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Análisis de Planeamiento El análisis a nivel de planeamiento, es casi el mismo procedimiento del análisis de proyecto, esto es, consiste en calcular el numero de carriles necesarios para alcanzar un nivel de servicio deseado para un volumen de tránsito y características geométricas como por pronosticadas. Sin embargo, a este nivel no se conocen detalles geométricos como por ejemplos las pendientes de las futuras rasantes, lo mismo que previsiones de tránsito precisas. De todas maneras, a pesar de ser un análisis aproximado, debe tenerse un pronóstico del volumen horario de proyecto VHP, del porcentaje más probable de camiones y autobuses y de una clasificación general del tipo de terreno por donde pasará la futura autopista. Entonces, el criterio principal de las aplicaciones de planeamiento se basa en el uso de valores estimados y valores por defecto obtenidos de las recomendaciones del HCM 1000 o valores típicos locales. Teniendo en cuenta los factores anteriores y suponiendo los demás en condiciones iguales o base, el número de carriles necesarios en cada sentido de la autopista se calcula, a partir de la ecuación (12.3), mediante la siguiente expresión: N= V (FHMD) (Vmàx) (fHV) (fp)

(12.7)

Donde Vmàx representa la tasa máxima de flujo para el nivel de servicio seleccionado, la cual se puede obtener la figura 12.3 interceptando la curva velocidadflujo, con la línea que define la densidad máxima de dicho nivel de servicio. Ejemplo 12.4 Dentro del planeamiento de una red primaria de autopistas, una de ellas de tipo periférico en un área suburbana, presentará en el año de proyecto las siguientes características:   

Terreno en lomerío Volumen de demanda futuro en el año de proyecto: TPDA de 90,000 vehículos mixtos/día/ambos sentidos, con un 15% de camiones y un FHMD de 0.90 FFS de 110 km/h

Se requiere determinar el número de carriles necesarios para obtener un nivel de servicio C en el año de proyecto. Como se trata a nivel de planeamiento se deben realizar los siguientes supuestos:     

Ancho de carriles de 3.60 metros sin obstrucciones laterales Se representa un intercambiador más allá de los 4 km. El valor de K es de 0.08 (autopistas suburbanas). Distribución direccional del 0.50 Conductores habituales

1

 Primero se calcula el volumen de proyecto, que según la ecuación (12.6) es: VHP= k(D)(TPDA)=0.80(0.50)(90,000) =3,600 vehículos mixtos/h/sentido=V Seguidamente de la figura 12.3, en la curva velocidad-flujo de velocidad a flujo libre FFS de 110km/h, se encuentra que la tasa máxima de flujo Vmàx para el nivel de servicio C es de 1,740 automóviles/h/carril. Ahora, como se trata de conductores habituales, entonces: Fp=1.00 (Conductores habituales) Finalmente, el factor de ajuste por presencia de vehículos pesados es: fHV=____________100______________ 100+Pr(Er-1)+PB(EB-1) Pr=15% Er=2.5 (cuadro 23.8 (¹)) fHV==_____100______ 100+15(2.5 - 1) Entonces, el número de carriles, según la ecuación (12.7), es:

N= V (FHMD) (Vmàx) (fHV) (fp)

= 3,500 (0.90)(1,740)(0.816)(1.00)

=2.82 carriles ≈ 3 carriles Por lo tanto, para garantizar un nivel de servicio C en el año de proyecto, esta autopista debe planearse de 6 carriles (3 por sentido)

2

CARRETERAS DE CARRILES MULTIPLES Carreteras de carriles múltiples son las que tienen dos o más carriles por sentido con características inferiores a las autopistas, por ejemplo, sin control total de accesos y en algunos casos no divididos o sin faja separadora central. Se encuentran en entornos rurales y en zonas suburbanas donde las densidades de desarrollo urbanístico son mayores, aumentando la fricción vehicular por la presencia más frecuente de movimientos de vuelta y retornos, ocasionando que la operación o el nivel de servicio sean de menor calidad que el ofrecido por las autopistas.

1. Características básicas Las características básicas que suponen buen estado del tiempo, buena visibilidad y ningún evento o accidente, se estiman para el conjunto de condiciones base o ideales, siguientes:  

   

Carriles con anchura mínima de 3.60mts Mínima distancia libre laterales total de 3.60 mts. Representa la suma de las distancias libres laterales desde el borde de la calzada a las obstrucciones, a lo largo del lado derecho y del lado izquierdo (faja separadora central). La distancia libre en cada uno de los bordes mayor que 1.80 metros se considera en los cálculos igual a 1.80 metros Todos los vehículos de la corriente de transito son vehículos livianos (automóviles). Sin accesos directos a lo largo del segmento analizado. Con faja separadora central. Velocidad a flujo libre superior a 100 km/h

2. Análisis Operacional El análisis del nivel de servicio de las carreteras de carriles múltiples es muy similar al de las autopistas. La figura 12.6 ilustra la entrada y el orden de cálculo de la mefodologìa, cuyo resultado principal es el nivel de servicio. 1.Niveles de servicio Al igual que en las autopistas, un segmento de carretera de carriles múltiples puede ser caracterizado por tres medidas de eficiencia: la densidad (vehículos livianos/km/carril), la velocidad media de los vehículos livianos y la relación volumen a capacidad (v/c). En la fig. 12.7 se muestra la relación entre la velocidad, el flujo y la densidad, como criterio para determinar el nivel de servicio.

3

fig. 12.6. Esquema metodológico para el análisis de carreteras de carriles múltiples

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TASA DE FLUJO Fig. 12.7. Curvas velocidad-flujo y niveles de servicio en carreteras de carriles múltiples

2. Determinación de la velocidad a flujo libre (FFS)

La velocidad de Flujo Libre FFS, es la velocidad media de los vehículos livianos, medida durante flujos bajos a moderados (hasta 1,400 vehículos livianos/hora/carril).

Entonces, la Velocidad a flujo libre se puede determinar por medición directa en campo, o por estimación indirecta a partir de una velocidad a flujo libre base. La expresión básica para estimar la velocidad a flujo libre para el análisis operacional de carreteras de carriles múltiples es (¹) FFS= BFFS-fLW-fLC-fM-fA Donde: FFS= velocidad a flujo libre estimada (km/h) BFFS= velocidad a flujo libre base, 100km/h (urbana y rural) fLW= ajuste por ancho de carril (cuadro 21-4 (¹)) fLC= ajuste por distancia libre lateral total (cuadro 24-5 (¹)) fM= ajuste por tipo de faja separadora central (cuadro 21-6(¹)) fA= ajuste por puntos de acceso (cuadro 21-7(¹))

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La determinación de los ajustes a la velocidad a flujo libre base, dados en unidades de velocidad (km/h), se apoya en los cuadros del capitulo 21 del HCM 2000(¹). Los factores que afectan la circulación en condiciones bases son: Anchura de carriles: fLW Cuando el ancho promedio de todos los carriles es menor de 3.60m, se reduce la Velocidad a flujo libre base. No existen datos sobre los factores de ajuste para carriles menores de 3.00m.

Distancia libre lateral: fLC Entre las reducciones de velocidad causadas por la distancia libre lateral para las obstrucciones fijas en la orilla derecha e izquierda, se consideran las siguientes: Señales, árboles, estribos de puentes, defensas metálicas y muros de contención. Los bordillos no son considerados como obstrucciones. La distancia libre lateral total se define como: TLC= LCR + LCL

Donde: TLC= distancia libre lateral total (m) LCR= distancia libre lateral desde el borde derecho de la calzada hasta la obstrucción (m) LCL= distancia libre lateral desde el borde izquierdo de la calzada hasta la obstrucción (m)

Para carreteras sin separador, no existe ajuste por distancia libre lateral izquierda, debido a que éste se considera en el ajuste por tipo de faja separadora central. Por lo tanto, la distancia libre lateral en el borde izquierdo siempre se considera como 1.80 metros. Tipo de faja separadora central: fM Para carreteras no divididas, este ajuste considera la fricción causada por la corriente de tránsito en el carril adyacente. Densidad de puntos de acceso: fA La densidad de puntos de acceso se encuentra dividiendo, el número total de puntos de acceso (intersecciones y “boca-calles”) en el lado derecho de la dirección estudiada, entre la longitud total del segmento en kilómetros.

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3. Calculo de la tasa de flujo (Vp) Al volumen horario se le debe realizar dos ajustes para convertirlo en una tasa de flujo equivalente en vehículos livianos, la cual es utilizada en los análisis de niveles de servicio. Estos ajustes son el factor de la hora de máxima demanda FHMD y el factor por presencia de vehículos pesados fHV. También se utiliza en número de carriles N de tal forma que la tasa de flujo pueda ser expresada por carril, de la siguiente manera:

Vp=

V (FHMD) (N) (fHV) (fp)

Donde: Vp= tasa de flujo equivalente en 15 minutos (Vehículos livianos/h/carril) V= volumen horario por sentido (vehículos mixtos/h) FHMD= factor de la hora de máxima demanda N= numero de carriles por sentido fHV= factor ajuste por presencia de vehículos pesados fp= Factor de ajuste por tipo de conductores El factor de ajuste por presencia de vehículos pesados, se calcula con la siguiente expresión: fHV= 100 100+Pr (Er-1)+ PB (EB-1) +PR (ER-1) Donde: fHV= factor ajuste por presencia de vehículos pesados Pr= porcentaje de camiones en la corriente vehicular PB= porcentaje de autobuses en la corriente vehicular PR= porcentaje de vehículos recreativos en la corriente vehicular Er= automóviles equivalentes a un camión EB= automóviles equivalentes a un autobús ER= automóviles equivalentes a un vehiculo recreativo

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El factor de ajuste para tener en cuenta las características de la población de conductores o usuarios, parte de la condición base representativa de conductores regulares familiarizados con el medio por el cual circulan. Los valores del factores de ajuste fp varían de 0.85 a 1.00. Se aplica el valores de 1.00 cuando se presentan viajeros comunes, a menos que haya evidencia para aplicar un valor más bajo. Menores valores pueden aplicarse para representar características recreacionales en fines de semana o días feriados.

