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Algunos, como es el coste, se pueden determinar de forma directa e individual por estarsujetos a mercado, pero otros no. P...
Una obra lineal está constituida por uno o varios modelos de ejes, en donde algunos puedentener características globales y...
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El acoplado es un tipo de elemento que proporciona mucho juego en el diseño, ya que ademásde servir para prolongar el traz...
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• Los acuerdos convexos se definan por longitud, y que esta no cambie al modificar el       vértice, ya que de esta forma ...
•   Peraltes.      •   Inhibición del cálculo de los volúmenes de las explanaciones.      •   Anchos de plataforma: bermas...
En un mismo eje se pueden presentar rasantes distintas asociadas a conceptos distintos de unmismo eje como son calzadas se...
Los sistemas van avanzando en la disposición de autómatas que simplifican y facilitan eltrabajo del diseño, sin embargo es...
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Diseño racional de carreteras

  1. 1. SCIVI JORNADAS DE PAVIMENTOS Y MANTENIMIENTO VIAL, EL I FORODE CAMINOS Y EL I FORO DE DOBLES CALZADASBOGOTÁ D.C. COLOMBIA, 2,3 Y 4 DE NOVIEMBRE de 2011-08-09DISEÑO RACIONAL DE CARRETERAS.Miguel Vallés RuizDirector General de TOOL S.A.C/Valentín Beato 24: Madrid – España: mvalles@tool.esyAntonio López RodríguezIngeniero Consultor.Director y Proyectista.Proyectos Viales.Bogotá: alopez415@yahoo.esRESUMENSe analizan los distintos modelos de terrenos que dispone el proyectista para realizar un diseño deuna obra de carretera, ferrocarril, canal o urbanismo, así como su interpretación mediantetratamiento de ortofotos de todo tipo y grandes volúmenes. Se exponen los criterios más modernosde mecanización de la geometría en planta, perfil y sección transversal, así como de eficiencia en laorganización del proyecto geométrico. Por último se exponen criterios de emisión de resultados. Seplantean numerosos aspectos de interactividad de gran utilidad en el diseño.ABSTRACTIt discusses the various models of land available to the designer to make a design of a piece of road,rail, canal and urban, and its interpretation by treating all kinds of orthophotos and high volumes. Itsets out the criteria of modern mechanization of geometry in plan, profile and cross section, as wellas efficiency in the organization of the project geometry. Finally sets emission performancestandards. Raised many aspects of interactivity useful in the design.PALABRAS CLAVE: Software Carreteras, Proyecto Carreteras, Diseño Carreteras 1
  2. 2. DISEÑO RACIONAL DE CARRETERAS.INTRODUCCIÓN. El diseño de carreteras requiere herramientas acordes a los requisitos modernos deltratamiento de la información. La antigua forma de proyectar tratando independientemente la plantadel perfil longitudinal, o bien otras formas, como proyectar por poligonales o vértices que puedenser válidas para terrenos llanos u ondulados como ocurre en países como Estados Unidos de NorteAmérica, se ve superada al disponer de sistemas más avanzados que permiten mover la geometríacon gran soltura en terrenos montañosos o accidentados, como son la mayoría de los que nosencontramos en Colombia, así como con capacidad de organizar la información con el adecuadorigor. Todo ello se traduce en proyectos más rentables, menos costosos, más seguros y respetuososcon el entorno, realizados en un menor tiempo.CRITERIOS GENERALES. La modelización es una de las aportaciones más importantes a la fase de diseño de unainfraestructura, ya que constituye el soporte sobre el que se proyecta y sobre el que se tomannumerosas e importantes decisiones. A pesar de que durante años los profesionales experimentados del sector han construidoinfinidad de carreteras con buenos trazados, dichos expertos siempre tendrán la duda de habersedejado alguna otra posible solución sin estudiar, debido, no a su falta de experiencia o capacidad,sino a las limitaciones de tiempo y medios empleados. En ese sentido la informatización del proceso de diseño de carreteras pretende establecer unmodelo geométrico que permita optimizar de forma simultánea los numerosos aspectos a tener encuenta, entre los que se destacan: • Funcionalidad, consiguiendo una adecuada movilidad y tiempos de recorrido coherentes con el volumen y tipo del tráfico. Para ello es necesario considerar, entre otros factores limitativos, los distintos condicionantes de paso: orografía, geología, asentamiento urbanos, etc. • Seguridad. Premisa básica del diseño. • Comodidad y percepción de armonía y estética desde el punto de vista del conductor. • Integración con el entorno, respetando el medio ambiente al tener en cuenta los condicionantes existentes, ubicación e importancia. • Adaptación al terreno, cuyo cumplimiento repercute de forma muy directa en el costo y el medio ambiente. • Permeabilidad transversal en todos los sentidos: hídrica, agrícola, territorial, faunística, etc. • Adaptabilidad a las condiciones del futuro, también llamada elasticidad de la solución final. • Coste, que debe intentar ser mínimo tanto en la primera inversión como en las fases de conservación y explotación. • Etc. Para llegar a la mejor solución es necesario evaluar la variación de todos estos aspectos anteel cambio de cualquier elemento geométrico del trazado. 2
