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Guía para diseño geométrico en planta y sección transversal de mini glorietas urbanas en fase preliminar Cristian Camilo Uribe Caro , cristian.uribe02@uptc.edu.co José Alejandro Villamil Vega, jose.villamil03@uptc.edu.co Trabajo de grado presentado para optar por el título de Ingeniero Civil Director: Andrés Leonardo Silva Balaguera, Magíster (MSc) en Ingeniería Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Facultad de Ingeniería (Tunja) Ingeniería Civil Tunja, Colombia 2021 Citar / How to cite [1] [1] Referencia/Reference C. Uribe Caro, J. Villamil Vega, “Guía para diseño geométrico en planta y Estilo/Style: IEEE (2014) sección transversal de mini glorietas urbanas en fase preliminar”, Trabajo de grado Ingeniería civil, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Facultad de Ingeniería, Tunja, 2021 Grupo de Investigación en Ingeniería Civil y Ambiental (GICA) Semillero de Investigación en Geomática e Infraestructura Vial (SIGIV) Línea de investigación en Infraestructura vial Jurado, Jurado, Jurado, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Universidad pedagógica y tecnológica de Colombia - http://www.uptc.edu.co/ DEDICATORIA El presente trabajo investigativo lo dedicamos principalmente a Dios, por ser el inspirador y darnos fuerza para continuar en este proceso de obtener uno de los anhelos más deseados. Yo Cristian Camilo Uribe Caro dedico este trabajo a mis padres Pablo Jose Uribe Díaz y Elsa Matilde Caro Espinel por su amor, sacrifico y trabajo en todos estos años, gracias a ustedes he logrado llegar hasta aquí y convertirme en lo que soy. Yo Jose Alejandro Villamil Vega le dedico esta tesis a mi padre Eduar Yovanny Villamil Caño a mi madre Liliana Vega Diaz, a mis abuelos Jose Villamil Buitrago y Mercedes Cañon de Villamil por ser mi apoyo incondicional, mi motor en este proceso, por los valores y principios enseñados, por su sacrificio, por su amor y por ser las personas más importantes en mi vida. AGRADECIMIENTOS Nuestros agradecimientos a nuestro asesor de tesis Mg. Andrés Leonardo Silva Balaguera por su inspiración académica y profesional; al Mg. Jorge Luis Rodríguez que en paz descanse por su inspiración académica y profesional; a colegas, amigos y demás familiares por su apoyo. TABLA DE CONTENIDO I. PLANTEAMIENTO INVESTIGATIVO ..................................................................................... 11 A. Introducción............................................................................................................................... 11 B. Planteamiento del Problema ..................................................................................................... 12 C. Justificación ............................................................................................................................... 13 D. Objetivos.................................................................................................................................... 14 1. Objetivo general ..................................................................................................................... 14 2. Objetivos específicos ............................................................................................................. 14 II. MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE ........................................................................... 15 A. Lista de acronimos .................................................................................................................... 15 B. Capacidad .................................................................................................................................. 16 C. Seguridad ................................................................................................................................... 18 D. Generalidades en el Diseño ...................................................................................................... 21 E. Ambiente .................................................................................................................................... 24 F. Micro-Simuladores en la Investigación y Diseño.................................................................... 24 G. Trayectoria de Giro ................................................................................................................... 25 H. Normas....................................................................................................................................... 26 III. NORMATIVA NACIONAL E INTERNACIONAL DE REFERENCIA............................... 33 A. Comparación Normativa Nacional e Internacional................................................................. 33 B. Resumen Comparación Elementos Geométricos y de Diseño ............................................... 45 IV. MODELACIONES DIGITALES DE TRAYECTORIAS DE GIRO EN MINI- ................... 46 ROTONDAS ....................................................................................................................................... 46 A. Definición de Criterios y Parámetros de Modelación............................................................. 47 1. Vehículos de diseño ............................................................................................................... 47 2. Parámetros geométricos ......................................................................................................... 48 a) Anchos de carril ....................................................................................................................... 48 b) Ángulos entre ramales ............................................................................................................. 49 c) Diámetros inscritos .................................................................................................................. 53 3. Trayectorias de giro evaluadas ............................................................................................... 54 a) Glorietas de cuatro ramales ...................................................................................................... 54 b) Glorietas de tres ramales ......................................................................................................... 57 B. Resumen Parámetros Evaluados en Simulaciones .................................................................. 60 C. Elección de Software (Vehicle tracking for roundabout analysis)......................................... 61 D. Metodología de Modelación de Trayectorias en el Software ................................................. 62 V. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LAS MODELACIONES ........................................................ 63 A. Glorieta de 4 Ramales ............................................................................................................... 63 1. Vehículo C3 ............................................................................................................................ 63 2. Bus pequeño............................................................................................................................ 66 B. Glorieta de 3 Ramales ............................................................................................................... 69 1. Vehículo C3 ............................................................................................................................ 69 2. Bus pequeño............................................................................................................................ 73 C. Recomendaciones ......................................................................................................................75 D. Análisis de las Modelaciones ................................................................................................... 75 VI. DESARROLLO DE GUÍA DE DISEÑO .................................................................................. 77 VII. CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 80 VIII. FUTURAS INVESTIGACIONES ........................................................................................... 82 IX. REFERENCIAS ........................................................................................................................... 83 X. ANEXOS ....................................................................................................................................... 88 LISTA DE TABLAS Tabla 1: Valores de referencia de capacidad en rotonda ................................................................ 16 Tabla 2 Anchos de carril de diseño con base al tipo de vehículo y diámetro de la rotonda ......... 26 Tabla 3 Parámetros de diseño de rotondas según Manual Centro Americano de Normas ............ 27 Tabla 4 Distancias de visibilidad mínimas a considerar según Manual Centro Americano de Normas ...................................................................................................................... ..................... 27 Tabla 5: Tabla guía para ancho entre cunetas según Manual Centro Americano de Normas ........ 28 Tabla 6 : Parámetros mínimos de diseño rotondas según INVIAS ................................................ 