.
En nuestra carretera tenemos los siguientes radios, y sus respectivos peraltes necesarios, que lo obtuvimos de la siguiente tabla










Con los radios de cada curva y sus peraltes necesarios se procede a calcular el valor del A mínimo, para esto es necesario contar con el peralte necesario, la velocidad de diseño, radio de curvatura y la variacion de la aceleracion transversal J.
El valor de "A mínimo" se precedera a calcular con la siguiente formula:
A minimo=VD*R46.656J*(VD2R-1.27p)





7.9.Despeje Mínimo para visibilidad en curvas horizontales:
Para cada curva que presentamos en nuestra carretera necesitaremos un ancho de visibilidad, para que nuestro pueda tener una visibilidad de para o de paso. Para ellos nos guiaremos de la siguiente tabla.

Figura 12
Fuente: Aula Virtual



Para carreteras de tercera clase así como la nuestra, la línea de visibilidad deberá ser por lo menos igual a la distancia de parada correspondiente. Con la siguiente formula obtendremos eso.
amín=R*(1-cos(28.65*DpR))

R:Radio
Dp: Distancia de parada
#Curva
Radio(m)
Amín(m)
1
60
1.81
2
60
1.81
3
50
2.17
4
43
2.52
5
33.47
3.22
6
60
1.81

Alineamiento Vertical:
El eje de la carretera es proyectado en un plano vertical, obteniéndose el perfil longitudinal en el cual veremos cantidades volúmenes que se debe trabajar nuestra carretera, pendientes de curvas convexas o cóncavas.
Los elementos físicos hacen referencia a los alineamientos (horizontal y vertical) y las secciones transversales.

Figura 14
Fuente: Civil Cad

Pendientes:
En los tramos en corte se evitara preferiblemente el empleo de pendientes menos 0.5%.podra hacerse uso de rasantes horizontales en los casos en que las cunetas adyacentes puedan se dotadas de la pendiente necesaria para garantizar el drenaje y la calzada cuente con un bombeo igual o superior de 2%.

En general, se considera deseable no sobrepasarlos límites máximos de pendiente que están indicados.

Pendientes Máxima:
Estos cálculos de pendientes máximas lo podemos obtener de la siguiente tabla.

Figura 14
Fuente: Manual de diseño geométrico para carreteras DG – 2013


.Como podemos observar nuestra pendiente máxima será 10%


Longitud Crítica de una pendiente:
Para que la velocidad no se reduzca considerablemente se deben manejar tramos no muy largos con la misma pendiente. Está determinada por la disminución de la velocidad que ésta causa en vehículos pesados. Es recomendable no superar los 15km/h para los camiones, debido a su peso.

Figura 15
Fuente: Aula Virtual


Longitud de Curvas Verticales:

Estas curvas se diseñas para que en las carreteras no haya cambios bruscos en las curvas. Usualmente la curva es una parábola, ya que esta se adapta bien al cambio gradual de dirección

Longitud Mínima de Curvas Cóncavas:

Las Curvas cóncavas son las curvas en las observamos que tienen una parábola abierta hacia arriba, la cual observamos en nuestra carretera. Para el cálculo de ellas tendremos que hacer la diferencia de pendientes y luego buscarlos en tabla.



Figura 15
Fuente: Aula Virtual
Longitud Mínima de Curvas Convexas:

Las Curvas convexas son las curvas en las observamos que tienen una parábola abierta hacia abajo, la cual observamos en nuestra carretera. Para el cálculo de ellas es similar al cálculo de las curvas cóncavas y luego analizarlos en el cuadro respectivo.

Figura 16
Fuente: Aula Virtual


Sección Transversal:

Las secciones transversales de una carretera es un punto de ésta, es un corte vertical normal al alineamiento horizontal, el cual permite definir las disposiciones y dimensiones de los elementos que forman la carretera en el punto correspondiente a cada sección y su relación con el terreno actual.

El número de carriles es fundamental para determinar el nivel de servicio que puede conseguirse, y por ende tiene un efecto marcado en la seguridad y en la capacidad de tráfico de una carretera.



Calculo de Ancho de Calzada:

El ancho de calzada lo determinamos en base al de servicio que queremos otorgar al finalizar el periodo de diseño en un determinado tiempo de vida de la carretera. Para esto es necesario saber de cuan gran grande va ser nuestro vehículo q va a pasar. Recordaremos que nuestra carretera es de tercera clase, por ello podrán utilizarse calzadas de hasta 5 metros (Sustento técnico y económico). Figura 17
Fuente: Manual de diseño geométrico para carreteras DG – 2013
Ancho de berma:

Las bermas tienen por finalidad proveer soporte de borde a la calzada, así como: asistencia técnica a los vehículos, incrementar la seguridad y prevenir la erosión de capas inferiores.