4. Determinación del nivel de servicio Sobre la base de una velocidad de flujo libre, FFS, medida en campo o estimada, se construye una curva velocidad-flujo de la misma forma que las curvas típicas presentadas en la figura 12.7. Ahora, basándose en la tasa de flujo Vp y la curva velocidad-flujo construida, se lee en el eje vertical la velocidad media de los automóviles. De esta manera, la densidad se calcula utilizando la siguiente ecuación: D= Vp S Donde: D= densidad (vehículos livianos/km/carril) Vp= tasa de flujo equivalente (Vehículos livianos/h/carril) S= velocidad media de los automóviles (km/h) Finalmente, el nivel de servicio se determina comparando la densidad calculada con la presentada en la figura 12.7

Ejemplo Una Carretera rural de 4 carriles (2 por sentido), no dividida y sin control total de accesos, presenta las siguientes características: Carriles con ancho de 3.30 metros. Acotamientos de 0.60 metros Obstrucciones laterales al borde de los acotamientos. Subtramo específico con pendiente del 6% en 1.6 kilómetros de longitud. Densidad de puntos de acceso: 6 puntos/kilómetro. BFFS de 95 km/h Volumen Máximo de demanda de 2,700 vehículos mixtos/h/ en el sentido ascendente, distribuidos como sigue: 8% camiones, 4% autobuses y 88% livianos, con una FHMD de 0.95 Conductores habituales. Determinar el nivel de servicio al cual funciona este subtramo y calcular el flujo de servicio máximo para el nivel D.

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Nivel de servicio La tasa de flujo máxima Vp, de acuerdo con la ecuación, es: Vp=

V (FHMD) (N) (fHV) (fp)

Donde: V= 2,700 vehículos mixtos/h/sentido FHMD= 0.95 N= 2 carriles por sentido fp= 1.00 (viajeros comunes) El factor por presencia de vehículos pesados fHV, para este caso, según la ecuación, es:

fHV=

100 100+Pr (Er-1)+ PB (EB-1)

Pr= 8% PB= 4% Er= 3.0 EB= 5.0 fHV=

100 100+8 (3.0-1)+ 4 (5.0-1)

Por lo tanto:

Vp=

V (FHMD) (N) (fHV) (fp)

= 2,700 (0.95)(2)(0.758)(1.00)

= 1,875 vehículos/livianos/h/carril

La distancia libre lateral total, según la ecuación, es: TLC=LCR+LCL = 0.60m+1.80m=2.40m

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La velocidad a flujo libre FFS, de acuerdo con la ecuación, es: BFFS- fLW-fLC-fM-fA

Donde: BFFS= 95 Km/h fLW= 3.1km/h fLC= 1.5Km/h fM=2.6km/h fA= 4.0 km/h Entonces: FFS= 95-3.1-1.5-2.6-4.0 =83.8 km/h

Con esta velocidad a flujo libre FFS, estimada en 83.8 Km/h, se construye la curva velocidad-flujo mostrada en la siguiente figura. Ahora, con base en la tasa de flujo Vp de 1,845 vehículos livianos/h/carril y la curva velocidad-flujo construida, se lee en el eje vertical la velocidad media de los automóviles S como 80km/h. Por lo tanto, de acuerdo con la ecuación, la densidad es:

TASA DE FLUJO Curva de velocidad-flujo (fig 12.8)

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Flujo de servicio máximo a nivel D: Cada nivel de servicio está definido por una gama de condiciones, las cuales se encuentran numéricamente limitadas por un valor mínimo y un valor máximo de la densidad. De esta manera, en la figura, el flujo de servicio máximo para el nivel D, se logra con el valor máximo de la densidad de 22 autos/km/carril, equivalente a 1,711 vehículos livianos/h/carril. 3. Análisis de proyecto Como se mencionó anteriormente, el objetivo del análisis a nivel de proyecto consiste en la determinación del número de carriles necesarios para lograr un nivel de servicio dado, para unas condiciones geométricas y del tránsito pronosticadas para el año del proyecto. La clave del análisis consiste en suponer un número de carriles N, con el cual se calcula la tasa de flujo máxima Vp y con la velocidad a flujo libre FFS, estimada o medida, se dibuja la curva velocidad flujo. Seguidamente se entra a esta curva con la tasa de flujo máxima Vp y se determina la velocidad media de los vehículos livianos S. Con la tasa de flujo máxima Vp y la velocidad media de los vehículos livianos S se calcula la densidad D, con la cual se determina el nivel de servicio. El nivel de servicio así determinado se compara con el nivel de servicio deseado. Si estos niveles de servicio no son iguales, se repite este proceso, adicionando un carril al número de carriles supuesto previamente, hasta que el nivel de servicio coincida o sea mejor que el nivel de servicio deseado. 4. Análisis del Planeamiento El enfoque general de cálculo en el análisis de planeamiento, consiste en convertir el tránsito promedio diario anual TPDA del año de proyecto en volumen horario de proyecto VHP y estimar de la figura 12.7 una tasa máxima de flujo de servicio por carril Vmàx , que permita calcular, aproximadamente, el numero de carriles necesario, según la expresión: N= V (FHMD) (Vmàx) (fHV) (fp)

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CARRETERAS DE DOS CARRILES 1. Características Generales Una carretera de dos carriles se define como una calzada que tiene un carril disponible para cada sentido de circulación. Los rebases a los vehículos lentos se efectúan en el carril del sentido opuesto, siempre y cuando lo permitan las condiciones físicas o geométricas de la carretera (suficiente distancia de visibilidad) y del transito (magnitud de los intervalos entre los vehículos del sentido opuesto). Esto significa que las características geométricas que restringen la distancia de visibilidad de rebase, también restringen la capacidad.

Como los rebases se efectúan en el carril del sentido opuesto, y las oportunidades de lograrlos dependen en gran medida de la magnitud del volumen de transito opuesto, la capacidad y los niveles de servicio de las carreteras de dos carriles, en general, se analizan para ambos sentidos. Las medidas de efectividad que se utilizan para describir la calidad del servicio son la velocidad media de viaje y la demora porcentual en seguimiento. La velocidad media de viaje refleja la movilidad, al dividir la longitud del segmento de carretera entre el tiempo medio de viaje de todos los vehículos que circulan por el segmento en ambas direcciones durante el período de estudio. El porcentaje de tiempo consumido en seguimiento, representa la libertad para maniobrar y el confort y conveniencia del viaje. Es el porcentaje del tiempo total de viaje que los vehículos deben viajar en grupos, detrás (siguiendo) de los más lentos debido a la incapacidad de realizar maniobras de rebase. Como esta demora es difícil de medir, se considera el porcentaje de vehículos que viajan a intervalos menores a 3 segundos como una medida indicativa de la demora porcentual.¹ El criterio para determinar el nivel de servicio, usa ambos índices de medición, sobre todo en carreteras de dos carriles de primer orden, donde se espera una alta movilidad. Sin embargo, en carreteras con alineamientos de velocidades reducidas y donde la accesibilidad es lo más importante y la movilidad menos crítica, el nivel de servicio se define considerando solamente el porcentaje de tiempo consumido en seguimiento. Por esta razón las carreteras de dos carriles se clasifican en dos clases para el análisis: Clase I: son aquellas donde los conductores esperan viajar a velocidades relativamente altas. Generalmente son rutas interurbanas mayores, arterias primarias que conectan grandes generadores de trafico, o tramos de la red primaria de carreteras nacionales; que sirven más a menudo los viajes de larga distancia. Clase II: son aquellas carreteras donde los conductores no necesariamente esperan viajar a velocidades altas. Funcionan como rutas de acceso para las carreteras de Clase I, no son arterias primarias y generalmente atraviesan terrenos escarpados. Generalmente prestan servicio a viajes relativamente cortos.