29 Tabla 7 : Anchos de carril según INVIAS ..................................................................................... 29 Tabla 8 : Consideraciones de diseño de rotondas según ASHTOO ............................................... 30 Tabla 9 : Rangos de diámetros de diseño en función del tipo de rotonda según Federal Highway Administration EU ........................................................................................................... .............. 31 Tabla 10 Anchos de carril con base al diámetro de circulo inscrito según Federal Highway Administration EU ........................................................................................................... .............. 31 Tabla 11 : Características de diseño de Mini-rotondas según normas internacionales .................. 32 Tabla 12 Cuadro comparativo normas ........................................................................................... 33 Tabla 13. Cuadro comparativo elementos geométricos y de diseño .............................................. 44 Tabla 14 : Resumen Parámetros Evaluados ................................................................................... 58 Tabla 15 Diámetro inscrito de 32m, 31 m - C3 - 4 ramales .......................................................... 61 Tabla 16 Diámetro inscrito de 30m - C3 - 4 ramales ..................................................................... 61 Tabla 17 Diámetro inscrito de 29m – C3 – 4 ramales ................................................................... 62 Tabla 18 Diámetro inscrito de 28m – C3 – 4 ramales .................................................................... 62 Tabla 19 Diámetro inscrito de 27m – C3 – 4 ramales .................................................................... 62 Tabla 20 Diámetro inscrito de 26m, 25m, 24m o menor – C3 – 4 ramales ................................... 63 Tabla 21 Diámetro inscrito de 32m, 31m – Bus -4 ramales ........................................................... 63 Tabla 22 Diámetro inscrito de 30m – Bus -4 ramales .................................................................... 63 Tabla 23 Diámetro inscrito de 29m – Bus -4 ramales ................................................................... 64 Tabla 24 Diámetro inscrito de 28m, 27m, 26m – Bus -4 ramales................................................ 64 Tabla 25 Diámetro inscrito de 25m – Bus -4 ramales .................................................................... 64 Tabla 26 Diámetro inscrito de 24m, 23m – Bus -4 ramales ........................................................... 65 Tabla 27 Diámetro inscrito de 32m – C3 - 3 ramales .................................................................... 65 Tabla 28 Diámetro inscrito de 31m – C3 - 3 ramales .................................................................... 66 Tabla 29 Diámetro inscrito de 30m, 29m – C3 - 3 ramales ........................................................... 66 Tabla 30 Diámetro inscrito de 28m – C3 - 3 ramales .................................................................... 67 Tabla 31 Diámetro inscrito de 27m, 26m, 25m, 24m o menor – C3 - 3 ramales ........................... 67 Tabla 32 Diámetro inscrito de 32m, 31m – Bus - 3 ramales .......................................................... 68 Tabla 33 Diámetro inscrito de 30m – Bus - 3 ramales ................................................................... 68 Tabla 34 Diámetro inscrito de 29m – Bus - 3 ramales ................................................................... 69 Tabla 35 Diámetro inscrito de 28m, 27m – Bus - 3 ramales .......................................................... 69 LISTA DE FIGURAS Ilustración 1 Flujos circulante de entrada y saliente rotonda. .............................................................. ....... 17 Ilustración 2: Reducción de puntos de conflicto ......................................................................................... 19 Ilustración 3 Ejemplo intersección antes vs después de la rotonda ............................................................. 19 Ilustración 4: Uso de faldones en rotondas .................................................................................................. 20 Ilustración 5: Trayectorias de giro a evaluar en rotondas ................................................................... ......... 23 Ilustración 6 Evaluó de trayectoria vehículo pesado en rotonda ................................................................. 26 Ilustración 7 : Vehículo C3 ................................................................................................. ........................ 46 Ilustración 8 Vehículo Bus Mediano .................................................................................................. ......... 46 Ilustración 9 Ángulos Evaluados para Mini-glorieta con 4 Ramales .......................................................... 49 Ilustración 10 Ángulos Evaluados para Mini-glorieta con 3 Ramales ........................................................ 50 Ilustración 11 Ángulos Evaluados para Mini-glorieta con 3 Ramales ....................................................... 51 Ilustración 12 : Trayectoria 1 glorieta de 4 ramales ........................................................................ ............ 52 Ilustración 13: Trayectoria 2 glorieta de 4 ramales ..................................................................................... 53 Ilustración 14 : Trayectoria 3 glorieta de 4 ramales ........................................................................ ............ 53 Ilustración 15: Trayectoria 4 glorieta de 4 ramales ..................................................................................... 54 Ilustración 16 Trayectorias evaluadas en glorietas de 4 ramales.............................................................. ... 54 Ilustración 17 Trayectoria 1 glorieta de 3 ramales ...................................................................................... 55 Ilustración 18 Trayectoria 2 glorieta de 3 ramales ......................................................................................55 Ilustración 19 Trayectoria 3 glorieta de 3 ramales ...................................................................................... 56 Ilustración 20 Trayectoria 4 glorieta de 3 ramales ...................................................................................... 56 Ilustración 21 Trayectorias evaluadas en glorietas de 3 ramales.............................................................. ... 57 Ilustración 22. Metodología de Modelación ................................................................................................ 60 RESUMEN En este trabajo de investigación se realizó una comparación de normativa vigente sobre el diseño de mini-rotondas con países de referencia como España, Estados unidos y Colombia, se analizaron aspectos como parámetros geométricos, criterios de diseño, estéticos y de seguridad como evaluación de visibilidad y señalización vial. Mediante simulaciones en el software vehicle tracking se evaluaron las trayectorias posibles para distintos posibles tipos de configuraciones de mini- glorietas con el fin de establecer una técnica de selección de parámetros geométricos como anchos de carril , anchos de faldón , diámetro de circulo inscrito, en función de dos vehículos de diseño, ángulos de entrada, salida y espacio disponible; Por último se realizó la elaboración completa de una guía de diseño geométrico en planta y sección trasversal de mini-glorietas urbanas, donde se añadió gran parte de la investigación mostrada en este libro. ABSTRACT In this research work, a comparison of current regulations on the design of mini-roundabouts with reference countries such as Spain, the United States and Colombia was carried out, analyzing aspects such as geometric parameters, design criteria, aesthetic and safety criteria such as visibility evaluation and road signaling. By means of simulations in vehicle tracking software, possible trajectories for different types of mini-roundabouts configurations were evaluated in order to establish a selection technique for geometric parameters such as lane widths, apron widths, inscribed circle diameter, depending on two design vehicles, entry and exit angles and available space. Finally, a complete geometric design guide was prepared in plan and cross section of urban mini-roundabouts, where a large part of the research shown in this book was added. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 11 I. PLANTEAMIENTO INVESTIGATIVO A. Introducción Las glorietas se definen como un tipo de nudo que canalizan los flujos procedentes de tres o más accesos por medio de una calzada anular, son estructuras viales que ayudan a disminuir los puntos de conflicto en las intersecciones además de aumentar la seguridad, disminuir tiempos de circulación y ofrecer una mejor estética a la red vial, todo esto como lo demuestra la experiencia recolectada mediante el uso de estas a través de los años por todo el mundo [1][2]. Actualmente en el país se cuenta con una gran cantidad de glorietas tanto en la red vial nacional como en red vial urbana, las glorietas diseñadas para la red vial urbana a nivel nacional generalmente se hacen en autopistas o vías con altas velocidad y una gran carga de vehículos pesados, y en algunos casos se empiezan a implementar o hablar de diseño de rotondas compactas o mini rotondas en zonas urbanas con espacio reducido, que no son más que un tipo de rotonda con dimensiones pequeñas, aplicadas a vías urbanas de bajas velocidades y una carga vehicular menos pesada. Las mini-glorietas a pesar de representar un gran impacto en el desarrollo de la malla vial urbana en el mundo, para Colombia aún no se cuenta con una normativa clara o guía base para los diseñadores convirtiendo su diseño en una tarea difícil y de pocas referencias [3]. En este trabajo de investigación se realizó una comparación de los estándares internaciones en el diseño de mini-glorietas en países como España y Estados unidos, con respecto a la normativa vigente en Colombia, se recolectaron parámetros de diseño, valores típicos y criterios en el diseño, con el fin de generar una técnica para la definición de parámetros geométricos, se plantearon diferentes configuraciones de mini-glorietas evaluando sus trayectorias de giro, con el fin de establecer para dos vehículos de diseño unas tablas que le facilitan al diseñador la elección de los parámetros geométricos indicados, disminuyendo así el número de iteraciones a realizar durante el diseño generando un gran impacto en el tiempo y dinero invertido, además se realizó una guía de diseño en planta y sección transversal para el diseño de mini-glorietas, desde su concepción hasta GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 12 su evaluación de visibilidad y señalización donde también se incluye gran parte de la investigación mostrada en este libro. B. Planteamiento del Problema A diario en las ciudades se viene presentando un crecimiento tanto en población como en el parque automotor que transita por las vías urbanas, esto teniendo connotación en la movilidad y seguridad de la población[4]–[7], en Colombia el 93.94% de los accidentes reportados corresponden a áreas urbanas[8], los semáforos y la organización general del control del tráfico son factores que influyen en la gravedad de los accidentes de tránsito[9], [10], generado por un diseño de la red vial urbana inadecuada u obsoleta que generan un incremento en los puntos de convergencia dentro de las intersecciones[11]–[14], lo cual continuara presionando a la infraestructura a ser mejorada[6], [9], [10]. Las rotondas se pueden utilizar como una estrategia eficiente de gestión del tráfico vial, de acceso cerca o dentro de áreas urbanas[1], [2], estas a partir de su creación en la década de 1950 han sufrido varios cambios que influyen en varias reglas operativas y diseños geométricos, principalmente para abordar los desafíos operativos y de seguridad, las glorietas han evolucionado en términos de geometría, produciendo rotondas de un solo carril, rotondas de varios carriles e innovadoras como las rotondas turbo[15], parámetros como diámetros, ángulos de entrada o anchos de carril resultan de difícil elección desde el diseño preliminar ya que estos definen seguridad, capacidad, comodidad, y economía, resultando en proceso de diseño iterativo difícil de acabar[16]–[18]. Teniendo en cuenta todo esto el diseño de las mini glorietas urbanas se puede volver un proceso complejo teniendo en cuenta que la información, guías, recomendaciones y reglamentación con la que se cuenta a nivel nacional para el diseño de este tipo de intersecciones es muy poca[3], la Agencia nacional de infraestructura (ANI) [19], INVIAS [20], IDU[21] son algunas normas o instituciones que regulan el diseño de las vías en Colombia, pero estas no contemplan todos los parámetros de diseño para mini-glorietas. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 13 ¿Cuáles son los rangos de diámetros, anchos de carril, ángulos entre ramales necesarios para el diseño de mini-glorietas urbanas permitiendo una correcta trayectoria de circulación? C. Justificación El diseño vial es una rama de la ingeniería que aún se encuentra en estudio, así como el manejo del tránsito en las intersecciones urbanas, donde las mini-glorietas pueden mejorar la movilidad y seguridad urbana, pero en la actualidad no se cuenta con la suficiente información o reglamentación para el diseño de estas. El estudio pretende dar a conocer unasrecomendaciones de diseño basándose en unos parámetros básicos como lo son la velocidad, ángulo de entrada, espaciamiento adecuado, y visibilidad, resumiendo los resultados en una guía de diseño, la cual se puede usar como herramienta o punto de partida para el diseñador y llevar estas recomendaciones o metodología de diseño a su caso en específico. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 14 D. Objetivos 1. Objetivo general Establecer una guía de diseño geométrico preliminar en planta y sección transversal para mini glorietas urbanas teniendo referentes normativos nacionales e internacionales. 2. Objetivos específicos • Comparar dos metodologías existentes de la normativa utilizada a nivel internacional para el diseño de mini glorietas con la normativa colombiana vigente. • Establecer una técnica de definición de parámetros geométricos de diseño en mini glorietas urbanas, mediante modelaciones digitales de trayectorias de giro de vehículos con base en normativa nacional e internacional. • Proponer una guía práctica de diseño geométrico preliminar de mini glorietas urbanas. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 15 II. MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE A. Lista de acronimos ASSHTO: American Association of State Highway and Transportation Officials. INVIAS: Instituto Nacional de Vías. C3: Camión de 3 ejes. MDGV -2008: Manual de Diseño Geométrico de Vías del Instituto Nacional de Vías, publicado en el 2008. IDU: Guía para el diseño de vías urbanas en Bogotá. VeTRA: Software Vehicle Tracking. HCM: Highway Capacity Manual. PCE: Equivalencia de vehículos pesados con los vehículos de pasajeros. NCRHP-672: National Cooperative Highway Research Program. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 16 B. Capacidad Al elegir entre diseñar algún tipo de glorieta ya sea mini, de un solo carril o de dos, la capacidad es un factor a tener en cuenta, y aunque la capacidad depende del mismo diseño, se pueden tomar valores de referencia según el tipo de glorieta, estos valores ya se han desarrollado en investigaciones mediante modelos analíticos y estudio de diferentes tipos de glorietas[22]. (Tabla.1) Tabla 1: Valores de referencia de capacidad en rotonda Tipos de rotondas No de carriles de entrada Capacidad en el anillo (veh/h) Rotondas mini y compactas 1 1600 Rotondas compactas con 2 carriles 1 2 1600 1600 Rotondas grandes 1 2000 2 2500 Fuente: F. Corriere and M. Guerrieri, “Performance Analysis of Basic Turbo- Roundabouts in Urban Context,” Procedia - Soc. Behav. Sci., vol. 53, pp. 622–632, 2012 La capacidad de una glorieta depende de tres flujos esencialmente, flujo de entrada, circulante y de salida (ilustración.1), a medida que el flujo en conflicto aumenta la capacidad disminuye de acuerdo con la norma HCM [23], la cual propone unas fórmulas para el cálculo de la capacidad en las glorietas dependiendo el número de carriles, aunque no se contempla el cálculo de capacidad en mini-rotondas se pudiese considerar como compactas de un solo carril. (Ec.1) 𝐶𝑒.𝑝𝑐𝑒 = 1.380𝑒(−1.02𝑥10−3)∗𝑣𝑐.𝑝𝑐𝑒 (1) Donde: 𝑝𝑐 𝐶𝑐.𝑝𝑐𝑒: 𝑙𝑎𝑛𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑦 , 𝑎𝑗𝑢𝑠𝑡𝑒𝑑 𝑓𝑜𝑟 ℎ𝑒𝑎𝑣𝑦 𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑙𝑒𝑠 ( ) ℎ 𝑝𝑐 𝑣𝑐.𝑝𝑐𝑒: 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑙𝑖𝑐𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑓𝑙𝑜𝑤 𝑟𝑎𝑡𝑒 ( ) ℎ GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 17 Ilustración 1 Flujos circulante de entrada y saliente rotonda . Fuente: O. N. Ucti and C. O. N. Cepts, “HCM-Chapter 22 roundabouts contents 1. Como se explicó la HCM no contempla el cálculo de capacidad para mini-glorietas, por ello con base en estudios de mini-rotondas típicas en EU, cuyas medidas son de 50 y 75 pies de diámetro se desarrollaron fórmulas para el cálculo de su capacidad (Ec.2-Ec.3).[24], mientras que en Reino Unido por el contrario si se cuenta con una ecuación para el cálculo de capacidad en mini-rotondas con diámetros de máximo 28m. (Ec.4).[25] 𝐶 𝑉𝑐 (2) 𝐶 𝑉𝑐 (3) 𝑄𝑒 𝑄𝑐 (4) Donde: 𝑉𝑐: 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑙𝑖𝑐𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑣𝑎ℎ𝑖𝑐𝑙𝑒𝑠 𝑄𝑐: 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 Como referencia de un estudio alemán se demostró que el volumen de tráfico de 15000 veh/día para una mini-rotonda no representa ningún problema. Además de demostrar un buen funcionamiento en vías urbanas alemanas [26], país que plantea una fórmula para el caculo de la capacidad en glorietas (Ec.5). Que al igual que los métodos anteriores está en función de la geometría y del flujo en conflicto. 