  3. 3. Algunos, como es el coste, se pueden determinar de forma directa e individual por estarsujetos a mercado, pero otros no. Para estos últimos casos el único método de análisis del que sedispone es el conocimiento de cuánto estamos dispuestos a favorecer un factor en detrimento deotro. La búsqueda de la relación de compromiso que satisfaga nuestras necesidades requierediseñar, modelar y valorar cada situación propuesta. Así pues, la toma de decisiones tiene tres componentes básicas: • Conocimiento de las características e importancia de cada aspecto. • Dominio de las técnicas de diseño geométrico, de forma que, haciendo un rápido cambio del trazado, se facilite el análisis del resultado con la adecuada agilidad. • Responsabilidad en la toma de decisiones. Pero para llevar a cabo esto sin poner en riesgo los objetivos requeridos es necesario disponerde la adecuada estructura económica y de medios. La responsabilidad en la toma de decisiones corresponde en gran parte al equipo que diseña, yen la mayoría de los casos recae en una única persona. Sin embargo, existen ciertas decisiones detipo técnico/político que se salen del alcance del diseñador. Éste, ante dichas circunstancias, debelimitarse a informar de las particularidades técnicas de las distintas soluciones para que unresponsable ajeno y experto en ese ámbito técnico/político decida en aquellos aspectos propios desu competencia. Ese responsable debería trabajar con todas las soluciones posibles, estudiadaspreviamente por el equipo que diseña. Algunos ejemplos que manifiestan la importancia de laseparación de atribuciones son la relación entre medio ambiente y costo o la vinculación conpolíticas de asentamiento y uso del suelo. En esta ponencia nos referiremos exclusivamente a la primera componente, es decir a losaspectos relacionados con las técnicas del diseño. Para ello se hace necesario exponer qué es unmodelo de una obra lineal y cómo debe ser explotado por una herramienta de diseño, cuya adecuadaconcepción puede tener una importancia clave en el resultado final del diseño. 3
  4. 4. Una obra lineal está constituida por uno o varios modelos de ejes, en donde algunos puedentener características globales y comportamientos muy distintos. Así pues, en el proyecto de unacarretera pueden aparecer ejes cuyas características sean las propias de un ferrocarril, canal oencauzamiento, sección urbana, túnel, etc. El cualquier caso, el modelo de cada eje está formado por el conjunto de: • Geometría de la planta. • Geometría del perfil longitudinal. • Geometría de la sección transversal. • Uno o varios modelos de terreno a partir de los cuales se obtienen perfiles transversales en secciones que permitan un control adecuado del mismo. Estos perfiles pueden ser adquiridos directamente de campo, lo que constituyen de por sí un modelo del terreno. Hasta hace pocos años la geometría en planta de un trazado se diseñaba y materializabadirectamente en campo, disponiendo de referencias en los vértices de las alineaciones rectas yencajando alineaciones circulares con curvas de transición, según los retranqueos establecidos enlas correspondientes tablas. En dicha fase se definían los puntos singulares de la geometría en plantay, ya que se materializaban sobre el terreno (labor que requería su esfuerzo y dedicación), setomaban perfiles en los mismos, además de los requeridos en otros puntos, donde se estimaba quecambiaba el terreno o la rasante. Un cambio en el trazado podía suponer la repetición de todo elproceso. En el terreno quedaba directamente plasmada la información de la geometría en planta y engabinete se establecía o modificaba el perfil longitudinal desarrollado sobre un plano vertical quepasaba por el eje y los perfiles transversales que se cubicaban utilizando la fórmula del prismatoidesegún fuese su forma para obtener unos volúmenes del movimiento de tierras que permitiesencontratar las obras. Hoy día, este proceso ha cambiado de forma radical. El diseño con herramientas modernasconsiste en definir los parámetros más adecuados de los elementos que constituyen el modelo parasatisfacer los anteriores objetivos dando respuesta a dos enfoques claramente diferenciados: • Llegar a la mejor solución, labor mucho más rápido de obtener con respecto a la forma de trabajar en campo. • Obtener unos documentos alfanuméricos y gráficos necesarios para poder contratar y construir. Hoy en día este aspecto se consigue, como se suele decir, “dando a un botón” en el ordenador. Actualmente, las técnicas de adquisición de datos y de diseño permiten analizar numerosassoluciones a un mismo problema a través de los perfiles transversales obtenidos de un modelo delterreno en el gabinete, donde los cambios de trazado se realizan con enorme rapidez. Además, ya notiene sentido obtener los perfiles en los puntos singulares, puesto que un punto singular no deja de 4
  5. 5. ser un artificio de cálculo y no es una característica del terreno que deba estar reflejada en elmodelo. Para llegar a la mejor solución es necesario estudiar todas las posibles. Muchas sonobviamente desechables, por lo que no es necesario mecanizar modelo alguno, y otras precisanmover su geometría con gran soltura, proceso poco obvio que en la mayoría de los casos requiere undominio de esta, así como una adecuada herramienta informática que asista eficientemente alproyectista. Es muy frecuente menospreciar la eficiencia de la herramienta informática en estesentido frente a que permita hacer cualquier cosa por innecesaria que sea, desvirtuando el conceptode potencia de una aplicación. Los documentos alfanuméricos y gráficos necesarios para poder contratar y construirconstituyen un subproducto de la explotación del modelo. Es preciso tener muy claro para quésirven los documentos que se presentan en los proyectos y cuál debe ser su contenido. Muchasveces el empeño en presentar la información bajo los mismos criterios que los utilizados en laantigua forma de proyectar en campo genera una voluminosa y costosa información adicional queno tiene aplicación alguna ni para la contratación de las obras ni para su construcción. Pero darrespuesta a este problema es un tema propio de otra conferencia. Según sea la fase del diseño, la validez y alcance de las decisiones que se toman deben estaren concordancia con la precisión de los resultados obtenidos. El estudio de