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2. Condiciones Base Las condiciones base para carreteras de dos carriles, se definen como aquellas condiciones no restrictivas desde el punto de vista geométrico, del transito y de medio ambiente o entorno. Para carreteras de dos carriles, las condiciones base son las siguientes: Anchuras de carril igual o mayor de 3.60 metros Acotamientos de anchura igual o mayor de 1.80 metros Inexistencia de tramos con rebase restringido. Todos los vehículos en la corriente de tránsito son ligeros Distribución direccional del volumen de tránsito 50/50 Ninguna restricción al tránsito directo debido a controles o vehículo que dan vuelta Terreno llano. 3. Niveles de Servicio Las medidas primarias del nivel de servicio para las carreteras de dos carriles Clase I son la velocidad media de viaje y el porcentaje del tiempo consumido en seguimiento. Para carreteras Clase II, el nivel de servicio se basa únicamente en el porcentaje del tiempo consumido en seguimiento. Las características de los niveles de servicio son: Nivel de Servicio A Los conductores pueden viajar a la velocidad deseada. La frecuencia de rebase no ha alcanzado el nivel de demanda, esto es, la demanda por rebase está por debajo de la capacidad de rebase, y grupos de tres o más vehículos son raros. Una tasa máxima de flujo de 490 vehículos livianos/hora en ambas direcciones puede lograrse en condiciones base. Nivel de Servicio B La demanda por rebase es más significativa y se aproxima a la capacidad de rebase en el límite inferior del nivel de servicio. Tasa máximas de flujo de 780 vehículos livianos/hora en ambas direcciones pueden lograrse en condiciones base. Por encima de esta tasa de flujo, el número de grupos vehiculares se incrementa significativamente. Nivel de Servicio C Describe más incrementos en el flujo, lo que resulta en aumentos notables en la formación de grupos, tamaños y frecuencia de zonas de no rebase, disminuyendo significativamente la capacidad de rebase. A pesar de que el flujo vehicular es estable, es susceptible de congestionarse debido a los vehículos que realizan maniobras de vuelta o a la circulación de vehículos lentos. Una tasa de flujo de servicio hasta de 1,190 vehículos livianos en ambas direcciones, puede ser acomodada bajo condiciones base.

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Nivel de Servicio D Describe flujo vehicular inestable. Las dos corrientes de tránsito opuestas empiezan a operar separadamente a niveles de volúmenes altos, en la medida en que la maniobra de rebase se torna difícil, esto es, cuando la demanda por rebase es alta y la capacidad de rebase se aproxima a cero. Nivel de Servicio E El rebase es prácticamente imposible a este nivel, y los grupos vehiculares son intensos a medida que se encuentran vehículos lentos u otras interrupciones. El volumen más alto que se puede alcanzar define la capacidad de la carretera, generalmente de 3,200 vehículos livianos/hora en ambas direcciones de 1,700 vehículos livianos/hora para cada dirección, según la metodología del HCM 2000. Tal como se mencionó anteriormente, en la investigación realizada en Colombia, sobre la capacidad y niveles de servicio, con base en observación de campo, se encontró que la capacidad ideal es también de 3,200 automóviles/hora/ambos sentidos. Las condiciones de operación a capacidad son inestables y difíciles de predecir. Muy rara vez la operación vehicular en carretera rurales está cercana a capacidad, principalmente por falta de demanda.

Nivel de Servicio F Representa Flujo congestionado con demandas vehiculares que exceden la capacidad. Los volúmenes son menores que la capacidad y las velocidades son muy variables. En la tabla se presentan los niveles de servicio para carreteras de dos carriles Clase I y Clase II.

Nótese por ejemplo, que un segmento de Clase I con un 45% de tiempo consumido en seguimiento y con una velocidad media de viaje de 65km/h operaría a nivel de servicio D. sin embargo, un segmento de Clase II en las mismas condiciones operaría a nivel de servicio B. La diferencia entre los niveles de servicio, representa las expectativas que tienen los conductores al circular por carreteras de dos carriles de Clase I y II.

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4. Segmentos Bidireccionales. La metodología para el análisis en carreteras de dos carriles, estima las medidas de operación del transito a lo largo de una sección de carretera, con base en el tipo de terreno, el diseño geométrico y las condiciones del transito. El terreno se clasifica como llano y en lomerío. El terreno montañoso se aborda mediante el análisis operacional en pendientes específicas en ascenso y descenso. En la figura 12.9 se ilustra la metodología de análisis para carreteras de dos carriles, desde los datos de entrada y el orden de cómputo, hasta la determinación del nivel de servicio. Estos pasos se describen a continuación.

Metodología para el análisis de carreteras de dos carriles

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1. Determinación de la velocidad de flujo libre Un paso importante en la Valoración del nivel de servicio de una carretera de dos carriles, es la determinación de la velocidad a flujo libre FFS. La velocidad a flujo libre FFS es una medida de la velocidad media del transito en condiciones de bajos volúmenes (hasta 200 vehículos livianos/h en ambos sentidos). Para determinar la velocidad a flujo libre pueden utilizarse dos métodos: mediante la medición directa en campo o por estimación. Medición directa en campo:

La velocidad de libre FFS pude determinarse directamente de un estudio de velocidad dirigido en campo, en una sección representativa del segmento de carretera evaluado, durante períodos de flujo de transito bajo (hasta 200 vehículos livianos/h en ambos sentidos), tomando una muestra representativa de al menos 100 vehículos. Si la medición en campo se realiza cuando los volúmenes bidireccionales son mayores de 200 vehículos liviano/h, deberá efectuarse un ajuste al volumen y calcularse la velocidad a flujo libre, con base en los datos de campo, mediante la siguiente expresión: FFS= SFM+ 0.0125 ( Vf fHV

)

Donde: FFS= velocidad a flujo libre estimada (km/h) SFM= Velocidad media del transito medida en campo (km/h) Vf= tasa de flujo observada durante el periodo cuando fueron obtenidos los datos de campo (vehículos/h) fHV= factor de ajuste por presencia de vehículos pesados

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Estimación indirecta: Para estimar la velocidad a flujo libre FFS, el analista deber caracterizar las condiciones de operación de la carretera en términos de una velocidad a flujo libre base BFFS, que refleje el carácter del transito y los alineamientos de la carretera. Se pueden desarrollar estimaciones de la velocidad a flujo libre base BFFS , apoyándose en datos de velocidades y en el conocimiento local de las condiciones de operación de carreteras similares. La velocidad de proyecto y el limite máximo de la velocidad establecido, pueden ser considerados en la determinación de la velocidad a flujo libre base BFFS . Establecida la velocidad a flujo libre base BFFS , se realizan los ajustes por la influencia del ancho de carril, del ancho de los acotamientos y la densidad de puntos de acceso, para así estimar la velocidad a flujo libre FFS , con la siguiente ecuación: FFS= BFFS-fLS-fA Donde: FFS= velocidad a flujo libre estimada (km/h) BFFS= velocidad a flujo libre base (km/h) fLS= ajuste por ancho de carril y ancho de acotamiento fA= ajuste por puntos de acceso Si el segmento de carretera analizado contiene curvas horizontales forzadas con velocidades de proyecto sustancialmente inferiores a las del resto de segmento, es aconsejable determinar la velocidad a flujo libre FFS , separadamente para las curvas y para las rectas, para así calcular una velocidad a flujo libre FFS , ponderada para todo el segmento. 2. Determinación de la tasa de flujo Deben realizarse tres ajustes al volumen horario de demanda, con base en estimaciones, para así llegar a una tasa de flujo Horaria, expresada en vehículos equivalentes o livianos, de la siguiente manera: Vp=

V (FHMD)(fHV) (fG)

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Donde: Vp= tasa de flujo equivalente en15 minutos (Vehículos livianos/h/ambos sentidos) V= Volumen horario de máxima demanda en ambos sentidos (vehículos mixtos/h) FHMD= factor de la hora de máxima demanda fHV= factor ajuste por presencia de vehículos pesados fG= factor de ajuste por pendiente

Los valores típicos del FHMD son 0.88 para carreteras rurales y 0.92 para carreteras urbanas. El factor de ajuste por pendiente fG, considera el efecto del terreno en las velocidades de viaje y en el porcentaje de tiempo empleado en seguimiento, aun cuando ningún vehiculo pesado esté presente. El terreno plano es cualquier combinación de alineamientos horizontal y vertical que le permite a los vehículos pesados mantener aproximadamente la misma velocidad de los vehículos livianos en pendientes menores al 2%. El terreno no lomerío incluye longitudes cortas a medidas con pendientes menores al 4%. Segmentos con longitudes amplias y con pendientes mayores al 4% deberían de ser analizados con el procedimiento de pendientes específicas para segmentos direccionales.

