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TEMA 3. CARRETERAS Página 1 de 52

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS EN TOPOGRAFÍA, GEODESIA Y CARTOGRAFÍA

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

TEMA 3 CARRETERAS


ÍNDICE

1. Introducción

2. Procedimiento y contenido para proyectos de carreteras

3. Tráfico

4. Trazado

5. Firmes

6. Drenaje

7. Señalización

BIBLIOGRAFÍA


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.


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


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


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


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


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.


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.


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.


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


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.


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


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.


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.


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,


Las situaciones de inestabilidad propician la aparición de congestión


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


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


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.


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.


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




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,


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.


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,


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,


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


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.


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


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


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


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.


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


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.


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.


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


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.


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.


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


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.


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.


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.


Y su disposición está regulada en intersecciones estándar

Y en autopistas y autovías


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.


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.


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.


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:


- 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


- Amortiguadores y balizas de señalización

- Hitos kilométricos y miriamétricos


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

Documents

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS …delegacion.topografia.upm.es/.../tema-3-Carreteras.pdf · carreteras modernas que introdujeron materiales distintos tales como el aglomerado