TEMA 3. CARRETERAS Página 1 de 52
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS EN TOPOGRAFÍA, GEODESIA Y CARTOGRAFÍA
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
TEMA 3 CARRETERAS
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ÍNDICE
1. Introducción
2. Procedimiento y contenido para proyectos de carreteras
3. Tráfico
4. Trazado
5. Firmes
6. Drenaje
7. Señalización
BIBLIOGRAFÍA
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1. Introducción La construcción y explotación de redes de transporte terrestre es tan antigua
como lo puedan ser las primeras civilizaciones. Existen referencias en las
culturas mesopotámicas, egipcias o griegas. No obstante, la civilización que
extendió, mejoró y legisló en mayor medida fue Roma.
Los romanos extendieron un imperio alrededor del Mediterráneo y buena parte
de Europa cohesionado por una extensa y cuidada red de carreteras, que ellos
denominaron calzadas. Su extensión superó los 140.000km. Su calidad estaba
prescrita, alcanzando anchos de hasta 12m, espesores de firme de más de
1,5m y estableciendo una sistemática de conservación.
Hasta bien entrada la Edad Moderna no se alcanza el nivel de la red de
calzadas romanas. Entonces y, sobre todo, tras la revolución industrial, las
necesidades y los nuevos medios de transporte, propiciaron la aparición de
carreteras modernas que introdujeron materiales distintos tales como el
aglomerado o el hormigón, además de técnicas diferentes para el diseño y
construcción.
Se pretende en este tema repasar los aspectos fundamentales para el diseño y
construcción de obras de carreteras.
2. Procedimiento y contenido para proyectos de carreteras Las obras públicas no son el resultado de estudios técnicos que determinen a
través de procesos de análisis coste-beneficio, las ventajas para la colectividad
a la que sirven. Por supuesto que estos análisis se realizan y sirven para
justificar la ejecución de cada obra, pero la decisión inicial tiene un componente
eminentemente político. En la mayoría de las obras públicas se parte de una
decisión política de la autoridad competente al efecto (Ayuntamiento,
Mancomunidad, Diputación, Comunidad Autónoma o Estado Central), autoridad
que, con cierta dosis de discrecionalidad, decide que una obra puede ser
conveniente. En ocasiones, estas decisiones se tornan inviables a lo largo del
proceso, pero en otras ocasiones, culminan en la construcción de la obra. Lo
relevante es que el proceso surge de una decisión casi arbitraria de un
responsable que puede haberse visto influido por estudios macro, por apoyo
popular, por grupos de interés o por iniciativa propia.
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Por imaginar un ejemplo, que no tiene porqué ajustarse a realidad alguna, se
piensa en una comunicación entre Tarancón en la autopista A-3 y Quintanar de
la Orden en la AP-36, pueblos que distan 50km en línea recta. El porqué de
este pensamiento se puede deber a un estudio sectorial de transporte a nivel
nacional o regional, puede ser por existir una fuerte demanda de los vecinos de
ambas localidades para aumentar su relación, puede ser que el alcalde de
cualquiera de esas dos localidades esté interesado y tenga influencia, en fin,
siempre que alguien decide algo es por algo. En este caso hipotético, se decide
que no puede tardarse tanto en ir de un pueblo a otro y que la carretera es
insuficiente para la demanda y que hay que estudiar y, en su caso, construir,
una carretera nueva.
El primer paso a emprender es
que la autoridad competente, en
este caso podría ser la Junta de
Castilla-La Mancha o la
Diputación de Cuenca, encargue
un Estudio Informativo. Un
Estudio Informativo es el
equivalente a un anteproyecto
para otras obras públicas
aunque con algún añadido a
dicha figura, recibe distintas
denominaciones en leyes
autonómicas. El Estudio
Informativo evalúa posibilidades, analiza diferentes trazas, pasos alternativos
por Horcajo de Santiago, Villamayor de Santiago, Corral de Almaguer o por
ninguno de los anteriores. El estudio evalúa si las carreteras existentes pueden
ser reutilizables tras su adecuación o se debe optar por tramos de nueva
planta, si conviene una carreta convencional o una autovía, si sería mejor
ejecutarla con un firme flexible o semirrígido. En suma, se plantean todas las
alternativas, se evalúan y se propone la que pudiera ser más conveniente. Un
Estudio Informativo implica la consulta a todos los posibles afectados tanto
instituciones como particulares y suele ir sujeto a un proceso de información
pública durante el cual, cualquiera puede comprobar lo proyectado y formular
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las alegaciones que estime pertinentes, que habrán de ser contestadas por el
organismo impulsor de la iniciativa.
Tras este proceso, que es largo necesariamente (entre 2-6 años), se aprueba
una solución y es posible pasar al siguiente paso. La aprobación se basa en
informes técnicos pero tiene siempre un componente político. Del mismo modo,
una vez aprobada la solución, el paso al siguiente estadio, Proyecto de Trazado y Construcción, también tiene un componente político. Muchos
Estudios Informativos no llegan a desarrollarse nunca.
En realidad en el Proyecto de Construcción se integra el Proyecto de Trazado.
