HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA EL CALCULO DE …

HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA EL CALCULO DE NIVELES DE

SERVICIO EN CARRETERAS DE DOS CARRILES SEGÚN METODOLOGÍA DEL

HCM2010.

LUIS ALFONSO RIVEIRA PINTO

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

ASESOR: ING. FABIAN TAFUR

BOGOTÁ, ENERO DE 2013

1

Tabla de contenido

1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 5

2 OBJETIVOS .............................................................................................................................. 7

2.1 General. ............................................................................................................................. 7

2.2 Específicos. ....................................................................................................................... 7

3 JUSTIFICACIÓN....................................................................................................................... 8

4 ALCANCE. ................................................................................................................................. 8

5 MARCO TEÓRICO ................................................................................................................... 9

5.1 CAPACIDAD Y NIVELES DE SERVICIO SEGÚN EL INSTITUTO NACIONAL DE

VÍAS – INVIAS. ............................................................................................................................. 9

5.1.1 CAPACIDAD VIAL SEGÚN EL MANUAL DE CAPACIDAD Y NIVELES DE

SERVICIO DEL INVIAS. .......................................................................................................... 9

5.1.2 NIVELES DE SERVICIO SEGÚN EL MANUAL DE CAPACIDAD Y NIVELES

DE SERVICIO DEL INVIAS .................................................................................................. 13

5.2 CAPACIDAD Y NIVELES DE SERVICIO PARA CARRETERAS DE DOS

CARRILES SEGÚN HCM2010. ............................................................................................... 22

5.2.1 GENERALIDADES ................................................................................................. 22

5.2.2 CAPACIDAD VIAL SEGÚN EL HIGHWAY CAPACITY MANUAL -

HCM2010. ................................................................................................................................ 24

5.2.3 NIVELES DE SERVICIO SEGÚN EL HIGHWAY CAPACITY MANUAL -

HCM2010. ................................................................................................................................ 24

5.2.4 Metodología del HCM2010 para el cálculo de niveles de servicio en

carreteras de dos carriles. ..................................................................................................... 27

6 DESARROLLO DEL PROGRAMA ...................................................................................... 48

6.1 Generalidades ................................................................................................................. 48

6.2 Ventana principal ............................................................................................................ 49

6.3 Datos de entrada ............................................................................................................ 49

6.3.1 Validación de datos de entrada ............................................................................ 52

6.3.2 Cálculo de nivel de servicio .................................................................................. 53

6.3.3 Generación de reporte de resultados .................................................................. 54

2

6.4 Carreteras de dos carriles Clase I ............................................................................... 55

6.4.1 Datos de entrada .................................................................................................... 55

6.4.2 Estimación de velocidad a flujo libre ................................................................... 55

6.4.3 Ajuste por demanda para velocidad promedio de viaje.................................... 56

6.4.4 Estimación de velocidad promedio de viaje ....................................................... 57

6.4.5 Ajuste de demanda por porcentaje-de-tiempo-siguiendo ................................ 57

6.4.6 Estimación de porcentaje-de-tiempo-siguiendo ................................................. 58

6.4.7 Determinación del nivel de servicio ..................................................................... 59

6.5 Carreteras de dos carriles Clase II .............................................................................. 60

6.5.1 Datos de entrada .................................................................................................... 60


6.5.3 Ajuste de demanda por porcentaje-de-tiempo-siguiendo ................................ 61

6.5.4 Estimación de porcentaje-de-tiempo-siguiendo ................................................. 62


6.6 Carreteras de dos carriles Clase III ............................................................................. 64

6.6.1 Datos de entrada .................................................................................................... 64


6.6.3 Ajuste por demanda para velocidad promedio de viaje.................................... 65

6.6.4 Estimación de velocidad promedio de viaje ....................................................... 66

6.6.5 Determinación de porcentaje de velocidad de flujo libre .................................. 66


6.7 Reportes de resultados.................................................................................................. 68

6.7.1 Reporte de resultados para clase I ...................................................................... 68

6.7.2 Reporte de resultados para clase II ..................................................................... 71

6.7.3 Reporte de resultados para clase III .................................................................... 74

7 CONCLUSIONES ................................................................................................................... 77

8 BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................... 77

3

Lista de tablas.

Tabla 1. Factor de ajuste por pendiente. .................................................................................... 10

Tabla 2. Factor de ajuste por la distribución por sentidos. ...................................................... 10

Tabla 3. Factor de ajuste por efecto del ancho de carril y ancho de berma. ....................... 10

Tabla 4. Factor de ajuste por la presencia de vehículos pesados en pendientes

ascendentes. ................................................................................................................................... 11

Tabla 5. Factores de hora pico según el volumen vehicular. .................................................. 13

Tabla 6. Velocidades promedio de viaje ideal (vi) según pendientes específicas del tramo

analizado.......................................................................................................................................... 14

Tabla 7. Factores de ajuste por la utilización (fu). .................................................................... 14

Tabla 8. Factores de ajuste por el estado de la superficie de rodadura (Fsr). ..................... 15

Tabla 9. Factores de ajuste por ancho de carril y ancho de berma (Fcb). ............................ 16

Tabla 10. Factores de corrección por la presencia de vehículos pesados en pendientes

ascendentes (Fp1). ........................................................................................................................ 17

Tabla 11. Factores de ajuste por la presencia de vehículos pesados (Fp2). ....................... 19

Tabla 12. Velocidad máxima permitida por la curva más cerrada (Vc). ................................ 20

Tabla 13. Niveles de Servicio según la velocidad media (km/h) y el tipo de terreno. ......... 21

Tabla 14. Datos de entrada requeridos y valores por defecto. ............................................... 27

Tabla 15. Factores de ajuste por ancho de carril y ancho de berma. .................................... 30

Tabla 16. Factores de ajuste por la densidad de puntos de acceso. ..................................... 30

Tabla 17. Factores de ajuste para terreno plano, ondulado y pendientes negativas

específicas. ...................................................................................................................................... 32

Tabla 18. Factores de ajuste para pendientes positivas específicas. .................................... 33

Tabla 19. Factores de equivalencia para camiones y buses en terreno plano, ondulado y

pendientes negativas específicas. ............................................................................................... 34

Tabla 20. Factores de equivalencia para camiones en pendientes positivas específicas. 35

Tabla 21. Factores de equivalencia para buses en pendientes positivas específicas. ....... 36

Tabla 22. Factores de equivalencia para camiones en marcha lenta sobre pendientes

negativas .......................................................................................................................................... 37

Tabla 23. Factores de ajuste por el porcentaje de zonas de no rebase. ............................... 39

Tabla 24. Factores de ajuste por pendiente para terreno plano, ondulado y pendientes

negativas específicas. ................................................................................................................... 41

Tabla 25. Factores de ajuste por pendiente para pendientes positivas específicas. .......... 41

Tabla 26. Factores de equivalencia para camiones y buses en terreno plano, ondulado y

pendientes negativas específicas. ............................................................................................... 42

Tabla 27. Factores de equivalencia para camiones en pendientes positivas específicas. 43

Tabla 28. Coeficientes a y b de acuerdo al flujo vehicular en el sentido contrario. ............. 45

Tabla 29. Factores de ajuste por zonas de no rebase. ............................................................ 46

Tabla 30. Criterio del HCM2010 para la determinación de niveles de servicio en carreteras

de dos carriles Clase I. .................................................................................................................. 47

4


de dos carriles Clase II. ................................................................................................................. 48


de dos carriles Clase III. ................................................................................................................ 48

5

1 INTRODUCCIÓN

A pesar del énfasis y esfuerzo que ha realizado el Gobierno Nacional para la

puesta en marcha de carreteras de doble calzada entre las principales rutas

comerciales de nuestro país, las carreteras de dos carriles (uno por sentido)

continúan representando un gran porcentaje de la infraestructura vial existente.

Este tipo de carreteras han servido las necesidades de transporte tanto

comerciales como turísticas entre las diferentes ciudades y municipios de nuestro

país durante las últimas décadas y muy seguramente seguirán cumpliendo esta

labor por muchas otras más.

