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1 “PROPUESTA DE DISEÑO GEOMÉTRICO DE UNA AUTOPISTA A SEGUNDO NIVEL PARA BOGOTÁ TRAMO II, SOBRE EL CORREDOR DE LA CALLE 26, AVENIDA DE LAS AMERICAS Y LA CALLE 13 DESDE LA AVENIDA CIRCUNVALAR CON CALLE 20 HASTA LA CALLE 13 CON AVENIDA BOYACÁ” ELABORADO POR: DAVID ALEJANDRO CORREA ABRIL JHON ANDERSON PARRA TINJACÁ UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA TOPOGRÁFICA BOGOTÁ D.C. 2015 2 “PROPUESTA DE DISEÑO GEOMÉTRICO DE UNA AUTOPISTA A SEGUNDO NIVEL PARA BOGOTÁ TRAMO II, SOBRE EL CORREDOR DE LA CALLE 26, AVENIDA DE LAS AMERICAS Y LA CALLE 13 DESDE LA AVENIDA CIRCUNVALAR CON CALLE 20 HASTA LA CALLE 13 CON AVENIDA BOYACÁ” ELABORADO POR: DAVID ALEJANDRO CORREA ABRIL JHON ANDERSON PARRA TINJACÁ DIRECTOR: ING CARLOS JAVIER GONZALEZ VERGARA TRABAJO DE GRADO UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA TOPOGRÁFICA BOGOTÁ D.C. 2015 3 Nota de aceptación ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ Director ________________________________ Jurado ________________________________ Jurado Bogotá, de 2015 4 AGRADECIMIENTOS Los agradecimientos por parte de los autores para la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, profesores, compañeros, directivos, que hicieron parte del proceso de la elaboración de este proyecto y facilitaron que fuera posible su realización. También agradecimientos para nuestros familiares, que apoyaron este proceso incondicionalmente para que fuera llevado a cabo satisfactoriamente. Adicionalmente agradeciendo de manera especial a nuestra compañera Daniela Paola Rodríguez por su colaboración y apoyo como también a nuestra compañera Claudia Patricia Marroquín, quien hizo parte directa de este proyecto. Agradecimientos especiales para nuestro director el profesor Carlos Javier González Vergara, por su apoyo y entera entrega para la orientación y seguimiento del proceso que desarrollamos a lo largo de este periodo. 5 RESUMEN El proyecto "Propuesta De Diseño Geométrico De Una Autopista A Segundo Nivel Para Bogotá Tramo II, Sobre El Corredor De La Calle 26, Avenida De Las Américas Y La Calle 13 Desde La Avenida Circunvalar Con Calle 20 Hasta La Calle 13 Con Avenida Boyacá" surge como un estudio de pre factibilidad para presentar una alternativa de mejorar la movilidad de la ciudad de Bogotá, dado que actualmente se presentan serios inconvenientes para la población y las velocidades de flujo de tránsito son cada vez menores, la incomodidad para los conductores es alta y empeora. En primera instancia se realizaron aforos vehiculares sobre puntos estratégicos en la ciudad, con el objeto de establecer en conjunto con información histórica de conteos, obtenida por medio de secretaria de movilidad, para definir una proyección de tránsito futuro a 20 años. Dando como resultado el nivel de servicio a satisfacer para la vía propuesta como también el número de carriles adecuados para su funcionamiento. Posteriormente, se elaboró un modelo digital de terreno partiendo de cartografías en formato .PDF adquiridas en el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC) sin embargo, debido a la antigüedad de las mismas, se optó por la búsqueda de información actual, la cual se encontró gracias al portal distrital de Infraestructura de Datos Espaciales para el Distrito Capital (IDECA), delimitando el área de interés para el proyecto vial. Realizando una integración de programas que faciliten el manejo de información y el desarrollo del diseño geométrico vial, se realizó el trazado horizontal, vertical, secciones transversales, destacando el uso de viaducto en la mayoría del alineamiento, exceptuando una zona a cielo abierto. Por último, se realizó una estimación de costos del proyecto, comparando el proyecto con otros similares. PALABRAS CLAVE: diseño geométrico vial, viaducto, pre factibilidad, proyección de tránsito, modelo digital de terreno. 6 ABSTRACT This project "Proposal of geometric design of a freeway second level to Bogotá Section II on the 26th Street, Avenue of the Americas and 13th Street corridor, from AvenidaCircunvalar With Calle 20 to Calle 13 and Avenida Boyacá” it arises as a study of pre-feasibility to present an alternative to improve the mobility of the Bogota city, because nowadays it presents serious problems for the population and the speeds of flow of transit are worse, the discomfort to the drivers is high and worsens. In the first place, were made vehicle measurements over strategy points in the city, with the object to establish with the historical information of counts, obtained from the Secretaría de Movilidad, to define a projection of transit future to 20 years. As result, the service level to satisfy the highway proposal as well as the number of lanes suitable for its operation. Later, was drawn a digital model terrain starting from cartographies in format .PDF obtained in the InstitutoGeografico Agustin Codazzi, however, due of the antiquity of these, were decided to look for recent information, it were found in the district portal Infraestructura de DatosEspaciales para el Distrito Capital (IDECA), delimiting the area of interest for the highway project. Doing an integration of software that make easier of the information use and the development of the geometric design of highway, were done: the horizontal alignment, vertical alignment, transverse sections, emphasizing the use of viaduct in most of the alignment, except the open-air highway. By last, it was done an estimation of project costs, comparing the project with similar KEYWORDS: geometric design, viaduct, pre-feasibility, transit projection, digital model terrain. 7 TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 13 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................ 14 3. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................ 15 4. OBJETIVOS ................................................................................................... 16 4.1 OBJETIVO GENERAL ......................................................................... 16 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................ 16 5. MARCO REFERENCIAL ................................................................................ 17 5.1 MARCO HISTÓRICO........................................................................... 17 5.2 MARCO TÉORICO .............................................................................. 19 5.2.1 CONCEPTO DE CARRETERA ..................................................... 19 5.2.2 CLASIFICACION DE LAS CARRETERAS .................................... 20 5.2.3 CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO VIAL ..................................... 23 5.2.4 ALINEAMIENTO HORIZONTAL.................................................... 26 5.2.5 ALINEAMIENTO VERTICAL ......................................................... 30 5.2.6 PERALTE ...................................................................................... 31 5.2.7 SOBREANCHO ............................................................................. 31 5.2.8 TRÁNSITO .................................................................................... 33 5.2.9 CAPACIDAD ................................................................................. 42 5.2.10 NIVEL DE SERVICIO.................................................................43 5.2.11 HCM (HIGH CAPACITY MANUAL) ............................................ 45 6 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ................................................................. 49 7 METODOLOGÍA ............................................................................................. 51 7.1 OBTENCIÓN DE INFORMACIÓN SECUNDARIA ............................... 51 7.1.1 INSTITUTO GEOGRÁFICO AGUSTÍN CODAZZI (IGAC) ............ 51 8 7.1.2 SECRETARÍA DISTRITAL DE MOVILIDAD ................................. 52 7.2 REALIZACIÓN Y ANÁLISIS DE VOLÚMENES DE TRÁNSITO .......... 52 7.2.1 AFORO VEHICULAR .................................................................... 53 7.2.2 VISITA AL SITIO DE ESTUDIO .................................................... 54 7.2.3 TOMA DE INFORMACIÓN ........................................................... 54 7.2.4 PROCESAMIENTO DEL AFORO ................................................. 55 7.2.5 PROYECCIÓN DE TRÁNSITO ..................................................... 56 7.3 ESTUDIO DE VELOCIDADES ............................................................ 61 7.3.1 NÚMERO MÍNIMO DE MUESTRAS ............................................. 61 7.3.2 TOMA DE VELOCIDADES ........................................................... 63 7.3.3 ANALISIS DE VELOCIDADES ...................................................... 65 7.3.4 ANÁLISIS DE CAPACIDAD Y NIVEL DE SERVICIO .................... 67 7.4 GENERACIÓN DEL MODELO DIGITAL DEL TERRENO (MDT) ........ 70 7.4.1 REFERENCIACION DE LA INFORMACION OBTENIDA ............. 70 7.4.2 DIGITALIZACIÓN DE LA INFORMACION OBTENIDA ................. 72 7.4.3 VERIFICACIÓN DE CURVAS DIGITALIZADAS ........................... 75 7.4.4 VISUALIZACION MODELO TIN .................................................... 77 7.4.5 GENERACIÓN DE MODELO DIGITAL DEL TERRENO .............. 79 7.4.6 INTEGRACION CON INFORMACION DE INFRAESTRUCTURA VIAL EXISTENTE ....................................................................................... 79 7.5 DISEÑO GEOMÉTRICO VIAL ............................................................ 