Cesar Alvarez, Teresa Carbonó, luz Neydis

Mancilla, Liliana Ortiz, Kevin Torres, Heidy

Zarate.

UNIVERSIDAD DEL MAGDALENA

25/11/2014

2014CAPACIDAD VIAL: AV. DEL RIO CON AV. FERROCARRIL

INTRODUCCIÓN

La pérdida de tiempos ocasionados por las demoras en intersecciones requiere herramientas de análisis capaces de encontrar las mejores estrategias para posibilitar un tránsito fluido. Herramientas que ayuden a minimizar esta demora y aumente la eficiencia en el servicio o en este caso que el nivel del servicio sea mejor.

El análisis de capacidad y nivel de servicio de calles urbanas implica que debe conocerse el funcionamiento de cada uno de los componentes claves para poder integrarlos adecuadamente, por una parte están las intersecciones semaforizadas.

Los semáforos son dispositivos de señalización mediante los cuales se regula la circulación de vehículos, bicicletas y peatones en vías, asignando el derecho de paso o prelación de vehículos y peatones secuencialmente, por las indicaciones de luces de color rojo, amarillo y verde, operadas por una unidad electrónica de control.

El semáforo es un dispositivo útil para el control y la seguridad, tanto de vehículos como de peatones. Debido a la asignación, prefijada o determinada por el tránsito, del derecho de vía para los diferentes movimientos en intersecciones y otros sitios de las vías, el semáforo ejerce una profunda influencia sobre el flujo del tránsito. Por lo tanto, es de vital importancia que la selección y uso de tan importante artefacto de regulación sea precedido de un estudio exhaustivo del sitio y de las condiciones del tránsito.

En el presente trabajo se pretende determinar los tiempos del semáforo y el ciclo optimo que este debe tener para operar de forma eficiente, de acuerdo a volúmenes vehiculares tomados en los cuatro accesos, ubicados en la intersección avenida del rio con avenida ferrocarril. También con base a los tiempos de ciclo (verde, rojo y amarillo) que posee la intersección actualmente (tiempos tomados en campo), demoras presentadas, entre otros factores, se pretende determinar el nivel de servicio al cual está operando actualmente la vía.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Determinar el tiempo de ciclo óptimo que debe tener la intersección.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar para cada acceso los tiempos de verde, rojo, amarillo y todo rojo, que debe presentar el semáforo para permitir el flujo eficiente de vehículos.

Catalogar, de acuerdo a los tiempos tomados en campo, el nivel de servicio, al cual está operando la intersección actualmente.

Calcular los factores que afectan el tiempo de retraso (demoras) en una intersección semaforizada los cuales alteran el nivel de servicio de la intersección.

MARCO TEÓRICO

CAPACIDAD VÍAL EN INTERSECCIONES CON SEMÁFOROS

El análisis de capacidad, implica el cálculo de la relación volumen/capacidad para los movimientos críticos. El análisis del nivel de servicio se basa en la demora media de los vehículos detenidos en los semáforos.

NIVELES DE SERVICIO

Se encuentran en función de las demoras, estos niveles se expresan en términos de demora media por vehículo debida a detenciones para un periodo de análisis de 15 minutos, considerado como periodo de máxima demanda, se puede presentar por el tiempo perdido de viaje, el consumo de combustibles, la incomodidad y la frustración.

Estos se clasifican en:

A. Se representa con demoras menores a 10 segundos. Se caracteriza porque los vehículos llegan a la intersección cuando se encuentran en fase verde y no se detienen del todo. También ocurre cuando se trabajan con ciclos de operaciones corto.

B. Operan con demoras entre 10 y 20 segundos, en este caso algunos vehículos comienzan a detenerse

C. Operación con demora entre 20 y 35 segundos, ahora el transito se maneja de manera regular y en algunos casos los ciclos comienzan a estropease.