la solución más adecuada se debe realizar haciendo la inversión mínimanecesaria para que los datos requeridos permitan establecer una aproximación a la realidadcoherente con el nivel de decisiones a tomar. Un buen diseño no sirve para nada si el modelo en que se ha basado no responde a laprecisión exigida, si se queda corto, y es un despilfarro de medios y de tiempo de proceso si seincrementa la precisión sin necesidad. Es necesario, por tanto, tener un conocimiento de lo que es el modelo de una obra y de lasventajas e inconvenientes de los distintos modelos parciales que intervienen en el general. Tambiénes importante dominar las distintas formas de adquisición de datos, entre los que se encuentran losrelacionados con el terreno, la cartografía, la geología, etc . Un proceso normal del proyecto geométrico consiste en que el proyectista realiza un diseñode una parte o del conjunto del trazado, lo modeliza con un programa informático acorde al 5
  6. 6. problema que pretende resolver y, mediante la respuesta del sistema, evalúa el resultado para volvera modificar el diseño. Este procedimiento será repetido hasta encontrar la solución más adecuada. En lo que a la precisión de los datos se refiere, las iteraciones en el diseño deben llegar hastaque no exista distinción entre dos tanteos consecutivos. A su vez, esta precisión se establece enfunción del nivel de decisiones que se pretenden adoptar, es decir, en función de la fase de diseñoen que se esté. Con esta forma de trabajar se facilita la toma de decisiones de todo tipo, inclusocuando se ponderan factores no sujetos a mercado en relación con los que lo están, al dar respuestaa la pregunta de cuánto estamos dispuesto a favorecer un factor en detrimento de otro. En este proceso, cuando al diseñador se le presenta una duda de trazado debe mecanizar elmodelo que la defina. Por ello la rapidez en su generación es importante para no perder lasincronización entre la modificación efectuada y el resultado obtenido. Según este principio, elprograma de diseño debe facilitar la modelización y evaluación, haciendo grato el proceso. Es dedesear que la aplicación informática combine a la perfección eficiencia y sencillez de manejo. Encaso contrario, el diseño se hace dependiente de la aplicación informática y de sus limitaciones,dedicando el proyectista su esfuerzo a otros aspectos que perjudican su trabajo específico de diseño.Con ello se llega a que el que maneja el programa acaba siendo un mero operador del mismo,siendo otra persona externa, normalmente su jefe, la que dice por donde debe ir el trazado. Estaforma de trabajar provoca la generación de proyectos muy poco estudiados. En lo que sigue se exponen las peculiaridades de los distintos modelos de terreno, indicandolas características de cada uno en cuanto a su utilidad para el diseño de una obra lineal según sea lafase en que se esté, y las características más relevantes para que el tratamiento de la geometríapermita emular cualquier circunstancia, haciendo que el cambio del diseño sea ágil. Por último seanalizan las respuestas exigidas al modelo para obtener decisiones prácticas y eficientes.MODELOS DE TERRENO. Con la información cartográfica como soporte del diseño, el proyectista actúa de numerosasformas. Según sea la fase del diseño podrán ser distintos los requerimientos exigidos al modelo querepresenta el terreno. 6
  7. 7. En esencia un modelo de terreno consiste en un sistema de almacenamiento y gestión de datosque permite obtener la cota de un punto de coordenadas X, Y dadas. Un modelo será más preciso cuanto más próximo esté a la información real del terreno. Sedebe diferenciar la precisión que es función de la toma de datos de la que es propia del modeloempleado. Los modelos que se emplean en ingeniería son los siguientes: • Mallas. • Puntos. • Líneas. • En Banda o de Perfiles. • Triángulos. Aunque existen otros poco explotados o en investigación, todos los mencionados se puedenemplear en una u otra fase del diseño, por lo que a continuación se hace una breve exposición de losmismos. El modelo en malla consiste en la definición de las cotas del terreno en una retícula ortogonalde incrementos en X e Y constantes. Es de muy rápida explotación y no requiere más almacenamiento que el del atributo que loidentifica, que es su cota. Su explotación admite distintos algoritmos en función de la precisión requerida: puntuales,parabólicos, polinómicos, etc. 7
  8. 8. Tratado de forma eficiente por una herramienta informática permite velocidades de procesoprácticamente instantáneas en superficies de actuación muy elevadas, como puede ser un husocompleto de cualquier país. Así pues, en los ejemplos que se presentan se trata todo el modelo deEspaña con cotas cada 20 metros con precisión propia de una escala 1/25.000, o cada 5 m de unaamplia región y escala 1/10.000, de forma instantánea. La explotación de este modelo permitevisualizar las líneas de nivel, obtenidas por interpolación polinómica, de forma inmediata según seala escala de visualización, así como obtener los perfiles transversales para cualquier intervalo yancho de banda. El modelo en malla se superpone con el tratamiento de ortofotos de la misma extensión, perocon resoluciones de 0,5 metros/pixel. Esta técnica es muy empleada para la generación desoluciones en los estudios de prefactibilidad en sus fases 1 y 2. El volumen de información de laortofoto del ejemplo que se presenta, (toda España referida al huso 30) tiene una ocupación de 701GB y es cargada y explotada con un ordenador personal de tan solo 4 GB de memoria RAM deforma instantánea. El modelo de puntos consiste en que la cota se asigna mediante un algoritmo que se complicamás cuanto más fiabilidad se requiere. Una de sus más destacadas aplicaciones consiste en la explotación de datos obtenidos a partirde láser escaner o sistema Lidar. Con los datos obtenidos