81 7.5.1 DETERMINACIÓN DE PUNTO DE PARTIDA (BOP) Y DE LLEGADA (EOP) ........................................................................................ 82 7.5.2 ANÁLISIS DE PENDIENTES ........................................................ 82 7.5.3 TRAZADO DE LÍNEA DE CEROS ................................................ 82 7.5.4 DISEÑO HORIZONTAL DEL PROYECTO ................................... 83 9 7.5.5 DISEÑO DE CURVAS HORIZONTALES ...................................... 85 7.5.6 CÁLCULOS DE PERALTES Y SOBREANCHOS ......................... 86 7.5.7 DISEÑO DE ALINEAMIENTO VERTICAL .................................... 87 7.5.8 DISEÑO DE LA SECCION TRANSVERSAL ................................. 89 7.5.9 VOLÚMENES ................................................................................ 91 8 COSTOS ........................................................................................................ 92 9 RESULTADOS ............................................................................................... 95 9.1 VOLÚMENES ...................................................................................... 95 9.1.1 CONTEOS VEHICULARES .......................................................... 95 9.1.2 VELOCIDADES ............................................................................. 96 9.2 ANALISIS DE CAPACIDAD Y NIVEL DE SERVICIO .......................... 96 9.3 MODELO DIGITAL DEL TERRENO .................................................... 96 9.4 DISEÑO GEOMÉTRICO ...................................................................... 97 9.4.1 DISEÑO HORIZONTAL ................................................................ 97 9.4.2 DISEÑO VERTICAL ...................................................................... 98 9.4.3 SECCIONES TRANSVERSALES ................................................. 99 9.4.4 PERALTE ...................................................................................... 99 9.4.5 CALCULO DE VOLÚMENES ........................................................ 99 9.5 PLANOS ............................................................................................ 100 9.6 ESTIMACIÓN DE COSTOS .............................................................. 100 10 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................... 102 11 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 104 12 ANEXOS ...................................................................................................... 106 10 INDICE DE TABLAS Tabla 1 Tipo de Terreno ................................................................................... 24 Tabla 2 Clasificación de las carreteras según la velocidad de diseño .............. 26 Tabla 3 Formulas para cálculo de sobreancho. ................................................ 33 Tabla 4 Codificación de movimientos vehiculares en intersecciones................ 38 Tabla 5 Niveles de servicio ............................................................................... 46 Tabla 6 Parámetros de Proyección de Tránsito ................................................ 56 Tabla 7 Parámetros para proyección de volúmenes ......................................... 59 Tabla 8Tránsito Proyectado .............................................................................. 60 Tabla 9 Desviaciones estándares de velocidades puntuales para distintos tipos de tránsito y vía (km/h) ..................................................................................... 61 Tabla 10 Valores de z para varios niveles de confianza ................................... 62 Tabla 11 Calculo del mínimo número de muestras ........................................... 62 Tabla 12 Agrupación de las velocidades de los vehículos, en clases y porcentajes de cada clase Calle 26 con Cr 30 Sentido W-E ............................. 65 Tabla 13 Resultados Estadísticos Finales sentido W-E .................................... 67 Tabla 14 Parámetros para HCS ........................................................................ 68 Tabla 15 Coordenadas BOP, EOP, distancia y diferencia de altura ................. 82 Tabla 16 Tabla de Pendientes .......................................................................... 82 Tabla 17 Coordenadas PI'S Alineamiento Horizontal ....................................... 84 Tabla 18 Radios mínimos para peraltes de 4% ................................................ 85 Tabla 19 Cálculos peralte y sobreancho. .......................................................... 87 Tabla 20 Características de las Curvas Verticales ............................................ 89 Tabla 21 Proyecto de viaductos ejecutados en Colombia. ............................... 93 Tabla 22 Proyecto de vías a cielo abierto ejecutadas y por ejecutar en Colombia. .......................................................................................................... 94 Tabla 23 VHMD Zona oriental........................................................................... 95 Tabla 24 VHMD Zona occidental ...................................................................... 95 Tabla 25 Costo Kilometro Viaducto a la fecha ................................................ 101 Tabla 26 Costo Kilometro Vía a Cielo Abierto a la fecha ................................ 101 Tabla 27 Costo total estimado del proyecto .................................................... 102 11 INDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1 Incremento Vehicular Anual Fuente: Secretaria de Movilidad 2012 .......................................................................................................................... 15 Ilustración 2Curva Circular Simple ................................................................... 27 Ilustración 3Curva Circular Compuesta ............................................................ 28 Ilustración 4 Curva Espiral de Transición (Espiral-Circulo-Espiral) ................... 29 Ilustración 5 Curva Espiral de Transición (Espiral-Espiral) ............................... 30 Ilustración 6. Curva vertical ............................................................................... 31 Ilustración 7 Dimensiones para el cálculo del sobreancho requerido por el vehículo articulado representativo del parque automotor colombiano .............. 32 Ilustración 8 Movimientos de tránsito ................................................................ 37 Ilustración 9 Clasificación de los vehículos en Colombia .................................. 39 Ilustración 10 Ubicación BOP ........................................................................... 50 Ilustración 11 Ubicación EOP .......................................................................... 50 Ilustración 12 Ubicación aforo zona occidental. ................................................ 53 Ilustración 13 Ubicación aforo zona oriental. .................................................... 54 Ilustración 14 Distancia de Referencia .............................................................. 63 Ilustración 15 Distancia de Referencia .............................................................. 63 Ilustración 16 Distancia de Referencia .............................................................. 65 Ilustración 17 Interface usuario HCS ................................................................ 68 Ilustración 18 Análisis de proyección de tránsito en HCS ................................. 69 Ilustración 19Georreferenciación Cartografías ................................................. 71 Ilustración 20 Error medio cuadrático ............................................................... 71 Ilustración 21 Cartografía corregida base ......................................................... 72 Ilustración 22 Clasificación en dos niveles de color .......................................... 73 Ilustración 23 Comparación clasificación por niveles de color, Pre tratamiento (izquierda) Pos tratamiento (Derecha) .............................................................. 74 Ilustración 24 Modulo ArcScan en ArcGis ......................................................... 74 Ilustración 25 Cartografías Georreferenciadas y Digitalizadas ......................... 75 Ilustración 26 Curvas de Nivel IDECA .............................................................. 76 Ilustración 27 Comparación Curvas de Nivel IDECA (marrón) e IGAC (verde) 77 Ilustración 28 Creación Modelo TIN .................................................................. 78 12 Ilustración 29 Modelo TIN Área de estudio ....................................................... 78 Ilustración 30 M.D.T. Generado en Auto CAD Civil 3D ..................................... 79 Ilustración 31 Inclusión malla vial más M.D.T. .................................................. 80 Ilustración 32 Integración Malla Vial más Imágenes Satelitales al M.D.T. ........ 81 Ilustración 33 Diseño de curvas horizontales .................................................... 86 Ilustración 34 Diseño del Alineamiento Vertical ................................................ 88 Ilustración 35 Sección transversal típica viaducto ............................................. 90 Ilustración 36 Sección transversal típica Cielo Abierto ..................................... 90 Ilustración 37 Estructura "UrbanCurbGutterGeneral" para corte ....................... 90 Ilustración 38 Estructura "ShoulderExtendAll" para terraplén ........................... 