D. Operan con demoras entre 35 y 55 segundos, las demoras en este caso son bastante grandes a consecuencia de la mala circulación del tránsito o llegadas en la fase roja, los ciclos en el semáforo son amplios, o también hay una alta relación volumen/capacidad. Esto trae como consecuencia que los vehículos se detengan mucho más y los ciclos se malogran mucho más.

E. Operación con demoras entre 55 y 80 segundos por vehículo. Este tiempo de demoras se considera como un límite aceptable de demoras. Estas son causadas por circulación del tránsito muy lento, ciclos muy largos y relaciones de volumen/capacidad muy altas

F. Operan con demoras mayores a 80 segundos, el flujo de llegada excede la capacidad de los accesos de la intersección, lo cual ocasiona congestionamiento y operación saturada

METODOLOGÍA DE ANÁLISIS OPERACIONAL

El análisis operacional permite determinar la capacidad y el nivel de servicio de cada grupo de carriles o accesos, como también se analiza el nivel de servicio de toda la intersección. Para este análisis se tienen que tener en cuenta diferentes parámetros que afectan los niveles de servicio de las intersecciones como son:- Condiciones geométricas- Condiciones del transito

- Condiciones del control Semafórico

Condiciones geométricas

Estas condiciones se refieren a la configuración física de la intersección en términos de número de carriles, ancho de carriles, movimientos por carriles, ubicación de estacionamiento, longitudes de bahías para vueltas y pendientes de los accesos.

Condiciones de tránsito

Se deben tener todos los volúmenes de tránsito para cada movimiento en cada acceso y su composición en autos, buses y camiones. Se deberán tener en consideración los buses urbanos que realizan paradas, antes y después de las intersecciones, las cuales se pueden generan demoras en las intersecciones, los que no paren se consideraran vehículos pesados.

También se deberán tener en cuenta los flujos de peatones y ciclistas.La calidad de la progresión del flujo vehicular entre intersecciones se describe por seis tipos:1. Llegan al inicio del ciclo rojo, con grupos densos y calidad de

progresión muy deficiente.2. Llegadas a mitad del rojo, con grupos moderados de vehículos. 3. Producirán una progresión desfavorable en calles de doble sentido4. Llegadas aleatorias, en cualquier parte del ciclo. Los beneficios en la

progresión son mínimos.5. Llegan a la mitad del verde, con grupos moderados. La progresión es

favorable en calles de doble sentido.6. Llegadas al inicio del verde con grupos densos de vehículos. La

calidad de la progresión es muy favorable.7. Progresión excelente. Grupos densos que progresan a través de

varias intersecciones cortamente espaciadas.

Condiciones de semáforo

Se refiere al diagrama de fases que muestra el ciclo de fases, la longitud del ciclo, tiempos de verdes e intervalos de cambio y despeje, para cada uno de los movimientos.

AGRUPACIÓN DE CARRILES

Se deberán establecer en la intersección grupos de carriles apropiados, considerando la geometría de la intersección y la distribución de los movimientos de vehículos. Deberán establecerse grupos de carriles separados, cuando se dispongan de vuelta a la izquierda y derecha exclusiva; los demás carriles directos se consideraran un grupo simple.Cuando se tenga grupos de carriles de vuelta a la izquierda compartidos, se verá evaluar la separación en el carril compartido para determinar si

efectivamente funciona como carril exclusivo de vuelta a la izquierda. Se puede analizar de la siguiente manera:

V I<V a−V I

N−1

V I≥V a−V I

N−1

Donde:

V I=¿ Volumen actual de vuelta a la izquierda (vehículos/h)V a=¿Volumen actual en el acceso (vehículos/h)N=¿Numero de carriles del acceso.Si se cumple la desigualdad 1, el carril externo izquierdo es un carril compartido y se usa un solo grupo de carriles para todo el acceso. Si por el contrario se cumple la 2, el carril extremo izquierdo actúa como un carril exclusivo de vuelta a la izquierda, y se deberá establecerse como un grupo separado de carriles.