mediante láser escaner en túneles, los puntos, que pueden estarseparados unos tres centímetros, se proyectan sobre el perfil deseado, empleando filtrosespecíficamente adecuados que permiten su explotación y evaluación. Otra aplicación de este modelo es la empleada en la generación de las capas de estratosgeológicos por ponderación de las cotas definidas en las catas o sondeos próximos, de formainversamente proporcional a la distancia a la que se encuentran del punto considerado. En el modelo de líneas o alámbrico el terreno se identifica por líneas tridimensionales. Paraconocer las cotas del terreno en los puntos situados fuera de las mismas es necesario emplear unalgoritmo de interpolación entre ellas. Estos modelos, resultados típicos del almacenamiento digitalde la restitución fotogramética, se suelen complementar con puntos sueltos y líneas interpoladasentre los puntos y las existentes. 8
  9. 9. Sin ningún tipo de dudas es el que mejor representa gráficamente el terreno por elprocedimiento de los planos acotados, y el mejor para personalizar los elementos existentes en elterreno. La perfección del modelo sólo depende de la precisión con que se tomen los datos, ya queestos son fácilmente identificables, y es posible localizar con mayor facilidad los accidentes delterreno. A través de un modelo de líneas adecuadamente obtenido en campo se pueden generarperfiles transversales del terreno con la misma precisión que si se hubiesen tomado directamente,con la ventaja de que ante cualquier variación del eje no es necesario volver al campo. El modelo alámbrico tiene como pequeño inconveniente que los procedimientos para extraertoda la precisión en la obtención de las cotas requieren la intervención del usuario, que deberevisarlos y completarlos. Esto se consigue, con muy poco esfuerzo, teniendo en cuenta la direcciónde la adquisición de datos del modelo principal. Es decir, que la mejora del modelo depende de lasituación del eje, por lo que será el proyectista quien complemente la información en función de laubicación del eje sobre la cartografía. El modelo de líneas es un producto de la cartografía restituida, una de las técnicas másempleadas para realizar levantamientos del terreno allí donde las razones socio-políticas, devegetación y de reducción del plazo y del costo se presenten. Entre las grandes ventajas de la cartografía restituida, además de ser una solución sencilla,segura y cómoda, figura la obtención de unos fotogramas que reproducen cualitativamente, contodo detalle, las características y problemática del terreno atravesado. Estos fotogramas pueden serincluso utilizados para trazar sobre ellos de forma aproximada, localizar obstáculos y planificar sulevantamiento adicional si fuera necesario, como pueden ocurrir en los puntos de conexión deltrazado con carreteras existentes. En la producción de un modelo de líneas se permite la integración de datos tomados de campocon mayor precisión. La restitución permite la utilización de las técnicas de ortofotografía y lainterpretación fotogeológica, fundamentalmente a través del color. Las precisiones obtenidas en zonas donde exista poca vegetación son suficientemente válidaspara su empleo en el diseño de carreteras en la fase de proyecto constructivo. El fabricante de una cartografía normalmente la suministra en un soporte informático. En laactualidad para no tener que depender de ninguna firma comercial y evitar los constantes problemasque se presentan en el traspaso de la información empleando formatos como DWG y DXF deAutodesk o DGN de Bentley, por citar algunos, se está generalizando en todo el mundo el formatode intercambio LANDXML. Este formato, soportado ya por numerosos programas, es neutro,elimina informaciones propias de la explotación por un determinado fabricante, y permiteidentificar cualquier información sin estar supeditado a los cambios de versión de los programascomerciales, puesto que se presenta en ASCII. El modelo en banda o de perfiles resuelve el defecto de los modelos en malla que los hacemuy sensibles a las superficies irregulares, como es la banda correspondiente a un trazado de obralineal que no discurra a lo largo de una única recta. Consiste en la implementación de un eje con perfiles a distancias equidistantes, en donde elterreno se representa optimizando el número de puntos necesarios, con lo cual el volumen de 9
  10. 10. almacenamiento disminuye notablemente con respecto a una malla de paso fijo. Es decir, consisteen la explotación de los datos del terreno que se disponen en cualquier proyecto, ejes y perfilestransversales. La obtención de la cota de un punto de coordenadas dadas, interior a la banda que define elmodelo, se realiza mediante un algoritmo de interpolación en los sentidos longitudinal y transversala la traza. El modelo de perfiles tiene la ventaja de que el algoritmo de interpolación polinómicasólo es necesario aplicarlo en la dirección del eje del modelo, ya que en la otra, la interpolaciónlineal es adecuada, por tratarse de perfiles transversales. La precisión depende exclusivamente de la separación de los perfiles, y el volumen dealmacenamiento, de las características del terreno a modelizar. Si sólo se dispone de los perfiles transversales equidistantes de campo o de proyecto y se haceuna modificación de la planta de un trazado con la intención de obtener otros interpolados, elmodelo en banda es de mayor precisión y rapidez de explotación que el de triángulos. En el modelo en banda, la interpolación enmascara los detalles puntuales entre dos elementos,ya que las aristas desaparecen. Este modelo no es aplicable cuando los perfiles que pretenden definirlo se encuentran adistancias variables, como puede ser el de proyectos de ensanche y mejora, en los que se debedisponer de perfiles en los cambios de ancho de los elementos de la sección transversal o en elcambio de estructuras