𝐶 𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑞𝑘 𝑛𝑐 𝑛𝑒 𝑒 𝑡 𝑡𝑚𝑖𝑛) (5) GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 18 𝑛𝑐 𝑡𝑓 Donde: 𝑐: 𝑏𝑎𝑠𝑖𝑐 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑦 𝑜𝑓 𝑜𝑛𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑦 𝑞𝑘: 𝑡𝑟𝑎𝑓𝑓𝑖𝑐 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑜𝑛 𝑡ℎ𝑒 𝑐𝑟𝑖𝑐𝑙𝑒 𝑛𝑐: 𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 𝑜𝑓 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑙𝑎𝑛𝑒𝑠 𝑛𝑒: 𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 𝑜𝑓 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑦 𝑙𝑎𝑛𝑒𝑠 𝑡𝑔: 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑔𝑎𝑝 𝑡𝑓: 𝑓𝑜𝑙𝑙𝑜𝑤 − 𝑢𝑝 𝑡𝑖𝑚𝑒 𝑡𝑚𝑖𝑛: 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑔𝑎𝑝 𝑏𝑒𝑡𝑤𝑒𝑒𝑛 𝑠𝑢𝑐𝑐𝑒𝑑𝑖𝑛𝑔 𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑙𝑒𝑠 𝑜𝑛 𝑡ℎ𝑒 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑙𝑒 Como se ha descrito el cálculo de capacidad depende del flujo en conflicto, que a su vez se ve afectado por el tipo de vehículos que circulan o circularan, es claro que los vehículos pesados por sus dimensiones y baja velocidad de circulación tienen un impacto en esto, la equivalencia de vehículos pesados con los vehículos de pasajeros se conocen en las normas como PCE con un valor normalmente de 2, mediante simulaciones y observaciones en campo se ha encontrado un PCE entre 1.5-1.9 valor que según los investigadores está influenciado por la geometría misma[27]. C. Seguridad Las intersecciones representan un importante desafío de seguridad para los profesionales del transporte, por diseño las intersecciones introducen conflicto en un sistema de carreteras, ya que es el lugar donde se encuentra el tráfico opuesto y requiere algún tipo de control de estos puntos de conflicto [28], las glorietas han demostrado una gran solución para la reducción de estos puntos de conflicto siendo una solución vial viable en el contexto urbano[29]. Las condiciones de guiado y la separación de los diversos movimientos por las islas divisorias y la isla central reducen el número de conflictos, por ejemplo, la (ilustración.2) muestra gráficamente que mientras que una intersección típica de cuatro vías tiene un total de 32 posibles puntos de conflicto, una rotonda de cuatro tramos tiene sólo 8 posibles puntos de conflicto[30]. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 19 Ilustración 2: Reducción de puntos de conflicto Fuente: A. Pratelli, “Design of modern roundabouts in urban traffic systems,” WIT Trans. Built Environ., vol. 89, pp. 83–93, 2006 Ilustración 3 Ejemplo intersección antes vs después de la rotonda Fuente: A. Pratelli, “Design of modern roundabouts in urban traffic systems,” WIT Trans. Built Environ., vol. 89, pp. 83–93, 2006 El volumen vehicular y geometría de la glorieta tienen relación directa con la seguridad en ella, se ha demostrado que el volumen vehicular tiene una relación lineal con el aumento de accidentes, cuando eldiámetro del circulo inscrito aumenta los accidentes disminuyen ya que permite mejores maniobras de los vehículos, anchos de carril muy grandes en las entradas aumenta la inseguridad, y por el contrario anchos de carril de circulación grandes aumentan la seguridad en glorietas[31]. Es claro que la visibilidad es un parámetro de diseño vial que se debe asegurar por seguridad de los usuarios, en estudios de su relación con la geometría de las glorietas se dice que un gran radio de GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 20 isla central aumenta la visibilidad, si se presentan ángulos de entrada muy grandes se ve afectada la visibilidad del vehículo que ingresa en comparación al que circula[32]. Se debe diseñar las rotondas procurando mantener la seguridad para todos los usuarios de las glorietas, en rotondas urbanas es común ver el paso de ciclistas, esto se deben tener en cuenta durante el diseño, ya que se ha encontrado que diámetros de circulo inscrito entre 20-40 m son un 20% más seguras para los ciclistas que diámetros más pequeños o más grandes [33], con base en una investigación de más de 255 rotondas urbanas en Dinamarca. Se recomienda hacer uso de faldones en el exterior de la isla central tanto para el paso de ciclistas como para el acomodamiento de vehículos pesados (Ilustración.4) por norma debe tener una altura máxima de 3 pulgadas, debe tener un color y textura que proporcione contrastes con la calzada circulante[34]. Ilustración 4: Uso de faldones en rotondas Fuente: H. N. Isebrands and R. Retting, Enhancing Intersection Safety through Roundabouts. 2008 Se podría plantear una relación de seguridad y número de entradas en una glorieta analizando que entre mayor es el número de entradas se aumentaría los conflictos entre el flujo circulante y el flujo entrante o saliente, esto se demostró en un estudio estadístico de accidentalidad en Australia donde se asoció que al reducir una entrada se aumenta la seguridad hasta en un 37% , el número de carriles tiene un efecto importante ya que al aumentar un solo carril la probabilidad de choque aumenta un 25% [35], esto es así ya que una glorieta con espacios muy grandes le permite al conductor aumentar la velocidad de circulación. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 21 D. Generalidades en el Diseño Los arreglos geométricos en las intersecciones dependen de factores como tránsito, topografía y velocidad, además el diseño está compuesto por tres elementos bidimensionales que al unirlos se obtiene un elemento tridimensional correspondiente a la vía, se conocen como alineamiento horizontal, alineamiento vertical y el diseño transversal [36], los cuales deben asegurar una circulación cómoda y segura, aunque el alineamiento vertical es función de las condiciones topografías, el diseño trasversal y horizontal permite realizar recomendaciones y proponer valores de diseño. Es común que en algunos países no se considere una normativa clara o definida respecto a estándares de diseño de glorietas, guiando a ingenieros investigadores a realizar cotejos de validación y encontrar carencias en estándares de diseño, como se ha realizado con la norma Italiana donde se realizó una actualización de ella mediante la revisión de normas más actualizadas como la de Australia, Estados Unidos, y Reino unido, como resultado se encontraron algunas diferencias y carencias en el diseño que no se contemplaba en la norma italiana[37]. Las herramientas computaciones se vuelven una opción de diseño y de investigación para proponer nuevas soluciones a problemas viales, y esto también aplica para glorietas, se ha propuesto por ejemplo un modelo de rotondas con detectores de colas automáticos para conceder el paso para solucionar el problema de atascamientos en carriles donde por preferencia de circulación se lleguen a generar [38], esto se pudo lograr por la facilidad computacional de generar micro-simulaciones con diferentes escenarios que en la realidad serian difíciles de llegar a analizar. Mediante micro-simulaciones también se han realizado investigaciones sobre trayectorias de vehículos pesados y su relación con la posición de los sobre anchos en rotondas, donde se ha encontrado que para rotondas urbanas se recomienda dejar la isla central transitable para vehículos pesados como primera opción en el diseño, donde las circunstancias no lo permitan se debe dejar un faldón transitable en la parte exterior de la isla central, no se recomienda dejar faldones y sobre GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 22 anchos en la parte exterior del carril dado que genera espacios muy grandes incitando al aumento de la velocidad en vehículos livianos[39]. La optimización en el diseño es uno de los temas actualmente estudiados en el diseño de glorietas, esto se puede lograr, pero depende desde el enfoque que se busque, es decir se puede llegar a generar una diseño optimo desde la seguridad pero no en eficiencia, como puede ser el caso contrario, se han desarrollado modelos de selección multi-criterio generando puntajes a parámetros geométricos dependiendo su aporte a la optimización desde la eficiencia operativa (TE) y de seguridad del tránsito (TS) con estos pesos y modelos matemáticos se puede elegir el diseño más óptimo[40], comprobado por el profesor Can.J [41] con una investigación muy similar, donde en las dos se evidencia una metodología que genera buenos resultados. Durante el diseño se debe realizar un estudio de la composición vehicular que circula o circulara por la glorieta, para el diseño habitualmente suelen elegirse como vehículos de diseño los tipos camión rígido o autobús y en algunos casos articulados, las dimensiones mínimas se determinan con el vehículo tipo más desfavorable, las dimensiones recomendables las determina el vehículo tipo que más utilice la intersección[11]. El radio de la ruta de entrada es una medida de la desviación impuesta a los vehículos que entran en una rotonda, es un determinante importante de la seguridad en las rotondas, debe verificarse la trayectoria de entrada en todos los movimientos de giro procurando no superar los 70 m en minirotondas y 100 m en el resto de rotondas.[42][28] Las directrices de Estados Unidos establecen que las trayectorias de circulación deben evaluarse para todos los movimientos, se definen 5 caminos críticos, los radios de giro deben verificarse para cada trayectoria (Ilustración.5). No se define directamente un valor máximo de radio de ruta de entrada, pero si se recomienda la máxima velocidad de diseño de entrada para mini-rotondas 30km/h, rotondas de un solo carril 40 km/h y de varios carriles 40-50 km/h, en una relación radiovelocidad los radios máximos de trayectoria de entrada recomendados son 30 m para minirotondas, 55 m para rotondas de un carril y 85 m para rotondas de varios carriles [42]. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 23 Ilustración 5: Trayectorias de giro a evaluar en rotondas Fuente: A. Montella, S. Turner, S. Chiaradonna, and D. Aldridge, “International overview of roundabout design practices and insights for improvement of the Italian standard,” Las regulaciones existentes en el diseño de rotondas incluyen análisis de trayectorias barridas, análisis de distancia visual y de velocidad de operación, este último se realiza principalmente con base en dos modelos, el modelo holandés (CROW) y el EU (FHWA).[43]. El método holandés hace el cálculo de la velocidad de operación a través de la trayectoria del radio de giro que resulta de un análisis de trayectorias (Ec.6)[44], la FHWA también plantea la velocidad de operación enfunción del radio de giro y además de la fricción entre las llantas y el pavimento. (Ec.7) 𝑉 = 7.4 ∗ √𝑅 Donde: 𝑅 = ((0.25 ∗ 𝐿)2 + (0.5(𝑈 + 2)2)/(𝑈 + 2) 1 𝑉 =√127∗𝑅(𝑒+𝑓𝑡 2 Generalmente el cálculo de la velocidad de operación en glorietas se calcula con base en las trayectorias de giro y perfiles de velocidad, mas no de la geometría, pero se ha desarrollado una GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 24 relación entre la velocidad en la glorieta con respecto al diámetro del circulo inscrito, el ancho de carril de circulación y el ancho de entrada [45] (Ec.8). 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙 85 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝑉 = 0.4433 ∗ 𝐷𝑖𝑛𝑡 + 0.8367 ∗ 𝑊𝐶𝑅 + 3.2272 ∗ 𝑊𝐸𝐿 3 Según los estándares alemanes las mini rotondas tienen diámetros entre los 13 y 24 m dejando la isla central transitable para las trayectorias de los vehículos pesados con una altura máxima de 12 cm, solo se pueden diseñar en vías con velocidad máxima de circulación a los 50 km/h, los anchos de carril están entre 4.5 a 6 m con una pendiente transversal de 2.5% inclinado hacia el exterior [46]. E. Ambiente Es necesario generar diseños que sean amigables con el medio ambiente, por lo tanto, se han realizado estudios de los impactos de la geometría de las glorietas con respecto al medio ambiente, donde se ha demostrado que las mini-rotondas o rotondas de un solo carril generan un menor tiempo de viaje y una reducción del 13 % - 15% de emisiones de CO2 por unidad de distancia [47], aunque se analiza que glorietas muy grandes generan impactos ambiéntales mayores, se propone la necesidad de estudiar la relación entre variables como radios de entrada y salida, o anchos de carril con los impactos ambientales ya que el estudio solo contempla diámetros de circulo inscrito. F. Micro-Simuladores en la Investigación y Diseño RODEL, SIDRA y VISSIM por sus abreviaciones representan los tres softwares más usados en Europa para el análisis de rotondas desde el análisis de velocidad, trayectorias y capacidad, no queda claro cual resulta mejor para cada parámetro en específico pero si se ha realizado una comparación metodológica respecto al cálculo de capacidad en los tres software, los resultados demuestran que si se cuenta con datos disponibles para la calibración del modelo SIDRA y VISSIM son más adaptables ya que ambos proporcionan parámetros de calibración, VISSIM por el contrario permite modelar muchas rotondas, así como otros tipos de intersecciones simultáneamente, aunque SIDRA y RODEL solo permiten la simulación de una rotonda a la vez [48]. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 25 Mediante comparación de perfiles de velocidad medidos en campo y las obtenidas del microsimulador VISSIM se obtuvo un error del 5 % entre lo real y lo simulado [49] obteniéndose resultados parecidos con el programa RODEL y VISSIM en otras investigaciones [50]. Demostrando una gran precisión de los micro-simuladores teniendo en cuenta que llevan poco tiempo de desarrollo. Las herramientas de micro simuladores generalmente requieren realizar calibraciones dependiendo el uso que se le desee dar para obtener resultados más precisos, para realizar estas calibraciones es necesario obtener datos de campo como trayectoria de giro, brecha o retraso, actualmente el uso de nuevas técnicas de recolección de información han facilitado esta tarea, el procesamiento de imágenes es un ejemplo de ello; mediante el seguimiento de video y el procesamiento de la información en el software VeTra se han obtenido estos valores y realizado análisis con buenas calibraciones [51], usando la misma técnica se desarrolló un programa en Republica Checa llamado DataFROMSKY para medir perfiles de velocidad en glorietas[52]. Los software también se han usado para la investigación de metodologías de predicción de accidentes en glorietas, es el caso de un estudio con 26 rotondas en Eslovenia donde se evaluó su desempeño en seguridad mediante el programa SSAM, estimando los conflictos de tráfico mediante un meta análisis [53]. Además TRITONE también es un software desarrollado para estimar el desempeño de seguridad vial con base en algunos indicadores como tasa de desaceleración, tiempo de colisión, distancia de frenado, entre otros softwares [54], que han demostrado buenos resultados y una gran herramienta para el diseño. G. Trayectoria de Giro Los avances de los vehículos pesados son más largos que los automóviles en las trayectorias de giro, así como la capacidad en la entrada de la rotonda se disminuye con los vehículos pesados como se demostró mediante el estudio de varias glorietas en Japón[55]. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 26 Mediante la evaluación y análisis de trayectorias de giro de vehículos pesados en rotondas se pueden obtener criterios de diseño, esto se confirmó aplicando un modelo de dinámica vehicular considerando la interacción entre el vehículo y los elementos geométricos [56] (Ilustración.6), como uno de los resultados se logró obtener los anchos de carril de diseño dependiendo del tipo de vehículo y diámetro del circulo inscrita. (Tabla.2). Ilustración 6 Evaluó de trayectoria vehículo pesado en rotonda Fuente: M. Diachuk and S. M. Easa, “Guidelines for roundabout circulatory and entry widths based on vehicle dynamics,” J. Traffic Transp. Eng Tabla 2 Anchos de carril de diseño con base al tipo de vehículo y diámetro de la rotonda Vehículo de diseño Diámetro del circulo inscrito 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 WB-12 5.4 4.9 4.8 4.8 4.6 4.6 4.6 4.6 4.4 4.3 4.3 WB-20 Autobús de la ciudad - 7.6 6.9 6.6 6.2 6.1 6.0 6.0 5.7 5.7 5.6 5.1 5.0 4.9 4.8 4.7 4.6 4.6 4.6 4.6 4.6 4.5 Fuente: M. Diachuk and S. M. Easa, “Guidelines for roundabout circulatory and entry widths based on vehicle dynamics,” J. Traffic Transp. Eng H. Normas El Manual Centro Americano de Normas para carreteras regionales resalta algunas consideraciones generales de diseño para rotondas, como ensanchamientos, ángulo de entrada, entre otros (tabla.3), considera que las mini glorietas en algunos países del mundo han dado buenos resultados, al permitir un volumen total promedio de transito de unos 7000 veh/h [57].se realizan algunas recomendaciones como que el ancho total de entrada debe ser menor de 10.5 m y no debe ser mayor a 15 m para carreteras de doble carril, se deben diseñar carriles mayores a 3 m para permitir una GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 27 correcta circulación, además de contemplar unas distancias de visibilidad mínimas a considerar en una rotonda(tabla.4). Tabla 3 Parámetros de diseño de rotondas según Manual Centro Americano de Normas Descripción Valores prácticos Ancho de entrada 4-15 m Mitad de ancho del acceso 2-7.3 m Promedio de longitud efectiva del ensanchamiento 1-100 m Amplitud del ensanchamiento 0-2.9 m Radio de entrada 6- 100 m Angulo de entrada 10- 60° Diámetro del circulo inscrito 15-100 m Fuente: Secretaría de Integración Económica Centroamericana, “Manual Centroamericano de Normas para el Diseño Geométrico de Carreteras,” pp. 1–426, 2011 Tabla 4 Distancias de visibilidad mínimas a considerar según Manual Centro Americano de Normas Distancia de visibilidad de parada Distancia de visibilidad hacia la izquierda de la entrada Velocidad de Diseño (Km/) 50 60 70 85 100 Diámetro inscrito (m) <40 40-60 60-100 >100 Distancia de visibilidad (m) Toda la intersección 4050 60 Mínima Deseable (m) 70 95 125 165 225 Mínima Absoluta 50 70 95 125 165 Fuente: Secretaría de Integración Económica Centroamericana, “Manual Centroamericano de Normas para el Diseño Geométrico de Carreteras,” pp. 1–426, 2011 Para determinar el ancho de giro requerido para vehículos pesados en una rotonda estándar, se utiliza la combinación de tractor con semirremolque con una longitud de 19.8 m que corresponde a un vehículo WB-18 según la clasificación AASHTO 16, y el otro vehículo es un autobús, con base en estos dos vehículos se contempla una tabla guía (tabla.5) para el cálculo de diámetro y ancho entre cunetas dependiendo el vehículo de diseño. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 28 Tabla 5: Tabla guía para ancho entre cunetas según Manual Centro Americano de Normas Diámetro del circulo inscrito Vehículos de diseño California mínimo Bus mínimo 91.4 - 85.3 6.6 6.6 5.2 5.2 79.2 - 73.2 6.9 7.0 5.2 5.3 67.1 - 61.0 7.3 7.6 5.3 5.5 57.9 - 54.9 7.8 8.1 5.5 5.6 51.8 - 48.8 8.4 8.7 5.8 5.8 45.7 - 42.7 9.1 9.6 5.9 6.1 39.6 - 36.6 10.2 11.1 6.2 6.4 33.5 - 30.5 12.3 . 