Teniendo en cuenta lo anterior y la premisa extensamente conocida según la cual

una inversión en infraestructura vial está directamente relacionada con el

desarrollo económico y social de un país. Se hace evidente la necesidad de

invertir mucho más en este tipo de infraestructura de lo que se ha invertido hasta

el momento, generalmente cifras cercanas al 1% del PIB. En un país como

Colombia donde los recursos para la inversión son limitados, es necesario priorizar

el uso de los mismos con el fin de atender de la manera más oportuna las

necesidades planteadas, en este caso la necesidad de optimizar nuestro sistema

de transporte carretero.

En nuestro país, para llevar a cabo una priorización de la inversión en

infraestructura vial es clave un proceso juicioso de evaluación de capacidad y

niveles de servicio de las vías existentes, específicamente de las carreteras de

dos carriles, esto con el objetivo de establecer la funcionalidad de las mismas con

los volúmenes vehiculares actuales y proyectados. Lo anterior sería la base

técnica para poder determinar cuáles deben ser modificadas y cuáles no, con

miras a optimizar nuestra malla vial de la mejor manera posible.

Las evaluaciones de la capacidad y niveles de servicio son necesarias para la

toma de decisiones y acciones en la ingeniería de tránsito. El nivel de servicio es

una medida que representa la calidad del servicio que la vía presta a los usuarios.

Existen varios métodos para determinar el nivel de servicio, en nuestro caso son

de especial interés el método americano desarrollado por el Transport Research

Board en el Highway Capacity Manual y el método del INVIAS planteado en el

“Manual de capacidad y niveles de servicio” por ser la adaptación del primero a las

condiciones geográficas y funcionales de las carreteras colombianas.

Dado que la nueva versión del manual americano, HCM2010 Highway Capacity

Manual ya fue publicada y que esta difiere en ciertos aspectos de su versión

anterior (HCM2000) sobre la cual se basa la metodología actual del INVIAS, es

6

necesario replantear las bases teóricas de esta última. Adicionalmente la

elaboración de una herramienta computacional que permita evaluar el nivel de

servicio de una carretera de dos carriles a la luz de la metodología planteada por

el Highway Capacity Manual 2010 – HCM2010, será de gran ayuda a la hora de

establecer los puntos relevantes de mejora aplicables al método colombiano.

7

2 OBJETIVOS

2.1 General.

Desarrollar un software que permita determinar el nivel de servicio de una

carretera de dos carriles (uno por sentido), según la metodología planteada en el

Highway Capacity Manual 2010 – HCM2010.

2.2 Específicos.

Recopilar información referente al tema de capacidad y niveles de servicio

según criterio del INVIAS en el “Manual de capacidad y niveles de servicio

para carreteras de dos carriles”.

Recopilar información necesaria para el cálculo de capacidad y niveles de

servicio de carreteras de dos carriles según el Highway Capacity Manual-

HCM2010.

Elaborar una herramienta computacional sencilla, en una plataforma

conocida y de fácil acceso a todos los posibles usuarios como lo es

Microsoft Excel, que sirva a propósitos tanto académicos como

profesionales.

Crear una herramienta flexible que permita fácilmente modificar los

parámetros de la metodología HCM2010 para cálculo de niveles de

servicio. Esto con el fin de darle un mayor alcance académico permitiendo

hacer comparativos con parámetros locales (INVIAS).

Ofrecer una herramienta alternativa completamente válida para llevar a

cabo el análisis operacional del nivel deservicio de vías existentes, bajo los

parámetros de la metodología del HCM2010.

8

3 JUSTIFICACIÓN.

En Colombia, para la determinación del nivel de servicio de una carretera de dos

carriles se usa la metodología desarrollada por el Instituto Nacional de Vias –

INVIAS, la cual se encuentra descrita el manual de capacidad y niveles de servicio

de la misma entidad. La metodología del INVIAS, así como muchas otras en

diferentes países, fue elaborada con base a los lineamientos establecidos por el

TRB en su manual de capacidad de carreteras HCM por sus siglas en ingles.

Como consecuencia del proceso anterior y de las diferencias más que todo

geográficas y funcionales que se presentan entre las carreteras de Estados

Unidos y Colombia, fue necesario modificar ciertos parámetros de la metodología

del HCM para adaptarla a nuestro país.

Debido a la publicación de la versión más reciente del manual de capacidad de

carreteras americano, el Highway Capacity Manual 2010 – HCM2010, el cual tiene

ligeras modificaciones en cuanto a la metodología planteada en el HCM2000, su

versión anterior, se plantea la necesidad de revisar la metodología del INVIAS a la

luz del nuevo manual americano HCM2010 con miras a una posible actualización

del método colombiano, es en este punto donde se justifica la elaboración del

software HCM10, el cual le permite al usuario de una manera fácil y ágil

determinar el nivel de servicio de una vía de dos carriles según la metodología del

HCM2010.

4 ALCANCE.

Desde el punto de vista académico se espera que el programa sirva como una

herramienta de partida para una posible actualización del metodología del INVIAS

para el cálculo de niveles de servicio, lo anterior teniendo en cuenta que dicha

metodología fue basada en versiones anteriores del HCM2010, a las cuales se les

modificaron ciertos parámetros para adaptar la metodología a nuestras

características geográficas, funcionales, sociales y económicas.

En cuanto al ejercicio profesional y teniendo en cuenta la validez internacional del

método planteado por el HCM2010 para la determinación de niveles de servicio,

se espera que el programa brinde un criterio adicional y completamente válido a

los diseñadores colombianos.

9

5 MARCO TEÓRICO

5.1 CAPACIDAD Y NIVELES DE SERVICIO SEGÚN EL INSTITUTO

NACIONAL DE VÍAS – INVIAS.

En las secciones siguientes se describe la metodología para el cálculo de la

capacidad y el nivel de servicio de una carretera de dos carriles, según el Manual

de Capacidad y Niveles de Servicio del Instituto Nacional de Vías – INVIAS.

5.1.1 CAPACIDAD VIAL SEGÚN EL MANUAL DE CAPACIDAD Y NIVELES DE

SERVICIO DEL INVIAS.

El procedimiento para determinar la capacidad de una vía parte de una capacidad

ideal de la misma equivalente a 3200 vehículos por hora en ambos sentidos (3200

pc/h), esta capacidad ideal se ve reducida al ser multiplicada por ciertos factores

de corrección que indican la medida en que la operación real de la vía se va

alejando de las condiciones ideales. Es así como el resultado de multiplicar la

capacidad ideal de la vía por los diferentes factores de corrección o ajuste

representa la capacidad real de la misma para las condiciones específicas en las

cuales opera.

C60 = 3200 × Fpe × Fd × Fcb × Fp

Dónde:

C60 = Capacidad en vehículos mixtos por hora sin considerar variaciones aleatorias

Fpe = Factor de ajuste por pendiente (Tabla 1)

Fd = Factor de ajuste por la distribución por sentidos (Tabla 2)

Fcb = Factor de ajuste por efecto del ancho de carril y ancho de berma (Tabla 3)

Fp = Factor de ajuste por la presencia de vehículos pesados en pendientes positivas (Tabla 4)

10

A continuación se muestran las tablas con los diferentes factores de ajuste:

Tabla 1. Factor de ajuste por pendiente.

Tabla 2. Factor de ajuste por la distribución por sentidos.

Tabla 3. Factor de ajuste por efecto del ancho de carril y ancho de berma.

11

Tabla 4. Factor de ajuste por la presencia de vehículos pesados en pendientes ascendentes.

12

Debido a que las condiciones de demanda no son uniformes, sino que existen

variaciones aleatorias que generan situaciones indeseables en el flujo vehicular,

se ha optado por reducir la capacidad mediante un factor de hora pico (FHP) que

considera dichas variaciones aleatorias en un periodo de cinco minutos, de modo

que se tiene:

C5 = C60 × FHP

Donde:

C5 = Capacidad en vehículos mixtos por hora considerando variaciones

aleatorias.

FHP = Factor de hora pico.

13

Tabla 5. Factores de hora pico según el volumen vehicular.

5.1.2 NIVELES DE SERVICIO SEGÚN EL MANUAL DE CAPACIDAD Y

NIVELES DE SERVICIO DEL INVIAS

La determinación del nivel de servicio de una carretera de dos carriles está basada

en la velocidad promedio de viaje como indicador de eficiencia. Esta velocidad

como su nombre lo indica, equivale a la longitud de la carretera dividida entre el

tiempo promedio que tardan los usuarios en recorrerla. Para calcular el nivel de

servicio se parte de una velocidad promedio de viaje para condiciones ideales o

condiciones base, esta se multiplica por los factores de ajuste que representan la

medida en que las condiciones reales de la vía afectan dicha velocidad.