de pavimento. El modelo de triángulos está basado en la estructuración de la información que se obtienepor medio de puntos que retratan las características del terreno en forma de triángulos. Basándose en los modernos algoritmos matemáticos de búsqueda se puede conseguir unmodelo de gran eficacia. Se puede decir que es uno de los que mejores resultados ofrece a la hora de obtener líneas denivel que reflejen la tendencia del terreno, facilitando las decisiones del diseño. Presenta el inconveniente de que, debido al elevado volumen de datos que genera, suexplotación no permite abarcar áreas de gran tamaño, como lo hacen el modelo en malla y elalámbrico en menor medida. No es tampoco adecuado para analizar dinámicamente el movimientode las explanaciones como sustituto de los perfiles transversales, debido a la lentitud del proceso enmodo punto a punto en trabajos de una cierta entidad. 10
  11. 11. Dado que la obtención de líneas de nivel es uno de los más brillantes subproductos delmodelo de triángulos, condiciona notablemente los algoritmos de selección de estos, que acabansiendo definidos por el usuario de la misma forma que en la explotación del modelo de líneas oalámbrico. Es mucho más eficaz el modelo de triángulos obtenido a partir de líneas que el obtenido apartir de puntos sueltos. 11
  12. 12. GEOMETRÍA DE LA PLANTA. Tradicionalmente y heredado del diseño en campo, la geometría en planta se define por rectasdispuestas entre vértices, unidas por arcos de circunferencia con posibles elementos de transición,de los que el más utilizado es la clotoide. Algunos proyectistas mueven la geometría modificando los radios y parámetros de lasclotoides de las curvas y accediendo a los vértices del trazado. De esta forma se pueden hacertrazados muy buenos, al igual que se hacía cuando se proyectaba en campo, pero la resolución delproblema es mucho menos ágil que los métodos que proporcionan las modernas herramientas dediseño, ya que hay más posibilidades de generar errores de solapes en terrenos movidos, se requieredividir una curva del mismo radio en dos cuando el vértice se va muy lejos o al infinito, comoocurre en un giro de 180º, y en esencia se está accediendo a unos elementos, los vértices, muchasveces lejanos de lo que se pretende mover. Ya en los años 70 del pasado siglo se produjo, primero en Alemania y luego en España, ungran avance al solucionar todos estos inconvenientes. Las herramientas de tratamiento geométricorespondían al criterio de que, tal y como se piensa el problema de diseño, se emplea el elementogeométrico más adecuado. De esta forma aparecieron elementos de diseño basados en el control delos grados de libertad disponibles, como son las que llamamos aquí Fijo, Giratorio, Móvil oFlotante y Acoplado. Éstos serán expuestos de forma simplificada a continuación. La filosofía de diseño consiste en ir anidando sucesivas rectas y/o conjuntos de arcos decircunferencia con sus posibles curvas de transición asociadas, (normalmente clotoides), de formaindistinta hacia el origen o hacia el final del trazado, empleando el elemento más adecuado para queel cambio del trazado sea lo más inmediato posible. La modificación de los radios de las curvas y de los parámetros de los acuerdos asociados esindependiente del tipo de elemento empleado, por lo que se pueden alterar de forma independienteal elemento utilizado. El elemento Fijo se define como el que pasa por dos puntos de coordenadas definidas y a unadeterminada distancia de ellos. En él se encuentran todos los grados de libertad impedidos, es decir,sea recta o curva su movimiento se efectúa modificando los puntos, por lo que queda siemprefijado. El elemento Giratorio se define por las coordenadas de un punto de paso y la distancia a laque se desea retranquear dicho punto. El programa calcula los puntos singulares de formaautomática para que la recta o curva se apoye en el elemento anterior o en el siguiente, según elsentido previamente indicado. Es decir. Este elemento tiene un grado de libertad libre que es el quepermite el apoyo. Si se modifica el elemento contiguo en el que se apoya se arrastra al giratorioautomáticamente, quedando siempre fijado. El elemento Móvil o Flotante consiste en que dados dos elementos ya fijados se inserte ésteestableciendo los parámetros que definen su radio y clotoides si existiesen. El móvil se adaptaautomáticamente entre los contiguos cada vez que cambie cualquier elemento propio o contiguo.Todos sus grados de libertad quedan libres. El elemento móvil siempre requiere que los elementoscontiguos estén fijados, ya que en caso contrario se produciría un mecanismo. El elemento Acoplado es un caso singular del Fijo, y consiste en adosar a un elemento yafijado un nuevo elemento definido por la longitud de desarrollo del arco de circunferencia o de la 12
  13. 13. recta, según proceda. Esta longitud no es necesario definirla si se trata de un elemento interior altrazado, salvo que haya otro acoplado a continuación del que se crea. En el uso del acoplado permite varias actuaciones de gran utilidad como la de prolongar elelemento anterior una determinada cantidad o de salir del punto singular inicial o final del elementoanterior. Como en el giratorio, también existe la posibilidad de proyectar hacia el origen, en cuyocaso se dispone de la misma funcionalidad que el acoplado pero en sentido contrario. En elprograma que se emplea en esta presentación a este elemento se le denomina elementoRetroacoplado. El conocimiento y funcionalidad de estos elementos hace que cambiando adecuadamente elatributo utilizado según sea el caso, se permita modificar la geometría con enorme rapidez para quepase por el lugar deseado, sin más dependencias que las propias del problema a resolver. Con ello eldiseñador se dedica exclusivamente a resolver su problema de ingeniería sin tener que depender delos problemas