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CAMINOS I - CAPACIDAD DE UN SISTEMA VIAL - CURSO 2008RESUMEN Y EJERCICIOS

CAPACIDAD VIAL (Recopilación bibliográfica y resumen gentileza del Ing. Guillermo Gigena, auxiliar docente del Area Transportes, Facultad de Ingeniería UNLP)IntroducciónUn estudio de capacidad de un sistema vial es al mismo tiempo un estudio cuantitativo y cualitativo, el cual permite evaluar la suficiencia (cuantitativo) y la calidad (cualitativo) del servicio ofrecido por el sistema (oferta) a los usuarios (demanda).La demanda vehicular es la cantidad de vehículos que requieren desplazarse por un determinado sistema u oferta vial. La oferta vial ó capacidad, representa la cantidad máxima de vehículos que finalmente pueden desplazarse ó circular en dicho espacio físico.Si la demanda vehicular < oferta vial, el flujo será no saturado y los niveles de operación variarán de excelentes a aceptables.Si la demanda vehicular = oferta vial, se llega a la capacidad del sistema. El tránsito se torna inestable y se puede llegar a la congestión.Si la demanda vehicular > oferta vial, el flujo será forzado, presentándose detenciones frecuentes y grandes demoras.Para determinar la capacidad de un sistema vial, rural ó urbano, no sólo es necesario conocer sus características físicas ó geométricas, sino también las características de los flujos vehiculares, bajo una variedad de condiciones de operación sujetas a los dispositivos de control y al medio ambiente.Así mismo, no puede tratarse la capacidad de un sistema vial sin hacer referencia a otras consideraciones importantes que tiene que ver con la calidad del servicio proporcionado.

AntecedentesSe puede afirmar, que los EEUU, han sido precursores en la materia y a través de sus organismos viales han venido estudiando el tema desde 1920, año en que fue constituido como centro de investigación vial, el Highway Research Board (HRB), actualmente Transportation Research Board (TRB). Dentro de ese organismo ha funcionado la Comisión de Capacidad de Caminos la que ha ido realizando a lo largo del tiempo, las distintas ediciones del Manual de Capacidad de Carreteras (Highway Capacity Manual, HCM).El Bureau of Public Roads (BPR) ha cooperado estrechamente con el HRB desde su creación y ha efectuado contribuciones importantes como la preparación de la primera edición del Manual de Capacidad de Caminos, editado en el año 1950.

En esa primera versión del manual, ya se estudiaba el tema dividiendo el tránsito en:a) De corriente ininterrumpida ó de circulación continua: esta sólo puede ocurrir en

autopistas urbanas y en secciones de caminos rurales, que no están afectadas por la influencia de las intersecciones a nivel.

b) De corriente interrumpida ó de circulación discontinua: intersecciones señalizadas, secciones de intercambio de movimientos transversales no señalizados y ramas sus terminales.

En las definiciones de la terminología específica del tema, se precisaba que el término capacidad era una expresión genérica relativa a la aptitud de una calzada para evacuar tránsito. También se definían ya las denominadas condiciones ideales y prevalecientes de la calzada y del tránsito.A su vez el término, capacidad de calzada, tenía tres niveles ó graduaciones:Capacidad básica: era el número máximo de automóviles que podían pasar por un punto dado en una trocha ó calzada durante una hora, bajo las condiciones de calzada y tránsito más próximas a las ideales que sea posible obtener.

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Capacidad posible: era el número máximo de vehículos que podían pasar por un punto dado en una trocha ó calzada durante una hora, bajo las condiciones prevalecientes de calzada y tránsito.Capacidad práctica: era el número máximo de vehículos que podían pasar por un punto dado de una calzada ó una trocha determinada durante una hora, sin que la densidad de tránsito sea tan grande como para que cause demora poco razonable, peligro ó restricción de la libertad del conductor para maniobrar bajo las condiciones prevalecientes de calzada y tránsito.

Se daban las siguientes definiciones, concernientes al camino:

1) Camino – calle: términos generales que se aplican a un espacio público destinado para circulación de vehículos, incluyendo el área total entre líneas frontales de propiedad. Control de acceso: es la restricción parcial o total, ejercida por autoridad pública, del derecho de los propietarios u ocupantes de propiedades frentistas, u otras personas, sobre accesos, luz, aire y vistas en relación con un camino: a)control total de acceso ó b)control parcial de acceso

2) Tipos funcionales: Camino troncal, autopista, autovía, avenida parque, calle principal o camino principal, calle directa o camino directo y calle local o camino local.