6.7 7.0 Fuente: Secretaría de Integración Económica Centroamericana, “Manual Centroamericano de Normas para el Diseño Geométrico de Carreteras,” pp. 1–426, 2011 El manual IDU es la guía para el diseño de vías urbanas en Bogotá, la cual recomienda el uso de anchos de isla central para rotondas de 4 a 60 m para tipos de vías urbanas de un solo carril, diámetros de 80 a 120 m para calzadas de doble carril, anchos de carril de 4 a 5 m y se deben usar ángulos de entrada entre 20° y 60° [58]. El manual de diseño geométrico de carreteras INVIAS [59] es la norma de referencias para el diseño geométrico de carreteras en Colombia, respecto al diseño de rotondas se contemplan unos valores mínimos de diámetros de isla central, radio mínimo de circulo inscrito y ángulos ideales de entrada y de salida, entre otros (tabla.6), aunque se contemplan valores mínimos no se habla de valores máximos, y estos valores no son válidos para mini-glorietas con base en otras normas internacionales, en esta norma se recomienda el uso de sobre anchos en la parte interna de la curva, aunque no se contempla anchos de carril, para rotondas si se especifica anchos de carril en función del tipo de vía, velocidad y tipo de terreno(tabla.7 ). GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 29 Tabla 6 : Parámetros mínimos de diseño rotondas según INVIAS Descripción Unidad Magnitud Diámetro mínimo de la isleta central m 25 Diámetro mínimo del circulo inscrito m 50 Relación W/L (sección de entrecruzamiento) Entre 0.25-0.4 Ancho sección de entrecruzamiento (w) m Máximo 15 Radio interior mínimo en los De entrada accesos De salida Angulo ideal de entrada m m 30 40 60° Angulo ideal de salida 30° Fuente: INVIAS, “MANUAL DE DISEÑO GEOMETRICO DE CARRETERAS -INVIAS,” J. Chem. Inf. Model., vol. 53, no. 9, pp. 1689–1699, 2013. Tabla 7 : Anchos de carril según INVIAS Categoría de la carretera Tipo de terreno Velocidad de diseño del tramo homogéneo (Vtr) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Primaria de dos calzadas Plano Ondulado - - - - - - - - - - - - 7.3 7.3 7.3 7.3 7.3 7.3 7.3 7.3 Montañoso - - - - - 7.3 7.3 7.3 7.3 - Escarpado - - - - - 7.3 7.3 7.3 - - Primaria de una calzada Plano Ondulado - - - - - - - - - - - 7.3 7.3 7.3 7.3 7.3 7.3 7.3 - - Montañoso - - - - 7.3 7.3 7.3 7.3 - - Escarpado - - - - 7.0 7.0 7.0 - - - Secundaria Plano Ondulado - - - - - - - 7.0 7.3 7.3 7.3 7.3 7.3 7.3 - - - - - - Montañoso - - 6.6 7.0 7.0 7.0 - - - - Escarpado - - 6.0 6.6 7.0 - - - - - Terciaria Plano Ondulado - - - 6.0 6.0 6.0 - - - - - - - - - - - - - - Montañoso 6.0 6.0 6.0 - - - - - - - GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 30 Escarpado 6.0 6.0 - - - - - - - - Fuente: INVIAS, “MANUAL DE DISEÑO GEOMETRICO DE CARRETERAS - INVIAS,” J. Chem. Inf. Model., vol. 53, no. 9, pp. 1689–1699, 2013. La ASHTOO define las mini-rotondas como pequeñas glorietas con velocidades de funcionamiento menores de 50 km/h, recomendándola para entornos urbanos y por consideraciones de espacio no se puede construir una rotonda estándar de un carril, además de resaltar su economía, las rotondas de un carril se distinguen de las mini-rotondas por círculos inscritos más grandes, una isla central no montable y con una plataforma de camión [60], se realiza un resumen de algunas consideraciones generales dependiendo el tipo de rotonda (tabla.8). Tabla 8 : Consideraciones de diseño de rotondas según ASHTOO Elementos de Diseño Mini-Rotondas Rotondas de un solo carril Rotondas de varios carriles Máxima velocidad de diseño en entradas deseable 15 a 20 mph (25 a 30 km/h) 20 a 25 mph (30 a 40 km/h) 25 a 30 mph (40 a 50 km/h) Número máximo de carriles de entrada por aproximación 1 1 2+ Típico diámetro de circulo inscrito 45 a 90 ft (13 a 27m) 90 a 180 ft (27 a 55 m) 150 a 300 ft (46 a 91 m) Tratamiento a isla central Montable Elevada Elevada Volúmenes de servicio diario típicos para una rotonda de cuatro ramales por debajo del cual se espera que funciones la rotonda sin necesidad de un análisis de capacidad detallado. 0 a 15.000 0 a 20.000 0 a 45000 para rotonda de dos carriles Fuente: AASHTO, A Policy on Geometric Design of Highways and Streets, 7th Edition. 2018 En la NCRHP-672 se encuentra mayor información sobre el diseño de rotondas, desde el cálculo de capacidad, velocidad de operación, diseño, entre otros, algunas consideraciones generales recomiendan anchos de carril de 4.2 a 5.5 m para vehículos pesados y proveer un faldón transitable con ancho de 1 a 4.6 m de un material diferente al de la vía [61], cabe resaltar que en EU las mini- rotondas suelen diseñarse para zonas urbanas con modelos típicos de 50 y 75 pies de diámetro [62]. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 31 La “Transportation Federal Highway Administration” de EU, propone como diámetro mínimo 30 m para glorietas de un solo carril para un vehículo WB-15, y diámetros para mini-rotondas de 13 a 25 m, además de otros rangos en función del tipo de rotonda y número de carriles (Tabla.9), por cuestiones de seguridad se recomienda diámetros pequeños para vías de bajas velocidades, proponiendo un espacio libre de 0.6 m entre huella del vehículo y el borde del carril. Y uso de faldones con una elevación mínima de 3” y pendientes transversales de 3 a 4% [17], se propone unos anchos de carril en función del diámetro inscrito (tabla.10). Tabla 9 : Rangos de diámetros de diseño en función del tipo de rotonda según Federal Highway Administration EU Categoría Típico vehículo de diseño Diámetro circulo inscrito Mini rotondas Single-unit truck 13-25 m Compactas urbanas Single-unit Truck/bus 25-30 m Urbanas de un solo carril WB-15 (WB-50) 30-40 m Urbanas de doble carril WB-15 (WB-50) 45-55 m Rurales de un solo carril WB-20 (WB-67) 35-40 m Rurales de doble carril WB-20 (WB-67) 55-60 m Fuente: A. Pérez et al., “NATIONAL COOPERATIVE HIGHWAY RESEARCH PROGRAM. REPORT 672. Roundabouts: An Informational Guide., Tabla 10 Anchosde carril con base al diámetro de circulo inscrito según Federal Highway Administration EU Diámetro circulo inscrito Mínimo ancho de carril de circulación Diámetro isla central 45 m 9.8 m 25.4 m 50 m 9.3 m 31.4 m 55 m 9.1 m 36.8 m 60 m 9.1 m 41.8 m 65 m 8.7 m 47.6 m 70 m 8.7 m 52.6 m Fuente: A. Pérez et al., “NATIONAL COOPERATIVE HIGHWAY RESEARCH PROGRAM. REPORT 672. Roundabouts: An Informational Guide GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 32 La Dirección General de Carreteras de Madrid afirma que se debe garantizar una visibilidad de los conductores hasta la entrada anterior o a una distancia de 50 m hacia la izquierda en la rotonda, uso de radios entre 20 y 30 m para glorietas interurbanas, en vías urbanas pueden usarse radios menores pero no mayores a 50 m con anchos de carril de 5 a 6 m para vías de un solo carril y de 8 m para el caso de dos carriles, con ángulos de entrada de 40° a 60°[63], aunqué en las normas se recomiendan anchos de carril estos están en función de la trayectoria del vehículo de diseño. Las mini-rotondas son una opción de diseño valida en carreteras locales, de hecho, se adaptan mejor a los entornos donde las velocidades son bajas. En Reino Unido se diseñan para vías con velocidades de hasta 56 km/h, en Francia de 50 km/h, además en países como Australia y Nueva Zelanda no existen normas de diseño específicamente de mini-rotondas [42], en estos países generalmente se diseñan como rotondas de un solo carril, en UK por el contrario si se tienen algunas especificaciones para su diseño [64]. A continuación, se resumen algunos parámetros de diseño con diferentes normas (Tabla.11). Tabla 11 : Características de diseño de Mini-rotondas según normas internacionales Parámetro US UK Francia Nueva Zelanda Italia Tipo de vía de operación Local Local Local Local Local Velocidad de operación <= 50 km/h <= 56 km/h NA NA NA Límite de velocidad NA <=48 km/h <=50km/h NA NA Transito mínimo <=15000 v/d NA NA <=15000v/d NA Transito máximo >=15000 v/d NA NA <=15000 v/d NA Diámetro circulo inscrito >=13m;<=27m <=28m >=15m:<=24m >=14m:<=26m >=14m:<=26m NA: No Aplica Fuente: R. Layout, “CD 116 Geometric design of roundabouts. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 33 III. NORMATIVA NACIONAL E INTERNACIONAL DE REFERENCIA A. Comparación Normativa Nacional e Internacional A continuación, se realiza una comparación del diseño de mini-glorietas entre normativa internacional y nacional. Tabla 12 Cuadro comparativo normas España Estados Unidos Colombia Guías consultadas Guía de nudos varios CD 116 (Geometric design of roundabouts) AASHTO NCRHP (Green Book) Manual diseño geométrico de carreteras (2008) Guía para el diseño de vías urbanas para Bogotá D.C Introducción Actualmente la norma vigente para el diseño y construcción de intersecciones en España es “La Guía de nudos varios” en la cual se toman criterios de diseño con base al “Manual de caminos y puentes” de Reino Unido, esta guía contempla detalladamente el diseño de todo tipo de intersecciones presentes en España, dentro de estas intersecciones se contempla el diseño de mini- glorietas, más sin embargo algunos criterios de diseño se generalizan para para glorietas en general. Para estados unidos se establece la normativa en la “AASHTO A Policy on Geometric Design of Highways and Streets 2018”, 7th Edition, pero que a su vez debido al gran contenido en cada uno de los temas de diseño presenta libros en los que se especifica directamente un tema en específico, es por esto que se usara la “NCRHP 672” en la cual se presenta la guía de información y diseño de glorietas, dentro de la cual se encuentran las miniglorietas urbanas. Las normas que rigen el diseño geométrico de intersecciones en Colombia son el “Manual de diseño geométrico de carreteras”: el cual presenta los parámetros y criterios para el diseño de intersecciones, pero a grandes rasgos. Mientras que “La guía de diseño urbano de Bogotá D.C” presenta toda la aplicación de cada una de las diferentes intersecciones incluyendo el diseño de mini- glorietas urbanas de una forma más detallada. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 34 España Estados Unidos Colombia Consideraciones para implementar una mini-rotonda GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 35 Para considerar una unión vial como nudo la guía lo define como el punto donde dos o más vías se interceptan generando puntos de conflicto, uno de los criterios generales para implementar una glorieta o mini-glorieta es que en el punto considerado como un nudo o intersección sean mínimo tres el número de vías que concurran en esta intersección, en la cual no se debe situar paradas de transporte colectivos ni se tendrán ningún carril exclusivo en el diseño. La guía define el trazado en planta, sección transversal, y trazado en perfil como consideraciones para el diseño de las mini-glorietas, consideraciones que se deben acoplar con las características de las vías que allí intersectan, restricciones de espacio y características del tráfico que a su vez se ve reflejado en una Para la implementación de mini-glorietas se debe tener en cuenta condiciones tales como el uso de estas en intersección de vías con bajas velocidades, el área de uso o de construcción especialmente si se cuenta con poco espacio, la capacidad y volumen de tránsito en esta, se debe tener como mínimo 3 ramales viales pero se recomienda que máximo se tengan 4 ramales, es decir en zonas donde se tenga una mayor cantidad de vías interceptándose se debe estudiar la posibilidad de generar bifurcaciones entre dos vías antes de llegar a la glorieta. La guía establece los criterios y consideraciones que se deben tener en el diseño de glorietas en general y puntualmente en miniglorietas. Las consideraciones para dar solución a un punto de intersección vial según el manual de carreteras dependerá de factores asociados a la topografía del terreno, a las características geométricas de la carretera, del punto de intersección, a las condiciones de su flujo vehicular y volúmenes de transito; mientras que la guía de diseño dependerá de la jerarquía funcional de las vías, a la integración de las vías con el sistema de transporte público, intensidad y tipo de transito los cuales estarán en función de los volúmenes y a criterios físicos como configuración del terreno, relieve y perfil longitudinal, pero la elección del mejor caso dependerá de la experiencia del diseñador. En lo cual se presenta que para implementar mini-glorietas se debe tener poco espacio, velocidades muy España Estados Unidos Colombia GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 36 Correcta elección de la geometría de la glorieta. Bajas y no debe existir tráfico de carga o transporte público. Elección vehículo de diseño La elección del vehículo de diseño se recomienda que se haga teniendo dos condiciones, una condición ordinaria en la que se permita la circulación de vehículos y en la que se use solamente el espacio de carril disponible, la segunda corresponde a una condición extraordinaria donde se requiera más espacio que el disponible por el carril de circulación. La guía define la elección del vehículo en función del número de carriles y de la composición vehicular. Parael caso de mini-glorietas ya que son de un solo carril y con una proporción significativa de autobuses para condición ordinaria se recomienda un autobús rígido y para la condición extraordinaria un vehículo articulado. La selección del vehículo dependerá de los tipos de vías que se interceptan, del área de construcción de la glorieta, la clasificación de la vía y jurisdicción o autoridad vial. El vehículo de diseño también dependerá del diámetro del círculo inscrito requerido. Se debe tener en cuenta que dependiendo del vehículo de diseño y del diámetro de isla central se establecerá o no el uso de faldón transitable. Para el caso de mini-glorietas se establecerá como vehículo de diseño autobuses, camiones pequeños o vehículos de bomberos y de tránsito. Para la selección del vehículo de diseño se debe tener en cuenta la jerarquía funcional, la composición vehicular, la vocación del transporte y el área de actividad. Para el caso de glorietas se pueden usar como vehículos de diseño los automóviles, camiones rígidos tipo 2 y tipo 3, bus mediano y pequeño especialmente para las miniglorietas. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 37 España Estados Unidos Colombia Trayectorias de giro a evaluar Se debe evaluar la trayectoria que deja el vehículo de diseño al pasar por la glorieta con base al borde externo delantero del vehículo y la llanta interna trasera, con el fin de validar los valores geométricos elegidos, para este proceso se definen cuatro giros que se deben evaluar los cuales son: • Un movimiento de paso, con una trayectoria más o menos recta que puede cruzar a otras vías. • Un giro a la derecha hacia otra vía. • Un giro a la izquierda hacia otra vía. • Un cambio de sentido para volver a la misma pero en sentido opuesto. Las trayectorias que realiza el vehículo en la glorieta representan los radios que permiten la circulación más rápida, necesarios para desarrollar la trayectoria: • El ramal de entrada se encuentra consecutivo al ramal de salida. • El ramal de salida está a dos brazos del ramal de entrada para el caso de glorietas de 4 brazos, o en línea recta para el caso de tres ramales entrando a la glorieta. • El ramal de salida es consecutivo con el ramal de entrada, es decir el 3 brazo desde el ramal de entrada para el caso de glorietas de 4 ramales. • Giro donde el ramal de entrada es el mismo que de salida, dando todo el giro a la glorieta. No aplica GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 38 España Estados Unidos Colombia Ángulo de entrada y salida recomendados Para mini-glorietas y glorietas en general se recomienda usar ángulos entre los 20° y 60°, ángulo formado entre la tangente al carril de acceso y una tangente en un punto del carril de circulación dentro de la glorieta. Ángulos demasiado pequeños dificulta la inserción de los usuarios, pues obliga al conductor que pretende insertarse mirar hacia atrás para ver si hay un espacio suficiente, se recomienda para un diseño más óptimo que las vías entrantes formen lo más cercano a un ángulo recto respecto a la glorieta. Las recomendaciones de los ángulos de entrada son los mismos para todas las glorietas, se recomienda que el ángulo entre los ramales sea de 90° pero se pueden permitir valores de más o menos 15° es decir desde 75° hasta 105° son recomendados. Para el ángulo de salida no se encuentra información en la norma. Para los ángulos dependerá si la intersección es de tipo canalizada, para la cual se establecen ángulos de entrada entre 60° y 90° siendo el de 60° el ideal para la entrada a la glorieta; mientras que para el ángulo de salida se establece un valor ideal de 30° el ángulo es medido entre el eje de la calzada de acceso y un punto tangente en la parte exterior de la glorieta. Isleta central GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 39 Las isletas marcan las zonas que no deben ser pisadas por los vehículos, el aspecto de su interior debe contrastar con el del resto de la plataforma con formas y dimensiones que La isla central sirve para alinear los vehículos, indica la deflexión y la circulación que debe hacer el vehículo que transita sobre esta y en algunos casos proporciona refugio a los peatones, las islas Las isletas son elementos para el manejo, separación de conflictos y áreas de maniobras en las intersecciones. Las isletas son zonas situadas entre carriles de circulación cuyo objetivo es España Estados Unidos Colombia favorezcan las trayectorias predominantes de circulación. Para el caso de mini-glorietas y glorietas en general una isleta imprescindible es su isleta central, alrededor de la cual se dispone una calzada anular además de las isletas separadoras de las trayectorias. La isleta central deberá ser circular de 1 a 7.5 m de diámetro la cual debe estar elevada a una altura máxima de 15 cm de la elevación del carril de circulación o también puede ir pintada de color blanco sin ninguna elevación. centrales pueden estar a nivel o elevadas. En el caso de las mini-glorietas, es 100% montable y debe tener un área mínima de 4.6 m2. guiar el movimiento de los vehículos, servir de refugio a los peatones y proporcionar una zona para la ubicación de la señalización y la iluminación. Para las mini-glorietas