El factor de ajuste por presencia de vehículos pesados, se calcula con la siguiente expresión: fHV=

100 100+Pr (Er-1)+ PR (ER-1)

fHV= factor ajuste por presencia de vehículos pesados Pr= porcentaje de camiones en la corriente vehicular (Incluyendo buses) PR= porcentaje de vehículos recreativos en la corriente vehicular Er= automóviles equivalentes a un vehiculo pesado ER= automóviles equivalentes a un vehiculo recreativo

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3. Determinación de la velocidad media de viaje La velocidad media de viaje se estima a partir de la velocidad a flujo libre, la tasa de flujo de demanda y un factor de ajuste por el porcentaje de zonas de no rebase, mediante la siguiente ecuación:

ATS= FFS-0.0125 (Vp)-fnp

Donde: ATS= velocidad media de viaje para ambas direcciones de viaje combinadas (km/h) FFS= velocidad a flujo libre, estimada por medición en campo o a partir de un valor base establecido (km/h) Vp= tasa de flujo equivalente en 15 minutos (vehículos livianos/h/ ambos sentidos) fnp = ajuste por porcentaje de zonas de no rebase 4. Determinación del porcentaje de tiempo empleado en seguimiento El porcentaje de tiempo empleado en seguimiento se estima a partir de la tasa de flujo de demanda, de la distribución direccional del transito y del porcentaje de zonas de no rebase, mediante la siguiente ecuación: PTSF= BPTSF+ fd/np Donde: PTSF= porcentaje de tiempo empleado en seguimiento (%) BPTSF= porcentaje base de tiempo empleado en seguimiento para ambas direcciones de viaje combinadas (%) fd/np= ajuste por el efecto combinado de la distribución direccional del transito y el porcentaje de zonas de no rebase (%)

El porcentaje base de tiempo empleado en seguimiento BPTSF, se calcula como: BPTSF= 100(1-e -0.000879 Vp)

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5. Determinación del nivel de servicio El primer paso para determinar el nivel de servicio es comparar la tasa de flujo equivalente en vehículos livianos Vp, con la capacidad de 3,200 vehículos livianos/h en ambos sentidos. Si el valor de Vp es mayor que la capacidad, entonces la carretera opera en sobresaturación y el nivel de servicio es F. A este nivel el porcentaje de tiempo empleado en seguimiento es casi 100% y las velocidades son muy variables y difíciles de estimar. Cuando un segmento tiene un demanda menor que su capacidad, el nivel de servicio se determina localizando los rangos del porcentaje de tiempo empleado en seguimiento y la velocidad media de viaje, presentados en la tabla 12.2 tanto para carretera Clase I como de Clase II. 6. Determinación de otras medidas de funcionamiento La relación volumen a capacidad para un segmento extenso de dos carriles puede ser calculada como: v/c= Vp c Donde: v/c= relación volumen a capacidad Vp= tasa de flujo equivalente en 15 minutos (Vehículos livianos/h/ambos sentidos) c= capacidad del segmento de dos carriles, normalmente 3,200 vehículos livianos/h Los viajes totales que se presentan a lo largo del segmento durante el periodo de 15 minutos se calcula como: VkmT15= 0.25 (

V ) Lt FHMD

Donde: VkmT15= viajes totales en el segmento de análisis durante 15 minutos (veh-km) Lt= longitud total de segmento de análisis (km)

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Los viajes totales que se presentan a lo largo del segmento durante la hora de máxima demanda se calcula como: VkmT60= V (Lt) Donde: VkmT60= viajes totales en el segmento de análisis durante la hora de máxima demanda (veh – km)

El tiempo total de viaje durante el periodo de 15 minutos se calcula como: TT15= VkmT15 ATS Donde: TT15= Tiempo total de viaje en el segmento de análisis para todos los vehículos durante el periodo de 15 minutos (veh-h) EJEMPLO Un tramo extenso de una carretera rural de dos carriles presenta las siguientes características: Clase I Tipo de terreno en lomerío Ancho de carriles de 3.30 m Ancho de acotamientos de 1.80m Longitud de rebase restringida del 20% Distribución direccional de 60/40 BFFS de 100 km/h Volumen máximo de demanda de 1,800 vehículos mixtos/h/ en ambos sentidos, distribuidos en 12% camiones, 6% autobuses y 82% livianos con un FHMD de 0.95. Longitud del tramo de 8km Densidad de puntos de acceso de 6 por kilómetros Determinar el nivel de servicio al cual opera este tramo.

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Velocidad de flujo libre: FFS La velocidad a flujo libre FFS, de acuerdo con la ecuación es: FFS= BFFS-fLS-fA Donde: BFFS= 100km/h fLS= 0.7 km/h fA= 4.0 km/h Entonces: FFS= 100 - 0.7 - 4.0 =95.3 km/h Tasa de flujo= Vp La tasa de flujo máxima Vp , de acuerdo con la ecuación es:

Vp=

V (FHMD)(fHV) (fG)

Donde:

V= 1,800 vehículos mixtos/h/ ambos sentidos FHMD= 0.95 fG= 0.99

22

El factor por presencia de vehículos pesados fHV, según la ecuación es: fHV=

100 100+Pr (Er-1)

Pr= 18% (12% camiones y 6% autobuses) Er= 1.5 fHV=

100 100+18 (1.5 - 1)

= 0.917

Por lo tanto:

Vp=

V (FHMD)(fHV) (fG)

=

1,800 (0.95) (0.917) (0.99)

= 2,087 vehículos/livianos/h/ambos sentidos

Velocidad media de viaje: ATS La velocidad media de viaje se estima a partir de la ecuación, así: ATS= FFS-0.0125 (Vp)-fnp

Donde:

FFS=95.3 km/h Vp=2,087 vehículos livianos/h/ ambos sentidos fnp = 0.8 km/h Entonces: ATS= FFS-0.0125 (Vp)-fnp = 95.3 – 0.0125 (2,087)- 0.8 =68.4 km/h

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Porcentaje de tiempo empleado en seguimiento: PTSF Primero es necesario calcular la tasa de flujo bajo esta situación. Esto es:

Vp=

V (FHMD)(fHV) (fG)

Donde:

V= 1,800 vehículos mixtos/h/ ambos sentidos FHMD= 0.95 fG= 1.00

fHV=

100 100+Pr (Er-1)

Pr= 18% (12% camiones y 6% autobuses) Er= 1.0 fHV=

100 100+18 (1.0 - 1)

= 1.000

Por lo tanto: Vp=

V (FHMD)(fHV) (fG)

=

1,800 (0.95) (1.000) (1.00)

= 1,895 vehículos/livianos/h/ambos sentidos

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De esta manera, el porcentaje de tiempo empleado en seguimiento se estima a partir de las ecuaciones: PTSF= BPTSF+ fd/np Donde: fd / np= 2.5% (interpolado) BPTSF= 100(1-e -0.000879 Vp)= 100(1-e -0.000879 x 1,895) = 81.1% Donde: PTSF= BPTSF+ fd/np = 81.1+2.5= 83.6%

Niveles de servicio El primer paso para determinar el nivel de servicio es comprar la tasa de flujo con la capacidad. La tasa máxima de flujo direccional es:

Vp x 0.60=2,087 x 0.60= 1,252 vehículos mixtos/h/ ambos sentidos Como puede observarse la tasa máximas de flujo direccional y bidireccional son menores a la capacidad, esto es:

1,252 vehículos mixtos/h/ ambos sentidos < 1,700 vehículos mixtos/h/ ambos sentidos 2,087 vehículos mixtos/h/ ambos sentidos< 3,200 vehículos mixtos/h/ ambos sentidos Como el segmento tiene una demanda menor que su capacidad, en la tabla 12.2 para una velocidad media de viaje ATS de 68.4 km/h y un porcentaje de tiempo empleado en seguimiento PTSF del 83.6%, se determina que el tramo de carretera opera a un nivel de servicio E.

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Determinación de otras medidas de funcionamiento La relación volumen a capacidad, según la ecuación, es:

v/c= Vp = 2,087= 0.65 c 3,200 Los viajes totales que se presentan a lo largo del segmento durante el periodo de 15 minutos, según la ecuación, son:

VkmT15= 0.25 ( FHMD

V

) Lt = 0.25( 1,800 ) 8= 3,789 veh-km 0.95

Los Viajes totales que se presentan a lo largo del segmento durante la hora máxima demanda, según la ecuación, son: VkmT60= V (Lt)= 1,800(8)=14,400 veh - km El tiempo total de viaje durante el periodo de 15 minutos, según la ecuación, es: TT15= VkmT15 = 3,789=55.4 veh - km ATS 68.4

SEGMENTOS DIRECCIONALES La metodología se aplica a tres tipos de segmentos direccionales: tramos extensos, pendientes específicas en ascenso y pendientes específicas en descenso. Como el análisis se realiza en una dirección de viaje, se considera el efecto del volumen de transito del sentido opuesto. Los procedimientos para las pendientes específicas en ascenso y descenso, difieren del procedimiento en tramos extenso en el manejo del efecto de los vehículos pesados. 1. Determinación de la velocidad a flujo libre El primero paso es determinar la velocidad a flujo libre FFS, utilizando cualquiera de los dos métodos descritos para segmentos bidireccionales, aplicados para una dirección. Si la velocidad a flujo libre se mide en campo para una dirección en particular, se debe realizar en condiciones de bajos volúmenes de transito en ambas direcciones.