La Tabla 6 establece la velocidad promedio de viaje ideal para la vía en estudio,

teniendo en cuenta la pendiente específica y la longitud de la misma. Lo anterior

indica que no es necesaria una corrección o ajuste por pendiente ya que esto va

implícito en el valor que se toma de la tabla.

14

Tabla 6. Velocidades promedio de viaje ideal (vi) según pendientes específicas del tramo analizado.

En cuanto a los factores de ajuste, la Tabla 7 muestra el primero de ellos que

corresponde al factor de utilización (fu), este depende de la relación volumen

capacidad (Q/C60). El volumen Q debe ser dado como dato de entrada para

cualquier análisis operacional, mientras la capacidad C60 se calcula de acuerdo a

la sección anterior.

Tabla 7. Factores de ajuste por la utilización (fu).

Una vez determinado el factor de utilización - Fu, es necesario determinar la

velocidad a flujo restringido - V1 que representa los efectos de las condiciones

particulares del flujo vehicular sobre la velocidad ideal de operación de la vía. Se

tiene entonces que la velocidad a flujo restringido V1 es el producto de la

velocidad ideal de flujo libre - Vi por el factor de utilización Fu.

15

V1 = Vi x Fu

Donde:

V1 = Velocidad a flujo restringido.

Vi = Velocidad de flujo libre.

Fu = Factor de utilización (Tabla 7).

Una vez establecida la velocidad a flujo restringido – V1, se puede determinar el

factor de ajuste por el estado de la superficie de rodadura – Fsr según la Tabla 8.

Para llevar a cabo dicho proceso también es necesario evaluar el estado de la

superficie de rodadura por cualquiera de los siguientes criterios: Índice de

rugosidad internacional - IRI, porcentaje de área afectada y el nivel funcional.

Tabla 8. Factores de ajuste por el estado de la superficie de rodadura (Fsr).

Luego se introduce el efecto que tiene la geometría de la sección transversal de la

vía mediante el factor de ajuste por ancho de carril y ancho de berma – Fcb. Tal

como se puede ver en la Tabla 9, dicho efecto es imperceptible para un ancho de

carril mayor o igual a 3.65 metros y un ancho de berma mayor o igual a 1.8

metros.

16

Tabla 9. Factores de ajuste por ancho de carril y ancho de berma (Fcb).

Una vez determinados los factores de ajuste por superficie de rodadura – Fsr y por

ancho de carril y de berma - Fcb, se puede determinar la velocidad a flujo

restringido – V2 que representa los efectos de las condiciones particulares del flujo

vehicular y de las características geométricas sobre la velocidad ideal de

operación de la vía.

V2 = V1 x Fsr x Fcb

Donde:

V2 = Velocidad a flujo restringido por las condiciones de flujo y características geométricas.

V1 = Velocidad a flujo restringido por las condiciones de flujo.

Fsr = Factor de ajuste por el estado de la superficie de rodadura (Tabla 8).

Fcb = Factor de ajuste por ancho de carril y ancho de berma (Tabla 9).

Luego se determina el factor de ajuste por presencia de vehículos pesados Fp, el

cual es resultado de multiplicar los factores Fp1 y Fp2. El factor Fp1 se toma de la

Tabla 10 teniendo en cuenta la velocidad V2, la longitud del tramo y la inclinación

o pendiente del mismo. Por su parte, el factor Fp2 se toma de la Tabla 11

conociendo el porcentaje total de vehículos pesados y el volumen total en ambos

sentidos (Q).

17

Tabla 10. Factores de corrección por la presencia de vehículos pesados en pendientes ascendentes (Fp1).

19

Tabla 11. Factores de ajuste por la presencia de vehículos pesados (Fp2).

20

Como se mencionó en el párrafo anterior, multiplicando los factores Fp1 y Fp2

entre sí se obtiene el factor de ajuste por presencia de vehículos pesados Fp. Es

importante mencionar que en caso de que el producto obtenido sea mayor a uno,

el valor de Fp se toma igual a la unidad. Una vez determinado el factor de ajuste

por la presencia de vehículos pesados – Fp, se puede obtener la velocidad del

tránsito mixto a flujo restringido – V3

V3 = V2 x Fp

Donde:

V3 = Velocidad a flujo restringido por las condiciones de flujo y características geométricas.

V2 = Velocidad de flujo libre.

Fp = Factor de ajuste por presencia de vehículos pesados.

Por su parte, la Tabla 12 muestra los valores de velocidad máxima permitida por la

curva más cerrada del tramo analizado -Vc.

Tabla 12. Velocidad máxima permitida por la curva más cerrada (Vc).

21

Si Vc es menor que V3 se debe entonces calcular la velocidad media de recorrido

que se toma como la velocidad media V. Si Vc es mayor o igual que V3, se toma

el valor de V3 como la velocidad media V. Esta velocidad representa la velocidad

media del tránsito mixto a flujo restringido para las condiciones específicas del

tramo en estudio.

Una vez determinada la velocidad media V se puede establecer el Nivel de

Servicio según la Tabla 13:

Tabla 13. Niveles de Servicio según la velocidad media (km/h) y el tipo de terreno.

Para Colombia se han definido seis niveles de servicio para una vía de dos carriles

así (INVIAS 1996):

Nivel de servicio A: Representa flujo libre en una vía cuyas especificaciones

geométricas son adecuadas. Hay libertad para conducir con la velocidad

deseada y la facilidad de maniobrar dentro de la corriente vehicular es

sumamente alta, al no existir prácticamente interferencia con otros

vehículos y contar con condiciones de vía que no ofrecen restricción por

estar de acuerdo con la topografía de la zona.

Nivel de servicio B: Comienzan a aparecer restricciones al flujo libre o las

especificaciones geométricas reducen algo la velocidad. La libertad para

conducir con la velocidad deseada y la facilidad de maniobrar dentro de la

corriente vehicular se ven disminuidas, al ocurrir ligeras interferencias con

otros vehículos o existir condiciones de vía que ofrecen pocas restricciones.

Para mantener esta velocidad es preciso adelantar con alguna frecuencia

otros vehículos. El nivel general de libertad y comodidad que tiene el

conductor es bueno.

Nivel de servicio C: Representa condiciones medias cuando el flujo es

estable o empiezan a presentarse restricciones de geometría y pendiente.

22

La libertad para conducir con la velocidad deseada dentro de la corriente

vehicular se ve afectada al presentarse interferencias tolerables con otros

vehículos o existir deficiencias de la vía que son en general aceptables. El

nivel general de libertad y comodidad que tiene el conductor es adecuado.

Nivel de servicio D: El flujo todavía es estable y se presentan restricciones

de geometría y pendiente. No existe libertad para conducir con la velocidad

deseada dentro de la corriente vehicular, al ocurrir interferencias frecuentes

con otros vehículos, o existir condiciones de vía más defectuosas. El nivel

general de libertad y comodidad que tiene el conductor es deficiente.

Nivel de servicio E: Representa la circulación a capacidad cuando las

velocidades son bajas pero el tránsito fluye sin interrupciones. En estas

condiciones es prácticamente imposible adelantar, por lo que los niveles de

libertad y comodidad son muy bajos. La circulación a capacidad es muy

inestable, ya que pequeñas perturbaciones al tránsito causan congestión.

Aunque se han tomado estas condiciones para definir el nivel E, este nivel

también se puede alcanzar cuando limitaciones de la vía obligan a ir a

velocidades similares a la velocidad a capacidad, en condiciones de

inseguridad.

Nivel de servicio F: Representa la circulación congestionada, cuando el

volumen de demanda es superior a la capacidad de la vía y se rompe la

continuidad del flujo. Cuando eso sucede, las velocidades son inferiores a

la velocidad a capacidad y el flujo es muy irregular. Se suelen formar largas

colas y las operaciones dentro de éstas se caracterizan por constantes

paradas y avances cortos. También condiciones sumamente adversas de la

vía pueden hacer que se alcancen velocidades e irregularidades en el

movimiento de los vehículos semejantes a las descritas anteriormente.

5.2 CAPACIDAD Y NIVELES DE SERVICIO PARA CARRETERAS DE DOS

CARRILES SEGÚN HCM2010.

5.2.1 GENERALIDADES

Características de las carreteras de dos carriles.