91 Ilustración 39 Área de corte y relleno ................................................................ 92 INDICE DE ECUACIONES Ecuación 1 Ecuación de la recta ....................................................................... 57 Ecuación 2 Pendiente ....................................................................................... 57 Ecuación 3 Ordenada de Origen ....................................................................... 58 Ecuación 4 Coeficiente de correlación .............................................................. 58 Ecuación 5 Nº Mínimo de observaciones.......................................................... 62 Ecuación 6 Límites de Velocidad representativa .............................................. 67 INDICE DE GRAFICAS Gráfica 1 Línea de Tendencia Conteos Históricos Estación Maestra AC_20_X_TV_39BISA ...................................................................................... 60 Gráfica 2 Proyecciones de Tránsito .................................................................. 61 Gráfica 3 Histograma de Velocidades Puntuales .............................................. 66 Gráfica 4 Curva de distribución acumulativa de las velocidades puntuales ...... 66 13 1. INTRODUCCIÓN En una ciudad donde la densidad de población es de las más altas a nivel Sur América1 y los proyectos viales constructivos y de rehabilitación no son proporcionales a su crecimiento demográfico, se deben generar alternativas de movilidad, teniendo en cuenta que además del crecimiento poblacional, existe un acelerado aumento en el parque automotor en la capital, agravando la imposibilidad de un buen desplazamiento de los vehículos. Se propone realizar un tramo de vía a segundo nivel que complementara un anillo vial, alternativa a la problemática de movilidad vinculado con el sistema actual desde las periferias de la ciudad. Gracias a la extensión de este proyecto, se segmentó en varios sectores asignados a diferentes grupos, el enfoque de este proyecto será el sector VII donde se pretende realizar la planeación y diseño del segmento vial, el cual abarca el desarrollo de un tramo que se localiza sobre el corredor de la calle 26 avenida las Américas y la calle 13 desde la avenida circunvalar con calle 20 hasta la calle 13 con avenida Boyacá teniendo en cuenta estudios de tránsito y la elaboración de modelos de terreno para la adecuada ubicación del proyecto con un desplazamiento a alta velocidad, con las especificaciones técnicas y parámetros de seguridad apropiados. Existen en el mundo obras de infraestructura de gran magnitud asociadas al manejo del tráfico de una ciudad, entre ellas se puede encontrar los anillos viales, que son una forma apropiada de movilidad, especialmente en regiones donde se encuentran en constante expansión. En este proyecto se pretende retomar esta alternativa postulada en planes anteriores, y que por distintos motivos no ha sido ejecutada, para presentar una opción al mejoramiento de las soluciones viales existentes. 1(CAF, 2011) 14 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La dificultad en la movilidad de la población del casco urbano de Bogotá es un problema que se va agravando día por día, y para el cual se han llevado a cabo diversas propuestas para mejorar el tráfico, aunque dichas propuestas han sido insuficientes para esta problemática. Hay diversas variables que afectan la movilidad en Bogotá, entre ellas y las más destacables son el aumento en el parque automotor que se incrementa un porcentaje significativo anualmente, no solo en cuanto a vehículos particulares, sino también públicos y de carga; además de ello, la construcción de vías en el mismo periodo es menor comparándola con el aumento del parque automotor. Agravando el problema, hay que tener en cuenta el mal estado de las vías, que genera un impacto social debido a la dificultad en la movilidad que tienen los ciudadanos. La inadecuada planeación para la circulación de algunos tipos de vehículosde carga también ha afectado la velocidad operativa de vías principales que conectan sectores importantes de la ciudad. A nivel estatal respecto a controles de tránsito también se han tomado medidas, pero han tenido resultados temporales paliativos, mientras que los proyectos viales que se han llevado a cabo a través de la historia han tenido buenos resultados para mejorar la circulación de los vehículos, por lo que son alternativas apropiadas para una ciudad atascada hablando en términos de movilidad, y debido a que la malla vial existente se encuentra deteriorada, no se debe dejar de lado los proyectos de rehabilitación que se necesitan gestionar para las vías locales. El crecimiento urbano además de la gran cantidad de infraestructura existente, han dificultado la generación de proyectos viales para facilitar la movilidad. 15 3. JUSTIFICACIÓN Por medio de la ejecución de proyectos y obras viales, se puede proporcionar a los ciudadanos una mejor calidad en cuanto a movilidad se refiere, ya se ha observado que las obras viales a nivel Bogotá tienen un crecimiento menor con respecto al aumento de vehículos particulares y públicos que se movilizan día a día. Con esta obra se pretende tener además de una alternativa vial para quienes transiten este nuevo corredor, una vía de alta velocidad enfocada en los vehículos particulares, ya que la velocidad de diseño que se plantea para esta vía es de 100 kilómetros por hora, lo cual significará una alternativa más y un servicio adicional que ayudara a un panorama muy complejo en materia de movilidad que se observa en estos momentos, y que con el paso del tiempo empeorará. Según lo demuestra el documento de movilidad en cifras del 2011, el documento más reciente que se tiene por parte de la Alcaldía Mayor de Bogotá, el cual por, medio de la siguiente gráfica, presenta el aumento de vehículos que transitan en la capital: Ilustración 1 Incremento Vehicular Anual Fuente: Secretaria de Movilidad 2012 Especialmente para los vehículos particulares los cuales presentan un aumento del 12,9 % del año 2010 hasta el 2011, siendo el grupo de vehículos activos más representativo con el 92,5 % del total de vehículos que se movilizan por la ciudad.2 2(Bogota, Movilidad Bogota , 2012) 16 4. OBJETIVOS 4.1 OBJETIVO GENERAL Realizar el diseño geométrico vial a nivel de pre factibilidad del tramo II del sector 7; que comprende una autopista a segundo nivel sobre el corredor de La calle 26, avenida las Américas y la calle 13 desde la avenida circunvalar con calle 20 hasta la calle 13 con avenida Boyacá, el cual hace parte de un anillo vial. 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Determinar la demanda de tránsito vehicular por medio de información tomada en campo e información adicional suministrada por las estaciones maestras de la secretaria de movilidad de Bogotá D.C. Realizar un análisis de la capacidad y nivel de servicio. Generar un MDE con información cartográfica del lugar, para generar el corredor del sector 7 del anillo vial. Realizar el diseño geométrico de acuerdo a la normatividad Colombiana Estimar los costos a nivel de pre-factibilidad para la ejecución del proyecto. 17 5. MARCO REFERENCIAL 5.1 MARCO HISTÓRICO A través de la historia se ha evidenciado una evolución en cuanto al desarrollo de vías de distintas características, las cuales paso a paso han establecido normas y parámetros específicos para su ejecución, para el caso específico de Colombia presentamos los siguientes antecedentes: Durante la Colonia, se dio un impulso importante a la modernización de la ciudad, donde se resaltan las construcciones religiosas y avances en obras civiles como el puente sobre el río Tunjuelito, y el puente del Común, este último ayudó a agilizar la comunicación entre Santafé y Zipaquirá, el puente de Sopó facilitó la vía hacia el norte y el Puente de Aranda se comunicaba con el camino de occidente y con los puentes de San Antonio en Fontibón y Bosa sobre el río Tunjuelito.En 1884 comenzó a operar el tranvía de mulas, que cubría el trayecto desde la Plaza de Bolívar hasta Chapinero y más adelante otra vía que iba desde esa plaza hasta la Estación de la Sabana, por la Calle 10 hacia el occidente. En 1889 se estrenó la primera línea del ferrocarril que partió de San Victorino a Facatativá. A partir de 1910, operó el tranvía bajo el sistema eléctrico y comunicaría los extremos de la ciudad.3 En la década de los cuarenta, se ejecutaron obras importantes como la avenida de las Américas, la culminación de la avenida Caracas proyectada en la década anterior, y el inicio de la carrera Décima. La primera atravesó la ciudad de oriente a occidente hasta llegar al aeropuerto de Techo, contribuyendo con la expansión de la ciudad hacia ese sector. El 30 de junio de 1951, se eliminó el sistema de tranvías, justificado por los actos violentos y destrozos causados por el Bogotazo, lo que dio paso al servicio de autobuses. En infraestructura, el alcalde Fernando Mazuera adelanto la construcción de los puentes de la avenida veintiséis, así como la ampliación de la carrera Décima. 