El Proyecto de Trazado contiene todos los elementos que permiten la definición
geométrica de la carretera, planta, alzado, taludes y secciones. Se distingue
este proyecto porque permite determinar con precisión los terrenos necesarios
para la construcción de la carretera. Una carretera es una obra pública y como
tal está declarada de interés público. Al ser de interés público, se habilita a la
Administración para adquirir los terrenos necesarios aun con la oposición de
sus propietarios, situación que se conoce como expropiación. Debe tenerse en
cuenta que, en un estado de derecho, la propiedad es un derecho
especialmente protegido que sólo puede ser arrebatado por causas que
redunden en interés público y social. El Proyecto de Trazado permite delimitar
los bienes (terrenos, construcciones y explotaciones) que deberán ser
adquiridos para que la Administración construya la obra. Estos bienes se
identifican y tasan en un Proyecto de Expropiación. Este Proyecto de
Expropiación se tramita de forma independiente y, dentro del procedimiento
vigente, permite la ocupación de los terrenos y que se fije un justiprecio por los
tribunales por dichos terrenos, aunque en muchos casos se alcanzan acuerdos
previos a la decisión del Jurado de Expropiación.
El Proyecto de Construcción contiene todos los elementos, unidades, planos,
definiciones, cálculos y consideraciones que permiten la correcta ejecución de
las obras previstas por técnicos distintos a los redactores. Como todo proyecto
consta de cuatro documentos fundamentales:
• Memoria y Anejos
• Planos
• Pliego de Condiciones
• Presupuesto
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La memoria contiene antecedentes, objeto y descripción del proyecto, un
resumen de presupuesto y otras referencias de carácter general. Es un
documento contractual. Se complementa con unos anejos que no son
contractuales. Los anejos típicos en un proyecto de carreteras son:
- Topografía
- Geología y Geotecnia
- Trazado
- Tráfico y firmes
- Hidrología y drenaje
- Estructuras
- Replanteo
- Señalización
- Situaciones provisionales durante la ejecución de las obras
- Expropiaciones
- Justificación de precios
- Revisión de precios
- Plan de obra
- Control de Calidad
- Tratamiento de residuos
Esta lista se puede ver ampliada o complementada a decisión del proyectista.
Además, todo Proyecto de Construcción suele llevar dos proyectos adicionales
complementarios: - Proyecto de Impacto ambiental - Estudio de Seguridad y Salud
El Proyecto de Impacto Ambiental tiene tratamiento y aprobación independiente
para asegurar que la obra no tendrá una incidencia global negativa en su
entorno. En algún caso, las circunstancias de la obra, la eximen de este
requisito. En estos casos se suele incluir un anejo en la memoria para describir
las medidas medioambientales consideradas.
El Estudio de Seguridad y Salud es un Proyecto Completo, con su memoria,
sus planos, su Pliego de Condiciones y su Presupuesto. El Presupuesto de
este Proyecto no puede ser ofertado a la baja por el contratista.
El segundo documento que compone un Proyecto de Construcción son los
planos. Es un documento contractual y un documento de uso habitual en la
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obra porque es el que mejor define la misma. Las colecciones de planos
incluyen trazados en planta y alzado, secciones, perfiles, drenaje, estructuras,
señalización, etc.
El tercer documento, también contractual, es el Pliego de Condiciones. Son
condiciones técnicas de las distintas unidades de obra previstas, que incluyen
condiciones de ejecución, de control y de medición y abono. Es un documento
de uso más esporádico en obra y suele ser habitual adaptar el Pliego de unas
obras a otras.
El cuarto documento es el Presupuesto. Está compuesto por cuatro apartados.
Un primer apartado son las mediciones por partidas y con mediciones
auxiliares cuando sea preciso. Esta parte del presupuesto no es contractual. Se
incluyen dos cuadros de precios. El número 1 incluye el texto de cada unidad y
su precio en número y letra. Es una reminiscencia de épocas pretéritas, sin
ordenadores, en las que el texto en letra del precio eliminaba equívocos, hoy
no tiene mucho sentido porque cualquier programa de presupuestos lo
proporciona sin margen de error. El cuadro de precios número 2 incluye la
descomposición del precio en sus diferentes apartados, materiales, maquinaria,
medios humanos y costes indirectos. Este cuadro es el que permitía el abono
parcial de una unidad de obra en el supuesto de una ejecución incompleta. Su
utilización está en desuso, al punto de ser habitual que todas las unidades se
descompongan genéricamente en maquinaria, mano de obra, material e
indirectos. Los cuadros de precios son contractuales. El documento
fundamental es el Presupuesto de ejecución, resultado de multiplicar
mediciones por los precios de los cuadros. El resultado final es el presupuesto
de ejecución material. A éste se le añaden gastos generales y beneficio
industrial dando el Presupuesto de ejecución por contrata. Y a éste se le añade
el IVA vigente. Para saber el coste de una obra hay que sumar el Presupuesto
de la misma, más el del Estudio de Seguridad y Salud más el del Proyecto de
Expropiación.
El Proyecto de Construcción se aprueba y la obra puede ser licitada, nueva
instancia con decisión política. La obra se licita por los sistemas previstos por
ley, concurso, subasta, mixtos, etc. y se adjudica, normalmente a un precio
inferior al de licitación, es decir a la baja. Esta baja puede ser precio a precio o
global. No se puede ofertar a la baja la Seguridad y Salud y no suele estar
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incluida la expropiación salvo en concesiones. La incertidumbre del precio final
de una expropiación puede condicionar una concesión y hacerla inviable, como
ha sucedido recientemente en España.