3) Componentes de la sección transversal: calzada, calzada frentista (colectora), pavimento, banquinas, cordones, separador y zonas de cambio de velocidad.

4) Diseño de la sección transversal: Camino no divido y camino dividido.5) Ancho en trochas: de dos trochas, de tres trochas, camino de número impar de trochas

y camino de múltiples trochas.6) Uso por direcciones: camino de una sola mano y camino de dos manos.7) Trocha de tránsito: trocha derecha o primera trocha, trocha izquierda, trocha central,

segunda trocha, tercera trocha, etc., trocha de estacionamiento, trocha para giro a la izquierda, para giro a la derecha, trochas separadas de giro, trochas agregadas de giro, trocha para paradas y trocha para tranvía.

8) Intersección: brazo de la intersección, intersección de tres direcciones, de cuatro direcciones, de múltiples direcciones e intersecciones rotatorias.

9) Intersección a distinto nivel.10)Sección de intercambio11)Distancia de visibilidad: es la longitud de calzada visible al conductor de un vehículo en

cualquier punto dado de la misma, cuando la visual no está obstruída por el tránsito: a) distancia visual de detención, b) de sobrepaso, c) de detención restringida, d) de sobrepaso restringido y e) visual restrictiva.

Se definían los dispositivos de control de tránsito: a cualquier signo, señal, marca u elemento ubicado ó erigido con el propósito de regular, advertir ó guiar al tránsito.

1) Indicaciones en el pavimento: a) línea de trocha, b) línea central, c) línea de división, d) línea de barrera, e) inserción, f) botón, g) escritura y h) marcas de dirección.

2) Signos de tránsito3) Señales de tránsito4) Zonas de seguridad y refugios

Asimismo, se daban las definiciones del tránsito y operaciones de tránsito:

A) Composición del tránsito: todo tipo de vehículos, junto con sus cargas, sea aisladamente, sea como un todo, mientras usen cualquier calzada con el propósito de transporte o viaje.

1) Vehículo2) Vehículos de movimiento libre3) Automóviles4) Vehículo comercial5) Ómnibus6) Trolebús o coche sin vías7) Tranvía

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B) Operación del tránsito:1) Velocidad: velocidad media, general, media general, óptima, directriz, de operación,

diferencia de velocidad y diferencia media de velocidad.2) Demora: fija y de operación.3) Espaciamiento: medio y mínimo.4) Distancia de detención5) Intercambio6) Confluencia7) Volumen: medio diario anual, máximo volumen horario anual, décimo volumen horario

anual más alto, vigésimo, trigésimo, etc., volumen horario anual más alto.8) Densidad: media y crítica.9) Variación de la corriente10)Características del tránsito

Finalmente, se definían también los usos de la tierra y tipo de desarrollo:

1) Tipos de desarrollo: comercial, residencial, de parque y agrícola.2) Zona o localidad: urbana, central, intermedia, suburbana y rural

En la segunda edición del manual del año 1965, se introducía por primera vez, los conceptos de nivel de servicio y de volumen de servicio y también se actualizaban las definiciones de varios términos, por ejemplo, se definía una única capacidad para cada tipo de camino, con el siguiente texto:

Capacidad: es el número máximo de vehículos que tiene razonable probabilidad de pasar por un tramo dado de carril ó de calzada en un sentido (en ambos sentidos en los caminos de dos ó tres carriles) durante un lapso dado, en las condiciones prevalecientes de calzada y tránsito.

La capacidad así definida es igual a la “capacidad posible” de la edición original. La “capacidad básica” de entonces, fue reemplazada con la frase “capacidad en condiciones ideales”.En tanto que el concepto antiguo de “capacidades prácticas” fue reemplazado por diversos “volúmenes de servicio”, que representan los diferentes volúmenes específicos correspondientes a un grupo de condiciones de operación deseables englobadas en el término “nivel de servicio”.Dentro de las definiciones concernientes al camino, se agregaron las siguientes:

1) Terreno: la topografía del perfil de una carretera, camino o calle. a) terreno llano, b) terreno ondulado, c) terreno montañoso y c) pendiente sostenida.

