Principios Fundamentales de Diseño e Ingeniería de Infraestructuras Viales

Conceptos Fundamentales en Ingeniería de Infraestructuras Viales

Criterios Hidráulicos y Medioambientales

La planificación de infraestructuras viales debe integrar criterios hidráulicos y medioambientales. Esto implica la determinación precisa del caudal de proyecto y la definición de una secuencia adecuada de adaptación, conducción y desagüe. El objetivo principal es evitar sobreelevaciones inadmisibles y velocidades excesivas del agua, garantizando la funcionalidad y sostenibilidad de la obra. Además, se deben considerar los aspectos de construcción, conservación, mantenimiento y limpieza a lo largo de todo el ciclo de vida del proyecto.

Conceptos de Coste y Ciclo de Vida

El periodo T, expresado en años, representa el tiempo para el cual el caudal máximo anual tiene una probabilidad de ser excedido igual a 1/T.

El Ciclo de Vida es el periodo de tiempo en el que se lleva a cabo un estudio de coste/beneficio de una infraestructura. Inicialmente, se realiza una inversión. Posteriormente, la infraestructura puede sufrir deterioro debido a acciones externas, lo que requiere la aplicación de un modelo de comportamiento que genera costes adicionales. Al finalizar este periodo, se considera un valor residual de la infraestructura.

Tipos de Costes en Proyectos de Infraestructura

• Costes de Primera Inversión: Incluyen los estudios previos y el proyecto, las expropiaciones, la construcción de la obra, y el control y vigilancia de las obras.
• Costes de Rehabilitación y/o Conservación: Comprenden la construcción ordinaria, la viabilidad, la explotación, la rehabilitación y la mejora de la infraestructura.
• Costes Generalizados de Transporte: Son aquellos que influyen en el movimiento del vehículo y se generan por la utilización de la infraestructura de los medios de transporte. Pueden ser:
  • Funcionamiento.
  • Demora en tiempo de viaje.
  • Accidentes.

Componentes del Coste de Funcionamiento de los Vehículos

• Amortización.
• Mantenimiento.
• Consumo de combustible.
• Consumo de aceite.
• Desgaste y reparación de neumáticos (cámaras y cubiertas).
• Reparaciones y repuestos.

Fases de Proyectos de Ingeniería Vial

Tipos de Estudios y Proyectos

La ejecución de un proyecto de infraestructura vial se estructura en diversas fases, cada una con objetivos específicos:

• Estudio de Planeamiento: Define un esquema vial en un determinado año horizonte, incluyendo sus características y dimensiones recomendables, necesidades de suelo y otras limitaciones, considerando el planeamiento territorial y del transporte.
• Estudio Previo: Consiste en la recopilación y análisis de los datos necesarios para definir, en líneas generales, las diferentes soluciones a un problema planteado, valorando todos sus efectos.
• Estudio Informativo: Es la definición en líneas generales del trazado de la carretera, sirviendo de base para el expediente de información pública que se incoe, en su caso.
• Anteproyecto: Estudio a escala adecuada y consiguiente evaluación de las mejores soluciones al problema planteado, permitiendo concretar la solución óptima.
• Proyecto de Construcción: Desarrollo completo de la solución óptima, con el detalle necesario para hacer factible su construcción y posterior explotación.
• Proyecto de Trazado: Es la parte del proyecto de construcción que contiene el aspecto geométrico del mismo, así como la definición concreta de los bienes y derechos afectados.

Consideraciones en las Fases del Proyecto

• En un anteproyecto se incluye una valoración relativa de la descomposición de este en varios proyectos parciales.
• En un proyecto se realiza un desarrollo completo de la solución óptima.
• En autopistas de peaje, es común recurrir al anteproyecto, al estudio económico y administrativo.
• El Proyecto de Construcción consiste en el desarrollo completo de la solución óptima.
• El Proyecto de Trazado es la parte del proyecto de construcción que contiene los aspectos geométricos y la definición concreta de los bienes y derechos afectados. Este último debe definir y valorar las expropiaciones precisas.

Tipos de Estudios para la Determinación de Alternativas de Solución

Para determinar la alternativa de solución más adecuada, se deben abordar los siguientes tipos de estudios:

1. Estudio de Planeamiento: Donde se explica qué hacer para garantizar las necesidades en un año horizonte.
2. Estudio Previo: Donde se recopilan datos y se realiza su análisis.
3. Estudio Informativo: Se utilizará como expediente de información pública.

Diseño Geométrico y Trazado Vial

Criterios de Diseño en Planta y Alzado

Diseño en Planta

• Separación uniforme entre cruces.
• Ángulos adyacentes de acceso mayores a 60 grados.
• Separación entre accesos en los bordes exteriores (D) mayor a 20 m.

