Curvas Circulares y Espiral

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

GEOTOGRAFIA

Diseño y replanteo de curvas horizontales circulares y curva espiral de transición

Docente: Mónica Docente: Mónica Trouboul Auxiliares: Gustavo Auxiliares: Gustavo Mereta Maximiliano Fischer

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Índice. Página 1. Introducción. 1.1. Diseño en planta del eje de via de comunicación

3

2. Curva circular 2.1. Elementos de la curva circular 2.2. Replanteo de la curva circular

4 4 6

3. Curvas espirales de transición 4. Tipos de curvas de transición 5. La clotoide o espiral de Euler 5.1. Ley de curvatura de la espiral de Euler 5.2. Elementos de la curva espiral-circular-espiral espiral-circular-espiral 5.3. Ecuaciones de la Clotoide

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1- INTRODUCCION 1.1- Diseño en planta del eje de una vía de comunicación El alineamiento horizontal de los ejes de las carreteras o vías férreas están constituidos por alineamientos rectos, curvas circulares y curvas de grado de curvatura variable que permiten una transición suave al pasar de alineamientos rectos a curvas circulares o viceversa o también entre dos curvas circulares de curvatura diferente. El alineamiento horizontal debe permitir una operación segura y cómoda a la velocidad de diseño. Durante el diseño de una carretera nueva se deben evitar tramos en planta con alineamientos rectos demasiado largos. Tales tramos resultan monótonos. Y por otro lado se necesitan cambios de direcciones para salvar obstáculos o interferencias en el terreno. Los elementos geométricos de una carretera deben estar convenientemente relacionados, para garantizar una operación segura, a una velocidad de operación continua y acorde con las condiciones generales de la vía. En la figura 1(a) se muestran tres tipos de curvas circulares. La curva simple está formada por un solo arco de círculo, la curva compuesta en dos o más arcos de diferente radio y la curva inversa se forma con dos arcos que se curvan en sentido opuesto. La curva de espiral (también conocida como curva de transición) tiene radio variable, de manera que la curva se inicia con una curva muy suave, que se incrementa a medida que uno se mueva dentro de la curva, o lo que es lo mismo, el radio varia gradualmente desde un valor infinito hasta un valor finito (valor del radio de diseño de la curva circular), figura 1(b).

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Figura 1 – Tipos de curvas


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2- CURVA CIRCULAR Para enlazar dos rectas finitas con distinta dirección se pueden trazar un gran número de arcos circulares cuyo radio varía desde cero metros hasta un valor tal que dicho arco elimine el tramo en tangente correspondiente a la recta más corta. El valor del radio, escogido por el diseñador de la vía, depende de las condiciones topográficas del sitio y de las limitaciones que imponen las leyes de la mecánica del movimiento de los vehículos en una curva, para una determinada velocidad de diseño. 2.1 Elementos de la curva circular

Figura 2 – Elementos de la curva circular En una curva circular la curvatura es constante. Para definir una curva circular se parte de dos elementos conocidos, siendo uno de ellos el ángulo de deflexión, definido como aquel que se mide entre un alineamiento y la prolongación del alineamiento anterior, corresponde al ángulo central de la curva necesaria para entrelazar los dos alineamientos geométricos. Este ángulo es usualmente llamado delta (Δ) de la curva . El punto de tangencia entre el círculo y la recta, correspondiente al inicio de la curva, se denomina “Principio de Curva” (PC) y el punto de tangencia donde termina la curva es el “Final de Curva” (FC). El punto de intersección de los alineamientos rectos se denomina “Vértice” (V). GEOTOPOGRAFIA - Diseño y replanteo de curvas horizontales circulares y curva espiral de transición

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Se llama tangente (T), al segmento PC-V, que es igual al segmento V-FC. Si se trazan las normales a la poligonal en el PC y en el FC se interceptarán en el punto O, centro de la curva. El ángulo PC.O.FC es igual al ángulo de deflexión delta. De la figura 2 se deduce que los ángulos PC.O.V y FC.O.V son iguales y equivalentes a Δ/2. De acuerdo a lo anterior, y partiendo solo de dos datos conocidos, el radio de curva (R) que una función de la velocidad de diseño y del ángulo de deflexión que se obtiene del diseño geométrico, se obtienen los elementos principales de una curva circular: 

Tangente: Distancia comprendida desde el PC al V o desde el V al FC.

