Diseño geométrico de carreteras

Las curvas verticales cóncavas son aquellas que, vistas de perfil, presentan una concavidad hacia arriba. Esto incluye las curvas verticales en el fondo de los valles, pero también los lugares donde una pendiente ascendente se vuelve más pronunciada o una pendiente descendente se vuelve menos pronunciada.

El criterio de diseño más importante para estas curvas es la distancia de visibilidad de los faros. ^{[ 2 ]} Cuando un conductor circula de noche por una curva cóncava, la distancia de visibilidad está limitada por la pendiente más pronunciada que hay delante del vehículo. Esta distancia debe ser lo suficientemente larga como para que el conductor pueda ver cualquier obstáculo en la carretera y detener el vehículo dentro de la distancia de visibilidad de los faros. La distancia de visibilidad de los faros (S) está determinada por el ángulo del faro y el ángulo de la pendiente tangente al final de la curva. Calculando primero la distancia de visibilidad de los faros (S) y luego resolviendo para la longitud de la curva (L) en cada una de las ecuaciones siguientes, se puede determinar la longitud correcta de la curva. Si la longitud de la curva S < L es mayor que la distancia de visibilidad de los faros, entonces se puede usar este número. Si es menor, este valor no se puede usar. Del mismo modo, si la longitud de la curva S > L es menor que la distancia de visibilidad de los faros, entonces se puede usar este número. Si es mayor, este valor no se puede usar. ^{[ 4 ]}

Estas ecuaciones suponen que los faros están a 600 milímetros (2,0 pies) del suelo y que el haz de luz diverge 1 grado por encima del eje longitudinal del vehículo. ^{[ 5 ]} 

Las curvas verticales de cresta son curvas que, vistas de lado, presentan una convexidad hacia arriba. Esto incluye las curvas verticales en las cimas de las colinas, pero también los lugares donde una pendiente ascendente se vuelve menos pronunciada o una pendiente descendente se vuelve más pronunciada.

El criterio de diseño más importante para estas curvas es la distancia de visibilidad de frenado . ^{[ 2 ]} Esta es la distancia que un conductor puede ver por encima de la cresta de la curva. Si el conductor no puede ver una obstrucción en la carretera, como un vehículo detenido o un animal, es posible que no pueda detener el vehículo a tiempo para evitar un accidente. La distancia de visibilidad de frenado deseada (S) está determinada por la velocidad del tráfico en la carretera. Calculando primero la distancia de visibilidad de frenado (S) y luego resolviendo para la longitud de la curva (L) en cada una de las ecuaciones siguientes, se puede determinar la longitud correcta de la curva. La ecuación adecuada depende de si la curva vertical es más corta o más larga que la distancia de visibilidad disponible. Normalmente, se resuelven ambas ecuaciones y luego se comparan los resultados con la longitud de la curva. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

distancia de visión > longitud de curva ( S > L )

${\displaystyle L=2S-{\frac {200({\sqrt {h_{1}}}+{\sqrt {h_{2}}})^{2}}{A}}}$

distancia de visión < longitud de curva ( S < L )

${\displaystyle L={\frac {AS^{2}}{200({\sqrt {h_{1}}}+{\sqrt {h_{2}}})^{2}}}}$

Las normas estadounidenses especifican que la altura del ojo del conductor se define como 1080  mm (3,5  pies) por encima del pavimento, y la altura del objeto que el conductor necesita ver como 600  mm (2,0  pies), lo que equivale a la altura de las luces traseras de la mayoría de los automóviles de pasajeros. ^{[ 6 ]}

Para las instalaciones para bicicletas, se supone que la altura de los ojos del ciclista es de 1,4  m (4,5  pies) y la altura del objeto es de 0 pulgadas, ya que un defecto en el pavimento puede provocar que un ciclista se caiga o pierda el control. ^{[ 7 ]}

${\displaystyle T=R\tan \left({\frac {\Delta }{2}}\right)}$

${\displaystyle C=2R\sin \left({\frac {\Delta }{2}}\right)}$

${\displaystyle L=R\pi {\frac {\Delta }{180}}}$^{[ 2 ]}

${\displaystyle M=R\left(1-\cos \left({\frac {\Delta }{2}}\right)\right)}$

${\displaystyle E=R\left({\frac {1}{\cos \left({\frac {\Delta }{2}}\right)}}-1\right)}$

La cantidad${\displaystyle 1-\cos \theta }$es la versina y${\displaystyle 1/\!\cos \theta -1}$es el exsecante .