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2. Determinación de la tasa de flujo La tasa de flujo horaria expresada en vehículos equivalentes o livianos, se calcula mediante la siguiente ecuación: Vd=

V (FHMD)(fHV) (fG)

Donde: Vd= tasa de flujo equivalente en15 minutos para la dirección analizada (Vehículos livianos/h) V= Volumen horario de máxima demanda en ambos sentidos (Vehículos mixtos/h) FHMD= factor de la hora de máxima demanda fHV= factor ajuste por presencia de vehículos pesados fG= factor de ajuste por pendiente para tramos extenso y pendientes especificas

El factor de ajuste por presencia de vehículos pesados, se calcula con la siguiente expresión:

fHV=

100 100+Pr (Er-1)+ PR (ER-1)

fHV= factor ajuste por presencia de vehículos pesados Pr= porcentaje de vehículos pesados en la corriente vehicular (Incluyendo buses) PR= porcentaje de vehículos recreativos en la corriente vehicular Er= automóviles equivalentes a un vehiculo pesado ER= automóviles equivalentes a un vehiculo recreativo

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El análisis direccional también requiera considerar la tasa de flujo de demanda en la dirección opuesta, la cual se calcula como:

vo=

Vo (FHMD)(fHV) (fG)

Donde: vo= tasa de flujo equivalente en 15 minutos en la dirección opuesta (Vehículos livianos/h) Vo= volumen horario de máxima demanda en la dirección opuesta (Vehículos mixtos/h)

3. Determinación de la velocidad media de viaje La velocidad media de viaje se estima a partir de la velocidad a flujo libre, la tasa de flujo de demanda, la tasa de flujo opuesta y un factor de ajuste por el porcentaje de zonas de no rebase en la dirección analizada, mediante la siguiente ecuación:

ATSd= FFSd-0.0125 (Vd+vo)-fnp Donde: ATSd= velocidad media de viaje en la dirección analizada (km/h) FFSd= velocidad a flujo libre en la dirección analizada (km/h) Vd= tasa de flujo equivalente en15 minutos para la dirección analizada (Vehículos livianos/h) vo= tasa de flujo equivalente en 15 minutos en la dirección opuesta (Vehículos livianos/h) fnp= ajuste por porcentaje de zonas de no rebase en la dirección analizada

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4. Determinación del porcentaje de tiempo empleado en seguimiento El porcentaje de tiempo empleado en seguimiento se estima a partir de la tasa de flujo de demanda, la tasa de flujo opuesta y del porcentaje de zonas de no rebase en la dirección analizada, mediante la siguiente ecuación: PTSFd= BPTSFd+ fnp Donde: PTSFd= porcentaje de tiempo empleado en seguimiento de la dirección analizada (%) BPTSFd= porcentaje base de tiempo empleado en seguimiento para la dirección analizada (%) fnp= ajuste por el efecto del porcentaje de zonas de no rebase en la dirección analizada (%)

El porcentaje base de tiempo empleado en seguimiento BPTSF, se calcula como: b

BPTSFd= 100(1-e a v d)

Los valores de los coeficientes a y b se determinan a partir de la tasa de flujo del sentido opuesto.

5. Determinación del nivel de servicio El primer paso para determinar el nivel de servicio es comparar la tasa de flujo equivalente en vehículos livianos Vd , con la capacidad de 1,700 vehículos livianos/h. Si el valor de Vd es mayor que la capacidad, entonces la carretera opera es sobresaturación y el nivel de servicio es F . De nuevo, cuando un segmento tiene una demanda menor que su capacidad, el nivel de servicio se determina localizando los rangos del porcentaje de tiempo empleado en seguimiento y la velocidad media de viaje, presentados en la tabla 12.2, tanto para carreteras de Clase I como de Clase II. 6. Determinación de otras medidas de funcionamiento La relación volumen a capacidad, los viajes totales y el tiempo total de viaje se calculan con las ecuaciones.

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NIVELES DE SERVICIO El nivel de servicio de una intersección con semáforo se define a través de las demoras, las cuales representan para el usuario una medida del tiempo perdido de viaje, del consumo de combustible, de la incomodidad y de la frustacion. Específicamente, el nivel de servicio se expresa en términos de la demora media por vehiculo debida a las determinaciones para un periodo de análisis de 15 minutos, considerado como periodo de máxima demanda. En la tabla se definen los seis niveles de servicio, cuyas características principales son:

Niveles de servicio en Intersecciones con semáforos Nivel de Servicio A B C D E F

Demora por control (Segundos/vehiculo) ≤ 10 >10-20 >20-35 >35-55 >55-80 >80

1. Nivel de servicio A Operación con demoras muy bajas, menores de 10 segundos por vehiculo. La mayoría de los vehículos llegan durante la fase verde y no se detienen del todo. Longitudes de ciclo corto pueden contribuir a demoras mínimas. 2. Nivel de Servicio B Operación con demoras entre 10 y 20 segundos por vehiculo. Algunos vehículos comienzan a detenerse. 3. Niveles de servicio C Operación con demoras entre 20 y 35 segundos por vehiculo. La progresión del tránsito es regular y algunos ciclos empiezan a malograrse. 4. Niveles de servicio D Operación con demoras entre 35 y 55 segundos por vehiculo. Las demoras pueden deberse a la mala progresión del transito o llegadas en la fase roja, longitudes de ciclo amplias, o relaciones v/c altas. Muchos vehículos se detienen y se hacen más notables los ciclos malogrados.

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5. Niveles de servicio E Operación con demoras entre 55 y 80 segundos por vehiculo. Se considera como el límite aceptable de demoras. Las demoras son causadas por progresiones pobres, ciclos muy largos y relaciones v/c muy altas. 6. Niveles de servicio F Operación con demoras superiores a los 80 segundos por vehículos. Los flujos de llegada exceden la capacidad de los accesos de la intersección, lo que ocasiona congestionamiento y operación saturada.

METODOLOGIA DE ANALISIS OPERACIONAL Mediante el análisis operacional se determina la capacidad y el nivel de servicio de cada grupo de carriles o acceso, lo mismo que el nivel de servicio de la intersección como un todo o globalmente, a partir de una información detallada de las condiciones prevalecientes geométricas del transito y del control semafórico. Las entradas y los cálculos básicos del método, cuyo principal resultado es el nivel de servicio. 1. Parámetros de entrada Condiciones Geométricas La geometría de la intersección generalmente se presenta en diagramas, que se refieren a la configuración física de la intersección en términos de numero de carriles, ancho de carriles, movimientos por carril, ubicación de estacionamientos, longitudes de bahías para vueltas y pendientes de los accesos. Condiciones del transito Se debe disponer de los volúmenes de transito para cada movimiento en cada acceso y su composición en términos de automóviles, autobuses y camiones. Se debe considerar también el número de autobuses urbanos que realizan paradas, antes y después de la intersección, para cargar y/o descargar pasajeros. Los autobuses que no paran se consideran como vehículos pesados. Igualmente se deben aforar los flujos peatonales y de bicicletas que entran en conflicto con las vueltas permitidas a la derecha. Los flujos peatonales y de bicicletas utilizados para analizar un acceso dado, son los flujos en el cruce peatonal que interfieren con los vehículos que dan vuelta a la derecha; así por ejemplo, para el acceso Este, los flujos peatonales y de bicicletas usadas para el análisis son los del cruce peatonal Norte.

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Esquema metodológico para en análisis de intersecciones con semáforos

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La calidad de la progresión del flujo vehicular entre intersecciones se describe a través de seis tipos de llegadas a los accesos de las intersecciones, para cada grupo de carriles, así: Tipo I: grupos densos que llegan al inicio del rojo. Calidad de progresión muy deficiente, como resultado de la optimización de toda la malla. Tipo II: grupos moderados que llegan a la mitad del rojo. Progresión desfavorable en calles de doble sentido. Tipo 3: llegadas aleatorias. Representa la operación en intersecciones aisladas o no interconectadas, o donde los beneficios de la progresión son mínimos. Tipo 4: grupos moderados que llevan a la mitad del verde. Progresión favorable en calles de doble sentido. Tipo 5: grupos densos que llegan al inicio del verde. Calidad de progresión altamente favorable. Tipo 6: progresión excepcional. Grupos densos que progresan a través de varias intersecciones cortamente espaciadas

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Datos necesarios para el análisis de cada grupo de carriles

La relación de pelotón Rp, se calculara como:

Rp= P g C Donde: P= Promoción de todos los vehículos que llegan durante la fase verde C=longitud del ciclo (s) g= verde efectivo del grupo de carriles (s)

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Condiciones de los semáforos Se refiere a la información del diagrama de fases que ilustre el plan de fases, longitud del cielo, tiempos de verde e intervalos de cambio y despeje, para cada uno de los movimientos dados. Si existen requerimientos de tiempo para los peatones, el tiempo mínimo de verde para una fase es: Gp= 3.2 + L+ (0.81 Nped) para WE> 3.0 m Sp WE Gp= 3.2+ L+ (0.27 Nped) para WE ≤ 3.0 m Sp

Donde: Gp= tiempo mínimo de verde (s) L= longitud del cruce peatonal (m) Sp= velocidad media del peatón (1.2m/s) WE= Ancho del cruce peatonal (m) Nped= numero de peatones que cruzan durante un intervalo (peatones)

2. Agrupación de carriles Un grupo de carriles es un conjunto de carriles de un acceso que carga con conjunto de flujos vehiculares. Se deben establecer en la intersección grupos de carriles apropiados, considerando tanto la geometría de la intersección como la distribución de los movimientos vehiculares. En general, deberán establecerse grupos de carriles separados, cuando se disponga de bahías exclusivas de vuelta a izquierda y a la derecha; los demás carriles directos se consideran en un grupo simple de carriles. Cuando se tenga carriles de vuelta a izquierda compartidos, se deberá evaluar la operación en el carril compartido para determinar si efectivamente funciona como carril exclusivo de vuelta a la izquierda, debido a la presencia de altos volúmenes de vuelta a la izquierda. Para un acceso, cuando el flujo de vuelta a la izquierda en el carril del extremo izquierdo es menor que el flujo promedio en los demás carriles, se supone que los vehículos directos comparten el carril izquierdo y todo el acceso puede suponerse en un grupo de carriles simple. En caso de ser mayor, el carril exterior se debe designar como un carril exclusivo de vuelta a la izquierda en un grupo de carriles separado. Matemáticamente esto se expresa así:

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Vl < Va-Vl N-1 Vl ≥ Va-Vl N-1 Donde: Vl= volumen actual de vuelta a la izquierda (vehículos/h) Va= volumen actual en el acceso (vehículos/h) N= numero de carriles de acceso Si se cumple la desigualdad, el carril extremo izquierdo es un carril compartido y se usa un solo grupo de carriles para todo el acceso. Si por el contrario se cumple la desigualdad, el carril extremo izquierdo actúa como un carril exclusivo de vuelta a la izquierda y, por lo tanto, deberá establecerse como siempre como un grupo separado de carriles. 3. Determinación de la tasa de flujo Es necesario convertir los volúmenes horarios a tasa de flujo durante 15 minutos a través del factor de la hora de máxima demanda, así:

Vp= V FHMD Donde: Vp= tasa de flujo durante los 15 minutos más cargados (vehículos/h) V= volumen horario (vehículos/h) FHMD= factor de la hora de máxima demanda Debido a que no todos los movimientos en la intersección tienen el volumen máximo durante el mismo intervalo de 15 minutos, es aconsejable observar directamente los flujos en cada 15 minutos y seleccionar un periodo crítico de análisis. Si tiene un criterio conservador, si se usan diferentes periodos máximos.