 =  tan ∆ 2



Cuerda (C): Distancia comprendida desde el PC al FC.

 = 2  sin ∆ 2



Flecha (f): Distancia comprendida desde el centro de la cuerda hasta el centro de la curva.

 = 1 − cos ∆ 2



Externa (E): Distancia comprendida desde el centro de la curva hasta el vértice.

 = sec ∆ − 1 2



Desarrollo (E): Porción de circunferencia desarrollada desde PC hasta FC.

 = 2  ∆  360


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2.2- Replanteo de la curva circular El replanteo de las curvas circulares se lleva a cabo generalmente bajo cuatro métodos distintos: 

Abscisas y ordenadas sobre la tangente: Es un método de replanteo en coordenadas cartesianas, en donde el eje de las abscisas en el segmento que une los puntos PC-V o V-FC. Se parte desde PC o FC hacia el vértice (V), para cada coordenada x le corresponde un determinado valor de ordenada y.

Figura 3 – Replanteo por Abscisas y ordenadas sobre la tangente

sin

∝ = 

→

 =  −  cos   = (1 − cos ∝)

 =  sin ∝

→ ∝= sin−  1


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

Abscisas y ordenadas sobre la cuerda: Al igual que método de abscisas y ordenadas sobre la tangente, este es un método de replanteo en coordenadas cartesianas. La diferencia está en este método que el eje de las abscisas es la cuerda. Se parte desde el centro de la cuerda hacia PC o, para cada coordenada x le corresponde un determinado valor de ordenada y.

Figura 4 – Replanteo por Abscisas y ordenadas sobre la cuerda

 =  →  =  sin   =  − ( −  cos )  =  −  cos ∆ − ( −  cos ) ∆  =  cos  −  cos sin

→

 = sin−  1

2

2


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 = cos  − cos ∆2 

Ángulo de deflexión:

Los Ángulos de deflexión son los ángulos formados por la tangente y cada una de las cuerdas que parten desde el PC a los diferentes puntos donde se colocaran estacas por donde pasara la curva. El ángulo de deflexión total para la curva formada por la tangente y la cuerda principal será Δ/2.

Se coloca el instrumento de medición (teodolito o estación total) en el PC y se enfoca hacia el V haciendo ceros en el ángulo horizontal. A lo largo de la curva se deben seguir colocando estaciones redondas, pero la primera de ellas, p1, estará ubicada desde el PC a una distancia diferente de C y a la que se denota C1. El ángulo central subtendido por una cuerda C1 que es la distancia desde el PC a la primera estación de la curva (p1) se denota como G1 y su valor se puede calcular a partir de la cuerda C1 y el radio R mediante la expresión:

1 = 2 sin− 1⁄2 1

Ahora, como las estaciones se localizarán desde el PC entonces se requiere conocer el valor del ángulo V.PC.P conocido como ángulo de deflexión para la estación P y cuyo valor se explica a partir de la Figura 5


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Figura 5 – Angulo de deflexión Por geometría se tiene que el ángulo formado por una tangente a un punto cualquiera de un círculo, en este caso el PC, y una secante que pasa por el mismo punto, es igual a la mitad del ángulo central subtendido por dicha secante, denotado por ϕ en la figura 5. El ángulo semiinscrito, como se le conoce, será entonces igual a ϕ/2. Quiere decir lo anterior, que el ángulo a medir desde el PC para localizar la primera estación (p1), y denotado en la Figura 6 como δ1, es igual a G1/2. Luego la siguiente estación (p2) tendrá una deflexión igual a (G1+G)/2, denotada como δ2 y así sucesivamente para todas las demás estaciones redondas dentro de la curva. El ángulo final será entonces igual a la mitad del ángulo central o sea Δ/2.


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Figura 6 – Replanteo por Angulo de deflexión Para una mayor claridad en la Tabla se presentan los valores de las diferentes deflexiones de la curva para cada una de las estaciones redondas. Cuando se realiza el cálculo de todas las deflexiones de una curva, existe entonces la manera de comprobar que estás son correctas, basta verificar que el valor acumulado de estas al llegar al PT es igual a Δ/2.