${\displaystyle M=R\left(1-\cos \left({\frac {28.65{\text{?}}}{R}}\right)\right)}$

La elección del ancho de los carriles afecta a la seguridad, la capacidad máxima y el coste de una autopista.

La seguridad es óptima con un ancho de 3,0 a 3,1 metros (9,8 a 10,2 pies) en entornos urbanos, donde tanto los carriles estrechos (menos de 2,8 metros (9 pies 2 pulgadas) ) como los anchos (más de 3,1 metros (10 pies) ) presentan mayores riesgos de colisión. Los carriles de más de 3,3 a 3,4 metros (10,8 a 11,2 pies) de ancho también se asocian con velocidades de impacto un 33 % mayores y colisiones más graves, así como con mayores índices de accidentes. ^{[ 8 ]}     

La capacidad de carga también es óptima con un ancho de 3,0 a 3,1 metros (9,8 a 10,2 pies) , tanto para el tráfico motorizado como para las bicicletas. ^{[ 8 ]} El rendimiento es máximo a 18 millas por hora (29 km/h) ; a medida que el ancho del carril disminuye a 3,0 a 3,1 metros (9,8 a 10,2 pies) , la velocidad del tráfico disminuye, al igual que el intervalo entre vehículos. ^{[ 8 ] [ 9 ]}   

El volumen de peatones también aumenta a medida que los carriles se estrechan, y las intersecciones con carriles más estrechos ofrecen mayor capacidad para las bicicletas. ^{[ 10 ]}

Los carriles estrechos suelen ser más baratos de construir y mantener. ^{[ 11 ]} Disminuyen el tiempo necesario para cruzarlos a pie y reducen la escorrentía de aguas pluviales .

En Norteamérica, el ancho de los carriles suele ser mayor que el óptimo, oscilando entre 3 metros (9,8 pies) y 3,6 metros (12 pies) . Los carriles y arcenes más anchos se utilizan generalmente en carreteras con mayor velocidad y volumen de tráfico, así como con un número significativo de camiones y otros vehículos de gran tamaño.  

La pendiente transversal describe la inclinación de una carretera perpendicular a su eje central. Si una carretera fuera completamente plana, el agua drenaría muy lentamente. Esto provocaría problemas de aquaplaning y acumulación de hielo en climas fríos.

En tramos rectos, la pendiente transversal de la calzada suele ser del 1 al 2 % para facilitar el drenaje del agua. Estas pendientes transversales, especialmente cuando se aplican en ambos sentidos de circulación con el punto de coronación alineado con el eje central de la calzada, se denominan comúnmente «corona normal» y, por lo general, pasan desapercibidas para los conductores.

En las curvas, el borde exterior de la carretera se encuentra ligeramente por encima del eje central. Dado que la carretera tiene una pendiente descendente hacia el interior de la curva, la gravedad atrae el vehículo hacia ese mismo lado. Esto provoca que una mayor proporción de la fuerza centrípeta compense la fricción de los neumáticos, que de otro modo sería necesaria para tomar la curva.

Se aplican pendientes de peralte de entre el 4 y el 10 % para ayudar a los conductores a atravesar estas secciones de forma segura, manteniendo la velocidad del vehículo a lo largo de toda la curva. Se eligió un límite superior del 12 % para cumplir con las exigencias de las prácticas de construcción y mantenimiento, así como para limitar la dificultad de conducir una curva con pendiente transversal pronunciada a bajas velocidades. En zonas con nevadas y hielo importantes, la mayoría de las agencias utilizan una pendiente transversal máxima del 6 al 8 %. Si bien una pendiente transversal más pronunciada dificulta atravesar la pendiente a baja velocidad cuando la superficie está helada, y al acelerar desde cero con neumáticos calientes sobre el hielo, una pendiente transversal menor aumenta el riesgo de pérdida de control a altas velocidades, especialmente cuando la superficie está helada. Dado que la consecuencia de un derrape a alta velocidad es mucho peor que la de un deslizamiento hacia adentro a baja velocidad, las curvas cerradas ofrecen una mayor seguridad neta cuando los diseñadores seleccionan un peralte de hasta el 8 %, en lugar del 4 %. Una pendiente menor del 4% se usa comúnmente en carreteras urbanas donde las velocidades son más bajas y donde una pendiente más pronunciada elevaría el borde exterior de la carretera por encima del terreno adyacente. ^{[ 5 ]}

La ecuación para el radio deseado de una curva, que se muestra a continuación, tiene en cuenta los factores de velocidad y peralte (e). Esta ecuación se puede reordenar algebraicamente para obtener el peralte deseado, utilizando como datos de entrada la velocidad y el radio de curva designados para la carretera.

