Algunos apuntes sobre Diseño Vial

Algunos apuntes sobre
Diseño Vial
Oscar Asenjo Guajardo
Santiago de Chile, 2019.
Título: ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Texto en soporte digital.
175 p.; Formato A5 Ampliado (17x24 cm).
Derechos reservados.
© Oscar Asenjo Guajardo.
Propiedad Intelectual registrada.
Palabras clave: 1. Caminos, 2. Carreteras, 3. Ingeniería vial, 4. Diseño.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
Santiago de Chile, 2019.
ii
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
OSCAR ASENJO GUAJARDO
iii
PRÓLOGO
Los caminos y carreteras forman parte esencial de la infraestructura pública de un país, destinados a satisfacer los servicios de transporte que requiere la población. La Ingeniería Vial
sirve a ese propósito contribuyendo desde el ámbito técnico a la implementación de las obras
civiles que se requieren. El propósito del presente texto es cubrir resumidamente algunos
tópicos de la ingeniería vial con alguna característica especial, enfatizando sobre ciertos temas
peculiares. Así, por ejemplo, en algunos casos se trata de detallar ciertos temas que no están
explícitamente descritos en las instrucciones de diseño, o bien poner énfasis en algunos temas
menos comunes o donde existe cierta ambigüedad en su tratamiento, preferentemente en proyectos viales interurbanos. En otros casos se trata de explicar el origen de algunas recomendaciones, lo que ayudará a entenderlas mejor y eventualmente mejorarlas. En otros, sólo se
presenta el tema en forma conceptual sugiriéndose al lector profundizar la materia en la bibliografía especializada. Cualquier error, falta de precisión o sugerencia se apreciará compartirla para correcciones futuras.
Palabras clave: 1. Caminos, 2. Carreteras, 3. Ingeniería vial, 4. Diseño.
Oscar Asenjo Guajardo
contacto.apuntes.vial@gmail.com
Santiago de Chile, 2019.
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VITA
Oscar Asenjo Guajardo es Ingeniero Civil de la Universidad de Chile y M. of Eng. de la Universidad Virginia Tech (VPI&SU, USA). Desempeñó labores profesionales en la Dirección
de Vialidad de Chile, colaborando frecuentemente en el ámbito normativo. También desarrolló labores docentes en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Chile y actividades como
profesor de comisión de trabajos de títulos en la misma Universidad.
Santiago de Chile, 2019.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
ÍNDICE DE CONTENIDO
LISTADO DE TABLAS
LISTADO DE FIGURAS
LISTADO DE ACRÓNIMOS
Página 1
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
ÍNDICE DE CONTENIDO
PRÓLOGO ...........................................................................................................iv
VITA.....................................................................................................................v
ÍNDICE DE CONTENIDO ..................................................................................2
LISTADO DE TABLAS ......................................................................................5
LISTADO DE FIGURAS .....................................................................................6
LISTADO DE ACRÓNIMOS ..............................................................................8
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
INTRODUCCION ................................................................................................9
Aspectos Generales ...............................................................................................10
Antecedentes Históricos y Legales .......................................................................11
Indicadores de Desarrollo Vial .............................................................................11
Usuario, Vehículo y Camino ................................................................................13
Terminología Vial .................................................................................................15
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
ESTANDARES DE CAMINOS Y PROCESO DE DISEÑO ..............................17
Aspectos Generales ...............................................................................................18
Ciclo de Vida de un Proyecto Vial .......................................................................18
Criterios que rigen un Proyecto Vial ....................................................................20
Sustentabilidad y Desarrollo .................................................................................21
Evaluación Económica vs. Estándar Mínimo .......................................................23
Clasificación Funcional de un Camino .................................................................24
Clasificación Administrativa de un Camino .........................................................25
Vocación del Territorio.........................................................................................26
Cruce de la Clasificación Administrativa con el Servicio al Tránsito ..................27
Estándares de Caminos .........................................................................................27
El Proceso de Diseño y Niveles de Estudios.........................................................31
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
BASES DEL DISEÑO GEOMETRICO DE CAMINOS .....................................33
Aspectos Generales ...............................................................................................34
Conceptos relativos a la Velocidad .......................................................................35
La Visibilidad .......................................................................................................40
La Fricción ............................................................................................................44
Diseño Geométrico de Caminos ...........................................................................64
Página 2
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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4
4.1
4.2
DISEÑO DE CAMINOS DE BAJO TRÁNSITO ................................................81
Aspectos Generales ...............................................................................................82
Holguras Admisibles ............................................................................................82
5
5.1
5.2
5.3
DISEÑO DE RUTAS ESCÉNICAS .....................................................................86
Aspectos Generales ...............................................................................................87
El Ejemplo Norteamericano ..................................................................................87
El Caso Chileno ....................................................................................................89
6
6.1
6.2
6.3
6.4
CAPACIDAD DE CAMINOS .............................................................................92
Aspectos Generales ...............................................................................................93
Modelos de Flujo de Tránsito ...............................................................................94
Modelos del Highway Capacity Manual ...............................................................97
La Demanda de Tránsito .......................................................................................103
7
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
DISEÑO DE PAVIMENTOS ...............................................................................105
Aspectos Generales ...............................................................................................106
Solicitaciones ........................................................................................................107
Métodos de Diseño ...............................................................................................108
Conceptos relevantes ............................................................................................109
Reseña del Método MEPDG.................................................................................119
Reseña del Método de Losas Optimizadas ...........................................................120
8
8.1
8.2
8.3
8.4
CARPETAS DE RODADURA GRANULAR .....................................................123
Aspectos Generales ...............................................................................................124
Criterios de Diseño ...............................................................................................124
Especificaciones de Construcción.........................................................................127
Mantenimiento ......................................................................................................127
9
9.1
9.2
9.3
9.4
DISEÑO DE PAVIMENTOS EN ZONAS HELADAS .......................................128
Aspectos Generales ...............................................................................................129
Penetración de Heladas .........................................................................................129
Efecto de la Penetración de Heladas .....................................................................137
Modelos Predictores del 𝐼𝑐 ...................................................................................143
10
10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
VOLADURA CONTROLADA............................................................................146
Aspectos Generales ...............................................................................................147
Las Vibraciones ....................................................................................................147
Predicción de la Velocidad Peak VPP ..................................................................149
Especificaciones normativas .................................................................................150
Técnicas Constructivas .........................................................................................153
Página 3
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
11
11.1
11.2
11.3
11.4
Oscar Asenjo Guajardo
PARTIDAS DE OBRA .......................................................................................155
Aspectos Generales ...............................................................................................156
Características de las Partidas ...............................................................................156
Análisis de Precios Unitarios ................................................................................157
Especificaciones Técnicas ....................................................................................158
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................161
Página 4
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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LISTADO DE TABLAS
TABLA 2.1.
TABLA 2.2.
TABLA 2.3.
TABLA 2.4.
TABLA 3.1.
TABLA 3.2.
TABLA 3.3.
TABLA 3.4.
TABLA 3.5.
TABLA 3.6.
TABLA 3.7.
TABLA 3.8.
TABLA 3.9.
TABLA 5.1.
TABLA 6.1.
TABLA 6.2.
TABLA 7.1.
TABLA 7.2.
TABLA 9.1.
TABLA 9.2.
TABLA 9.3.
TABLA 9.4.
TABLA 10.1.
TABLA 10.2.
TABLA 10.3.
TABLA 11.1.
TABLA 11.2.
CLASIFICACIÓN FUNCIONAL DE CAMINOS
RANGO DE VELOCIDADES
CARACTERÍSTICAS SEGÚN ESTÁNDAR
NIVELES DE ESTUDIO
ESTIMACIÓN DE LA VELOCIDAD V85
DISTANCIA DE PARADA Dp (m)
DISTANCIA DE ADELANTAMIENTO Da (m)
VELOCIDAD DE MEDICIÓN SEGÚN EQUIPO
PARÁMETROS A, B, a y b SEGÚN METODOLOGÍA IFI
FRICCIÓN LATERAL (fT, en fracción de uno)
FRICCIÓN LONGITUDINAL (fL, en fracción de uno)
CALIFICACIÓN DE LA CONSISTENCIA SEGÚN VELOCIDAD
COEFICIENTES AERODINÁMICOS
CLASIFICACIÓN ESCÉNICA
DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS NIVELES DE SERVICIO (Autopistas)
NIVELES DE SERVICIO
VALORES del PSR
VALORES DE Po
CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS POR CRITERIO USACE
CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS POR ENSAYE CRREL
CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS POR ENSAYE CRREL II
CLASIFICACION ALTERNATIVA DE SUELOS
VALORES DE REFERENCIA
VALORES TÍPICOS DE K
VALORES NORMATIVOS UNE 22381
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
PRODUCTOS Y/O PROCESOS CERTIFICADOS
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1.1.
Figura 1.2.
Figura 2.1.
Figura 2.2.
Figura 2.3.
Figura 3.1.
Figura 3.2.
Figura 3.3.
Figura 3.4.
Figura 3.5.
Figura 3.6.
Figura 3.7.
Figura 3.8.
Figura 3.9.
Figura 3.10.
Figura 3.11.
Figura 3.12.
Figura 3.13.
Figura 3.14.
Figura 3.15.
Figura 3.16.
Figura 3.17.
Figura 3.18.
Figura 3.19.
Figura 3.20.
Figura 3.21.
Figura 6.1.
Figura 6.2.
Figura 6.3.
Figura 6.4.
Figura 6.5.
Figura 7.1.
Figura 7.2.
Figura 7.3.
Figura 7.4.
Figura 7.5.
Figura 7.6.
Figura 7.7.
Figura 7.8.
Densidad Vial e Índice de Engel
Terminología Vial
Ciclo de Vida de un Proyecto
Tricotomía del Desarrollo Sustentable
Clasificación Funcional
Distribución de Velocidades
Aporte de la histéresis y de la adhesión a la fricción
Fricción en Diseño Geométrico
Entrada y Salida de un Modelo de Rueda
Coordenadas, Fuerzas y Momentos en un Modelo de Rueda
Fricción Longitudinal
Función Fx
Fricción Transversal
Función Fy
Fricción combinada
Fricción Fx y Fy
Círculo de Fricción
Elipse de Fricción
Modelo IFI
Equipos de Medición de RD
Trazado en planta de un camino
Trazado en alzado de un camino
Equilibrio de un vehículo en curva horizontal
Dependencia del coeficiente Cd
Pares en juego
Efecto de la gradiente en un vehículo con razón peso/potencia de 90 kg/hp y
velocidad inicial de 110 km/h
Flujo de Tránsito
Espacio q-k-u y modelo de flujo
Proyecciones ortogonales de un modelo de flujo
Relación flujo-velocidad del HCM (2010)
Volumen horario expresado como fracción del TMDA
Índice de Serviciabilidad
Eje Equivalente AASHTO
Características del Eje Equivalente Shell
Ejemplo de equivalencia de ejes
Estado de tensiones y deformaciones
Ley de Fatiga
Confiabilidad R
Diagrama de flujo diseño de pavimentos de hormigón con losas de espesor
optimizado
Página 6
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Figura 7.9.
Figura 8.1.
Figura 9.1.
Figura 9.2.
Figura 9.3.
Figura 9.4.
Figura 9.5.
Figura 9.6.
Figura 9.7.
Figura 9.8.
Figura 10.1.
Figura 10.2.
Oscar Asenjo Guajardo
Largos de losas de hormigón
Espesores de Carpeta Granular
Frente de heladas
Calor conducido
Temperatura Ambiental
Dependencia del coeficiente λ
Penetración de heladas según Corps of Engineers
Relación entre susceptibilidad de un suelo (Frost Action) y sus propiedades
hidráulicas
Criterio de Casagrande para inferir la susceptibilidad de un suelo a las heladas
Gráfico integrado de tipos de suelos
Norma UNE 22381
Determinación de la frecuencia
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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LISTADO DE ACRÓNIMOS
AASHTO
AASHO
ASTM
BS
CBR
CRREL
EN
ETE
ETG
FHWA
GNSS
HCM
IFI
IRI
LIDAR
LOS
MC-Vi
MEPDG
MOP
ONU
PHF
PIARC
TMDA
UNE
USACE
UTM
VPP
American Association of State Highway and Transportation Officials
American Association of State Highway Officials
American Society of Testing Materials
British Standard
California Bearing Ratio
Cold Regions Research and Engineering Laboratory
European Norm
Especificaciones Técnicas Especiales
Especificaciones Técnicas Generales
Federal Highway Administration
Global Navigation Satellite System
Highway Capacity Manual
International Friction Index
International Roughness Index
Light Detection and Ranging (or Laser Imaging Detection and Ranging)
Level of Service
Manual de Carreteras (Chile), Volumen i (i = 2 al 9)
Mechanistic Empirical Pavement Design Guide
Ministerio de Obras Públicas (Chile)
Organización de Naciones Unidas
Peak Hour Factor
Permanent International Association of Road Congresses (World Road Association)
Tránsito Medio Diario Anual
Una Norma Española
U.S. Army Corps of Engineers
Universal Transverse Mercator
Velocidad Peak de Partícula
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Aspectos Generales
Antecedentes Históricos y Legales
Indicadores de Desarrollo Vial
Usuario, Vehículo y Camino
Terminología Vial
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN
1.1 ASPECTOS GENERALES
La Ingeniería Vial es aquella parte de la Ingeniería Civil que se preocupa del desarrollo de un
tipo específico de infraestructura social, representado por las vías de comunicación terrestres
del tipo camino o carretera, con el objeto de asegurar el traslado seguro y cómodo de productos, bienes, servicios y personas de una comunidad.
Se puede constatar que la Ingeniería Vial es una actividad esencialmente multidisciplinaria
abarcando aspectos tan variados como los de planificación, los económicos, los de diseño,
los constructivos, los medioambientales, los operativos y los de gestión. Por su parte y en
particular, el proceso de diseño de un camino requiere también el trabajo mancomunado de
diversos especialistas con experticia en variadas materias. Este amplio espectro temático
origina la existencia de numerosa normativa y recomendaciones específicas para cada caso o
área de trabajo, y muchos estudios e investigaciones nuevas que permanentemente se desarrollan para la actualización y mejoramiento de la actividad vial.
El propósito del presente texto es describir en primer lugar el proceso general del diseño de
un camino o carretera y, enseguida, cubrir resumidamente algunos tópicos de la ingeniería
vial con alguna característica especial. Es así como se abordan algunos temas que no están
explícitamente descritos en las normas, manuales o instrucciones de diseño que se utilizan
comúnmente en el ambiente vial local, o bien se pone énfasis en algunos temas menos comunes o donde existe cierta ambigüedad en su tratamiento, preferentemente en proyectos
viales interurbanos. En otros casos se trata de explicar el origen de algunas recomendaciones
ingenieriles en tanto que, en las áreas de más amplio conocimiento, sólo se presenta el tema
conceptualmente más bien para precisar la terminología utilizada.
En el caso de Chile, muchos aspectos normativos de diseño, construcción, seguridad vial,
mantenimiento, control de calidad de las obras viales y de mitigación ambiental, están cubiertos por el Manual de Carreteras que edita y actualiza permanentemente la Dirección de
Vialidad del Ministerio de Obras Públicas. Dicho Manual se puede consultar en el sitio
www.vialidad.cl. Además de lo anterior y considerando la amplia bibliografía existente, nacional y extranjera, en este texto no se entra en ciertos detalles, ya sea para evitar repeticiones o bien por no corresponder al alcance de este texto, caso en el cual se sugiere al lector
consultar la fuente respectiva.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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1.2 ANTECEDENTES HISTÓRICOS Y LEGALES
Existe evidencia que los primeros caminos o senderos adaptados para uso del hombre en el
mundo datan de hace unos 8.000 años atrás. En el caso de América Latina y Chile en particular, la historia del desarrollo vial ha pasado por diversas etapas hasta configurar la red vial
que observamos hoy. Detalles sobre este tema se pueden ver en el libro “Historia de la Ingeniería en Chile” (Sergio Villalobos, Santiago, 1990).
La naciente y rápida proliferación de los vehículos autopropulsados a fines del siglo XIX
obligó al mejoramiento de las técnicas de diseño de los antiguos caminos, tanto en su trazado
geométrico como en su capacidad de soporte y confortabilidad para los usuarios, tarea de
desarrollo continuo que sigue incesantemente hasta hoy reflejado en innumerables estudios e
investigaciones en todos los ámbitos de la Ingeniería Vial.
En el aspecto jurídico, la actividad vial es regulada en cada país mediante atribuciones y
obligaciones entregadas a la Agencia Vial respectiva. En el caso de Chile, el primer decreto
que reglamentó las características de los caminos rurales y urbanos en el país se dictó en el
año 1820. En 1842 se dictó la primera Ley de Caminos, que fue válida hasta 1930 cuando se
dictó una nueva ley, la que a su vez fue derogada en 1960 cuando se dictó el actual Decreto
con Fuerza de Ley (DFL) Nº 206 de ese mismo año.
En la actualidad la red vial en Chile alcanza unos 80.000 kilómetros de caminos públicos de
los cuales un 25% se encuentra pavimentado. La actividad vial nacional se encuentra en general regulada por el DFL MOP Nº 850 de 1997, que fijó el texto refundido de la Ley de
Caminos (el referido DFL N° 206 de 1960) y la Ley Orgánica del Ministerio de Obras Públicas, y algunas modificaciones puntuales posteriores. Las vías concesionadas, que también
son caminos públicos, están reguladas además por el Decreto Supremo MOP Nº 900 de
1996, que fijó el texto refundido de la Ley de Concesiones, sus respectivos reglamentos y los
complementos posteriores.
1.3 INDICADORES DE DESARROLLO VIAL
Como es sabido, la contribución de los servicios de infraestructura al Producto Interno Bruto
de un país es sustancial, constatándose en la generalidad de los casos una relación positiva
entre infraestructura y crecimiento económico. Aquí infraestructura se entiende en su sentido amplio, abarcando carreteras, puertos, aeropuertos, ferrocarriles, sistemas de riego, producción de energía, y otros similares. En particular, para el sector transporte el Banco Mundial ha establecido que el “transporte es un factor crucial para impulsar el crecimiento económico, reducir la pobreza y lograr los objetivos de desarrollo del milenio” (véase “Transporte: Resultados del sector”, Banco Mundial, 2014), reafirmando así el concepto anterior en
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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esta área. En el caso de la red de carreteras, que es parte del sector transporte, este concepto
también está validado, constatándose correlaciones positivas y mayormente notables cuando
se compara la envergadura de la red primaria de un país (aquella en mejores condiciones por
geometría, capacidad vehicular y rodadura) con el sector exportador en el mundo globalizado
actual.
Desde el punto de vista técnico, existen al menos dos indicadores que miden la envergadura
de una red vial en cuanto al volumen de su entramado, a su servicio al transporte y al eventual desarrollo de una región o de un país. Estos son la Densidad Vial y el Índice de Engel.
El primero proviene de dividir la longitud de la red vial, en km, por la superficie de la región
o país analizado, en km2. El segundo se calcula como: (𝐿⁄√𝑆 ∗ 𝑃 ) ∗ 100, donde L es la
longitud de la red vial en km, S es la superficie del territorio en km2 y P la población en número de habitantes. Estos indicadores permiten establecer comparaciones entre regiones,
países, o entre partes o grupos de ellos. Véase Figura 1.1. En el caso de Chile la densidad
vial es 0,1 y el Índice de Engel es 2,1. Comparativamente, Japón tiene indicadores 3,1 y 17,1
respectivamente, todos con datos de 2018.
Figura 1.1. Densidad Vial e Índice de Engel
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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En otro orden, cada proyecto vial en particular se puede evaluar económicamente, tanto privada como socialmente, comparando sus costos con los beneficios que reporta a la comunidad en la vida útil del proyecto, lo que permite compararlo además con otros proyectos. Estas comparaciones también se pueden realizar en entornos más amplios como por ejemplo
evaluando el consumo de energía que requiere la implementación de un proyecto, o estableciendo la huella de carbono que representa su construcción a través de la determinación de la
emisión al ambiente de gases de efecto invernadero (dióxido de carbono y otros). En la actualidad también se barajan otros rankings multicriterio para medir o detectar cómo se relaciona un proyecto de infraestructura con las necesidades de la población y la preservación
del medio ambiente actual y futuro. Es así como en varios países se han desarrollado técnicas para otorgar puntaje o créditos a un proyecto específico y con ello determinar su grado de
sustentabilidad dentro del concierto de las obras públicas (véase detalles sobre este último
punto en el numeral 2.4).
1.4 USUARIO, VEHÍCULO Y CAMINO
Los elementos básicos que intervienen en el proyecto de una vía destinada al tránsito público
se pueden resumir en tres componentes: el usuario, el vehículo y el camino. La forma como
ellos se relacionan determina los parámetros a utilizar en el proyecto y operación de una carretera. Por otro lado, cuando se analizan las causas de los accidentes viales, dichas causas
se presentan generalmente relacionadas precisamente con estos tres elementos, en un diagrama de Venn, donde se traslapan en diversas proporciones. En lo que sigue de este numeral, se presentan resumidamente estos elementos básicos.
1.4.1 El usuario
Varios son los usuarios de un camino. El principal es el conductor quien opera el vehículo
que circula en la carretera. Sus limitaciones se refieren principalmente a la visión, la expectativa y el tiempo de percepción y reacción.
La visión es la limitación más importante para conducir un vehículo; en particular la agudeza
visual, la visión periférica, el deslumbramiento, la percepción de colores y la profundidad de
percepción.
La expectativa es la predisposición de un conductor para responder de manera predecible y
exitosa a situaciones, eventos e información a su disposición. La uniformidad, la continuidad dinámica y la consistencia del proyecto geométrico son condiciones necesarias para satisfacer la expectativa del conductor. Otras condiciones importantes son la adecuada señali-
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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zación de tránsito (señalética vertical, demarcación de pavimento) y la existencia de superficies de rodadura regulares y en buenas condiciones de uso.
El tiempo de percepción y reacción es el lapso que tarda un conductor para percibir y responder a un estímulo. Es un proceso de cuatro etapas: percepción, identificación, decisión y
acción. En conjunto, la duración de estas cuatro etapas varía entre 0,5 y 2,0 segundos, y más
en ciertos casos donde la situación es compleja. Para fines de proyecto se usa un tiempo de
percepción y reacción entre 2,0 y 2,5 s, que cubre aproximadamente el 90% de las situaciones usuales.
Los otros usuarios de los caminos son los ciclistas, los peatones y los pasajeros, para quienes
se deben contemplar los dispositivos que satisfagan sus necesidades teniendo presente la seguridad vial.
1.4.2 El vehículo
El vehículo es el medio de locomoción que utiliza el conductor (y pasajeros) para circular
por la carretera. Su influencia en el proyecto vial es decisiva. Las principales características
de los vehículos que intervienen en el diseño son: tipología, dimensiones, peso total, peso y
configuración de ejes, y sus características de operación, las cuales deben considerarse en la
definición de los llamados vehículos tipo de proyecto.
Las características de operación se refieren a la dinámica del movimiento del vehículo, por lo
que usualmente se analizan mediante modelos físicos newtonianos (mecanicistas), como por
ejemplo cuando el vehículo circula en curvas del alineamiento horizontal (fuerza centrífuga,
estabilidad, sobreancho de calzada requerido, etc.), o cuando el vehículo se desplaza en gradientes o pendientes del alineamiento vertical.
El conjunto de vehículos que circulan por el camino en un momento dado configura lo que
denominamos “tránsito” (término utilizado en Chile por la Ley de Tránsito y la Ley de Caminos). El tránsito se caracteriza por su volumen (y sus variaciones en el tiempo), su descomposición por tipo de vehículo, la distribución direccional, la densidad vehicular, la velocidad de operación y la tasa de proyección futura (crecimiento esperado, separado por tipo de
vehículo).
1.4.3 El camino
Finalmente, el camino es el dispositivo de infraestructura diseñado para satisfacer la interacción del conductor y su vehículo con la necesidad de transporte del usuario y de la comuni-
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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dad en general. Esta interacción determina los parámetros característicos de los elementos
de la carretera debiendo en primer lugar definirse el estándar que debería tener el camino y
posteriormente las características de sus elementos en particular y los dispositivos de seguridad y contención que deberían complementarlos.
En el presente texto se revisarán algunos tópicos sobre diseño vial, donde se desarrollan algunos de los conceptos anteriores, siempre dentro del contexto general señalado en el numeral 1.1 de este Capítulo.
1.5 TERMINOLOGIA VIAL
A modo introductorio y sólo para efectos de establecer los principales términos utilizados en
diseño y construcción, asociados a la infraestructura vial, recurriremos a una sección transversal del camino, como se ilustra en la Figura 1.2. Esta terminología no es óbice para que,
en cada sección o donde lo amerite, se definan conceptos y variables, propios del tema que se
trata.
Figura 1.2. Terminología Vial
En un camino simple de una calzada con dos pistas, bidireccional en cuanto al sentido del
tránsito, se denomina eje del camino en planta al lugar geométrico del encuentro de sus pistas. En un camino de doble calzada, separadas por una mediana, pueden existir dos ejes independientes o un eje único si no hay ambigüedad en la definición de ambas calzadas. Por
pista se entiende la parte de la calzada destinada a llevar una fila de vehículos. Normalmente
tiene una pendiente transversal, denominada bombeo, destinada a la evacuación rápida de las
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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aguas lluvia. En las curvas horizontales generalmente se requiere disponer una pendiente
transversal denominada peralte, destinada a estabilizar los vehículos que giran en la curva.
Por berma se entiende el espacio adicional ubicado a ambos costados de la calzada, destinado
a maniobras de emergencia y estacionamiento provisorio de vehículos. En el plano vertical,
el eje del camino se conoce como rasante. Si se descuenta la estructura del pavimento, bajo
la rasante se encuentra la subrasante, que coincide con la cúspide de la plataforma que normalmente representa el límite del movimiento de tierras tanto en corte como en terraplén,
sobre el cual se construye la estructura del pavimento.
Más allá de las bermas, existen obras de drenaje como cunetas, fosos y contrafosos, y los taludes de corte y terraplén que permiten dar ubicación a la plataforma del camino. Finalmente, los cercos que delimitan la faja vial se instalan más allá de cualquier obra que requiera el
camino para su operación considerando algunas distancias de seguridad y de tal forma que su
ancho sea relativamente constante por sector, dependiendo de las condiciones de cada caso
particular.
Según la legislación vigente, en Chile las fajas viales son bienes nacionales de uso público.
Los espacios adyacentes a la faja vial, si bien son generalmente de propiedad privada, en algunos casos tienen restricciones de uso, lo que facilita en el futuro el ensanche o mejoramiento del camino o bien la toma de medidas para asegurar la visibilidad y seguridad del
tránsito. En las zonas urbanas, el uso de las zonas laterales de los caminos públicos está regulado por los Planes Reguladores respectivos.
Si bien es cierto que “camino” es un término genérico, en el ámbito normativo suele diferenciarse entre camino y carretera, lo que separa las vías comunes de las de alto estándar.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPITULO 2
ESTÁNDARES DE CAMINOS Y PROCESO DE DISEÑO
2.1 Aspectos Generales
2.2 Ciclo de Vida de un Proyecto Vial
2.3 Criterios que rigen un Proyecto Vial
2.4 Sustentabilidad y Desarrollo
2.5 Evaluación Económica vs. Estándar Mínimo
2.6 Clasificación Funcional de un Camino
2.7 Clasificación Administrativa de un Camino
2.8 Vocación del Territorio
2.9 Cruce de la Clasificación Administrativa con el Servicio al Tránsito
2.10 Estándares de Caminos
2.11 El Proceso de Diseño y Niveles de Estudios
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPÍTULO 2: ESTÁNDARES DE CAMINOS Y PROCESO
DE DISEÑO
2.1 ASPECTOS GENERALES
Para conceptualizar el proceso de diseño de un camino o carretera, se debe exponer en primer lugar qué se entiende por ciclo de vida de un proyecto y los criterios que subyacen tras
todo proyecto vial. En una segunda etapa, el proceso de diseño requiere definir el estándar
que se proporcionará al camino en base a un conjunto de parámetros que es necesario determinar en cada caso, lo que le otorga mayor objetividad al proceso. Esos conceptos se revisan
en los numerales siguientes de este Capítulo.
2.2 CICLO DE VIDA DE UN PROYECTO VIAL
Como toda obra civil, un proyecto vial, entendido en su más amplia acepción, tiene un ciclo
de vida que va desde la concepción de su idea hasta la materialización de la obra y su posterior mantenimiento, explotación y, eventualmente, su proceso de abandono. El ciclo de vida
de un proyecto vial se puede dividir en tres grandes fases: la Fase de Preinversión, la Fase de
Inversión y la Fase de Operación. Véase Figura 2.1, donde se diagrama dichas fases en función de la línea del tiempo.
La Fase de Preinversión contempla diversas etapas, asociadas a diversos niveles de Estudios
de Ingeniería, que se definen según el objetivo que cumplen. Estas etapas, en orden creciente de detalle, complejidad y precisión, son: Idea, Perfil, Estudio Preliminar, Prefactibilidad,
Anteproyecto y Diseño. El nivel de “Idea” corresponde al estado más primario del desarrollo
de un proyecto, cuyo objetivo principal es la identificación formal de una necesidad vial,
cualquiera sea su origen, y una primera aproximación sobre la infraestructura que se requiere
para satisfacerla. En el otro extremo, el “Diseño” (asociado a lo que se conoce como “Estudio Definitivo”), corresponde a un desarrollo pormenorizado, preciso y cuantificado de un
proyecto vial, proporcionando los diseños sustentables, planos, presupuestos y documentos
requeridos para su construcción y la información que permita determinar, actualizar y afinar
los indicadores de la evaluación social del proyecto.
La Fase de Inversión corresponde a la construcción o implementación física del proyecto,
que en el caso vial se puede tratar de una obra nueva, la recuperación del estándar de una
obra existente o una ampliación o cambio de estándar. Incluye la ejecución física de las
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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obras y todos los servicios de ingeniería requeridos para asegurar el control de calidad de las
obras o de sus niveles de desempeño.
Figura 2.1. Ciclo de Vida de un Proyecto
La Fase de Operación incluye en primer lugar las labores de mantenimiento necesarias para
que el proyecto conserve en el tiempo las características estructurales y funcionales con que
fueron concebidas. Ello incluye el monitoreo de los parámetros de desempeño de las obras y
su comparación con los umbrales admisibles, y el diseño e implementación de los programas
de conservación respectivos. La fase también incluye la operación, vigilancia, explotación y
eventual abandono del proyecto. Esto último ocurre por ejemplo cuando se realizan cambios
de trazado, reposición de puentes o casos similares, donde un segmento, estructura o parte de
una obra vial queda en desuso.
En la misma Figura 2.1 se han incluido dos curvas típicas asociadas al ciclo de vida de un
proyecto. Estas curvas están referenciadas en abscisas a la línea del tiempo y en ordenadas a
costo en valor monetario. La primera curva representa la “Inversión Marginal” que corresponde a la inyección de recursos en un momento dado para implementar la etapa o fase respectiva. Se aprecia que los mayores costos ocurren durante la construcción del proyecto y
luego en su fase de operación. Los costos en la etapa de preinversión son en general pequeños en relación con el resto del ciclo de vida. La segunda curva representa el “Valor Agregado” de la etapa, es decir el aporte que tiene cada etapa en la correcta concepción del proyecto y su costo final. Se observa que una vez que se entra en la etapa de construcción los
aportes que se pueden hacer para mejorar el proyecto son muy limitados. Sin embargo, el
valor agregado de las primeras etapas del ciclo de vida es muy alto, ya que cualquier decisión
que allí se adopte tiene alta trascendencia para la futura obra, tanto positiva como negativa-
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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mente. De allí la importancia de no escatimar esfuerzos ni recursos en las primeras fases de
un proyecto, que abarca desde la formulación de la idea hasta el estudio definitivo del proyecto, donde la creatividad, la innovación, la participación de los involucrados y la pertinencia juegan un rol muy importante. Con certeza se puede afirmar que las inversiones realizadas en las fases tempranas del ciclo de vida son altamente redituables para el proyecto final y
en definitiva para la comunidad que sirve y el desarrollo sustentable del territorio.
2.3 CRITERIOS QUE RIGEN UN PROYECTO VIAL
Todo proyecto vial tiene por objeto otorgar conectividad a los integrantes de una comunidad,
facilitando el transporte de bienes y personas, mejorando con ello la calidad de vida de la
comunidad y contribuyendo al desarrollo económico y la producción de riquezas de su zona
de influencia. Esta conectividad puede ser local, regional, nacional o internacional, dependiendo de las características de cada caso y del servicio al tránsito que preste el proyecto vial.
En un determinado segmento de un camino, el tránsito puede ser de paso o de acceso a la
propiedad colindante, o una combinación de ambos. La conectividad implica realizar inversiones razonables para minimizar costos de operación y tiempos de viaje, con condiciones de
confort y estética, acordes a las necesidades de cada caso. La conectividad sin embargo no
puede ofrecerse a ultranza, sino que debe cumplir al menos dos requisitos: seguridad y sustentabilidad.
Por seguridad se entiende que la infraestructura vial debe cumplir una serie de requisitos de
manera de reducir los riesgos de accidentes y su severidad tanto para vehículos como para
personas. Esto implica no solo un buen diseño geométrico y una aceptable superficie de rodadura sino también destinar recursos en aspectos como señalización y demarcación vial, sistemas de contención, anchos de plataforma adecuados, implementación de pasarelas y travesías peatonales, y mobiliario anexo a la carretera.
Por sustentabilidad se entiende satisfacer las necesidades actuales, pero sin comprometer que
también lo puedan hacer las futuras generaciones. Son requisitos basados en tres pilares: lo
económico, lo social y lo ambiental. En lo económico, los proyectos de infraestructura vial a
pesar de su costo proporcionan la base para el desarrollo económico de la región o país y deben permitir la producción de riquezas en beneficio de la población. En lo social, el proyecto
vial supone facilitar la inclusión, aportar a la equidad, y mitigar los impactos negativos que
puedan afectar la calidad de vida de la población. En lo ambiental, el proyecto debe reducir
la degradación del medio y preservarlo para las futuras generaciones. Para más detalles sobre sustentabilidad, véase numeral 2.4.
Todos los criterios antes señalados están presentes en todas las etapas del ciclo de vida de un
proyecto vial, ya sean obras nuevas, reposiciones, mejoramientos, ampliaciones o proyectos
de conservación, combinándolos en su justa medida, lo que en muchos casos se traducen en
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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disposiciones normativas que necesariamente se deben cumplir o bien en orientaciones para
tener en cuenta en su desarrollo.
2.4 SUSTENTABILIDAD Y DESARROLLO
En Chile, la Ley 19300 sobre Bases Generales del Medio Ambiente, define el desarrollo sustentable como: “el proceso de mejoramiento sostenido y equitativo de la calidad de vida de
las personas, fundado en medidas apropiadas de conservación y protección del medio ambiente, de manera de no comprometer las expectativas de las generaciones futuras”. Esto
coincide con el Informe Brundtland (ONU, 1987), que sobre lo mismo establece que el desarrollo sustentable es aquel que “logra satisfacer las necesidades del presente sin comprometer
la habilidad de futuras generaciones de satisfacer sus propias necesidades”.
El desarrollo sustentable tiene tres dimensiones fundamentales que se deben conciliar: lo
Económico, lo Social y lo Ambiental. Estas dimensiones interactúan mutuamente. Cuando
lo hacen por pares, dan origen a lo viable, lo equitativo y lo soportable (véase el diagrama de
Venn graficado en la Figura 2.2). Sin embargo, la mejor solución de un proyecto en particular, cuando existe, ocurre sólo cuando las tres dimensiones fundamentales se equilibran, dando origen así a un proyecto sustentable.
Figura 2.2. Tricotomía del Desarrollo Sustentable
Los proyectos de alta calidad en cuanto a desarrollo sustentable son aquellos que:


Consideran un marco integrado de planificación intersectorial.
Involucran a todos los actores afectados: públicos, privados, autoridades, usuarios,
comunidad en general.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL











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Atienden a las necesidades de la población objetivo.
Minimizan costos en la vida útil del proyecto (construcción, mantenimiento y operación, considerados en conjunto).
Contribuyen a la equidad y al mejoramiento de la calidad de vida.
Garantizan un desempeño adecuado.
Posibilitan el desarrollo económico y la generación de riquezas, en forma sostenible.
Tienen en cuenta la protección del medio ambiente y los ecosistemas.
Propenden a la reducción y reutilización de materiales y se hacen cargo de la gestión de los residuos.
Favorecen la eficiencia energética.
Previenen la polución (aire, agua, tierra, residuos).
Minimizan la emisión de gases de efecto invernadero.
Son resilientes y adaptables al cambio climático.
En la actualidad existen varias metodologías que sirven para evaluar el grado de sustentabilidad de un proyecto de infraestructura. En general estas metodologías consisten en levantar
cierta información a través de cuestionarios estandarizados, lo que permite establecer posteriormente créditos o puntajes a cada rubro, según las respuestas obtenidas. Entre estos sistemas metodológicos podemos mencionar los desarrollados bajo los siguientes nombres:
GREENROADS (USA), CEEQUAL (UK), INVEST (FHWA, USA) y ENVISION (Harvard-ISI, USA).
A modo de ejemplo, la metodología ENVISION, desarrollada por la Universidad de Harvard
y el Institute for Sustainable Infrastructure, considera preguntas en categorías como:





Gestión de Recursos y Energía.
Mundo Natural.
Clima, Emisiones y Riesgo.
Calidad de vida.
Liderazgo en la planificación a largo plazo y compromiso con la sustentabilidad.
La suma total de los créditos asignados a cada respuesta del cuestionario otorga un puntaje
total que se compara luego con una regla predefinida, obteniendo así el proyecto alguno de
los grados de sustentabilidad posibles, como, por ejemplo: Aprueba, Bueno, Muy Bueno y
Excelente. En el caso de ENVISION los niveles de logros y desempeño de menor a mayor, y
su significado, son los siguientes:


Mejora: un desempeño que va más allá de lo convencional. Excede muy poco los
requisitos normativos.
Aumenta: un desempeño sostenible que va por el buen camino. Hay indicios que el
desempeño superior no está muy lejos.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL



Oscar Asenjo Guajardo
Superior: un desempeño sostenible que es notable, pero todavía está por debajo de
ser sostenible. La puntuación está diseñada para incentivar el desempeño sostenible
o restaurativo.
Conserva: un desempeño que alcanza, en esencia, un impacto negativo cero.
Restaura: un desempeño que restaura los sistemas naturales o sociales. A este tipo
de desempeño se le otorga la premiación más alta posible y se le proclama como tal.
El nivel Restaura no es pertinente en todos los objetivos.
2.5 EVALUACIÓN ECONÓMICA vs. ESTÁNDAR MÍNIMO
Como se verá en el Capítulo 3, el diseño geométrico de un camino, que está constituido por
su alineamiento horizontal, vertical y perfil tipo, queda prácticamente definido por la velocidad de proyecto que se adopte y por la clasificación funcional que le corresponde a la vía en
estudio. Adicionalmente, el proyecto vial debe complementarse con las obras de drenaje requeridas, la estructura del pavimento, las obras de seguridad vial y todas las obras complementarias y equipamiento anexo como iluminación, ciclovías, pasarelas peatonales, paraderos de buses, etc., que hacen posible el buen funcionamiento del camino. Por Estándar Vial
se entiende el conjunto de parámetros funcionales y de diseño, que representan la “calidad de
servicio” que debe poseer el camino, desde el punto de vista de la satisfacción del usuario,
acorde a sus expectativas.
Todas las obras mencionadas anteriormente contribuyen al costo de implementación del proyecto vial. La posibilidad de financiamiento para su materialización generalmente queda
condicionada a la rentabilidad económica del proyecto, comparando los costos con los beneficios esperados entre la situación con proyecto vs. la situación sin proyecto, calculados en el
período de la vida útil de la obra.
El proceso de evaluación social de un proyecto vial generalmente está supervisado por una
entidad gubernamental independiente, encargada de regular la priorización del sinnúmero de
proyectos de inversión que requiere la comunidad en todos los ámbitos de la sociedad frente
a las restricciones presupuestarias que enfrentan las arcas fiscales. Esto lleva a la necesidad
de determinar los costos y beneficios que significa la implementación de un proyecto vial y
con estos datos determinar si existe un saldo positivo. Los costos de inversión, descontando
su valor residual, deben compararse con los beneficios que representa el proyecto, los que se
calculan considerando los ahorros que tendría la implementación del proyecto en cuanto a
costos de conservación y los ahorros que representa el proyecto para los usuarios en cuanto a
costos de operación de los vehículos y tiempos de viaje, todos ellos calculados en el período
de la vida útil del proyecto. De esta forma se determinan indicadores económicos como el
Valor Actual Neto, la Tasa Interna de Retorno y el momento óptimo de inversión, que permiten determinar cuándo un proyecto es elegible para financiamiento y, si ello es así, establecer
una priorización considerando que los recursos son escasos.
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Los proyectos donde el nivel de tránsito es alto casi siempre tienen asociados rentabilidades
superiores a los mínimos exigidos para postular a financiamiento. Sin embargo, en el caso
de caminos de moderado o bajo tránsito los criterios de elegibilidad basados en la rentabilidad económica del proyecto no tienen buen pronóstico. Esto ocurre muchas veces por las
rigideces que presentan los métodos de evaluación económica y no porque las obras viales,
nuevas o mejoramientos, no sean necesarias desde el punto de vista social para la comunidad. Por ello se hace doblemente necesario definir los estándares mínimos que requiere una
obra vial, independiente de su rentabilidad, en función de su estatus dentro de la infraestructura de un país, que necesariamente requiere conectividad y comunicación terrestre. En
cualquier caso, contar con un procedimiento para para la definición del estándar mínimo u
óptimo que requiere un camino, contribuye per se a mejorar las herramientas existentes para
la asignación de recursos púbicos a la red vial de un país, ya que como hemos dicho antes, se
trata de infraestructura estratégica para la actividad social y económica de una región o de un
país.
El estándar que debe tener un camino o un proyecto vial se puede establecer a partir de la
clasificación funcional que tiene la vía, de su clasificación administrativa, de la demanda vial
y de la vocación del territorio a la que sirve. Esto se revisará en los próximos numerales de
este Capítulo.
2.6 CLASIFICACIÓN FUNCIONAL DE UN CAMINO
En la normativa internacional comparada se establece claramente una clasificación funcional
de los caminos o proyectos viales, desde el punto de vista de su servicio al tránsito vehicular.
Las clasificaciones de más alta categoría corresponden a aquellas vías cuya función principal
es la movilidad del tránsito de paso y donde por lo mismo se restringe totalmente el acceso
indiscriminado hacia y desde la propiedad colindante, lo que sólo se puede realizar a través
de dispositivos especialmente diseñados para ello, como calles de servicio, rampas de entrada o salida, enlaces, etc. En el otro extremo se ubican los caminos cuyo principal propósito
es dar acceso a la propiedad colindante, lo que generalmente se realiza directamente desde la
vía en cuestión. Entre estos dos extremos se ubican las vías de función compartida, en diversas proporciones, como se indica en la Figura 2.3, izquierda.
En Chile la clasificación funcional está definida en el Manual de Carreteras de la Dirección
de Vialidad y da origen a la siguiente tipología de vías: “Autopistas”, “Primarios/Autorrutas”, “Colectores”, “Locales” y “de Desarrollo”. Véase Figura 2.3, derecha. Esta clasificación es similar a la utilizada en otros países, aunque la terminología puede variar,
según su normativa propia.
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Figura 2.3. Clasificación Funcional
2.7 CLASIFICACIÓN ADMINISTRATIVA DE UN CAMINO
Aparte de la clasificación funcional, los organismos viales de los países también definen clasificaciones administrativas de sus vías, en función de su legislación propia y según la jerarquía que representa un camino en el contexto estructurante de la red vial nacional. Es el caso
de Chile, la clasificación administrativa de las vías está regulada por los Decretos MOP Nº
301 de 2011 y Nº 436 de 2014, donde se define la siguiente tipología: Caminos Nacionales,
Caminos Nacionales con carácter Internacional y Caminos Regionales, divididos estos últimos en Regionales Principales, Regionales Provinciales, Regionales Comunales y Regionales de Acceso. Véase detalles en los decretos respectivos, accesibles en el sitio www.bcn.cl.
Los organismos viales se encargan de clasificar su red vial en estas jerarquías y de revisarla y
actualizarla periódicamente, ya que el uso del territorio y sus necesidades de conexión varían
constantemente en el tiempo, dependiendo de: el uso del suelo, los polos de desarrollo, las
condiciones ambientales, los criterios de soberanía, la existencia de las llamadas fronteras
interiores, las zonas deprimidas, las zonas extremas y las necesidades de acceso de la población. Una forma de abordar esta última problemática es mediante el análisis de la vocación
territorial. En el caso de un proyecto específico, este análisis es igualmente necesario ya que
permite actualizar o corroborar la clasificación administrativa del camino, elaborada previamente por la Agencia Vial.
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2.8 VOCACIÓN DEL TERRITORIO
Por vocación del territorio se entiende las potencialidades, habilidades, aptitudes, capacidades, características y propiedades que posee el territorio donde se emplaza el proyecto vial en
atención a su contexto geográfico, demográfico, económico y ambiental. Estas cualidades
intrínsecas del territorio se combinan con los deseos e intereses de sus habitantes para el
desarrollo futuro de dicho territorio y con las restricciones y debilidades existentes, ya sean
geográficas, sociales o medioambientales (Macro Ing. Ltda., 2017).
El objetivo general del análisis territorial es reunir información y obtener las características
claves del territorio por donde atraviesa o pretende atravesar un determinado camino, y con
esta información ayudar a la determinación de la jerarquía de la ruta o red vial en estudio y
caracterizar la funcionalidad predominante. Ambos contribuirán a definir el estándar adecuado de la obra vial y con ello sus parámetros básicos de diseño.
Para estos efectos es clave obtener información desagregada sobre temas como: Actividad
Económica (uso actual del suelo en la zona del proyecto, instrumentos existentes de planificación territorial, datos de población y demografía, estadísticas económicas por rubro relevante, existencia de estrategias de desarrollo locales, eventuales polos de desarrollo, cualidades escénicas y turismo, territorios especiales (por soberanía, zonas rezagadas, zonas extremas, zonas indígenas), etc.), Características de la Vía y Red Vial Asociada (tipo, estado, jerarquía, redundancia, usos secundarios de la faja vial y levantamiento de conflictos), Caracterización y Prognosis de la Demanda Vial, Análisis de Seguridad Vial y Accidentabilidad,
Restricciones Existentes o Previstas (ambientales, geográficas, culturales, riesgos naturales
(amenazas, exposición, vulnerabilidad), etc.).
Colateralmente, el análisis territorial y de los conflictos con los usos secundarios del camino
permitirá definir las necesidades y características de las obras anexas en el borde de la ruta
como ciclovías, paraderos de buses, áreas de servicios, etc.
Es muy importante que, desde las tempranas etapas del ciclo de vida del proyecto vial, se
identifiquen estas cualidades territoriales, lo que redundará en una mejor concepción del proyecto. Nótese además la similitud de los parámetros mencionados en este tópico con los establecidos en el numeral 2.4 en lo referido al concepto de desarrollo sustentable. Es por ello
por lo que se puede afirmar que un proyecto vial que atienda adecuadamente el tema territorial seguramente tendrá una alta calificación si se le aplicara una evaluación de sustentabilidad.
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2.9 CRUCE DE LA CLASIFICACIÓN ADMINISTRATIVA CON EL SERVICIO AL
TRÁNSITO
En el caso chileno, el cruce de la clasificación administrativa con el servicio al tránsito de
una cierta vía permite determinar en principio su clasificación funcional, es decir la categoría
que le corresponde dentro de la siguiente gama: Autopista, Primaria/Autorruta, Colector,
Local o de Desarrollo, que es la clasificación establecida en la versión actual del Manual de
Carreteras. A modo de ejemplo, dentro de la clasificación administrativa vigente, los Caminos Nacionales comprenden aquellos que posibilitan la integración del territorio a nivel nacional y los que unen estos a las capitales provinciales. Se trata entonces de vías importantes
cuyo servicio principal es garantizar el tránsito de paso y en cierta medida podrían incluir los
que indistintamente sirven al tránsito de paso y al acceso a la propiedad colindante. Un análisis similar para el resto de la clasificación administrativa, cruzándolo con el tipo de servicio
principal que presta la vía (tránsito de paso, acceso o conexión), permite establecer la siguiente matriz para la clasificación funcional de los caminos (véase Tabla 2.1):
TABLA 2.1. CLASIFICACIÓN FUNCIONAL DE CAMINOS
Camino Nacional
Camino
Regional
Principal
Sólo servicio al tránsito de paso
Autopista
Autopista
Principalmente servicio al tránsito de paso
Primario / Autorruta
Primario /
Autorruta
Primario /
Autorruta
Continuidad de tránsito y acceso a propiedad adyacente
Colector
Colector
Colector
Colector
Local
Local
Local
Local
Desarrollo
Desarrollo
Desarrollo
Clasificación Administrativa →
Camino
Regional
Provincial
Camino
Regional
Comunal
Camino
Regional de
Acceso
Camino Internacional
Servicio Principal
↓
Servicio a la propiedad adyacente
Conexión
Autopista
Primario /
Autorruta
Colector
Local
2.10 ESTÁNDARES DE CAMINOS
Como se señaló antes, el diseño geométrico de un camino, constituido por su alineamiento
horizontal, alineamiento vertical y perfil tipo, queda prácticamente definido por la velocidad
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de proyecto que se adopte, el nivel del tránsito solicitante y por la clasificación funcional que
le corresponde a la vía en estudio. Véase definición de Velocidad de Proyecto en numeral
3.2.2.
Las normativas de diseño en general establecen que a cada categoría de la clasificación funcional de un camino le corresponde un cierto rango de velocidades de proyecto. En el caso
chileno, el Manual de Carreteras establece los siguientes rangos (Tabla 2.2):
TABLA 2.2. RANGO DE VELOCIDADES
CATEGORIA
VELOCIDAD DE
PROYECTO Vp (km/h)
Autopista
120 - 80
Primario / Autorruta
100 - 80
Colector
80 - 60
Local
70 - 40
Desarrollo
50 - 30
Dentro de la gama señalada para cada Categoría, la Velocidad de Proyecto a elegir depende
principalmente de la topografía y del volumen de tránsito previsto para la ruta: terreno plano,
Vp alta; terreno ondulado, Vp moderado; Terreno montañoso, Vp baja. Para iguales
condiciones de terreno, Vp mayor para volúmenes de tránsito más alto, y así sucesivamente.
La Categoría y la Velocidad de Proyecto finalmente adoptada constituirán principalmente el
estándar vial que caracterizará la ruta, ya que controlan los principales parámetros del diseño y la
necesidad o prescindencia de ciertas obras como los cruces a nivel, los enlaces desnivelados, las
pistas de tránsito lento, las pasarelas peatonales, etc.
Sin embargo, para completar la definición del estándar vial de una carretera o camino se requiere
establecer la necesidad y nivel de las obras anexas o de equipamiento que requiere el camino para que cumpla cabalmente su objetivo de servicio a la comunidad. Las obras anexas dependen
del tipo de camino en cuestión, de la vocación del territorio, las características del borde de
la ruta y su área de influencia. Están vinculadas principalmente a las actividades de los usuarios, ya sean locales, visitantes o meros transeúntes. A modo de ejemplo, entre ellas se cuentan las ciclovías, los paraderos de buses, las aceras peatonales, los miradores, los centros de información y las áreas de servicio. A pesar de su evidente necesidad, muchas veces estas obras
anexas sólo aportan costos al proyecto vial sin que las metodologías de evaluación actuales
permitan rescatar beneficios sociales significativos que aseguren su rentabilidad. Es por ello
que es conveniente precisar las obras anexas ligándolas al estándar de la ruta.
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La Tabla 2.3 siguiente detalla las obras viales propiamente tales y las obras anexas que puede
requerir una ruta y su nivel, lo que configuraría el estándar requerido.
En algunas ocasiones, las obras anexas no están dentro del giro de las obras que puede llevar
a cabo la Agencia Vial a cargo, pudiendo corresponder ejecutarlas a otro organismo público
o bien entes privados. En estos casos, es pertinente que la Agencia Vial reserve al menos los
espacios requeridos por la obra anexa y establecer mediante convenios lo que puede realizar
otro ente interesado en la inversión, lo que dependerá de la legislación de cada estado, región
o país.
Normalmente el estándar que tendrá el proyecto vial por desarrollar debiera encontrarse definido en la etapa de planificación previa del proyecto. Si esta definición no existiera o no
fuera clara, se procederá a elaborarla lo más tempranamente posible, ya que esta definición
tiene una alta incidencia en las características que tendrá la ruta una vez implementada, en
sus características geométricas, costos de construcción, duración y rentabilidad social del
proyecto, sin perjuicio de acercarse a ella mediante aproximaciones sucesivas.
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TABLA 2.3. CARACTERÍSTICAS SEGÚN ESTÁNDAR
Ítem
Número de calzadas
Velocidad de Proyecto y Diseño
Geométrico
Se conecta con
Autopista
Primario / Autorruta
Colector
Local
Desarrollo
2
1ó2
1ó2
1
1
Según
MC-V3
Según
MC-V3
Según
MC-V3
Según
MC-V3
Según
MC-V3
Autopistas,
Prim./Autorrutas,
Colectores
Según
MC-V6
Según nivel de contención
MC-V6
Autopistas,
Prim./Autorrutas,
Colectores, Locales
Según
MC-V6
Según nivel de
contención
MC-V6
Con doble calzada
y según flujo peatonal
Todos
No
Con calzada simple
Según
solicitación
Según necesidad
Según
solicitación
Según necesidad
Según
MC-V6
Según nivel de
contención
MC-V6
Con doble calzada y según flujo
peatonal
Con calzada
simple
Según
solicitación
Según necesidad
Definitivos
Definitivos
Definitivos
Según necesidad
Según necesidad
Sí, sin cruce calzadas.
Sí, con 2da. Calzada y sin cruce calzadas.
Sí
Sí
Según necesidad
Según necesidad
Según necesidad
Sí, con 2da. Calzada, pero puede
ser con cruce de
una calzada.
Según Peligrosidad
Según necesidad
Según necesidad
Según necesidad
Según
MC-V6
No
Según
MC-V6
No
Miradores
No
Paraderos
Sí, en bahía separada
Señalización
Seguridad vial
Pasarelas peatonales a desnivel
Atraviesos peatonales a nivel
Estructura de Pavimento
Drenaje
Puentes y estructuras
Obras Fluviales
Retornos
Cruces FFCC a
desnivel
Pistas lentas
Cambios de servicios
Iluminación
Ciclovías
Aceras peatonales
Centro de Información
Area Descanso/Servicio
Mitigaciones ambientales
Notas:
Sí, según flujo peatonal
Prim./Autorrutas,
Colectores, Locales, Desarrollo
Según
MC-V6
Según nivel de
contención
MC-V6
No
Colectores, Locales, Desarrollo
Según
MC-V6
Según nivel de
contención
MC-V6
No
Sí
Sí
Según
solicitación
Según necesidad
Definitivos o provisorios
Según necesidad
Según
solicitación
Según necesidad
Definitivos o
provisorios
Según necesidad
No
No
No
No
No
No
Según necesidad
Según necesidad
Según necesidad
Según
MC-V6
Según necesidad
Según
MC-V6
Según necesidad
Según
MC-V6
Según necesidad
Según necesidad
Sí, según necesidad
Según necesidad
Según necesidad
Sí, según necesidad
No
No
Sí, en bahía separada
No
Según necesidad
No
Sí, según necesidad
Según necesidad
No
No
Según necesidad
Según necesidad
Según necesidad
Sí
Según necesidad
No
Sí
Las requeridas,
siempre.
Las requeridas,
Las requeridas,
Las requeridas,
siempre.
siempre.
siempre.
MC-V3 : Manual de Carreteras, Volumen 3.
MC-V6 : Manual de Carreteras, Volumen 6.
Para Caminos de Bajo Tránsito, véase también Capítulo 4.
Para Rutas Escénicas, véase también Capítulo 5.
No
Las requeridas,
siempre.
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2.11 EL PROCESO DE DISEÑO Y NIVELES DE ESTUDIOS
2.11.1 El proceso de diseño
El proceso de diseño del proyecto de Ingeniería de un camino o carretera, se puede desarrollar en diversos niveles de profundidad según sea el objetivo buscado. A su vez, cualquiera
sea el nivel, en el proyecto se distinguen dos fases: la ejecución de la Ingeniería Básica y la
ejecución de la Ingeniería de Detalles. Estos conceptos se revisan a continuación. Este vocabulario es común en Ingeniería Vial y otras ramas de la Ingeniería, aunque en algunas de
ellas se puede observar un lenguaje distinto.
2.11.2 Ingeniería Básica vs. Ingeniería de Detalles
Se entiende por Ingeniería Básica aquellos estudios previos que se requieren para realizar los
diseños viales, en sus distintas especialidades y obras constitutivas. Así, por ejemplo, para
realizar el diseño de pavimentos de un proyecto vial, se requiere realizar una serie de estudios previos que permitan definir los parámetros del diseño respectivo, como: estudios de
tránsito, estudios de estratigrafía de pesos, estudios geotécnicos y mecánica de suelos, estudios climáticos, estudio de disponibilidad de materiales, etc. En este ejemplo en especial,
estos estudios constituyen la Ingeniería Básica del Proyecto en tanto que el diseño de pavimentos propiamente tal es parte constitutiva de la Ingeniería de Detalle. El resultado de este
proceso en su conjunto, incluidos los planos, especificaciones de construcción, cubicaciones
de obra, presupuestos, memorias y otros documentos que se generen, representan el Estudio
o Proyecto de Ingeniería.
2.11.3 Niveles de Estudios
Todo el proceso de diseño, representado por el Estudio de Ingeniería en su conjunto, se puede realizar con diversos grados de detalle y precisión, dependiendo de su objetivo. Es así
como un estudio de Ingeniería se puede realizar a nivel de Estudio Preliminar, de Anteproyecto o de Estudio Definitivo, niveles a los cuales se puede anteponer el de Perfil y, eventualmente, el de Idea. En todos los casos, el proceso es similar, sólo variando la profundidad
de la Ingeniería Básica, el detalle de los diseños y la precisión de los resultados finales.
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El objetivo de los diversos niveles de estudios se puede resumir de la forma mostrada en la
Tabla 2.4 siguiente.
TABLA 2.4. NIVELES DE ESTUDIO
NIVEL
OBJETIVO O USO
Idea
Identificación de una necesidad vial.
Concepción original.
Planificación Vial.
Perfil
Recopilación inicial de datos.
Costos aproximados involucrados.
Chequeo aproximado de la Rentabilidad.
Planificación Vial.
Estudio Preliminar
Estudio de Alternativas.
Costos Preliminares.
Prefactibilidad Técnica.
Prefactibilidad Económica.
Diagnóstico Ambiental.
Planificación Vial.
Anteproyecto
Estudio de alternativas.
Afinamiento de costos.
Factibilidad Técnica y Económica.
Estudio Ambiental (EIA o DIA).
Estudio Definitivo
Diseño final y planos para construcción.
Cuantificación y Valorización final de las obras.
Actualización de Indicadores de Rentabilidad.
Actualización de Estudio Ambiental.
Especificaciones detalladas para Construcción.
Notas: EIA: Estudio de Impacto Ambiental. DIA: Declaración de Impacto Ambiental
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Oscar Asenjo Guajardo
CAPITULO 3
BASES DEL DISEÑO GEOMETRICO DE CAMINOS
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Aspectos Generales
Conceptos relativos a la Velocidad
La Visibilidad
La Fricción
Diseño Geométrico de Caminos
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CAPÍTULO 3: BASES DEL DISEÑO GEOMÉTRICO
DE CAMINOS
3.1 ASPECTOS GENERALES
Un camino es una obra civil de carácter básicamente lineal, similar a una vía férrea o un canal, destinada a satisfacer las necesidades de transporte de la población, cuya ubicación geométrica en el espacio suele definirse a través de tres vistas: una proyección en planta, una
proyección vertical a través del perfil longitudinal de su alzado y una sección tipo que define
el perfil transversal del camino.
El diseño geométrico consiste en la definición pormenorizada de estas tres vistas por parte
del proyectista. La planta del camino describe la proyección del eje del camino en un plano
horizontal previamente definido. El perfil longitudinal describe la ubicación de la rasante del
camino en relación con la elevación del terreno. El perfil tipo le otorga la tercera dimensión
transversal al proyecto vial. Para que el diseño geométrico ofrezca seguridad y comodidad a
los usuarios del camino, en su desarrollo se debe cumplir una serie de requisitos y recomendaciones de diseño, a las que se ha arribado luego de muchas décadas de experiencia e investigación y que están contenidos en los instructivos que editan las agencias viales a cargo de
este tipo de infraestructura pública.
Los sistemas de coordenadas tanto horizontal como vertical se definen en base al modelo de
terreno levantado de la zona donde se emplaza el camino. El modelo de terreno puede provenir de levantamientos topográficos terrestres, levantamientos aerofotogramétricos, levantamientos Lidar (láser), levantamientos GNSS (satelital) o de cualquier otra tecnología que se
utilice, siempre que cumpla con los requisitos de precisión que requiere el proyecto en cada
caso.
Como se verá más adelante, el diseño geométrico debe respetar el cumplimiento de diversos
parámetros que dependen principalmente de la Velocidad de Proyecto que se adopte para el
camino o carretera. De allí la importancia de definir adecuadamente esta variable, luego de
un riguroso análisis de cada caso particular (véase Capítulo 2).
La idea del presente capítulo no es transcribir en detalle las normas existentes sobre diseño
geométrico, tema suficientemente abordado por la normativa nacional y extranjera (véase por
ejemplo la Bibliografía de este documento), sino poner énfasis en algunos temas básicos y
otros menos comunes o donde existe cierta ambigüedad en su tratamiento, preferentemente
en proyectos viales interurbanos.
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3.2 CONCEPTOS RELATIVOS A LA VELOCIDAD
3.2.1 Generalidades
En el ámbito vial es común encontrar diversos conceptos o términos relativos a la velocidad
de los vehículos, dependiendo del tema que se esté tratando. Para comenzar, es necesario
tener presente que en la práctica los usuarios de una vía (los conductores de los vehículos)
deben hacer frente a la realidad del trazado que encuentran en su desplazamiento. Este puede variar desde trazados holgados o amplios hasta trazados restrictivos con muchas curvas,
pendientes y poca visibilidad. También los usuarios deben hacer frente al volumen de tránsito presente en la ruta al momento de la conducción, a su composición (porcentaje de vehículos livianos, buses y camiones), al estado de conservación del camino, a la existencia o no de
control policial, etc. Si se realizara una medición en terreno de la velocidad de circulación
de los vehículos en una sección específica de un camino se encontraría que ella no es uniforme sino variable y que sigue una distribución estadística parecida a una distribución Normal (Gauss) o una distribución acotada por el lado izquierdo si se quiere evitar valores negativos (distribución de Weibull). En cualquier caso, si se grafica la frecuencia acumulada de
las velocidades medidas se obtiene la típica forma de “S” como lo indica por ejemplo la curva de la Figura 3.1, donde se grafica el Percentil en función de las velocidades vehiculares
medidas.
Figura 3.1. Distribución de Velocidades
Por razones de costo, el diseño geométrico de un camino no se hace para la velocidad vehicular más alta medida o prevista sino para un percentil cercano, específicamente el 85%, que
se considera que caracteriza un comportamiento cómodo y prudente del conductor. El resto
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más alto queda resguardado por los factores de seguridad que conllevan los parámetros de
diseño, teniendo presente que más allá del “comportamiento cómodo y prudente” el camino
aún tiene capacidad de respuesta para el conductor desde el punto de vista de su oferta de seguridad última. Generalmente en los sectores de trazado amplio las velocidades vehiculares
tienden a subir. Ello hace necesario que al final de dichos sectores, cuando comience un sector de trazado restrictivo (caracterizado por ejemplo por la existencia de curvas pronunciadas), se incorpore una zona de transición. Allí se deberán tomar precauciones en el diseño,
ya que probablemente al inicio de las zonas de transición, la velocidad correspondiente al
percentil 85% sea bastantemente mayor que la velocidad de proyecto del camino. Para estos
efectos la literatura internacional comparada y las normativas de diseño contemplan métodos
o algoritmos que permiten estimar la velocidad percentil 85% a partir de las características
geométricas del camino y de las condiciones de cada caso particular.
3.2.2 Tipos de velocidades
Teniendo presente lo señalado en el numeral anterior, en las normativas de diseño se distinguen diversos términos relativos a la velocidad, como los que se indican a continuación, que
corresponden a las definidas en el Manual de Carreteras de Chile, aunque la transcripción no
es textual sino más bien interpretativa y matizada con la terminología técnica actual.
-
La Velocidad de Proyecto (Vp)
Es la Velocidad directriz a partir de la cual se calculan los elementos geométricos mínimos
aceptables en el diseño vial, configurando el estándar que se pretende dar a un camino dentro
de la gama de velocidades que caracterizan una cierta categoría de clasificación funcional del
proyecto vial. La Velocidad de Proyecto se asume como dato de entrada para el diseño geométrico y se determina a partir de la propia clasificación funcional, del relieve u orografía del
terreno, de la magnitud del tránsito solicitante, etc. Corresponde teóricamente a la velocidad
que se debe señalizar en un camino o carretera.
-
Velocidad Específica (Ve)
Es la Velocidad máxima segura que permite un elemento curvo específico del trazado en
planta, de acuerdo con el radio de la curva, el peralte empleado y la fricción transversal
admisible para dicha velocidad considerando pavimento húmedo, o bien en una curva
vertical según su parámetro y la visibilidad esperada, todo ello en condiciones de tránsito libre,
prescindiendo de las condiciones meteorológicas, del ancho de la calzada y de las obstrucciones
laterales de la vía.
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-
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La Velocidad de Operación (Vop)
Es la Velocidad media de desplazamiento de los usuarios. Dice relación con la calidad de
servicio que brinda la ruta bajo sus condiciones prevalecientes (estándar de la ruta, volumen
y composición del tránsito, gradientes pronunciadas o largas, obstrucciones laterales existentes y otros), todo ello en conformidad con los conceptos de Capacidad y Nivel de Servicio de
una carretera o camino. También es la velocidad utilizada en las evaluaciones económicas
de los proyectos viales.
-
La Velocidad Percentil 85% (V85)
Es la Velocidad que no es superada por el 85% de los usuarios. Se asocia a la comodidad y
prudencia en la conducción. En sectores de trazado amplio y en periodos de baja demanda,
puede ser significativamente mayor que la Velocidad de Proyecto.
-
La Velocidad V*
Concepto similar a la V85, pero que en la normativa chilena se considera para verificar la Visibilidad de Parada (en planta y alzado). Las hipótesis de cálculo responden a situaciones de
ocurrencia eventual, razón por lo cual la V* adoptada es una minoración razonable de la V85.
En todo caso siempre se cumple que: Vp  V*  V85.
-
La Velocidad Percentil 99% (V99)
Es la Velocidad que no es superada por el 99% de los usuarios. Se asocia a conceptos de seguridad de la conducción.
3.2.3 Algoritmos para determinar la Velocidad V85
En caminos existentes, la velocidad V85 se puede obtener directamente de terreno mediante
mediciones de velocidad en secciones específicas del camino, en condiciones de tránsito bajo
o moderado. Alternativamente se puede recurrir a modelos velocidad-geometría, especialmente en el caso de caminos nuevos o de mejoramientos de proyecto. Al respecto, la literatura técnica internacional comparada ofrece una amplia gama de investigaciones para anticipar o estimar la velocidad V85 a partir de ciertas características geométricas del camino. La
Tabla 3.1, indica algunas de las numerosas expresiones existentes, determinadas para este
objeto mediante mediciones en terreno para vehículos ligeros.
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TABLA 3.1. ESTIMACIÓN DE LA VELOCIDAD V85
Modelo
Expresión
McLean
(Australia, 1979)
𝑉85 = 53,80 + 0,464 𝑉𝑟𝑒𝑐𝑡𝑎 – 3.260 / 𝑅 + 85.000 / 𝑅2
Lamm y Choueiri
(USA, 1987)
𝑉85 = 94,397 – 3.189,24 / 𝑅
Irizarry y Krammer
(USA, 1998)
𝑉85 = 105,86 – 3.559,58 / 𝑅
Fitzpatrick et al.
(USA, 2000)
Varias expresiones, según inclinación de la rasante en curva, curvas
combinadas con acuerdos verticales, o rectas con acuerdos verticales.
Castro et al.
(España, 2005)
𝑉85 = 120,16 – 5.596,72 / 𝑅
Pérez et al.
(España, 2013)
𝑉85 = 97,43 – 3.310,94 / 𝑅;
400𝑚 < 𝑅 ≤ 950𝑚
𝑉85 = 102,05 – 3.990,26 / 𝑅;
70𝑚 < 𝑅 ≤ 400𝑚
Donde: 𝑉85 en km/h; 𝑅, radio de la curva, en m.
Por su parte, la normativa chilena, contenida en el Manual de Carreteras de Chile, establece
una metodología especial para estimar las velocidades V85 y V*. Estos algoritmos provienen
de mediciones reales de velocidad de vehículos en caminos típicos de la red vial nacional,
dentro de una amplia gama de circunstancias geométricas y de entorno.
En este caso, asumida una cierta velocidad de proyecto Vp, el diseño geométrico de los elementos del camino se desarrolla para un cierto percentil de la velocidad vehicular esperada
para el camino, representado por las velocidades V85 y V*, que son parámetros controladores
con los cuales se contrasta la velocidad específica (Ve) de cada elemento del trazado.
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En resumen, la metodología del Manual de Carreteras es la siguiente:
La velocidad V85, que se utiliza en el diseño de la planta, se calcula como:
a)
Sector Trazado Restringido:
b) Final o transición de Sector Trazado Amplio:
V85 = Vp
V85 = Vp + ∆V1
∆V1 varía entre 0 y 20 km/h y depende de la longitud de las rectas, del ancho de pistas y
bermas, tipo de camino y de la propia velocidad de proyecto. El Manual de Carreteras contiene tablas y criterios para determinar el valor de ∆V1 dependiendo del caso analizado.
Además, dicho Manual establece rangos posibles para los radios en planta de curvas sucesivas en sectores con secuencia de curvas, lo que indirectamente determina la V85, a través de
la Ve asociada a cada curva.
La velocidad V*, que se utiliza en el diseño del alzado y en la verificación de la Distancia de
Parada en curvas horizontales, se calcula como:
a)
Sector Trazado Restringido:
V* = Vp
b) Final de Sector de Trazado Amplio:
c)
b.1) Curvas Verticales Convexas:
V* = Vp + ∆V2
b.2) Curvas Verticales Cóncavas:
V* = Vp
Dp en curvas horizontales:
V* = Vp + ∆V3
∆V2 y ∆V3 varían entre 0 y 10 km/h y dependen de la longitud de las rectas con curva vertical
convexa y de la magnitud del radio de la curva horizontal en relación con el radio mínimo.
El Manual de Carreteras contiene diversos criterios donde se entregan los valores de ∆V2 y
∆V3 dependiendo del caso analizado.
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3.3. LA VISIBILIDAD
3.3.1 Distancia de Visibilidad
La visibilidad es muy importante en los caminos, por cuanto su disponibilidad representa una
condición de seguridad básica para la conducción. Se denomina "Distancia de Visibilidad",
Dv, a la longitud del camino que es visible al conductor, en la dirección de marcha del vehículo.
La Distancia de Visibilidad debe ser tal que permita al conductor maniobrar el vehículo en forma
segura y cómoda ante diversas situaciones, como por ejemplo para detectar un obstáculo y poder
detenerse ante él antes de impactarlo, o en una maniobra de adelantamiento de vehículos rezagados o en una maniobra de cruce.
El aseguramiento de una visibilidad adecuada influye tanto en el diseño geométrico del camino
como en el ancho despejado que se debe procurar en los cortes, parapetos o en las variaciones de
talud, especialmente en las curvas horizontales.
Según el propósito al que está dirigido, la distancia de visibilidad debe cumplir los siguientes
valores mínimos:

En una maniobra de parada:
Dv  Dp, donde Dp = Distancia de Parada.

