Diseño y Levantamiento de Carreteras 1. INTRODUCCION: Desde el principio de la existencia del ser humano se ha observado su necesidad por comunicarse, por lo cual fue desarrollando diversos métodos para la construcción de caminos, desde los caminos en tierra, usando la piedra y aglomerante hasta nuestra época, con métodos perfeccionados, técnicamente avanzados y enriquecidos con la experiencia, se tiene grandes autopistas de pavimento flexible o rígido. Es por esto, este trabajo que se presenta, desarrollara el tema sobre topografía vial, el cual se refiere a los levantamientos topográficos para los diseños de construcción de una carretera, este describirá las definiciones de carretera y todas aquellas más necesarias para su comprensión, sus características, así como todas aquellas especificaciones necesarias para poder cumplir con los requisitos técnicos para tales obras civiles, también se describirán las consideraciones físicas, geográficas que intervienen para el diseño y construcción, los cuales varían dadas las características del lugar, suelo y condiciones climatológicas.
2. OBJETIVOS
Dar a conocer los alcances, alcances, condiciones, métodos y elementos que se emplean o requieren para el diseño de una carretera. Describir los pasos para el levantamiento topográfico en carreteras
3. INSTRUMENTOS GPS Una (1) Estacion Topografica Un nivel de precisión Abney Accesorios Complementarios Un (1) vehiculo
4. DESARROLLO DEL TEMA 4.1.
Actividades Antepreliminares y Preliminares:
4.1.1. Trazado de la Línea de Pendiente en el Terreno: Puede efectuarse de dos formas: a. Sin tolerancia en cortes ni en terraplenes. b. Con tolerancias en cortes y terraplenes. La línea de ceros en el terreno se lleva marcándola en la dirección general requerida, pasando por los puntos de control y por los puntos de control y por los lugares más adecuados. Para tal efecto, se emplean miras, jalones o varas, clisímetros (niveles de mano Locke o Abney)., brújula, cinta métrica, maceta, puntero, machete, estacas y libreta para anotaciones. Para determinar la línea de pendiente entre dos puntos de nivel diferentes se utiliza un clisímetro. Aparato Destinado a medir la inclinación o pendiente del terreno El más sencillo y práctico de estos aparatos con aproximación de medida suficiente para trazado de carreteras es el nivel de mano llamado Abney Las pendientes se trabajan en porcentajes (%), si el nivel Abney viene calibrado únicamente en grados sexagesimales, hay necesidad de convertir los porcentajes en grados y minutos. Esto se logra planteando y resolviendo una regla de tres en donde 7% equivalen a 4º.
Dada una pendiente en tanto por ciento se determina el ángulo respectivo tomando la mitad de la cifra significativa que expresa esa pendiente la cual indicara los grados y multiplicando por cuatro la misma cifra se obtienen los minutos. Por ejemplo, el ángulo que corresponde a la pendiente del 4 % se determina así:
4% (4/2) = 2º y 4x 4 = 16’ o sea 2º 16’
5.5% (5.5/2) = 2.75 = 2º 45’ y 5.5x 4 = 22’ Más 2’ Esto es 3º 09’
4.1.2. Trazado Antepreliminar: Consiste en la determinación del eje de la vía en el terreno, por la alternativa seleccionada por la Entidad. PROCEDIMIENTO: 1. Localizar la línea de ceros o de pendiente uniforme, empleando el nivel de mano Abney, dentro de valores máximo y mínimo admisibles para la pendiente. 2. Localizar una línea poligonal muy próxima a la línea de ceros. Es suficiente el empleo de la brújula para medir los rumbos y de la cinta, para las distancias. Debe estacarse cada 20 metros y referenciar los vértices de la poligonal. 3. Sobre la poligonal localizada se toman secciones transversales para determinar la configuración del terreno y las pendientes transversales. 4. Seleccionar en el terreno los sitios para los ponteaderos o sitios donde deben construirse puentes. 5. El ingeniero presentará un informe consistente en un conjunto de planos donde aparezca la poligonal localizada a escalas fijadas por la Entidad, generalmente de 1:5000 horizontal y 1:500 vertical. Además debe presentar las carteras de topografía y la información obtenida en esta etapa.