3(Contraloria, 2012) 18 En el gobierno del general Gustavo Rojas Pinilla, se contrató el Metro mediante concesión con una firma japonesa, sin embargo, los gobiernos del Frente Nacional desecharon la propuesta. Otras obras importantes adelantadas por el régimen militar fueron: la construcción de la autopista Norte, la inauguración del Aeropuerto Internacional de El Dorado, en reemplazo del Aeropuerto Internacional de Techo, reconstrucción de la avenida Veintiséis, que uniría el aeropuerto con el Centro Internacional. En 1984 se concluye la avenida Circunvalar, que ayudó a descongestionar el problema vial que se estaba acrecentando y conllevo a incrementar la población en esta franja de la ciudad. Para 1993 la ciudad superó los cinco millones de habitantes y en 1996 su área urbana cubría una extensión de 29.308 hectáreas. Tres años más tarde, esa área se incrementaría hasta llegar a las 30.401 hectáreas. A finales del siglo XX (1998), se inició la construcción del sistema masivo de transporte denominado Transmilenio, tipo BRT (autobús de tránsito rápido por sus siglas en inglés), y comenzó a rodar en diciembre de 2000 por la troncal de la Caracas hasta la Avenida sexta y la calle 80, como parte de la Fase I, posteriormente se prolongó, por el norte hasta el portal de la calle 170 y por el sur hasta el portal de Usme. Desdé entonces se han incorporado varias troncales al sistema de transporte.(Contraloria, 2012) Actualmente se buscan distintas alternativas para afrontar el ya colapsado sistema de tránsito en Bogotá la movilidad para el cual tenemos el proyecto de Sistema Integrado de Transporte Público –SITP, donde se pretende unificar el trasporte y dejar de lado el clásico pero obsoleto sistema de autobuses. Se evidencia que la administración distrital se preocupa por el transporte masivo, que es donde puede estar parte de la solución de la movilidad en Bogotá con la propuesta del sistema masivo metro y el tren ligero. 19 5.2 MARCO TÉORICO La infraestructura vial es un factor fundamental para el impulso y desarrollo de un territorio, ya que permite el tránsito y transporte de diferentes tipos de elementos, como lo son las materias primas, el comercio, los materiales, personas, como también el ingreso de alimentos desde zonas agrícolas a centros urbanos entre muchos otros usos. Todo ello tiene implicaciones en la economía, bienestar y calidad de vida de la población. 5.2.1 CONCEPTO DE CARRETERA Según James Cárdenas en su libro Diseño Geométrico de Carreteras 2008, una carretera es una infraestructura de transporte especialmente acondicionada dentro detoda una faja de terreno denominada derecho de vía, con el propósito de permitir la circulación de vehículos de manera continua en el espacio y en el tiempo, con niveles adecuados de seguridad y comodidad. En el proyecto integral de una carretera, el diseño geométrico es la parte más importante ya que a través de él se establece su configuración geométrica tridimensional, con el propósito de que la vía sea funcional, segura, cómoda, estética, económica y compatible con el medio ambiente. Una vía será funcional de acuerdo a su tipo, características geométricas y volúmenes de tránsito, de tal manera que ofrezca una adecuada movilidad a través de una suficiente velocidad de operación. La geometría de la vía tendrá como premisa básica la de ser segura, a través de un diseño simple y uniforme, la víaserácómoda en la medida en que se disminuyan las aceleraciones de los vehículos y sus variaciones, lo cual se lograra ajustando las curvaturas de la geometría y sus transiciones a las velocidades de operación por las que optan los conductores a lo largo de los tramos rectos. La víaseráestética al adaptarla al paisaje, permitiendo generar visuales agradables a las perspectivas cambiantes, produciendo en el conductor un recorrido fácil. 20 La víaseráeconómica, cuando cumpliendo con los demás objetivos, ofrece el menor costo posible tanto en su construcción, como en su mantenimiento. Finalmente, la víadeberá ser compatible con el medio ambiente, adaptándola a la topografía natural, a los usos del suelo, y el valor de la tierra, y procurando mitigar o minimizar los impactos ambientales.(Grisales, 2002, pág. 3) 5.2.2 CLASIFICACION DE LAS CARRETERAS 5.2.2.1 Según su funcionalidad Determinada según la necesidad operacional de la carretera o de los intereses dela nación en diferentes niveles: Primarias Troncales y accesos a capitales de departamentos, tienen como función principal integrar zonas principales de producción y consumo, además de conexión con los demás países. Deben estar pavimentadas. Secundarias Se denominan vías secundarias aquellas que unen cabeceras municipales y conectan carreteras primarias, estas puede estar pavimentadas o en afirmado. Terciarias Son llamadas vías terciaras aquellas que conectan cabeceras municipales y sus veredas, además estas últimas entre sí. Deben funcionar en afirmado, o pavimentadas cumpliendo condiciones geométricas de vías secundarias.4 5.2.2.2 Según el tipo de terreno Determinada por la topografía predominante en el tramo en estudio, es decir que a lo largo del proyecto pueden presentarse tramos en diferentes tipos de terreno. 4(Grisales, 2002) 21 Terreno plano Tiene pendientes transversales al eje de la vía menores de cinco grados (5°). Exige el mínimo movimiento de tierras durante la construcción por lo que no presenta dificultad ni en su trazado ni en su ejecución. Por lo general sus pendientes longitudinales son menores de tres por ciento (3%). Estas carreteras permiten a los vehículos pesados mantener aproximadamente la misma velocidad que la de los vehículos livianos. Terreno ondulado Tiene pendientes transversales al eje de la vía de entre seis y trece grados (6° - 13°). Requiere moderado movimiento de tierras durante la construcción, lo que permite alineamientos más o menos rectos, sin mayores dificultades en el trazado y en la ejecución. Sus pendientes longitudinales se encuentran entre tres y seis por ciento (3% - 6%). Estas carreteras se conciben como la combinación de alineamientos horizontal y vertical que obliga a los vehículos pesados a reducir sus velocidades significativamente por debajo de las de los vehículos livianos, sin que esto los lleve a operar a velocidades sostenidas en rampa por tiempo continuo. Terreno montañoso Tiene pendientes transversales al eje de la vía entre trece y cuarenta grados (13° - 40°). Normalmente requiere grandes movimientos de tierra durante la construcción, razón por la cual presenta dificultades en el trazado y en la ejecución. Sus pendientes longitudinales representativas se encuentran entre seis y ocho por ciento (6% - 8%). Estas carreteras se definen como la combinación de alineamientos horizontal y vertical que obliga a los vehículos pesados a operar a velocidades sostenidas en rampa durante distancias considerables y en ocasiones frecuentes. 22 Terreno escarpado Tiene pendientes transversales al eje de las vías usualmente superiores a cuarenta grados (40 °). Exigen el máximo movimiento de tierras durante la construcción, lo que genera grandes dificultades en el trazado y en la ejecución. Generalmente sus pendientes longitudinales son superiores a ocho por ciento (8%). Estas se definen como la combinación de alineamientos horizontal y vertical que obliga a los vehículos pesados a circular a menores velocidades sostenidas en rampa que en aquellas a las que operan en terreno montañoso, para distancias significativas y en oportunidades frecuentes.5 5.2.2.3 SEGUN SU COMPETENCIA Carreteras nacionales Son aquellas a cargo del Instituto Nacional de Vías. Carreteras departamentales Son aquellas de propiedad de los departamentos. Forman la red secundaria de carreteras. Carreteras veredales o vecinales Son aquellas vías a cargo del Fondo Nacional de Caminos Vecinales, forman la red terciaria de carreteras. Carreteras distritales y municipales Son aquellas vías urbanas y/o suburbanas y rurales a cargo del distrito o municipio.(Grisales, 2002). 5(INVIAS, 2008) 23 5.2.2.4 SEGUN SUS CARACTERISTICAS Autopistas Es una vía de calzadas separadas, cada una con dos o más carriles, con control total de accesos. Las entradas y salidas de la autopista se realizan únicamente a través de intersecciones a desnivel comúnmente llamados distribuidores. Carreteras Multicarriles Son carreteras divididas o no, con dos o más carriles por sentido, con control parcial de accesos. Las entradas y salidas se realizan a través de intersecciones de nivel y a desnivel. Carreteras de dos carriles Consta de una sola calzada de dos carriles, uno por cada sentido de circulación, con intersecciones a nivel y acceso directo desde sus márgenes.6 5.2.3 CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO VIAL Un diseño geométrico vial está regido por ciertos factores básicos que pretenden adecuar, según sea la necesidad dela localización pre dispuesta del diseño, acarrear modificaciones en algunos parámetros del diseño geométrico para propiciar aspectos de comodidad, seguridad y garantizando la continuidad en el tiempo y en el espacio del diseño dispuesto. 5.2.3.1 FACTORES OPERACIONALES Información necesaria para evaluar la demanda y oferta requerida de tránsito con el fin de evaluar el volumen esperado, estimando la rentabilidad de la vía, a partir de información de tránsito por aforos, constituido por datos en horas del día, por el tiempo destinado para el estudio con clasificación de los vehículos, según su clase en las zonas pre-establecidas para dicho estudio. 