En una maniobra de adelantamiento:
Dv  Da, donde Da = Distancia de Adelantamiento.

En una maniobra de cruce:
Dv  Dc, donde Dc = Distancia de Visibilidad de Cruce.
El diseño geométrico del camino debe garantizar en todo punto de él que Dv sea mayor o igual
que Dp, ya que se trata de una condición básica de seguridad mínima. Algo similar ocurre con
la visibilidad de cruce. En cambio, la condición Dv  Da, que es relevante sólo en las calzadas
bidireccionales, sólo se exigirá su cumplimiento en tramos aptos del camino que se presten para
una maniobra de adelantamiento. Para estos efectos las normativas establecen ciertos criterios y
parámetros que se deben atender.
En lo que sigue se revisarán algunos aspectos relevantes sobre la distancia de parada y la
distancia de adelantamiento.
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3.3.2 Distancia de Parada
La "Distancia de Parada", Dp, corresponde a la distancia total recorrida por un vehículo obligado
a detenerse, medida desde el momento en que aparece el objeto que motiva la detención.
Dp comprende las distancias recorridas durante los tiempos de "percepción y reacción" y de
"frenado propiamente tal", representados por los dos sumandos de la siguiente expresión
newtoniana, utilizada por varias agencias viales del mundo:
𝐷𝑝 =
𝑉𝑖 × 𝑡𝑟
𝑉𝑖 2
+
3,6
254 (𝑓𝐿 ± 𝑖)
donde:
𝑉𝑖 :
𝑡𝑟 :
𝑓𝐿 :
𝑖:
Velocidad inicial del vehículo, [km/h].
Tiempo de percepción y reacción, [s].
Fricción longitudinal entre los neumáticos y la superficie de rodadura, [kg/kg o
fracción de 1].
Pendiente o gradiente de la rasante [m/m o fracción de 1].
El valor de tr recomendado por el Manual de Carreteras para caminos y carreteras en Chile es
2,0 s. Algunas normativas utilizan valores distintos pero similares a este guarismo (véase
numeral 1.4.1). En cuanto a i, se usa signo positivo para las gradientes (subidas) y signo
negativo para las pendientes (bajadas). Sobre la fricción longitudinal, véase el numeral 3.4,
donde se trata en detalle este parámetro. En la ecuación anterior, tanto 𝑓𝐿 como 𝑖 están medidos
en fracción de uno, o en otras palabras, son adimensionales.
Si se asume que la velocidad inicial del vehículo obligado a detenerse es la Velocidad de
Proyecto (Vp) y si se supone i=0, se obtiene para la Distancia de Parada los valores redondeados
que se indican en la Tabla 3.2, que son los valores mostrados comúnmente en las normas de
diseño.
La ecuación anterior supone una fricción constante durante el proceso de frenado, que
corresponde a la fricción de la velocidad inicial del móvil (Vp). Esto es una simplificación del
fenómeno real ya que se ha demostrado que la fricción es también función de la velocidad (véase
detalles en numeral 3.4). En el caso de los valores normativos de Chile, el error que se comete
por este concepto varía aproximadamente entre 1% y 10%, siendo más notorio en las
velocidades altas.
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TABLA 3.2. DISTANCIA DE PARADA Dp (m)
Vp (km/h)
Normativa
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
300
Distancia de Parada Dp (m)
Chile (1)
25
38
52
70
90
115
145
175
210
250
AASHTO (2)
35
50
65
85
105
130
160
185
220
250
37
52
70
91
117
145
179
217
261
España (3)
(1) Manual de Carreteras, Chile, 2018.
(2) AASHTO, A Policy on Geometric Design of Highways and Streets (Green Book), USA, 2001.
(3) Norma 3.1-IC, Trazado, Instrucciones de Carreteras, España, 2016.
Algunas normas, como la alemana, corrigen este problema, efectuando una integración del
segundo componente de la ecuación e incorporando además la resistencia al aire que afecta al
vehículo, resultando la siguiente nueva expresión:
𝐷𝑝 =
0
𝑉𝑖 × 𝑡𝑟
1
𝑉𝑑𝑉
+ ( 2) × ∫
3,6
3,6
𝑉𝑖 𝑎(𝑉)
en donde:
𝐷𝑝 =
𝑡𝑟 =
𝑉𝑖 =
𝑎(𝑉) =
Distancia de parada en [m].
Tiempo de reacción en [s].
Velocidad inicial en [km/h].
Deceleración, variable en función de la velocidad instantánea.
La deceleración 𝑎(𝑉) está compuesta por varias deceleraciones, que son:

Deceleración producida por la fricción rueda – pavimento (𝑓𝐿 ), cuyo valor es
𝑔 ∗ 𝑓𝐿 . Como veremos más adelante, 𝑓𝐿 es función de la velocidad instantánea
𝑉. “𝑔” es la aceleración de gravedad.

Aceleración o deceleración producida por la inclinación de la rasante cuyo valor es ± 0,01 𝑖𝑔, siendo 𝑖 la inclinación en tanto por ciento (positiva en gradiente y negativa en pendiente).

Deceleración producida por la resistencia del aire al avance del vehículo cuyo
valor en función de la velocidad instantánea puede expresarse como 𝑔 ∗
𝐹𝑑/𝑊, en donde 𝐹𝑑 es la resistencia al aire del vehículo y 𝑊 su peso, rela-
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ción que es función cuadrática de 𝑉, y puede representarse mediante la función
𝑔𝑘𝑉 2 (véase numeral 3.5.7).