La obra se ejecuta y cuando termina se redacta un último proyecto, Proyecto fin de Obra. Este proyecto refleja la realidad de las obras construidas (as-built)
y la liquidación correspondiente a las mismas. Estas obras son recibidas por la
Administración y se integran en su Patrimonio. Debe tenerse en cuenta que es
habitual que los proyectos no se ejecuten exactamente igual a como estaban
proyectados.
A continuación se destacarán los procedimientos seguidos para el diseño de
alguno de los apartados más importantes de un Proyecto de Carreteras.
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3. Tráfico
Es uno de los apartados básicos en el diseño de carreteras. Dentro de la
Ingeniería de tráfico se engloba desde el análisis de tipos de vehículos, su
movimiento, las clases de redes viarias y las intensidades de circulación.
3.1. Vehículos
En cada país se establece una
clasificación por tipo de vehículo,
motocicletas, automóviles y vehículos
de carga y transporte de pasajeros.
Tipos de vehículos agrupados por categorías
en España
Para estos vehículos se establecen unas limitaciones de peso y tamaño que
varían de unos países a otros.
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En España están reguladas por la Dirección General de Tráfico.
Evidentemente, las dimensiones y pesos máximos son parámetros
fundamentales, pero, además, debe
analizarse la influencia del diseño del
vehículo en la geometría de la
carretera.
En este sentido existen vehículos
normalizados por distintos
organismos. El más conocido es la
AASHTO (American Association of
State Highway and Transportation
Officials). Para cada vehículo permite
apreciar las áreas barridas que son
mayores que las dimensiones del
propio vehículo.
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En España, las dimensiones habituales se aprecian en la siguiente tabla
3.2. Movimiento de vehículos
Los vehículos a motor disponen de ese elemento mecánico para vencer:
- Resistencia a la rodadura neumático-pavimento
- Pendientes
- Resistencia del aire
En cuanto se refiere al único punto de contacto entre vehículo y pavimento que
son los neumáticos hay que conjugar distintos aspectos. Por un lado interesa
que el contacto no sea abrasivo, de este modo se reduce el desgaste del
neumático y del pavimento, por otro es necesario que el pavimento permita el
freno del vehículo, especialmente en situaciones con presencia de agua. Una
insuficiente capacidad de agarre en agua genera deslizamientos conocidos
como aquaplaning. Hay más aspectos a considerar, gomas blandas generan
agarre superior pero mayor desgaste.
Además está el
problema del
ruido que genera
el contacto.
Todas las
carreteras
suenan, más
cuanto más
tráfico. A veces
hay que limitar su
expansión poniendo barreras
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La superación de pendientes
longitudinales se estudia
analizando la potencia motor en
relación al peso del vehículo y la
inclinación de la rampa. Se
analiza también la pendiente
transversal, el peralte trata de
compensar la fuerza centrífuga,
reduciendo las necesidades de
resistencia transversal en el
contacto neumático-pavimento.
En cuanto a la resistencia que ofrece el aire, se estudia para cada vehículo su
coeficiente de penetración Cx. El valor de este coeficiente alcanza 0,8 en
camiones y se puede ajustar hasta 0,3 en vehículos ligeros.
3.3. Redes viarias
Las redes viarias se clasifican en dos grandes grupos, autopistas y autovías
por un lado y carreteras convencionales por otro. Las diferencias estriban en
calzadas y accesos, además de muchos condicionantes de diseño. El término
autovía obedece a la necesidad de proyectar carretas de alta capacidad pero
con características geométricas y de accesos menos exigentes que los de una
autopista. En España algunas autovías aprovecharon la calzada única
preexistente o cruzaban núcleos urbanos.
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Además dependiendo de su función, se consideran diferentes tipos de
carretera TIPOS DE CARRETERAS SEGÚN SU FUNCIÓN
PRINCIPALES SECUNDARIAS LOCALES
TIPO DE VÍA Autopistas, Autovías o
carreteras de 2 carriles Carreteras de 2 carriles Carreteras de 2 carriles
TRÁFICO DE LARGA
DISTANCIA 100-75% 50% 25-0%
ACCESOS 0-25% 50% 75-100%
COMUNICACIÓN ENTRE Grandes centros de
actividad o población Centros regionales
Pequeños pueblos y zonas
aisladas
TIPO DE CRUCES Enlaces e intersecciones Intersecciones Intersecciones
E idéntica consideración puede hacerse sobre las vías urbanas TIPOS DE VÍAS URBANAS SEGÚN SU FUNCIÓN
Autopistas Arterias Calles colectoras-
distribuidoras Calles locales
Movimiento 100% 75% 50% 25%
Acceso 0% 25% 50% 75%
Longitud de
recorrido por la vía Más de 5km 1-10km 500-1000m Menos de 500m
Separación entre
vías 3-5km 1-2km 500m 100m
Tipos de cruces Enlaces
Enlaces e
intersecciones con
semáforo
Intersecciones con
semáforo o con
señal de prioridad
Intersecciones con
señal de prioridad o
sin señalizar
3.4. Circulación
Un elemento básico de diseño es saber la circulación que soportará la vía. El
parámetro más utilizado es la IMD, Intensidad Media Diaria, número de
vehículos que circulan cada día como media. La IMD define la importancia de
una carretera y la IMDp (IMD de pesados) sirve para el cálculo de firmes.
Este valor es verificable en carreteras existentes mediante conteos manuales y
aforadores automáticos.