6(Grisales, 2002) 24 5.2.3.2 FACTORES FÍSICOS 5.2.3.2.1 TOPOGRAFÍA La topografía es un factor muy importante para seleccionar el nuevo diseño, establece las posibles alternativas o rutas entre los puntos de inicio (BOP) y de fin (EOP) del trazado. El Ministerio de transporte cataloga los diferentes terrenos, en cuatro tipos, según sus pendientes transversales y longitudinales y según sus movimientos y explanación de tierras. Tipo de Terreno Pendientes Transversales Pendientes Longitudinales Movimiento de Tierras Terreno plano < 5% <3% Mínimo Terreno Ondulado 6-12% 3-6% Moderado Terreno Montañoso 13-40% 6-8% Alto TerrenoEscarpado >= 60% >8% Máximo Tabla 1 Tipo de Terreno Fuente: Instituto nacional de vías. Manual de Diseño Geométrico para Carreteras. Bogotá 2008 5.2.3.2.2 GEOLOGÍA Información necesaria, según la estabilidad de la zona, zonas de fallas y estabilidad de las laderas circundante, donde posiblemente este localizado el diseño vial. 5.2.3.2.3 HIDROLOGÍA Estudios que nos enseñan información básica, sobre las redes de drenaje natural, que atraviesa o se encuentran circundantes a la zona del proyecto, que 25 se tienen presenten con el fin de que su cauce, no afecta estructuras de estabilización propias del diseño.7 5.2.3.3 FACTORES HUMANOS Y AMBIENTALES Son factores que reflejan el uso del suelo al que ha sido propuesto. Es indispensable tener presente (georreferenciados) grupos sociales y entornos naturales, por los cuales se pretende establecer el diseño geométrico vial, con la finalidad de no alterar zonas de reservas sin alguna necesidad. 5.2.3.4 COMODIDAD Elementos necesarios que presentar bienestar y confort al usuario en su vehículo automotor mientras recorre el trazado, donde se evidencia un viaje de forma gradual y suave en todo el recorrido. 5.2.3.5 SEGURIDAD La seguridad es el factor primordial al momento de viajar, su gran objetivos, es evitar accidentes cuya causa sea correspondida a la vía, se consigue seguridad vial según algunos parámetros propuestos en el diseño vial. 5.2.3.6 VELOCIDAD La velocidad es un factor básico para el diseño geométrico vial, garantiza la seguridad en el trazado, definiendo características geométricas de los elementos del diseño, relacionando: el tipo de terreno y el tipo de carretera que se desee trazar para obtener un rango de selección de la velocidad de diseño.7 7(INVIAS, 2008) 26 Tabla 2 Clasificación de las carreteras según la velocidad de diseño Fuente: Instituto nacional de vías. Manual de Diseño Geométrico para Carreteras. Bogotá 2008 5.2.3.7 CAPACIDAD Las carreteras deben ofrecer una capacidad de demanda proyectada en volumen futuro de tránsito de manera cómoda, segura y efectiva. Se define la capacidad de una vía como el máximo número de vehículos que pueden pasar por un punto o sección de una carretera durante un tiempo dado, bajo las condiciones prevalecientes de la infraestructura, el tránsito y los dispositivos de control.8 5.2.3.8 VISIBILIDAD Condición que debe ofrecer el proyecto de una carretera al conductor de un vehículo de poder ver hacia delante la distancia suficiente para realizar una circulación segura y eficiente.9 5.2.4 ALINEAMIENTO HORIZONTAL Según él (INVIAS, 2008):"El alineamiento horizontal corresponde a una sucesión de líneas rectas que van dando dirección, por medio de curvas 8(CARDENAS, 2007) 9(INVIAS, 2008) 27 circulares o curvas de transición variable para permitir una transición cómoda y segura del trazado." 5.2.4.1 CURVAS CIRCULARES Este es un elemento de curvatura rígida sobre el diseño geométrico, usado para empalmar dos elementos rectos perpendiculares, la curvatura es inversamente proporcional a su radio. En sentido de dirección una curva circular puede ser de derecha o de izquierda.10 Ilustración 2 Curva Circular Simple Fuente: Instituto nacional de vías. Manual de Diseño Geométrico para Carreteras. Bogotá 2008 Se recomienda utilizar las curvas circulares simples únicamente cuando los ángulos de deflexión sean inferiores a 6º. 5.2.4.2 CURVAS CIRCULARES COMPUESTAS Son otro tipo de curvas circulares, están conformadas por dos o más radios de diferente o igual magnitud, sin que exista entretangencia entre los segmentos circulares. Son elementos que ya no están permitidos en la normatividad, su 10(INVIAS, 2008) 28 uso se restringe al diseño de intersecciones viales y una que otra vez en vías de tercer orden.11 Ilustración 3Curva Circular Compuesta Fuente: Diseño Geométrico de Carreteras, Cárdenas Grisales. Bogotá 2002 5.2.4.3 CURVA DE TRANSICIÓN (ESPIRAL - CIRCULO - ESPIRAL) Estas están diseñadas de tal manera que el usuario maniobre de mejor manera sobre el trazado, haciendo una transición gradual del elemento recto a uno curvo, suavizando la acción de la fuerza centrífuga a través de este sector, esto evita la conducción sobre carriles adyacentes, lo cual disminuye el riesgo de accidentalidad.12 La curva de transición, presenta un recorrido gradual entre un tramo de sección de radio infinito a una sección de radio finito, permitiendo una implementación de peralte sobre la curva, estableciendo comodidad y seguridad. 11(GONZÁLEZ VERGARA, C, 2012 Apuntes de clase de Diseño Geometrico de Vias, Universidad Distrital Francisco José de Caldas) 29 Ilustración 4 Curva Espiral de Transición (Espiral-Circulo-Espiral) Fuente: Instituto nacional de vías. Manual de Diseño Geométrico para Carreteras. Bogotá 2008 5.2.4.4 CURVA DE TRANSICIÓN (ESPIRAL - ESPIRAL) Corresponde al empalme de dos alineamientos rectos mediante dos ramas de espiral con un radio único en el centro, pero sin tramo circular (ΔC = 0 y LC = 0). Puede ser un empalme espiralizado simétrico o asimétrico, es decir los parámetros de las espirales pueden ser iguales o diferentes. Este tipo de empalme está limitado a casos en que la deflexión total (Δ) no exceda de veinte grados (20°). Además, el ángulo θe de cada una de las espirales estará limitado a un valor máximo de diez grados (10°) y prefiriendo utilizar el empalme espiral – espiral simétrico al asimétrico.12 12(INVIAS, 2008) 30 Ilustración 5 Curva Espiral de Transición (Espiral-Espiral) Fuente: Diseño Geométrico de Carreteras, Cárdenas Grisales. Bogotá 2008 5.2.5 ALINEAMIENTO VERTICAL Para la elaboración del alineamiento vertical, se requiere la proyección del eje horizontal, sobre elementos rectos llamados tangentes, estos se interceptan formando puntos llamados PIV, los cuales generan curvas para permitir el cambio de dirección en pendiente entre elementos rectos.13 5.2.5.1 CURVAS VERTICALES Las curvas verticales son arcos de parábolas con el fin de que no existan cambios bruscos en la pendiente para mantener la seguridad y comodidad del usuario. Las curvas verticales, según su orientación puede ser convexas y cóncavas, según la pendiente de los alineamientos verticales de entrada y de salida; pero 13(Grisales, 2002) 31 también pueden ser simétricos y asimétricos, según la distribución de su longitud entre los alineamientos de entrada y salida. El diseño de las curvas asimétricas no es recurrente, solo se da por condiciones de geométrica que no es posible diseñar una curva vertical simétrica. 14 Ilustración 6. Curva vertical Fuente: Instituto nacional de vías. Manual de Diseño Geométrico para Carreteras. Bogotá 2008 5.2.6 PERALTE El peralte por definición es la inclinación transversal de la plataforma en los tramos en curva a lo largo de un alineamiento horizontal.15 Según la AASHTO, recomienda que para vías urbanas en zonas industriales es adecuado el uso de un peralte máximo del 4% que facilitara la operación y la transición adecuada de las curvas a lo largo del alineamiento.16 5.2.7 SOBREANCHO Según el manual de diseño geométrico (INVIAS, 2008), el concepto de sobreancho dicta lo siguiente "En curvas de radio reducido, según sea el tipo de vehículos comerciales que circulan habitualmente por la carretera, se debe ensanchar la calzada con el objeto de asegurar espacios libres adecuados entre los vehículos que se cruzan en calzadas bidireccionales o que se 14(Grisales, 2002) 15(Piñella)16(Transportation, 2012) 32 adelantan en calzadas unidireccionales, y entre el vehículo y el borde de la calzada"17. 5.2.7.1 SOBREANCHO PARA VEHICULOS ARTICULADOS Los valores de los parámetros indicados para este tipo de vehículos se encuentran en la tabla siguiente, conformado por una unidad tractora y semirremolque. Las dimensiones ilustradas corresponden a las requeridas para el cálculo del sobreancho. Ilustración 7 Dimensiones para el cálculo del sobreancho requerido por el vehículo articulado representativo del parque automotor colombiano Fuente: Instituto nacional de vías. Manual de Diseño Geométrico para Carreteras. Bogotá 2008 Las formulas usadas para la obtención del sobreancho se presentan en la siguiente tabla: 17(INVIAS, 2008) 33 Tabla 3 Formulas para cálculo de sobreancho. Fuente: Elaboración propia 5.2.8 TRÁNSITO Con el fin de determinar parámetros de diseño esenciales para el proyecto, como lo son la cantidad de carriles por calzada además del nivel de servicio que prestara la autopista. Se debe realizar un estudio de volúmenes de tránsito y la composición vehicular que circulan en puntos estratégicos de este trayecto, estos volúmenes deben ser discriminados por día, hora y cuarto de hora. 5.2.8.1 VOLUMEN Según (Vargas, Rincon, & Gonzales, 2012) el volumen es: "la medida básica de la ingeniería de tránsito, y se define como la cantidad de vehículos o personas que pasan por un punto o sección de una infraestructura en una unidad de tiempo." También es denominado aforos o conteos, y se pueden realizar en cualquier tipo de vía, y en cualquier unidad de tiempo. Al realizar un proyecto vial, la sección de sus elementos depende fundamentalmente del volumen de tránsito que lo utilizará, de su variación, tasa de crecimiento y composición. 