DETERMINACIÓN DE LA TASA DE FLUJO

Se deberá convertir los volúmenes horarios a tasas de flujo de 15 minutos a través del factor de la hora de máxima demanda:

V p=V

FHMD

V p=¿ Tasa de flujo durante los 15 minutos más cargados (vehículos/h)V=¿Volumen horario (vehículos/h)FHMD=¿Factor de la hora de máxima demanda.

DETERMINACIÓN DE LA TASA DE FLUJO DE SATURACIÓN

El flujo de saturación es la tasa máxima de flujo, en un acceso o grupos de carriles. El flujo de saturación se expresa en vehículos por hora de luz verde, y puede determinar mediante estudios de campo o calcularse con la siguiente expresión:

si=so (N ) ( f w ) ( f HV ) ( f g ) ( f p ) ( f bb ) (f a) ( f LU ) (f RT ) ( f Lpb ) ( f Rpb)Dónde:

si=¿Tasa de flujo de saturación del grupo de carriles i (veh/hora verde).so=¿Tasa de flujo de saturación base por carril.N=¿Numero de carriles del grupo de carriles.f w=¿Factor de ajuste por ancho de carriles.f HV=¿ Factor de ajuste por vehículos pesados.f g=¿Factor de ajuste por pendiente del acceso.

f p=¿Factor de ajuste por estacionamiento adyacente al grupo de carriles.f bb=¿Factor de ajuste por bloqueo de buses que paran en el área de la intersección.f a=¿Factor de ajuste por tipo de área.f LU=¿Factor de ajuste por utilización de carriles.f ¿=¿Factor de ajuste por vueltas a la izquierda.f RT=¿Factor de ajuste por vueltas a la derecha.f Lpb=¿Factor de ajuste por peatones y bicicletas para vueltas vehiculares a la izquierda.f Rpb=¿Factor de ajuste por peatones y bicicletas para vueltas vehiculares a la derecha.

DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD Y LA RELACIÓN VOLUMEN/CAPACIDAD

La capacidad es la tasa de flujo máxima que puede pasar por una intersección, bajo diferentes condiciones del tránsito, calle y semáforo. Se calcula mediante la siguiente expresión

c i=si( gi

C )c i=¿Capacidad del grupo de carriles i (vehículos/h)si=¿Tasa de flujo de saturación del grupo de carriles i (vehículos/hora verde).gi=¿Tiempo verde efectivo para el grupo de carriles i (segundos verdes).gi /C=¿Relación de verde efectivo para el grupo de carriles i .

El grado de saturación es la relación entre el volumen/capacidad, y calcula como:

X i=v i

c i

Reemplazando la expresión de la capacidad se obtiene:

X i=v i

si( gi

C )Para evaluar globalmente la intersección se utiliza el grado de saturación crítico, se calcula como:

X c=( CC−L )[∑( vs )

ci]

Dónde:

X c=¿Relacion volumen/capacidad critica de la intersección.C=¿Cliclo del semáforo (s)

L=¿Tiempo total perdido por ciclo (s)

∑ ( vs )ci=¿Sumatoria de las relaciones de flujo de todos los grupos de

carriles críticos i.

DETERMINACIÓN DE LAS DEMORAS

Las demoras por control incluyen los movimientos a velocidades bajas y detenciones en los accesos a la intersección, cuando los vehículos disminuyen la capacidad corriente. 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 pro coordinación. Tiene en cuenta los efectos de la coordinación de los semáforos.d2=¿Demora incremental (s/veh), que tiene 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 tiene en cuenta las demoras de todos los vehículos debido a la presencia de colas iniciales antes del periodo de análisis.

Factor de ajuste por coordinación

La coordinación afecta principalmente a la demora uniforme, por lo que se realiza el ajuste solo a d1, mediante la siguiente expresión:

PF=(1−P) f PA

1−( gC )Donde:

P=¿Proporcion de vehículos que llegan en verdeg/C=¿Proporcion de tiempo verde disponiblef PA=¿Factor de ajuste suplementario por grupos vehiculares que llegan durante el verde

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 mientras se despliega la fase verde. El valor de P también se puede estimar como:

P=R p( gC )Donde Rp representa la relación de grupo de vehículos.