23

En el HCM2010 las carreteras de dos carriles tienen una metodología especial

debido a un comportamiento del flujo vehicular que es propio de este tipo de vías.

Cambiar de carril y adelantar un vehículo es posible solo si el flujo vehicular en el

sentido opuesto lo permite. Como consecuencia de esto, la demanda por

adelantar crece muy rápido mientras la capacidad de adelantar disminuye en la

medida que el flujo vehicular aumenta en ambos sentidos.

Clasificación de las carreteras de dos carriles

Debido a la amplia gama de funciones que sirven las carreteras de dos carriles, la

metodología del HCM2010 establece tres categorías principales para este tipo de

carreteras:

Carreteras de dos carriles Clase I: Son carreteras en las cuales los

usuarios esperan viajar a velocidades relativamente altas. Las carreteras de

dos carriles que en su mayoría sirven como conectores intermunicipales, es

decir como carreteras rurales, son catalogadas generalmente como

carreteras clase I. Las carreteras de este tipo sirven la mayoría de viajes de

larga distancia o en su defecto sirven de conectores entre vías que cubren

viajes de larga distancias.

Carreteras de dos carriles Clase II: Son carreteras en las cuales los

usuarios no necesariamente esperan viajar a altas velocidades. Las

carreteras de esta clase generalmente funcionan como rutas de acceso a

las carreteras clase I, sirviendo como rutas turísticas o recreacionales, o

como rutas alternas a las vías principales en casos en que las velocidades

de operación de las mismas sean muy bajas. Las carreteras de dos carriles

clase II generalmente sirven viajes cortos, rutas intermedias entre viajes

largos, o viajes en los cuales el componente paisajístico tiene un rol

importante.

Carreteras de dos carriles Clase III: Este tipo de carreteras atraviesan

áreas relativamente desarrolladas donde las interacciones con el tráfico

local (cruces, puntos de acceso, semáforos, límites de velocidad, etc),

generan una disminución en la velocidad de viaje que el usuario espera.

Ciertos segmentos de carreteras Clase I y Clase II pueden ser catalogados

como carreteras Clase III si se analizan individualmente.

Condiciones base.

El HCM2010 establece como condiciones base las siguientes:

Ancho de carril mayor o igual a 12 ft

24

Ancho de berma mayor o igual a 6 ft

Ausencia de zonas de no rebase

Solo vehículos livianos en el tráfico.

Terreno plano.

Ningún impedimento para atravesar el tráfico.

5.2.2 CAPACIDAD VIAL SEGÚN EL HIGHWAY CAPACITY MANUAL -

HCM2010.

Según el HCM2010 la capacidad de una carretera de dos carriles bajo condiciones

base es de 1700 pc/h en una dirección, con un límite de 3200 pc/h en ambos

sentidos. Lo anterior indica que cuando la capacidad de 1700 pc/h es alcanzada

en un sentido, el flujo máximo de vehículos en el sentido contrario queda

restringido a 1500 pc/h.

La situación anterior se debe a una característica especial de las carreteras de dos

carriles que las diferencian en cuanto a su funcionamiento de otros tipos de vías.

Esta relación se debe al hecho de que el flujo de tráfico normal en una dirección

influye sobre el flujo en el sentido contrario, específicamente la demanda de

adelantamiento aumenta rápidamente a medida que aumenta el volumen de

tráfico y simultáneamente la capacidad de adelantamiento en el sentido opuesto

disminuye. Esta situación se puede apreciar en la gráfica 15-2(b). Como

consecuencia de esto la velocidad de viaje de los usuarios de la vía depende de

los aumentos de los volúmenes y la disminución de la capacidad de

adelantamiento

5.2.3 NIVELES DE SERVICIO SEGÚN EL HIGHWAY CAPACITY MANUAL -

HCM2010.

El concepto de nivel de servicio es una medida cuantitativa que lleva de manera

implícita un componente cualitativo en su resultado, este sirve para evaluar la

calidad del flujo vehicular. Dicha evaluación se basa en las condiciones de

operación y en la percepción de los usuarios.

La metodología del HCM2010 considera tres medidas de efectividad o condiciones

de operación necesarias para el cálculo del nivel de servicio de una vía de este

tipo:

25

Velocidad promedio de viaje - ATS: Como su nombre lo indica, es el

resultado de dividir la longitud del tramo estudiado entre el promedio de los

tiempos empleados por los vehículos en recórrelo.

Porcentaje de tiempo de seguimiento - PTSF: Es el porcentaje promedio

de tiempo que los vehículos tienen que viajar en pelotones reduciendo su

velocidad normal de viaje, esto como consecuencia de la imposibilidad de

adelantar a otros vehículos con velocidades inferiores que van adelante.

Este tiempo es un criterio bastante importante en la determinación del Nivel

de Servicio en la metodología del Manual HCM 2010.

Porcentaje de la velocidad de flujo libre - PFFS: La velocidad de flujo

libre es aquella a la cual los conductores sienten comodidad viajando, bajo

condiciones controladas ambientales, físicas y de tránsito (restricciones de

velocidad), en una sección descongestionada de una carretera. El

porcentaje de la velocidad de flujo libre hace referencia a la porción del

tiempo de viaje que el conductor puede disfrutar de velocidades cercanas o

iguales a la velocidad de flujo libre

Teniendo en cuenta las medidas de eficiencia operacional antes mencionadas y la

percepción que los usuarios puedan tener sobre las mismas, el HCM2010 define

seis niveles de servicio así:

Nivel de servicio A: Los usuarios experimentan altas velocidades de

operación y pocas dificultades para adelantar en carreteras Clase I. Los

pelotones son pocos comunes. En las carreteras Clase II, la velocidad

puede ser controlada inicialmente por las condiciones de la vía, se podría

esperar una pequeña cantidad de pelotones. En carreteras clase III, los

conductores deberían poder mantener velocidades de operación cercanas o

iguales a la velocidad de flujo libre (FFS) de la vía.

Nivel de servicio B: La demanda y la capacidad de adelantar están en

equilibrio. Tanto en carreteras clase I como carreteras clase II, comienzan a

notarse algunos pelotones. En las carreteras Clase II comienzan a aparecer

restricciones al flujo libre o las especificaciones geométricas reducen algo la

velocidad. La libertad para conducir con la velocidad deseada y la facilidad

de maniobrar dentro de la corriente vehicular se ven disminuidas, al ocurrir

ligeras interferencias con otros vehículos o existir condiciones de vía que

26

ofrecen pocas restricciones. Para mantener esta velocidad es preciso

adelantar con alguna frecuencia otros vehículos. El nivel general de libertad

y comodidad que tiene el conductor es bueno.

Nivel de servicio C: Representa condiciones medias cuando el flujo es

estable o empiezan a presentarse restricciones de geometría y pendiente.

La libertad para conducir con la velocidad deseada dentro de la corriente

vehicular se ve afectada al presentarse interferencias tolerables con otros

vehículos o existir deficiencias de la vía que son en general aceptables. El

nivel general de libertad y comodidad que tiene el conductor es adecuado.

Nivel de servicio D: El flujo todavía es estable y se presentan restricciones

de geometría y pendiente. No existe libertad para conducir con la velocidad

deseada dentro de la corriente vehicular, al ocurrir interferencias frecuentes

con otros vehículos, o existir condiciones de vía más defectuosas. El nivel

general de libertad y comodidad que tiene el conductor es deficiente.

Nivel de servicio E: Representa la circulación a capacidad cuando las

velocidades son bajas pero el tránsito fluye sin interrupciones. En estas

condiciones es prácticamente imposible adelantar, por lo que los niveles de

libertad y comodidad son muy bajos. La circulación a capacidad es muy

inestable, ya que pequeñas perturbaciones al tránsito causan congestión.

Aunque se han tomado estas condiciones para definir el nivel E, este nivel

también se puede alcanzar cuando limitaciones de la vía obligan a ir a

velocidades similares a la velocidad a capacidad, en condiciones de

inseguridad.

Nivel de servicio F: Representa la circulación congestionada, cuando el

volumen de demanda es superior a la capacidad de la vía y se rompe la

continuidad del flujo. Cuando eso sucede, las velocidades son inferiores a

la velocidad a capacidad y el flujo es muy irregular. Se suelen formar largas

colas y las operaciones dentro de éstas se caracterizan por constantes

paradas y avances cortos. También condiciones sumamente adversas de la

vía pueden hacer que se alcancen velocidades e irregularidades en el

movimiento de los vehículos semejantes a las descritas anteriormente.