matemáticos o geométricos. Es decir, este tipo de aplicaciones hace que la geometríaesté al servicio del que proyecta y no al contrario, como normalmente ocurre con el procedimientotradicional. Así pues, en el ejemplo presentado a continuación se pretende salir de una recta, pasar encurva a una distancia controlada de una edificación y ligar esta curva con otra que se desea adaptara una distancia determinada de un corte en forma de acantilado, disponiendo una curva intermediaentra ambas. Interesa controlar la distancia al edificio y la adaptación del trazado a la forma del corte delterreno para que la seguridad y visibilidad resultante del diseño sean las adecuadas, así comoobtener simultáneamente una uniformidad en el trazado. Mediante el empleo de alineaciones rectas, proyectadas por vértices y definidas comoelementos fijos, y alineaciones curvas, definidas como elementos móviles, se resuelve el problemapor el método tradicionalmente utilizado, pero se complica el movimiento del trazado. Estacomplejidad surge al tener que actuar sobre los vértices, ya que no son elementos del mismo ypueden estar alejados de la zona en que nos movemos, así como al tener una mayor probabilidad deque aparezcan errores de solapes en las alineaciones rectas. 13
  14. 14. Sin embargo el cambio de trazado es mucho más ágil si se emplean la siguiente secuencia deelementos: • Giratorio para la primera curva, estableciendo como punto de paso la esquina del edificio y la distancia al eje. • Móvil para la segunda curva definida con un radio intermedio entre las curvas contiguas. • Fijo para la curva del acantilado en donde el radio se calcula automáticamente a partir de la curva que pasa por tres puntos que emulan el borde del corte o acantilado y la distancia a dicha curva. El cambio de trazado se efectúa actuando sólo sobre los dos retranqueos, en mucho menostiempo que con el procedimiento anterior y reduciendo considerablemente la posible aparición deproblemas geométricos. 14
  15. 15. El acoplado es un tipo de elemento que proporciona mucho juego en el diseño, ya que ademásde servir para prolongar el trazado, alargando o recortando una alineación, se utiliza, al igual que elcomodín en el Póker, como elemento auxiliar para resolver con sencillez numerosas situaciones:salidas de ramales de enlaces, alargamiento o reducción de la longitud de un elemento colindante,concatenación de curvas del mismo radio, por ejemplo para proyectar el acceso a un aparcamientode varias plantas en un edificio o una escalera de caracol, etc. B Acoplado ACOPLADO d Cambiando la distancia “d” inicial Giratorio se controla el paso C por B. Cambiando el radio se controla el paso Móvil por C. Con muy pocos tanteos se llega a la Fijo mejor solución. Una solución alternativa sería Fijo sustituir el acoplado por otro giratorio, Interesa que estas dos alineaciones sean fijas para pero esto origina facilitar su adaptación en los más movimientos. frentes En la figura se presenta un ejemplo de adaptación al terreno en una curva de desarrollopróximo a 180º en una vaguada, donde modificando sólo dos parámetros se consigue la mejoradaptación, y cambiando la posición del punto de paso del giratorio se modifican tres alineacionesde forma conjunta en una única operación. En este ejemplo se ha buscado la geometría en plantaque proporcione el perfil longitudinal deseado. En el diseño de un proyecto es muy normal modificar varias alineaciones a la vez, insertandoo eliminando alguna intermedia y cambiando la tipología de los elementos para facilitar lamodificación del trazado con un número mínimo de pasos. Para proyectar con agilidad es necesario controlar todos estos elementos geométricos consoltura, aspecto que se aprende en los cursos de formación de las Universidades o en losproporcionados por los proveedores de las diferentes aplicaciones siempre que poseanconocimientos adecuados de diseño y no sean, como ocurre en muchos casos, meros operadores deun programa. El proceso, que como se puede apreciar no es obvio, permite estudiar muchas soluciones enmuy poco tiempo y supone un cambio drástico en la forma de proyectar respecto a los sistemastradicionalmente utilizados.GEOMETRÍA DEL PERFIL LONGITUDINAL. Lo expuesto para la geometría en planta no es suficiente para conseguir la mejor adaptación alterreno, ya que su movimiento se debe hacer en función de cómo sea la rasante o perfil longitudinaldeseado. Es decir, en situaciones de adaptación al terreno se debe dar respuesta a los aspectosexpuestos al principio de la conferencia moviendo la planta para que proporcione la rasante o perfillongitudinal deseado, y no al revés, que es lo que se hacía cuando se proyectaba en campo, endonde se definía la planta por un lado y después en gabinete se ajustaba la rasante. Trabajando con 15
  16. 16. herramientas informáticas también nos podemos encontrar en la tesitura de tratar de forma separadaplanta y perfil, bien porque el software no proporcione la técnica adecuada o bien porque elproyectista desconozca el funcionamiento de la misma. Para obtener un adecuado diseño es necesario que la geometría en perfil se mueva según loscriterios deseados. A continuación se justifican los requerimientos a exigir a la herramientainformática que nos ayuda. En el caso de disponer acuerdos verticales donde haya un desmonte o terraplén será necesariocontrolar el movimiento de tierras resultante del diseño. El mejor sistema para ello es el de mover elvértice correspondiente a cada acuerdo y situarlo en la zona más alta o baja, según se trate.Mediante su movimiento vertical se controlan los volúmenes de movimiento de tierras sin perder lacoordinación de planta y perfil en el caso de coincidencia de curvas en planta y en perfil, quenormalmente se trata modificando la geometría en planta, y de forma simultánea se controlan laspendientes y se da respuesta a los requerimientos