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ESTACION PC p1 p2 p3 p4 PT



DISTANCIA 0 C1 C1+C C1+C+C C1+C+C+C L

DEFLEXION 0 δ1 δ2 δ3 δ4 Δ/2

VALOR 0 G1/2 G1/2+G/2 G1/2+G/2+G/2 G1/2+ G/2+G/2+G/2 G1/2+ G/2+G/2+G/2+G2/2

Cuanto de flecha:

Este un método que se utiliza para el procedimiento que se conoce como “rellenar la curva”, esto es, una vez que la curva se encuentra replanteada por cualquiera de los métodos anteriores y se quiere densificar los puntos materializados en el terreno. Desde dos puntos cuya flecha tiene un valor “f” y una distancia desarrollada sobre la curva “d”, en la mitad del desarrollo se tendrá una flecha aproximadamente igual a un cuarto de la anterior, es decir, “f/4”. Ver figura 7.

Figura 7 – Replanteo por Cuarto de flechas


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3- CURVAS ESPIRALES DE TRANSICION El alineamiento horizontal con curvas circulares simples está compuesto por tramos rectos enlazados por arcos circulares. Un tramo recto, o en tangente, presenta un radio de curvatura infinito mientras que un arco circular presenta una radio de curvatura constante lo que significa que en el PC y FC de una curva circular se presenta un cambio brusco y puntual de curvatura, ocasionando a su vez un cambio inmediato en la fuerza centrífuga. Lo anterior obliga a los conductores a desarrollar una trayectoria errónea durante un tramo de vía, principalmente a la entrada y salida de las curvas, mientras se asimila el cambio en dicha fuerza centrífuga. Por la razón expuesta anteriormente, se ha hecho necesario implementar una curva de transición que permita un cambio gradual de curvatura entre una recta y una curva circular mejorando de manera considerablemente la comodidad, seguridad y estética en un camino. En la siguiente figura se puede observar el diagrama de curvatura de una curva circular simple. Nótese la discontinuidad en la curvatura en el PC y en el FC de la curva.

Figura 8 – Curvatura curva circular simple En la figura siguiente, en cambio, se tiene el diagrama de curvatura de una curva con espirales de transición al inicio y al final de esta. GEOTOPOGRAFIA - Diseño y replanteo de curvas horizontales circulares y curva espiral de transición

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Figura 9 – Curvatura curva circular con espirales 4-TIPOS DE CURVAS DE TRANSICION Las curvas de transición inicialmente se aplicaron en el trazado de líneas férreas a finales del siglo XIX mientras que para las carreteras su uso se inicia en la década de los treinta en el siglo pasado. A lo largo de todos estos años se han planteado diferentes tipos de curvas de transición dentro de las cuales tenemos: • • • • • • • • • • •

La parábola cubica La espiral cubica Curva de transición de Klein Curva de transición senoide de Bloss Curva de transición de Schram (parábola de cuarto grado) Curva de transición de Lange (ecuación de quinto grado) Curva de transición de óvalos de Cassini o curva elástica (radioide a las abscisas) La lemniscata de Bernoulli (radioide a las cuerdas) Clotoide o espiral de Euler (radioide a los arcos) Curva de transición de séptimo grado Espiral de Searles


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Espiral logarítmica Dentro de todas las anteriores las más utilizadas son la espiral de Euler, la lemniscata de Bernoulli y la curva elástica. Siendo la primera la más conveniente y empleada en ferrocarriles y carreteras. •

5- CLOTOIDE O ESPIRAL DE EULER Es también conocida como espiral de Cornu y espiral de Arquímedes y se trata de una curva plana que se desarrolla a partir de un punto dando vueltas, alejándose de él cada vez más y disminuyendo su radio. Para el diseño geométrico de vías se utiliza solo su parte inicial.