Deceleración producida por la resistencia a la rodadura, cuyo valor es 𝑔 ∗ 𝐶𝑟𝑟,
donde 𝐶𝑟𝑟 es el coeficiente de rodadura (véase numeral 3.5.8). Dado que en
este caso se trata de un valor pequeño frente a las deceleraciones anteriores,
ella se ha omitido.
Sustituyendo el valor de 𝑎(𝑉), la distancia de parada puede escribirse de la siguiente forma:
𝐷𝑝 =
0
𝑉𝑖 × 𝑡𝑟
1
𝑉𝑑𝑉
+ ( 2) ∫
2
3,6
3,6
𝑉𝑖 (𝑔𝑓𝐿 (𝑉) ± 0,01𝑔𝑖 + 𝑔𝑘𝑉 )
𝐷𝑝 =
0
𝑉𝑖 × 𝑡𝑟
1
1
𝑉𝑑𝑉
+ ( 2) ( ) ∫
3,6
3,6
𝑔 𝑉𝑖 (𝑓𝐿 (𝑉) ± 0,01𝑖 + 𝑘𝑉 2 )
Esta es la expresión más general del valor de la distancia de parada y es así como se determina para una determinada velocidad inicial, Vi, en la norma alemana.
Otra expresión derivada de la anterior, también utilizada en algunas normas para determinar
el valor de la distancia de parada es:
𝐷𝑝 =
𝑉𝑖 × 𝑡𝑟
1
1
1
𝑉𝑖 2
+ ( ) ( 2) ( ) (
)
3,6
2 3,6
𝑔 (𝑓𝐿𝑚 (𝑉𝑖) ± 0,01𝑖 + 𝜅𝑉𝑖 2 )
en donde𝑓𝐿𝑚 (𝑉𝑖)es una fricción longitudinal “media” equivalente, por lo que la fórmula tiene un error asociado a este hecho. Análogamente ocurre con la constante κ (kappa), valor
medio de k.
3.3.3 Distancia de Adelantamiento
La "Distancia de Adelantamiento", Da, es la distancia mínima que necesita el conductor de un
vehículo para adelantar a otro en forma segura y cómoda. En la maniobra de adelantamiento no
se debe afectar la velocidad del vehículo sobrepasado ni la de otro vehículo que se aproxime en
sentido contrario.
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El cómputo de la distancia de adelantamiento incluye también la distancia recorrida por el
vehículo que se aproxima en dirección contraria y una distancia de seguridad entre el término del
adelantamiento y el vehículo que viene en dirección contraria.
Algunos valores típicos utilizados en diseño vial para la Da, se indican en la Tabla 3.3.
El chequeo de la visibilidad de adelantamiento sólo se considera en calzadas de tránsito
bidireccional. En el diseño de la planta, sólo se permitirá zonas de adelantamiento si las
condiciones de visibilidad en terreno son adecuadas. En el diseño de la rasante, mayor
visibilidad implica en general efectuar un mayor movimiento de tierras para configurar la
plataforma del camino. De esta forma, conservar la visibilidad de adelantamiento en la totalidad
del trazado resulta en general gravoso, sobre todo en zonas de topografía accidentada. Por otra
parte, la poca frecuencia de zonas con visibilidad de adelantamiento puede producir impaciencia
en los conductores. Por ello las normativas de diseño disponen que un camino debe presentar
zonas de adelantamiento por lo menos cada cierta distancia, que sean congruentes con la
seguridad vial.
TABLA 3.3. DISTANCIA DE ADELANTAMIENTO Da (m)
Normativa
Vp (km/h)
30
40
50
60
70
80
90
100
Chile (1)
180
240
300
370
440
500
550
600
AASHTO (2)
200
270
345
410
485
540
615
670
200
300
400
450
500
550
600
110
120
730
775
Distancia de Adelantamiento Da (m)
España (3)
(1) Manual de Carreteras, Chile, 2018.
(2) AASHTO, A Policy on Geometric Design of Highways and Streets (Green Book), USA, 2001.
(3) Norma 3.1-IC, Trazado, Instrucciones de Carreteras, España, 2001.
3.4 LA FRICCIÓN
3.4.1 Contexto General
Uno de los temas más importantes en diseño vial es la fricción. Se refiere a la interacción
entre el vehículo (sus neumáticos) y la superficie por donde circula (el pavimento) y es muy
relevante en la seguridad de la conducción. Se requiere fricción por ejemplo para acelerar un
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vehículo, para frenarlo, para hacer cambios de pista o para contrarrestar la fuerza centrífuga
que tiende a desestabilizar el vehículo cuando gira en curva.
En el ámbito de la fricción existen diversos conceptos relacionados entre sí, pero que es necesario diferenciar. Por otra parte, la fricción se encuentra involucrada en varias etapas del
proyecto vial, a veces con terminología ambigua lo que no contribuye a la claridad del tema.
Por ejemplo, en diseño es necesario establecer valores de fricción longitudinal, para determinar la Distancia de Parada, y valores de fricción transversal para determinar radios mínimos
de curvas horizontales. En construcción, es necesario definir fricción mínima para la recepción de pavimentos nuevos, lo que se hace a través de parámetros sustitutos como son la macrotextura y la resistencia al deslizamiento. En conservación, explotación y gestión de infraestructura, es necesario establecer fricción mínima de alerta o de intervención para garantizar
la seguridad vial durante la operación de la obra, lo que también se hace normalmente a través de parámetros sustitutos. Por otra parte, en el ámbito vial pero netamente técnico, se
puede constatar que el progreso del conocimiento de la variable fricción se ha llevado a cabo
en forma independiente, según el tema que se trate. Todo ello contribuye a observar nomenclatura distinta para referirse a los mismos conceptos o términos parecidos para referirse a
conceptos distintos.
En el presente numeral 3.4 se describe el tema de la fricción en los caminos, relacionando los
modelos dinámicos existentes sobre el sistema neumático-pavimento, los instrumentos de
medición de las variables que intervienen en la fricción, el concepto de llamado Índice de
Fricción Internacional, los conceptos de oferta y demanda de fricción, y los valores de fricción utilizados en el diseño geométrico de los caminos, dando coherencia a temas aparentemente inconexos.
3.4.2 Origen de la Fricción y su importancia
El coeficiente de roce o fricción entre dos superficies se puede definir como el coeficiente de
proporcionalidad entre la fuerza de fricción y la carga normal a la superficie de contacto,
cuando un objeto es obligado a desplazarse sobre otro.
En el caso de los vehículos, la fricción entre neumáticos y pavimento resulta muy relevante
para la seguridad vial, ya que es la responsable de mantener la estabilidad del vehículo ante
maniobras de frenado o en la conducción en curvas horizontales, como se detallará más adelante. El origen de la fricción entre neumático y pavimento se fundamenta en que la zona de
apoyo del neumático no es un punto ni una línea sino una superficie donde ocurren dos fenómenos físicos: la adhesión molecular y la histéresis del caucho. Ambos efectos se suman
contribuyendo a la fricción total. Véase la Figura 3.2.
Por adhesión se entiende el fenómeno por el cual los átomos de dos cuerpos en contacto,
sean rígidos o no, desarrollan una fuerza electromagnética de atracción mutua. La resistencia
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a la ruptura de estas fuerzas provoca la aparición de una resultante paralela a la superficie de
contacto, que se opone al movimiento relativo entre los dos cuerpos.
Por otra parte, la histéresis del caucho tiene lugar debido al comportamiento viscoelástico de
este material. El deslizamiento de un neumático sobre un pavimento con irregularidades (lo
que técnicamente llamamos “textura”) provoca deformaciones en el caucho. Cuando esta
irregularidad se ha superado, el caucho tiende a recuperar su forma original pero no de manera inmediata. Este desfase genera una distribución de presiones asimétrica orientada en sentido contrario al deslizamiento, lo que contribuye con una resultante horizontal a favor de la
fricción total.
Figura 3.2. Aporte de la histéresis y de la adhesión a la fricción
Otra consecuencia de la histéresis de un neumático es la resistencia a la rodadura, tema distinto que es tratado más adelante (véase numeral 3.5.8).
Una característica importante de la fricción entre neumático y pavimento es que disminuye a
medida que la velocidad de desplazamiento del móvil aumenta.
En la práctica y considerando las conclusiones de los estudios impulsados por la PIARC en
los años 90 (véase numeral 3.4.7), para cuantificar la fricción entre neumático y pavimento
se recurre generalmente a ensayes o mediciones indirectas de campo. Concretamente la me-
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dición de dos variables: una de “resistencia al deslizamiento” y otra de “textura” de la superficie de rodadura. La adecuada combinación de estas dos variables permite establecer la
fricción que ofrece el pavimento a los usuarios para cualquier velocidad de desplazamiento
de los vehículos. Es necesario recalcar que estas dos variables (y sus lecturas) no corresponden a la fricción propiamente tal del pavimento, sino que son parámetros sustitutos que la
representan y que, adecuadamente combinadas, permiten su cuantificación.
La fricción es tan importante en el diseño de los caminos que en la práctica condiciona tanto
el diseño de la planta como el del alzado, según se trate de la fricción lateral o la fricción
longitudinal respectivamente. Ello se materializa a través del control de las principales variables del diseño geométrico, como son los radios mínimos de las curvas horizontales donde
la fricción transversal cubre la aceleración centrífuga no compensada por el peralte, y los parámetros de las curvas verticales que garantizan la visibilidad requerida para una maniobra
de parada ante una detención imprevista.
Es por ello que todas las normas de diseño geométrico establecen ciertos valores de la fricción, tanto longitudinal como transversal, que deben tenerse presente en el cálculo de los
principales parámetros que gobiernan el diseño geométrico de los caminos. Véase a modo de
ejemplo la Figura 3.3, donde se grafican las fricciones de algunas normas internacionales.
La curva identificada como “MC-V3” corresponde a los valores estipulados en el Manual de
Carreteras de Chile, Volumen 3.
Fricción Longitudinal
Fricción Transversal
Figura 3.3. Fricción en Diseño Geométrico
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3.4.3 Modelos de Rueda
Para comenzar el tratamiento sistemático de la fricción es necesario referirse brevemente a
los modelos de rueda. En el ámbito de la dinámica de los vehículos, se han desarrollado muchos modelos de comportamiento del sistema neumático-pavimento, llamados “modelos de
rueda”. La idea es proveer herramientas para calcular los torques y las fuerzas de fricción (o
coeficientes de fricción) tanto transversales como longitudinales, que actúan en la zona de
contacto entre rueda y pavimento, que tienden a estabilizar o maniobrar un vehículo en determinadas circunstancias. Típicamente, los datos de entrada de estos modelos son: tipo de
neumático, diseño de la banda, estado del neumático, magnitud de la carga vertical, presión
de inflado, porcentaje de deslizamiento, ángulo de deriva, ángulo de caída, velocidad de desplazamiento, tipo de pavimento y estado del pavimento. Véase Figura 3.4. Algunas de las
principales variables de entrada y de salida antes mencionadas se describen más adelante en
este numeral.
Figura 3.4. Entrada y Salida de un Modelo de Rueda
Típicamente, los modelos de rueda consideran un sistema de coordenadas tri-ortogonal, donde el eje “z” es vertical, el eje “x” corresponde a la intersección de la superficie del pavimento con la superficie que contiene la rueda, y el eje “y” es transversal a “x”. De acuerdo con
esta convención, las fuerzas de fricción que se consideran en un modelo de rueda son (véase
detalles gráficos en la Figura 3.5):
a)
Fuerza de Fricción Longitudinal, Fx, según eje x. Se produce por:
a. Frenado
b. Aceleración
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b) Fuerza de Fricción Transversal o Lateral, Fy, según eje y. Se produce por:
a. Giro en curva a la derecha
b. Giro en curva a la izquierda
c. Cambios de pistas
d. Viento lateral
c)
Fuerza de Fricción Combinada, según los ejes x e y simultáneamente: Corresponde
a la fuerza resultante de las anteriores.
Figura 3.5. Coordenadas, Fuerzas y Momentos en un Modelo de Rueda
En las últimas décadas se han desarrollado muchos modelos de rueda, tanto analíticos como
empíricos abordados por diversos métodos (físicos, matemáticos, elementos finitos, etc.). El
modelo semi empírico más divulgado es el conocido como Magic Formula Model, desarrollado originalmente por H. B. Pacejka, que permite determinar las fuerzas Fx y Fy, y el momento de auto alineamiento (denominado Mz en la Figura 3.5).
La estructura general de la fórmula de Pacejka, dada cierta carga vertical, es la siguiente
(véase detalles de este modelo y otros modelos similares en la bibliografía respectiva):
𝑦 = 𝐷 × 𝑠𝑒𝑛[𝐶 × 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛{𝐵𝑥 − 𝐸(𝐵𝑥 − 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛𝐵𝑥)}]
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en que:
𝑌(𝑋) = 𝑦(𝑥) + 𝑆𝑉
𝑥 = 𝑋 + 𝑆𝐻
donde:
𝑌:
𝑋:
𝐵:
𝐶:
𝐷:
𝐸:
𝑆𝐻 :
𝑆𝑉 :
output (puede ser 𝐹𝑥 , 𝐹𝑦 o 𝑀𝑧 )
input (razón de deslizamiento o ángulo de deriva, según el caso)
factor de rigidez
factor de forma
valor peak
factor de curvatura
Offset horizontal
Offset vertical
En lo que sigue reproduciremos las principales variables que intervienen en los diversos modelos de rueda existentes, y su efecto sobre la fricción neumático-pavimento, parámetro fundamental requerido en el diseño geométrico de los caminos.
3.4.4 La Fricción Longitudinal
Tal como anticipa el modelo de Pacejka y manteniendo constante el resto de las variables de
entrada, se ha demostrado que la fuerza de fricción longitudinal pura Fx depende en gran
medida de la “razón de deslizamiento” (denominado “s”) que se define como (véase terminología en Figura 3.6):
𝑠 =
𝑉𝑝
𝑉 − 𝑅𝜔
𝑅𝜔
=
= 1−
𝑉
𝑉
𝑉
donde:
V:
Vp :
ω:
R:
Velocidad de desplazamiento del móvil (velocidad de la rueda en su centro).
Velocidad del punto de contacto de la rueda con el pavimento (punto P).
Velocidad angular de la rueda.
Radio de la rueda.
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Figura 3.6. Fricción Longitudinal
La razón de deslizamiento puede variar numéricamente entre 0 y 1. En la práctica, la razón
de deslizamiento tiene que ver con el grado de presión que se ejerce sobre el sistema de freno
de la rueda. De acuerdo con ello, la rueda puede moverse libremente, o con un cierto grado
de bloqueo, o con bloqueo total.
Así, en nomenclatura matemática la fricción en el eje “x” se puede escribir como la siguiente
función: Fx = Fx(s), donde 0 ≤ s ≤ 1.
Se pueden visualizar tres casos:
a)
Rueda con giro libre. En este caso se cumplen las siguientes relaciones:
V=ω*R
s=0
Vp = 0
b) Rueda con bloqueo parcial. En este caso se cumple lo siguiente:
0<s<1
0 <Vp< V
c)
Rueda con bloqueo total. En este caso se cumple lo siguiente:
ω=0
s=1
Vp = V
La forma típica de la función Fx(s) se indica en la Figura 3.7, que muestra la variación de Fx
con la razón de deslizamiento, suponiendo constante el resto de las variables (tipo de neumático, presión de inflado, velocidad de desplazamiento, carga vertical, etc.). Se observa que la
función presenta un máximo para una razón de deslizamiento “s” entre 0,10 y 0,20 aproximadamente.
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Figura 3.7. Función Fx
3.4.5 La Fricción Transversal
En forma similar al caso de la fricción longitudinal, se ha demostrado que la fricción transversal pura, Fy, depende en este caso en gran medida del “ángulo de deriva” (denominado
“α”) que corresponde al ángulo de desfase entre el plano en que gira la rueda y la dirección
en que efectivamente se desplaza la rueda cuando está sometida a una fuerza lateral, como
por ejemplo la fuerza centrífuga que aparece cuando un vehículo circula en curva. Véase la
Figura 3.8. Nótese que el vector V, velocidad de desplazamiento del móvil, tiene una dirección que se aparta en el ángulo α del plano de la rueda (plano xz).
Figura 3.8. Fricción Transversal
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El ángulo de deriva se define como:
𝑉𝑦
𝛼 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 ( )
𝑉𝑥
donde Vx y Vy son las componentes del vector de velocidad V.
Así, la fricción en el eje “y” se puede escribir como: Fy = Fy(α), donde α es el ángulo de
deriva antes definido.
La forma típica de la función Fy(α) se ilustra en la Figura 3.9, que muestra la variación de Fy
según el ángulo de deriva, suponiendo constante el resto de las variables que intervienen. Se
observa que la fricción lateral alcanza prácticamente su valor máximo para ángulos de deriva
entre 10⁰ y 20⁰.
Figura 3.9. Función Fy
3.4.6 Caso combinado
El caso combinado de fricción longitudinal más fricción transversal es el crítico para efectos
de diseño geométrico y se da por ejemplo cuando un vehículo circulando en curva se ve
obligado a detenerse. En este caso ambas fuerzas de fricción se suman vectorialmente, dando como resultado una fuerza equivalente denominada F. Para que el vehículo no derrape, se
requiere que la fuerza de fricción resultante F sea igual o inferior a 𝜇𝑚á𝑥 𝐹𝑧, donde 𝜇𝑚á𝑥 es la
fricción máxima ofrecida por el pavimento y Fz es la carga vertical que actúa sobre la rueda.
Véase la Figura 3.10 donde se grafica esta situación. En este caso, tanto la razón de desliza-
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miento s como el ángulo de deriva α son distintos de cero, y tanto Fx como Fy dependen simultáneamente de s y α, o sea:
Fx(s, α) = Fx(Fx(s), s, α)
Fy(s, α) = Fy(Fy(α), s, α)
Figura 3.10. Fricción combinada
La fuerza resultante o combinada, F, debe cumplir entonces con la condición:
𝐹 = √𝐹𝑥 2 + 𝐹𝑦 2 ≤ 𝜇𝑚á𝑥 𝐹𝑧
Dado que existen cuatro variables involucradas (Fx, Fy, s, α), cualquier representación de la
interacción de estas variables en dos dimensiones sólo se puede hacer parametrizando algunas de las variables redundantes como se indica a modo de ejemplo en la Figura 3.11 (véase
detalles en Schramm, Hiller & Bardini, 2014). Una representación interesante de resaltar la
constituye la Figura 3.11 derecha, donde teniendo presente que la figura se repite simétricamente en el sentido “-y”, claramente se puede observar una envolvente elíptica que indica
que cualquier caso posible de combinación de fuerzas Fx y Fy debe tener necesariamente una
resultante (suma vectorial) dentro de una elipse, llamada Elipse de Fricción. En el caso que
exista isotropía entre fricción longitudinal y transversal, se habla de Círculo de Fricción.
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Figura 3.11. Fricción Fx y Fy
La Figura 3.12 muestra gráficamente un círculo de fricción, donde 𝑓𝑚á𝑥 corresponde al término 𝜇𝑚á𝑥 de la ecuación anterior. La Figura 3.13 muestra gráficamente una elipse de fricción especial, llamada elipse de Krempel, utilizada en la norma alemana, donde se supone
que típicamente fTmáx = 0.925 fLmáx. Es conveniente recalcar que, en ambos casos, 𝑓 minúscula representa coeficiente de fricción (adimensional), numéricamente proporcional al módulo de la fuerza de fricción respectiva. Nótese la validez de cada cuadrante de los gráficos según la combinación de pares que se represente de las siguientes situaciones: Tractive (tracción de aceleración), Braking (frenado), Right (giro a la derecha) y Left (giro a la izquierda).
Figura 3.12. Círculo de Fricción
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Figura 3.13. Elipse de Fricción
En resumen, las condiciones que deben cumplir las fricciones longitudinal (𝑓𝐿 ) y transversal
(𝑓𝑇 ), para que queden comprendidas dentro de un círculo o una elipse de fricción, son las siguientes:
Círculo de Fricción:
𝑓𝐿 2
𝑓𝑇 2
(
) + (
) ≤1
𝑓𝑚á𝑥
𝑓𝑚á𝑥
Elipse de Fricción:
𝑓𝐿 2
𝑓𝑇 2
(
) + (
) ≤1
𝑓𝐿𝑚á𝑥
𝑓𝑇𝑚á𝑥
donde 𝑓𝑚á𝑥 es la máxima fricción total que puede ofrecer el pavimento, y 𝑓𝐿𝑚á𝑥 y 𝑓𝑇𝑚á𝑥 son
sus similares, longitudinal y transversal respectivamente, para el caso anisotrópico.
3.4.7 El Índice Internacional de Fricción
Se supone que los pavimentos ofrecen a los usuarios una fricción que es propia a su condición particular actual y válida para una cierta velocidad de desplazamiento del móvil. Sin
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embargo, dado que existen muchos instrumentos y ensayes de medición disponibles, para
caracterizar un pavimento se requiere uniformar sus resultados de manera objetiva. Una
forma de establecer esta uniformidad y determinar la fricción que ofrece un pavimento, en
función de mediciones de campo hechas con instrumentos ad hoc, es utilizar el modelo del
Índice Internacional de Fricción (IFI). Este concepto fue introducido por la PIARC (Asociación Mundial de la Carretera) en 1995 y actualmente se encuentra recogido en la norma
ASTM E1960, versión 2007 y revalidada el 2015. La metodología permite estimar los “Golden Values” (valores propios o intrínsecos) de la fricción para cualquier velocidad de desplazamiento, a partir de dos mediciones básicas (inputs): una de resistencia al deslizamiento
(véase numeral 3.4.8) y otra de macrotextura (véase numeral 3.4.9). El proceso de armonización desarrollado por la investigación PIARC tiene la notable cualidad de permitir calcular
la fricción que ofrece un pavimento, independizándolo de los instrumentos utilizados, que
cómo sabemos son muchos y de variada gama.
El modelo IFI establece que la fricción “F” ofrecida por un pavimento a cualquier velocidad
“S” de desplazamiento, es:
𝐹(𝑆) = 𝐹(60) × 𝑒 (60−𝑆)/𝑆𝑝
donde:
F(S) :
F(60) :
S :
Sp :
Fricción correspondiente a una velocidad S (adimensional).
Fricción correspondiente a 60 km/h (adimensional).
Velocidad de desplazamiento. Se mide en km/h.
Constante de velocidad. Se mide en km/h.
La Figura 3.14 grafica el modelo IFI en función de la velocidad de desplazamiento.
Figura 3.14. Modelo IFI
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El parámetro F(60) posiciona la curva IFI en altura dentro del gráfico. Se obtiene de una
medición o lectura de resistencia al deslizamiento (FR) con algún instrumento normalizado
(Scrim, Griptester, etc.). Se calcula como: F(60) = A + B*FR(60), donde A y B son parámetros proporcionados por la metodología IFI para cada instrumento. A su vez, y dado que los
instrumentos no miden normalmente la resistencia al deslizamiento a 60 km/h, para determinar FR(60) se requiere una conversión intermedia según la velocidad real de la lectura del
instrumento.
El parámetro Sp define la inclinación de la curva IFI en el gráfico. Depende de la macrotextura del pavimento. Esta última se obtiene de una medición de macrotextura (Tx) con algún
método normalizado (ensaye círculo de arena, equipo lectura láser, etc.). La constante Sp se
calcula como: Sp = a + b*Tx, donde a y b son parámetros proporcionados por la metodología IFI para cada ensaye o instrumento utilizado.
Como se puede observar, la teoría del IFI cambia la nomenclatura utilizada en los modelos
de rueda y en diseño vial. En la teoría del IFI, F mayúscula representa “fricción” (coeficiente adimensional). En las secciones anteriores de este documento F mayúscula representa
fuerza de fricción y 𝑓 minúscula representa coeficiente de fricción. En este texto mantendremos las dos nomenclaturas, pero se previene tenerlo presente para no confundir los conceptos.
Dado que los equipos que miden la Resistencia al Deslizamiento son de variada gama y con
distintos mecanismos de funcionamiento, la velocidad de medición SR se determina según
los criterios señalados en la Tabla 3.4 siguiente.
TABLA 3.4. VELOCIDAD DE MEDICIÓN SEGÚN EQUIPO
Tipo de Equipo
Cómo determinar SR
Con rueda totalmente bloqueada
𝑆𝑅 = 𝑉
Con rueda parcialmente bloqueada
𝑆𝑅 = 𝑉 × %𝐷𝑒𝑠𝑙𝑖𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
Con rueda oblicua
𝑆𝑅 = 𝑉 × 𝑠𝑒𝑛(∝)
Notas:
𝑉 : Velocidad de desplazamiento del equipo.
%𝐷𝑒𝑠𝑙𝑖𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 : Corresponde a la razón de deslizamiento, en %. Véase numeral 3.4.4.
∝ : Ángulo de esviaje (ángulo de deriva) de la rueda del equipo. Véase numeral 3.4.5.
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Por otra parte, la Tabla 3.5 reproduce algunos valores de los parámetros de homologación A,
B, a y b de la metodología IFI, para los instrumentos y ensayes allí indicados.
TABLA 3.5. PARÁMETROS A, B, a y b SEGÚN METODOLOGÍA IFI
Instrumento
SCRIM
GRIPTESTER
Círculo de Arena
Perfilómetro Laser
A
B
a
b
Medición
Velocidad
(km/h)
Norma
RD
RD
17,1
9,4
BS 7941-1
BS 7941-2
0,033 0,872
0,082 0,910
-11,6
14,2
113,6
89,7
Notas: RD : Resistencia al Deslizamiento,
Tx
Tx
ASTM E965
ASTM E1845
Tx : Macrotextura
3.4.8 Medición de la Resistencia al Deslizamiento
Una lectura de Resistencia al Deslizamiento (RD) es una medida del nivel de adherencia entre neumático y pavimento para una velocidad fija predeterminada. La Figura 3.15 muestra
dos equipos muy comunes para la medición de la resistencia al deslizamiento RD: el Scrim
y el Griptester.
El equipo Scrim proporciona lecturas de RD en el sentido lateral (transversal). En este instrumento existe un esviaje en la rueda de ensaye, siendo el ángulo de deriva 20⁰, lo que asegura que la medición corresponde al caso en que se ha alcanzado la fricción máxima del pavimento (véase numeral 3.4.5). Si bien es cierto que el ensaye se realiza para una velocidad
instrumental típica de 50 km/h, el ángulo de deriva determina que la fricción medida corresponda a 𝑉 × 𝑠𝑒𝑛(20°), es decir 17,1 km/h, como se indica en la Figura 3.15 superior. Para
ocupar este valor en la metodología IFI se debe realizar un paso intermedio, convirtiéndolo a
un valor equivalente a 60 km/h.
El equipo Griptester proporciona lecturas de RD en el sentido longitudinal. En este instrumento existe un bloqueo parcial de la rueda de ensaye, con un porcentaje de deslizamiento de
14,5%, lo que asegura que la medición corresponde a la fricción máxima del pavimento
(véase numeral 3.4.4). Si bien es cierto que el ensaye se realiza para una velocidad instrumental típica de 65 km/h, el bloqueo parcial determina que la fricción medida corresponda a
𝑉 × 14,5/100, es decir 9,4 km/h, como se indica en la Figura 3.15 inferior. Para ocupar este
valor en la metodología IFI se debe realizar también un paso intermedio, convirtiéndolo a un
valor equivalente a 60 km/h.
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Figura 3.15. Equipos de Medición de RD
3.4.9 Medición de la Macrotextura
La macrotextura es proporcionada por los intersticios generados por el tamaño y distribución
de los áridos en la superficie del pavimento y por el proceso de acabado en el caso de un pavimento de hormigón. Mejora la capacidad de drenaje, lo que permite un mejor contacto entre el neumático y la superficie de rodadura. También previene el hidroplaneo y el efecto
espray a velocidades altas. La macrotextura se define técnicamente como la textura con longitudes de onda entre 0,5 y 50 mm y amplitudes verticales entre 0,1 y 20 mm. Su valor Tx se
obtiene de una medición con algún método normalizado como son los volumétricos (típicamente el ensaye círculo de arena) o los indirectos (perfilómetro con lectura láser). Véase detalles en las normas ASTM respectivas o en el MC-V8.
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3.4.10 Fricción y Diseño Geométrico
Como se indicó al comienzo de este numeral 3.4, el diseño geométrico de un camino está íntimamente ligado a la fricción que existe entre los neumáticos de un vehículo y la superficie
de rodadura, distinguiéndose entre fricción lateral, responsable del diseño de las curvas en
planta, y fricción longitudinal responsable de las maniobras de parada de un vehículo. Para
efectos de diseño se utilizan algunos criterios específicos que se pasan a revisar a continuación.
a) La demanda de fricción lateral
Si se considera el equilibrio dinámico de un vehículo que circula por una trayectoria curva, la
relación entre la fricción lateral demandada (𝑓𝑇 ), la velocidad del vehículo (V), el radio de la
curva (R) y el peralte (p), se expresa como (véase detalles en el numeral 3.5.4):
𝑉2
= 𝑓𝑇 + 𝑝
𝑔𝑅
Dada la heterogeneidad de la conducción real en los caminos, las velocidades y por ende la
demanda por fricción lateral son variables aleatorias, sujetas a ciertas distribuciones de probabilidad, por lo que aquí debe entenderse que tanto la velocidad como la fricción corresponden a su percentil 85%. La fricción lateral que las normativas utilizan para el diseño
geométrico de los caminos no es toda la fricción que pueda ofrecer un pavimento, sino una
fracción de ella, por dos motivos: primero, porque se debe reservar fricción para una maniobra imprevista de parada, que pueda ser necesaria durante el trayecto en curva (recordar que
las fuerzas de fricción se suman vectorialmente); segundo, en la mayoría de las normas del
mundo, la fricción lateral demandada se obtiene de mediciones reales de la velocidad que
imprimen los conductores a sus vehículos, circulando en trayectorias curvas de geometría
conocida. De esta forma, en dichas normas las fricciones laterales responden más bien a criterios de comodidad en la conducción (tolerancia de los conductores a las aceleraciones laterales, percentil 85%) y no necesariamente las correspondientes a un derrape o deslizamiento.
A modo de ejemplo, precisamente estos son los criterios adoptados por el Green Book de la
AASHTO y por la normativa española.
En la Tabla 3.6 se incluyen los valores de la fricción lateral adoptados por algunas agencias,
incluida la normativa chilena que se basa en la española. Los valores son válidos para pavimentos húmedos y en estado normal de conservación.
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TABLA 3.6. FRICCIÓN LATERAL (fT, en fracción de uno)
Normativa
Vp (km/h)
30
40
50
60
70
0,215
0,198
0,182
0,165
0,149
80
90
100
110
120
130
0,105
0,096
0,087
0,078
Fricción Lateral
Chile (1)
0,132/
0,114
0,122
(*)
AASHTO (2)
España (3)
(1)
(2)
(3)
(*)
0,17
0,17
0,16
0,15
0,14
0,14
0,13
0,12
0,11
0,09
0,08
0,180
0,166
0,151
0,137
0,122
0,113
0,104
0,096
0,087
0,078
Manual de Carreteras, Chile, 2018.
AASHTO, A Policy on Geometric Design of Highways and Streets (Green Book), USA, 2001.
Norma 3.1-IC, Trazado, Instrucciones de Carreteras, España, 2016.
Depende de si la vía es considerada Camino o Carretera.
b) La demanda de fricción longitudinal
Cuando un vehículo se ve obligado a detenerse por la aparición de un obstáculo, el móvil
demanda fricción longitudinal en la maniobra de parada. Los elementos geométricos del
camino deben ser tales que permitan ver el objeto que motiva la detención con suficiente antelación para efectuar la maniobra en forma cómoda y segura.
Como se estableció en el numeral 3.3.2, en su versión simple la Distancia de Parada se calcula como:
𝐷𝑝 =
𝑉𝑖 × 𝑡𝑟
𝑉𝑖 2
+
3,6
254 (𝑓𝐿 ± 𝑖)
En forma similar a lo explicado para la fricción lateral, la demanda por fricción longitudinal
tiene dos restricciones que se deben tener presente: se debe asegurar que quede un remanente de la fricción total ofrecida por la superficie de rodadura para reservarla para consumo de
fricción lateral, especialmente cuando el vehículo se desplaza en curva y, además, debe considerarse que en la demanda por fricción longitudinal también está presente una condición de
confort. La demanda por fricción longitudinal se ha estudiado muchas veces con mediciones
reales de deceleración de vehículos en maniobras de detención brusca, encontrándose que los
valores de fricción medidos son mucho más altos que la fricción lateral descrita en la letra a)
anterior, y obviamente menores que la fricción total ofrecida por un pavimento.
La condición de confort queda claramente reflejada, por ejemplo, en el Green Book de la
AASHTO que en sus últimas versiones señala que la deceleración que adopta el 90% de los
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vehículos medidos en una maniobra de frenado es de 3,4 m/s2. Este valor dividido por la
aceleración de gravedad “g”, equivale a una fricción de 0,347 medido en fracción de uno,
que es el valor que la AASHTO recomienda implícitamente como confortable para calcular
la Distancia de Parada. Otros organismos viales adoptan valores parecidos, pero decrecientes con la velocidad inicial, como se indica en la Tabla 3.7 siguiente, en condiciones de pavimentos húmedos y estado normal de conservación.
TABLA 3.7. FRICCIÓN LONGITUDINAL (fL, en fracción de uno)
Normativa
Vp (km/h)
30
40
50
60
70
80
Chile (1)
0,420
0,415
0,410
0,400
0,380
0,360
AASHTO (2)
0,347
0,347
0,347
0,347
0,347
0,347
90
100
110
120
130
0,340
0,330
0,320
0,310
0,295
0,347
0,347
0,347
0,347
0,347
España (3)
0,432
0,411
0,390
0,369
0,348
0,334
0,320
0,306
0,291
(1) Manual de Carreteras, Chile, 2018.
(2) AASHTO, A Policy on Geometric Design of Highways and Streets (Green Book), USA, 2001.
(3) Norma 3.1-IC, Trazado, Instrucciones de Carreteras, España, 2016.
0,277
Fricción Longitudinal
c) Modelos según Oferta de Fricción
Algunas agencias viales como la alemana y la suiza adoptan como criterio para definir las
fricciones longitudinales y laterales, el uso de la elipse o el círculo de fricción, asumiendo
ciertas fricciones totales que ofrecerían los pavimentos en función de la velocidad, y luego
una descomposición vectorial entre fricción longitudinal y lateral y ciertos factores de seguridad, propios de cada norma, acorde a sus condiciones locales. Este criterio supone entonces que la fricción total ofrecida por un pavimento se reparte de manera de cubrir tanto el
consumo de fricción longitudinal como el lateral, tal como prevén las ecuaciones indicadas al
final de numeral 3.4.6.
d) Comentario
Lo que queda claro de lo expuesto en las letras a), b) y c) anteriores, es que en ningún caso se
puede adoptar como fricciones para el diseño geométrico de los caminos, la fricción total
ofrecida por un pavimento, ya que faltaría desdoblarla en las distintas componentes que la
requieren, ni menos en países como Chile donde se utiliza la fricción demandada (regida por
condiciones de confort) y no la ofrecida por los pavimentos (incluso, en este último caso, deberían aplicarse factores de seguridad).
Menos aún es posible adoptar como fricciones de diseño los valores directos de Resistencia
al Deslizamiento obtenidos por instrumentos como el Scrim o el Griptester, ya que dichas
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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lecturas representan sólo una de las variables del cálculo de la fricción, que deben ser complementadas con mediciones de textura y corregidos con los coeficientes de homologación y
posteriormente corregidos de nuevo por velocidad, como indica la teoría del Índice Internacional de Fricción, proceso que recién una vez culminado acerca dichas mediciones de terreno (parámetros sustitutos) a los valores intrínsecos (golden values) de la fricción que ofrece el pavimento, valores a los que además deben aplicarse factores de seguridad.
3.4.11 Fricción en Construcción y Operación
Como se indicó al comienzo de este numeral 3.4, la fricción es también un parámetro a controlar durante la construcción de un pavimento nuevo y durante la fase de operación y mantenimiento del mismo, aunque no directamente sino a través de sus parámetros sustitutos que
son la resistencia al deslizamiento y la macrotextura. En el primer caso, estos controles forman parte de los controles receptivos de la obra. En el segundo caso, las agencias viales imponen ciertos umbrales de referencia que se deben monitorear para alertar o decidir si es necesario intervenir el pavimento con obras de mantenimiento o restauración. El uso de los parámetros sustitutos para el control de la fricción en las fases de construcción y operación es
técnicamente apropiado ya que como hemos visto en este numeral 3.4, ambos (en conjunto)
explican totalmente la fricción como lo demuestra la teoría del Índice de Fricción Internacional.
3.5 DISEÑO GEOMETRICO DE CAMINOS
3.5.1 Diseño Geométrico y Normas
Por diseño geométrico se entiende el diseño del trazado del camino. El trazado lo componen el
alineamiento horizontal y el alineamiento vertical del eje de la calzada, los cuales, en conjunto
con el perfil tipo del camino representan las componentes de su ubicación geométrica en el
espacio.
El "Alineamiento Horizontal" es la sucesión de rectas y curvas que configuran el trazado en
planta del camino.
El "Alineamiento Vertical" corresponde a la sucesión de rectas y curvas que configuran la
rasante del camino.
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El "Perfil Tipo" es la sección transversal característica del camino, según un corte normal al eje
del trazado.
Las disposiciones normativas que rigen el diseño geométrico de un camino pueden variar según
la Agencia Vial que las controle, pero en lo fundamental son todas similares ya que provienen de
la misma experiencia internacional acumulada a lo largo de los años. Ellas establecen tanto
disposiciones imperativas como sugerencias para el proyectista, según el tema tratado. Las
disposiciones de detalle pueden ser consultadas directamente en la norma respectiva ya que no
forman parte del objetivo del presente texto. En lugar de ello, a continuación, revisaremos
algunos temas conceptuales relacionados con el diseño geométrico más bien para precisar
algunos términos y ayudar a su mejor comprensión.
3.5.2 Alineamiento horizontal
En general, el trazado en planta de un camino está constituido por una sucesión de alineamientos
rectos enlazados por curvas, que deben cumplir ciertos requisitos que establecen las normas
respectivas, compatibles con los requerimientos de proyecto (estándar, velocidad de proyecto,
tránsito, etc.). Véase un trazado horizontal esquemático en la Figura 3.16.
Las curvas utilizadas habitualmente son la curva circular y la clotoide. La clotoide es una curva
en espiral que se caracteriza por presentar una curvatura que varía directamente con el inverso de
la longitud recorrida, por lo que calza perfectamente como elemento geométrico de transición
entre una recta (radio infinito) y una curva circular (radio finito constante), garantizando
continuidad dinámica a la conducción. Las clotoides pueden ser usadas también como elemento
sistemático de diseño. En este último caso, las rectas pueden tener longitudes nulas. La
introducción de la clotoide al diseño permite además acomodar el trazado al terreno y mejorar la
armonía y apariencia del camino.
La ecuación paramétrica de la clotoide es la siguiente:
𝐴2 = 𝑅𝐿
donde: 𝐴 :
𝑅 :
𝐿 :
Parámetro de la clotoide.
Radio de curvatura en un punto dado.
Desarrollo desde el origen hasta el punto de radio R.
Todos los elementos geométricos antedichos se despliegan dentro de una base topográfica del
terreno, adecuada a la precisión requerida por el diseño, dentro de un sistema de coordenadas
previamente definido asociado a algún sistema de proyección local referenciado en última
instancia a coordenadas UTM.
Página 65
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
Vi: Vértices del trazado
Ri: Radios de las curvas circulares
Ai: Parámetros de las clotoides
Lri: Longitudes de los tramos rectos
Figura 3.16. Trazado en planta de un camino
3.5.3 Alineamiento vertical
Una vez definida la planta del camino, se procede a tomar un perfil longitudinal por el eje del
trazado con el objeto de representar las variaciones de cota del terreno (Línea de Tierra) y
proyectar sobre ella la rasante del camino.
La Línea de Tierra corresponde pues a un gráfico en que en abscisas se representa el kilometraje
del eje del camino (distancia acumulada) y en ordenadas las cotas del terreno. Para estos efectos
se debe considerar las cotas de todos los puntos singulares del terreno de modo de representarlo
en la forma más exacta posible: puntos altos, puntos bajos, puntos de cambio de inclinación del
terreno, etc. Luego se agregan puntos de relleno de modo que los puntos computados estén
distanciados razonablemente, acorde a las precisiones requeridas.
La rasante de un camino está compuesta por una sucesión de rectas y curvas. La curva que se
utiliza para enlazar dos tramos rectos consecutivos de distinta inclinación es la parábola. Según
el sentido de la curvatura se pueden presentar dos casos: curvas cóncavas y curvas convexas
(véase Figura 3.17).
La inclinación de la rasante en el sentido del kilometraje, se llama Gradiente (signo +) cuando
sube y Pendiente (signo -) cuando baja.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
L: Longitud de la curva vertical
T: Tangente de la curva vertical o semi longitud
𝑝1 , 𝑝2 : Pendiente o gradiente de la rasante.
Figura 3.17. Trazado en alzado de un camino
La rasante debe compatibilizar los requerimientos de diseño (estándar, velocidad de proyecto,
tránsito) con la economía tanto en lo que se refiere a los costos de construcción como a los
costos de operación y conservación del camino. Debe también armonizar con la geomorfología
del terreno y con el trazado en planta. Se tratará también de compensar el movimiento de tierras,
siempre que el material de corte sea apto para ser usado en terraplenes.
Según se desprende de la Figura 3.17, la cota “𝑦” de la rasante en los tramos rectos es:
𝑦 = 𝑦0 + 𝑝𝑥
donde: 𝑦0 :
𝑝 :
𝑥 :
(ec. 3.1)
Cota al comienzo del tramo recto.
Pendiente o gradiente de la rasante, en fracción de uno.
Distancia horizontal desde el comienzo del tramo recto.
Del mismo modo, la cota “𝑦” de la rasante en los tramos con curva vertical es:
𝑦 = 𝑦0 + 𝑝1 𝑥 +
donde: 𝑦0 :
𝑟𝑥 2
2
(ec.3.2)
Cota al comienzo de la curva vertical.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
𝑝1 :
𝑟 :
𝑥 :
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Pendiente o gradiente de la rasante, justo antes de la curva vertical, en fracción
de uno.
Tasa de cambio de la pendiente de la rasante en la curva vertical.
Distancia horizontal desde el comienzo de la curva vertical.
Si 𝐿 es la longitud horizontal donde se desarrolla la curva vertical, la tasa de cambio 𝑟 de la
pendiente de la rasante en la curva es por definición la variación que experimenta la pendiente
por unidad de longitud, o sea:
𝑟=
𝑝2 − 𝑝1
∆𝑝
=
𝐿
𝐿
donde 𝑝1 y 𝑝2 son la pendiente o gradiente de la rasante antes y después de la curva vertical,
respectivamente.
Nótese que tanto en la ecuación 3.1 como en la ecuación 3.2, la primera derivada de la cota “𝑦”
es justamente la pendiente o gradiente de la rasante y la segunda derivada de “𝑦” es la tasa de
cambio de la inclinación de la rasante. Nótese también que la segunda derivada es siempre
constante: con valor cero en el primer caso y con valor igual a la tasa 𝑟 en el segundo, cualidad
que le confiere continuidad dinámica al diseño en alzado.
En diseño, el valor recíproco de 𝑟, que se denota 𝐾, se denomina “parámetro de la curva
vertical”, que, en términos prácticos, constituye el radio de una circunferencia ficticia
equivalente a la curva vertical parabólica. Algunas agencias viales utilizan el parámetro 𝐾 para
poner los límites admisibles de diseño de las curvas verticales ya sea por condiciones de
visibilidad o por condiciones de confort.
Finalmente, cabe señalar que el alineamiento horizontal y el alineamiento vertical no se
proyectan independientemente. Todo lo contrario. Las normas de diseño geométrico obligan a
verificar una serie de aspectos con el objeto de evitar singularidades peligrosas como las
pérdidas del trazado ulterior del camino y así garantizar la predictibilidad del trazado por parte
de los conductores.
3.5.4 Estabilidad de un vehículo en una curva horizontal
La estabilidad de un vehículo que recorre una curva horizontal de un camino, puede verse
comprometida si lo hace a gran velocidad en relación con el radio de la curva, a pesar del peralte con que se construye el pavimento en dicha zona. Este fenómeno, que podría traducirse
en deslizamientos o volcamientos, se debe al efecto de la fuerza centrífuga transversal a la
que queda expuesto el móvil al cambiar de dirección en la curva. Véase Figura 3.18, donde
se supone simetría en la estibación de la carga. En dicha figura, 𝑡 es en ancho del vehículo y
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
ℎ es la altura del centro de gravedad. Las condiciones de estabilidad pueden determinarse a
partir del análisis de las fuerzas y momentos a que está sujeto el vehículo de masa 𝑚 y peso
𝑚𝑔, al circular a una velocidad 𝑉 por una curva de radio 𝑅 y ángulo de inclinación 𝛼 de la
superficie de rodadura. 𝑔 es la aceleración de gravedad. Se define como peralte p a la tangente de 𝛼, es decir p = tan𝛼. La fuerza centrífuga equivale a mV2/R. La fuerza de roce que
se genera entre neumáticos y pavimento es igual a la fuerza normal a la superficie 𝐹𝑦 (componente en el eje “y” de las fuerzas actuantes) multiplicada por el coeficiente de fricción
transversal fT.
Figura 3.18. Equilibrio de un vehículo en curva horizontal
Si se efectúa un análisis de equilibrio de fuerzas (por ejemplo, según el eje x), se obtiene:
𝑚𝑉 2
𝑐𝑜𝑠𝛼 = 𝑚𝑔 𝑠𝑒𝑛𝛼 + 𝐹𝑦 𝑓𝑇
𝑅
donde 𝐹𝑦 = 𝑚𝑔 𝑐𝑜𝑠𝛼 (aquí se ha despreciado la proyección sobre el “eje y” de la fuerza
centrífuga, por ser poco significativa).
Por otra parte, si se efectúa un análisis de equilibrio de momentos en torno al punto de volcamiento (de coordenadas (−𝑡/2, −ℎ) en la Figura 3.18), se obtiene:
𝑡
𝑡 𝑚𝑉 2
𝑚𝑉 2
𝑚𝑔 𝑐𝑜𝑠𝛼 + ℎ 𝑚𝑔 𝑠𝑒𝑛𝛼 = −
𝑠𝑒𝑛𝛼 + ℎ
𝑐𝑜𝑠𝛼
2
2 𝑅
𝑅
De acuerdo a lo expuesto, si se simplifican las expresiones antes expuestas y si se desprecian
términos poco significativos, los dos criterios anteriores conducen finalmente a las siguientes
expresiones newtonianas según la condición analizada:
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
1.
Oscar Asenjo Guajardo
Condición de estabilidad por deslizamiento:
𝑉2
= 𝑓𝑇 + 𝑝
𝑔𝑅
2.
Condición de estabilidad por volcamiento:
𝑉2
𝑡
=
+𝑝
𝑔𝑅
2ℎ
El término 𝑉 2 /(𝑔𝑅) es adimensional y se le denomina "aceleración centrífuga unitaria".
En la primera expresión (condición 1) se puede observar que la aceleración centrífuga que
actúa sobre el vehículo es compensada tanto por la fricción transversal como por el peralte de
la curva. Esta propiedad es básica en el diseño geométrico de los caminos. La fricción
transversal tiene correspondencia con aquella parte de la fuerza o aceleración que efectivamente siente o percibe el conductor cuando el vehículo circula en curva, efecto que las normas de
diseño aprovechan para limitar su valor más bien por condiciones de comodidad o confort en la
conducción, más que por razones de seguridad. En otro ámbito, un valor grande de 𝑝 puede
ocasionar que los vehículos lentos deslicen hacia el interior de la curva si la fricción es baja
por malas condiciones del pavimento o por condiciones ambientales severas y por ello debe
limitarse su valor máximo, como lo hacen también las normas de diseño. Estos criterios se
usan para imponer valores mínimos a usar para los radios de las curvas, en función de la velocidad de proyecto.
En la segunda expresión (condición 2) puede notarse que la estructura de la ecuación, que
permite determinar el radio mínimo para evitar volcamiento, es similar a la de deslizamiento
cuando se sustituye el coeficiente de fricción lateral, 𝑓𝑇 , por la relación 𝑡/2ℎ, a la que se le
denomina “umbral de volteo”. Si tal valor es mayor que el coeficiente de fricción disponible,
el vehículo podría volcar antes de deslizar y viceversa. El riesgo de volteo para automóviles
es bajo porque su umbral es alto; sin embargo, el riesgo es mayor en camiones y buses altos.
No obstante, en general en diseño basta considerar la estabilidad por deslizamiento.
3.5.5 Influencia de la fricción en el Diseño Geométrico
Como se estableció en el numeral 3.4.10, la fricción constituye una de las bases fundamentales
del diseño geométrico de un camino, para mantener la conducción dentro de márgenes
razonables de seguridad y confort. La fricción lateral constituye la base para definir los radios
mínimos de las curvas horizontales y otras características de la planta, a través de su relación con
el peralte y la velocidad de proyecto, como se indicó en el numeral anterior. La fricción
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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longitudinal es el responsable directo del diseño del alzado de un camino, ya que condiciona la
Distancia de Parada, a través de la relación presentada en el numeral 3.3.2, y subsecuentemente
condiciona los parámetros mínimos a usar en las curvas verticales.
3.5.6 Consistencia del Trazado
El objetivo del transporte terrestre es el movimiento seguro y eficiente de personas y bienes.
Una técnica utilizada para mejorar la seguridad en las carreteras es examinar la consistencia del
diseño.
Se entiende por “consistencia” del trazado a la conformidad de las características geométricas y
operacionales de una carretera con las expectativas del conductor. La expectativa se relaciona
con la disposición del conductor para responder a situaciones, eventos e información existente en
la ruta, de manera predecible y exitosa.
Existen diversos métodos para estimar la consistencia, si bien los más extendidos están basados en el análisis de la velocidad de operación V85, tanto la comparada con la velocidad de
proyecto Vp, punto a punto, como entre sí (∆V85) de dos elementos geométricos consecutivos. Véase la Tabla 3.8 donde, según el método utilizado, se señalan los intervalos que se usan
y los niveles de consistencia asociados.
TABLA 3.8. CALIFICACIÓN DE LA CONSISTENCIA SEGÚN VELOCIDAD
Criterio
Intervalo
Consistencia
V85 - Vp
V85 – Vp ≤ 10
10 < V85 – Vp ≤ 20
20 < V85 – Vp
Buena
Aceptable
Pobre
∆V85
∆V85 ≤ 10
10 < ∆V85 ≤ 20
20 < ∆V85
Buena
Aceptable
Pobre
Velocidades en km/h.
En relación con la velocidad del percentil 85%, existen muchas investigaciones que entregan
herramientas para estimar la V85 a partir de la geometría del camino, con diversas restricciones
de aplicabilidad y significancia estadística de sus fórmulas de regresión (véase numeral 3.2.3).
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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Los criterios para calificar la consistencia están fundamentados en los trabajos de Lamm et
al. (1999), lo que conduce a las siguientes tres categorías de consistencia de diseño: Buena,
Aceptable y Pobre. La evaluación de la consistencia se hace para cada uno de los dos sentidos de avance. Los resultados se presentan de manera gráfica (perfil de velocidades) o en
tablas. El perfil de velocidades debe tener en cuenta tanto el trazado en planta como en alzado. Estos perfiles se obtienen a partir de la estimación de la velocidad V85 en cada recta y
curva, y posteriormente aplicando tasas de aceleración y deceleración para determinar el perfil completo.
Para las secciones de camino con consistencia “buena” no serían necesarias mejoras en el diseño
geométrico. Las secciones con consistencia “aceptable” exhiben incoherencias menores en el
diseño geométrico y normalmente la corrección de la alineación existente se puede evitar
mediante el uso de dispositivos de advertencia de bajo costo. Las secciones con consistencia
“pobre” presentan fuertes incoherencias en el diseño geométrico que pueden resultar en
maniobras críticas de manejo y por consiguiente en accidentes. Por ello no se debe permitir que
se sobrepasen los límites antedichos. Si se constatan dichas diferencias, se recomienda una
corrección geométrica del trazado.
De forma complementaria, se puede realizar una evaluación de la consistencia a partir del
concepto de tasa de cambio de curvatura de un elemento (CCRi) o grupo de elementos del
trazado. Se entiende por tasa de cambio de curvatura al ángulo total girado (en planta) dividido por la longitud del tramo.
Para caminos de bajo estándar se puede aceptar una holgura en los límites indicados en la Tabla
3.8, multiplicándolos por un coeficiente de hasta 1,5.
En el caso de Chile, y aunque el Manual de Carreteras de la Dirección de Vialidad no se refiere
explícitamente al término “consistencia”, dicho Manual entrega un procedimiento especial para
compatibilizar la Ve de los elementos geométricos con la Vp y la V85 (véase numeral 3.2.3), y
prescribe otras restricciones como las señaladas en el numeral 3.201.301 del MC-V3 para
sectores de trazado amplio y sectores de trazado restringido, y en el numeral 3.203.304 del
MC-V3 para curvas contiguas, criterios que estarían en línea con lo señalado precedentemente
en este numeral sobre consistencia.
3.5.7 Resistencia Aerodinámica
La resistencia aerodinámica, también llamada fuerza de arrastre, es la resistencia que opone el
aire al avance de un vehículo. Esto es importante en el diseño geométrico de un camino ya que
es una componente a tener presente cuando se desea calcular distancias de frenado (véase
numeral 3.3.2), distancias de aceleración, o cuando se pretende determinar las pérdidas de
velocidad de vehículos subiendo en gradientes (véase numeral 3.5.9).
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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El aire se opone a que el vehículo pase a través suyo en función de su forma exterior. La
fuerza de la resistencia que opone el aire (que llamaremos Fd) depende del tamaño y forma
del vehículo, de la velocidad de marcha y de la densidad del aire. El tamaño y forma del
vehículo queda representado por su superficie frontal y por el coeficiente de resistencia aerodinámica Cd (el subíndice “d” viene de “drag”) que se determina en ensayes a escala realizados en túneles de viento.
La fórmula física general para determinar la resistencia aerodinámica 𝐹𝑑 , derivada por Rayleigh para cualquier cuerpo, en unidades consistentes, es:
𝐹𝑑 =
1
× 𝐶𝑑 × 𝐴 × 𝜌 × 𝑉 2
2
siendo:
𝐶𝑑 :
𝐴:
𝜌:
𝑉:
coeficiente de resistencia aerodinámica, adimensional.
superficie expuesta del cuerpo. En nuestro caso la superficie frontal del
vehículo.
densidad del aire.
velocidad del cuerpo. En nuestro caso la velocidad del vehículo.
En general, el coeficiente Cd depende de la forma y textura de la superficie del cuerpo y del
número de Reynolds (Re). A modo ilustrativo, para un cuerpo esférico, la dependencia entre
Cd y Re se ilustra en la Figura 3.19.
Figura 3.19. Dependencia del coeficiente Cd
En dicha figura se puede observar que para flujos laminares con Re pequeños, Cd puede ser
muy alto, pero para los casos prácticos de flujos no laminares, donde existe evidente turbulencia (régimen de Newton, Re > 1.000), el Cd de la esfera se torna más o menos constante
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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con valores cercanos a 0,45. El coeficiente Cd correspondiente a un cilindro circular o a un
cubo, en las mismas condiciones de régimen, es aproximadamente 1,0. Estos valores nos
dan una referencia sobre qué valor puede adquirir el coeficiente Cd en el caso de vehículos
circulando por un camino o carretera.
Para el caso de vehículos carreteros, donde Re está claramente dentro del régimen de Newton, los Cd dependen casi totalmente de la forma del coche y de su parte trasera que determina la forma como se rellena el vacío que deja el vehículo tras de sí. Para efectos prácticos, se
pueden usar los valores indicados en la Tabla 3.9.
TABLA 3.9. COEFICIENTES AERODINÁMICOS
Cd
Superficie frontal
A (m2)
Cd *A
Automóvil
Van
0,35
0,40
2,5
3,0
0,88
1,20
Bus Interurbano
Camión semirremolque
0,50
0,70
9,0
9,0
4,50
6,30
Bicicleta con ciclista en carrera
0,9
0,36
0,32
Bicicleta con ciclista derecho
Persona corriendo (referencial)
1,1
1,2
0,51
0,84
0,56
1,01
Tipo de vehículo
En el caso de caminos donde se requiere verificar la pérdida de velocidad que experimentan
los vehículos de carga en una gradiente ascendente, se puede considerar un camión típico,
con un Cd *A de unos 6,3 m2. Suponiendo una densidad del aire (ρ) de 1,2 kg/m3 y efectuando la conversión de unidades, resulta:
𝐹𝑑 = 0,3 × 𝑉 2 , donde 𝑉 está en [𝑘𝑚/ℎ], y 𝐹𝑑 en [𝑘𝑔 × 𝑚/𝑠 2 ]
De acuerdo a lo expuesto, en el caso de un vehículo en movimiento, la fuerza de arrastre varía con el cuadrado de la velocidad. Puesto que la potencia necesaria para mantener esa velocidad se expresa como “fuerza×velocidad”, entonces la potencia requerida varía con la velocidad al cubo. Ese esfuerzo lo realiza el motor. Así, si la velocidad de un vehículo aumenta al doble, la fuerza de arrastre se cuadruplica y la potencia requerida se octuplica.
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3.5.8 Resistencia a la rodadura
La resistencia a la rodadura se presenta cuando un cuerpo rueda sobre una superficie, deformándose uno de ellos o ambos. El concepto de coeficiente de rodadura es similar al
de coeficiente de roce, con la diferencia de que este último hace alusión a dos superficies que
deslizan o resbalan una sobre otra, mientras que en el coeficiente de rodadura no existe tal
resbalamiento entre la rueda y la superficie sobre la que rueda.
En el caso de caminos, la resistencia a la rodadura se opone al avance de los vehículos y adquiere importancia propia en el caso de vehículos circulando en gradientes ascendentes o en
el diseño de la longitud de un lecho de frenado.
En los vehículos carreteros, el principal factor que influye en el coeficiente de rodadura es
la histéresis del neumático. La rueda, en virtud de las características viscoelásticas del caucho con el que está construida y de la carga que soporta, sufre una deformación que al rotar
provoca repetidos ciclos de deformación y recuperación. Estos ciclos propician la disipación
de energía por calor.
Supóngase una rueda modelada como el cilindro deformable de la Figura 3.20, que pretende
rodar sobre un pavimento indeformable, apoyándose en una superficie que va desde A’ hasta
A”. P es el peso del cilindro, N es la fuerza de reacción normal a la superficie al momento
de iniciar el movimiento, d es el brazo del par generado y F la fuerza requerida para mover el
cilindro.
Figura 3.20. Pares en juego
Si R es el radio del cilindro, éste comenzará a rodar, girando continuamente sobre la línea
A”, si F cumple con:
𝐹 ≥
𝑑×𝑁
= 𝐶𝑟𝑟 × 𝑁
𝑅
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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donde:
𝐶𝑟𝑟 =
𝑑
𝑅
Por definición, la magnitud adimensional Crr es el llamado coeficiente de rodadura.
En general, el coeficiente de rodadura tiene un valor muy inferior al de los coeficientes de
fricción por deslizamiento (estático o cinético).
El valor del coeficiente de rodadura es característico de cada sistema, dependiendo de:






la rigidez o dureza de la rueda y de la superficie de rodadura.
el radio de la rueda (a mayor radio menor resistencia).
el peso o carga al que se somete cada rueda.
el acabado de las superficies en contacto, forma relativa, etc.
temperatura de los cuerpos.
en el caso de ruedas neumáticas, de su presión de inflado (a mayor presión
menor resistencia).
En el caso de lechos de frenado, el material que se deforma es básicamente la capa de rodadura, generalmente constituida por material granular (arena gruesa o grava de canto rodado)
colocado sin compactar, siendo irrelevante la deformación del neumático.
Como ejemplo, para los cálculos de pérdida de velocidad de camiones en gradientes pavimentadas, se utilizan valores de Crr entre 0,01 y 0,02; en vagones ferroviarios sobre rieles
de acero Crr se valora en torno a 0,0005, y en lechos de frenado entre 0,20 y 0,30.
3.5.9 Pérdidas de velocidad en gradientes
En un camino, el vehículo acelera si la fuerza de tracción que genera el motor es mayor que
las resistencias que se oponen al movimiento del vehículo y decelera en caso contrario. En el
caso de una gradiente o pendiente, la fuerza disponible para acelerar el vehículo, FD, en kg,
es:
𝐹𝐷 = 𝐹𝑇 − (𝑅𝑅 + 𝑅𝑃 + 𝑅𝐴 )
donde:
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FT:
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Fuerza tractiva generada por el motor del vehículo, en kg. Se calcula dividiendo la potencia de vehículo por su velocidad. Si se expresa la potencia,
P, en hp (1 hp = 76 kg*m/s) y la velocidad, V, en km/h (1 km/h = 0,278
m/s), entonces:
𝐹𝑇 =
R R:
273 × 𝑃
𝑉
Resistencia a la rodadura, en kg. Se calcula multiplicando el coeficiente de
rodadura (véase numeral 3.5.8) por el peso de vehículo, W, en kg. Por lo
tanto:
𝑅𝑅 = 0,01 × 𝑊
RP:
Resistencia a la pendiente o gradiente, en kg. Se calcula multiplicando la
pendiente o gradiente, p, de la rasante, en m/m (estrictamente es el seno del
ángulo de la pendiente o gradiente), por el peso del vehículo, W, en kg.
Obviamente, en casos de pendiente negativa (cuesta abajo) esta fuerza de
pendiente cambia de signo y deja de ser una fuerza de oposición al movimiento del vehículo para convertirse en un apoyo al esfuerzo motor del
móvil. Por lo tanto:
𝑅𝑃 = 𝑝 × 𝑊
R A:
Resistencia al aire, en kg. Es función de la densidad del aire, el coeficiente
de resistencia aerodinámica, el área frontal del vehículo y el cuadrado de la
velocidad (véase numeral 3.5.7). Si se expresa la velocidad del vehículo,
V, en km/h y si se consideran condiciones medias para camiones, esta resistencia está dada por:
𝑅𝐴 = 0,3 × 𝑉 2
Por lo tanto, el modelo físico de la fuerza disponible es:
𝐹𝐷 =
273 × 𝑃
− (𝑝 + 0,01) × 𝑊 − 0,3 × 𝑉 2
𝑉
Con este modelo es posible determinar la variación de velocidades de un vehículo circulando
en una rasante ascendente. En efecto, el diferencial de energía cinética entre dos velocidades, en m/s, es equivalente al trabajo, en kg-m, de la fuerza de aceleración, o sea:
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
𝐹𝐷 × 𝑑 =
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𝑚(𝑉𝑓2 − 𝑉 2 )
𝑊(𝑉𝑓2 − 𝑉 2 )
=
2
2𝑔
Si se sustituye el valor de 𝑔 y se expresan las velocidades en km/h, resulta:
𝑉𝑓2 = 𝑉 2 +
254 × 𝐹𝐷 × 𝑑
𝑊
Entonces, un algoritmo para determinar la variación de velocidades en una rasante ascendente es:
1.
2.
3.
4.
Seleccionar un intervalo de distancia, d.
Para la velocidad inicial, V, elegida como velocidad de entrada, determinar FD.
Calcular la velocidad, Vf, para la distancia d.
Hacer V=Vf y repetir pasos 2 a 4 hasta cubrir la longitud de la gradiente.
El desarrollo anterior permite elaborar diagramas, como el que se indica en la Figura 3.21,
exhibido en el Green Book de la AASHTO, donde se visualiza gráficamente la pérdida de
velocidad de un vehículo de carga que tiene una relación peso/potencia de 90 kg/hp (120
kg/kW), para distintas gradientes ascendentes de rasante.
Figura 3.21. Efecto de la gradiente en un vehículo con razón peso/potencia de 90 kg/hp y velocidad
inicial de 110 km/h
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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3.5.10 Consideraciones en rasantes descendentes
En rasantes con pendiente descendente largas o pronunciadas los conductores, especialmente
de los vehículos pesados, usan las resistencias internas del motor para decelerar, siendo frecuente recurrir además al uso continuo del sistema de frenos. Sin embargo, el sistema de
frenos pierde su eficacia si se calienta más allá de cierta temperatura crítica, que se considera
en torno a los 260 °C (500 °F). Si se alcanza este límite, se corre el riesgo de perder el control del vehículo. Para considerar este efecto en el diseño, se puede recurrir al modelo termodinámico de Myers (Myers et al., 1980), que permite determinar la temperatura de los
frenos después de cierto tiempo transcurrido, en función de varias variables entre las que se
cuentan: la velocidad inicial de vehículo, la distancia recorrida, la temperatura ambiente, el
peso del vehículo y la inclinación de la rasante respectiva.
El modelo de Myers es el siguiente:
𝑇(𝑥) = 𝑇𝑖 + (𝑇𝑖 − 𝑇𝑎 + 𝑎𝑃𝐵 )(1 − 𝑒 −𝑏𝑥 )
donde:
𝑇(𝑥) : temperatura de los frenos después de 𝑥 horas de recorrido, en °F, siendo
𝑥 = 𝑑/𝑉
𝑇𝑖 :
temperatura inicial de los frenos (sugerido: 150 °F)
𝑇𝑎 :
temperatura ambiente (sugerido: 90 °F)
𝑑 :
distancia recorrida en 𝑥 horas, en km
𝑉 :
Velocidad inicial, en km/h
𝑎, 𝑏 : parámetros termodinámicos
𝑃𝐵 :
potencia a transformar en calor durante el frenado, en hp
Estos últimos parámetros se calculan como:
𝑎 = [(0,01 + 0,000208 ∗ 𝑉) ∗ 2 ∗ 𝑁]−1
𝑏 = 1,23 + 0,0256 ∗ 𝑉
𝑊∗𝑝
𝑃𝐵 = (
− 0,746 − 0,0178 ∗ 𝑉) ∗ 𝑉 − 73
274
donde:
𝑁 :
𝑊 :
𝑝 :
número de ejes del vehículo (sugerido: 5)
peso del vehículo, en kg
pendiente de la rampa descendente, en m/m
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Como velocidad inicial de recorrido (𝑉 en el modelo) se puede adoptar la del percentil 85%
(𝑉85) que corresponda a la geometría del inicio de la pendiente descendente. Con este antecedente, la condición 𝑇(𝑥) ≤ 260 °C, permite determinar condiciones para el diseño geométrico de la rampa descendente. Por ejemplo, si 𝑉=70 km/h y el camión tipo de diseño pesa
42,5 toneladas, una pendiente de 8% no debería tener una longitud mayor que 3.200 m según
el modelo de Myers. Si por condiciones de terreno la longitud de la pendiente excede este
límite, el camino debería disponer de lechos de frenado pudiendo ser complementados con
amortiguadores de impacto, si fuera el caso. Adicionalmente, se puede actuar en la gestión
del tránsito instalando señalización especial en el camino antes de la pendiente. En el caso
del ejemplo anterior, si la longitud real de la pendiente fuera 4,0 km, se puede señalizar que
para camiones de entre 40 y 45 toneladas, la velocidad sugerida para acometer la pendiente
es de 25 km/h y para camiones entre 35 y 40 toneladas, es de 40 km/h, según el modelo de
Myers.
3.5.11 Sobreancho de calzada
Un vehículo rígido, al circular en una curva horizontal del camino, ocupa mayor ancho que
cuando lo hace en recta debido a que las ruedas traseras recorren una trayectoria que se ubica
en el interior de la descrita por las ruedas delanteras. Además, el extremo delantero izquierdo, describe una trayectoria más al exterior del vehículo. Algo similar ocurre con los vehículos articulados. Este sólo hecho requiere introducir un sobreancho geométrico a la calzada,
lo que es más notorio en el caso de radios pequeños. Por otra parte, los conductores experimentan una notoria dificultad para mantenerse en su pista de recorrido debido a que le es
más difícil apreciar la posición relativa de su vehículo dentro de la curva, lo que también
obliga a considerar huelgas o distancias de seguridad respecto a los vehículos que circulan
por las otras pistas, distancias que se suman a la anterior.
Las normas de diseño geométrico establecen los procedimientos para determinar el sobreancho de calzada requerido por las curvas y la forma como se hace la transición hasta su ancho
normal, los que, aunque suelen presentar algunas diferencias entre las distintas agencias viales, son numéricamente similares por cuanto provienen de un patrón de análisis común.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
CAPITULO 4
DISEÑO DE CAMINOS DE BAJO TRÁNSITO
4.1 Aspectos Generales
4.2 Holguras Admisibles
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
CAPÍTULO 4: DISEÑO DE CAMINOS DE BAJO TRÁNSITO
4.1 ASPECTOS GENERALES
Por caminos de bajo tránsito se entiende aquéllos cuyo Tránsito Medio Diario Anual
(TMDA) es menor que 700 veh/día, aunque este valor límite puede diferir de una Agencia
Vial a otra. Para los caminos de bajo tránsito, muchas agencias viales suelen adoptar normativas especiales, principalmente para hacer viable su financiamiento con recursos públicos,
dado que su bajo tránsito los hace poco rentables económicamente. En este aspecto resulta
relevante lo señalado en el Capítulo 2 Estándares Viales, en el sentido de hacer una buena
clasificación del camino de manera que el diseño sea concordante con su categoría real.
Sin embargo, existen también ciertas características típicas de estos caminos que los hacen
distintos a los demás, lo que fundamenta adoptar criterios de diseño especiales para los caminos de bajo tránsito, que se tratan en este Capítulo.
En primer lugar, se puede señalar que quedan incluidos en la categoría de caminos de bajo
tránsito, algunos caminos catalogados como Colectores y la gran mayoría o todos los caminos Locales y de Desarrollo (terminología del Manual de Carreteras de Chile). Es decir, se
trata de vías cuya función primaria es proveer acceso y sólo ocasionalmente destinadas a servir al tránsito de paso. En segundo lugar, estos caminos se caracterizan por ser utilizados por
conductores que en su gran mayoría son usuarios frecuentes y por lo mismo familiarizados y
conocedores de la ruta. Estas características únicas permiten hacer ciertas concesiones de
manera de relajar en cierta medida los parámetros de diseño y con ello bajar los costos de
mejoramiento de estos caminos y aumentar su rentabilidad social.
4.2 HOLGURAS ADMISIBLES
4.2.1 Caso norteamericano
En Estados Unidos, la normativa AASHTO de caminos de bajo tránsito está confeccionada
para caminos clasificados funcionalmente como “locales” con un TMDA de 400 veh/día o
menos (véase AASHTO, Guidelines for Geometric Design of Very Low-Volumen Local
Roads (ADT ≤ 400), USA, 2001). Se reporta que cerca del 80% de los caminos estadounidenses tienen este nivel de tránsito o menos, lo que hace patente su relevancia en cuanto a la
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
envergadura de la red involucrada. La referida normativa permite relajar algunos parámetros
del diseño geométrico que es el responsable del costo del movimiento de tierras asociado al
proyecto, uno de los ítems más caros en un proyecto de mejoramiento vial. Naturalmente,
cuando se relajan algunos parámetros de diseño, se aumenta el riesgo de accidentes en la ruta. La idea de la normativa AASHTO es aceptar cierta flexibilidad y un grado de relajamiento del diseño geométrico pero condicionado a que el aumento del riesgo en la seguridad vial
sea acotado. Para definir lo que se entiende por riego acotado, se recurre a lo que se conoce
como “criterio de Neuman”.
El criterio de Neuman (1999) establece que el riesgo es acotado si la acción a implementar
no implica más de un accidente adicional por km de camino cada 6 a 10 años en el caso de
vías urbanas, o bien cada 10 a 15 años en el caso de vías rurales.
Diversos estudios, mediciones en terreno, estadísticas disponibles y correlaciones entre los
parámetros claves del diseño geométrico de los caminos y la frecuencia y severidad de las
colisiones registradas en Estados Unidos, han permitido determinar ciertas recomendaciones
de diseño para caminos de bajo tránsito con conductores familiarizados, que cumplen con el
criterio anterior. Entre ellas se pueden mencionar:
1.
Se admite una rebaja de la velocidad de proyecto con respecto a la señalizada, entre 0 y
20 km/h, dependiendo de la magnitud de la velocidad, el nivel del TMDA y la proporción de vehículos pesados en el flujo vehicular. Esto se logra alterando expresamente
los coeficientes de fricción utilizados en el diseño de un camino normal, usando los correspondientes a una velocidad menor, lo que a su vez relaja en parte las restricciones
impuestas por las normas a los parámetros de diseño geométrico del camino (véase numerales 3.4.10 y 3.5.5). La Guía norteamericana entrega los criterios respectivos en cada situación, los que se pueden consultar en dicha normativa.
2.
En el caso de reposición de caminos existentes, se considera que la geometría existente
es aceptable, salvo que exista evidencia de una sección con problemas de seguridad. Para tal efecto, se permite flexibilizar la velocidad de proyecto hasta en 20 o 30 km/h, en
una sección específica. Además, se consideran como sustitutos aceptables antes que mejorar la geometría lo siguiente:
 Disponer marcas o señales de reducción de velocidad.
 Angostar bermas o calzadas.
 Considerar en estas vías, mayores valores de fricción, por sobre lo normado para
caminos corrientes.
3.
Se pone énfasis, sin embargo, en la consistencia del trazado.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
4.2.2 Caso chileno
En el caso de Chile, ante la necesidad de hacer viable el financiamiento de los caminos de
bajo tránsito con recursos públicos, y avalado por los hallazgos y recomendaciones de la
normativa AASHTO, también se han dictado instructivos específicos para el tratamiento de
los caminos de bajo tránsito. En resumen, estos criterios, aplicables a caminos con TMDA
menor que 700 veh/día, son los siguientes:
1.
Criterios para Diseño Geométrico:









2.
Verificar la correcta clasificación funcional del camino, para evitar el sobredimensionamiento de su estándar.
Adaptar el diseño geométrico a la geometría del camino existente, minimizando el
movimiento de tierras y expropiaciones. Realizar mejoramientos puntuales de trazado sólo si existen evidencias de accidentes recurrentes.
Se acepta utilizar velocidades de proyecto variable por tramos de camino. La variación debe ser acotada y claramente percibida por los usuarios
Se han definido parámetros de diseño geométrico para 20 km/h, que no están en el
Manual de Carreteras.
Para TMDA entre 700 y 400: Disminuir las velocidades V85 y V* en 5 km/h, en
forma similar a lo establecido en la Sección 3.206 del Manual de Carreteras.
Para TMDA ≤ 400: Disminuir V85 y V* en 10 km/h (disposición nueva), verificando que no sean inferiores a Vp.
Asegurarse que al menos el trazado sea “consistente”. Sobre consistencia, se direcciona a los siguientes numerales del Manual de Carreteras: 3.201.301 para
sectores de trazado amplio y sectores de trazado restringido, y 3.203.304 para curvas contiguas.
Pendiente longitudinal de la rasante: hasta 14% para el estándar más bajo (y proporcional para el resto), siempre que la línea de máxima pendiente no exceda de
15% o se trate de rutas en altura o con hielo o nieve.
Ancho de pistas y bermas: se acepta disminuir anchos, según sugerencia propuesta en el instructivo.
Criterios en otros ámbitos:



Si el diseño geométrico no es suficiente para controlar la velocidad de operación,
se recomienda considerar elementos de apaciguamiento (traffic calmings) o señalética y demarcación especial.
Se prescribe el uso de delineadores cuando el ancho de bermas es muy restringido.
Se entregan algunos criterios especiales para el diseño de pavimentos y para la utilización de los materiales locales disponibles.
Página 84
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL


Oscar Asenjo Guajardo
Se aconseja no proyectar (salvo justificación) obras como sendas multipropósito,
iluminación, miradores, y pistas especiales (tránsito lento, giro a la izquierda), o
estudiar la factibilidad de su postergación.
Se recomiendan algunas directrices para el diseño del drenaje.
Los criterios antes señalados se encuentran en evaluación, para ser incorporados en el futuro,
probablemente junto a otros, en el Manual de Carreteras.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPITULO 5
DISEÑO DE RUTAS ESCÉNICAS
5.1 Aspectos Generales
5.2 El Ejemplo Norteamericano
5.3 El Caso Chileno
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPÍTULO 5: DISEÑO DE RUTAS ESCÉNICAS
5.1 ASPECTOS GENERALES
Por Ruta Escénica se entiende aquel camino que se emplaza en zonas de gran valor paisajístico, ambiental, cultural o histórico, cuyo trazado y obras complementarias ayudan a preservar, proteger y poner en valor la escénica de su corredor y de los lugares aledaños a la vía.
Estas rutas se fusionan en el paisaje, permitiendo su visualización e incrementando la identidad del área donde se insertan, transformándose en productos en sí mismos, con lo cual se
fomenta al desarrollo turístico y cultural del sector donde se emplazan. El tipo de usuario de
una ruta escénica es especial, donde priman intereses distintos a la mera necesidad de transporte por carretera.
Para cumplir el objetivo señalado, las rutas escénicas deben ser diseñadas minimizando la
intervención del territorio proximal e incorporando obras complementarias de equipamiento
ad hoc. Lo anterior requiere en algunos casos hacer uso de ciertas relajaciones del diseño
geométrico, que es el principal factor que controla el trazado y el movimiento de tierras de
un proyecto vial.
En muchas ocasiones las rutas escénicas son también caminos de bajo tránsito, por lo que
aplican los criterios señalados en el Capítulo 4 anterior. En caminos de más alto estándar, lo
escénico puede estar relacionado con el paisaje lejano, lo que también debe tenerse presente
en el diseño vial. Sin embargo, en el caso de carreteras como caminos primarios en doble
calzada, autorrutas o autopistas, no se pueden aplicar relajaciones al diseño de las calzadas
principales. Si amerita, dichas excepciones podrían quedar restringidas a las calles de servicio, caminos laterales y en general al espacio adyacente a la carretera propiamente tal.
5.2 EL EJEMPLO NORTEAMERICANO
En Estados Unidos, la Administración Federal de Carreteras (FHWA) ha desarrollado una
metodología propia para determinar si un camino califica como ruta escénica. Esta metodología ha sido desarrollada y es gestionada por el Programa Nacional de Rutas Escénicas de la
FHWA. Este Programa tiene por misión proporcionar recursos a la comunidad relacionada
con la ruta para “crear una experiencia de viaje única y mejorar la calidad de vida local mediante esfuerzos para preservar, proteger, interpretar y promover las cualidades intrínsecas de
los caminos designados” (cita textual).
Página 87
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
Para ello la metodología define ciertos requisitos intrínsecos que dichos caminos deben cumplir, como poseer cualidades arqueológicas, culturales, históricas, naturales, recreativas o
paisajísticas. Por estas cualidades se entiende lo siguiente:

Arqueológico: Evidencia física de vida o actividad humana histórica o prehistórica
que es visible y capaz de ser inventariada e interpretada.

Cultural: Evidencia y expresiones de las costumbres o tradiciones de un grupo distinto de personas.

Histórico: Legados del pasado que están claramente asociados con elementos físicos del paisaje, ya sea natural o artificial, que tienen un significado tan histórico que
educan al espectador y despiertan una apreciación por el pasado.

Natural: Aquellas características en el entorno visual que se encuentran en un estado relativamente intacto. Estas características son anteriores a la llegada de las poblaciones humanas y pueden incluir formaciones geológicas, fósiles, formas terrestres, cuerpos de agua, vegetación y vida silvestre.

Recreativo: Las actividades recreativas al aire libre se asocian directamente y dependen de los elementos naturales y culturales del paisaje del corredor. Brindan
oportunidades para experiencias recreativas activas y pasivas.

Paisajístico: Experiencia visual aumentada derivada de la vista de elementos naturales y artificiales del entorno visual del corredor panorámico.
De esta forma el Programa de la FHWA clasifica por ejemplo una ruta dentro de la categoría
“National Scenic Byways” si cumple al menos con uno de dichos requisitos, o dentro de la
categoría “All-American Roads” si cumple con al menos dos requisitos. Los proyectos así
clasificados tienen la posibilidad de postular a subvenciones estatales, para lo cual son minuciosamente estudiados y valorados, seleccionando los mejores.
En dichos programas se permite flexibilidad para adoptar la velocidad de proyecto y algunos
otros parámetros de diseño, de manera de disminuir la intervención intrusiva e inoficiosa del
territorio aledaño, sugiriéndose poner más bien el énfasis en la consistencia del trazado y en
el equipamiento anexo de la ruta con obras como miradores, puntos de información, senderos
peatonales, etc.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
5.3 EL CASO CHILENO
En Chile, el concepto está en desarrollo desde hace algunos años, atendiendo con ello los
conceptos de vocación territorial y las directrices de sustentabilidad de las obras públicas.
Aquí también la idea es permitir flexibilidad en el diseño geométrico del camino de manera
de adaptarlo a las condiciones existentes, sin intervenir demasiado el territorio aledaño a la
ruta para preservar así el entorno, privilegiando las alternativas que conduzcan a una mejor
integración del camino en el paisaje. Por ello aplican las holguras detalladas en el Capítulo 4
anterior para caminos de bajo tránsito, cuando corresponda.
En la Tabla 5.1 se resume una suerte de clasificación de rutas escénicas y se detallan algunas
obras de equipamiento asociadas a cada una de ellas. Por cualidad intrínseca se entiende
aquellos atributos del territorio que se pretenden relevar, preservar o poner en valor con la
implementación de la ruta como escénica.
Para desarrollar el concepto de Ruta Escénica en el ámbito nacional se requiere establecer un
sistema de gestión para estas rutas al interior de la Agencia Vial, que defina criterios de elegibilidad para acreditar como “escénica” una ruta y para permitir su posterior seguimiento
durante su implementación y operación. La referida acreditación puede estar vinculada a la
corroboración de algunas de las cualidades intrínsecas señaladas en la Tabla 5.1. La implementación y el seguimiento del proyecto se pueden realizar a través de un Plan de Gestión de
la ruta.
El referido Plan de Gestión es un instrumento de apoyo que debería contener como mínimo
los siguientes acápites:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
Identificación, localización y extensión o límites del proyecto en cuestión (en cartografía georeferenciada).
Objetivos de la creación o habilitación de la ruta como escénica.
Identificación de las cualidades intrínsecas y de los elementos de interés.
Identificación de los lugares potenciales para obras complementarias y de los requisitos funcionales y estéticos a considerar.
Conceptualización de las obras complementarias necesarias.
Criterios especiales de diseño, especificaciones, operaciones y requerimientos a incorporar en los proyectos viales que se localicen en el territorio escénico (diseño,
construcción, mantenimiento, operación).
Manejo de residuos de las faenas y de la operación de las obras complementarias.
Identificación de alianzas estratégicas, en caso de existir, y posibles fuentes de financiamiento.
Las rutas escénicas que se desarrollen al interior de áreas protegidas o bajo tutela
oficial, considerarán un proceso de discusión y debate, con los organismos que administran dichas zonas, sean estos públicos o privados. Los requerimientos e indica-
Página 89
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
j)
Oscar Asenjo Guajardo
ciones de dichos entes deberán ser ponderados y considerados en el diseño definitivo del proyecto.
Plan de trabajo en el ciclo de vida (acciones, actores, plazos).
Con fecha Agosto de 2017, la Dirección de Vialidad de Chile estableció un instructivo sobre
Rutas Escénicas, que persigue los siguientes objetivos estratégicos (cita textual):



Contribuir a la puesta en valor del patrimonio natural y cultural del país, mediante el
diseño y ejecución de obras viales coherentes con el entorno en que se insertan y
que promuevan el conocimiento, goce y disfrute de la diversidad de paisajes y atractivos existentes en el territorio nacional.
Homologar conceptos, criterios y procedimientos que permitan identificar y seleccionar rutas administradas por la Dirección de Vialidad que posean una vocación turística o escénica, propiciando una gestión de las mismas acorde a dicho carácter.
Clarificar y fortalecer el rol de la Dirección de Vialidad como ente gestor y coordinador de las rutas escénicas y su relación con otros organismos del Estado vinculados a esta temática.
El referido instructivo establece conceptos y la forma de operar en este tema, estableciendo
finalmente las acreditaciones requeridas y un procedimiento para la declaración de una ruta
como escénica a través de una Resolución (Exenta) fundada de la Dirección de Vialidad.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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TABLA 5.1. CLASIFICACIÓN ESCÉNICA
Tipo de Ruta Escénica
Cualidad Intrínseca
Paisaje cercano.
Paisajística
Paisaje lejano.
Natural
Área SNASPE, Santuario de la Naturaleza, Reserva de la Biósfera o Sitio
Ramsar.
Histórico, Arquitectónico.
Patrimonial
Cultural.
Arqueológico.
Turística
Recreacional, ZOIT.
Obras Complementarias o Equipamiento deseable
Portales de entrada
Ciclovías
Senderos peatonales
Estacionamientos
Miradores
Paraderos o refugios peatonales
Señalización interpretativa
Centros de Información
Diseño arquitectónico de obras duras
Iluminación
Ciclovías
Estacionamientos
Miradores
Binoculares
Portales de entrada
Ciclovías
Senderos peatonales
Señalización interpretativa
Miradores
Centros de Información
Binoculares
Ciclovías
Senderos peatonales
Estacionamientos
Señalización interpretativa
Miradores
Paraderos o refugios peatonales
Centros de Información
Ciclovías
Senderos peatonales
Estacionamientos
Miradores
Paraderos o refugios peatonales
Centros de Información
Ciclovías
Senderos peatonales
Estacionamientos
Paraderos o refugios peatonales
Miradores
Centros de Información
Binoculares
Ciclovías
Senderos peatonales
Estacionamientos
Miradores
Paraderos o refugios peatonales
Centros de Información
Iluminación
Edificaciones de apoyo
SNASPE: Sistema Nacional de Áreas Silvestres protegidas del Estado (Chile).
Sitio Ramsar: Sitio acogido a la Convención de Humedales de Ramsar.
ZOIT: Zonas de Interés Turístico (Chile).
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPITULO 6
CAPACIDAD DE CAMINOS
6.1
6.2
6.3
6.4
Aspectos Generales
Modelos de Flujo de Tránsito
Modelos del Highway Capacity Manual
La Demanda de Tránsito
Página 92
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPÍTULO 6: CAPACIDAD DE CAMINOS
6.1 ASPECTOS GENERALES
Tal como un ducto cerrado o un canal abierto tiene una capacidad limitada para conducir flujos de agua (en función de sus características físicas), los caminos y carreteras también tienen
un límite superior en cuanto a su capacidad para conducir vehículos, más allá del cual en
tránsito entra en congestión y el flujo decae significativamente. Si se puede pronosticar el
tránsito que tendrá una carretera, el concepto de capacidad permite definir el número de pistas que requiere la vía y/o sus características geométricas y, además, caracterizar la calidad
del servicio al tránsito que ella presta cuanto el flujo es menor que la capacidad máxima determinada.
Comencemos precisando en primer lugar que se entiende por capacidad vial en la teoría de la
capacidad de los caminos.
El término “Capacidad Vial” se refiere al flujo máximo, medido en vehículos por hora, que
es capaz de conducir un camino en sus condiciones prevalecientes, tanto físicas como de
composición de tránsito. Cuando el flujo solicitante sobrepasa la capacidad, el servicio al
tránsito del camino se torna deficiente, caracterizado por la lentitud de desplazamiento de los
vehículos y con paradas y arranques sucesivos, lo que se conoce como “congestión”. Relacionado con el término Capacidad, está el concepto de “Nivel de Servicio” que puede ofrecer
una carretera cuando el flujo es menor o igual que su capacidad máxima.
Para calcular la capacidad vial se requiere conocer las características físicas del camino (como tipo de carretera, tipo de calzada, número de pistas, ancho de pistas, distancia a obstrucciones laterales, pendiente longitudinal, condiciones de adelantamiento, etc.) y las características del flujo vehicular (porcentaje de vehículos livianos, porcentaje de buses, porcentaje de
camiones, etc.). Para determinar el nivel de servicio se requiere conocer además la demanda
real que solicitará el camino.
En lo que sigue se revisarán los conceptos básicos que regulan los modelos de flujo de tránsito y someramente las metodologías que existen para calcular la capacidad y el nivel de servicio de los caminos.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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6.2 MODELOS DE FLUJO DE TRÁNSITO
6.2.1 Variables fundamentales
La modelación de los flujos de tránsito vehicular requiere definir tres variables fundamentales: el volumen o magnitud del flujo vehicular, la velocidad media del flujo y la densidad de
este. El flujo es el número de vehículos que pasan por un punto o en una sección de una pista de un camino por unidad de tiempo. La velocidad media se puede definir de dos formas:
i) la velocidad media temporal, que corresponde a la medida en un punto específico del camino, e ii) la velocidad media espacial, que corresponde a la medida en una sección de cierta
longitud del camino. La densidad del flujo es el número de vehículos que ocupan una longitud dada de pista de un camino en un instante específico.
6.2.2 Velocidad de desplazamiento vehicular
En estudios teóricos de flujo vehicular la velocidad se suele denotar con la letra “u”. De esta
forma, la velocidad media temporal del flujo se define como la media aritmética de las velocidades medidas de N móviles como sigue:
𝑁
1
𝑢𝑡 = ∑ 𝑢𝑖
𝑁
𝑖=1
Por otra parte, la velocidad media espacial se define basándose en el tiempo promedio tomado para cubrir una cierta distancia D, como sigue:
𝑢𝑠 =
𝐷
1
𝑁
∑ 𝑡𝑖
Numéricamente ambas velocidades son semejantes para flujos con distribución de velocidades relativamente uniforme, pero pueden diferir sensiblemente si las velocidades de los móviles dentro del flujo son muy dispares. Cabe resaltar que los modelos de flujo de tránsito
utilizan esta última definición como velocidad media de operación.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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6.2.3 Modelos teóricos de flujo
Considérese un flujo ininterrumpido de tránsito por una pista de un camino unidireccional
como el representado en la Figura 6.1. Si h el espaciamiento entre vehículos, medido en m, k
es la densidad del flujo vehicular, medido en veh/km, y u es la velocidad media de operación,
medido en km/h, entonces el flujo de tránsito que pasa por la sección AA, medido en veh/h,
es:
𝑞 = 𝑘𝑢
donde:
𝑘=
1.000
ℎ
Figura 6.1. Flujo de Tránsito
La ecuación 𝑞 = 𝑘𝑢 corresponde a una superficie alabeada en el espacio q-k-u. Véase Figura 6.2. Cualquier modelo de tránsito apto para representar el comportamiento del flujo debe
ubicarse necesariamente en dicha superficie, como sería por ejemplo el dibujado con la línea
curva en la misma figura. Este modelo tridimensional tiene tres proyecciones ortogonales,
que típicamente tienen la forma indicada en la Figura 6.3.
Figura 6.2. Espacio q-k-u y modelo de flujo
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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Figura 6.3. Proyecciones ortogonales de un modelo de flujo
La nomenclatura utilizada en la Figura 6.3 corresponde a las siguientes denominaciones:
𝑘𝑗 : Densidad de congestión (j viene de jam)
𝑢𝑓 : Velocidad de flujo libre (f viene de free)
𝑘𝑚 , 𝑢𝑚 : Densidad y Velocidad correspondiente al estado de flujo máximo (𝑞𝑚 ).
En la Figura 6.3 se observan las siguientes relaciones:
Si k→ 0 (tránsito liviano), entonces u → 𝑢𝑓 y q → 0.
Si k → 𝑘𝑗 (congestión), entonces u → 0 y q → 0.
Existen muchos modelos teóricos que, de la forma general indicada en la Figura 6.3, tratan
de representar el comportamiento real de los flujos de tránsito en los caminos. Entre ellos se
pueden mencionar los siguientes: el modelo logarítmico de Greenberg, el modelo exponencial de Underwood, el modelo combinado de Edie y el modelo de la curva de Bell. Sin embargo, el más simple de todos es el modelo lineal de Greenshields que propone una relación
lineal entre velocidad y densidad, del tipo:
𝑢 = 𝑢𝑓 (1 −
𝑘
)
𝑘𝑗
𝑜 𝑏𝑖𝑒𝑛:
𝑘 = 𝑘𝑗 (1 −
𝑢
)
𝑢𝑓
Consecuentemente, las relaciones “q, k” y “q, u” resultan ser parabólicas, como se indica a
continuación:
𝑞 = 𝑘𝑢 = 𝑘𝑢𝑓 (1 −
𝑢𝑓 𝑘 2
𝑘
) = 𝑢𝑓 𝑘 −
𝑘𝑗
𝑘𝑗
𝑞 = 𝑘𝑢 = 𝑘𝑗 (1 −
𝑘𝑗 𝑢2
𝑢
) = 𝑘𝑗 𝑢 −
𝑢𝑓
𝑢𝑓
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
El flujo máximo por pista 𝑞𝑚 (capacidad) y sus condiciones, se pueden determinar igualando
a cero alguna de las siguientes derivadas: dq/dk o dq/du, de lo que resulta:
𝑘𝑚 = 𝑘𝑗 /2
𝑢𝑚 = 𝑢𝑓 /2
𝑞𝑚 = 𝑢𝑓 𝑘𝑗 /4
donde:
𝑞𝑚 : flujo máximo por pista o capacidad.
𝑘𝑚 : densidad vehicular, al flujo máximo.
𝑢𝑚 : velocidad de operación, al flujo máximo.
A modo de ejemplo, si se estima la densidad de congestión (𝑘𝑗 ) en 80 veh/km y la velocidad
de flujo libre de una carretera (𝑢𝑓 ) en 110 km/h, entonces la capacidad por pista de dicho
camino sería 80 × 110/4, o sea 2.200 vehículos por hora.
En otro orden, existen las vías de flujo interrumpido, como sería el caso de una intersección
semaforizada. En casos como este, la capacidad de la vía queda condicionada a las fases del
semáforo, y la calidad de la operación queda condicionada a las demoras que imponen las
colas que se observan en estos dispositivos (queueing).
6.2.4 Modelos teórico-empíricos de flujo
Aparte de los modelos teóricos de flujo de tránsito descritos en el numeral 6.2.3 anterior,
existen los teórico-empíricos desarrollados bajo el alero del Transportation Research Board
de Estados Unidos. Estos se describen en el numeral 6.3 siguiente.
6.3 MODELOS DEL HIGHWAY CAPACITY MANUAL
6.3.1 Fuente principal
La compilación de décadas de estudios, mediciones de campo e investigaciones sobre capacidad de calles, caminos y carreteras, está contenida en detalle en el Highway Capacity Manual, del Transportation Research Board de Estados Unidos. La primera edición de dicho
Manual se registró en 1950. Posteriormente se han publicado sucesivas revisiones del Manual producto de innumerables investigaciones llevadas a cabo con tal fin. Las últimas ver-
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
siones del Manual incluyen tanto caminos como calles urbanas y el análisis de flujos de biciclos y peatones. La más reciente edición del Manual de Capacidad es la sexta y está fechada
el año 2016. El aporte específico del referido Manual es entregar modelos semi-empíricos
para el análisis de la capacidad vial, alternativos a los modelos teóricos vistos en el numeral
6.2 y ampliados a temas relacionados de amplia aplicabilidad en la práctica vial.
6.3.2 Condiciones básicas
Las metodologías que presenta el Highway Capacity Manual (HCM) se basan en procedimientos referidos a condiciones estándar, ideales o básicas del camino, que luego se ajustan a
las condiciones reales o prevalecientes. Las condiciones básicas asumen clima benigno, pavimento en buen estado y en general un camino sin impedimentos para el tránsito de los
vehículos.
Las principales condiciones básicas para segmentos de caminos de flujo ininterrumpido son:







Pistas de 3,60 m de ancho.
Distancia a obstrucciones laterales de 1,80 m o más.
Velocidad de flujo libre de 100 km/h para carreteras multipistas.
Tránsito liviano, sin vehículos pesados o grandes.
Terreno plano.
Caminos bidireccionales sin restricción de adelantamiento.
Tránsito de paso sin impedimentos debido a vehículos que giran o dispositivos de
control (semáforos, señales ceda el paso o pare, etc.).
6.3.3 Tratamiento de segmentos básicos de caminos
Los modelos de flujo de tránsito del HCM para tramos uniformes de caminos son similares
en forma a los reseñados en el numeral 6.2.3, específicamente en la proyección derecha de la
Figura 6.3 (flujo-velocidad). El HCM entrega diversos diagramas donde cada uno de ellos es
válido para una configuración específica de camino o carretera, ya sea unidireccional, bidireccional, con accesos controlados o no, etc. Véase a modo de ejemplo la Figura 6.4, que
muestra la relación flujo-velocidad válida para el caso particular de autopistas, parametrizado
para varias velocidades de flujo libre (𝐹𝐹𝑆). Además del diagrama, el HCM entrega las
ecuaciones matemáticas de las curvas 𝑆 = 𝑓(𝑣𝑝 , 𝐹𝐹𝑆).
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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Figura 6.4. Relación flujo-velocidad del HCM (2010)
Cabe hacer notar que el HCM cambia en parte la nomenclatura utilizada por los modelos teóricos. En particular los volúmenes de tránsito se denotan con la letra V (o v minúscula según
el caso), las velocidades con la letra S (de speed) y las densidades con la letra D.
En la Figura 6.4 se puede observar que el flujo representado en las abscisas (𝑣𝑝 ) es bien preciso en su medición, donde pc/h/ln significa vehículos por hora, pero aclarando que se trata
de vehículos livianos de pasajeros (passenger car, pc), y por pista (lane, ln). El concepto de
vehículo de pasajero “equivalente” trata de lidiar con el hecho que en un camino o carretera
circulan vehículos de distintos tipos (condiciones prevalecientes), donde los vehículos más
grandes o pesados se expresan en términos de varios vehículos de pasajeros (pc) que producen el mismo efecto en el desplazamiento del flujo de tránsito.
También se puede observar que el inverso de la pendiente de las líneas diagonales (líneas
segmentadas) que se muestran en el gráfico corresponde a lo que hemos definido anteriormente como densidad del flujo vehicular. Esta propiedad se aprovecha para definir los distintos Niveles de Servicio (Level of Service, LOS) que ofrece la carretera, según el tránsito
solicitante. El Nivel de Servicio es una medida cualitativa de las condiciones operacionales
que se puede esperar dentro del flujo vehicular (velocidad, tiempos de viaje, libertad de maniobra, interrupciones, confort, comodidad, etc.). Los Niveles de Servicio se denominan con
las letras A, B, C, D y E, siendo A el nivel más confortable para el usuario (flujo libre) y E el
nivel más restringido donde el tránsito solicitante alcanza la “capacidad” de la carretera.
Posterior a este nivel ocurre la congestión del camino caracterizado por flujo inestable, demoras excesivas y condiciones “stop-go” de conducción. A este nivel inestable se le asigna
la letra F. Véase una descripción general de los niveles de servicio, para el caso de autopistas, en la Tabla 6.1.
Página 99
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
TABLA 6.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS NIVELES DE SERVICIO (Autopistas)
NIVEL DE
SERVICIO
(LOS)
A
B
C
D
E
F
ESQUEMA
VELOCIDAD DE
OPERACIÓN para
FFS = 120 km/h
CARACTERÍSTICAS DEL
FLUJO
120 km/h
Alta calidad de servicio. Flujo
libre con pocas o nulas
restricciones para velocidad y
maniobrabilidad. No hay
demoras.
120 – 119 km/h
Tránsito estable y flujo libre con
pocas restricciones para
velocidad y leves restricciones
para maniobrar. No hay
demoras.
119 – 114 km/h
Pocas restricciones para
velocidad. La libertad de
maniobra está restringida. Los
conductores deben ser más
cuidadosos al hacer cambios de
pista. Demoras mínimas.
114 – 98 km/h
La velocidad disminuye y la
densidad vehicular aumenta. La
libertad de maniobra es
notablemente limitada. Demoras
notables.
98 – 86 km/h
Los vehículos están
mínimamente espaciados con
poco espacio para maniobrar. El
confort de los conductores es
pobre. Demoras significativas.
Inestable
Tránsito congestionado e
inestable, con paradas y
arranques frecuentes y sin
capacidad de maniobra.
Demoras considerables.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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De acuerdo con la Figura 6.4, los niveles de servicio para el caso de autopistas quedan definidos de la siguiente forma (Tabla 6.2):
TABLA 6.2. NIVELES DE SERVICIO
Nivel de Servicio
(LOS)
Rango de Densidad
pc/km/ln
A
B
0–7
7 – 11
C
D
11 – 16
16 – 22
E
22 – 28
F
> 28
De la lectura en abscisas en la Figura 6.4, se puede observar el flujo máximo que puede soportar cada nivel de servicio para las distintas velocidades de flujo libre. Este parámetro se
denomina “Volumen de Servicio”. A modo ilustrativo, el volumen de servicio del nivel C de
una autopista de 90 km/h de flujo libre, es 1.440 pc/h/ln. El volumen de servicio del nivel E
corresponde a la capacidad del camino.
Es conveniente aclarar que, en los estudios de capacidad del HCM, los flujos de tránsito se
miden en vehículos por hora. Sin embargo, se ha constatado que dentro de una hora también
existen variaciones que pueden ser determinantes para la percepción del usuario sobre el servicio que ofrece la ruta. Para ello, la hora se divide en fracciones de hora que convencionalmente se han establecido en 4 períodos de 15 minutos y se define un factor llamado Factor de
Hora Peak (PHF) de la siguiente forma:
𝑃𝐻𝐹 =
donde:
𝑉
4 × 𝑉15
𝑉:
Volumen horario en la hora peak, en [veh/h].
𝑉15 : Volumen durante el peak de 15 minutos dentro de la hora peak,
en [veh/15min].
El HCM reporta valores del factor PHF para autopistas, entre 0,80 y 0,95. Los valores más
bajos son representativos de vías rurales y los más altos son típicos de zonas urbanas y sub-
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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urbanas. Valores sobre 0,95 a menudo indican altos volúmenes de tránsito, cercanos a la capacidad.
De esta forma y si se considera que el tránsito solicitante (que en general es mixto, es decir
incluye también vehículos pesados y grandes) se debe expresar en términos de vehículos de
pasajero equivalentes, y si la calzada tiene N pistas por dirección, el flujo 𝑣𝑝 medido en
pc/h/ln se puede determinar a partir del volumen horario mixto 𝑉 (demanda actual o proyectada) medido en veh/h, de la siguiente forma:
𝑣𝑝 =
𝑉
𝑃𝐻𝐹 × 𝑁 × 𝑓𝐻𝑉 × 𝑓𝑝
donde:
𝑓𝐻𝑉 :
𝑓𝑝 :
factor de ajuste por presencia de vehículos pesados o grandes.
factor de ajuste por presencia de conductores ocasionales.
El HCM entrega metodologías para determinar los factores de ajuste, obteniéndose con ello
el flujo 𝑣𝑝 para entrar a la Figura 6.4. Si por otra parte se determina la Velocidad de Flujo
Libre de la ruta, según metodología proporcionada por el HCM o bien mediante mediciones
en terreno cuando el tránsito es bajo o moderado, se puede identificar la curva de la Figura
6.4 que corresponde al camino en estudio y determinar la velocidad media de operación (valor S en el gráfico) y el correspondiente nivel de servicio, caracterizado por la densidad del
flujo vehicular (que se calcula como 𝐷 = 𝑣𝑝 ⁄𝑆). De esta forma, el proceso queda finalmente determinado por las condiciones prevalecientes del camino (ancho real de pistas, distancia
real a obstrucciones laterales, pendientes existentes ya sean pronunciadas y/o largas) y por la
composición real del tránsito solicitante y sus fluctuaciones dentro de la hora peak, que por
supuesto son distintas a las condiciones básicas reseñadas en el numeral 6.3.2.
6.3.4 Otros casos incluidos en el HCM
El HCM entrega también procedimientos específicos para tratar el tema de la capacidad y
niveles de servicio, en singularidades de la ruta como rampas de entrada, rampas de salida,
zonas de entrecruzamiento, cruces a nivel con o sin giros, intersecciones semaforizadas, rotondas, etc. En el caso de los caminos bidireccionales, donde el adelantamiento se realiza
ocupando la pista de sentido contrario, la capacidad queda condicionada a las oportunidades
de adelantamiento que ofrece la ruta, y también a la distribución direccional del flujo y a los
tiempos de demora incurridos en los platoons que se generan tras un vehículo lento (timespent-following). Todas estas situaciones se pueden consultar en la fuente ya señalada.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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6.4 LA DEMANDA DE TRÁNSITO
Los pronósticos de tránsito para estudios de planificación vial de largo plazo frecuentemente
están expresados en términos de Tránsito Medio Diario Anual (TMDA), medido en vehículos por día (incluye ambas direcciones de la vía). No obstante, los estudios de capacidad y
nivel de servicio están referidos a volúmenes horarios.
Como es fácil de prever, los volúmenes horarios de tránsito de una vía presentan considerables variaciones durante las diferentes horas del día, del mes y del año, encontrándose mayores fluctuaciones en caminos turísticos y recreacionales y menores en caminos urbanos y
suburbanos.
Si se ordenan los volúmenes horarios de todo un año de mayor a menor y si se grafican como
fracción del TMDA vs. las horas del año, se obtiene típicamente curvas como las indicadas
en la Figura 6.5. En las vías recreacionales se observa alta concentración de tránsito en pocas horas del año en tanto que en las vías urbanas el flujo se ve influenciado por los peaks de
la mañana o de la tarde de los días de trabajo. Como se puede observar, la familia de curvas
presenta un notable cambio de pendiente entre las horas 30ava y 50ava. Por ello en caminos
y carreteras frecuentemente se utiliza la hora 30ava para efectos de asegurar un adecuado nivel de servicio durante gran parte del año, salvo 29 horas del él.
Figura 6.5. Volumen horario expresado como fracción del TMDA
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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La fracción del TMDA, denotado por la letra K, que corresponde a la hora 30ava, también
llamada hora de diseño u hora peak, varía entre 0,12 y 0,18 para una gran variedad de caminos y carreteras rurales, y entre 0,08 y 0,12 para vías urbanas.
Por otra parte, dado que el TMDA mide el flujo en ambas direcciones, para determinar el flujo horario debe considerarse un factor direccional, que se denota con la letra D (no confundir
con la densidad vehicular). Se ha constatado que en la hora peak, en muchos casos existe
una dirección predominante por lo que el factor D siempre es igual o mayor que 0,5 (típicamente entre 0,50 y 0,70). Este efecto es tan notorio que algunas vías se deben operar con
tránsito reversible.
De esta forma, el volumen horario de tránsito mixto, V, queda expresado de la siguiente forma:
𝑉 = 𝐾 × 𝐷 × 𝑇𝑀𝐷𝐴
donde K es el factor de la hora 30ava, D es el factor direccional, y TMDA es el tránsito medio diario anual de la ruta, medido en vehículos por día. El volumen V queda medido en
veh/h.
Normalmente el TMDA actual de una ruta se establece mediante la ejecución y análisis de
aforos de 12 o 24 horas, o de los registros de estaciones de conteo automático continuo o de
plazas o pórticos de peaje. El tránsito futuro se obtiene asumiendo tasas de crecimiento del
tránsito, normalmente diferenciadas por tipo de vehículo.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPITULO 7
DISEÑO DE PAVIMENTOS
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
Aspectos Generales
Solicitaciones
Métodos de Diseño
Conceptos relevantes
Reseña del Método MEPDG
Reseña del Método de Losas Optimizadas
Página 105
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPÍTULO 7: DISEÑO DE PAVIMENTOS
7.1 ASPECTOS GENERALES
El pavimento es la estructura superior del camino que recibe directamente el tránsito de los
vehículos solicitantes y protege la infraestructura interna de la vía. Normalmente consiste en
varias capas de material seleccionado, colocadas sobre la subrasante o suelo de fundación,
que genéricamente reciben los nombres de “capa de rodadura”, “base” y “subbase”.
Las funciones que cumple el pavimento son:



Proporcionar una superficie de rodadura segura, cómoda y permanente a los usuarios, garantizando la integridad funcional del pavimento (irregularidad superficial,
fricción, etc., dentro de límites aceptables).
Resistir las solicitaciones de tránsito, disipando las cargas de rueda, de modo de no
sobrepasar la resistencia de la subrasante ni la resistencia interna del pavimento
propiamente tal, habida consideración del fatigamiento y del envejecimiento de los
materiales que lo constituyen, garantizando la integridad estructural del pavimento
(agrietamiento, ahuellamiento, escalonamiento, etc.), en el período de su vida de diseño.
Proteger la subrasante de las precipitaciones y otros agentes atmosféricos, como los
ciclos de hielo y deshielo.
Según el tipo de material a utilizar en la estructura de un pavimento, ellos se pueden clasificar tradicionalmente en “rígidos” y “flexibles”, siendo los primeros los que utilizan hormigón de cemento hidráulico para la capa de rodadura y los segundos los que utilizan materiales asfálticos y donde las bases y subbase son típicamente materiales de agregado granular.
Sin embargo, también se encuentran los pavimentos híbridos donde se combinan estos elementos en sus diversas capas, pudiendo observarse frecuentemente también el uso de otros
materiales, algunos fabricados como los reciclados o los suelos estabilizados con diversos
productos químicos o de otra naturaleza, según las disponibilidades de materiales de la zona
del proyecto.
Por diseño de pavimento se entiende la aplicación de técnicas que permitan determinar los
espesores y características que deben tener las capas que conforman su estructura, de manera
que el pavimento cumpla su función en la vida de diseño esperada, anticipando la evolución
de su deterioro futuro, el que debe encontrarse dentro de límites admisibles.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
Dado que los pavimentos suponen ingentes recursos dentro de una obra vial, se debe garantizar el adecuado mantenimiento de estas obras para garantizar su integridad funcional y estructural, a través de la aplicación oportuna de operaciones de conservación derivadas normalmente del empleo de sistemas de gestión apropiadas.
7.2 SOLICITACIONES
Las solicitaciones que afectan un pavimento provienen de diversos agentes, siendo los principales los originados por el medio ambiente y por el tránsito de los vehículos.
En cuanto al medio ambiente, podemos distinguir los siguientes actores:
a)
Temperatura:






Afecta el módulo y el comportamiento viscoelástico de las capas asfálticas.
Produce alabeo en losas de hormigón.
Produce grietas por contracción en capas asfálticas con bajas temperaturas.
Afecta el coeficiente de expansión térmica del hormigón.
Afecta la viscosidad del asfalto.
Produce fallas por penetración de heladas en presencia de agua y suelos susceptibles.
b) Agua:







c)
La presencia de agua proveniente de lluvias, nieve o napas freáticas afecta la
capacidad de soporte de los suelos.
El agua produce cambios de volumen en algunos tipos de suelos.
La humedad produce alabeo en las losas de hormigón.
El agua produce disgregación de las mezclas asfálticas.
El agua produce falla por penetración de heladas en presencia de frío y suelos
susceptibles.
El agua disminuye la capacidad de soporte de la subrasante en época de deshielo.
El agua produce pérdida de soporte de losas de hormigón por bombeo de finos.
Atmósfera:
 La radiación y el aire degradan y oxidan los materiales produciendo envejecimiento prematuro y alteración de sus propiedades.
En cuanto al tránsito solicitante, son relevantes los siguientes aspectos:
Página 107
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
a)
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Volumen o intensidad vehicular, expresado en volumen horario o volumen diario
por tipo de vehículo, medio o discretizado en períodos característicos, y su crecimiento y proyección en la vida de diseño del pavimento.
b) Estratigrafía de peso por eje de los vehículos, expresado en espectros de carga o en
ejes equivalentes de diseño.
c)
La presión de inflado de los neumáticos de los vehículos pesados.
d) La distribución transversal de las cargas de rueda en el ancho de la calzada.
e)
La velocidad vehicular o tiempo de aplicación de la carga de rueda.
f)
El tipo de suspensión de los ejes rodantes de los vehículos pesados.
El efecto del tránsito, en conjunto con las otras solicitaciones reseñadas, es el deterioro acumulativo del pavimento por fatigamiento de los materiales constitutivos, reflejado en la pérdida gradual de su desempeño estructural y funcional.
Los métodos de diseño estructural de pavimentos tratan de armonizar estas solicitaciones con
las características soportantes de los suelos de fundación para que el pavimento cumpla su
funcionalidad en la vida de diseño prevista para el proyecto, dentro de un cierto nivel de confianza predefinido.
7.3 MÉTODOS DE DISEÑO
7.3.1 Generalidades
En lo relativo a determinación de espesores, existen muchos métodos de diseño de pavimentos disponibles, desarrollados por diversas agencias. Entre ellos se pueden mencionar los
métodos desarrollados por AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), Shell Petroleum, Portland Cement Association, Asphalt Institute, MorinTodor, Austroads y un sinnúmero de variantes y adaptaciones locales que tratan de reflejar la
realidad de cada país o región donde se aplican. Muchos de estos métodos son empíricos
mientras que otros son mecanicistas o mixtos. Los detalles de los métodos de diseño se pueden consultar en las fuentes respectivas.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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El método empírico por excelencia es el originado por AASHO (hoy AASHTO), en pistas de
prueba localizadas en Illinois, USA, originalmente entre 1958 y 1960. La primera guía de
diseño se publicó en 1961. Investigaciones posteriores permitieron publicar versiones revisadas en 1972 y 1981 y nuevas guías de diseño en 1986 y 1993, y un suplemento para pavimentos rígidos en 1998. Este procedimiento tiene la relevancia de haber introducido los
conceptos de “serviciabilidad” y de “eje equivalente” ampliamente utilizados en el mundo
técnico de los pavimentos.
Posterior a estas fechas, se desarrolló en Estados Unidos el programa NCHRP Project 1-37A
donde se propuso un nuevo método de diseño de pavimentos sobre la base de criterios empírico-mecanicistas, conocido como MEPDG por su nombre en inglés (Mechanistic Empirical
Pavement Design Guide). Este proyecto complementado posteriormente con otras investigaciones, dieron origen a la versión 2008 del Método AASHTO de diseño y su software asociado. Una reseña de este método se puede ver en el numeral 7.5 de este Capítulo.
7.4 CONCEPTOS RELEVANTES
7.4.1 El concepto de Serviciabilidad
El concepto de serviciabilidad se introdujo en la prueba AASHTO original (AASHO Road
Test) donde se creó el parámetro PSR (Present Serviciability Rating) que representaba las
condiciones de servicio de un pavimento a través de la puntuación que otorgaba un panel de
usuarios. Los valores y su significado son los siguientes (Tabla 7.1):
TABLA 7.1. VALORES del PSR
PSR
Condición del Pavimento
0–1
1–2
2–3
3–4
4–5
Muy pobre
Pobre
Regular
Buena
Muy buena
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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A este parámetro se le asoció posteriormente un indicador físico denominado PSI (Present
Serviciability Index), correlacionando el índice anterior con propiedades propias y medibles del
deterioro de los pavimentos. Estas correlaciones son las siguientes:
Pavimento Flexible:
𝑃𝑆𝐼 = 5,03 − 1,91 ∗ log(1 + 𝑆𝑉) − 1,38 ∗ 𝑅𝐷2 − 0,01 ∗ √𝐶𝑓 + 𝑃
Pavimento Rígido:
𝑃𝑆𝐼 = 5,41 − 1,78 ∗ log(1 + 𝑆𝑉) − 0,09 ∗ √𝐶𝑟 + 𝑃
donde:
SV = Varianza de la pendiente longitudinal (Slope Variance), medida con
perfilómetro CHLOE, [rad × 10−6 (in/ft)2].
RD = Ahuellamiento promedio, [in].
Cf = Superficie agrietada, [ft2/1.000ft2].
Cr = Longitud total (transversales y longitudinales) de grietas, selladas o abiertas,
[ft/1.000ft2].
P = Superficie bacheada, [ft2/1.000ft2].
Ambos indicadores devinieron en un indicador único denominado simplemente Índice de
Serviciabilidad “p” que representa el estado de servicio del pavimento según el deterioro que ha
alcanzado. El índice p decrece con el tiempo, debido al uso del pavimento por el tránsito de los
vehículos solicitantes y por la acción del medio ambiente., como se grafica en la Figura 7.1.
Figura 7.1. Índice de Serviciabilidad
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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7.4.2 El concepto de Eje Equivalente
El “Eje Equivalente” es el otro concepto relevante introducido por el AASHO Road Test de
finales de los años 60. Se trata de un eje simple de rodado doble (ESRD) de un peso total de
18 kips (18.000 lb) que equivale a 8,16 t (u 80 kN), como se indica en la Figura 7.2.
Figura 7.2. Eje Equivalente AASHTO
Las características geométricas del eje equivalente de 80 kN que utiliza el software de diseño
del método Shell Petroleum, se indican en la Figura 7.3 que ilustra un semi eje con doble
rueda, cada una de ellas representada por una superficie de apoyo (o huella) circular, que
transmiten al pavimento una presión de contacto constante e igual a la presión de inflado del
neumático.
Figura 7.3. Características del Eje Equivalente Shell
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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La ventaja del uso de un eje de referencia es que todo eje solicitante, de cualquier tipo y de
cualquier peso, se puede expresar en términos de pasadas de “ejes equivalentes” que producen el mismo daño en el pavimento en términos de caída de la serviciabilidad, lo que fue corroborado experimentalmente por la AASHTO. Aunque el tipo y peso del eje de referencia
es totalmente arbitrario, el más utilizado internacionalmente es el eje AASHTO de 18 kips.
La Figura 7.4 muestra a modo de ejemplo la equivalencia de un eje de 25 kips, que por su
mayor peso produce una pérdida de serviciabilidad (p) más rápida que el eje AASHTO de 18
kips.
Figura 7.4. Ejemplo de equivalencia de ejes
Las correlaciones proporcionadas por la agencia AASHTO para determinar los ejes equivalentes
para cualquier peso, son las siguientes:
Pavimento flexible:
1
𝐺𝑡
𝐺𝑡
𝑙𝑜𝑔 (
) = 4,79 log(18 + 1) − 4,79 log(𝐿𝑥 + 𝐿2 ) + 4,33 log(𝐿2 ) +
−
𝐹𝐸𝐸
𝛽𝑥 𝛽18
𝐺𝑡 = 𝑙𝑜𝑔 (
𝛽𝑥 = 0,40 +
4,2 − 𝑝𝑡
)
4,2 − 1,5
0,081 (𝐿𝑥 + 𝐿2 )3,23
(𝑆𝑁 + 1)5,19 𝐿3,23
2
Pavimento rígido:
1
𝐺𝑡
𝐺𝑡
𝑙𝑜𝑔 (
) = 4,62 log(18 + 1) − 4,62 log(𝐿𝑥 + 𝐿2 ) + 3,28 log(𝐿2 ) +
−
𝐹𝐸𝐸
𝛽𝑥 𝛽18
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
𝐺𝑡 = 𝑙𝑜𝑔 (
𝛽𝑥 = 1,00 +
4,5 − 𝑝𝑡
)
4,5 − 1,5
3,63 (𝐿𝑥 + 𝐿2 )5,20
(𝐷 + 1)8,46 𝐿3,52
2
donde:
𝐹𝐸𝐸 ∶
𝐿𝑥 ∶
𝐿2 ∶
𝑝𝑡 ∶
𝑆𝑁 ∶
𝐷 ∶
𝛽18 ∶
Factor de Eje Equivalente
Peso del eje x (simple, doble o triple) en [kips]
Código del tipo de eje (1, 2 y 3 respectivamente)
Índice de serviciabilidad final
Número Estructural pavimento asfáltico [in]
Espesor losa de hormigón [in]
Valor de 𝛽𝑥 para el eje estándar de 18 kips.
Un procedimiento alternativo aproximado para determinar la equivalencia de ejes es adoptar la
forma de las ecuaciones de las leyes de fatiga que establecen que en general el fatigamiento de
los materiales presentes en un pavimento dependen de una potencia del estado de tensiones o
deformaciones presentes. De allí se concluye que el daño que produce una carga en un
pavimento es proporcional a una potencia de su peso, donde el exponente varía habitualmente
entre 4,0 y 5,0. En otras palabras, el factor de equivalencia de ejes se puede escribir como:
𝑃 ∝
𝐹𝐸𝐸 = ( )
𝑃𝑜
donde FEE es el factor de equivalencia (en ejes AASHTO de 18 kips) de un eje cualquiera de
peso total P, siendo Po una carga de referencia y ∝ un parámetro que representa la rapidez del
deterioro.
Para efectos de diseño, Po se puede obtener de la Tabla 7.2 siguiente, válidos para un índice de
serviciabilidad final de 2,0 y un exponente ∝ único igual a 4,3. La tabla entrega valores de Po
tanto en kN como en toneladas.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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TABLA 7.2. VALORES DE Po
Tipo de
Eje
ESRD
EDRD
ETRD
ESRS
EDRS
EDRSD
ETRSDD
Configuración
II-----II
II-----II
II-----II
II-----II
II-----II
II-----II
I-----I
I-----I
I-----I
I-----I
II-----II
I-----I
II-----II
II-----II
FLEXIBLE
Po
kN (ton)
RÍGIDO
Po
kN (ton)
∝ = 4,3
∝ = 4,3
80 (8,16)
80 (8,16)
150 (15,3)
130 (13,3)
215 (21,9)
173 (17,7)
61 (6,2)
61 (6,2)
100 (10,2)
88 (9,0)
122 (12,4)
111 (11,4)
188 (19,2)
158 (16,1)
7.4.3 Tensiones, deformaciones, leyes de fatiga
Una estructura de pavimento puede ser modelada como un sistema multicapa, sometido a las
cargas de rueda. La Figura 7.5 muestra a una profundidad z un elemento infinitesimal del
sistema suelo pavimento, en coordenadas cilíndricas, donde se aprecia el estado tensional que
inducen las cargas de rueda a través de la presión p. La presión p corresponde al peso de cada
rueda dividido por su área de contacto y normalmente se asume constante e igual a la presión de
inflado del neumático. Las tensiones generadas son σz, σr, σθ, τzr, τzθ, y τrθ. El estado de
deformaciones correspondiente es εz, εr, εθ, γzr, γzθ y γrθ. Dichas tensiones y deformaciones se
pueden obtener mediante la aplicación de softwares especializados, elementos finitos o con
formulaciones físicas apropiadas. En los modelos elásticos, cada capa queda representada por su
módulo de elasticidad, su coeficiente de Poisson, su espesor y el porcentaje de adhesión entre
capas.
Página 114
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
Figura 7.5. Estado de tensiones y deformaciones
Un pavimento debe diseñarse estructuralmente de manera que sus capas componentes y el suelo
de fundación queden sometidos a tensiones y deformaciones inferiores a las de ruptura de cada
material presente. No obstante, dado el proceso repetitivo que presentan las cargas de rueda y
por ende las tensiones y deformaciones, debe verificarse que la estructura no sufra daños por
fatigamiento de los materiales. La vida de diseño o duración que tendrá el pavimento queda
definida entonces por el primer material que falle por fatigamiento y por el comportamiento de
los otros materiales restantes.
A pesar del complejo estado de tensiones y deformaciones que caracteriza un sistema multicapa,
se puede comprobar que las tensiones y deformaciones críticas que pueden llevar al colapso de
un pavimento son sólo algunas de ellas. En el caso de hormigones son críticas las tensiones de
tracción σr como resultado de los esfuerzos de flexión que inducen las cargas aplicadas. En el
caso de las mezclas asfálticas son críticas las deformaciones horizontales de tracción εr que la
carga aplicada induce en la cara inferior de la capa asfáltica. En el caso de los suelos de
fundación son críticas las deformaciones verticales de compresión εz en la superficie de
subrasante. En todos los casos mencionados la literatura técnica provee ecuaciones o leyes de
fatiga que relacionan la magnitud de la tensión o deformación con el número de aplicaciones de
carga que soporta cada material, para diversos niveles de confianza según los experimentos
realizados. Véase la Figura 7.6, donde 𝑁𝑖 corresponde al número máximo de repeticiones de
una carga 𝑝𝑖 (que induce un nivel de tensiones 𝜎𝑖 o de deformaciones 𝜀𝑖 ), que puede soportar el
material antes de colapsar. Nótese la escala exponencial del eje de las ordenadas.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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Figura 7.6. Ley de Fatiga
7.4.4 Consumo de Fatiga y Criterio de Miner
El criterio de Miner establece que la resistencia al fatigamiento de un material que no es
consumida por la repetición de un determinado estado de carga, queda disponible para
repeticiones de otros estados de carga. Si 𝑛𝑖 es el número de repeticiones que efectivamente
solicita un material, se define como Consumo de Fatiga para la carga 𝑝𝑖 , lo siguiente:
𝐶𝐹𝑖 =
𝑛𝑖
𝑁𝑖
donde 𝑁𝑖 es el número máximo de repeticiones admisibles según la ley de fatiga del material.
Se entiende que el material tiene aún resistencia remanente al fatigamiento si el consumo de
fatiga es menor que 1,0. Cuando existen diversos estados de carga “i”, ya sea que provengan de
diversos niveles de carga o de cambio de propiedades de los materiales (por ejemplo, debido a
variaciones de la temperatura ambiente), el criterio de Miner puede ser expresado de la siguiente
forma:
𝐶𝐹 =
𝑛1
𝑛2
𝑛𝑛
+
+ ⋯+
≤ 1,0
𝑁1 𝑁2
𝑁𝑛
7.4.5 El concepto de Indicadores de Deterioro
Los deterioros típicos del pavimento, también llamados parámetros de desempeño, pueden
abarcar tanto la integridad funcional como la integridad estructural del pavimento. Entre
ellos se pueden mencionar el IRI (International Roughness Index o irregularidad superficial),
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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la fricción, el agrietamiento, el escalonamiento y el ahuellamiento. Es importante que los
métodos de diseño y sus modelos complementarios aborden estos aspectos y entreguen una
prognosis de su probable evolución futura en la vida de diseño del pavimento.
7.4.6 El concepto empírico mecanicista
Un método empírico mecanicista combina dos conceptos en el proceso de análisis, dimensionamiento y caracterización de la estructura de un pavimento. Por una parte, la componente mecanicista permite determinar la respuesta del pavimento ante diferentes condiciones de
cargas y clima utilizando modelos físico matemáticos, determinando con ello el daño que el
pavimento acumulará en el tiempo por fatigamiento. Por otro lado, la componente empírica
relaciona la respuesta del pavimento (esfuerzos, deformaciones y deflexiones) con los deterioros típicos del pavimento (IRI, agrietamiento, escalonamiento, ahuellamiento, etc.) a través de modelos de regresión. Estos modelos de regresión pueden calibrarse para las condiciones locales de cada lugar, para distintos niveles de confiabilidad.
7.4.7 El concepto de Confiabilidad
La gran mayoría de los aspectos asociados con el diseño de pavimentos, son de naturaleza
variable y presentan cierto nivel de incertidumbre. Tal vez, la mayor parte de esta incertidumbre corresponde a las proyecciones de las cargas por eje provenientes del tránsito, en todo el período proyectado de vida útil. Sin embargo, los materiales, su comportamiento y los
procesos constructivos también aportan de manera significativa a dicha variabilidad.
En los métodos empíricos, como el AASHTO 93, la confiabilidad, denominada R, se refiere a
asegurar la serviciabilidad (o sea el índice p) previsto para el pavimento en la vida de diseño.
Para ello el método considera un nivel de confianza y un error combinado de la predicción del
tránsito y del comportamiento del pavimento, todo ello representado por un factor FS que
multiplica la solicitación de tránsito (expresada en Ejes Equivalentes), de la siguiente forma:
𝐹𝑆 = 10𝑧𝑅∗𝑆𝑜
donde:
FS = Factor de Seguridad.
zR = Abscisa de la distribución Normal, correspondiente al nivel de confianza R
adoptado para el proyecto.
So = Desviación estándar del error combinado.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
En los métodos mecanicistas la confiabilidad puede referirse a cualquiera de las variables utilizadas, pudiendo aplicarse a las leyes de fatiga o los parámetros de desempeño (grietas, escalonamiento, IRI, etc.). Por ejemplo, el método MEPDG incluye una solución analítica que permite diseñar para un nivel de confiabilidad deseado, para cada tipo de deterioro y rugosidad
involucrado en el diseño. Así, la confiabilidad en el diseño se define como la probabilidad
de que cada tipo de deterioro y nivel de irregularidad sea menor que un nivel crítico elegido,
a lo largo del periodo de diseño, esto es:
R = P[Deterioro o IRI a lo largo del periodo de diseño < Nivel crítico de diseño]
La predicción de los deterioros claves o del IRI está basada en valores promedio para todas
las variables de entrada, como se ejemplifica en la Figura 7.7 para el caso del IRI. Por lo
tanto, los deterioros y rugosidad predichos representan los valores medios estimados de confiabilidad del 50%. Es decir, existe un 50% de posibilidad de que el deterioro proyectado o
IRI sea más grande o menor que la predicción media.
Figura 7.7. Confiabilidad R
Se ha comprobado que los deterioros y el IRI presentan una distribución aproximadamente
Normal sobre los rangos de deterioro y de regularidad que son de interés en el diseño.
Por lo tanto, la predicción de los modelos de desempeño para distintos niveles de confiabilidad es determinado de manera general como:
Desempeño_R = Desempeñomedio +zR*STDmedio
donde:
Desempeño_R = Predicción de escalonamiento, IRI o agrietamiento transversal para
un nivel de confianza R.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
Desempeñomedio = Desempeño predicho medio, equivalente a un nivel de confianza de 50%.
zR = Abscisa de la distribución Normal para el nivel de confianza R adoptado.
STDmedio = Desviación estándar para el desempeño observado para un nivel de
confianza del 50%.
Los métodos de diseño definen normalmente criterios para adoptar la confiabilidad adecuada a
cada proyecto.
7.5 RESEÑA DEL MÉTODO MEPDG
Dentro de los métodos mecanicistas existentes, uno de los más importantes es el que comúnmente se conoce como MEPDG por su nombre en inglés (Mechanistic Empirical Pavement Design Guide), que es el producto final de la investigación desarrollada originalmente
en el programa NCHRP Project 1-37A y complementada posteriormente por otras investigaciones. El año 2008 dicha guía fue publicada en Estados Unidos por la AASHTO como nuevo método de diseño de pavimentos, existiendo varias actualizaciones del software de diseño, conocido genéricamente como AASHTOWarePavement ME Design.
El enfoque del MEPDG busca optimizar el diseño de pavimentos garantizando bajo ciertas
condiciones de confiabilidad que los deterioros o fallas del pavimento estén limitados a valores inferiores a los criterios de falla durante la vida de diseño de la estructura. El procedimiento de diseño es iterativo y se puede resumir en los siguientes pasos principales:
a. Seleccionar un diseño de estructura de pavimento inicial.
b. Seleccionar los criterios de desempeño y nivel de confiabilidad adecuados.
c. Obtener todos los datos de entrada para el diseño inicial de la estructura del pavimento.
d. Ejecutar el software MEPDG y examinar los resultados obtenidos (indicadores
de deterioro).
e. Revisar el diseño inicial y modificar si es necesario.
La cantidad de información requerida para el diseño según MEPDG es significativamente
mayor que la tradicionalmente considerada en el diseño de pavimentos. La información solicitada incluye datos horarios de variables climáticas, radiación solar, espectros de carga de
tránsito, módulo resiliente del suelo de fundación, coeficiente de expansión térmica del hormigón, características de las mezclas asfálticas, entre muchas otras. Aunque muchas de estas
variables para diseño solicitadas no se encuentran disponibles o no son de fácil acceso en
nuestro país, la investigación nacional ha avanzado en estos aspectos en los últimos años, por
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
lo que la aplicación de esta metodología es posible, siempre que se justifiquen los datos de
entrada que se utilicen.
Una característica importante del método es el abandono del antiguo Índice de Serviciabilidad (p) del pavimento y su remplazo por indicadores de su deterioro (IRI, agrietamiento, escalonamiento, ahuellamiento, etc.). Otra característica es el uso de niveles jerárquicos para
los datos de entrada, donde se distinguen tres niveles, denominados 1, 2 y 3, respectivamente. El nivel 1 corresponde a datos obtenidos a través de mediciones o ensayes directos para
el proyecto en cuestión. El nivel 2 representa datos de entrada obtenidos por correlaciones o
ecuaciones de regresión. El nivel 3 corresponde al uso de valores por defecto que trae incorporado el programa. La selección de un nivel de entrada para un parámetro específico depende de varios factores, como: la sensibilidad en el desempeño del pavimento del parámetro en estudio, la importancia del proyecto, la información disponible al momento del diseño
del proyecto, y los plazos y recursos disponibles para obtener los datos de entrada del parámetro.
7.6 RESEÑA DEL MÉTODO DE LOSAS OPTIMIZADAS
Dentro de los métodos mecanicistas existentes, uno desarrollado para el caso especial de pavimentos de hormigón es el método de diseño con losas de tamaño optimizado, sin armaduras y sin barras de traspaso de carga, que se fundamenta en la idea de reducir el largo y el ancho de las losas de hormigón, de manera reducir el número de ruedas que debe soportar simultáneamente, disminuyendo con ello las tensiones y por ende el espesor requerido. Está
basado en las ecuaciones de daño por fatiga del programa NCHRP Project 1-37A (método
MEPDG visto en el numeral anterior) y en simulaciones de tensiones realizadas con el programa de elementos finitos ISLAB2000. El software de diseño resultante se conoce como
OptiPave2.
El procedimiento es un método empírico mecanicista, el cual ha sido calibrado con tramos de
prueba instrumentados para determinar las constantes de calibración. El concepto básico del
diseño es dimensionar las losas de tal manera que sólo una rueda o set de ruedas se apoyen
en una losa a la vez, calculando el daño por fatiga que se produce en los puntos críticos de la
losa, y dado esto, determinar el espesor correspondiente para las condiciones de suelo, alabeo, tránsito, etc. Este concepto se encuentra actualmente protegido por una patente industrial.
En el proceso de diseño, se calculan las tensiones críticas que se producen en las losas del
pavimento producto de la combinación de las cargas de borde, efectos de temperatura y distintas condiciones de análisis. Además, el método incluye verificación para las condiciones
del escalonamiento de las juntas transversales sin barras de traspaso de carga y del índice de
rugosidad internacional IRI. También se considera la opción de uso de fibras incorporadas al
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
hormigón, lo que mejora la capacidad estructural del pavimento y otorga un mejor comportamiento durante su vida útil.
En la Figura 7.8 se incluye un diagrama de flujo con la secuencia de las distintas etapas del
proceso de diseño con este método.
Diseño:
-Parámetros
-Criterios de Desempeño
-Confiabilidad
Cálculos Intermedios:
-Tráfico
-Propiedades del Hormigón
-Soporte del Suelo
-Clima
-Transferencia de Carga
Modelos de
Deterioro
No
Agrietamiento
Transversal
Agrietamiento
Longitudinal
Agrietamiento
de Esquina
Criterios de
Desempeño
cumplidos?
Factores de
Calibración
Sí
Adoptar Espesores
Figura 7.8. Diagrama de flujo diseño de pavimentos de hormigón con losas de espesor optimizado
Estos pavimentos optimizados basan su comportamiento en que no se produzca flexión debido a la interacción de cargas colocadas sobre las losas, es decir, sólo se permite que una rueda o un set de ruedas carguen una losa a la vez. Para lograrlo el pavimento se construye de
forma continua y luego se generan las juntas según se establezca en el diseño. El largo de
losa se debe definir antes del cálculo del espesor, según los siguientes criterios, graficados en
la Figura 7.9:


140 cm : caso donde el eje tándem queda en losas distintas.
180 cm : caso donde el eje tándem queda en la misma losa.
Página 121
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL

Oscar Asenjo Guajardo
220 cm : caso donde el eje tándem queda en el centro de una losa y en el borde de
otra.
Para pavimentos de tránsito y clima normal se recomiendan losas de 220 cm de largo. Para
climas extremos (gradientes térmicos altos) o tránsito en más de una dirección se recomiendan losas de 180 cm de largo. El ancho de las losas deberá ser de media pista (175 cm) y deberá considerar las condiciones de borde con que se diseñe.
Figura 7.9. Largos de losas de hormigón
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPITULO 8
CARPETAS DE RODADURA GRANULAR
8.1
8.2
8.3
8.4
Aspectos Generales
Criterios de Diseño
Especificaciones de Construcción
Mantenimiento
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
CAPÍTULO 8: CARPETAS DE RODADURA GRANULAR
8.1 ASPECTOS GENERALES
En muchos caminos secundarios donde aún no es rentable su pavimentación, es necesario de
todas formas contar con una carpeta de rodadura que asegure el paso del tránsito vehicular en
forma cómoda, segura y permanente en las diversas épocas del año. En estos casos es habitual colocar sobre la subrasante una carpeta de rodadura de agregado granular. Estas carpetas se usan también como solución provisoria previa a la pavimentación del camino o bien
como solución definitiva en vías de bajo tránsito o en vías de uso temporal.
Se debe tener presente que una carpeta de rodadura granular requiere de frecuentes obras de
mantenimiento mediante operaciones de reperfilado y recebo, para mantener la geometría del
perfil transversal original y reponer pérdidas de material. Por ello, la capacidad estructural
de la carpeta de rodadura no requiere ser elevada ya que debe necesariamente ser intervenida
periódicamente durante su vida útil.
Las fallas más comunes de las carpetas de rodadura de agregado granular son producidas tanto por la acción del tránsito como por los agentes climáticos. Estas se traducen en pérdida de
la capacidad de soporte del suelo de fundación por fatigamiento o por deshielos, y en defectos en la carpeta de rodadura tales como pérdidas de finos y fracción gruesa, ahuellamientos,
calaminas transversales, formación de baches y empozamientos de aguas lluvias, erosiones,
disgregación de partículas, y contaminación de la capa de rodadura con el suelo de fundación.
Para prevenir estas fallas, la carpeta de rodadura granular debe tener un espesor mínimo y
cumplir con ciertas características que aseguren la trabazón y cohesión de las partículas que
la conforman, en toda época del año.
8.2 CRITERIOS DE DISEÑO
8.2.1 Antecedentes
Existen varios métodos de diseño que permiten estimar el espesor que debe tener una carpeta
de rodadura de agregado granular, como los provenientes de U.S. Corps of Engineers, U.S.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
Forest Service, U.K. TRRL, Greenstein & Livneh, Austroads Guide, entre otros. Muchos de
ellos son empíricos, y algunos son híbridos respaldados con modelos mecanicistas.
Una revisión comparada de la literatura técnica internacional, indica que una primera aproximación de diseño de espesores es adoptar como espesor de la carpeta de rodadura granular
un valor dentro del rango del 70% al 80% del espesor de los granulares que resultarían del
diseño de un tratamiento superficial para el mismo tránsito. Esta diferencia proviene principalmente del hecho que en el diseño de una carpeta granular se permite una mayor deformación última que en el caso de un tratamiento superficial.
8.2.2 Diseño de Espesores
Sobre diseño estructural, en este Capítulo se adopta y describe el método australiano neozelandés (Austroads, 2009), que establece que el espesor de la capa granular para evitar fallas
por ahuellamiento es función de la capacidad de soporte de la subrasante y del tránsito solicitante en la vida de diseño, expresado en ejes equivalentes de 80 kN, como se indica en la Figura 8.1. Este gráfico en particular supone un nivel de confianza de 80%, en cuanto a probabilidad de requerir rehabilitación antes del fin de la vida de diseño.
Fuente: Guide to Pavement Technology, Austroads, Sydney 2009.
Figura 8.1. Espesores de Carpeta Granular
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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Una expresión matemática que se ajusta bastante bien a las curvas de la Figura 8.1, es la siguiente (Asenjo, 2014):
𝑒 = 0,2838 × 𝐸𝐸 0,0769 × 𝐶𝐵𝑅 −0,6543 ;
𝑅2 = 0,996
donde:
e:
EE :
CBR :
Espesor de la estructura con carpeta de rodadura granular, en [m].
Tránsito en la pista de diseño, en [ejes equivalentes].
CBR de diseño de la subrasante, en [%].
Algunas recomendaciones por tener presente al utilizar este método para el diseño de espesores de carpetas granulares, son las siguientes:







Vida de diseño: 5 a 8 años, con un máximo aproximado de 500.000 Ejes Equivalentes. El método se puede extender hasta un millón de Ejes Equivalentes, por
cuanto cumple en promedio con el porcentaje indicado en el numeral 8.2.1 con respecto a un diseño de tratamiento superficial de la misma agencia Austroads.
Equivalencia de Ejes: los correspondientes a pavimentos flexibles.
CBR de diseño de la subrasante: Se recomienda utilizar el valor correspondiente al
percentil 90%, por sectores homogéneos.
Los espesores granulares existentes en el camino, que por cota de rasante puedan ser
aprovechables, pueden ser contabilizados como parte del espesor de la estructura a
colocar.
Espesor mínimo constructivo: 0,12 m, compactado, para una capa independiente.
Espesores menores pueden ser colocados como recebos, donde el material de aporte
se mezcla con los materiales existentes y luego se compactan en conjunto.
Para espesores grandes, puede utilizarse material de subbase en la parte inferior de
la estructura, respetando los espesores mínimos constructivos de cada capa.
El Proyectista puede incluir un espesor de capa adicional “de sacrificio” dependiendo del nivel de desgaste esperado de la capa y la frecuencia esperada del mantenimiento del camino.
8.2.3 Bombeo y drenaje
Para disminuir la formación de baches y la acumulación de aguas lluvia dentro de los baches,
se recomienda revisar el sistema de drenaje superficial del camino y aumentar la pendiente
transversal de la calzada (bombeo), sobre todo en sectores planos o de baja pendiente longitudinal. Para este efecto se recomienda agregar uno o dos puntos porcentuales a los valores
normales del bombeo de un camino pavimentado.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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8.3 ESPECIFICACIONES DE CONSTRUCCIÓN
Aparte del espesor calculado, la carpeta de rodadura granular debe cumplir con bandas granulométricas, características físicas y límites de consistencia que aseguren la trabazón y
cohesión de las partículas que la conforman, tanto en períodos estivales como en épocas de
lluvias.
En el caso de Chile, las especificaciones de construcción de las carpetas granulares, y de las
subbases si fueran utilizadas, son las señaladas en el Capítulo 5.300 del Manual de Carreteras, previa preparación de la subrasante según Sección 5.209, salvo que la experiencia regional indique la conveniencia de utilizar materiales de características diferentes o especiales.
8.4 MANTENIMIENTO
Las carpetas de rodadura de agregado granular requieren de frecuentes reperfilados, bacheos
y recebos de material, debido a las deformaciones y pérdidas de material que se producen en
ellas. Para ello deben practicarse las operaciones de mantenimiento necesarias en conformidad a las exigencias de la Agencia Vial encargada. En el caso de Chile, véase la Sección
7.306 del Manual de Carreteras.
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CAPITULO 9
DISEÑO DE PAVIMENTOS EN ZONAS HELADAS
9.1
9.2
9.3
9.4
Aspectos Generales
Penetración de Heladas
Efecto de la Penetración de Heladas
Modelos Predictores del Ic
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPÍTULO 9: DISEÑO DE PAVIMENTOS EN
ZONAS HELADAS
9.1 ASPECTOS GENERALES
En el proceso de diseño de un pavimento emplazado en una zona con inviernos rigurosos,
debe tenerse en cuenta aspectos especiales con el objeto de prevenir fallas provenientes de
los efectos de los ciclos de hielo y deshielo. La penetración de las heladas bajo los pavimentos puede producir variaciones volumétricas importantes de los suelos bajo la rasante por
hinchamiento y la consecuente falla de los pavimentos por solevantamiento. El fenómeno se
produce debido a la formación de lentes de hielo que crecen de tamaño por la ascensión de
agua desde los niveles inferiores del subsuelo. Las heladas también pueden provocar pérdidas de capacidad de soporte de la subrasante en los períodos de deshielo, por descompactación y por el aumento notorio de la humedad de los suelos, debido al derretimiento de los
lentes de hielo.
Para prevenir estas eventualidades, es necesario conocer la profundidad que puede alcanzar
la penetración de las heladas en el suelo, los efectos que se pueden producir en determinadas
circunstancias y las acciones que es necesario seguir para minimizar los riesgos.
9.2 PENETRACIÓN DE HELADAS
9.2.1 Introducción
La penetración de las heladas en los suelos se origina en los gradientes térmicos que producen transferencias de calor desde el suelo hacia la atmósfera, que se encuentra más fría en los
períodos de hielo. Las pérdidas de calor se deben en gran parte al congelamiento del agua
contenida en las bases granulares, en las subbases y en los suelos de fundación bajo la subrasante. El crecimiento de los lentes de hielo se explica por la migración de agua sobre enfriada en estado líquido, desde los niveles inferiores del suelo, debido a la existencia de gradientes de succión originados al congelarse el agua de los niveles superiores. El fenómeno se ve
facilitado cuando el suelo presenta características de ser “susceptible” a las heladas (véase
numeral 9.3.2) y si existen napas cercanas a la superficie o un mal sistema de drenaje del
camino.
Página 129
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
Aunque el avance del frente de la helada hacia el interior del suelo de fundación es muy
complejo, un análisis teórico del tema en un suelo homogéneo conduce a la expresión de Stefan, que permite visualizar las principales variables que intervienen en el fenómeno de la penetración de las heladas en un ciclo de hielo – deshielo. La introducción de constataciones
empíricas sobre el fenómeno conduce a la fórmula modificada de Berggren. Ambas aproximaciones se revisan en los puntos siguientes de este Capítulo.
9.2.2 Frente de Heladas
En la medida que la temperatura ambiental del aire desciende bajo 0 °C, la temperatura del
suelo también desciende bajo 0 °C, en un proceso que se profundiza paulatinamente si la
temperatura del aire se mantiene bajo cero. Se denomina “Frente de Helada” a la isoterma 0
°C, o sea, aquella superficie que limita la porción de suelo de fundación congelado con el
suelo a mayor profundidad cuya temperatura es mayor que 0 °C.
Las variaciones de profundidad que experimenta el frente de helada en un ciclo hielo - deshielo, se visualiza en forma simplificada en la Figura 9.1. Durante el período de hielo, la
temperatura ambiental del aire es menor que 0 °C, obligando al frente de helada a penetrar,
como está dicho, en las capas que componen el pavimento y el suelo de fundación de éste.
Después, durante el período de deshielo, el frente de la helada asciende progresivamente hacia la rasante del camino, en tanto que un nuevo frente de helada comienza a limitar superiormente la masa helada de pavimento y suelo, hasta que dicha masa desaparece.
Figura 9.1. Frente de heladas
La profundidad de penetración de la helada depende en gran medida de la magnitud de la
temperatura ambiental bajo 0 °C y de su duración. Ambos parámetros se miden a través de
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
un indicador único denominado “Índice de Congelamiento” (𝐼𝑐), que en cierta forma representa la crudeza del invierno en la zona de su medición.
Se ha podido establecer que existe una correlación notable entre el Índice de Congelamiento
y la profundidad máxima de penetración de la helada, como se verá más adelante.
9.2.3
Definiciones y consideraciones termales básicas
a)
Definiciones
-
Coeficiente de conductividad térmica, K : Cantidad de calor conducido por
un material, por unidad de área, por unidad de tiempo, debido a la presencia de
un gradiente térmico unitario.
-
Gradiente térmico, i : Diferencia de temperatura existente entre dos secciones de un cuerpo, por unidad de longitud.
-
Calor latente del agua, L’ : Cantidad de calor necesario de extraer para congelar una masa unitaria de agua, a temperatura constante de 0 °C.
-
Calor latente del suelo, L : Cantidad de calor necesario de extraer para congelar el agua contenida en un volumen unitario de suelo, a temperatura constante de 0 °C.
Si s es la densidad seca del suelo y w es el porcentaje de humedad del suelo referido a la
densidad seca, entonces:
𝐿 = 𝐿′ 𝛾𝑠
b)
𝑤
100
Calor conducido
La cantidad de calor 𝑄 conducido por un cuerpo sólido como el indicado en la Figura 9.2, es
proporcional al gradiente térmico existente, al área a través del cual el calor es conducido y
al tiempo transcurrido, es decir:
𝑄 =𝐾×𝑖×𝐴×𝑡
en que:
donde: 𝑖 = ∆𝑇 ⁄∆𝑧
K : coeficiente de conductividad térmica.
i:
gradiente térmico.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
ΔT :
Δz :
A:
t:
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diferencia de temperatura.
distancia entre los puntos con temperatura T y T + ΔT.
área perpendicular al flujo de calor.
tiempo transcurrido.
Figura 9.2. Calor conducido
c)
Caracterización del Medio Ambiente
Si se grafica la variación de la temperatura del aire a través del año, se obtiene un gráfico
como el de la Figura 9.3 superior. Allí, T corresponde a la temperatura media diaria del aire
y 𝑡 al tiempo transcurrido. 𝑡0 y 𝑡1 delimitan el período de hielo que es el que interesa en este
caso.
El área bajo la curva de temperatura T = T(t) entre 𝑡0 y 𝑡1 , que en la figura se denomina Ω,
corresponde al Índice de Congelamiento, que llamaremos 𝐼𝑐, graficado también en la Figura
9.3 inferior, donde en ordenadas se grafica la integral matemática de la curva superior.
El Índice de Congelamiento 𝐼𝑐 se define entonces como la siguiente expresión:
𝑡1
𝐼𝑐 = Ω = ∫ 𝑇(𝑡)𝑑𝑡
𝑡0
En la práctica, el proceso para computar el Índice de Congelamiento requiere conocer las
temperaturas medias diarias del período hielo – deshielo (positivas y negativas) obtenidas de
estaciones meteorológicas apropiadas, ubicadas en la zona del proyecto. Por convención, la
temperatura media diaria se define como el promedio aritmético de la temperatura máxima y
mínima del día. Enseguida, se determina para cada día calendario los grados días acumulados, sumando la temperatura media diaria de dicho día a la suma acumulada de los días anteriores, obteniéndose de esta forma el gráfico acumulativo de “ºC días”. El Índice de Congelamiento se calcula como la diferencia total entre el punto más alto y el punto más bajo de la
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
curva “ºC días acumulados” vs. “tiempo”, en el período considerado. De esta forma se resuelve en forma numérica la integral de la ecuación anterior.
Figura 9.3. Temperatura Ambiental
9.2.4
Profundidad de penetración de heladas
Supongamos una locación donde un suelo homogéneo es expuesto a temperatura ambiental T
(del aire) bajo 0 °C. La superficie superior del suelo adquiere la temperatura ambiental (bajo
0 °C). La masa del suelo bajo la superficie se congela hasta una profundidad z, que define el
frente de heladas, donde la temperatura se iguala a la temperatura de congelamiento del agua.
Bajo la cota z la temperatura del suelo es positiva (en grados Celsius).
La profundidad del frente de helada depende del calor absorbido por el medio ambiente (aire) desde el suelo. En períodos de hielo, dado que la temperatura media del suelo es baja, el
calor desprendido por él al descender la temperatura del suelo bajo 0 ºC, es despreciable. En
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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estas condiciones, la profundidad de la helada depende del calor desprendido por el congelamiento del agua contenida en el suelo.
En un elemento infinitesimal de suelo de área horizontal A y espesor dz, se tiene:
a)
Calor desprendido por el congelamiento del agua del suelo:
𝑑𝑄 = 𝐿 𝐴 𝑑𝑧
b) Este calor es absorbido por el medio ambiente (aire), una vez conducido a través del suelo debido a la presencia de un diferencial de temperatura. Si 𝑖 es el
gradiente de temperatura, el calor conducido a través de 𝑑𝑧, es:
𝑑𝑄 = 𝐾 𝑖 𝐴 𝑑𝑡
en que:
𝑖=
𝑇 − 0°
𝑇
=
𝑧
𝑧
donde 𝑧 es la profundidad que alcanzará la penetración de la helada.
Igualando ambas expresiones de 𝑑𝑄, se tiene:
𝐿 𝐴 𝑑𝑧 = 𝐾
𝑇
𝐴 𝑑𝑡
𝑧
Como 𝑇 es función de 𝑡, o sea: 𝑇 = 𝑇(𝑡), la expresión anterior queda:
𝑧 𝑑𝑧 =
𝐾
𝑇(𝑡)𝑑𝑡
𝐿
Integrando:
∫ 𝑧 𝑑𝑧 =
𝐾
∫ 𝑇(𝑡)𝑑𝑡
𝐿
1 2
𝐾
𝑧 =
𝐼𝑐
2
𝐿
Es decir:
𝑧 = √2
𝐾
𝐼𝑐
𝐿
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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La expresión anterior es conocida como fórmula de Stefan. En ella, las unidades de medida
de sus parámetros deben ser consistentes.
No obstante, si K está medido en [cal / (m² x hr x °C/m)], L en [cal/m³] e 𝐼𝑐 en [°C x
días], o bien si K está medido en [Btu / (ft² x hr x °F/ft)], L en [Btu/ft³] e 𝐼𝑐 en [°F x
días], y dado que 1 día = 24 hr, la expresión anterior queda:
𝑧 = √48
𝐾
𝐼𝑐
𝐿
= √48
100 𝐾 𝐼𝑐
𝐿′ 𝛾𝑠 𝑤
Experimentalmente, se ha comprobado que la fórmula de Stefan da valores sobre estimados
para “z”. Por ello, luego de un análisis teórico empírico del tema con experiencias de campo,
se ha llegado a la siguiente expresión, conocida como fórmula modificada de Berggren, que
permite determinar con mayor precisión la penetración máxima de las heladas, en un ciclo de
hielo – deshielo:
𝑧 = 𝜆 √48
100 𝐾 𝑛 𝐼𝑐
𝐿′ 𝛾𝑠 𝑤
Las nuevas variables adicionales introducidas son:
𝜆 :
Coeficiente adimensional que toma en cuenta el efecto de los cambios de
temperatura, en la masa de suelo.
𝑛 :
Factor empírico que convierte el Índice de Congelamiento del aire en su
similar pero aplicado a la superficie del suelo o pavimento.
La fórmula modificada de Berggren se puede adaptar a sistemas multicapas, utilizando ponderadores para los parámetros térmicos que intervienen en el cálculo.
De acuerdo con el U.S. Army Corps of Engineers (USACE), se sabe que el coeficiente adimensional λ es función del radio termal (α) y del parámetro de fusión del suelo (μ), según se
indica en la Figura 9.4 (Pavement Guide, WSDOT, 1998).
Un modelo que representa bastante bien el coeficiente adimensional 𝜆, en función de las variables indicadas en la referida Figura 9.4, es el siguiente (Asenjo, 2008):
𝜆 = 𝑒 −√𝜇 ∗(0,39𝛼+0,18)
(R2 = 0,99)
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
Figura 9.4. Dependencia del coeficiente λ
A su vez, los parámetros α y μ son altamente dependientes de las condiciones climáticas de
la zona del proyecto, caracterizado por la temperatura media anual, la duración del período
de hielo y por el propio Índice de Congelamiento. Además, en ellos influyen el factor n, el
calor latente del agua y nuevamente la densidad y humedad del suelo.
A pesar de la gran cantidad de información que se necesita para determinar la profundidad
“z”, se ha podido demostrar que, en el caso de pavimentos, donde los suelos son prospectados y luego aceptados o preparados para servir como suelo de fundación de un camino, y que
la razón K/w tiene una variación acotada debido a que la conductividad térmica de un suelo
aumenta a medida que la humedad del suelo crece, la penetración de las heladas depende casi
exclusivamente del Índice de Congelamiento. La Figura 9.5 muestra la relación z vs. Ic, en
unidades inglesas, que USACE recomienda para suelos bien drenados y no heladizos.
Figura 9.5. Penetración de heladas según Corps of Engineers
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
En el caso de Chile, considerando suelos aptos como fundación de pavimentos y luego de
analizar las características climáticas propias del país, a través de un análisis de registros diarios de temperaturas de muchas estaciones meteorológicas (Asenjo, 2008), se ha podido demostrar que la siguiente expresión representa bastante bien, como promedio, la relación existente entre la profundidad de penetración de las heladas (en cm) y el Índice de Congelamiento (en ºC días):
𝑧 = 4,8 √𝐼𝑐
[𝑐𝑚]
La expresión anterior replica con bastante exactitud el modelo USACE mostrado en la Figura
9.5. Al respecto, hay que recordar que para convertir [ºC días] a [ºF días] se debe multiplicar
por 1,8.
9.3
EFECTO DE LA PENETRACIÓN DE HELADAS
9.3.1 Condiciones concomitantes
El efecto de la penetración de las heladas en un pavimento se traduce generalmente en el solevantamiento y destrucción de las capas del pavimento como resultado de la formación y
crecimiento de cristales de hielo en el suelo de fundación, subbases o bases susceptibles a las
heladas. El proceso continúa en la fase de deshielo, donde la descompactación y humedad
reinante disminuyen notoriamente la capacidad de soporte del suelo.
Este fenómeno ocurre sólo si existen en forma simultánea los siguientes tres factores:
a) Suelos susceptibles a las heladas.
b) Temperatura ambiental baja y persistente.
c) Napa o fuente de agua, que permita el crecimiento de los lentes de hielo.
Cabe hacer notar que el sólo cambio de volumen que experimenta el agua cuando se congela
no es significativo en este proceso.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
9.3.2 Susceptibilidad de un suelo a las heladas
Varias son las cualidades que caracterizan la susceptibilidad de un suelo a las heladas. Entre
las principales se pueden citar: contenido de finos, plasticidad, granulometría, uniformidad,
capilaridad, permeabilidad, compactación, composición mineral y forma de los granos del
suelo.
Las propiedades hidráulicas de los suelos, como la capilaridad y la permeabilidad, se relacionan de cierta forma con la susceptibilidad a las heladas de un suelo, como puede verse esquemáticamente en la Figura 9.6.
Figura 9.6. Relación entre susceptibilidad de un suelo (Frost
Action) y sus propiedades hidráulicas
Existen cientos de investigaciones, metodologías y procedimientos propuestos para clasificar
la susceptibilidad de los suelos a las heladas (Chamberlain, 1981). En esta Sección sólo se
indican los más tradicionales.
Una de las tempranas conclusiones arribadas sobre este tema indica la alta importancia que
tiene la cantidad de finos en el comportamiento de los suelos frente a las heladas. Una forma
de clasificar los suelos es utilizando el criterio de Casagrande (Casagrande, 1931), que hace
una diferencia entre suelos no uniformes y suelos muy uniformes. Los primeros pueden ser
altamente susceptibles a las heladas si contienen más de 3% de granos bajo el tamaño 0,02
mm. Los segundos pueden serlo si contienen más de 10% de granos bajo el tamaño 0,02
mm. Si se caracteriza la uniformidad de la granulometría de un suelo por el Coeficiente de
Uniformidad (Cu), la regla anterior queda graficada como se indica en la Figura 9.7.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
Figura 9.7. Criterio de Casagrande para inferir la susceptibilidad de un suelo a las heladas
El contenido de finos bajo el tamaño 0,02 mm de un suelo, se mide a través del ensaye hidrométrico de Bouyoucos. El Coeficiente de Uniformidad se define como la relación entre D60 y D10, siendo: D60 el diámetro o tamaño por debajo del cual queda el 60% del suelo, y
D10 el diámetro o tamaño por debajo del cual queda el 10% del suelo, ambos en peso.
USACE a través de su laboratorio CRREL (Cold Regions Research and Engineering Laboratory), estableció una clasificación de los suelos para diseño de acuerdo con su susceptibilidad a las heladas, identificando cuatro grupos denominados F1, F2, F3 y F4, adoptando como criterio principal de diferenciación el contenido de finos bajo el tamaño 0,02 mm y el tipo de suelo. Véase Tabla 9.1.
TABLA 9.1. CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS POR CRITERIO USACE
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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Un ensaye directo que mide la respuesta de un suelo a las heladas es el ensaye de hinchamiento por congelamiento (frost heave test), del cual existen muchas versiones en el mundo.
El utilizado originalmente por USACE es el desarrollado por CRREL. Según sus resultados,
los suelos se clasifican de la siguiente forma (Tabla 9.2):
TABLA 9.2. CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS POR ENSAYE CRREL
Tasa media de hinchamiento
(mm/día)
Clasificación de la Susceptibilidad del suelo
0,0 – 0,5
0,5 – 1,0
1,0 – 2,0
2,0 – 4,0
4,0 – 8,0
>8,0
Despreciable (Negligible)
Muy Bajo (Very Low)
Bajo (Low)
Medio (Medium)
Alto (High)
Muy Alto (Very High)
Un gráfico de la misma agencia norteamericana que muestra la relación de estas variables
con la clasificación de los suelos por hinchamiento, compilado de las investigaciones realizadas entre 1950 y 1970, es el que se muestra en la Figura 9.8 siguiente:
Figura 9.8. Gráfico integrado de tipos de suelos
Página 140
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
En dicha Figura 9.8 se puede observar la gran dispersión que existe entre las variables involucradas, en cada tipo de suelo, con la tasa de hinchamiento y su clasificación a la susceptibilidad.
El ensaye CRREL original tuvo una modificación posterior conocido como CRREL II Test,
que se ajustaría mejor a las pruebas de campo. Johnson et al. (1986) estableció una nueva
clasificación de los suelos, en base a este nuevo ensaye. Véase la Tabla 9.3. Debido a que
las condiciones de los dos ensayes mencionados son distintas, sus resultados para la misma
clasificación de suelo son diferentes y no comparables. Por otra parte, el ensaye CRREL II
tiene la ventaja de presentar las dos caras más notables del fenómeno: la tasa de hinchamiento por congelamiento y la pérdida de soporte del suelo por efecto del descongelamiento.
TABLA 9.3. CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS POR ENSAYE CRREL II
Frost-susceptibility
Classification
Symbol
8-hour
heave rate
(mm/day)
Bearing ratio
after thaw
(%)
Negligible (Despreciable)
Very Low (Muy Bajo)
Low (Bajo)
Medium (Medio)
High (Alto)
Very High (Muy Alto)
NFS
VL
L
M
H
VH
<1
1 to 2
2 to 4
4 to 8
8 to 16
> 16
> 20
20 to 15
15 to 10
10 to 5
5 to 2
<2
El ensaye por congelamiento CRREL II tiene su correlato actual en la norma ASTM D5918
denominada “Standard Methods for Frost Heave and Thaw Weakening Susceptibility of
Soils”.
Tanto los dos ensayes CRREL (el original y el CRREL II) como el ASTM D5918, incluido
el ensaye de Bouyoucos, son lentos y utilizados mayormente en investigación. Por ello, a
veces se recurre a otros procedimientos para discernir si un suelo es susceptible a las heladas
o no. Una aproximación más práctica es el procedimiento utilizado por algunas agencias viales, consistente en verificar el contenido de finos a través de la malla ASTM N° 200 (0,08
mm) en conjunto y copulativamente con ciertos valores límites de plasticidad. De acuerdo
con esto, los suelos se pueden clasificar como se indica en la Tabla 9.4.
Esta última clasificación de suelos, aunque es simple y práctica, es una simplificación del
requisito de verificar el contenido de finos bajo el tamaño 0,02 mm, por lo que debe ser corroborada por otros procedimientos o por la experiencia práctica en la zona del proyecto.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
TABLA 9.4. CLASIFICACION ALTERNATIVA DE SUELOS
Clasificación
Contenido de finos
bajo malla N° 200
(0,08 mm)
IP
Suelos Heladizos
>10%
>10
Suelos semi
Heladizos
5% – 10%
6 – 10
Suelos no Heladizos
≤5%
≤6
De lo expuesto en este numeral se observa la dificultad que existe para encasillar un suelo
dentro de una escala de susceptibilidad a las heladas. Dada la gran cantidad de variables presentes en el fenómeno, últimamente se ha tratado de aplicar redes neuronales a bases de datos confiables para predecir mejor una clasificación más idónea de los suelos (G. Palma,
PROVIAL Chile, 2018).
En ocasiones, un suelo no heladizo se puede obtener no por la eliminación de sus finos sino
por la adición de cemento u otro estabilizador similar. En casos como estos se deben practicar, por ejemplo, ensayes de hinchamiento por congelamiento para determinar el contenido
óptimo de aditivo a utilizar.
9.3.3 Diseño y Soluciones Constructivas
Como se estableció antes, para cuantificar la magnitud de la penetración de las heladas en las
capas que conforman el pavimento y el subsuelo que lo sustenta, se requiere conocer, entre
otros parámetros, el Índice de Congelamiento (𝐼𝑐), que corresponde a la suma acumulada de
las temperaturas medias diarias bajo y sobre cero grados Celsius, en un ciclo completo de
hielo – deshielo, extraída de estaciones meteorológicas apropiadas. Normalmente, el valor
de 𝐼𝑐 que se usa en diseño vial, corresponde a un promedio de los inviernos más crudos que
se registran en la zona del proyecto. El criterio recomendado es calcular el índice de diseño
como el promedio de los 𝐼𝑐 de los tres inviernos más fríos de los últimos 30 años; en ausencia de mayor información, se puede elegir el invierno más frío de los últimos 10 años. Si en
el último tiempo se contara con 20 años de estadística, se sugiere utilizar el promedio de los
índices de los dos inviernos más fríos.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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En el proceso de diseño de un pavimento en zonas heladas se debe contemplar el reemplazo
de los suelos heladizos, por suelos francamente no heladizos. La profundidad en que se debe
hacer este remplazo varía según las agencias viales entre un 75% y el 100% de la profundidad máxima de penetración de las heladas. Los suelos semi heladizos tienen un riesgo aceptable frente a las heladas y se puede prescindir de su remoción. En el caso de bases y subbases granulares, se deben utilizar aquellas de granulometría abierta.
También se pueden utilizar alternativamente capas filtrantes que interrumpan la capilaridad
del suelo natural, acompañado de adecuadas soluciones de drenaje de las aguas captadas. En
la actualidad también existen productos sintéticos, del tipo membrana de geocompuesto, que
tienen la propiedad de actuar en forma similar, interponiendo una suerte de barrera contra el
ascenso de agua por capilaridad. En este caso, luego de colocar la membrana a la altura de la
profundidad de penetración de las heladas, se puede utilizar sobre él un suelo de cualquier
tipo, incluso heladizo.
Siempre es necesario atender el debido saneamiento del camino, tanto por su aporte propio al
diseño vial, como para complementar la prevención de fallas provenientes del proceso de
congelamiento y descongelamiento de la subrasante.
9.4 MODELOS PREDICTORES DEL 𝑰𝒄
9.4.1 Modelos locales
El Índice de Congelamiento de un determinado lugar depende de numerosos factores locales,
tales como: la latitud geográfica del punto, su altitud sobre el nivel del mar, su cercanía al
mar o a cuerpos de agua importantes, la existencia de ciudades u otras fuentes de calor, la
existencia de conformaciones orográficas que puedan favorecer microclimas especiales, y
otras características especiales del lugar.
Es así como en algunos países, el Índice de Congelamiento y a veces la profundidad de penetración de las heladas, se grafica en mapas de isoquimenas especiales del país o se tabula por
regiones geográficas, sin necesidad de efectuar mayores cálculos.
En Chile, dado su especial forma geográfica, es lógico suponer un modelo predictor para la
obtención de un valor aproximado del Índice de Congelamiento, basado en la latitud y la altitud sobre el nivel del mar de la locación. Esto no sustituye el análisis detallado del tema de
cada caso particular, basado en la información real y más reciente de temperaturas que se
disponga en la zona específica del proyecto.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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Dadas las particulares características del territorio y del relieve nacional, se ha podido comprobar que la zona austral tiene comportamientos propios y menos definidos que el resto del
territorio. Estos tendrían su origen en la ausencia de un valle central, la presencia de numerosos fiordos y canales que acercan el mar al inland y la existencia de vastos campos de hielo, que favorecen microclimas especiales. Además, la zona austral se caracteriza por variaciones de cota más bien bajas, comparadas con el resto del país, lo que influye en la importancia relativa de las variables que determinan el Índice de Congelamiento.
Por lo anterior, luego de un análisis detallado de la información de estaciones meteorológicas, en Chile se ha podido desarrollar dos modelos predictores (Asenjo, 2008), uno válido
para la zona norte-sur del país y otro válido para la zona austral, que puede considerarse como aquélla comprendida desde la Provincia de Palena hacia el sur.
Los modelos predictores del Índice de Congelamiento, en los que se obtuvo una mejor significancia estadística, son:
a)
Zona Norte-Sur:
𝐼𝑐 = (0,00321 × 𝐴 − 0,00265 × 𝐿 + 14,15)3
(a)
b) Zona Austral:
𝐼𝑐 = (0,00601 × 𝐴 − 0,00239 × 𝐿 + 13,61)3
(b)
donde:
𝐼𝑐 : Índice de Congelamiento, en : [ºC días]
𝐴 : Altitud, medida en m.s.n.m : [m]
𝐿 : Latitud, medida en coordenadas UTM (WGS84) : [km].
El modelo predictor representado por las fórmulas (a) y (b), presenta un test Chi² convergente en ambos casos. En cuanto al coeficiente de correlación, éste es R² = 0,97 para la Zona
Norte-Sur y R² = 0,72 para la Zona Austral. Cabe señalar que la correlación más baja detectada en el modelo se verifica en las estaciones meteorológicas ubicadas en la Región de Magallanes.
9.4.2 Uso de los modelos predictores
A pesar de que, en algunos casos, por condiciones especiales del lugar, el error de la estimación puede tener significancia, el modelo predictor antes presentado se considera adecuado
especialmente para:
Página 144
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a) Alertar al proyectista sobre el potencial efecto que podrían tener las bajas temperaturas de un lugar en el diseño de un pavimento, permitiéndole definir si amerita un
posterior análisis más detallado del tema, si es el caso.
b) Extrapolar el valor del Índice de Congelamiento calculado para una estación meteorológica determinada, hasta la altitud y latitud real del proyecto vial, que puede no
coincidir con la ubicación de la estación. Similarmente, el modelo permite tramificar el proyecto si ello es necesario.
c) El modelo predictor puede servir también para estimar el Índice de Congelamiento
de lugares donde no hay estadísticas de temperatura cercanas o asimilables.
El modelo encontrado es actualizable, si se cuenta con información de temperaturas más larga, más detallada, más reciente y/o con mayor cobertura territorial para su procesamiento.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPITULO 10
VOLADURA CONTROLADA
10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
Aspectos Generales
Las Vibraciones
Predicción de la Velocidad Peak VPP
Especificaciones normativas
Técnicas Constructivas
Página 146
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPÍTULO 10: VOLADURA CONTROLADA
10.1 ASPECTOS GENERALES
En el campo de las excavaciones en roca, faena frecuente por ejemplo en la conformación de
la plataforma de un camino ubicado en zonas de topografía ondulada o montañosa, se recurre
a la voladura o fragmentación de los macizos rocosos con explosivos. Estas faenas pueden
ser altamente peligrosas para las construcciones ubicadas en las zonas aledañas a la voladura,
ya sea por los efectos de la proyección a alta velocidad de trozos de roca como por las vibraciones que produce una voladura.
Existen métodos ampliamente conocidos para palear estos efectos negativos como el uso de
dispositivos cobertores del banco a dinamitar o el uso de técnicas silenciosas, donde en lugar
de explosivos se utilizan elementos expansores, químicos o físicos, para triturar la roca basal.
En este Capítulo nos referiremos a un procedimiento especial que se refiere al control de las
vibraciones que conlleva una voladura con explosivos, aspecto que, si bien es exigido por
muchas agencias viales en sus protocolos de construcción, no lo es tanto en otras agencias
donde el tema no está presente, a pesar de que existe abundante normativa internacional sobre la materia.
10.2 LAS VIBRACIONES
Las vibraciones causadas por la actividad humana en el entorno de un camino pueden provenir del tránsito pesado, maquinarias de construcción, maquinarias industriales o por las faenas de fragmentación de la roca mediante voladuras, que sería el caso de una obra vial donde
se trata de conformar la plataforma de subrasante de un camino o donde se funda un puente o
donde se construye un túnel.
Las vibraciones que produce una voladura son similares a las ocasionadas por un sismo y
provienen de la combinación de diversos tipos de ondas que se propagan a través del suelo a
distintas velocidades. Entre ellas, cabe mencionar las siguientes: ondas P (compresión), ondas S (corte), ondas R (Rayleigh) y ondas L (Love). El efecto concreto de estas ondas es el
movimiento ondulatorio de las partículas del suelo, caracterizado técnicamente por tres parámetros: el desplazamiento (𝑢), la velocidad (𝑢̇ ) y la aceleración (𝑢̈ ) de las partículas. Para
efectos de control en obra de las vibraciones provenientes de una voladura, el movimiento se
mide con instrumentos especiales en las tres coordenadas ortogonales posible, en función del
Página 147
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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tiempo. Cabe señalar que el desplazamiento, la velocidad y la aceleración están relacionadas
analíticamente por las siguientes relaciones:
𝑢̈ =
𝑑𝑢̇ 𝑑 2 𝑢
= 2
𝑑𝑡
𝑑𝑡
𝑢 = ∫ 𝑢̇ 𝑑𝑡 = ∬ 𝑢̈ 𝑑𝑡𝑑𝑡
Un análisis particular, si se considera movimiento armónico simple sinusoidal, conduce a las
siguientes relaciones, válidas para los valores máximos:
𝑢=
𝑢̇
2𝜋𝑓
𝑜
𝑢̇ = 2𝜋𝑓𝑢
𝑢̇ =
𝑢̈
2𝜋𝑓
𝑜
𝑢̈ = 2𝜋𝑓𝑢̇
en que f es la frecuencia de la onda (inverso del período), para la amplitud peak observada.
Así, la medición de una de las variables permite en principio la determinación de cualquiera
de las otras dos. Sin embargo, es deseable y recomendable medir el parámetro particular de
interés directamente.
La revisión comparada de la normativa internacional señala que prácticamente todas las
normas de manejo de vibraciones causadas por la actividad humana han sido desarrolladas a
partir del parámetro velocidad, siendo la variable controladora la “velocidad peak (máxima)
de partícula” (VPP) de la onda vibratoria, la que luego se contrasta con ciertos valores máximos recomendados en cada situación. La razón de esto es que la velocidad está relacionada directamente con los esfuerzos que pueden causar daños en las obras civiles, que es lo que
se trata de evitar cuando ocurre una voladura cercana. Por ello, también, el sensor preferente
a utilizar debe ser un sismómetro con transductor de velocidad.
Para tener una idea de los efectos que puede producir la vibración en algunas situaciones
prácticas, la Tabla 10.1 entrega algunos valores de referencia, aunque también debe tenerse
presente que influye la frecuencia de la onda, el tipo de construcción y la geología de la zona.
Cabe señalar que, en el caso de la percepción humana, la variable más representativa es la
aceleración, por sobre la velocidad.
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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TABLA 10.1. VALORES DE REFERENCIA
VPP de referencia
(mm/s)
2,0
6,4
16
40
140
190
2.500
Caso típico
Claramente perceptible por las personas.
Molesto para las personas.
Fuertemente perceptible por personas.
Edificación sin daño estructural.
50% de probabilidad de edificación con daños estructurales menores.
50% de probabilidad de edificación con daños estructurales mayores.
Rotura de un macizo rocoso sano.
10.3 PREDICCIÓN DE LA VELOCIDAD PEAK VPP
El total de la energía del movimiento ondulatorio, generado en el macizo rocoso alrededor de
una voladura, depende directamente con la cantidad de explosivos detonados. Por otra parte,
las vibraciones se disipan, disminuyendo con la distancia al foco de la voladura.
La literatura internacional reporta innumerables investigaciones realizadas por décadas en
muchas locaciones, recopiladas originalmente en 1971 en el Bulletin 656 del U.S. Bureau of
Mines, y complementadas vastamente con posterioridad. De acuerdo con ello, se han podido
establecer modelos empíricos para predecir la Velocidad Peak de Partícula, VPP, producida
por una tronadura. Uno de ellos, válido para distancias no inmediatas al disparo, conocido
como modelo escalado cuadrático, presentado originalmente por Duvall et al. en 1963, y Devine et al. en 1966, es el siguiente:
𝑉𝑃𝑃 = 𝐾 (
𝑅
√𝑊
)
𝛼
(ec. 10.1)
donde:
VPP es la velocidad peak de partícula, en [mm/s].
R es la distancia entre el punto de monitoreo y el punto de disparo, en [m].
W es la cantidad de explosivos por retardo, en [kg].
α es una constante a calibrar. Normalmente se asume igual a -1,6.
K es un factor que depende del tipo de roca del sitio (véase Tabla 10.2).
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ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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TABLA 10.2. VALORES TÍPICOS DE K
Tipo de situación
Para voladuras donde existe cara libre y el
tipo de roca es dura o altamente estructurada.
Para voladuras donde existe cara libre y la
roca tiene una dureza media.
Para voladuras donde las cargas se encuentran totalmente confinadas.
Valor de K
500
1.140
5.000
En un sitio en particular se recomienda calibrar la ecuación 10.1, utilizando disparos ya realizados o efectuando disparos de prueba, determinando los parámetros K y α por regresión.
Para estos efectos los sismógrafos se orientan en la dirección definida por el punto de voladura, definiéndose de esta forma las tres coordenadas cartesianas necesarias: una longitudinal en la dirección de la onda, otra transversal a ella y la tercera vertical, perpendicular a las
anteriores. Si el instrumento de medición, en lugar de velocidad informara desplazamiento o
aceleración, se deberán desarrollar los algoritmos de derivación o integración y las conversiones respectivas.
Al construir funciones que relacionan los parámetros R y W con la velocidad de partículas, es
posible controlar el tamaño de las voladuras para evitar daños en las edificaciones cercanas,
estableciendo la cantidad de explosivo a detonar por tiempo de retardo, u otras medidas paliativas.
10.4 ESPECIFICACIONES NORMATIVAS
La magnitud de las deformaciones que un nivel de vibración dado genera en una estructura
depende también del comportamiento dinámico de esta, en particular de sus frecuencias de
resonancia o respuesta. Por esto, la frecuencia (el inverso del periodo) de la vibración incidente es, aparte de la VPP, la segunda variable básica en la evaluación del potencial de daños. Sin embargo, la probabilidad de daños por vibraciones depende de muchos otros factores, tales como:




la duración de las vibraciones.
la cantidad de solicitaciones a las que es sometida la estructura.
la resistencia de los materiales que constituyen la estructura.
la calidad de la construcción.
Página 150
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL


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los esfuerzos estáticos preexistentes (incrementados por ejemplo por asentamientos
del suelo).
el nivel de mantenimiento o conservación de la estructura.
Cuando no existe una evaluación rigurosa del potencial de daños por vibración en una serie
de estructuras, se recurre generalmente a normas y recomendaciones que relacionan las características de la estructura y del suelo de cimentación con los niveles de vibración (velocidad de partícula, frecuencia dominante), o bien con características de la voladura misma
(cantidad de carga, distancias, etc.). Estas normas generalmente se fundamentan en la experiencia de varias décadas, involucrando miles de mediciones y observaciones de daños. Sin
embargo, su aplicación en ambientes diferentes a los de su origen requiere una cuidadosa
evaluación y asimilación, debiéndose considerar aspectos tales como las tipologías de las estructuras, materiales de construcción y las prácticas constructivas locales. Con esta advertencia, las normas internacionales pueden ser utilizadas como guías en países que no poseen
norma propia.
En la actualidad, el control de los efectos adversos de vibraciones causadas en la Ingeniería
Civil y la Minería se logra mediante el acatamiento de los niveles sugeridos en normas de
reconocido prestigio. Los valores máximos de velocidades de partícula, VPP, permitidos o
recomendados varían de una norma a otra. Quizás el valor indicativo más relevante que se
ha implantado es el de 2 pulg/s (50 mm/s), establecido como límite de la zona segura para
evitar daños en las estructuras, propuesto originalmente por Edwards y Northwood en 1960.
Este valor ha sido validado, corregido y complementado posteriormente por diversos estudios y normas.
Por otro lado, es importante evaluar las vibraciones en las tres direcciones ortogonales (como
algunas normas lo exigen expresamente), con el fin de observar la asimetría de radiación en
las voladuras, las propiedades de los diferentes tipos de onda generadas, así como las particularidades de la transmisión de ondas elásticas en el suelo.
A modo de ejemplo reproduciremos resumidamente las disposiciones de la norma española
UNE 22381, “Control de Vibraciones producidas por Voladuras”.
Las variables controladoras en dicha norma son: la mayor de las velocidades peak de partículas en las tres componentes ortogonales en mm/s y la frecuencia en Hz. Requiere sensores
de velocidad (preferentemente), desplazamiento o aceleración, con respuestas en el rango 2 a
200 Hz. Cubre gran cantidad de edificaciones que se clasifican en tres tipos de estructuras,
denominados Grupos I, II y III como sigue:
Grupo I
Edificios y naves industriales ligeras con estructuras de hormigón armado o
metálicas.
Grupo II
Edificios de viviendas, oficinas, centros comerciales y de recreo, cumpliendo la normativa legal vigente (española). Edificios y estructuras de
Página 151
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
valor arqueológico, arquitectónico o histórico que por su fortaleza no presenten especial sensibilidad a las vibraciones.
Grupo III
Estructuras de valor arqueólogo, arquitectónico o histórico que presenten
una especial sensibilidad a las vibraciones por ellas mismas o por elementos que pudieran contener.
Los valores normativos para la prevención de daños son los indicados en la Tabla 10.3.
TABLA 10.3. VALORES NORMATIVOS UNE 22381
Tipo de estructura
Frecuencia Principal (Hz)
2 a 15
15 a 75
>75
VPP
Despl.
VPP
(mm/s)
(mm)
(mm/s)
Grupo I
20
0,212
100
Grupo II
9
0,095
45
Grupo III
4
0,042
20
Para el rango intermedio de frecuencias, de 15 a 75 Hz, y dado que los desplazamientos máximos se pueden expresar en términos de velocidad peak (véase numeral 10.2), la tabla anterior se puede reemplazar por el siguiente gráfico equivalente (Figura 10.1):
Figura 10.1. Norma UNE 22381
Página 152
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
Para determinar la frecuencia principal, la norma UNE 22381 establece varios procedimientos:



Análisis de Fourier de la señal (algoritmo Fast Fourier Transform o FFT).
Espectro de respuesta de la señal o pseudoespectro de velocidad.
Método del semiperíodo (𝑡𝑠), que consiste en determinar el tiempo transcurrido entre el cruce por las abscisas anterior y posterior al valor peak de la señal (véase Figura 10.2). Con 𝑡𝑠 se puede determinar el período (que es: 𝑇 = 2 × 𝑡𝑠) y la frecuencia (que es: 𝑓 = 1/𝑇).
Figura 10.2. Determinación de la frecuencia
La norma UNE 22381 también establece el nivel de estudio requerido en cada caso, que será
función del tipo de trabajo a desarrollar, de la estructura a preservar, del tipo de terreno, de la
distancia existente entre la voladura y la estructura, y de la carga máxima de explosivo a detonar instantáneamente o carga por secuencia. También establece requisitos para los instrumentos a utilizar y la forma de colocación de los sensores en terreno.
Otras normas señalan umbrales similares pero distintos para la prevención de daños, incluso
más severos como por ejemplo la norma del Bureau of Mines de Estados Unidos, la norma
británica, la norma alemana o la norma australiana. Otras normas e investigaciones proporcionan guías para proteger otro tipo de estructuras como presas, hormigones de corta edad,
ductos enterrados, túneles, muros de contención, etc., por lo que tanto proyectistas como
constructores deben investigar el tema concreto, siendo de alta conveniencia una coordinación previa con los propietarios, tenedores o administradores de tales estructuras especiales
para su mejor tratamiento.
10.5 TÉCNICAS CONSTRUCTIVAS
Los niveles de vibración causados por voladuras se pueden reducir mediante la limitación de
las cargas o el secuenciando las voladuras de tal forma que la energía transmitida al suelo sea
distribuida en el tiempo, lo cual disminuye las velocidades máximas de vibración. Hoy en
Página 153
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
Oscar Asenjo Guajardo
día hay técnicas aún más sofisticadas, que mediante una secuenciación muy controlada y
previamente diseñada logran fenómenos de interferencia destructiva y directividad del campo de ondas generado por la voladura, que incluyen la optimización del diámetro de los barrenos, la minimización del confinamiento utilizando una cara libre, el uso de precorte y el
uso de barrenos de aire que disminuyen la continuidad de la onda.
La forma como se aborda el tema específico de la reducción de las vibraciones producidas en
una voladura es propia del campo de las tronaduras, tema cuya especificidad está fuera del
alcance de este texto.
Página 154
ALGUNOS APUNTES SOBRE DISEÑO VIAL
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CAPITULO 11
PARTIDAS DE OBRA
11.1
11.2
11.3
11.4
Aspectos Generales
Características de las Partidas
Análisis de Precios Unitarios
Especificaciones Técnicas
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CAPÍTULO 11: PARTIDAS DE OBRA
11.1 ASPECTOS GENERALES
La Ingeniería de Detalles de un Proyecto Vial en su etapa de Estudio Definitivo (véase numeral 2.11) debe incluir necesariamente el desglose de la obra en unidades más pequeñas,
llamadas “partidas”, que son obras o faenas de carácter homogéneo y cuantificables que
permiten el seguimiento, control, cobro y pago de la obra, tanto por sus ejecutantes como por
la Agencia Vial mandante. Ejemplos de partidas en el ámbito vial son: Excavación en Corte
en Terreno Común (m3), Confección de Terraplén (m3), Construcción de Subbase Granular
(m3), Imprimación Bituminosa (m2), Pavimento de Hormigón (m3), Construcción de Subdrén
(m), Acero Estructural (kg), etc. Normalmente en el alcance de una partida no se incluyen
ciertas actividades que son propias de los gastos generales de la obra como los gastos en oficinas y campamentos, fletes de maquinarias, equipos de laboratorio, equipos de topografía y
geodesia, costos financieros y garantías bancarias, profesional residente, personal técnico y
administrativo permanente, imprevistos y utilidades. Los gastos generales son tratados en
forma independiente de las partidas y normalmente se agregan al costo de la obra como un
porcentaje aplicado al costo neto de cada partida o de la obra en general. En este Capítulo se
revisarán algunas características importantes que poseen las partidas de obra para asegurar el
debido control y calidad de la obra por construir.
11.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTIDAS
Se entiende por “partida” una unidad de obra que es homogénea en sus características físicas
o en sus procedimientos de ejecución y que puede ser medida en forma cuantitativa sin ambigüedad. Las partidas se pueden referir a obras de construcción, operaciones de mantenimiento, actividades de instalación de dispositivos o medidas de control ambiental.
Cada partida se caracteriza por tener:





Un nombre identificativo (incluida una numeración apropiada)
Una unidad de medida (m2, m3, kg, etc.)
Un precio unitario
Una cubicación o cantidad de obra
Una especificación técnica asociada
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Es requisito fundamental que exista compatibilidad de las partidas en todos los documentos
del proyecto, sean estos planos, especificaciones, cubicaciones, presupuestos, memorias, etc.
La división de la obra en partidas permite cuantificar el proyecto vial y determinar el costo
de su implementación, ya sea construcción nueva, mejoramiento, conservación o reposición
y elaborar programas de trabajo para el control de su ejecución.
11.3 ANALISIS DE PRECIOS UNITARIOS
Los precios unitarios de cada partida se deben respaldar mediante un “análisis de precios” de
la actividad. Con el precio unitario y la cantidad de obra asociada a cada partida, obtenida de
la Ingeniería de Detalles del proyecto, se puede obtener por agregación el presupuesto total
de la obra. Los análisis de precios de cada partida se desglosan normalmente en mano de
obra, materiales y maquinarias/equipos necesarios para su ejecución (véase Tabla 11.1), asociando luego rendimientos a cada ítem considerado.
TABLA 11.1. ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
ACÁPITE
ELEMENTOS POR EVALUAR
Mano de Obra
Sueldo y Leyes Sociales del personal interviniente. Por ejemplo: Jefe de
Faenas, Técnicos, Especialistas, Capataces, Maestros, Jornaleros.
Materiales
Precio de insumos, puestos en obra (el transporte puede quedar incluido
en Maquinaria y Equipos).
Maquinaria y Equipos
Costo Horario de Posesión de la maquinaria o equipo necesario para ejecutar la partida (Depreciación). Para su determinación se requiere conocer: Valor de Adquisición, Período de Posesión, Utilización Anual, Valor Residual, Costo de Interés de Capital, Seguros e Impuestos.
Costo Horario de Operación. Incluye al menos: Repuestos y Reparaciones, Consumo de Combustibles, Consumo de Lubricantes, Operador de la
maquinaria o equipo.
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11.4 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
Las especificaciones técnicas de una partida de un proyecto específico detallan los procedimientos constructivos de la actividad y los requisitos de terminación y recepción en conformidad con las premisas que se adoptaron en el diseño. Normalmente se presentan en dos documentos que se complementan: las Especificaciones Técnicas Generales (ETG) y Las Especificaciones Técnicas Especiales (ETE). Las primeras, como su nombre lo indica, son generales y válidas para cualquier obra de la especie y las segundas son redactadas específicamente para un proyecto particular, definiendo parámetros entre opciones posibles, eligiendo
alternativas o incluso modificando las generales si ello amerita. Habitualmente las agencias
viales tienen implementadas ETG donde se vacía y actualiza su acervo tecnológico en el ámbito constructivo. Las ETE deben ser redactadas por el proyectista responsable del diseño de
la obra en particular.
El formato básico de una ETG o una ETE aplicada al caso concreto de una partida incluye un
título y al menos cuatro acápites, como se indica a continuación:
Numeración
NOMBRE DE LA PARTIDA
1.-
DESCRIPCIÓN Y ALCANCES
2.-
MATERIALES
3.-
PROCEDIMIENTOS DE TRABAJO
4.-
UNIDAD DE MEDIDA Y PAGO
(Unidad de medida)
En la Descripción y Alcances se indica en forma resumida a qué se refiere la partida y su ámbito
de aplicación dentro del proyecto. En Materiales se indican los materiales, naturales o
procesados que quedarán incorporados en la obra y las características mínimas que deben
cumplir. En Procedimientos de Trabajo se indica cómo se ejecutará la partida, los requisitos de
la maquinaria y equipos a utilizar, los procedimientos de control y recepción a utilizar y las
tolerancias admisibles de las variables involucradas. En Unidad de Medida y Pago se definirá
exactamente como se medirán las cantidades de obra ejecutadas y qué aspectos incluye o
excluye su pago.
En cuanto a materiales y procedimientos de trabajo existen diversas formas de abordar estos
temas en las especificaciones técnicas. Una de ellas, la más común, es a través de una
descripción pormenorizada de los materiales y de la forma de armarlos o colocarlos en la obra
según la experiencia acumulada de la técnica local sobre cómo desarrollar ciertas faenas o cómo
instalar o construir ciertos dispositivos u obras, suponiendo que dichos procedimientos aseguran
alcanzar un buen resultado en cuanto a funcionalidad y calidad de lo instalado o construido.
Otra forma es definiendo objetivos de desempeño, aplicable sólo si existe una forma confiable
de predecir el comportamiento de lo instalado o construido. Una especificación técnica por
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desempeño, por ejemplo, se da en el caso del control de la calidad del hormigón estructural de
un cajón prefabricado: aquí se puede exigir el cumplimiento de un indicador de durabilidad (por
ejemplo, mediante un ensaye de permeabilidad del hormigón) según el nivel de agresividad del
ambiente al que el cajón estará expuesto, en lugar de especificar un solucionario sobre cómo
construirlo. Otro ejemplo sería el caso de un pavimento asfáltico donde, en lugar de regular
detalladamente la confección y colocación de las mezclas asfálticas, se controlase sólo su estado
final: la irregularidad superficial (IRI), la resistencia al deslizamiento (RD), la capacidad
estructural (deflectometría de impacto), etc. En particular, los contratos de concesión de obras
viales se prestan para este tipo de especificación por desempeño, dado que se caracterizan por
ser contratos de largo plazo que incluyen tanto la construcción como el mantenimiento de las
obras construidas con cargo al mismo concesionario, para lo cual se pueden predefinir umbrales
de acción y por lo mismo se precisa disponer en forma complementaria de un sistema de gestión
del desempeño.
Un caso particular de especificación por desempeño, lo constituye el caso de los elementos
certificados, donde pueden estar certificados los materiales (productos) o bien los procedimientos de colocación/instalación (procesos), o ambos. En este caso la certificación debe
estar avalada por una norma internacional de reconocido prestigio. Algunos casos típicos
incluidos en esta categoría se indican en la Tabla 11.2. La recepción de los productos certificados incluye la aprobación de Informes de Conformidad y eventualmente la participación
de un organismo certificador. La evaluación de la conformidad tiene por objeto controlar
que los productos o los procesos certificados, colocados en obra, cumplan los mismos estándares de los prototipos ensayados en su proceso de certificación, como así también una vez
aplicados o instalados, cumplan los estándares requeridos por las especificaciones del proyecto. Así, la aplicación de la evaluación de conformidad permite avalar los cumplimientos
de las declaraciones señaladas por el fabricante en cada etapa, mediante la verificación sistemática de la calidad y trazabilidad de los materiales, cumpliendo además con las recomendaciones de instalación y verificación en terreno de las especificaciones señaladas por el fabricante para el elemento instalado en obra. Finalmente, la conformidad se puede establecer
estadísticamente mediante algún procedimiento de muestreo aleatorio y aplicando algún criterio de calidad aceptable como el de la norma ISO 2859-1 considerando un nivel de confianza previamente establecido.
La experiencia internacional comparada indica que la tendencia actual es migrar en la medida de lo posible hacia especificaciones técnicas por desempeño.
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TABLA 11.2. PRODUCTOS Y/O PROCESOS CERTIFICADOS
PRODUCTO O PROCESO
NORMA
Sellos de Alta Fricción
Norma Británica BBA/HAPAS, Guidelines Document for the Assessment
and Certification of High Friction Surfaces for Highways.
Sistemas de Contención
Norma Europea EN 1317 (Road Restraint Systems – Part 2: Performance
classes, impact test acceptance criteria and test methods for safety barriers.
Part 3: Performance classes, impact test acceptance criteria and test methods for crash cushions. Part 4: Performance classes, impact test acceptance
criteria and test methods for terminals and transitions of safety barriers).
Report 350 NCHRP de la FHWA de Estados Unidos (Recommended Procedures for the Safety Performance Evaluation of Highway Features).
Norma Europea EN 1436 (Material para Señalización Horizontal. Comportamiento de las Marcas Viales aplicadas sobre la Calzada).
Norma Europea EN 13197 (Material para Simuladores de Desgaste).
Demarcación de Pavimentos
Norma Europea EN 1824 (Pruebas de Campo).
Norma Europea EN 1790 (Materiales para Señalización Horizontal. Marcas
Viales Prefabricadas).
Barreras Dinámicas para interceptar
desprendimientos de rocas
European Test and Approval Guideline ETAG 027 (Falling Rock Protection
Kits), 2013.
European Assessment Document EAD 340059-00-0106 (Falling Rock Protection Kits), 2018.
Impermeabilizantes de Tableros de
Puentes
Norma Británica DMBR BD 47/99, Waterproofing and Surfacing of Concrete Bridge Decks, 1999.
Protección de Estructuras de Acero
Norma EN ISO 12944, Protección contra la corrosión de estructuras de acero con sistemas protectores de pintura.
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