4.1.3. Trazada Preliminar: Consiste en el levantamiento topográfico detallado del corredor en el cual se ubicará el proyecto definitivo. El ancho de la faja depende de la categoría de la vía y las características topográficas de la zona. En la mayoría de los casos oscila entre 80 y 100 metros, pero es el interventor quien determinará en cada caso la amplitud de la cobertura para la toma de topografía. Antes de continuar con el procedimiento de la trazada preliminar, describiremos la parte topográfica:
Traza de una Poligonal Cerrada: - Por Deflexiones: Si el terreno es extensio o existen obstáculos que impidan visibilidad, es necesario hacer el recorrido inicial ajustado al perímetro del lote, materialización de estaciones, croquis a mano alzada, anotación de detalles, etc, definiendo una poligonal de base para el trabajo de campo Σ deflexiones derechas - Σ deflexiones izquierdas = 360º
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Por el Método de los ángulos positivos o negativos: Al igual que en el anterior método, se hace el recorrido inicial del lote, pero en este caso iniciando necesariamente por el lado izquierdo (siguiendo el sentido de las manecillas del reloj), materializando las estaciones y levantando a mano alzada el plano del lote, hasta regresar a la estación inicial. Para Ángulos (+) o Externos o Ángulos (-) o Internos Σ (+) ó Σ ángulos externos = 180 (n+2) Σ (-) ó Σ ángulos internos = 180 (n -2)
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Por Azimuts Directos: El método de azimuts Directos en poligonales cerradas trae la ventaja de chequear el error de cierre angular inmediatamente termina el levantamiento; además simplifica el cálculo de ángulos. Azimut inicial – Azimut Final = error Tolerancia = (Nº de Δ ) x (Aproximación del equipo) Error ≤ Tolerancia.
Traza de una Poligonal Abierta: - Por Deflexiones: El método de las deflexiones es el más usado en poligonales abiertas por su rapidez y precisión en el campo: debe avanzarse en el terreno de acuerdo a la ruta escogida ( carretera, ferrocarril, línea de transmisión, etc) -
Por el Método de los ángulos positivos o negativos: Este método de ángulos positivos es sencillo cuando se trata de leer numerosos ángulos y evita errores en caso de fallar la colimación del anteojo.
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Por Azimuts Directos: Este método tiene por objeto conservar en cada estación la meridiana magnética (NS) leída en la primera estación.
PROCEDIMIENTO:
1. Localización de la poligonal preliminar: con base en la línea antepreliminar trazada en el terreno. La preliminar es una poligonal de precisión que requiere como mínimo el empleo de tránsito y cinta metálica pero preferiblemente Distanciómetro o Estación. Obteniéndose la cartera de tránsito como la siguiente imagen:
El punto inicial y final deben estar amarrados al sistema geodésico del Instituto Agustín Codazzi, con referencias estables y de fácil identificación. Se trabajará con ángulos de deflexión observados por lo
menos en grados y minutos e indicando su sentido. Se leerán con brújula los rumbos magnéticos con el objeto de comprobar los rumbos calculados. Se abscisará cada 5, 10 o 20 metros de acuerdo con la topografía del terreno, en aquellos puntos donde se presenta un cambio de pendiente longitudinal y en los accidentes topográfico importantes como quebradas, cercas, linderos, edificaciones, líneas eléctricas, etc. Hay que investigar e incluir los nombres de los propietarios de lo predios. Cada punto abscisado de la línea preliminar se demarcara con estaca. Se deben referenciar en el terreno los vértices de la poligonal, por medio de cuatro mojones de concreto ubicados de tal manera que no desaparezcan por efecto del trabajo de las máquinas durante la etapa de la construcción. Pueden referenciarse dejando una intermedia entre cada par Ejemplo: Δ1 y Δ2, Δ4 y Δ5, Δ7 y Δ8, etc. Las gráficas de las referencias
se consignan en las páginas derechas de la cartera de tránsito
Es importante revisar aritméticamente cada página de la libreta de tránsito especialmente las deflexiones. El rumbo final debe ser igual al rumbo inicial, más o menos, la diferencia entre la sumatoria de las deflexiones izquierda menos la sumatoria de las deflexiones derechas . Rumbo final = Rumbo inicial ± (ΣI -ΣD)
Calculo de Coordenadas: Utilizando la cartera u hoja de cálculos para coordenadas y tomando los datos de la cartera de tránsito, rumbos calculados y distancias, se calculan las coordenadas topográficas de los
vértices de la poligonal. En cada hoja deben verificarse las operaciones aritméticas, en la siguiente forma: La diferencia entre la sumatoria de las proyecciones Norte, menos la sumatoria de la proyecciones Este debe ser igual a la diferencia. Este, entre la primera y la última coordenada Norte de la hoja. Esta condición también debe cumplirse con las proyecciones Estes y las coordenadas Estes.