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4. Determinación de la tasa de Flujo de saturación La tasa de flujo de saturación se define como la tasa máxima de flujo, en un acceso o grupo de carriles, que puede pasar a través de la intersección bajo las condiciones prevalecientes del transito y la calle, suponiendo que dicho acceso o grupo de carriles tiene el 100% del tiempo disponible como verde efectivo. Las condiciones prevalecientes del transito incluyendo los volúmenes por tipo de movimiento (izquierda, directo, derecha), su composición vehicular (automóviles, autobuses, camiones), maniobras de estacionamiento, paradas de autobuses y conflictos con peatones y ciclistas. Las condiciones prevalecientes de la calle describen las características geométricas de los accesos en términos del número y ancho de carriles pendientes y uso de carriles incluyendo carriles de estacionamiento. Las condiciones prevalecientes del semáforo incluyen la secuencia de fases, asignación de tiempo y el tipo de operación o control. El flujo de saturación se expresa en vehículos por hora de luz verde, y puede determinarse mediante estudios de campo o calcularse con la siguiente expresión:

s¡= so (N) (fW) (fHV) (fg) (fp) (fbb) (fa) (fLU) (fLT) (fRT) (fLpb) (fRpb)

s¡= tasa de flujo de saturación del grupo de carriles ¡ (vehículos/hora verde) so= tasa de flujo de saturación base por carril (autos/hora verde/ carril) N = numero de carriles del grupo de carriles fW= factor de ajuste por ancho de carriles fHV= factor de ajuste por vehículos pesados fg = factor de ajuste por pendiente del acceso fp= factor de ajuste por estacionamiento adyacente al grupo de carriles fbb= factor de ajuste por bloqueo de buses que paran en el área del a intersección fa= factor de ajuste por tipo de área fLU= factor de ajuste por utilización de carriles fLT=factor de ajuste por vueltas a la izquierda fRT= factor de ajuste por vueltas a la derecha fLpb = factor de ajuste por peatones y bicicletas para vueltas vehiculares a la izquierda fRpb= factor de ajuste por peatones y bicicletas para vueltas vehiculares a la derecha

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En la tabla 12.5 se presentan las expresiones para calcular los diferentes factores de ajuste

5. Determinación de la capacidad y la relación volumen a capacidad

Capacidad La capacidad en una intersección con control con semáforos se define para cada acceso o grupo de carriles como la tasa de flujo máxima que se puede pasar a través de la intersección bajo condiciones prevalecientes del transito, de la calle y del semáforo. Se calcular mediante la siguiente ecuación:

c¡= s¡ ( g¡ ) C c¡= capacidad del grupo de carriles ¡ (vehículos/h) s¡= tasa de flujo de saturación del grupo de carriles (vehículos/hora verde) g¡= tiempo verde efectivo para el grupo de carriles ¡ (segundos verdes) C= ciclo del semáforo (segundos) g¡/C= relación de verde efectivo para el grupo de carriles ¡

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Factores de ajuste a la tasa de flujo de saturación

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Relación volumen a capacidad La relación volumen a capacidad, típicamente llamada grado de saturación, y simbolizado con la letra X¡ se calcula como; X¡= v¡ c¡

Donde v¡ , es la tasa de flujo de demanda actual o proyectada del grupo de carriles i . Reemplazando la capacidad dada por la ecuación, se obtiene:

X¡= v¡= s¡ ( g¡) C

(v) s ¡ ( g¡) C

En esta ultima expresión, el conciente (v/s) , se le denomina relación de flujo. Obsérvese que cuando la tasa de flujo v¡ es igual a la capacidad c¡ , el grado de saturación X¡ , es igual a 1.00, y cuando la tasa de flujo v¡ es cero, X¡ es igual a cero. Valores de X¡ superiores a 1.00, indican un exceso de demanda sobre la capacidad. Para evaluar globalmente la intersección, con respecto a su geometría y al ciclo, se utiliza el concepto de grado de saturación critico de la intersección Xc. Considera solamente los accesos o grupos de carriles críticos, definidos como aquellos que tienen la relación de flujo más alta para cada fase (v/s)c¡. Se define como: Xc= (C ) [ Σ (v) ] C-L s c¡ Donde:

Xc= relación volumen a capacidad critica de la intersección C= ciclo del semáforo (s) L= tiempo total perdido por ciclo (s) Σ (v) = sumatoria de las relaciones de flujo de todos los grupos de carriles críticos ¡ s c¡

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6. Determinación de las demoras Los valores derivados de los cálculos representan la demora media por control experimentada por todos los vehículos que llegan en el periodo de análisis, incluidas las demoras que ocurren antes del periodo de análisis cuando el grupo de carriles está sobresaturado. La demora por control incluye los movimientos a velocidades bajas y las detenciones en los accesos a la intersección, cuando los vehículos disminuyen en la velocidad corriente arriba o cambian de posición en la cola. Se calcula como:

d=d1(PF)+d2+d3 Donde: d= demora media por control (s/veh) d1= demora uniforme (s/veh), suponiendo llegadas uniformes PF= factor de ajuste por coordinación tiene en cuenta los efectos de la coordinación de los semáforos. d2= demora incremental (s/veh) , que tienen en cuenta el efecto de llegadas aleatorias y colas sobresaturadas durante el periodo de análisis (supone que no existe cola inicial al comienzo del periodo de análisis) d3= demora por cola inicial (s/veh), que tienen en cuenta las demoras de todos los vehículos debido a la presencia de las colas iniciales antes del periodo de análisis. Factor de ajuste por coordinación Una buena coordinación de semáforos dará como resultado una proporción alta de vehículos que llegan en el verde. La coordinación afecta principalmente a la demora uniforme, por lo que realiza el ajuste sólo a d1, mediante la siguiente expresión: PF= (1-P) fPA 1- (g ) C

Donde: P= proporción de vehículos que llegan en verde g/C= proporción de tiempo verde disponible fPA= factor de ajuste suplementario por grupos vehiculares que llegan durante el verde

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Si se llevan a cabo mediciones de campo, P deberá determinarse como la proporción de los vehículos en el ciclo que llegan a la línea de pare o que se unen a la cola, (estática o en movimiento) mientras se despliega la fase verde. El valor de P también se puede estimar como: P= Rp (g) C Donde Rp, representa la relación de grupo de vehículos.

Demora uniforme La demora uniforme d1, es la que ocurriría si los vehículos llegaran uniformemente distribuidos, tal que no existe saturación durante ningún ciclo. Se determina mediante la siguiente expresión: 0.5 (1 - g) d1= C 1- [min. (1, X) g ] C

Demora incremental La demora incremental d2, toma en consideración las llegadas aleatorias, que ocasiona que algunos ciclos se sobresaturen. Se expresa como: d2= 900T [(X-1) + √(X-1)² + 8 k l X ] cT

Donde: T= duración del periodo de análisis (0.25 h). k= factor de demora incremental que depende del ajuste de los controladores en intersecciones accionadas. k= 0.50 para intersecciones prefijadas. l= factor de ajuste por entradas de la intersección corriente arriba. l= 1.00 para intersecciones aisladas.