de permeabilidad transversal, ya sea para el pasodel agua, vehículos, fauna, o cualquier otro aspecto, normalmente situados en las zonas donde sesitúa el vértice en terraplén. La adecuada coordinación entre planta y perfil en las situaciones de coincidencia de curvas enplanta con acuerdos en vertical permite que se creen las condiciones más favorables de movimientode tierras y de seguridad. Estos condicionantes se evalúan mediante la información directa de losvolúmenes generados, el informe de visibilidades y la percepción del trazado por el conductor en elrecorrido en 3D. Para dar cumplimiento a estos aspectos se requiere el control simultáneo ysincronizado de la planta y el perfil, empleando los elementos en planta de forma adecuada para quelos cambios sean rápidos. Como conclusión de lo anteriormente expuesto, para facilitar el diseño es conveniente que: • Los acuerdos verticales se muevan utilizando los vértices, aunque se permitan otras formas. Así se controlan mejor los volúmenes y las pendientes resultantes de forma simultánea. • Se presente el diagrama de curvaturas junto con el perfil longitudinal para poder diseñar la ubicación de los acuerdos sin que se solapen con las zonas de clotoide, con objeto de que se visualicen las curvas en planta desde su exterior con suficiente antelación, así como para poder coordinar planta y perfil con facilidad. 16
  17. 17. • Los acuerdos convexos se definan por longitud, y que esta no cambie al modificar el vértice, ya que de esta forma se respetan las posiciones respecto a las clotoides en planta al mover el vértice en vertical • Los acuerdos cóncavos se definan por el parámetro Kv en metros para ser coherentes con el criterio de medición del kilometraje y con el valor requerido para controlar el alcance de los faros de los vehículos de noche sea cual sea las pendientes de las rectas contiguas. • Se informe instantáneamente de la cota roja de cualquier estación y del desplazamiento en todo momento. De esta forma se analiza el espacio disponible para el paso del agua sin necesidad de generar ningún perfil auxiliar. • Se indique el volumen de desmonte y terraplén de forma instantánea teniendo en cuenta el centro de gravedad de las masas cada vez que se cambie un vértice. Muchas aplicaciones del mercado no consideran este importante concepto, por lo que deben ser automáticamente desechadas para el diseño por presentar valores de los volúmenes reales falsos. • Cuando se proyecten ramales de enlace o intersecciones, se visualice el perfil transversal resultante, de forma simultánea y sincronizada a la planta y al perfil longitudinal. Así se permite apreciar la adecuada evolución de las modelos cuando convergen o divergen dos ejes. • Se presente de forma directa e inmediata la diferencia de cotas en los puntos de intersección de los desplazados de dos ejes que se corten. De esta forma se aprecia la evolución de los distintos gálibos cada vez que se cambia una rasante. • Se visualicen de forma sincronizada planta, perfil y sección transversal según recorrido del trazado por cualquiera de ellos, con lo se controla el modelo completo en una sola pantalla. • Hay muchos más conceptos, pero dependen de las prestaciones propias de cada programa, y la finalidad de la ponencia no es describir de forma concreta ninguno de ellos.GEOMETRÍA DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL. En cuanto a la geometría de la sección transversal, se presentan en el mercado dos tendenciasen la forma de asignar los datos al kilometraje. • A través de secciones completas asignadas a distintos rangos de kilometraje. • Mediante la definición de los distintos parámetros en tablas independientes en donde en cada una se agrupen conceptos homogéneos. La variación del criterio adoptado según el kilometraje es específica para cada grupo. El primer sistema está basado en la asignación de secciones tipo y aunque parece másintuitivo tiene el inconveniente de que cuando se cambia la geometría en planta se requiere unanueva asignación de kilometrajes, lo que perjudica la agilidad del diseño, aunque algunosprogramas que siguen este planteamiento realizan esta asignación de forma automática cuando secambian algunos de sus parámetros como pueden ser los anchos de calzada o los peraltes. La segunda tendencia permite una agilidad en el diseño mucho más elevada, así como unareducción importante del volumen de datos requeridos ante un mismo problema. La agrupación de elementos se hace según criterios de coherencia y en cada grupo sepresentan los correspondientes autómatas de generación de datos. Algunas de las posibles tablas deagrupación de datos que se pueden presentar en los proyectos de carreteras son las siguientes: • Geología. • Taludes de desmonte a izquierda y derecha del eje. • Asignación de cunetas. • Muros. 17
  18. 18. • Peraltes. • Inhibición del cálculo de los volúmenes de las explanaciones. • Anchos de plataforma: bermas, arcenes exteriores e interiores, calzada, medianas. • Pendientes de bermas y arcenes en coronación. • Firmes y subrasante. • Sobreanchos. • Barreras de protección. • Etc. Estas asignaciones pueden ser distintas según se trate de sección a cielo abierto o en túnel, endonde la agrupación de datos es distinta según sea la funcionalidad pero de similar tratamiento. Algunas de las asignaciones se hacen de forma más cómoda a partir de modelos sencillospredefinidos, como pueden ser las cunetas, formas concretas de taludes y estructuras del paquete defirmes, por citar algunas. En el tratamiento de cada grupo de datos se deben establecer los distintos autómatas quefacilitan su definición. Es importante que el tratamiento de estas listas sea lo más interactivo posible y que se facilitesu validación para que el modelo no tenga errores o imprecisiones. Tan solo falta para completar el modelo la gestión de los perfiles transversales del terrenocuya