Demora uniforme

La demora uniforme d1, sucedería si los vehículos llegaran uniformemente distribuidos, tal que no existe saturación durante ningún ciclo. Se determina mediante la siguiente expresión:

d1=0,5C(1− g

C )1−[min (1 , X ) g

C ] Demora incremental

Este tipo de demora tiene en cuenta las llegadas aleatorias de los vehículos, que en ciertas ocasiones saturación en los ciclos. Se expresa como:

d2=900T [ (X−1 )+√ (X−1 )2+ 8klXcT ]

Donde:

T=¿Duracion del periodo de análisis (0,25h)k=¿Factor de demora incremental que depende del ajuste de los controladores en intersecciones. Donde k=0,50 para intersecciones prefijadas.l=¿Factor de ajuste por entradas de la intersección corriente arriba, l=1 para intersecciones aisladas.

Demora por cola inicial

Este tipo de demora se analiza cuando existe una cola inicial o residual que estaba antes del periodo de análisis. Si el grado de saturación es mayor que uno, se deberá calcular la demora por cola inicial. La demora por cola se calcula de la siguiente forma:

d3=1800Qb (1+u )t

cTDonde:

Qb=¿Cola inicial al principio del periodo T (veh)c=¿capacidad (veh/h)T=¿Duracion del periodo de análisis (0,25h)t=¿Duracion de la demanda insatisfecha (h)u=¿Parametros de demoraExisten 5 casos para estimar la demora pro cola inicial:

Caso I: el periodo no tiene cola inicial y sin saturación, Qb=0 , d3=0Caso II: el periodo no tiene cola inicial y es sobresaturado, Qb=0 , d3=0

Caso III: cuando la cola inicial se disipa durante el periodo de análisis. 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. En este caso qT <cT .Caso V: cuando la demanda en T excede la capacidad. Entonces qT >cT ,Para los casos III, IV, V:

t=0 , siQb=0 , deotramanera :

t=min {T ,Qb

c [1−min (1 , X )] }u=0 si t<T ,deotramanera :

u=1−cT [1−min (1 , X )]

Q b

El tiempo que se demora en despejar el acceso se calcula de la siguiente manera:

T c=max(T ,Q b

c+TX )

Demoras agregadas

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

d A=∑i=1

A

(d i v i)

∑i=1

A

vi

A=¿Numero de grupos de carriles en el acceso Ad A=¿Demora en el acceso a (s/veh)d i=¿Demora en el grupo de carriles i, en el acceso A (s/veh)v i=¿Volumen ajustado del grupo de carriles i (veh/h)

La demora en la intersección se determina como un promedio ponderado de las demoras en todos los accesos de la intersección, según:

d I=∑A=1

I

(d A v A )

∑A=1

I

v A

I=¿Numero de accesos de la intersección Id I=¿Demora en la intersección I (s/veh)d A=¿Demora en el acceso A (s/veh)vA=¿Volumen ajustado del acceso A (veh/h)

DETERMINACIÓN DEL NIVEL DE SERVICIO

Como se ha descrito anteriormente, el nivel de servicio de una intersección está en función de la demora promedio por controles por vehículos. Se determinara los niveles de servicio de cada acceso y de la intersección globalmente, con los valores de niveles de servicio descritos anteriormente.