2) Condiciones ideales: a) flujo ininterrumpido, libre de interferencias laterales de vehículos y peatones, b) únicamente automóviles en la corriente de tránsito, c) carriles de tránsito de 3,65 m de ancho y sin obstrucciones dentro de 1,80 m desde el borde del pavimento, d) alineamiento horizontal y vertical satisfactorio para velocidades medias del camino de 110 km/h, sin restricción de distancia de visibilidad de sobrepaso en caminos de dos y tres trochas.

Se establecían los siguientes valores de capacidad en condiciones ideales y para condiciones de flujo ininterrumpido:

a) Camino multitrocha: 2.000 automóviles por trocha y por horab) Camino de dos trochas y dos sentidos: 2.000 automóviles por hora en total (ambos

sentidos), cualquiera sea la distribución del tránsito por sentido.c) Camino de tres trochas y dos sentidos: 4.000 automóviles por hora en total (ambos

sentidos), cualquiera sea la distribución del tránsito por sentido.

Con relación al novedoso concepto de niveles de servicio, que se introducía en esta edición del manual, se comenzaba explicando que: “Cuando el volumen de tránsito iguala a la capacidad de un camino, las condiciones de operación son deficientes, aun en condiciones ideales de calzada y tránsito. Las velocidades son bajas, se producen detenciones frecuentes y demoras

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prolongadas. Para que un camino proporcione un nivel de servicio aceptable para el usuario, el volumen de servicio debe ser inferior a la capacidad de calzada. El volumen de servicio correspondiente a un nivel dado es el volumen máximo compatible con ese nivel de servicio”.Para evaluar el nivel de servicio, se consideraron los siguientes factores:

a) La velocidad y el tiempo de viaje.b) Las interrupciones ó restricciones al tránsitoc) La libertad de maniobrad) Seguridade) Comodidad y convenienciaf) Economía

Finalmente, refería esa edición del manual, que si bien para la evaluación de niveles de servicio, lo deseable era tomar en cuenta todos estos factores, no se contaba hasta aquella fecha con información suficiente para determinar los valores ni el peso relativo de algunos de ellos.En aquella oportunidad se eligió entonces, la velocidad de viaje como el factor de mayor importancia en la identificación del nivel de servicio. También adoptó como segundo factor: ó bien la relación “volumen de demanda” / capacidad ó la relación “volumen de servicio” / capacidad, según las características del problema.

Posteriormente, en el año 1985 aparece la tercera edición del HCM que reflejó más de dos décadas de intensa y amplia investigación conducida por una multiplicidad de instituciones norteamericanas de investigación, el cual recibe dos actualizaciones, la primera en el año 1992 y otra muy importante en el año 1994 (conocida como segunda actualización de la tercera edición).De esta última actualización se desprende la siguiente:

Organización del Manual1. Introducción. Conceptos y Aplicaciones. (actualizado en 1994)2. Características del tráfico. (actualizado en 1994)

Estructuras viarias para circulación continua o ininterrumpida 3. Tramos básicos de autopistas (actualizado en 1994)4. Áreas de trenzado5. Ramales e intersecciones con un ramal (actualizado en 1994)6. Sistemas de autopistas7. Carreteras carriles múltiples rurales y suburbanas (actualizado en 1992)8. Carreteras de dos carriles

Estructuras viarias para circulación discontinua o ininterrumpida9. Intersecciones reguladas con semáforos (actualizada en 1994)10. Intersecciones sin semáforos (actualizada en 1994)11. Arterias urbanas y suburbanas (actualizada en 1994)12. Capacidad del transporte colectivo13. Peatones14. Bicicletas

En el Capítulo 1, se describe el papel y la importancia del Análisis de Capacidad, se presentan conceptos básicos, y se proporcionan líneas generales para su aplicación.En el Capítulo 2, Características de la Circulación, se identifican variables básicas relacionadas con la capacidad y se examinan sus valores y relaciones a la luz de lo observado en Norteamérica.Los Capítulos 3 al 14 son los capítulos procedimentales básicos del manual. Cada uno de estos capítulos, está organizado en cuatro partes diferentes:

1. Introducción: se describen las características básicas, conceptos y filosofías de análisis de capacidad tal como se aplican a la instalación sujeta al análisis.

2. Metodología: se presentan los componentes básicos del procedimiento de análisis a aplicar a la instalación específica. Se incluyen las ecuaciones y la información tabulada o gráfica necesaria para completar el análisis.