2. Nivelación: La nivelación de la poligonal preliminar es de precisión y debe ligarse a la red de nivelación, pero si ello no fuere posible, se partirá de un punto de cota definida en el plano topográfico disponible o con lecturas de altímetro. Las cotas tanto en las abscisas de la línea de tránsito como en todos los puntos que se consideren necesarios para definir el perfil del terreno se calcularán al centímetro. Se deben colocar BMs sobre mojones de concreto y referenciados con respecto al eje de la poligonal, cada 500m. Durante el proceso debe nivelarse contranivelarse entre los distintos BM’s
3. Topografía (Secciones transversales) Sobre la línea preliminar (poligonal) se levantan normales en cada abscisa, indicando los puntos de cota redonda con su distancia al eje preliminar. Las normales se extienden a cada lado del eje, la distancia apropiada según el tipo de carretera que se desea proyectar. Generalmente debe cubrirse en cada normal un ancho de 100 mts Se tomarán cotas redondas cada metro, pero en zonas de pendientes transversales con equidistancias pequeñas y uniformes, se pueden tomar cotas redondas de 2 metros. Sin embargo, es la interventora quien fijará su criterio al respecto. También deben abscisarse los puntos sobre el eje a los cuales corresponda cota redonda. En los puntos vértices de la poligonal se tomará la sección sobre la bisectriz del ángulo. Además en el lado del ángulo mayor de 180º se tomará información según la normal a la línea de atrás y/o adelante, según la necesidad. Donde se requiera un puente de más de 5 mts. de luz, hay que hacer levantamiento detallado del área con las limitaciones que haga el interventor y con curvas de nivel con equidistancia de 1 mts. Debe tomarse información sobre cotas de aguas máximas y mínimas, perfil detallado por el eje del proyecto, geología del sitio y estudio de suelos
En la cartera de topografía se anotan sobre la línea preliminar (eje) y en forma de quebrado, en el numerador la cota y en el denominar la abscisa correspondiente. Así mismo sobre las normales al eje y también en forma de quebrado, se anota las cotas en el numerador y las distancias al eje en el denominador.
4. Resultados Dibujo de la poligonal preliminar por coordenadas, escala 1:1000 Una serie de planos topográficos con ubicación de los puntos de cota redonda, trazado de las curvas de nivel y de los detalles topográficos especiales, como quebradas, cruces de caminos o vías, construcciones, etc., a escala 1:1000 Dibujo del plano reducido de la poligonal preliminar, por coordenadas y en escala 1:10 000 para mostrar el corredor del coordenadas, 10.000, proyecto, y sirve además para asignar el tramo que debe dibujarse en cada plancha y la disposición de ella con respecto a la retícula de coordenadas. La escala del plano reducido, con el visto bueno de la interventora, puede cambiarse a 1:20.000 o 1:25.000. • •
•
•Para sitios de puentes de luces mayores de 5 mts., se presenta el
dibujo de la topografía y perfiles a escala 1:100. •Los planos se presentan de acuerdo con el tamaño y requisitos
especificado1 por el INVIAS o la Entidad contratante del proyecto. •También hay que entregar para revisión y aprobación las carteras de
tránsito nivelación y topografía de la preliminar, cálculos de
coordenadas y copia de los planos topográficos del corredor del proyecto
4.2.
DISEÑO GEOMETRICO DE CARRETERAS
Una Carretera se puede concebir como un sistema que logra integrar beneficios, conveniencia, satisfacción y seguridad a sus usuarios; que conserva, aumenta y mejora los recursos naturales de la tierra, el agua y el aire; y que colabora en el logro de los objetivos del desarrollo regional, agrícola, industrial, comercial, residencial, recreacional y de salud pública. El diseño geométrico de carreteras es el proceso de correlación entre sus elementos físicos y las características de operación de los vehículos, mediante el uso de las matemáticas, la física y la geometría. En este sentido, la carretera queda geométricamente definida por el trazado de su eje en planta y en perfil y por el trazado de su sección transversal.