34 Los errores o aciertos en su estimación definirán el correcto o inadecuado funcionamiento del proyecto realizado. Los estudios de tránsito se realizan con el propósito de obtener información relacionada con el movimiento de vehículos o personas sobre puntos o secciones específicas dentro de un sistema vial. Estos datos se expresan con respecto al tiempo.18 5.2.8.1.1 VOLÚMENES ABSOLUTOS O TOTALES Dependiendo del tiempo de estudio, el volumen total se puede clasificar en: Tránsito anual (TA): es el número total de vehículos que pasan durante un año por una sección transversal de una vía. Tránsito semanal (TS): es el número total de vehículos que pasan durante una semana por una sección transversal de una vía. Tránsito diario (TD): es el número total de vehículos que pasan durante un día por una sección transversal de una vía. Tránsito horario (TH): es el número total de vehículos que pasan durante una hora. Tránsito de flujo (q): es el número total de vehículos que pasan durante un periodo inferior a una hora, expresado en vehículos por hora. 5.2.8.1.2 VOLÚMENES DE TRÁNSITO PROMEDIO DIARIO (TPD) Y VOLÚMENES DE TRÁNSITO HORARIO Como se describe en el libro ingeniería de tránsito conceptos básicos (Vargas, Rincon, & Gonzales, 2012), "El TPD es el número de vehículos o personas que pasan durante un periodo dado, en días completos, dividido entre el número de días del periodo. Se expresa en vehículos por día, entre los cuales se pueden describir:" Tránsito promedio diario anual (TPDA): es el valor promedio de volúmenes de tránsito que transitan en 24 horas durante el año. 18(Vargas, Rincon, & Gonzales, 2012) 35 Tránsito promedio diario semanal (TPDS): es el valor promedio del tránsito diario resultante del tránsito semanal. Volumen horario máximo anual (VHMA): máximo volumen horario que pasa en una sección de carril o una calzada durante un año específico. Volumen horario de máxima demanda (VHMD): máximo número de vehículos que transitan por una sección de carril o calzada durante 60 minutos consecutivos. Volumen horario de proyecto (VHP): volumen de tránsito horario que se utiliza para determinar las características geométricas de la vía.19 5.2.8.1.3 USO DE LOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO Según (CARDENAS, 2007) la información obtenida de los volúmenes de tránsito se pueden aplicar en los siguientes campos. Planeamiento Proyectos Ingeniería de tránsito y seguridad Investigación Usos comerciales y de recreación.9 5.2.8.2 CLASIFICACIÓN DE LOS CONTEOS Los conteos vehiculares se pueden clasificar de la siguiente manera: Conteos direccionales: se toman los volúmenes clasificándolos de acuerdo con la dirección y el sentido de flujo vehicular. Conteos de clasificación: se clasifican los vehículos por tipo, numero de ejes, peso y dimensiones. Conteos en intersecciones: se clasifican los volúmenes de vehículos por tipo de movimiento y por tipo de vehículo. 19(Vargas, Rincon, & Gonzales, 2012) 36 Conteo en cordones: se realiza alrededor del perímetro de una zona, cuyo objeto es conocer en el tiempo la cantidad de vehículos que entran y salen. Conteos en barrera o pantalla: son aquellos que se realizan en los cruces de vías con barreras naturales o artificiales. Conteos de ocupación vehicular: se realizan para determinar la cantidad promedio de pasajeros que circulan en diferentes tipos de vehículos. 5.2.8.2.1 MÉTODOS DE CONTEO Existen dos métodos básicos de conteo: Mecánicos: son aquellos que utilizan dispositivos mecánicos para la obtención de conteos vehiculares. Manuales: es realizado por personal en campo, esto permite tomar ciertas características adicionales sobre la sección transversal en estudio, entre las que se encuentran: clasificación vehicular, movimientos direccionales, número de carriles, longitud de calzada, señalización, entre otros.20 5.2.8.2.2 PERIODOS DE CONTEO Este no debe comprender condiciones especiales, a menos que se desee estudiar esta situación en específico. Los periodos más usados son: Conteos de fin de semana: comprendido entre la tarde del viernes, y la madrugada del lunes. Conteo 24 horas: comprende cualquier periodo de 24 horas con excepción de tarde de viernes y mañana de lunes. Conteo de 7 días: se realizan conteo de 24 horas por siete días normales consecutivos. Conteos de 3 días: comprende conteos de 24 horas por 3 días consecutivos, preferiblemente de martes a jueves. 20(Vargas, Rincon, & Gonzales, 2012) 37 Conteos de 16 horas: se realizan usualmente de 6 de la mañana a 10 de la noche. Conteos de 12 horas: se hacen comúnmente de 7 am a 7 pm. Conteos en periodos pico: realizados en periodos de máxima demanda. Conteos de periodos largos: aquellos que usan equipos mecánicos de forma permanente. 5.2.8.2.3 CODIFICACIÓN DE LOS MOVIMIENTOS Con el fin de tener una estandarización de los movimientos, se representa de manera esquemática los movimientos que se presentan en la siguiente ilustración. Ilustración 8 Movimientos de tránsito Fuente: Camargo (2005) Acceso Norte Acceso Sur Acceso Este Acceso Oeste 1 23 45 6 7 8 9(1) 9(2) 9(3) 9(4) N 10(4) 10(3) 10(2) 10(1) Acceso Norte Acceso Sur Acceso Este Acceso Oeste 1 23 45 6 7 8 9(1) 9(2) 9(3) 9(4) N 10(4) 10(3) 10(2) 10(1) 38 ACCES O MOVIMIENTO CÓDIGO Norte Directo 1 Giro a izquierda 5 Giro a derecha 9(1) Giro en U 10(1) Sur Directo 2 Giro a izquierda 6 Giro a derecha 9(2) Giro en U 10(2) Oeste Directo 3 Giro a izquierda 7 Giro a derecha 9(3) Giro en U 10(3) Este Directo 4 Giro a izquierda 8 Giro a derecha 9(4) Giro en U 10(4) Tabla 4 Codificación de movimientos vehiculares en intersecciones Fuente: Ingeniería de tránsito conceptos básicos 2012 5.2.8.2.4 COMPOSICIÓN VEHICULAR La clasificaciónde los vehículos esta agrupada y se define de la siguiente manera: 39 Autos: corresponde a vehículos livianos de cuatro ruedas. Buses: buses, busetones y busetas. Camiones: vehículos de carga de más de cuatro ruedas y se clasifican según el número de ejes: o Camión C2, dos ejes. o Camión C3, tres ejes. o Camión C4, cuatro ejes. o Camión C5, cinco ejes. o Camión >C5, de más de cinco ejes. Para ilustrar mejor esta clasificación se presenta la siguiente imagen: Ilustración 9 Clasificación de los vehículos en Colombia Fuente: Documento web del ingeniero Fernando Sánchez Sabogal "Caracterización del Tránsito" 5.2.8.3 VELOCIDAD Es un parámetro que según (Wilson Ernesto Vargas, 2012)se usa generalmente para evaluar la calidad del servicio que está prestando la vía a los usuarios, especialmente en el entorno urbano. Este parámetro tiene la ventaja que se observa directamente a diferencia de los otros parámetros relacionados con el volumen, también se puede evaluar en términos monetarios si se tiene el concepto del tiempo es oro. 40 Comúnmente, la velocidad se mide en un punto o sección transversal de una vía determinando la rapidez que llevan los vehículos en ese punto. El tiempo de recorrido se realiza en tramos de vía con longitudes definidas con el fin de conocer la calidad del servicio que presenta en sus variaciones o a lo largo de ellas. 5.2.8.3.1 DEFINICIONES Conceptos básicos que se manejan con relación a la velocidad que permiten establecer ciertas diferencias y claridad sobre ellas como también a qué hacen referencia. Velocidad: es la relación que existe entre recorrido y el tiempo que tarda en recorrerlo, se expresa normalmente en Km/h. Velocidad puntual: esta velocidad asociada a un vehículo está determinada cuando pasa por un punto específico. Velocidad instantánea: velocidad del vehículo en un instante específico, teóricamente se da en un tiempo ínfimo. Velocidad media temporal: este parámetro se calcula mediante la media aritmética de velocidades individuales de vehículos en un punto de la vía durante un tiempo definido. Velocidad media espacial: a diferencia de la anterior se analiza a lo largo de un tramo. Con respecto a un vehículo, es la relación entre longitud, tramo y el tiempo de marcha del vehículo. Se calcula en la proporción de la longitud de tramo entre el promedio de tiempos de marcha o del recorrido del número de vehículos observados. Velocidad de recorrido: resultado de dividir el espacio recorrido por un vehículo sobre el tiempo que demora en recorrer dicho espacio, incluyendo intervalos de parada. Velocidad de marcha: asociación entre espacio andado de un vehículo y el tiempo que tardo en recorrer dicho espacio, salvo que mientras esta en movimiento. 41 Velocidad flujo libre: Velocidad teórica de tránsito cuando la densidad de tráfico es cero; también conocida como la velocidad media de vehículos donde su marcha no está impedida por interacción vehicular ni por controles de tránsito. Velocidad de operación: para el diseño geométrico de calles y carreteras, la velocidad de operación de un elemento geométrico, es la velocidad segura y cómoda en la que un vehículo circularía a través de él, sin tener relación la intensidad de tránsito, clima, tomando así la velocidad en función de las características físicas de la vía y su entorno. Hace referencia al percentil 85 de las velocidades. Velocidad de diseño: velocidad guía que permite definir características geométricas de los elementos del trazado en condiciones cómodas y seguras. Tiempo de detención: tiempo en el cual un vehículo se encuentra detenido exceptuando el gastado en frenar y acelerar. Tiempo de marcha: periodo en que un vehículo se encuentra transitando. Tiempo de recorrido: es el tiempo que pasa mientras un vehículo recorre una distancia determinada teniendo en cuenta paradas no programadas. Demora: tiempo de recorrido que se agrega relacionado a las reducciones de velocidad o anormalidades del tránsito. Demora por detección: tiempo añadido asociado a la detención del vehículo, incluye el tiempo medio de detención, aceleración, y deceleración. 