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3. Procedimiento de aplicación: Se presentan instrucciones paso a paso para la aplicación de los cálculos del análisis de capacidad. Se especifican lo procedimientos para los análisis de la circulación, dimensionamiento, y planificación, aunque no todos los capítulos contienen estos tres niveles de análisis.

4. Ejemplos de cálculo: se presentan una variedad de ejemplos, mostrando todos los cálculos necesarios para el análisis, y los comentarios detallados sobre los resultados y sus interpretaciones.

La edición del Manual de Capacidad (HCM) que se utiliza actualmente, es la correspondiente al año 2000 (que presenta la misma organización que la anteriormente detallada) y a ella nos referiremos a continuación:

Principios y conceptos generalesa) Concepto de capacidad vialEn las etapas de planeamiento, estudio, proyecto y operación de carreteras

y calles, la demanda de tránsito, presente ó futura, se considera como una cantidad conocida.

Una medida de la eficiencia con la que un sistema vial presta servicio a esta demanda, es su capacidad u oferta.

La capacidad de una infraestructura vial es el máximo número de vehículos que razonablemente pueden pasar por un punto ó una sección uniforme de una trocha ó calzada durante un intervalo de tiempo dado, bajo las condiciones prevalecientes de la infraestructura vial, del tránsito y de los dispositivos de control.

El intervalo de tiempo utilizado en la mayoría de los análisis de capacidad es de 15 minutos, debido a que se considera que éste es el intervalo más corto durante el cual puede presentarse un flujo estable. Como se sabe, que le volumen de 15 minutos así obtenido es convertido a flujo horario, entonces la capacidad de un sistema vial, es el flujo máximo horario.

La infraestructura vial puede ser de circulación continua (ininterrumpida) ó discontinua (interrumpida).

Dependiendo del tipo de infraestructura vial a analizar, se debe establecer un procedimiento para el cálculo de su capacidad y calidad de operación.

Por lo tanto, el principal objetivo del análisis de capacidad, es estimar el máximo número de vehículos que un sistema vial puede acomodar con razonable seguridad durante un período específico. Sin embargo, los sistemas operan pobremente a capacidad; pero generalmente ellos no se planifican para operar en este rango.

A su vez, mediante los análisis de capacidad, también se estima la cantidad máxima de vehículos que el sistema vial puede acomodar mientras se mantiene una determinada calidad de operación, introduciéndose así el concepto de nivel de servicio.

b) Concepto de nivel de servicioPara medir la calidad del flujo vehicular se usa el concepto de nivel de

servicio. Es una medida cualitativa que describe las condiciones de operación de un flujo vehicular. Estas condiciones se describen en términos de factores tales como la velocidad y el tiempo recorrido, la libertad de realizar maniobras, la comodidad, la conveniencia y la seguridad vial.

De los factores que afectan el nivel de servicio, se distinguen los internos y los externos:

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Los internos son aquellos que corresponden a variaciones en la velocidad, en el volumen, en la composición del tránsito, en el porcentaje de movimientos de entrecruzamiento o direccionales, etc.

Entre los externos están las características físicas, tales como el ancho de las trochas, la distancia libre lateral, el ancho de las banquinas, las pendientes, etc.

En el manual se han establecido seis niveles de servicio denominados: A, B, C, D, E y F, que van del mejor al peor, los cuales se definen según que las condiciones de operación sean de circulación continua ó discontinua.

c) Condiciones prevalecientesEs necesario tener en cuenta el carácter probabilística de la capacidad, por

lo que, puede ser mayor o menor en un instante dado. A su vez, como la definición misma lo expresa, la capacidad se define para condiciones prevalecientes, que son factores que al variar modifican; éstos se agrupan en tres tipos generales:

1) Condiciones de la infraestructura vial2) Condiciones de tránsito3) Condiciones de los controles

d) Condiciones base o idealesUna condición base ó ideal, es una condición óptima estándar específica

de referencia, que deberá ser ajustada para tener en cuenta las condiciones prevalecientes.

Las condiciones base asumen buen estado del tiempo, buenas condiciones del pavimento, usuarios familiarizados con el sistema vial y sin impedimentos en el flujo vehicular. Dependiendo del tipo de sistema vial en estudio existe una serie de condiciones base, específica para cada uno de ellos.