la isleta central debe tener un diámetro menor a 4 metros, el islote puede o no ser montable, los cuales están demarcados con pintura en caso de ser montable. Anchos de carril GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 40 La guía define los anchos de carril en función del diámetro del circulo inscrito de la glorieta, es decir para diámetros de 28 m se recomienda un ancho de carril de 8 m, para 32 m se tiene un ancho de carril de 7.2 m y así sucesivamente, nótese que a medida que crece el diámetro de la glorieta decrece el valor Para el ancho de carril se debe establecer primero la cantidad de carriles que se tiene, para el caso de 1 carril el ancho mínimo es de 4.2 m y máximo de 5.5 m, siendo así el requerido de 4.6 m, para el caso de 2 carriles el ancho de carril requerido será de 7.3 m a 9.1 m. Para el manual de diseño geométrico los anchos de carril de entrada y salida están en función del radio interior de ingreso a la intersección, variando las dimensiones desde 4.5 m hasta 6.2 metros siendo este un ancho de carril sencillo, pero si se requiere un ancho de carril con espacio para sobrepasar un vehículo España Estados Unidos Colombia de ancho de carril, esto con el fin de ofrecer una zona demasiado amplia evitando que el conductor tenga la percepción de aumentar la velocidad. Aunque en esta norma se especifican los anchos de carril para glorietas de 28 m o más grandes, para el caso de mini-glorietas se recomiendan anchos de carril entre 8 y 9 m. Se debe tener en cuenta que el ancho de carril puede ser el mismo que se tiene en el ramal de entrada o en su defecto hasta 1.2 veces el ancho del carril de entrada. estacionado este ancho variará entre 6 m y 9.5 m, a mayor radio interior menor será el ancho de carril, teniéndose un valor máximo de 15 m de ancho de sección de entrecruzamiento; mientras que para la guía de diseño urbano se establece un valor de calzada de hasta 12 m. Faldón montable GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE..41 En mini-glorietas y glorietas compactas debido a sus diámetros pequeños y con el fin de garantizar el paso de vehículos en las condiciones extraordinarias de circulación, se recomienda dejar un faldón o paso montable el cual rodea el exterior de la isla central con un ancho de 0.5 m y un máximo de 1.5 m, debe estar construido en un material transitable y que soporte la carga vehicular y sin presencia de señales de tránsito, con una textura o color diferente al Para el faldón montable se establece un valor de peralte de 2% máximo por drenaje, la capa usada para el faldón puede ser la misma de los carriles o ser una superficie diferente para evitar que los demás vehículos usen este ancho adicional para circular. No aplica. España Estados Unidos Colombia carril de circulación con una elevación de 5 cm máximo por encima de la calzada anular Diámetro máximo del circulo inscrito Para mini-glorietas se define Para las mini-glorietas se No aplica. un diámetro de círculo inscrito establece que el diámetro de máximo 28m. inscrito debe estar entre 13 m y 27 m, no debe exceder los 30 m. Velocidad de diseño GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 42 En vista de que las mini- glorietas tienen unas pequeñas dimensiones y se encuentran en vías urbanas, se exigen bajas velocidades de circulación, la velocidad operativa en las entradas de la rotonda debe disminuirse a máximo 50 km/h y la velocidad de diseño a 40 km/h. La máxima velocidad deseada para ingresar y circular en la mini-glorieta debe ser un valor entre 25 km/h a 30 km/h. ya que por las dimensiones se debe tener bajas velocidades. Ya que las mini-glorietas son aplicadas en cruces de vías locales para las cuales se establecen velocidades de 30 km/h o menos, pero la aplicación de estas pretende la disminución de la velocidad hasta 10 km/h. Peralte En cuanto al diseño transversal se recomienda tener cuidado con la inflexión a la entrada de la glorieta, por ello se recomienda un peralte máximo del 5% en las entradas en la marca de detención del vehículo, valor que se puede reducir para En el diseño transversal se debe asignar un valor de peralte el cual no debe ser mayor a 2% para el faldón, y en el ancho del carril se puede tener el valor de peralte por el bombeo normal en todo el ancho del carril, o se puede dividir en dado caso de tener En el manual de diseño se selecciona para la sección transversal peraltes en el orden de 2% a 4% referentes al bombeo normal; mientras que para la guía de diseño dependerá si se tiene uno, dos o más carriles, si se tiene uno se usa el valor del bombeo España Estados Unidos Colombia GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 43 Permitir un correcto drenaje superficial, y dentro de la calzada de circulación de la glorieta un rango entre el 2% y 4% hacia su borde exterior. Más de un carril siendo este un valor de 2/3 o ½ del carril con el bombeo normal y el 1/3 o ½ restante con el bombeo normal invertido. Normal, pero si se tienen dos o más carriles se dispone un peralte hacia el interior con un máximo de 2% en los 2/3 interiores de la calzada y el tercio restante con un valor cercano al 3% sin excederlo. Para la glorieta lo ideal es que esta se encuentre en un terreno plano, se recomienda que la pendiente no exceda el 3% en ascenso y en descenso el 6%. Triángulos de visibilidad en el diseño La norma establece dos situaciones en las que se debe realizar una evaluación o verificación de la visibilidad en la glorieta. La primera consideración es de aproximación, debe permitirse que el conductor tenga visual de la glorieta, permitiendo tomar las medidas necesarias para circular por la glorieta, esta comprobación se realiza trazando una visual desde una distancia de 2 m del borde Para el triángulo de visibilidad en el diseño de la glorieta se debe tener en cuenta la distancia de parada, la cual establece valores de distancia desde 8.1 m hasta 184.2 m, para este caso a medida que la velocidad aumenta la distancia también. Para el triángulo de visibilidad se debe tener en cuenta la longitud del tramo de entrada y la longitud del tramo circulante del triángulo visual, para los cuales se debe tener Cuando un conductor se aproxima a una intersección tipo glorieta se debe garantizar una zona despejada de obstáculos que garantice a los conductores situados a una distancia de parada (Dp) a partir de la línea de ceda el paso y dos metros al borde derecho de la calzada la visión del área definida por su trayectoria y una línea a su izquierda que saliendo de este punto garantice la visibilidad total del cruce peatonal y de ciclo usuarios, permitiendo GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 44 España Estados Unidos Colombia derecho del carril situado más a la izquierda de la rama de acceso a una distancia de detención hasta una circunferencia concéntrica al borde exterior de la calzada anular con un radio inferior en 2 m. La segunda consideración es de inserción, para que el vehículo que pretende entrar a la calzada anular pueda elegir un hueco en el tráfico que circula por ella, tanto desde el centro de cualquier carril a la altura de la marca de detención, como desde el centro del carril situado más a la izquierda 15 m antes de dicha marca, se debe tener visual a la totalidad de la calzada anular. en cuenta la velocidad de diseño y el avance crítico para ingreso a la carretera principal, la cual es igual a 5 segundos obteniéndose como resultado que a medida que la velocidad aumenta, la distancia calculada también lo hace siendo desde 27.8 m para 20 km/h hasta 55.6 m para 40 km/h. Para el caso el ángulo de visual desde el carril de entrada hasta el de salida no debe ser menor a 75° con el de salida. Además observar la calzada anular. También se requiere que en todos los ingresos a una glorieta se garantice la visibilidad de los conductores hasta la entrada anterior, o una distancia mínima de 50 m hacia la izquierda, medida sobre el eje de la calzada anular. Igual la visibilidad se debe garantizar en el sentido de circulación de la calzada anular. Capacidad estructural No aplica. La capacidad estructural no afecta la operación del tránsito, y el efecto de la seguridad esta solamente relacionado con la probabilidad de que la No aplica. GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 45 España Estados Unidos Colombia estructura falle, por esta razón la capacidad estructural no se revisa aquí y no hace parte de la investigación. [65] Fuente: guía de nudos viarios [66] Recomiendas para el diseño de glorietas en carreteras suburbanas[63] Guía para el diseño de vías urbanas para Bogota.D.C[21] Manual de diseño geométrico de carreteras [59] NCRHP report 672[67] AASHTO 2018 [60] B. Resumen Comparación Elementos Geométricos y de Diseño GUIA PARA EL DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA Y SECCION TRANSVERSAL DE MINI GLORIE.. 46 A continuación, se resume los elementos principales en el diseño geométrico de mini-glorietas y algunos criterios generales del diseño de glorietas en general, esto contemplado en la normativa nacional e internacional de referencia. Tabla 13. Cuadro comparativo elementos geométricos y de diseño PARAMETRO NORMA DE REFEREN CIA ESPAÑA ESTADOS UNIDOS COLOMBIA Ancho de carril 8-9 m
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