Figura 9 – Espiral de Euler 5.1- Ley de curvatura de la espiral de Euler Cuando un vehículo transita sobre una curva de radio R c a una velocidad constante V, experimenta una aceleración centrifuga o radial cuya magnitud se calcula como:

  =  2

Este valor seria el cambio inmediato que se tiene en el momento de pasar de una recta a una curva circular y viceversa, es decir en el PC y en el FC. Si entre el tramo recto y el tramo circular se ubica una curva de transición, de longitud Le, se produce una variación por unidad de longitud a lo largo de esta dada por:


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  =  ∗  2

Ahora, la aceleración centrifuga en un punto cualquiera de la transición, a una distancia L del punto inicial es igual a:

   = ∗ 2

Reemplazando la ac en este punto donde el radio es R se tiene que:

 

2

  = ∗ 2

Luego:

.  =  Llamando A2 al producto de las constantes Le y Rc:

 =  2

Dónde:

 = .   = √ .  2

Esta última ecuación es llamada Ley de Curvatura de la Espiral de Euler e indica que el radio de curvatura R es inversamente proporcional a la distancia L recorrida a lo largo de la curva desde su origen. De otra manera, en un punto cualquiera de la curva el producto del radio R y la distancia L es constante e igual a A 2. La constante A se denomina parámetro de la espiral y permite hallar el radio de la curva en un punto cualquiera de esta con la expresión: R = A 2/L Por ejemplo en una curva espiral donde el radio final es R=Rc=90 y la longitud final L=Le=40, el valor de A2 es 3600 se tienen los siguientes valores de R a lo largo de la curva: PUNTO 1 2 3

A2 3600 3600 3600

A 60 60 60

L 0 10 20

R ∞

360 180


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4 3600 60 30 120 5 3600 60 40 90 Valores de r a lo largo de la espiral A continuación se muestra el clotoide de la tabla anterior donde se puede observar, además, la evoluta de la espiral que corresponde al lugar geométrico de los centros de los radios de curvatura.

Figura 10 – Clotoide y evoluta con a=60 5.2- Elementos de la curva espiral – circular – espiral.


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En las figuras que siguen se presentan todos los elementos que conforman la curva compuesta por una espiral de entrada, un arco circular central y una espiral de salida. Luego se define cada uno de los elementos indicados en las figuras.

Figura 11 – Geometría curva espiral – circular – espiral


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Figura 12 – Xc, Yc, Ce

Figura 13 – Otros elementos de la curva espiral TE = Punto de empalme entre la recta y la espiral EC = Punto de empalme entre la espiral y el arco circular CE = Punto de empalme entre el arco circular y la espiral ET = Punto de empalme entre la espiral y la recta Δ = Deflexión de la curva Rc = Radio curva circular Le = Longitud curva espiral ϴe = Delta o deflexión curva espiral Xc = coordenada X de la espiral en los puntos EC y CE Yc = Coordenada Y de la espiral en los puntos EC y CE P = Disloque = Desplazamiento del arco circular con respecto a la tangente K = Abscisa Media. Distancia entre el TE y el punto donde se produce el disloque Te = Tangente de la curva. Distancia TE – V y V – ET Ee = Externa Tl = Tangente larga. Distancia entre TE y PIe o ET y PIe Tc = Tangente corta. Distancia entre PIe y EC o PIe y CE Ce = cuerda larga de la espiral. Línea que une TE con EC y CE con ET Ф = Angulo de la cuerda larga de la espiral Δc = Deflexion de la curva circular

G = Grado de curvatura circular GEOTOPOGRAFIA - Diseño y replanteo de curvas horizontales circulares y curva espiral de transición

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Lc = Longitud curva circular Cc = Cuerda larga circular 5.3- Ecuaciones de la Clotoide. Para calcular los elementos de una curva Espiral – Circular – Espiral se deben conocer inicialmente tres valores: o

o

o

El delta de la curva (Δ) que se obtiene a partir del diseño geométrico de la traza del

camino. El radio de la curva circular (Rc) que se define a partir de los mismos parámetros y criterios que el de la curva circular simple. La longitud espiral (Le) cuya longitud mínima dependerá de cuestiones de seguridad en el diseño de la curva.

Figura 14 – Calculo de coordenadas De la Figura se puede obtener que:


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 = .  Pero:  =  ⁄ 2

Por lo que:

 =   .