27

5.2.4 Metodología del HCM2010 para el cálculo de niveles de servicio en

carreteras de dos carriles.

Como se mencionó en la sección anterior, la metodología del HCM2010 para

cálculo del nivel de servicio de una carretera de dos carriles se basa en tres

medidas de efectividad: la velocidad promedio de viaje – ATS, el porcentaje de

tiempo de seguimiento – PTSF y el porcentaje de la velocidad de flujo libre –

PFFS. Esta sección explica el procedimiento para determinar cada una de esas

medidas de efectividad en la medida que sean necesarias según la clase de vía

que se vaya a evaluar (Clases I, II y III), luego se procede a determinar el nivel de

servicio. Cada uno de los pasos de la metodología se describirá en las secciones

siguientes.

5.2.4.1 Paso 1: Datos de entrada

La Tabla 14 muestra un listado de los parámetros necesarios para desarrollar la

metodología para el cálculo del nivel de servicio planteada por el HCM2010 .

Simultáneamente sugiere algunos valores por defecto en caso de que no se

cuenten con ellos al momento de realizar el análisis.

Tabla 14. Datos de entrada requeridos y valores por defecto.

28

5.2.4.2 Paso 2: Estimación de la velocidad de flujo libre – FFS

La metodología del HCM2010 establece tres maneras para determinar la

velocidad de flujo libre así:

Velocidad de flujo libre medida en campo: La velocidad de flujo libre

puede ser medida en campo para cada segmento direccional o carril de

manera independiente. El procedimiento consiste en medir en el carril de

interés la velocidad de por lo menos 100 vehículos en condiciones de baja

demanda. Estas condiciones de baja demanda se presentan cuando el flujo

vehicular es igual o menor a 200 veh/h en ambos sentidos. La velocidad de

flujo libre equivale a la velocidad promedio de los vehículos muestreados.

Mediciones de campo con tasas de flujo mayores: En ciertos casos es

muy difícil observar tasas de flujo en ambos sentidos menores a 200 veh/h.

Por tal motivo se plantea un procedimiento similar al anterior, en el cual se

toman las velocidades de por lo menos 100 vehículos en el carril de interés

durante flujos vehiculares superiores a 200 veh/h y se toma el promedio de

estas mediciones. El flujo vehicular durante el periodo de análisis debe ser

medido también y luego con estos datos y aplicando la ecuación 15-1 se

obtiene el valor de la velocidad de flujo libre. En dicha ecuación aparece un

factor de ajuste por vehículos pesados el cual puede ser obtenido por las

ecuaciones 14-4 o 14-5 que se muestran más adelante.

Ecuación 15-1.

(

)

Donde:

FFS = Velocidad de flujo libre (mi/h)

SFM = Velocidad promedio de la muestra (v>200 veh/h) (mi/h)

v = Volumen en las dos direcciones durante el periodo de muestreo

(veh/h)

FHV, ATS = Factor de ajuste por vehículos pesados para la velocidad promedio

de viaje – ATS, de ecuación 15-4 o ecuación 15-5.

29

Velocidad de flujo libre estimada: El hecho de estimar la velocidad de

flujo libre en una carretera de dos carriles implica un gran reto ya que se ha

observado en la práctica que esta puede variar desde 45mi/h a 70mi/h(yy

km/h), lo cual genera un rango muy amplio de valores posibles. Para la

estimación de la velocidad de flujo libre se plantea el uso de la velocidad

base de flujo libre (BFFS por sus siglas en inglés), concepto que refleja las

condiciones de operación de la vía teniendo en cuenta la naturaleza del

tráfico y las características geométricas del trazado. La velocidad base de

flujo libre puede ser tomada de datos históricos de vías similares a la vía de

estudio, este valor también puede ser tomado como la velocidad de diseño

de la vía. Una vez se estima esta velocidad se procede a determinar la

velocidad de flujo libre según la ecuación 15-2:

Ecuación 15- 2

En la ecuación 15-2 se aplican dos factores de ajustes que hacen

referencia a las características geométricas de la vía. El primer factor (fLS)

de ajuste por ancho del carril y de berma que se toma de la Tabla 15, y el

segundo factor (fA) de ajuste por la densidad de los puntos de acceso que

se toma de la Tabla 16.

30

Tabla 15. Factores de ajuste por ancho de carril y ancho de berma.

Tabla 16. Factores de ajuste por la densidad de puntos de acceso.

5.2.4.3 Paso 3: Ajuste por demanda para la velocidad promedio de viaje –

ATS

Este paso aplica solamente para las carreteras de dos carriles Clase I y Clase II.

La determinación del nivel de servicio en carreteras de dos carriles Clase II no

depende de la velocidad promedio de viaje – ATS.

Para la estimación de la velocidad promedio de viaje – ATS, es necesario definir la

tasa de flujo de la demanda (vi,ATS) según la ecuación 15-3:

31

Ecuación 15- 3

Factor de hora pico – PHF.

El factor de hora pico representa la variación del tráfico dentro de la hora de mayor

demanda. Esta variación se establece en períodos de 15 minutos, si el volumen

para el período pico de 15 minutos es medido en campo, el valor del factor de

hora pico – PHF que se utiliza en la ecuación 15-3 equivale a 1. Esto indica una

distribución uniforme del tráfico durante la hora de máxima demanda

Factor de ajuste por pendiente de la velocidad promedio de viaje – ATS.

El factor de ajuste por pendiente (fg,ATS) refleja el impacto sobre la funcionalidad de

la vía debido al tipo de terreno sobre el cual esta fue construida, estos están

definidos para:

Segmentos extendidos (≥2mi) de terreno plano

Segmentos extendidos (≥2mi) de terreno ondulado

Pendientes positivas específicas

Pendientes negativas específicas

Un segmento con una pendiente de 3% o cercana a este valor y que tenga una

longitud de 0,6 millas o más, debe ser analizado como una pendiente específica

ya sea positiva o negativa. Una pendiente de 3% o mayor debe ser analizada

como pendiente específica si su longitud es igual o mayor a 0,25 millas.

32

La tabla 17 muestra los factores de ajuste para segmentos extendidos tanto

planos como ondulados, así mismo los factores para pendientes negativas

específicas. Para hacer uso correcto de la tabla se debe tener en cuenta lo

siguiente: la columna vvph se refiere al flujo de la demanda en la dirección de

interés expresado en vehículos por hora, y en caso tal que la demanda este

expresada como volumen horario, esta debe ser convertida en flujo dividiendo

entre el factor de hora pico. Esta última observación debe ser tenida en cuenta en

otras tablas relacionadas con el tema que se presentarán más adelante en el

documento. Por su parte, la tabla 18 muestra los factores de ajustes para

pendientes positivas específicas.

Tabla 17. Factores de ajuste para terreno plano, ondulado y pendientes negativas específicas.

33

Tabla 18. Factores de ajuste para pendientes positivas específicas.

Factor de ajuste por vehículos pesados de la velocidad promedio de viaje –

ATS.

La presencia de vehículos pesados es un factor importante que reduce la

velocidad promedio de viaje –ATS, sin embargo las condiciones base de esta

metodología no incluyen este tipo de vehículos por lo que es necesario introducir

un factor de ajuste adicional. El HCM2010 considera como vehículos pesados a

cualquier vehículo con cuatro o más llantas en contacto con el suelo durante su

operación. A su vez estos se clasifican en camiones (Trucks) y vehículos

recreacionales o buses (RVs).

Para la determinación del factor de ajuste por vehículos pesados. es necesario

hallar la cantidad equivalente de vehículos de pasajeros que tendrían un efecto

34

similar al del tráfico real con los vehículos pesados incluidos. La metodología del

HCM2010 especifica unos factores de equivalencia de vehículos de pasajeros

tanto para camiones como para buses, adicionalmente define cada uno de estos

para los siguientes tipos de terreno: segmentos extendidos de terreno plano,

segmentos extendidos de terreno ondulado, pendientes positivas específicas y

pendientes negativas específicas. Las tablas 19, 20 y 21 muestran cada uno de

los factores de equivalencia para diferentes tasas de flujo vehicular.

Tabla 19. Factores de equivalencia para camiones y buses en terreno plano, ondulado y pendientes negativas específicas.