4.2.1. DISEÑO GEOMÉTRICO HORIZONTAL - PLANTA El diseño geométrico en planta de una carretera, o alineamiento horizontal, es la proyección sobre un plano horizontal de su eje real o espacial. Dicho eje horizontal está constituido por una serie de tramos rectos denominados tangentes, enlazados entre sí por curvas. El alineamiento horizontal de una carretera debe concebirse de manera que incorpore todos los aspectos que contribuyan a un manejo más seguro. El alineamiento consiste en una serie de tramos rectos (tangentes) conectados por curvas circulares. El empleo de curvas espirales de transición permite que el alineamiento sea compatible con las necesidades de operación de los vehículos. Estas transiciones entre los tramos en tangente y las curvas circulares proporcionan medios para desviar suavemente el vehículo a la curva, y suministran una base racional para dar, la sobreelevación al entrar y al salir de la curva circular.
Curvas utilizadas 1. Circulares simples 2. Circulares compuestas de 2,3 o más radios 3. Curvas de transición: Espiral – E-E - Circular Espiral (Clotoide) 4. Curvas reversas (De uso restringido)
4.2.2. RECOMENDACIONES PARA EL DISEÑO EN PLANTA 1. Evitar tramos en planta con alineamientos rectos demasiado largos. Producen monotonía durante el día y en la noche aumentan el peligro de deslumbramiento, por las luces de los vehículos que avanzan en sentido opuesto. 2. Preferible reemplazar grandes alineamientos, superiores a 1,5 Km por curvas amplias de grandes radios, 200 a 10000 m, que obliguen al conductor a modificar suavemente su dirección y mantener despierta la atención. 3. Para vías de sentido único no tiene objeto utilizar radios superiores a 10000 m; pero en el caso de doble vía (en ambos sentidos), las condiciones de visibilidad pueden ampliarse a radios superiores. 4. El uso de los valores límites, ejemplo del radio, las entretangencias, etc., debe reservarse para las situaciones críticas. Por esto es muy importante conocer normas vigentes tanto para valores límites como para valores convenientes. 5. Evitar las curvas fuertes en los extremos de las tangentes largas.
6. Evitar las curvas de sentido contrario a cortas distancias. Estas dificultan el manejo, y también presentan problemas para darles la sobre - elevación necesaria. 7. Procurar obtener un equilibrio entre la curva horizontal y la rasante del perfil. 8. Como elemento de curvatura variable en el desarrollo se utilizará la clotoide, por razones de seguridad, comodidad y estética. 9. Por ningún motivo diseñar curvas reversas (revertidas). Estas curvas son las que se cruzan en sentidos opuestos y tienen un punto de tangencia común, siendo sus radios iguales o diferentes.
10. El radio para diseño debe ser mayor del radio mínimo obtenido en función de la velocidad de diseño, el coeficiente de fricción lateral y el peralte máximo 11. El uso de las curvas compuestas se debe reservar para casos particulares en los que las curvas convencionales de un solo centro no se puedan aplicar en forma satisfactoria. 12. En el evento de diseñar curvas circulares compuestas de tres centros hacerlo preferencialmente con curvas simétricas, ya que estas se utilizan como curvas de transición. 13. Al diseñar las curvas hay que establecer el nuevo abscisado del eje siguiendo la trayectoria real de tangente curva tangente y así sucesivamente.
4.2.3. ELEMENTOS PRINCIPALES DEL DISEÑO EN PLANTA
Elementos importantes en curvas circulares: · Radio de la curva · Grado · Cuerda · Longitud de curva circular · Tangente En curvas espirales además es necesario conocer: · Longitud de la espiral
· Angulo de la espiral · Angulo de la curva central · Punto de intersección entre la curva espiral y la curva circular central entre otros.
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Es importante que se proponga un diseño geométrico que este acorde principalmente con las condiciones topográficas, con las posibilidades económicas del país y con el entorno ambiental. Se recomienda analizar siempre la topografía de la zona. Tener en cuenta que son trabajos de precisión. Garantizar la supervisión técnica, durante la ejecución de la carretera para que se cumpla con todas las normas y especificaciones establecidas en el estudio y diseño, en beneficio directo de sus comunidades.