${\displaystyle R={\frac {u^{2}}{15(e+f_{s})}}}$

La Asociación Estadounidense de Funcionarios Estatales de Carreteras y Transporte (AASHTO) proporciona una tabla a partir de la cual se pueden interpolar los índices de peralte deseados, basándose en la velocidad designada y el radio de una sección curva de la carretera. Esta tabla también se puede encontrar en muchas guías y manuales de diseño de carreteras estatales en los EE. UU.

Investigaciones recientes han demostrado que, considerando el riesgo de vuelco para vehículos pesados ​​(semirremolques y autobuses), que tienen un centro de gravedad relativamente alto, la ecuación anterior produce valores de pendiente transversal demasiado bajos. ^{[ 12 ]}

Las colisiones tienden a ser más frecuentes en lugares donde un cambio repentino en el carácter de la carretera viola las expectativas del conductor. Un ejemplo común es una curva pronunciada al final de un tramo recto largo de carretera. El concepto de consistencia de diseño aborda esto comparando segmentos de carretera adyacentes e identificando sitios con cambios que el conductor podría encontrar repentinos o inesperados. Los lugares con grandes cambios en la velocidad de operación prevista probablemente se beneficien de un esfuerzo de diseño adicional. Una curva horizontal con un radio significativamente menor que las anteriores puede necesitar señales de curva mejoradas. ^{[ 13 ]} Esto es una mejora del concepto de velocidad de diseño , que solo establece un límite inferior para el diseño geométrico. En el ejemplo dado anteriormente, un tramo recto largo seguido de una curva pronunciada sería aceptable si se eligiera una velocidad de diseño de 30  mph. El análisis de consistencia de diseño señalaría la disminución en la velocidad de operación en la curva.

La seguridad de una curva horizontal depende de su longitud, su radio, el uso de transiciones en espiral y el peralte de la calzada. Para una desviación de curva determinada, los accidentes son más probables en curvas con un radio menor. Las transiciones en espiral reducen los accidentes, mientras que un peralte insuficiente los incrementa.

Una función de desempeño de seguridad para modelar el desempeño de curvas en carreteras de dos carriles es: ^{[ 14 ]}

${\displaystyle AMF={\frac {1.55L_{c}+{\frac {80.2}{R}}-0.012S}{1.55L_{c}}}}$

dónde

AMF = Factor de modificación de accidentes, un multiplicador que describe cuántos accidentes más es probable que ocurran en una curva en comparación con una carretera recta.

L _c = Longitud de la curva horizontal en millas.

R = Radio de la curva en pies.

S = 1 si hay curvas de transición en espiral.

= 0 si no hay curvas de transición en espiral.

La pendiente transversal y el ancho del carril afectan al rendimiento de seguridad de una carretera.

Ciertos tipos de accidentes, denominados "accidentes por salida de carril", son más probables en carreteras con carriles estrechos. Estos incluyen salidas de la vía , colisiones laterales y choques frontales . Para carreteras rurales de dos carriles con un tráfico superior a 2000 vehículos diarios, el aumento previsto de accidentes es:

El efecto del ancho del carril se reduce en carreteras urbanas y suburbanas ^{[ 15 ]} y carreteras de bajo volumen. ^{[ 14 ]}

Una peralte insuficiente también dará lugar a un aumento de la tasa de accidentes. El aumento previsto se muestra a continuación: ^{[ 14 ]}

La distancia de visibilidad de frenado es la distancia recorrida durante el tiempo de percepción-reacción (mientras el conductor percibe una situación que requiere detenerse, se da cuenta de que es necesario frenar y aplica el freno) y el tiempo de maniobra (mientras el conductor desacelera y se detiene). Las distancias de frenado reales también se ven afectadas por las condiciones de la carretera, la masa del automóvil, la pendiente de la carretera y muchos otros factores. Para el diseño, se necesita una distancia conservadora que permita que un vehículo que viaja a la velocidad de diseño se detenga antes de alcanzar un objeto estacionario en su trayectoria. Normalmente, la distancia de visibilidad de diseño permite que un conductor con una habilidad inferior a la media se detenga a tiempo para evitar una colisión. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

La distancia de visibilidad de decisión se utiliza cuando los conductores deben tomar decisiones más complejas que detenerse o no detenerse. Es mayor que la distancia de visibilidad de frenado para permitir la distancia recorrida mientras se toma una decisión más compleja. La distancia de visibilidad de decisión es "la distancia requerida para que un conductor detecte una fuente de información o peligro inesperado o difícil de percibir en un entorno vial que puede estar visualmente saturado, reconozca el peligro o su potencial amenaza, seleccione una velocidad y trayectoria apropiadas, e inicie y complete la maniobra requerida de manera segura y eficiente". ^{[ 20 ]} Idealmente, las carreteras están diseñadas para la distancia de visibilidad de decisión, utilizando de 6 a 10 segundos para el tiempo de percepción-reacción y de 4 a 5 segundos para realizar la maniobra correcta.