35

Tabla 20. Factores de equivalencia para camiones en pendientes positivas específicas.

36

Tabla 21. Factores de equivalencia para buses en pendientes positivas específicas.

Una vez determinados los factores de equivalencia de vehículos de pasajeros, se

procede según la ecuación 15-4 a calcular el factor de ajuste por vehículos

pesados para la velocidad promedio de viaje.

Ecuación 15- 4

Vehículos de pasajeros equivalentes para camiones en marcha lenta sobre

pendientes negativas específicas.

37

Este análisis aplica para los casos en que las pendientes negativas sean muy

grandes, forzando a los camiones a descender en marcha lenta impactando aún

más la capacidad y nivel de servicio de la carretera. Cuando se presente esta

situación, el factor de ajuste se debe calcular con la ecuación 15-5 y no con la

ecuación 15-4:

Ecuación 15- 5

( ) ( ) ( ) ( )

Donde:

Ptc = Proporción de camiones operando en marcha lenta(decimal).

Etc = Carros de pasajeros equivalentes para camiones operando en marcha lenta (Tabla 22).

Tabla 22. Factores de equivalencia para camiones en marcha lenta sobre pendientes negativas

5.2.4.4 Paso 4: Estimación de la velocidad promedio de viaje – ATS.

De manera similar al paso anterior, este paso aplica solamente para las carreteras

de dos carriles Clase I y Clase III ya que las carreteras Clase II no usan la

velocidad promedio de viaje para la determinación del nivel de servicio. La

estimación de la velocidad promedio de viaje parte del valor de la velocidad de

flujo libre a la cual se le aplican algunos ajustes como se puede ver en la

ecuación15-6:

38

Ecuación 15- 6

El factor de ajuste por el porcentaje de zonas de no rebase (fnp,ATS) se toma de la

Tabla 22. Cabe resaltar que los valores de las tasas de flujo en el sentido opuesto

(v0) están dados en vehículos de pasajeros por hora, y no en vehículos por hora,

por lo cual aplican las recomendaciones sobre este tema mencionadas en el paso

anterior. Es de especial interés el hecho de que al aumentar el flujo vehicular en el

sentido opuesto al sentido de análisis, el efecto de las zonas de no rebase decrece

hasta cero. Lo anterior indica que a medida que el flujo contrario aumenta, el

porcentaje de zonas de no rebase tiende a ser irrelevante ya que la posibilidad de

rebase es controlada por el flujo en el sentido contrario.

39

Tabla 23. Factores de ajuste por el porcentaje de zonas de no rebase.

5.2.4.5 Paso 5: Ajuste por demanda del porcentaje de tiempo de seguimiento

– PTSF.

Este paso aplica solo para carreteras de dos carriles Clase I y Clase II. La

determinación del nivel de servicio de una carretera de dos carriles Clase III no

depende del porcentaje de tiempo de seguimiento – PTSF. El procedimiento para

40

determinar el PTSF es similar al procedimiento descrito para determinar la

velocidad promedio de viaje ATS, la diferencia radica en la determinación de los

factores de ajuste. Las ecuaciones 15-7 y 15-8 son usadas para la estimación del

porcentaje de tiempo de seguimiento – PTSF:

Ecuación 15- 7

Ecuación 15- 8

Los factores de ajuste necesarios en las ecuaciones anteriores son determinados

así:

Factor de ajuste por pendiente para el porcentaje de tiempo de seguimiento

– PTSF.

41

De la misma manera que para la velocidad promedio de viaje – ATS, el efecto de

la pendiente sobre el porcentaje de tiempo de seguimiento – PTSF está definido

para segmentos generales de terreno plano, ondulado y pendientes negativas

específicas (Tabla 23), así también para pendientes positivas específicas (Tabla

24).

Tabla 24. Factores de ajuste por pendiente para terreno plano, ondulado y pendientes negativas específicas.

Tabla 25. Factores de ajuste por pendiente para pendientes positivas específicas.

42

Factor de ajuste por vehículos pesados para el porcentaje de tiempo de

seguimiento – PTSF.

El procedimiento es similar al descrito en el paso 3 para la velocidad promedio de

viaje – ATS, a excepción que no se tiene un procedimiento especial para

camiones en marcha lenta sobre pendientes negativas específicas. Las tablas 26 y

27 muestran los factores de equivalencia para segmentos generalizados (plano y

ondulado) y pendientes positivas específicas respectivamente.

Tabla 26. Factores de equivalencia para camiones y buses en terreno plano, ondulado y pendientes negativas específicas.

43

Tabla 27. Factores de equivalencia para camiones en pendientes positivas específicas.

5.2.4.6 Paso 6: Estimación del porcentaje de tiempo de seguimiento – PTSF.

Este paso aplica solo para carreteras de dos carriles Clase I y Clase II. Teniendo

la demanda estimada de acuerdo a los pasos anteriores, se puede hacer lo mismo

con el porcentaje de tiempo de seguimiento – PTSF de acuerdo a la ecuación 15-

9:

44

Ecuación 15- 9

El valor del porcentaje base del tiempo de seguimiento – BPTSF bajo condiciones

base está dado por la ecuación 15-10 así:

Ecuación 15- 10

Los coeficientes a y b se obtienen de la Tabla 25. Por su parte, el factor de ajuste

por zonas de no rebase para PTSF se obtiene de la Tabla 26.

45

Tabla 28. Coeficientes a y b de acuerdo al flujo vehicular en el sentido contrario.

46

Tabla 29. Factores de ajuste por zonas de no rebase.

47

5.2.4.7 Paso 7: Estimación del porcentaje de la velocidad de flujo libre –

PFFS.

Este paso aplica solamente en el análisis de carreteras de dos carriles Clase III.

El porcentaje de tiempo de seguimiento se estima a partir de los valores obtenidos

anteriormente de velocidad de flujo libre y velocidad promedio de viaje, según la

ecuación 15-11:

Ecuación 15- 11

5.2.4.8 Paso 8: Determinación del nivel de servicio.

Una vez estimados los parámetros de eficiencia necesarios para cada tipo de

carretera, el nivel de servicio se determina mediante una comparación entre dicho

resultado y el criterio de la metodología planteado por el HCM2010, este último se

puede apreciar en las tablas 27, 28 y 29 para carreteras de dos carriles Clase I,

Clase II y Clase III respectivamente.

Tabla 30. Criterio del HCM2010 para la determinación de niveles de servicio en carreteras de dos carriles Clase I.

NIVEL DE SERVICIO

CARRETERAS CLASE I

ATS (mi/h) PTSF (%)

A >55 <=35

B >50 <=50

C >45 <=65

D >40 <=80

E <=40 >80

48

Tabla 31. Criterio del HCM2010 para la determinación de niveles de servicio en carreteras de dos carriles Clase II.

NIVEL DE SERVICIO

CARRETERAS CLASE II

PTSF (%)

A <=40

B <=55

C <=70

D <=85

E >85

Tabla 32. Criterio del HCM2010 para la determinación de niveles de servicio en carreteras de dos carriles Clase III.

NIVEL DE SERVICIO

CARRTERAS CLASE III

PFFS (%)

A >91.7

B >83.3

C >75.0

D >66.7

E <=66.7

6 DESARROLLO DEL PROGRAMA

6.1 Generalidades

El programa llamado HCM10 permite calcular el nivel de servicio de una carretera

de dos carriles de acuerdo a las características geométricas y de flujo definidas

por el usuario, esto se logra mediante la implementación de la metodología del

Highway Capacity Manual HCM 2010. A continuación se presentan los pasos

generales de uso del programa.

49

El programa fue desarrollado en Visual Basic para Microsoft Excel habilitado para

macros, esto con el fin de darle una mayor facilidad de acceso a cualquier usuario

que tenga Microsoft office.

6.2 Ventana principal

La ventana principal del programa es una hoja de cálculo de Microsoft Excel

habilitada para macros, en la cual se encuentran las siguientes hojas:

Inicio: Hoja principal de ejecución del programa

Reporte Clase I: Hoja de reporte de resultados para vías de Clase I (ver sección 6.7.1)

Reporte Clase II: Hoja de reporte de resultados para vías de Clase II (ver sección 6.7.2)

Reporte Clase III: Hoja de reporte de resultados para vías de Clase III (ver sección 6.7.3)

15-3 a 15-29: Hojas de tablas referenciadas directamente del HCM 2010.