procedencia puede ser cualquiera de los modelos anteriormente expuestos, aunque tambiénpuede interesar tratarlos en horizontal a la espera de que se obtengan datos más específicos, oadquiridos directamente de los datos provenientes de campo en un fichero ASCII.ORGANIZACIÓN DEL PROYECTO. Además del adecuado tratamiento de cada uno de los datos geométricos del modelo y de larelación entre ellos, se deben considerar diversos aspectos relacionados con la organización de lainformación, debido a la gran trascendencia que ello tiene en la eficiencia de todo el proceso y, porlo tanto, en el resultado final del diseño. La organización de la información se puede diferenciar según se trate de un eje aislado o detodos los ejes del proyecto. La geometría en planta de un eje aislado se debe poder tratar como si no hubiesen asociadosmás elementos del modelo, pero en el caso de que exista un perfil longitudinal, unos datos entransversal o unos perfiles del terreno, es importante que estén biunivocamente relacionados conésta. Si no fuese así se dispondría de más libertad de actuación, al poder tratar cada parte de formaindependiente, pero ello obliga a llevar un control adicional que en muchas ocasiones es fuente deerrores propios del usuario que son imperdonables, como por ejemplo asociar a una planta unarasante que es de otro eje, por no estar bien identificada. Por otro lado, los datos del modelo completo de un eje no tienen por qué cubrir la planta en sutotalidad. Con ello se evitan dependencias geométricas de complicada resolución, como por ejemploempezar un trazado en medio de una clotoide. Además también se consigue gestionar con facilidadla asociación de una única planta con distintos modelos de sección transversal según tramoscontiguos, como por ejemplo, de carretera, vía urbana o en túnel, cuyo tratamiento de datos esespecífico de cada caso. 18
  19. 19. En un mismo eje se pueden presentar rasantes distintas asociadas a conceptos distintos de unmismo eje como son calzadas separadas con rasantes distintas, cunetas ajustadas a un perfil,elemento de un talud con cota impuesta según un perfil, etc. A los anteriores aspectos se les puede dar solución disponiendo para un mismo eje de variascolecciones de rasantes asignadas al elemento deseado y varias colecciones de tramos o datos de lasección transversal donde a cada uno se le asigna un rango del kilometraje de validez del modelo,aunque haya datos que tengan una rango más amplio. En cuanto a la organización de los ejes hay que tener en cuenta que en un proyecto normal decarreteras pueden coexistir desde pocas decenas hasta cientos de ejes cuyas características, como yase ha expuesto, pueden ser muy distintas. La organización de los ejes de un proyecto puede ser muy variada. El usuario debe poderhacer las agrupaciones de ejes según su propio criterio de forma que pueda acceder cómodamente acualquier nivel y con distintas configuraciones de representación: tanteos de trazado, por enlaces,fases de ejecución, etc. Es muy útil poder visualizar en un árbol todos los ejes del proyecto según dicha organización,ya que proporciona una visión global del proyecto y permite la inmediata localización de cualquiereje, además de facilitar la emisión de los distintos documentos. La organización de la información de todo el proyecto geométrico se debe hacer desde lapropia herramienta de diseño, ya que no es lo mismo manejar cientos de ficheros con el exploradordel sistema operativo que disponer todo el proyecto geométrico en un único fichero de datos. Todos estos aspectos condicionan el mejor o peor tratamiento de la información, lo que setraduce en mayor eficiencia y calidad en el trabajo.RESULTADOS DEL DISEÑO. Como resultado de la explotación del modelo la herramienta debe informar de las superficiesy volúmenes de todas sus partes, así como de las visibilidades disponibles y recorridos virtuales quepermitan analizar la percepción del conductor bajo cualquier posición y recorrido. En estasoperaciones los tiempos de presentación de resultados tienen singular trascendencia para la agilidaddel diseño. La adecuada interactividad y la rápida generación del estudio del movimiento de tierras,donde se analizan los movimientos de desmontes y terraplenes, permite mejorar el diseño, así comola generación de documentos como son la justificación de precios, el presupuesto y planificación dela obra, consiguiendo una elevada calidad con una coherencia total con el diseño realizado. Para concluir un diseño, lo que se espera de una aplicación es que “dando a un botón” salganlos documentos requeridos, aspecto que en lo que a la geometría se refiere prácticamente todos losprogramas permiten. Lo importante es que estos documentos cumplan los adecuados requerimientosfuncionales, que por desgracia muchas veces no tiene que ver con los exigidos, aspecto que, comose comentaba anteriormente, es materia de otra ponencia. Los fabricantes de las aplicaciones, porrazones obvias, tratarán de adaptarse a las exigencias de las Administraciones de cada país. 19
  20. 20. Los sistemas van avanzando en la disposición de autómatas que simplifican y facilitan eltrabajo del diseño, sin embargo estos autómatas deben ser totalmente controlados en todas suspartes por el diseñador, puesto que, tanto en este campo como en muchos otros de diseño, lainformática debe ser considerada como una ayuda y nunca como un sustituto. Como se deduce de esta exposición, es de desear que los fabricantes de las herramientas seanexpertos diseñadores, para lo cual estos tienen que proyectar y construir.REFERENCIAS:Conferencias Miguel Vallés Ruiz. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos.Curso de Diseño Geométrico CEDEX 2011. Centro de Estudios y Experimentación de ObrasPúblicas. Ministerio de Fomento. España. Ponencias Miguel Vallés Ruiz. 20

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