Diseño en Alzado

• Plano horizontal.
• Pendiente máxima inferior al 3%.
• Rasante definida por el borde exterior.

Optimización del Trazado Vertical

Efectos Negativos en el Trazado: Pueden presentarse pérdidas de trazado, distorsiones, falsas inflexiones y puntos angulares (o ‘garrotes’).

Recomendaciones para el Trazado Vertical:

1. No colocar acuerdos cóncavos en zonas bajas.
2. Colocar acuerdos verticales dentro de la clotoide en planta y lo más alejado posible del punto de radio infinito.
3. Realizar cambios de rasantes suaves.

Acuerdos Verticales y Visibilidad

La longitud de un acuerdo vertical (L) se relaciona con el parámetro K (Kv) y el ángulo de giro (θ) mediante la expresión L = Kv * θ.

• Si Kv aumenta, L aumenta.
• Si Kv disminuye, L disminuye.

Cuanto mayor sea la longitud del acuerdo, mayor visibilidad se obtiene en ambos acuerdos, por lo que es preferible aumentar la longitud del acuerdo. El principal problema surge cuando no se dispone de suficiente visibilidad para el adelantamiento.

En el caso de autopistas y autovías, se tiende a utilizar valores de Kv más altos, lo que produce una transición más suave entre alineaciones y, por tanto, una mayor comodidad en la conducción. En carreteras convencionales, si el Kv del acuerdo vertical es mayor al mínimo y, aun así, no se consigue visibilidad suficiente para el adelantamiento, es más conveniente reducir este al mínimo para disminuir la longitud del tramo con prohibición de adelantamiento.

Visibilidad en Carreteras

El porcentaje de visibilidad de adelantamiento debe ser, como mínimo, del 40% para carreteras convencionales. La visibilidad de parada debe ser del 100% en toda la vía. En caso de que no se cumpla la visibilidad de parada para la velocidad de proyecto de la vía, se deberá disminuir esta hasta que se asegure la visibilidad.

Radios de Giro y Velocidad

La velocidad que determina los radios de giro es la Velocidad de Proyecto (Vp).

Relación entre Velocidad de Proyecto y Específica

¿Deben coincidir la Velocidad de Proyecto (Vp) y la Velocidad Específica (Ve)? Sí, deben coincidir al menos en un tramo del trazado. Una vez fijada la Vp como la mínima de las velocidades específicas, los radios de giro se fijarán en función de:

• Peralte y rozamiento transversal movilizado.
• Visibilidad de parada.
• Coordinación del trazado en planta y alzado.

Definiciones de Velocidad

• Velocidad Específica (Ve): Es la velocidad máxima a la que se puede circular en un tramo de un elemento de trazado, considerado aisladamente, en condiciones de seguridad y comodidad.
• Velocidad de Proyecto (Vp): Es la velocidad que permite definir las características geométricas mínimas de un elemento de trazado, en condiciones de seguridad y comodidad.

La Velocidad de Proyecto y la Velocidad Específica deben coincidir en al menos un tramo. La Velocidad de Proyecto se identifica con la velocidad específica mínima del conjunto del tramo.

Longitud Máxima de Curvas

Desarrollo Máximo de Curvas: Cuando el radio es muy amplio, la curva puede asemejarse a una recta, por lo que su longitud máxima se determinaría de manera similar a la de las rectas. Otra restricción importante es que, para evitar la monotonía que supone para el conductor mantener el volante girado durante mucho tiempo, se recomienda que el tiempo máximo de recorrido de una curva se establezca entre 30 y 35 segundos.

Análisis de Trazado y Seguridad

Análisis de Trazado: Vp=Ve=120 km/h, R=700 m, R=400 m ¿Es admisible? No parece aceptable. A pesar de cumplirse la normativa, el uso repetido de curvas con velocidad específica igual a la velocidad de proyecto puede llevar a que, a velocidades mayores, los conductores no circulen en condiciones óptimas de comodidad y seguridad. En el caso de rectas de 400 m, si la velocidad de proyecto es de 120 km/h, se deduce que la carretera corresponde a un tipo autopista o autovía, donde no se requieren longitudes mayores de recta para realizar adelantamientos.

Transiciones y Curvas

Trazado Recta-Curva Circular-Recta ¿Es admisible? Este tipo de trazado solo es admisible en caso de radios muy amplios. La normativa especifica que estos radios deben ser de 5.000 m para carreteras del Grupo 1 y de 2.500 m para carreteras del Grupo 2. En casos excepcionales, cuando los ángulos de giro entre rectas son inferiores a 6 gonios, y para mejorar la percepción visual, se puede realizar la unión mediante una curva circular sin clotoides, con un radio que cumpla la expresión normativa. Salvo los casos mencionados, siempre se deben utilizar curvas de transición (clotoides) entre alineaciones rectas y curvas.