Aforador
neumático
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Aforador de lazo
La IMD muestra la importancia de una carretera, pero no se distribuye
uniformemente.
Presenta variaciones a lo largo del año según el tipo de carretera.
En carreteras turísticas hay más intensidad en verano que en invierno, por
ejemplo.
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Además varía a lo largo de cada semana
Una vía urbana
baja mucho su
tráfico en domingo
y en cambio una
carretera de
comunicación a
segundas
residencias lo
incrementa.
Y por supuesto cambia a lo largo de cada día
La pregunta es, con qué intensidad se debe calcular el diseño de la carretera.
Si se tiene en cuenta lo anterior, debería calcularse para cada vía, en la peor
época del año, el peor día de la semana y a la peor hora. El resultado sería
carreteras sobredimensionadas el resto del tiempo y una pérdida o malgasto de
recursos. Para ello se establecen medias y se asumen que se producirán
retenciones.
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También debe tenerse en cuenta que hay que manejar tres conceptos básicos
en Ingeniería de Tráfico, cuales son la velocidad de circulación, la Intensidad
(veh/hora) y la densidad (veh/km). Estos tres elementos están relacionados,
como se aprecia en los siguientes gráficos,
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Las situaciones de inestabilidad propician la aparición de congestión
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Con una Intensidad de diseño y para una Velocidad de proyecto, velocidad de
diseño de la vía, se puede definir el tipo de carretera. Hoy en día, además debe
considerarse como otro elemento fundamental minimizar la afección al medio
ambiente.
4. Trazado No cabe duda que es el apartado más característico e importante en el diseño
de una carretera, tanto las de nueva planta como las adecuaciones de
carreteras en uso.
A lo largo de los estudios de la carrera en la que se enmarca esta asignatura
existen varias asignaturas que tratan sobre trazado y replanteo de carreteras,
por lo que no se incidirá en el mismo citándose, de forma enunciativa, los
elementos más determinantes.
El trazado de una carretera es el resultado de integrar el trazado en planta con
el trazado en alzado y con los peraltes transversales apropiados para cada
tramo.
Para todos estos apartados existe normativa abundante y, en España, se
atiende a lo prescrito en la Norma 3.1-IC TRAZADO del Ministerio de Fomento.
En esta Norma se regulan casi todos los aspectos relativos a este apartado,
empezando por la clasificación de vías a partir de la cual se consideran los
parámetros de aplicación. Los parámetros fundamentales son la velocidad de
proyecto y la clase de carretera
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A partir de definir clase y velocidad de proyecto, todos los parámetros en
planta, alzado y peralte están fijados en valores mínimos.
En planta se combinan rectas, curvas circulares y curvas de transición del tipo
clotoide.
En alzado se admiten alineaciones rectas con acuerdos parabólicos.
Los trazados en planta y alzado se combinan para asegurar distancia de
parada, visibilidad de obstáculos, visibilidad de parada, visibilidad de
adelantamiento, visibilidad de cruce, etc.
5. Firmes El firme es el elemento fundamental para soportar las cargas de tráfico, y este
valor es determinante en su diseño.
En España el tráfico se clasifica en función de la IMDp (Intensidad Media Diaria
de vehículos Pesados) que se prevea en el carril de proyecto en el año de la
puesta en servicio. El valor de la IMDp se puede deducir de aforos sobre vías
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existentes y deberá preverse el tráfico inducido por el efecto de la nueva
carretera.
Evidentemente, no todos los carriles de una carretera soportan el mismo
tráfico, especialmente en carreteras de más de un carril por sentido, por eso se
establecen criterios que me determinan la categoría de tráfico pesado:
- En carreteras de dos carriles, se supone que los pesados se reparten
entre ambos sentidos
- Si existen dos carriles por sentido, todos los pesados se suponen
circulando por el carril exterior
- Si hay tres o más carriles, se supone que el 85% de los vehículos
pesados lo hace por el carril exterior
La norma española contempla 8 categorías de tráfico que se aprecian en la
tabla adjunta
Las más pesadas se aplican en autopistas y autovías. En casos límite o zonas
de fuertes incrementos de tráfico, debe adoptarse un criterio prudente subiendo
la categoría del tráfico.
El firme está compuesto por un conjunto de capas dispuestas sobre la capa
superior de terraplén o nivel superior de desmonte, que se conoce como
explanada.
La explanada nos indica la capacidad del terreno para soportar cargas, tanto el
aportado en obra en terraplenes como existente en desmontes. Se clasifica por
el valor que alcanza el módulo de comprensibilidad en el segundo ciclo de
carga (Ev2) en el ensayo de carga con placa. Este índice sustituye al clásico
CBR(California Bearing Ratio), ensayo con propósito similar pero de
laboratorio.
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Cuanto mejor sea la explanada, se necesitará menos firme. Para los tráficos
más pesados T0y T00 sólo se admite E3. Para tráfico T1, explanadas E2 y E3.
La explanada se consigue de distintas formas, tal y como se aprecia en el
gráfico adjunto.