6.3 Datos de entrada

El usuario debe ingresar las características geométricas y de flujo de la vía,

haciendo clic en el botón Inicio de la ventana principal.

50

Al hacer clic en el botón, se despliega la siguiente ventana para el ingreso de

datos:

51

El campo Clase de vía permite seleccionar una de tres opciones, como se

clasifican en el HCM 2010: Clase I, Clase II, o Clase III. Es obligatorio seleccionar

una opción para este campo.

Los campos Ancho de carril, Ancho de berma, Densidad de puntos de acceso,

Zonas de no sobrepaso, Velocidad base a flujo libre, Período de análisis, Factor

de hora pico, Porcentaje de camiones, y Porcentaje de RVs(Buses) deben

ingresarse como valores numéricos (con punto como separador decimal), con las

52

unidades correspondientes como se indica en la leyenda. En caso de no ingresar

ningún valor, los valores recomendados por el HCM 2010 en la tabla 15-5 serán

tomados por defecto.

El campo Terreno permite seleccionar una de dos opciones: Plano u Ondulado. En

caso de no seleccionar ninguna opción, la opción Plano será tomada por defecto.

Los campos Longitud del segmento y Volumen vehicular 2-dir deben ingresarse

como valores numéricos (con punto como separador decimal), con las unidades

correspondientes como se indica en la leyenda. Es obligatorio ingresar un valor

para estos campos.

El campo División direccional debe ingresarse como un valor porcentual de la

división de flujo para el carril con mayor demanda (e.g. si la división direccional es

60/40, debe ingresarse 60). En caso de no ingresar ningún valor, el valor

recomendado por el HCM 2010 en la tabla 15-5 será tomado por defecto.

6.3.1 Validación de datos de entrada

Al ingresar los datos de entrada de la vía de análisis, se debe hacer clic en el

botón Validar. Si el usuario no hace clic en este botón, el botón Continuar no será

habilitado.

En caso de no ingresar alguno de los valores obligatorios, al hacer clic en el botón

Validar se mostrarán los siguientes mensajes de error.

53

En cualquier caso, también se mostrará el siguiente mensaje de advertencia:

Los valores por defecto corresponden a los valores recomendados por el HCM

2010, en la tabla 15-5.

6.3.2 Cálculo de nivel de servicio

Una vez se validen los datos ingresados, al hacer clic en el botón Continuar, el

programa ejecutará el cálculo de nivel de servicio de la vía y mostrará el siguiente

mensaje:

54

De acuerdo a la clase de vía definida, el programa ejecutará la metodología

definida en el HCM 2010, según el diagrama de flujo 15-6.

6.3.3 Generación de reporte de resultados

Al hacer clic en el botón Aceptar, se mostrará el siguiente mensaje, que permite

seleccionar al usuario si desea generar un reporte de resultados para el análisis

efectuado.

Al hacer clic en el botón Aceptar, y dependiendo de la clase de vía seleccionada,

se mostrará una hoja de resultados que indican las variables definidas en el HCM

2010.

55

6.4 Carreteras de dos carriles Clase I

A continuación se describe el paso a paso del cálculo del nivel de servicio de una

carretera de dos carriles clase I.

6.4.1 Datos de entrada

El ingreso de los datos de entrada debe realizarse según se indica en la sección 3.

6.4.2 Estimación de velocidad a flujo libre

El factor de ajuste por ancho de carril y berma se obtiene de la tabla 15-7,

mientras el factor de ajuste por densidad de puntos de acceso se obtiene de la

tabla 15-8.

56

6.4.3 Ajuste por demanda para velocidad promedio de viaje

El volumen de demanda para la dirección se calcula como el volumen vehicular

total en las dos direcciones (ingresado por el usuario), multiplicado por el

porcentaje de división direccional.

El factor de ajuste por pendiente para ATS es tomado de la tabla 15-9, mientras el

factor de ajuste por vehículos pesados para ATS se calcula como:

Los carros pasajero equivalentes para camiones y RVs son tomados de la tabla

15-11.

57

6.4.4 Estimación de velocidad promedio de viaje

El factor de ajuste por porcentaje de zonas de no sobrepaso es tomado de la tabla

15-15.

6.4.5 Ajuste de demanda por porcentaje-de-tiempo-siguiendo

El factor de ajuste por pendiente para PTSF es tomado de la tabla 15-16. El factor

de ajuste por vehículos pesados para PTSF se calcula mediante la siguiente

expresión:

58

Los carros pasajero equivalentes para camiones y RVs se obtienen de la tabla 15-

18.

6.4.6 Estimación de porcentaje-de-tiempo-siguiendo

El porcentaje-de-tiempo-siguiendo base en la dirección de análisis se calcula

como:

59

Los coeficientes a y b se obtienen de la tabla 15-20. El factor de ajuste por zonas

de no sobrepaso para PTSF se obtiene de la tabla 15-21.

6.4.7 Determinación del nivel de servicio

El nivel de servicio para una vía clase I se determina como el peor nivel de servicio

calculado para las opciones (velocidad promedio de viaje y porcentaje-de-tiempo-

siguiendo), de acuerdo a la tabla 15-3.

LOS Class I Highways

ATS (mi/h) PTSF (%)

A >55 <=35

B >50 <=50

C >45 <=65

D >40 <=80

E <=40 >80

60

6.5 Carreteras de dos carriles Clase II

A continuación se describe paso a paso el cálculo del nivel de servicio de una

carretera de dos carriles Clase II.






tabla 15-8.

61

6.5.3 Ajuste de demanda por porcentaje-de-tiempo-siguiendo

El factor de ajuste por pendiente para PTSF es tomado de la tabla 15-16. El factor

de ajuste por vehículos pesados para PTSF se calcula mediante la siguiente

expresión:

Los carros pasajero equivalentes para camiones y RVs (Buses) se obtienen de la

tabla 15-18.

62

6.5.4 Estimación de porcentaje-de-tiempo-siguiendo

El porcentaje-de-tiempo-siguiendo base en la dirección de análisis se calcula

como:

Los coeficientes a y b se obtienen de la tabla 15-20. El factor de ajuste por zonas

de no sobrepaso para PTSF se obtiene de la tabla 15-21.


El nivel de servicio para una vía clase II se determina para el criterio de

porcentaje-de-tiempo-siguiendo, de acuerdo a la tabla 15-3.

63

LOS

Class II

Highways

PTSF (%)

A <=40

B <=55

C <=70

D <=85

E >85

64

6.6 Carreteras de dos carriles Clase III

A continuación se describe paso a paso el cálculo del nivel de servicio de una

carretera de dos carriles Clase III.






tabla 15-8.

65

6.6.3 Ajuste por demanda para velocidad promedio de viaje

El volumen de demanda para la dirección se calcula como el volumen vehicular

total en las dos direcciones (ingresado por el usuario), multiplicado por el

porcentaje de división direccional.

El factor de ajuste por pendiente para ATS es tomado de la tabla 15-9, mientras el

factor de ajuste por vehículos pesados para ATS se calcula como:

Los vehículos de pasajeros o carros pasajero equivalentes para camiones y RVs

(Buses) son tomados de la tabla 15-11.

66

6.6.4 Estimación de velocidad promedio de viaje

El factor de ajuste por porcentaje de zonas de no sobrepaso es tomado de la tabla

15-15.

6.6.5 Determinación de porcentaje de velocidad de flujo libre


El nivel de servicio para una vía clase III se determina para el criterio de

porcentaje de velocidad de flujo libre, de acuerdo a la tabla 15-3.

67

LOS

Class III

Highways

PFFS (%)

A >91.7

B >83.3

C >75.0

D >66.7

E <=66.7

68

6.7 Reportes de resultados

Los reportes de resultados siguen el formato que se muestra a continuación,

siendo específicos para la clase de vía analizada.