2

Integrando, con ϴ en radianes:

 = 2 

2 2

Remplazando el valor de A2 por Rc.Le se tiene que:

  = 2 2

Ahora para un valor de l = Le se tiene que θ =θe por lo tanto:

 = 2 , con  en radianes. Para obtener el valor en grados sexagesimales de debe multiplicar por 180 y dividir por π:

 = 90

, con

 en grados

Ahora en el triángulo diferencial de la figura 14 se puede observar que, por tener los lados ortogonales entre sí, el ángulo formado por dl y dx es θ, por lo tanto: dx = dl.Cos θ dy = dl.Sinθ

Para hallar las coordenadas cartesianas (x,y) del punto p se debe integrar:

∫ .  y = ∫ . sin 

X =


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Utilizando las series de Mc Claurin del seno y el coseno donde:

 = 1 − 

2

2!

 =  − 

3

3!

 +

−

4

4!

 +

6

6!

−

5

5!

7

7!

+

⋯

+

⋯  = 2  se tiene: 2

Reemplazando estos dos valores y el de la ecuación

2

2 4 6  1  1   = ∫ �1 − 2! 2   + 4! 2   − 6! 2   + ⋯ 2

1

2

2

2

2

2

3 5 7 9  1  1  1   = ∫ �2   − 3! 2   + 5! 2   − 7! 2   …  2

2

2

2

2

2

2

2

Por último, integrando y reemplazando de nuevo el valor de

 = 1 − 

2

10

 =  −  3

3

42

+ +



4

216



−

5

1320



6

+

9360

−



7

75600

 =  se obtiene: 2

2

2

⋯

…



Los valores de θ están en radianes y son suficientes los tres primeros términos de la serie para

el cálculo de los valores de x y y en un punto cualquiera de la espiral a una distancia l del origen. Normalmente la longitud de la espiral inicial o de entrada es igual a la longitud de la espiral final o de salida teniéndose una curva simétrica. Por lo tanto para hallar las coordenadas cartesianas del EC y del CE se reemplaza l por Le y θ por θe quedando:

 = 1 − 

2

10

 =  −  3

 +

4

216

3

42

 +

− 

6

9360

5

1320

−



+ 7

75600

⋯ …



Si se observa la Figura 13 “Otros elementos curva espiral” se puede notar que la espiral desplaza la curva circular hacia el centro de esta separándola un distancia Yc en el punto donde estas empalman (EC y CE) y una distancia p, llamada disloque, en el PC. GEOTOPOGRAFIA - Diseño y replanteo de curvas horizontales circulares y curva espiral de transición

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Aunque el PC no existe dentro de la curva, es el punto donde supuestamente estaría ubicado éste si no se tiene la curva espiral, en otras palabras, es el punto donde la tangente a la prolongación de la curva circular es paralela a la tangente de la curva. El punto p está ubicado a una distancia K desde el TE en la dirección de la tangente. El valor de K se conoce como abscisa media ya que su valor es aproximadamente igual a la mitad de Le. Podría decirse entonces, que el disloque es el valor de Y en la mitad de la curva espiral y que la mitad de la curva espiral reemplaza parte de la curva circular. Entonces como: cos

 =  − +

Despejando P obtenemos: P=Yc

− c(1 − cos )

En el mismo triángulo: sin

 = − 

Por lo tanto:

 −  sin 

K=

Ahora, en la Figura 11 “Geometría curva espiral – circular – espiral” se tiene que:

 =  + ( + )tan ∆ 2

De la misma Figura: cos (

∆⁄2) =   +

+

Luego:

 =  ∆⁄ −  ( +

)

cos

2


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Regresando a la Figura 13 “Otros elementos curva espiral”:

 =  −  =  

 tan 

sin

De la Figura 12 “Xc, Yc, Ce” podemos obtener Ce:

 = √ +  2

2

Ahora obtengamos los elementos de la curva circular. De la Figura 11 “Geometría curva espiral – circular – espiral “es claro que:

∆ = ∆ − 2  = ∆  = 2 sin(∆⁄2) 180

El valor del ángulo de deflexión para un punto cualquiera P de la curva espiral desde el TE o el ET está dado por:

 = tan−  1

De igual forma la deflexión φ para el EC o CE es:

  = tan−  1


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