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Es posible alcanzar el nivel de explanada deseado a partir de cualquier material
que conforme el terraplén o exista en el fondo del desmonte, es cuestión de
cantidad y calidad de material a aportar. Los materiales que aparecen en el
gráfico se corresponden con la tabla siguiente,
Una vez conseguida una explanada, y para cada categoría de tráfico, es
posible elegir entre diferentes paquetes de firmes, tal y como se aprecia en los
gráficos adjuntos
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Los materiales que aparecen en estos gráficos han de cumplir las siguientes
características:
De entre todos los materiales que aparecen en el gráfico y tabla adjunta, el más
habitual para las capas superiores son las Mezclas Bituminosas. El reparto en
capas del paquete de Mezcla se ajustará a lo que aparece en la tabla adjunta,
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Deberá tenerse en cuenta la zona térmica y pluviométrica en la que se
encuentre la obra, debido, por ejemplo, a lo inadecuado del uso de mezclas
porosas en coronación en zonas frías y lluviosas.
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La normativa regula también la disposición de capas en arcenes, obligando a
prolongar la sección de firme de calzadas para anchos de hasta 1,25m y
admitiendo reducciones para anchos superiores.
También se analiza la ejecución de juntas en pavimentos de hormigón, tanto
longitudinales como transversales.
Por último, se incluyen disposiciones constructivas sobre la disposición de las
distintas capas que componen un firme,
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6. Drenaje El mayor enemigo de la conservación de carreteras es el agua, hay que
evacuarla siempre y tan rápido como sea posible. La procedencia del agua
puede ser:
- Caída del cielo y que corre en superficie, tanto la que cae sobre la
carreta como la que cae en los terrenos interceptados por la misma,
drenaje superficial
- Infiltrada desde el terreno sobre el que se apoya la carretera, drenaje
subterráneo.
6.1. Drenaje superficial
Trata de solventar tres problemas:
Evacuar el agua que cae sobre la carretera, drenaje longitudinal.
Restablecer las vías de agua interceptadas, drenaje transversal.
Franquear cursos importantes de agua.
Para afrontar estos problemas hay que seguir un procedimiento que tiene dos
partes fundamentales,
o Saber los caudales de agua que pueden aparecer, estudio hidrológico.
o Diseñar los dispositivos que manejen dichos caudales, estudio
hidráulico.
6.1.1. Estudio Hidrológico
Se trata de adoptar en cada punto un caudal de referencia que permita un
posterior cálculo hidráulico. La determinación de caudales no es el resultado de
una fórmula exacta, más bien es un estadístico. El valor del caudal está ligado
a la frecuencia con la que se espera superar dicho valor. El periodo que marca
el valor estadístico del caudal que no se espera sea superado se denomina
periodo de retorno, T. A mayor periodo de retorno, mayor caudal y menos
riesgo de que aparezcan caudales mayores al considerado.
Por entender este concepto estadístico, si se considera un periodo T=50años,
existe una probabilidad del 2%de que aparezcan caudales iguales o mayores
en cada uno de esos 50 años, lo que significa que siempre existe riesgo. De
hecho, si calculase la probabilidad de que a lo largo de 100 años se superase
el caudal calculado para T=50años, resultaría un valor,
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p = 1-(1-(1/T))N, que con los datos citados da un valor del 86%.
Entendiendo que el cálculo de caudal siempre es estadístico, deberá adoptarse
un periodo de retorno acorde a la importancia del fallo. Por ejemplo, si diseño
una cuneta en una carretera secundaria bastará con que considere un periodo
de 10 años, pero para el riesgo de un puente sobre el Ebro en la autopista A-2,
deberé considerar un periodo de 500 años. Y ello es debido a que si falla la
cuneta se inunda el campo pegado a la carretera hasta que salga el sol y lo
seque. Si fallo en el segundo caso, me quedo sin puente durante meses.
Una vez que he elegido un periodo de retorno, debo calcular la cuenca de
aportación. Es la zona que vierte sus aguas hacia mi punto de control. Siempre
existirá un límite, divisoria de cuenca, entre las aguas que circulan hacia mi
punto de control y las que van a otro punto.
Calculadas las cuencas, mi siguiente paso será fijar el coeficiente de
escorrentía. Este coeficiente expresa el porcentaje de agua que circula sobre el
terreno respecto al agua caída, es decir, determina cuanta agua no se infiltra.
En la tabla adjunta, se aprecian valores entre 0,05 y 0,95. Ante semejante
variación resulta importante ser precisos en la cuantificación del coeficiente de
escorrentía empleado en función del terreno que compone la cuenca
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Además debe considerarse que cuando empieza a llover sobre un suelo seco,
inicialmente toda el agua se infiltra hasta que, alcanzado un valor que se
denomina umbral de escorrentía, empieza a fluir en superficie.
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Conocida cuenca y coeficiente de escorrentía, en los que no ha intervenido
ningún valor estadístico, es necesario calcular la intensidad de lluvia.
La intensidad depende en primer lugar del valor de la precipitación media diaria
P. Esta precipitación se puede deducir de estaciones pluviométricas próximas o
tomarse de los datos facilitados por el Ministerio de Fomento para toda España.
Lógicamente unos u otros datos deberán ser tratados estadísticamente para
tener en cuenta el periodo de retorno considerado para mi punto de control. En
el caso de usar datos del Ministerio, se sacaría el valor base de precipitación
de un gráfico (ver adjunto) y entrando con el valor del coeficiente de variación
de la zona (en el gráfico en rojo) y el periodo de retorno considerado, se
deduce el factor de incremento aplicable al valor base, en una tabla.
Luego habríamos obtenido la precipitación de cálculo, Pd (para mi periodo de
retorno) valor que se expresa en mm/día. La Intensidad media diaria, Id, es el
resultado de dividir Pd entre 24, por tanto se expresa en mm/h.