Para en nuestro caso que es una carretera de tercera clase, podemos usar en casos excepcionales y con la distinta justificación técnica, La entidad contratante podrá aprobar anchos de berma menores a lo establecido en la siguiente tabla.


Figura 18
Fuente: Manual de diseño geométrico para carreteras DG – 2013




Bombeo de la Calzada:

El bombeo es la pendiente transversal que se da en en las carreteras para permitir que el agua, efecto a las lluvias, drene hacia los costados de la carretera.
Figura 19
Fuente: Aula Virtual
Taludes:

Taludes de Corte:

Exige el estudio de las condiciones especiales del lugar, especialmente las geológicas, geotécnicas, ensayos en laboratorios, análisis de estabilidad, y medio ambientales para optar por la solución más conveniente. La inclinación y altura de los taludes para secciones en corte variarán a lo largo del Proyecto según sea la calidad y homogeneidad de los suelos y/o rocas evaluados (prospectados). En el diseño de estos taludes se tomará en cuenta la experiencia del comportamiento de los taludes de corte ejecutados en rocas y/o suelos de naturaleza y características geotécnicas similares, ubicadas en la zona y que se mantienen estables ante las mismas condiciones ambientales actuales (DG 2013, 71-72)

Figura 20
Fuente: Manual de diseño geométrico para carreteras DG – 2013

Taludes de Relleno (Terraplenes):

Las inclinaciones de los taludes para terraplenes variarán en función de las características del material con el cual está formado el terraplén Exige el diseño de taludes un estudio taxativo, que analice las condiciones específicas del lugar, incluidos muy especialmente las geológico-geotécnicas, facilidades de mantenimiento, perfilado y estética, para optar por la solución más conveniente, entre diversas alternativas. (DG 2013, 74)


Figura 21
Fuente: Manual de diseño geométrico para carreteras DG –2013


Corredor:

El corredor vendría ser nuestro diseño ya modificado con los taludes, bombeo, etc. por donde transitaran los vehículos.

Figura 22
Fuente: Imágenes Civilcad
Reporte de volúmenes:
Station
Cut Area (Sq.m.)
Cut Volume (Cu.m.)
Reusable Volume (Cu.m.)
Fill Area (Sq.m.)
Fill Volume (Cu.m.)
Cum. Cut Vol. (Cu.m.)
Cum. Reusable Vol. (Cu.m.)
Cum. Fill Vol. (Cu.m.)
Cum. Net Vol. (Cu.m.)
 









0+000.000
86.75
0
0
0
0
0
0
0
0
0+020.000
103.77
1905.25
1905.25
0
0
1905.25
1905.25
0
1905.25
0+040.000
80.68
1844.52
1844.52
0
0
3749.77
3749.77
0
3749.77
0+058.649
65.53
1363.34
1363.34
0
0
5113.11
5113.11
0
5113.11
0+060.000
64.6
87.91
87.91
0
0
5201.02
5201.02
0
5201.02
0+068.279
54.33
492.31
492.31
0.47
1.93
5693.33
5693.33
1.93
5691.4
0+075.532
41.54
347.66
347.66
5.77
22.61
6040.98
6040.98
24.53
6016.45
0+077.909
38.36
94.97
94.97
7.92
16.27
6135.95
6135.95
40.8
6095.15
0+080.000
34.88
76.57
76.57
9.91
18.64
6212.52
6212.52
59.44
6153.08
0+087.538
21.35
203.88
203.88
17.44
105.94
6416.4
6416.4
165.38
6251.02
0+090.000
14.51
41.81
41.81
20.02
48.11
6458.21
6458.21
213.5
6244.71
0+097.168
11.27
86.98
86.98
26.04
174.55
6545.19
6545.19
388.05
6157.14
0+100.000
10.87
28.98
28.98
27.03
80.57
6574.16
6574.16
468.62
6105.54
0+103.909
11.2
39.26
39.26
28
116.77
6613.42
6613.42
585.38
6028.03
0+105.532
13.21
17.72
17.72
27.76
49.7
6631.13
6631.13
635.08
5996.05
0+106.666
15.51
14.43
14.43
30.27
36.35
6645.56
6645.56
671.43
5974.13
0+107.610
16.86
13.51
13.51
30.65
31.9
6659.07
6659.07
703.33
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