5.2.8.4 ESTUDIO DE VELOCIDAD PUNTUAL Según (Wilson Ernesto Vargas, 2012, págs. 90,91) Estos estudios se realizan en vías de circulación continua, en donde la regulación del tránsito usualmente no restringe la velocidad de los vehículos. Aunque en vías de circulación discontinua funcionan para el 42 conocimiento de parámetros como velocidad a flujo libre y velocidad de acercamiento a intersecciones. Las aplicaciones de este método de estudio son las siguientes: Cálculos para el diseño vial. Determinación del valor de variables para la regulación del tránsito. Análisis de capacidad vial y nivel de servicio. Evaluaciones sobre seguridad vial. Estimación de tendencias de velocidades. Determinación de la efectividad de medidas para mejorar la circulación del tránsito. Estos estudios se deben realizar teniendo en cuenta algunos factores, como lo son la población de conductores, enfocándose en aquellos que circulan en horas valle, los puntos de estudio deben estar ubicados de tal manera que no se vea afectada su velocidad por obstáculos o regulación del tránsito, y hacer dicho estudio en condiciones climáticas adecuadas a menos que se busque el análisis de la vía en situaciones adversas. 5.2.8.4.1 TAMAÑO MINIMO DE LA MUESTRA Para realizar el estudio de velocidad se debe aclarar que es imposible tener en cuenta la población total sobre un tramo especifico, por lo tanto, se establece un grupo representativo de esta población llamado muestra. Para hallar la muestra se deben usar métodos estadísticos, especialmente promedio, desviación estándar y varianza, el error que se pueda presentar en la velocidad representativa, y los procedimientos elaborados están directamente relacionado con la cantidad de población muestreada. 21 5.2.9 CAPACIDAD La capacidad de una infraestructura de transporte refleja su facultad para acomodar un flujo de vehículos o personas. Es una medida de la oferta de 21(Wilson Ernesto Vargas et al, 2012) 43 transporte. Así, al interactuar la oferta con la demanda se tendrán unas condiciones que definen la calidad del flujo; esto es, el nivel deservicio. Las evaluaciones de la capacidad y el nivel de servicio (NS) son necesarios para la toma de decisiones y acciones en la ingeniería de tránsito y planteamiento de transporte.22 5.2.10 NIVEL DE SERVICIO De acuerdo al concepto brindado por el documento de capacidad y nivel de servicio de la infraestructura vial (Universidad Pedagogica y Tecnologica de Colombia, 2007) acerca de nivel de servicio, se entiende como método para evaluar la calidad del flujo. Es “una medida cualitativa que descubre las condiciones de operación de un flujo de vehículos y/o personas, y de su percepción por los conductores o pasajeros”. Estas condiciones se describen en términos de factores como la velocidad y el tiempo de recorrido, la libertad de maniobra, las interrupciones a la circulación, la comodidad, las conveniencias y la seguridad vial. Para cada tipo de infraestructura se definen 6 niveles de servicio, para los cuales se disponen de procedimientos de análisis, se les otorga una letra desde la A hasta la F siendo el nivel de servicio(NS) A el que representa las mejores condiciones operativas, y el NS F, las peores. Las condiciones de operación de estos niveles, para sistemas de flujo ininterrumpido son las siguientes: Nivel De Servicio A Circulación a flujo libre. Los usuarios, están virtualmenteexentos de los efectos de la presencia de otros en la circulación. Conducen con libertad para seleccionar velocidades deseadas y maniobrar dentro de la vía.Elnivelgeneral de comodidad y conveniencia ofrecido por la circulación al conductor, pasajero o peatón, es excelente. 22(Universidad Pedagogica y Tecnologica de Colombia, 2007) 44 Nivel De Servicio B De flujo estable, aunque se empiezan a observar otros vehículos integrantesde la circulación. La libertad con que conducen y maniobran los conductores sigue relativamente inafectada, aunque disminuye un poco con relación a la del nivel deservicio A. El nivel de comodidad y conveniencia es algo inferior a los del nivel de servicio A, ya que se evidencia la presencia de vehículos adicionales sobre la vía que influyen en el comportamiento individual de cada uno. Nivel De Servicio C Marca el comienzo del dominio en el que la operación de los usuarios individuales se ve afectada de forma significativa por las interacciones con los otros usuarios, hace parte de flujo de rango estable. La selección de velocidad y la libertad de maniobra están restringidas por la presencia de otros. El nivel de comodidad y conveniencia desciende sensiblemente. Nivel De Servicio D Representa una circulación de densidad elevada, aunque estable. La velocidad y libertad de maniobra quedan fuertemente limitadas, y el conductor o peatón experimenta un nivel general de comodidad bajo. Las variaciones relativas al flujo ocasionan problemas de funcionamiento. Nivel De Servicio E Corresponde al funcionamiento cerca o igual al límite de su capacidad. La velocidad de todos está reducida a un valor bajo y uniforme. La libertad de maniobra para transitar es sumamente difícil, y se consigue forzando a un vehículo o peatón a “ceder el paso”. Los niveles de comodidad son ampliamente bajos, siendo muy elevada la frustración de los conductores o peatones. La circulación es generalmente inestable, debido a que los pequeños aumentos del flujo producen colapsos. 45 Nivel De Servicio F Estas presentan condiciones de flujo forzado. Esta situación se produce cuando la cantidad de tránsito que se acerca a un punto o calzada, sobrepasa el límite de la capacidad que puede pasar por él. En estos lugares se forman colas, donde la operación se observa generalmente la existencia de ondas de parada y arranque, y son fuertemente inestables.23 Para el sector siete, donde se encuentran dos tramos de diferente velocidad de diseño y por tanto características de tránsito, se pretende alcanzar un nivel de servicio similar al de una autopista que ofrezca un servicio tipo B. 5.2.11 HCM (HIGH CAPACITY MANUAL) El HCM es un documento norteamericano que contiene diferentes metodologías a partir de modelos analíticos que se han registrado empíricamente, no obstante se debe calibrar ciertos parámetros para que se adapten a las condiciones del lugar donde se vaya a aplicar debido a que puede presentar resultados erróneos gracias a su naturaleza empírica.24 Las aplicaciones más comunes derivadas del manual son las siguientes: Análisis de operación: su finalidad es conocer ciertos parámetros de la vía relacionado al nivel de servicio, teniendo como base información actual de la misma. Diseño o proyecto: el manual puede definir datos asociados con el diseño de la vía o parte de ella, tal como el número de carriles o la velocidad de funcionamiento para el año que se proyecta, garantizando la utilidad por un periodo de tiempo definido. Planeación: el manual ofrece un método de planeación vial para el caso en que no se conozcan todos los detalles necesarios o se tienen meros estimativos, facilitando los procesos convencionales para análisis de 23(Universidad Pedagogica y Tecnologica de Colombia, 2007) 24(Vargas, Rincon, & Gonzales, 2012) 46 circulación preliminares, teniendo en cuenta especialmente el factor hora pico para hallar volúmenes de máxima demanda. 5.2.11.1 ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD La estimación de la capacidad de servicio de una vía se establece realizando una comparación de volúmenes de tránsito máximos en vías que presenten estados ideales, siempre y cuando se asemejen a la vía en estudio, sin asignarle el valor máximo, sino el más razonable para dicha vía según expertos. Estos valores de capacidad han venido aumentando, por ello en el manual HCM del año 2000, se establece en condiciones ideales: Autopista de cuatro carriles, 2200 autos por hora. Autopista de seis carriles, 2300 autos por hora. Carreteras de dos carriles, 3200 autos por hora. 5.2.11.2 ESTIMACIÓN DE NIVEL DE SERVICIO El nivel de servicio estimado en el HCM depende del número de vehículos que circulan en un carril o calzada cada 15 minutos, y presenta una categorización desde el nivel A hasta el F. En la siguiente tabla se presentan los rangos de densidad representativas para cada nivel de servicio. Tabla 5 Niveles de servicio Fuente: Ingeniería de tránsito conceptos básicos 5.2.11.3 VOLUMEN DE SERVICIO El volumen de tránsito está definido como: “El máximo volumen horario de personas o vehículos que razonablemente se pueda esperar pasen por un Nivel de servicio (NS) Rango Densidad (veh/km/carril) A 0-7 B >7-11 C >11-16 D >16-22 E >22-28 F >28 47 punto o tramo uniforme de un carril o calzada durante un periodo de tiempo dado (generalmente 15 minutos) en condiciones imperantes de vía, tránsito y vehículos por hora o vehículos por hora y por carril”(Vargas, Rincon, & Gonzales, 2012, pág. 291) 5.2.12 DISEÑO GEOMÉTRICO DE PUENTES Existen casos para los cuales (INVIAS, 2008) recomienda el uso de estas estructuras: Cruce por cuerpos de agua en donde, debido a su caudal, no es viable diseños de obras de drenaje. Empleo de intersecciones a desnivel. Modificación de condiciones geométricas obligadas por la topografía en algunos tramos de la vía. Inestabilidad geológica o geotécnica en puntos obligados de la carretera. Según (INVIAS, 2008): "La estructura deberá cumplir lo estipulado en el “Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes”, además de las normas adicionales a que haya lugar según el caso particular. En los casos donde la alternativa del puente se deba al paso por cursos hídricos, se requerirá la realización del estudio de socavación, para un período de retorno estipulado en los Términos de Referencia establecidos por el contratante" 5.2.12.1 DISEÑO DE PLANTA Se establecen ciertas condiciones que deben ser justificadas por el contratante, y las cuales deben responder a los siguientes criterios: El puente se debe encontrar dentro de un segmento recto del alineamiento o un tramo de curvatura constante. Se debe evitar proyectar puentes dentro del segmento espiral de una curva. 