Luego se compara los resultados obtenidos en demoras y se clasifica de acuerdo a la siguiente tabla:

Nivel de servicio

Demora por control

(seg/veh)A ≤10B >10-20C >20-35D >35-55E >55-80F >80

Tabla 1. Niveles de servicio en intersecciones con semáforo

CÁLCULO DE LOS TIEMPOS DE SEMÁFORO

Intervalo de cambio de fase

y=(t+ v2a )+(W+L

v )y=intervalo de cambiode fase , amarillomas todo rojo (s ) .t=tiempo de percepcion−reacciondel conductor ,usualmente1.0 seg.v=velocidad de aproximacionde vehículos .a=tasa dedesaceleracion(valor usual 3.05m /s2)W=anchode lainterseccion .L=longitud de vehículo (valor típico6.10m)

Longitud de ciclo

Co=1.5L+5

1−∑i=1

φ

Y i

Vehículos equivalentes

f HV=100

100+PT (ET−1 )+PB (EB−1)

f HV=factor de ajuste por vehiculos pesados .PT=porcentaje decamiones en lacorriente vehicular .ET=automovil equivalente auncamion .PB=porcentaje debuses en lacorriente vehicular .EB=automovil equivalente aunbus .

Flujos de automóviles directos equivalentes

q ADE=VHMDFHMD ( 1f HV

) Tiempo total perdido por ciclo

L=∑i=1

φ

( A i+TRi )

Tiempo verde efectivo total

gT=C−L

Tiempo verde efectivo por fases

gi=Y i

∑i=1

φ

Y i

(gT )

Tiempo verde real por fases

Gi=gi+ I i−Ai−TRi

PROCEDIMIENTO

Se tomó cada 15 minutos, durante una hora el volumen vehicular de cada acceso (Norte, Sur, Este y Oeste), después tomamos los tiempos de cada uno de los semáforos de la intersección ubicados en la Avenida del Rio con Avenida del Ferrocarril. Luego se hizo el respetivo análisis para cada acceso y se calcularon los tiempos de semáforo y el nivel de servicio de la intersección.

CALCULOS

Semaforización

Duración del ciclo en campo:

Todo Rojo: 2 s

Saturación: 2000 V/h

Factor Horario de máx. Demanda (FHMD): 0.894

Velocidad: 41 km/h

FASE ACCESOTIEMPO (s)

VERDE AMARILLO ROJO1 S 42 3 852 E 30 3 683 N 32 3 654 W 30 3 68

COMPOCISION VEHICULAR (FASE I)AUTOS 1827BUSES 38CAMIONES 15TOT. VEHICULOS 1880

COMPOCISION VEHICULAR (FASE II)AUTOS 723

BUSES 11CAMIONES 6TOT. VEHICULOS 740

COMPOCISION VEHICULAR (FASE III)AUTOS 1792BUSES 37CAMIONES 15TOT. VEHICULOS 1844

COMPOCISION VEHICULAR (FASE IV)AUTOS 850BUSES 13CAMIONES 7TOT. VEHICULOS 870

Se procede a calcular el intervalo de cambio de fase:

Y=(t+ V2a )+(W+L

V )Y=(1 s+ 14,20m /s

2∗(3.05m

s2))+( 18,2m+6.1m

14,20m /s )

Y=3.32 s+1.71 s

Y=5 .03 s≅ 5 s

Ahora, encontramos el factor de ajuste para vehículos pesados para cada uno de los accesos

Acceso Norte:

f vp=100

100+2 (1,5−1 )+0.8(1,5−1)=0,98

Acceso Sur:

f vp=100

100+2 (1,5−1 )+0.8(1,5−1)=0,98

Acceso Oriente:

f vp=100

100+1.15 (1,5−1 )+0.8(1,5−1)=0,99

Acceso Occidente:

f vp=100

100+1.14 (1,5−1 )+0.8 (1,5−1)=0,99

Ahora calculamos el flujo de automóviles directos para cada acceso con los siguientes datos obtenidos en campo:

HACIA EL NORTE(Frente carril derecho)

HACIA EL OCCIDENTE(Izquierda)

HACIA EL ORIENTE(Derecha)

AVENIDA FERROCARRIL (FASE I)

837 136520

HACIA EL NORTE (Frente carril central)

3871880TOTAL

TOTAL

HACIA EL OCCIDENTE(Frente Carril derecho)

HACIA EL OCCIDENTE(Frente Carril derecho)