La distancia de visibilidad en una intersección es la distancia necesaria para cruzarla con seguridad. Esta distancia depende del tipo de control de tráfico (sin control, señal de ceda el paso , señal de stop o semáforo) y de la maniobra (giro a la izquierda, giro a la derecha o seguir recto). Las intersecciones con señal de stop en todas las direcciones requieren la menor distancia, mientras que las intersecciones sin control requieren la mayor. La distancia de visibilidad en una intersección es un factor clave para determinar si se puede utilizar de forma segura ningún control o solo una señal de ceda el paso, o si se necesita un control más restrictivo. ^{[ 21 ]}

Muchas carreteras se construyeron mucho antes de que se adoptaran los estándares actuales de distancia de visibilidad, y la carga financiera para muchas jurisdicciones sería formidable para: adquirir y mantener derechos de paso adicionales ; rediseñar las plataformas de todas ellas; o implementar proyectos futuros en terrenos accidentados o áreas ambientalmente sensibles. En tales casos, la distancia mínima de visibilidad en las curvas debe ser igual a la distancia de visibilidad de frenado . ^{[ 27 ]} Si bien se debe proporcionar al conductor una distancia de visibilidad en las curvas que supere con creces la distancia de frenado a la velocidad de diseño , generalmente se le exige que mantenga tal control y velocidad segura que pueda detenerse dentro de la distancia libre asegurada por delante (ACDA), ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} y siempre se aplica la regla de velocidad básica . Las jurisdicciones a menudo proporcionan cierto grado de inmunidad de diseño contra acciones de reclamación del gobierno, en tales casos. ^{[ Nota 1 ]}

Las señales de advertencia se utilizan a menudo cuando la distancia de visibilidad es insuficiente. El Manual de Dispositivos Uniformes de Control de Tráfico requiere señales de Stop Adelante, Ceda el Paso Adelante o Señalización Adelante en intersecciones donde el dispositivo de control de tráfico no es visible desde una distancia igual a la distancia de visibilidad de frenado a la velocidad del tráfico que se aproxima. Las señales de Hill Blocks View se pueden utilizar donde las curvas verticales de la cresta restringen la distancia de visibilidad. ^{[ 31 ]} Sin embargo, muchas jurisdicciones todavía esperan que los conductores utilicen el cuidado habitual con respecto a las condiciones que son fácilmente evidentes para un conductor, sin la indicación de una señal. ^{[ Nota 2 ]} El cuidado y la atención que normalmente se requieren de un conductor contra ciertos tipos de peligros pueden amplificarse un poco en carreteras con una clasificación funcional más baja . ^{[ 32 ] [ 33 ]} La probabilidad de tráfico espontáneo aumenta proporcionalmente a la densidad de puntos de acceso, y esta densidad debe ser fácilmente evidente para un conductor incluso cuando un punto de acceso específico no lo es. ^{[ 34 ]} Por esta razón, casi nunca se requiere una distancia de visibilidad completa en las esquinas para entradas de vehículos individuales en áreas residenciales urbanas de alta densidad, y el estacionamiento en la calle se permite comúnmente dentro del derecho de vía .

• Asociación Estadounidense de Funcionarios Estatales de Carreteras y Transporte
• Programa Nacional Cooperativo de Investigación de Carreteras
• Junta de Investigación del Transporte

• «Responsabilidad de las autoridades viales derivada de accidentes de vehículos a motor presuntamente causados ​​por la omisión de instalar o mantener adecuadamente un dispositivo de control de tráfico en una intersección». American Law Reports—Annotated, 3.ª serie . Vol.  34. The Lawyers Co-operative Publishing Company; Bancroft-Whitney; West Group Annotation Company. pág.  1008.
• «Nota de comentario: Responsabilidad gubernamental por no reducir la vegetación que obstruye la visibilidad en cruces ferroviarios o intersecciones de calles o carreteras». American Law Reports—Annotated, 6.ª serie . Vol.  50. The Lawyers Co-operative Publishing Company; Bancroft-Whitney; West Group Annotation Company. pág.  95.