Ya sabemos la intensidad de cálculo, la cuenca y el coeficiente de escorrentía.
El siguiente paso será determinar el tiempo de concentración. El tiempo de
concentración expresa el tiempo que tarda una gota de agua situada en el
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punto más alejado de mi cuenca en llegar hasta mi punto de control.
Supongamos que este tiempo de concentración, Tc, es de 1h. Se pone a llover.
En el primer minuto, yo no recibo agua de toda mi cuenca, sólo recibo agua de
las zonas a 1 minuto de distancia. Si llueve 10 minutos, recibo agua de hasta
10 minutos de distancia. Si la lluvia para a los 30 minutos, en ningún momento
recibo agua de toda mi cuenca. Por otro lado es seguro que llueve más fuerte
cuanto más corto es el aguacero. En general, se adopta como tiempo de
aguacero el correspondiente al tiempo de concentración. Si llueve más tiempo,
la intensidad será menor, si llueve menos, la que será menor es la cuenca
aportante.
Para determinar la intensidad de cálculo, I, es necesario saber el valor de la
intensidad media diaria, Id, el tiempo de concentración Tc y el parámetro I1/Id
que se deduce del gráfico adjunto. La formula a aplicar es la siguiente (método
hidrometereológico)
Gráfico de isolíneas I1/Id
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En la fórmula el tiempo de concentración se introduce en horas y el resultado
para I se expresa en mm/h.
A veces el cálculo del tiempo de concentración es complejo, por lo que se
admite el uso de una fórmula simple para cuencas pequeñas.
En la fórmula, L es la longitud de la cuenca en km y J la pendiente media en
m/m.
Con todos estos datos calculados para mi cuenca, el caudal se determina
mediante la fórmula racional
c, es el coeficiente de escorrentía, adimensional. I la intnesidad de cálculo. A el
área de mi cuenca. K es un coeficiente que mayora los caudales un 20% para
prever puntas de precipitación. Si I(mm/h) y A(km2), entonces K=3 y se obtiene
caudal Q en (m3/s)
6.1.2. Estudio hidráulico
Ya se conoce el caudal a desguar, Q, sólo queda diseñar el sistema idóneo
para que ello sea posible. Para drenaje longitudinal se emplean cunetas, caces
o sumideros y tubería. Para drenaje transversal se emplean tubos y obras de
paso.
El agua siempre circula por gravedad. Para eliminarla de la carretera, se
diseñan peraltes y bombeos que la alejan transversalmente de la calzada. En
las zonas de transición (cambios de peralte), es necesario que el agua salga
por pendiente longitudinal. Una vez fuera, se recoge en cunetas, caces y
sumideros.
Para el cálculo de las distintas secciones hidráulicas, se emplea la fórmula de
Manning-Strickler.
Q = (S.RH2/3.J1/2)/n
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Donde
• Q es el caudal que circula, que, como siempre, es el producto de la
sección (S) por la velocidad (v).
• S, la sección que ocupa el agua
• RH, es el radio hidráulico, cociente entre S y el perímetro mojado PM,
que es la longitud de la sección en contacto con el líquido
• J, es la pendiente
• n es el coeficiente de rugosidad de Manning para el material con el
que se fabrique la sección. Para el hormigón vale del orden de 1/60
a 1/75.
Esta fórmula se utiliza para todos los elementos en drenaje longitudinal y
transversal circulando en régimen de lámina abierta, es decir, que no circula
líquido a presión
El material con el que se fabrican las obras es diverso, pero, para las más
sencillas del tipo cuneta es habitual excavarlas en tierra y se revisten de
hormigón si la pendiente es muy escasa (<0,5%) o alta (más del 4%). El resto
de secciones pueden ser de hormigón, plástico o aglomerado.
Los caces son secciones cerradas con apertura superior longitudinal a la
carretera que se colocan donce la escasez de espacio, o limitaciones
funcionales, impiden colocar secciones abiertas del tipo cuneta.
Es el caso, por ejemplo de autovías de doble calazada en las que se
incrementan los carriles de circulación a costa de la mediana, eliminando el
espacio que debiera ocupar una cuneta.
Instalación de caz en
línea de separación
de calzadas de
autovía.
Los caces ocupan siempre un espacio reducido y están pensados para que se
pueda circular sobre los mismos.
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Las cunetas son secciones abiertas de geometría conocida
Se colocan
longitudinalmente a
la carretera en
diferentes
posiciones,
coronación de
desmonte, pie de
desmonta,
coronación de
terraplén, en
mediana, etc.
Su geometría es
variable. Las más
habituales son
triangulares, aunque
también es normal
el uso de secciones
trapeciales.
Las cunetas
reducidas funcionan
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como caces. Las cunetas e seguridad permiten la circulación accidental de
vehículos sin riesgo de vuelco, pero necesitan mucho espacio de desarrollo.
Es normal que las cunetas y caces entreguen su caudal a una obra de drenaje
transversal o que se conduzca a partir de sumideros y tubos enterrados.
Las obras de drenaje transversal deben cruzar bajo la capa de firme con el
suficiente resguardo como para asegurar que no afecten al propio firme,
mínimo resguardo de 0,5m.
Las obras de drenaje transversal suelen ser circulares o, si necesitan mayor
dimensión, serán obras de fábrica tipo marco o pórtico.