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Demora por cola inicial Cuando una cola residual o remanente existe antes del periodo del análisis T, los vehículos experimentan (los que llegan durante T/ una demora adicional, debido a que la cola inicial deberá primero desalojar la intersección. En los casos en que X>1.0 para un periodo de 15 minutos, el siguiente periodo empieza con una cola inicial llamada Qb en vehículos. Qb se debe observar al inicio del rojo. Cuando Qb ≠ 0, los vehículos que llegan durante el periodo de análisis experimentaran una demora adicional por la presencia de la cola inicial. La demora por cola inicial d3 , se calcula mediante la siguiente ecuación: d3= 1,800 Qb (1+u) t cT

Donde: Qb= cola inicial al principio del periodo T (veh) c= capacidad (veh/h) T= duración del periodo de análisis (0.25h) t= duración de la demanda insatisfecha (h) u= parámetro de demora Para estimar esta demora: Caso 1: el periodo es no saturado sin cola inicial, Qb= 0 . Por lo tanto, d3=0. Caso II: el periodo es sobresaturado sin cola inicial, Qb=0. Por lo tanto, d3=0 Caso III: ocurre cuando la cola inicial Qb se disipa durante T. Para que esto ocurra deberá cumplirse que Qb+qT < cT, siendo qT la demanda total en T, y cT la capacidad disponible en T. Caso IV: Ocurre cuando existe aun demanda insatisfecha al final de T, pero decreciente. Para que esto ocurra deberá cumplirse que qT < cT Caso V: ocurre cuando la demanda en T, excede la capacidad. Aquí la demanda insatisfecha se incremente al final T. Para que esto ocurra deberá cumplirse que qT > cT. Para los Casos III, IV y V: t=0 si Qb=0, de otra manera: t= min {T

Qb } c [ 1- min (1, X) ]

u= 0 si t < T, de otra manera: u= 1 cT [ 1- min (1, X) ] Qb

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El tiempo de despeje Tc, se calcula con la siguiente ecuación: Tc= máx. (T Qb + TX) c

Demoras agregadas La demora en cualquier acceso, se determina como un promedio ponderado de las demoras totales de todos los grupos de carriles del acceso, utilizando los flujos ajustados de los grupos de carriles, según: A

Σ

(d¡v¡)

dA= ¡=1 A

Σ



¡=1

Donde: A= numero de grupos de carriles en el acceso A dA= demora en el acceso A (s/ veh) d¡= demora en el grupo de carriles ¡, en el acceso A (s/ veh) v¡= volumen ajustado del grupo de carriles ¡ (s/ veh) La demora en la intersección, igualmente se determina como un promedio ponderado de las demoras en todos los accesos de la intersección, según: l

Σ

(dA vA)

d¡= A=1 l

Σ

vA

A=1

Donde: l = numero de accesos de la intersección l d¡= demora en la intersección l (s/veh) dA= demora en el acceso A (s/veh) vA= volumen ajustado del acceso A (s/veh)

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7. Determinación del nivel de servicio Como se ha descrito, el nivel de servicio de una intersección está directamente relacionado con la demora promedio por controles por vehiculo. Una vez obtenida la demora para cada grupo de carriles y agregada para cada acceso y para la intersección como un todo, se determinan los niveles de servicio. Como lo muestra la tabla 12.3 Ejemplo: La figura 12.11 muestra, para una intersección localizada en una de las zonas centrales de una ciudad, los volúmenes máximos horarios en vehículos mixtos, los anchos de carriles en metros y los movimientos protegidos en cada una de las cuatro fases bajo la cual opera la intersección. Adicionalmente se conoce la siguiente información: Porcentaje de autobuses: 6% acceso Norte, 9% acceso Sur y 11% accesos Este y Oeste. No se permite el paso de camiones. El FHMD es de 0.85 para todos los accesos. Debido a la disponibilidad de carriles con bahías especiales de vuelta a la derecha en los accesos Este, Sur y Oeste, los vehículos realizan esta maniobra sin la influencia del semáforo; excepto los de acceso Norte donde la vuelta a la derecha es compartida con movimientos de frente. Pendientes de los accesos: Norte y Sur 0%, Este +2% y Oeste -2%. Los vehículos llegan a la intersección en forma aleatoria No existen estacionamientos ni paradas de autobuses en las cercanías de la intersección. No existen conflictos peatonales en los accesos de la intersección No hay presencia de bicicletas. Tiempo perdido por movimiento en el arranque: 4 segundos El semáforo funciona en un ciclo prefijado de 120 segundos, distribuidos en cuatro fases, tal como aparece en la tabla 12.6, con todos rojos de 2 segundos

Se quiere evaluar el nivel de servicio de cada uno de los grupos de carriles, de cada uno de los accesos y de la intersección en forma global. Con el propósito de seguir la metodología anteriormente expuesta, el problema se resuelve siguiendo los diferentes módulos así: 1. Modulo de ajuste de volúmenes Mediante este modulo se convierte los volúmenes horarios (V) dados en tasas de flujo (vp) utilizando el factor de la hora de máxima demanda (FHMD), y se establecen grupos de carriles asociados con las tasa de flujo y la proporción de giros. En la tabla 12.7 se presentan dichos flujos calculados de manera sistemática, y para la cual se utiliza, además, la siguiente simbología: EB= sentido del flujo vehicular hacia el Este (acceso Oeste) WB= sentido del flujo vehicular hacia el Oeste (acceso Este) NB= Sentido del flujo vehicular hacia el Norte (acceso Sur) 47

SB= sentido del flujo vehicular hacia el Sur (acceso Norte) LT= movimiento de vuelta a la izquierda TH= movimiento de frente o directo RT= movimiento de vuelta a la derecha Obsérvese que para el acceso Norte (SB) se han establecido dos grupos de carriles, el uno en un carril (L) para la vuelta exclusiva a la izquierda y el otro en dos carriles (TR) para los movimientos de frente y derecha. Cada uno de los accesos Oeste (EB), Sur (NB) y Este (WB) se conforma, respectivamente, en dos grupos de carriles, el uno en un carril (L) para las vueltas exclusivas a la izquierda y el otro en dos carriles (T) para los

dos movimientos de frente. 12.7 Modulo de ajuste de volúmenes

2. Modulo del flujo de saturación Mediante este modulo se calcula el flujo de saturación bajo condiciones prevalecientes para cada uno de los grupos de carriles establecidos, a partir de un flujo de saturación base o en condiciones ideales, el cual se es ajustado mediante factores. Para propósitos de este ejemplo, se supone un flujo de saturación base de 1,900 vehículos ligeros por hora de luz verde por carril. La tabla 12.8 muestra el cálculo de dichos flujos de saturación en vehículos por hora de luz verde, para cada uno de los grupos de carriles. Así por ejemplo, en el acceso Norte, para el grupo de dos carriles (TR) para los movimientos de frente y derecha, de acuerdo con la ecuación (12.36) se tiene:

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s¡= so (N) (fW) (fHV) (fg) (fp) (fbb) (fa) (fLU) (fLT) (fRT) (fLpb) (fRpb) Donde: so= 1,900 vehículos livianos/verde/carril N= 2 fW=1+ W-3.6 9

fHV=

= 1+ 3.3 - 3.6 9

= 0.97

100 = 100 100+%HV (Er-1) 100+6 (2.0-1)

=0.94

fg=1- %G = 1- 0 = 1.00 200 200

fp= 1.00, sin estacionamiento fbb= 1.00 sin paradas de autobuses fa= 0.90, zona central de la ciudad (CBD)

fLu=

Vg Vg 1N

=

408+227+45 408(2)

= 0.83

fLT= 1.00, no hay vueltas a izquierda en este grupo fRT= 1.0 – (0.15) PRT= 1.0 – (0.15) 0.07= 0.99 fLpb= 1.00, no existen conflictos con peatones y ciclistas con vueltas a la izquierda fRpb= 1.00, no existen conflictos con peatones y ciclistas con vueltas a la derecha Entonces, el flujo de situación de este grupo TR es: STR= 1,900 (2) (0.97)(0.94)(1.00)(1.00)(1.00)(0.90)(0.83)(1.00)(0.99)(1.00)(1.00) = 2,562 veh/h verde

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Tabla 12.8 Modulo de flujo de saturación

50

3. Modulo de análisis de capacidad En este modulo se calcula para cada grupo de carriles la capacidad c¡ y la relación volumen a capacidad (v/c) , lo mismo que el grado de saturación critico de la intersección Xc . La tabla siguiente, presenta el calculo de estos elementos, donde se ha tomado un tiempo de verde efectivo g¡, equivalente al tiempo verde actual menos un segundo (4 segundos perdidos en el arranque, menos 3 segundos de amarillo ganados al final). De nuevo, en el acceso Norte, para el grupo de dos carriles (TR) , según la ecuación, la capacidad es:

CTR= STR (gTR) = 2,562 (51) = 2,562 (0.43)= 1,102 veh/h. C 120

La relación volumen a capacidad, según la ecuación es: XTR= VTR = 800 = 0.73 CTR 1,102

El grado de saturación critico de la intersección, según la ecuación, es: Xc= (C ) [ Σ (v) ] = ( 120 ) (0.07+0.11+0.17+0.32)=0.84 C-L s c¡ 120-24

Quiere esto decir, que la intersección funciona al 84% de su capacidad en los grupos de carriles críticos.

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4. Modulo del nivel de servicio Mediante este modulo se calculan las demoras para los grupos de carriles, para los accesos y para toda la intersección, las cuales permiten determinar los niveles de servicio ofrecidos por cada uno de estos elementos para las condiciones prevalecientes dadas. La siguiente tabla ilustra los cálculos requeridos.