6.7.1 Reporte de resultados para clase I

Hoja

Paso 1: Datos de Entrada

Información Geométrica

Clase de vía C =

Ancho de carril LW = ft

Ancho de berma SW = ft

Densidad de puntos de acceso APD = /mi

Terreno Te =

Porcentaje de zonas de no sobrepaso PNPZ = %

Velocidad base a flujo libre BFFS = mi/h

Longitud del segmento L = mi

Información de Demanda

Volumen vehicular (ambas direcciones) v = veh/h

Período de análisis Δ t = min

Factor de hora pico PHF =

División direccional DS =

Porcentaje de camiones P T = %

Porcentaje de RVs P R = %

1Cálculo de Nivel de ServicioMetodología del Highway Capacity Manual 2010

Reporte de Resultados

69

Hoja

Paso 2: Estimación de Velocidad a Flujo Libre

f LS = mi/h

f A = mi/h

FFS = mi/h

Paso 3: Ajuste por Demanda para Velocidad Promedio de Viaje

V i = veh/h

v vph = veh/h

f g,ATS =

E T =

E R =

f HV,ATS =

v d,ATS = pc/h

v o,ATS = pc/h

Paso 4: Estimación de Velocidad Promedio de Viaje

f np,ATS = mi/h

ATS = mi/h

Factor de ajuste por densidad de puntos

de acceso

Cálculo de Nivel de Servicio

2Metodología del Highway Capacity Manual 2010


Factor de ajuste por ancho de carril y

berma

Factor de ajuste por tipo de terreno

Volumen de demanda en dirección de

análisis

Factor de ajuste por vehículos pesados

Volumen de demanda en dirección

opuesta

Velocidad a flujo libre

Volumen en la dirección de análisis

Volumen de demanda en vehículos por

hora

Carros pasajero equivalentes para RVs

Carros pasajero equivalentes para

camiones

Factor de ajuste por zonas de no

sobrepaso

Velocidad promedio de viaje

70

Hoja

Paso 5: Ajuste de Demanda para Porcentaje-de-Tiempo-Siguiendo

f g,PTSF =

E T =

E R =

f HV,PTSF =

v d,PTSF = pc/h

v o,PTSF = pc/h

Paso 6: Estimación de Porcentaje-de-Tiempo-Siguiendo

a =

b =

BPTSF = %

f np,PTSF = %

PTSF = %

Paso 7: Determinación de Nivel de Servicio

LOS ATS =

LOS PTSF =

LOS =



Factor de ajuste por tipo de terreno


camiones

Carros pasajero equivalentes para RVs


Nivel de servicio

Nivel de servicio por porcentaje-de-

tiempo-siguiendo



análisis


opuesta

Coeficiente

Coeficiente

Porcentaje-de-tiempo-siguiendo base


sobrepaso

Porcentaje-de-tiempo-siguiendo

Nivel de servicio por velocidad promedio

de viaje

71

6.7.2 Reporte de resultados para clase II

Hoja



Clase de vía C =




Terreno Te =














72

Hoja


f LS = mi/h

f A = mi/h

FFS = mi/h

Paso 3: Ajuste por Demanda para Porcentaje-de-Tiempo-Siguiendo

V 1 = veh/h

V 2 = veh/h

v 1 = veh/h

v 2 = veh/h

f g,PTSF1 =

f g,PTSF2 =

E T1 =

E T2 =

E R1 =

E R2 =

f HV,PTSF1 =

f HV,PTSF2 =

v 1,PTSF = pc/h

v 2,PTSF = pc/h

Volumen en la dirección opuesta

Volumen de demanda en la dirección de

análisis

Volumen de demanda en la dirección

opuesta

Factor de ajuste por tipo de terreno para la

dirección de análisis


dirección opuesta


camiones en la dirección de análisis


camiones en la dirección opuesta


para la dirección opuesta


para la dirección de análisis


análisis


opuesta

Carros pasajero equivalentes para RVs en

la dirección opuesta





berma


de acceso




la dirección de análisis

73

Hoja

Paso 4: Estimación de Porcentaje-de-Tiempo-Siguiendo

a 1 =

a 2 =

b 1 =

b 2 =

BPTSF 1 = %

BPTSF 2 = %

f np,PTSF1 = %

f np,PTSF2 = %

PTSF 1 = %

PTSF 2 = %


LOS 1 =

LOS 2 =

LOS =Nivel de servicio


sobrepaso para la dirección de análisis


sobrepaso para la dirección opuesta

Porcentaje-de-tiempo-siguiendo para la

dirección opuesta

Nivel de servicio para la dirección de

análisis

Nivel de servicio para la dirección opuesta

Coeficiente para la dirección opuesta

Coeficiente para la dirección de análisis

Coeficiente para la dirección opuesta

Porcentaje-de-tiempo-siguiendo base para


Porcentaje-de-tiempo-siguiendo base para


Porcentaje-de-tiempo-siguiendo para la





Coeficiente para la dirección de análisis

74

6.7.3 Reporte de resultados para clase III

Hoja



Clase de vía C =




Terreno Te =














75

Hoja


f LS = mi/h

f A = mi/h

FFS = mi/h

Paso 3: Ajuste por Demanda para Velocidad Promedio de Viaje

V 1 = veh/h

V 2 = veh/h

v 1 = veh/h

v 2 = veh/h

f g,ATS1 =

f g,ATS2 =

E T1 =

E T2 =

E R1 =

E R2 =

f HV,ATS1 =

f HV,ATS2 =

v 1,ATS = pc/h

v 2,ATS = pc/h

Volumen de demanda en la dirección

opuesta




dirección opuesta


camiones en la dirección de análisis


camiones en la dirección opuesta






para la dirección de análisis


para la dirección opuesta


análisis


opuesta

Volumen de demanda en la dirección de

análisis





berma


de acceso



Volumen en la dirección opuesta

76

Hoja

Paso 4: Estimación de Velocidad Promedio de Viaje

f np,ATS1 = mi/h

f np,ATS2 = mi/h

ATS 1 = mi/h

ATS 2 = mi/h

Paso 5: Determinación de Porcentaje de Velocidad de Flujo Libre

PFFS 1 = %

PFFS 2 = %


LOS 1 =

LOS 2 =

LOS =

Nivel de servicio para la dirección de

análisis

Nivel de servicio para la dirección opuesta

Nivel de servicio

Porcentaje de velocidad de flujo libre para


Porcentaje de velocidad de flujo libre para


Velocidad promedio de viaje para la


Velocidad promedio de viaje para la

dirección opuesta





sobrepaso para la dirección de análisis


sobrepaso para la dirección opuesta

77

7 CONCLUSIONES

La herramienta computacional que se desarrolló en el presente proyecto de grado

cumple con los objetivos planteados por el mismo. El programa HCM10 puede

determinar el nivel de servicio de una carretera de dos carriles, de una manera ágil

y en una plataforma conocida y fácil de usar como lo es Microsoft Excel. El

procedimiento usado por el programa HCM10 corresponde a la metodología para

el cálculo de niveles de servicio de la última versión del Highway Capacity Manual

– HCM2010.

El aporte académico del programa es significativo en la medida que permite

comparar los resultados que se obtienen por el método del INVIAS con los

resultados que se obtienen con la metodología del HCM2010. Así mismo, la

herramienta HCM10 brinda un soporte profesional adicional a los ingenieros del

área de tránsito y transporte en Colombia, a la hora de llevar a cabo un análisis

operacional en carreteras de dos carriles.

El paso siguiente en el alcance de este proyecto de grado consiste en evaluar los

parámetros o factores de ajuste establecidos por el INVIAS en la metodología del

HCM2010, esto para poder establecer un comparativo y una posterior

recomendación con miras a una posible actualización del método colombiano.

8 BIBLIOGRAFÍA

UNIVERSIDAD DEL CAUCA. Manual de capacidad y niveles de servicio

para carreteras de dos carriles. Popayán. 1996. 43 p. + anexo. Convenio

Interinstitucional No. 1014 de 1995 Instituto Nacional de Vías – Universidad

del Cauca.

NATIONAL RESEARCH COUNCIL (U. S.). TRANSPORTATION

RESEARCH BOARD. Washington, D.C. HCM2010 Highway Capacity

Manual. 5 th ed.

HERRERA, Juan Carlos. Determinación de factores de equivalencia

vehicular para carreteras de dos carriles en Colombia. Popayán, 1991. 150

p : II. Tesis (Magister en Ingeniería de Tránsito y Transporte). Universidad

del Cauca. Instituto de Posgrado en Vías e Ingeniería Civil.

78

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA.

Influencia de las zonas de no rebase en la velocidad de los vehículos.

Tunja. 1996. 24 p. + anexo. Informe de investigación. Convenio

Interinstitucional No. 1014 de 1995 Instituto Nacional de Vías – Universidad

del Cauca.

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