Su cálculo utiliza las fórmulas citadas y su disposición debe tender a que se
adapten a los cursos naturales interceptados. De este modo, el riesgo de que
se produzca un desbordamiento por falta de capacidad, una retención que
haga entrar en carga el conducto, variando sus condiciones hidráulicas, o que
simplemente depositen arrastres que disminuyan la secicion, se minimiza.
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Es muy importante que se evite el contacto entre el caudal circulante y el talud
(casi siempre las obras de drenaje transversal van en zona de terraplén). Para
ello se disponen aletas y recrecidos que protegn los taludes de tierra del
contacto con el agua.
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6.2. Drenaje subterráneo
El drenaje superficial conduce y evacúa el agua que discurre en superficie. No
es el único origen del agua que puede afectar a una carretera. Del agua que
circula bajo la superficie se ocupa el drenaje subterráneo.
Se distinguen varios orígenes para que el agua llegue al entorno de una
carretera bajo la superficie:
• Filtraciones en las capas de firme, por porosidad, grietas, juntas, etc.
• Filtración lateral por zonas sin firme, como arcenes, bermas,
cunetas, etc.
• Aumento de humedad por elevación del nivel freático.
• Capilaridad desde las capas inferiores.
• Concensación en determinadas condiciones atmosféricas.
Alguna de estas causas no debiera existir, como la filtración por firme, otras
son inevitables como la presencia de freático en zonas de desmonte.
En general, en una carretera hay capas impermeables de aglomerado o de
hormigón y capas permeables formadas por materiales granulares. En las
capas granulares se analiza la capacidad de drenar agua atendiendo a su
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gradiente hidráulico, que es la capacidad de transmisividad al agua, además de
su espesor.
Las capas granulares compactadas adecuadamente drenan muy poco por lo
que hay que construir medios extraordinarios que eliminen el agua del núcleo
de la carretera.
Estas medidas se
basan en colocar
elementos de alta
capacidad
drenante, bien en
disposición
superficial como
capas de drenaje,
bien en disposición
longitudinal como
drenes laterales de
drenaje
El efecto conseguido con estas
medidas es evitar que el núcleo
de mi carretera se encuentre
anegado por agua que modifica
sustancialmente el
comportamiento estuctural de mi
carretera y, especialmente, del
firme.
Estos elementos consiguen el
efecto con materiales de alto
gradiente hidráulico, muy
porosos, como pueden ser las
gravas. El riesgo estriba en que los arrastres de las aguas subterráneas
contengan materiales finos que vayan colmatando los huecos y disminuyendo
de esta forma la capacidad de drenaje.
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Para evitarlo existen diferentes materiales auxiliares, de entre los que destacan
los de tipo geotextil, que permiten el paso de agua e impiden el de material
granular, aunque sea de pequeño tamaño.
Es necesario permitir que el agua drenada
tenga una salida. La misma se suele facilitar
mediante tubos permeables (PVC ranurado,
hormigón poroso, hormigón perforado, etc.)
que drenan hacia arquetas que imcorporan
los flujos al drenaje longitudinal y
transversal.
Los sistemas son eficaces, pero como
cualquier otro elemento de la carretera, precisan de mantenimiento sistemático.
7. Señalización
El último de los aspectos en los que vamos a incidir en este curso básico sobre
carreteras es la señalización. La señalización comprende, en un sentido
amplio, un conjunto de elementos destinados a informar, ordenar o regular la
circulación en una carretera. Además se suelen incluir en este apartado los
elementos de balizamiento y defensa de la vía.
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Cada vez resulta más importante la señalización como elemento fundamental
de la seguridad vial, y los proyectos dan a este apartado la categoría de
proyecto específico.
Se persiguen tres objetivos, aumentar la seguridad, aumentar la eficacia de la
circulación y aumentar la comodidad en la circulación. Se trata de ayudar a que
los conductores adopten las mejores decisiones en cada momento y con el
mínimo esfuerzo lo que redunda en una disminución de accidentes, de la
gravedad de los que se produzcan y un aumento en la capacidad útil de las
carreteras.
Evidentemente, la señalización no libera de responsabilidad al conductor del
vehículo porque nunca puede atender a las circunstancias puntuales de la vía
(artículo 8 de la convención de Viena)
Los tres principios fundamentales de un proyecto de señalización son claridad,
sencillez y uniformidad. Claridad para evitar recargar de señales la vía e
imponer el menor número de restricciones necesarias. Sencillez para que los
mensajes que se transmitan faciliten la toma de decisiones, especialmente a
conductores no habituados a la carretera. Uniformidad para que el conductor
percuba un único criterio que le permita afrontar mejor la circulación.
La norma española editada por el Ministerio de Fomento, establece cuatro
categorías de carretera:
- Autopista, calzadas separadas, sin cruces a nivel, limitación total de
accesos y sólo para automóviles.
- Autovía, calzadas separadas, sin cruces a nivel, limitación parcial total
de accesos mediante vías d eservicio y sólo para automóviles.
- Vía rápida, calzada única, sin cruces a nivel, limitación total de acceso y
sólo para automóviles.
- Carretera convencional, el resto, de una o dos calzadas, de uno o más
carriles por sentido.
Quedan excluidas las vías urbanas salvo travesías.