Así por ejemplo, las demoras en el acceso Norte, para el grupo de dos carriles (TR) son las siguientes: La demora uniforme, según la ecuación, es:

0.5 (1 - gTR) d1= C = 0.5(120)(1-0.43)² = 28.4s/veh 1- [min. (1, XTR) gTR ] 1- [0.73 (0.43)] C

La demora incremental, según la ecuación, es: d2= 900T [(XTR-1) + √ (XTR-1)² + 8 k l XTR] cTRT

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Suponiendo que la intersección corriente arriba posee un grado de saturación del 50%, se encuentra el valor de l es 0.858. además, para intersecciones prefijadas el valor de k es 0.5. Por lo tanto: d2= 900(0.25) [(0.73-1) + √ (0.73-1)² + 8(0.5) (0.858) (0.73)] = 3.7 s/veh 1,102 (0.25)

Suponiendo también que no hay presencia de cola inicial (Qb=0), la demora d3 es igual a cero. De esta manera, la demora media por control de este grupo de carriles, de acuerdo con la ecuación y con un factor de coordinación PF de 1.00, es:

dTR=d1 (PF) + d2+ d3= 28.4(1.00)+ 3.7+0 = 32.1 s/veh Que de acuerdo con la tabla 12.3, el nivel de servicio de este grupo de carriles es C. Igualmente, por ejemplo, para el acceso norte, según la ecuación, la demora es:

2

Σ

(d ¡v¡)

d¡= ¡=1

= 34.9 (446) + 32.1 (800)= 33.1 s/veh

446+800

l

Σ



¡=1

Lo cual representa también un nivel de servicio C. Finalmente, la demora en toda la intersección, según la ecuación, es:

l

Σ

(dA vA)

d¡= A=1

= 86.0 (287)+ 66.5 (394) + 80.1 (475) + 33.1 (1,246) = 54.2 s/veh 287 + 394 + 475 + 1,246

l

Σ

vA

A=1

53

Por lo tanto, según la tabla 12.3, el nivel de servicio global de la intersección es D.

PROCEDIMIENTOS COMPUTARIZADOS Para cada elemento del siente vial, la metodología del HCM ofrece un procedimiento manual que se puede ejecutar usando hojas de trabajo y realizando cálculos matemáticos, relativamente sencillos, pero laboriosos, que consumen tiempo importante. Para facilitar, la metodología manual se han desarrollado programa informáticos, ejecutan, con bastante precisión, los procedimientos del HCM en la computadora, de manera muy rápida. La herramienta informática utilizada actualmente es el HCS (Highway Capacity Software: Programa de Capacidad Vial) en su versión 5.2 del año 2005. La organización del programa HCS es muy similar a la del manual HCM, que maneja tres módulos básicos: corrientes vehiculares de flujo continuo, corrientes vehiculares de flujo descontìnuo y transporte público masivo, los cuales son presentados en un menú principal. Cada uno de estos módulos usa extensiones de archivo propias, de tal manera que los datos pueden residir en un simple subdirectorio de datos, pero cada modulo especifico de análisis solamente despliega sus propios datos. En la siguiente tabla se presentan las extensiones de los archivos de los principales elementos del sistema vial a analizar. Elemento vial de análisis Segmentos básicos de autopistas carreteras de carriles múltiples carreteras de dos carriles intersecciones con semáforos intersecciones de prioridad Tramos de entrecruzamiento Enlaces de convergencia y divergencia Arterias urbanas Transporte publico

extensión de archivo *xhf *xhm *xh2 *xhs *xhu *xhw *xhr *xha *xht

54

PROBLEMAS PROPUESTOS A lo largo de un tramo extenso, sobre terreno en lomerío, una autopista urbana de cuatro carriles (dos por sentido) fluye, durante un día laborable, un volumen horario máximo de 120 camiones 1,880 vehículos ligeros, con un factor de la hora de máxima demanda de 0.95. La anchura de los carriles es de 3.30 metros cada uno. Se encuentra obstrucciones laterales, exactamente en los bordes de la calzada a ambos lados. La velocidad a flujo libre base es de. 100km/h. Se encuentra un intercambiador cada 2 km. Determine: 1) El nivel de servicio sobre la autopista. 2) El flujo del servicio máximo a nivel de:

Un tramo extenso de una autopista tiene las siguientes características: Ocho carriles (4 por sentido) Ancho de cada carril: 3.60 mts. Acotamientos a la derecha con anchos mayores de 1.80mts Terreno en lomerío Composición vehicular: 5% camiones, y 4% autobuses, para un día laboral Velocidad a flujo libre base: 110km/h Un intercambiador cada 1.5 Km. Factor de la hora de máxima demanda: 0.90 Determine los flujos de servicio para los niveles B y D c) Uno de los sentidos de una autopista, de velocidad a flujo libre base de 110 Km./h, se bifurca en dos ramales así: el ramal de la izquierda en 3 carriles con obstrucciones laterales a 1.20 metros a ambos lados, y el ramal de la derecha en 2 carriles con obstrucciones laterales a 1.20 metros a un lado y sin obstrucciones al otro lado. Estos ramales después de recorrer un tramo extenso en terreno plano, se vuelven a unir en una sola calzada de 5 carriles. Todos los carriles son de 3.30 metros de ancho. La composición vehicular es de 12% camiones y 10% autobuses con un factor de la hora de máxima demanda de 0.90. No hay presencia de intercambiadores. Para un volumen de entrada a la bifurcación de 2,500 vehículos por hora durante un fin de semana, distribuya (asigne) los vehículos por los dos ramales de tal manera que se obtenga un nivel de servicio C balanceado. d) Se desea conocer el número de carriles necesarios de cierta sección de una autopista rural para proporcionar un nivel de servicio B. La sección está compuesta de un tramo largo de 8 kilómetros en terreno plano, seguido de un subtramo de 1.6 Km., sobre una pendiente sostenida del 3%. El volumen de demanda es de 2,400 vehículos por hora de usuarios habituales, los cuales incluyen 20% de camiones. Se quiere proveer condiciones geométricas ideales. e) Se quiere evaluar las condiciones de servicio de una carretera que tiene las siguientes características: 4 Carriles (2 por sentido) de 3.60 metros cada uno, con acotamientos de 2.00 metros y sin faja separadora central. 55

Velocidad a flujo libre base de 110km/h Se distinguen sobre la autopista tres tramos extensos, cada uno con las siguientes características para un día habitual: Tramo1 , con un volumen de demanda de 2,400 vehículos/hora/ambos sentidos, compuesto por 13%: camiones y 18% autobuses. Tramo 2 , con un volumen de demanda de 2,800 vehículos/hora/ambos sentidos, compuesto por 10% camiones y 25% autobuses. Tramo 3 , con un volumen de demanda de 3,00 vehículos/hora/ambos sentidos, compuesto por 10% camiones y 10% autobuses. Considere para los tres tramos un factor de la hora de máxima demanda de 0.95= Cada tramo posee 6 puntos de acceso por km. Determine el nivel de servicio de cada tramo y el nivel de servicio ponderado en toda la carretera. f) Se quiere determinar el numero de carriles necesarios de un segmento de carretera multicarril, que a nivel de servicio B pueda acomodar un volumen horario de proyecto direccional de 1,000 vehículos, con 15% de camiones y 9% de autobuses y un factor de la hora de máxima demanda de 0.85. Los Conductores que se esperan son usuarios regulares. El segmento se encuentra en un pendiente del 6% sobre una longitud de 1,600 metros. La velocidad de proyecto está limitada a 95 Km./h. Se proyectan carriles de 3.60 metros de ancho, acotamientos adecuados libres de obstáculos, dos puntos de acceso por kilómetro y sección transversal no dividida. g) Una carretera rural de dos carriles está compuesta de dos tramos extensos, cada uno de 10 kilómetros de longitud, con las siguientes características: Tramo 1: Terreno plano, anchos de carril de 3.60 metros, acotamientos de 1.80 metros y restricción de rebase del 20%. Tramo 2: Terreno en lomerío, anchos de carril de 3.60 metros, acotamientos de 1.20 metros y restricción de rebase del 60%. El volumen horario máximo es de 700 vehículos en ambos sentidos, con una distribución direccional de 40/60, compuestos por 10% camiones y 5% autobuses, y un factor de la hora de máxima demanda de 0.92. Velocidad a flujo libre base de 95 Km./h Dos puntos de acceso por kilómetro

Determine el nivel de servicio al cual funciona cada tramo y el de toda la carretera.

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h) Una carretera rural de dos carriles que acomoda un volumen máximo de 300 vehículos (180 en un sentido y 120 en el otro sentido)presentan las siguientes características: Velocidad a flujo libre base de 95km/h. Ancho de carriles de 3.30 metros Ancho de acotamientos 0.60 metros Restricción de rebase del 60% Pendiente del 5% en una longitud de 3,200 metros. Composición vehicular de 7% camiones y 12% autobuses con un factor de la hora de máxima demanda de 0.90 No hay presencia de puntos de acceso Determine: 1) Nivel de servicio ofrecido y su velocidad de operación. 2) La capacidad y su velocidad correspondiente. i) Uno de los accesos secundarios de una intersección con semáforos del centro de la ciudad, funciona bajo las siguientes condiciones: Un solo carril de 3.60 metros de ancho El carril de acceso comparte por hora dos movimientos: el de frente con 344 automóviles, 20 autobuses y 10 camiones, y el de vuelta a la derecha con 69 automóviles, 4 autobuses y 2 camiones respectivamente. El acceso opera en una fase de 40 segundos de verde, 2 segundos de amarillo en un ciclo de 100 segundos. Los vehículos llegan en forma aleatoria al acceso No hay paradas de autobuses ni estacionamientos en las cercanías al acceso. La pendiente longitudinal del acceso es de 10%

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