Uso de Clotoides en el Trazado

Se recomienda el uso de dos clotoides unidas en los siguientes casos:

• Cuando el desarrollo circular (Ω) es inferior a 9 gonios (clotoide de vértice).
• Al unir dos curvas en ‘S’, siempre que la longitud de la recta intermedia sea inferior a 400 m.
• En curvas en ‘S’ en las que la recta no cumpla las dimensiones de longitud mínima.

Clasificación y Parámetros de Velocidad

Clasificación de Carreteras según Velocidad de Proyecto (Vp)

Las carreteras se clasifican según su velocidad de proyecto de la siguiente manera:

• Autopistas: AP-120, AP-100, AP-80
• Autovías: AV-120, AV-100, AV-80
• Carreteras Convencionales: C-90, C-80, C-100 (multicarril)
• Vías Rápidas: R-100, R-80

Además, se agrupan para ciertos criterios de diseño:

• Grupo 1: AP-120, AP-100, AP-80, AV-120, AV-100, AV-80, C-100 (multicarril), R-100, R-80
• Grupo 2: C-80, C-60, C-40

Hidrología, Drenaje y Geotecnia

Determinación de Caudales

La determinación de caudales es fundamental en el diseño hidráulico y puede realizarse mediante:

• Métodos Hidrometeorológicos: Incluyen el uso de pluviogramas, hidrogramas e hidrogramas unitarios.
• Estudios de Avenidas: Aplicables a cuencas extensas y ríos importantes.

Revestimiento de Drenajes

Las condiciones para revestir drenajes son cruciales para su correcto funcionamiento y durabilidad:

• Para evitar erosión (velocidades altas):
  • En clima húmedo: pendiente (i) > 4%
  • En clima seco: pendiente (i) > 3%
• Para evitar sedimentación (velocidades bajas): pendiente (i) < 1%
• Para la prevención de infiltraciones y dificultades de conservación.

Consideraciones sobre Desmontes y Taludes

Se debe tener en cuenta el tipo de material a desmontar y sus características. En roca, el desmonte será más costoso, y cuanto menor pendiente tenga el talud, menor volumen de desmonte se requerirá. Además, la roca presenta mayor resistencia.

Pendientes de Talud Recomendadas según Material:

• Roca:
  • Poco alterada: 1/3
  • Media alterada: 1/2
  • Muy alterada: 1/1
• Material Granular:
  • Sin finos o con finos no sedimentarios: 3/1
  • Con finos cohesivos: 2.5/1

Gestión de Tráfico y Nivel de Servicio

Consideraciones de Tráfico Pesado

La distribución de vehículos pesados por carril es un factor clave en el diseño de firmes:

• 2 carriles, 2 sentidos: Se considera sobre cada carril la mitad de los vehículos pesados que circulan por la calzada.
• 2 carriles por sentido: En el carril exterior se considera el total de los vehículos pesados que circulan en ese sentido.
• 2 calzadas, 3 carriles/calzada: Se considera que actúa sobre el carril exterior el 85% de los vehículos pesados que circulan en ese sentido.

Parámetros del Nivel de Servicio

Los Parámetros NS (Nivel de Servicio) intervienen en la evaluación de la capacidad y calidad de la vía. Incluyen características geométricas y de diseño como la velocidad de proyecto, la IMD (Intensidad Media Diaria), la I30 (Intensidad Horaria de Diseño), el FHP (Factor Horario de Punta), el porcentaje de vehículos pesados y el porcentaje de vehículos de recreo. La mayoría de estas características no se introducen directamente en el cálculo, sino que sirven como referencia para extraer los distintos factores de corrección tabulados.

Impacto Territorial y Soluciones

Fragmentación y Expropiaciones

La construcción de infraestructuras puede producir la fragmentación de caminos existentes y la reestructuración de la parcelación, además de la expropiación de aquellas parcelas afectadas por el trazado. Para mitigar este efecto, se suelen utilizar caminos existentes como vías de servicio o se diseñan pasos que conecten ambos lados del trazado.

Caminos y Vías de Servicio

Los caminos de servicio se utilizan para el mantenimiento y acceso a infraestructuras en áreas rurales, mientras que las vías de servicio se diseñan para proporcionar acceso a propiedades y servicios a lo largo de las carreteras principales sin interferir con el tráfico de alta velocidad.