Describiremos brevemente los tres apartados más relevantes del proyecto de
señalización:
• Señalización vertical
• Señalización horizontal
• Balizamiento y defensas
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7.1. Señalización vertical
La señalización vertical la
compone la conjunción
de tres elementos, unos
símbolos o leyendas, una
superficie sobre la que
están inscritos y unos
dispositivos específicos
para sustentación,
postes, pórticos y
banderolas.
La placa es una plancha
de acero única que
contiene una señal, pero,
en ocasiones, la señal
vertical se forma por
unión de lamas y se
denomina cartel.
Los distintos tipos de
señales verticales se
aprecian en el gráfico
adjunto en tres grandes
grupos, advertencia de
peligro, reglamentación e indicación.
Las señales de circulación tienen una geometría y leyendas predeterminadas y
son prácticamente universales. La Norma española tan sólo regula tamaños y
disposiciones en función del tipo de carretera, ver gráfico.
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Respecto a su colocación también hay reglamentaciones, se adjuntan los
esquemas de colocación de señales en intersección y en una transformación
de autovía en carretera convencional.
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La Norma regula también la
colocación de señales laterales
según tipo de vía, tanto en
separación la calzada, en altura
sobre la misma y en distancia al
borde de arcén para asegurar su
visibilidad y prevenir cualquier
incidencia contra el tráfico.
En cuanto a los colores de los
carteles, hay una clara distinción
entre el color azul de los carteles en
autopistas y autovías y el blanco para
vías rápidas y carreteras
convencionales.
Existen normativas para todo tipo de señales y carteles, tanto normativos como
informativos.
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Y su disposición está regulada en intersecciones estándar
Y en autopistas y autovías
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7.2. Señalización horizontal
Al igual que para la señalización vertical, existe un apartado específico en la
Norma para señalización horizontal y marcas viales.( Norma de carreteras 8.2-
IC)
En esta norma se
regulan longitudes,
anchos y dimensiones de
cebreados y símbolos.
Esquema de pintado de una zona con
prohibición de adelantamiento en carretera de
calzada única
Casi siempre es necesario combinar las señalizaciones vertical y horizontal.
Esto es especialmente importante en las circunstancias de mayor riesgo de
circulación cuales son las curvas y las zonas de adelantamiento en carreteras
convencionales.
En las curvas se limita la velocidad en función del peralte y del radio.
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La colocación de señalización de advertencia y limitación se realiza mediante
una concatenación de señales regulada.
E, incluso, la separación entre
señales está regulada.
En adelantamientos, se analiza la disposición en planta y alzado de la carretera
para asegurar visibilidad y distancia de adelantamiento. Para ello se estudian
los movimientos de los vehículos adelantador, adelantado y contrario.
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En el gráfico se aprecian las
trayectorias de los tres vehículos y los
cambios de velocidad necesarios para
que el vehiculo adelantador complete la
maniobra antes de cruzarse con el
vehículo contrario.
Las distancias y tiempos necesarios se
estudian en cada caso, pero se adjunta
un gráfico con distancias en el que se
aprecia que se consume más distancia
en adelantar cuesta arriba y en desistir
cuesta abajo.
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7.3. Balizamiento y defensas
Se pretende marcar el trazado de la carretera para que se perciba con más
facilidad, balizamiento, o colocar elementos de seguridad que evieten el
desbordamiento de los vehículos fuera de la vía, defensas.
Las defensas más habituales son barreras rígidas y barreras flexibles del tipo
bionda.
Las barreras rígidas se suponen infranqueables, por lo que un vehículo que
choque contra las mismas es devuelto a la calzada por la que circulaba con
riesgo para los vehículos que circualen. La geometría más habitual es del tipo
NewJersey
Barrera NewJersey Construcción continua de barrera NewJersey
Las barreras flexibles son del tipo bionda. Esta barrera esta
anclada a perfiles hincados en el suelo. Cuando percute un
vehículo, la barrera se deforma, saltan varios perfiles pero
acaba conteniendo al mismo por el efecto del resto de
perfiles ligados por la chapa continua de la barrera.
Evidentemente, un impacto violento puede romperla y
después de cada impacto hay que reponer tanto la barrera
como los perfiles.
En cuanto al balizamiento, hay cada vez más sistemas de seguridad para guiar
la conducción, especialmente por la noche. De entre estos elementos
destacan:
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- Paneles direccionales, que marcan elementos singulares, sobre todo
curvas
Diversas colocaciones de paneles direccionales en curva
- Captafaros en barrera y suelo
- Hitos en borde o barrera
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- Amortiguadores y balizas de señalización
- Hitos kilométricos y miriamétricos
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BIBLIOGRAFÍA
- Instrucción para trazado de carreteras 3.1-IC. Ministerio de Fomento
- Instrucción para drenaje superficial 5.2-IC. Ministerio de Fomento
- Recomendaciones para la redacción del apartado "Barreras de
Seguridad" del Anejo "Señalización, Balizamiento y Defensas" de los
Proyectos de la Dirección General de Carreteras (NS 5-2012)
- Instrucción para firmes de obra nueva. 6.1-IC. Ministerio de Fomento
- Norma 8.1-IC Señalización vertical (Orden de 28 de diciembre de 1999).
Ministerio Fomento
- Norma 8.2- IC. Marcas viales (Orden de 16 de julio de 1987). Ministerio
Fomento
- Orden Circular Hitos de arista (OC 309/90). Ministerio Fomento
- Recomendaciones sobre sistemas de contención de vehículos (OC
321/95). Ministerio Fomento