367 325740

48

HACIA EL NORTE(Derecha)

AVENIDA DEL RIO (FASE II)

523TOTAL

HACIA EL SUR(Frente Carril Central)

AVENIDA FERROCARRIL (FASE III)HACIA EL SUR

(Frente Carril Izquierdo)HACIA EL OCCIDENTE

(Izquierda)HACIA EL ORIENTE

(Derecha)

1844793 420 108

TOTAL

HACIA EL ORIENTE(Frente Carril Central)

HACIA EL ORIENTE(Frente Carril Derecho)

140870

AVENIDA DEL RIO(FASE IV)

378

HACIA EL SUR(Derecha)

352

ACCESO SUR (Av. Ferrocarril (Fase I))

Frente Carril Derecho:

qade=( 8370.894 )∗( 10.98 )=955

Frente Carril Centro:

qade=( 3870.894 )∗( 10.98 )=442

Giro a la derecha:

qade=( 1360.894 )∗( 10.98 )∗1 .4=217

Giro a la izquierda:

qade=( 5200.894 )∗( 10.98 )∗1.6=950

ACCESO ORIENTE (Av. Del Rio (Fase II))

Frente Carril Derecho

qade=( 3670.894 )∗( 10.99 )=414

Frente Carril central

qade=( 3250.894 )∗( 10.99 )=367

Giro a la derecha

qade=( 480.894 )∗( 1

0.99 )∗1 .4=76ACCESO NORTE (Av. Ferrocarril (Fase III))

Frente Carril Izquierdo:

qade=( 5230.894 )∗( 10.98 )=596

Frente Carril Centro:

qade=( 7930.894 )∗( 10.98 )=905

Giro a la derecha:

qade=( 1080.894 )∗( 10.98 )∗1.4=172

Giro a la izquierda:

qade=( 4200.894 )∗( 10.98 )∗1.6=767

ACCESO OCCIDENTE (Av. Del Rio (Fase IV)

Frente Carril Derecho

qade=( 1400.894 )∗( 10.99 )=158

Frente Carril central

qade=( 3780.894 )∗( 10.99 )=427

Giro a la derecha

qade=( 3520.894 )∗( 10.99 )∗1.4=556

Tiempo total perdido por ciclo: L

L=AMBAR∗4+TR∗4

L=(3∗4 )+(2∗4 )

L=20 s

Máxima relación de flujo (q )a flujo de saturación (S)

Y 1=9551800

=0.43

Y 2=4141800

=0.18

Y 3=9051800

=0.411

Y 4=5561800

=0.252

Longitud del ciclo optimo C0

C0=1.5∗L+5

1−∑i=1

∅

y i

C0=1.5∗(20)+5

1−(0.43+0.18+0.411+0.252)

C0=128.67 s

Longitud del ciclo a utilizar:

C=130 s

Tiempo verde efectivo total: (g¿¿T )¿

gT=C0−L

gT=130−20

gT=110 s

Tiempo verde efectivo: gi

gi=Y 1

∑i=1

∅

y i

∗(gT )

gi=0.431.273

∗(110 )=37 s

gi=0,181.273

∗(110 )=15 s

gi=0.4111.273

∗(110 )=35 s

gi=0.2521.273

∗(110 )=21 s

CONCLUSIÓN

Con base a los resultados obtenidos podemos concluir que:

En comparación con los tiempos obtenidos en campo, podemos decir que son relativamente parecidos, ya que la diferencia en cuanto a los tiempos verdes, amarillo, rojo y todo rojo, no es mucho mayor.

La intersección nos dio con un nivel de servicio grado F, lo cual observando las características vistas en campo, nos dio un resultado bastante parecido a la realidad, ya que los tiempos de demora son mayores a 80s

BIBLIOGRAFÍA

Highway Capacity Manual (HCM-2000). Fundamentos y aplicaciones de la ingeniería de tránsito (James

Cárdenas , Cal y mayor).

ANEXOS