48 Si la ubicación del puente está dentro de dos curvas continuas se debe diseñar de la siguiente manera: o Curvas circulares: la distancia entre el estribo y el inicio de la curva debe ser igual o mayor a la longitud de transición (LT) del peralte tanto en la curva de entrada como en la de salida. o Curvas espirales: la distancia entre el estribo y el inicio de la espiral de transición debe ser mayor o igual a la longitud de aplanamiento (N) del peralte. 5.2.12.2 DISEÑO PERFIL Así como para el diseño en planta, se establecen algunos criterios de diseño a cumplir: Procurar que la ubicación del puente esté dentro de un tramo de pendiente continua. En el caso que hayan curvas verticales adyacentes, la estructura se debe desarrollar fuera de las mismas. Aunque se permite que los puntos extremos de las curvas coincidan con los estribos del puente.25 5.2.12.3 SECCIÓN TRANSVERSAL Según (INVIAS, 2008) los diseños deben cumplir con las siguientes características: En la zona de tránsito vehicular se debe mantener la sección típica que corresponde a elementos de la corona en el tramo. Cuando se incluyan zonas de circulación peatonal, se debe separar de la zona de tránsito vehicular mediante barreras y hacia el exterior de la estructura con barandas. Si el puente hace parte de una carretera multicarril, se debe añadir un separador para cada sentido. Los valores mínimos para los elementos serán: 25(INVIAS, 2008) 49 o Carril: tres metros con cincuenta centímetros (3.50 m). o Berma: un metro (1.00 m). o Andenes: un metro (1.00 m). o Ciclorrutas: dos metros (2.00 m). 26 6 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO Este proyecto se encuentra localizado entre la Avenida Boyacá con Calle 13 y avanza hacían el oriente por esta última hasta encontrarse con la Avenida Américas y continua por esta misma hasta la Calle 26 por la cual se busca llegar a los cerros orientales por la avenida circunvalar donde finalmente termina el trazado. El trazado inicia la línea límite (Av. Calle 13) entre los barrios Interindustrial hacia el costado sur y a Ciudad Hayuelos en su costado norte, a partir de la cota 2565 m.s.n.m.se establece el origen del trazado a segundo nivel con las coordenadas planas Norte: 106143.623 y Este: 94303.097 y termina en el límite del barrio Las Aguas y el barrio Parque Nacional Oriental con las coordenadas Norte: 100684.549 y Este: 101894.109 con cota 2682.447 m.s.n.m. A continuación se presentan imágenes obtenidas a partir del sitio web del SINUPOT (Sistema de Información de Norma Urbana y P.O.T.) de la secretaría distrital de planeación de Bogotá, de una ubicación próxima a los puntos inicial y final del trazado del proyecto vial. 26(INVIAS, 2008) 50 Ilustración 10 Ubicación BOP Fuente: SINUPOT.sdp.gov.co Ilustración 11 Ubicación EOP Fuente: SINUPOT.sdp.gov.co Atravesando zonas rurales en las localidades de Usaquén, Chapinero, Santafé y La Candelaria; el tramo 1 del anillo vial tiene como puntos extremos: el barrio Torca I, con sus dos ejes partiendo sobre la cota 2572 msnm., y culmina en el barrio Parque Nacional Oriental donde el eje 1 parte a la altura de la cota 2720 msnm. Y el eje 2 a la altura de la cota 2730msnm. Respectivamente. 51 7 METODOLOGÍA En la ejecución del proyecto de diseño geométrico vial a nivel de pre factibilidad de una autopista a segundo nivel sobre el corredor de La calle 26, avenida las Américas y la calle 13 desde la avenida circunvalar con calle 20 hasta la calle 13 con avenida Boyacá, se han planteado las siguientes etapas. 7.1 OBTENCIÓN DE INFORMACIÓN SECUNDARIA Para la adquisición de información secundaria de estudios de tránsito, planeación, políticas y documentos urbanísticos, entre otros que están relacionados con la zona de influencia directa de la autopista, es necesario la consulta en instituciones, entidades y administraciones distritales enfocadas en mencionadas temáticas. Entre las cuales se visitarán las siguientes: 7.1.1 INSTITUTO GEOGRÁFICO AGUSTÍN CODAZZI (IGAC) Gracias al ente oficial encargado de la información cartografía nacional, Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), proporciono al proyecto del anillo vial para Bogotá Sector 7, trece (13) planchas cartográficas en formato físico a escala 1:2000 y mediante un scanner se obtendrán en medio digital, en un formato que posibilite la realizar la digitalización en software en donde se identifique la misma información de las cartografías físicas pero aptas para usar en software de diseño y otros; por medio de gestión directiva del proyecto, además dos (2) cartografías adicionales para complementar la información requerida desde el sector de Avenida Calle 26, Avenida Las Américas y la Calle 13 desde la Avenida Circunvalar con Calle 20 hasta la Calle 13 con Avenida Boyacá. Requerida para generación de las curvas sobre el trayecto en el cual se pretende realizar el diseño de la autopista a segundo nivel y se descartaron cuatro (4) de ellas para el diseño. Sin embargo, la información suministrada no se encontraba actualizada, ya que su fecha de elaboración oscila entre el año 1967 y 1981, detalladas en el siguiente listado: 52 H47 H57 H58 H68 H69 H70 H80 H37 H79 J61 J71 J81 J82 J91 J92 Para el tratamiento de las planchas cartográficas se tuvo que realizar una conversión entre formatos, pasando de formato de documentos comprimidos .pdf, a un formato genérico de imagen, .jpg. Este proceso se realizó gracias a programas gratuitos de conversión entre formatos en línea. 7.1.2 SECRETARÍA DISTRITAL DE MOVILIDAD Es un organismo que tiene por objeto orientar y liderar la formulación de las políticas del sistema de movilidad para atender los requerimientos de desplazamiento de pasajeros y de carga en la zona urbana, en esta se consultarán índices y estadísticas de movilidad, crecimiento del parque automotor capitalino, también estudios de tránsito realizados en sus estaciones maestras aptas para analizar diferentes alternativas de movilidad en el sector. (Secretaria Distrital de Movilidad) 7.2 REALIZACIÓN Y ANÁLISIS DE VOLÚMENES DE TRÁNSITO Es necesario realizar un análisis y estudio de tránsito con base en información obtenida tanto por fuente de Secretaría Distrital de Movilidad como de los conteos propios de los tramos involucrados en la autopista a segundo nivel, obteniendo así como resultado parámetros de capacidad, nivel de servicio, base para realizar un adecuado diseño geométrico vial. 53 7.2.1 AFORO VEHICULAR Para la toma de información, se realizaron dos aforos estimados para el inicio y final del tramo a ejecutar, estos conteos se realizaron el día 28 de Enero de 2014 al 30 de Enero de 2014, días recomendados según el manual de tránsito, donde se presenta un flujo regular y caracteriza la zona de estudio. Este proceso se efectuó en la zona occidental ubicado en el barrio El Charco en la localidad de Fontibón cercano a los límites de la ciudad. Ilustración 12 Ubicación aforo zona occidental. Fuente: SINUPOT. El punto que se escogió para realizar el aforo para la zona oriental está ubicado en la carrera 2ª este con calle 21, barrio Las Aguas, en la localidad Candelaria, intersección ubicada frente a la entrada al cerro de Monserrate realizando el aforo los días 4, 5 y 13 de febrero del 2014. 54 Ilustración 13 Ubicación aforo zona oriental. Fuente: SINUPOT. Este procedimiento consta de varias etapas: 7.2.2 VISITA AL SITIO DE ESTUDIO Exploración previa en donde se realiza un esquema de la intersección con su geometría general, y los movimientos vehiculares que se presentan en este punto, se indica los movimientos que realizan los vehículos, que para el caso de este estudio vehicular solo se tomaron en un punto en donde se observaba el movimiento 3 y 4, que hacen referencia a vehículos en sentido Oriente y Occidente respectivamente. Por medio de un análisis visual, se observa la magnitud del tránsito por movimiento, así como la composición vehicular, esto con el fin de posteriormente asignar el personal, una ubicación estratégica, los tipos de vehículos que va a tomar cada aforador, y los sentidos que tendrá en cuenta. 7.2.3 TOMA DE INFORMACIÓN La información de campo se registra en formatos de campo, en períodos de 15 minutos, clasificándolos de acuerdo con el tipo de movimiento (directo, giro a derecha y giro a izquierda), y de acuerdo con el tipo de vehículo (auto, bus, camión, moto, bicicleta y de tracción animal), a medida que van entrando a la 55 intersección. Para el caso únicamente se realizó la captura de datos de tipo directo debido a que se tomó solo los vehículos en dos sentidos exclusivamente, movimientos 3 y 4 correspondientes a vehículos en dirección Oriente Occidente respectivamente. Dependiendo de la magnitud del tránsito,