Por lo anterior, se puede plantear de manera general, una condición prevaleciente, restando un valor (ajuste) a la condición base con las mismas unidades de la característica ó variable analizada. O bien multiplicando la condición base por un factor de ajuste, que generalmente es menor que 1.

Condición prevaleciente = (Condición base) – (ajuste)Condición prevaleciente = (Condición base) x (factor de ajuste)

Criterios de análisis de capacidad y niveles de servicio1) CriteriosLos factores externos que afectan el nivel de servicio, como son físicos,

pueden ser medidos a una hora conveniente. En cambio los factores internos, por ser variables, deben ser medidos durante un período de mayor flujo, como por ejemplo el factor de la hora de máxima demanda. El flujo de vehículos en la hora de máxima demanda no está uniformemente distribuido en ese lapso. Para tomar esto en cuenta, es conveniente determinar la proporción del flujo para un período máximo dentro de la hora de máxima demanda. Usualmente se acostumbra un período de 15 minutos y el factor es:

FHMD = VHMD / 4 x Q 15máxDonde:

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FHMD: factor de la hora de máxima demandaVHMD: volumen horario de máxima demanda

Q 15 máx: volumen máximo durante 15 minutos

El HCM 2000 reporta los siguientes valores de capacidad en condiciones ideales o base:

Para autopistas: 2.400 automóviles/hora/trocha Para carreteras de trochas múltiples: 2.200 automóviles/hora/trocha Para carreteras de dos trochas: 3.200 automóviles/hora en ambas

direcciones Para carreteras de dos trochas: 1.700 automóviles/hora para cada

dirección

La capacidad de una infraestructura vial es tan variable como puede serlo las variables físicas del mismo, ó las condiciones del tránsito. Por esta razón los análisis de capacidad se realizan aislando las diversas partes del sistema vial, como un tramo recto; un tramo con curvas; un tramo con pendientes; el acceso a una intersección; un tramo de entrecruzamiento; una rampa de enlace; etc. Se trata pues, de buscar en cada una de esas partes, condiciones uniformes, por lo tanto, segmentos con condiciones prevalecientes diferentes, tendrán capacidades diferentes.

Para fines de interpretación uniforme y metodológica ordenada, se han establecido los siguientes criterios:

El flujo y la velocidad, bajo condiciones prevalecientes, se expresan en vehículos mixtos por hora para cada tramo de la carretera o calle.

El nivel de servicio se aplica a un tramo significativo de la carretera o calle.

Los elementos usados para medir la capacidad y los niveles de servicio son variables, cuyos valores se obtienen fácilmente de los datos disponibles.

Por razones prácticas se han fijado valores de densidades, velocidades medias de recorrido, demoras y relaciones de flujo a capacidad, que definen los niveles de servicio para autopistas, carreteras de trochas múltiples, carreteras de dos trochas, calles urbanas, intersecciones con semáforos e intersecciones sin semáforo o de prioridad.

El criterio utilizado para una identificación práctica de los niveles de servicio de las diversas infraestructuras viales, establece que se deben considerar las medidas de eficiencia siguientes:

Tabla 1Tipo de infraestructura vial Medidas de eficiencia

Autopistas Segmentos básicos Tramos de entrecruzamiento Rampas de enlaces

Densidad, velocidad, relación volumen a capacidadDensidad, velocidadDensidad

Carreteras Múltiples trochas Densidad, velocidad, relación volumen a

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Dos trochas capacidadVelocidad, % de tiempo de seguimiento

Intersecciones Con semáforos De prioridad

Demora por controlesDemora por controles

Arterias urbanas Velocidad de recorridoTransporte colectivo Frecuencia, horas de servicio, carga de

pasajerosCiclo vías Eventos, demoras, velocidadPeatones Espacio, eventos, demoras, velocidad

2) Niveles de análisisEl procedimiento básico del HCM 2000, en general, para los diferentes tipos

de infraestructuras viales, considera tres niveles de aplicación de la metodología de análisis de capacidad y niveles de servicio:

1. Análisis operacional: Es la aplicación que requiere mas precisión, orientada hacia las condiciones existentes o anticipadas de la infraestructura vial, el tránsito y los dispositivos de control.

2. Análisis de diseño ó proyecto: Este nivel de análisis principalmente se utiliza para establecer las características físicas detalladas que le permitan a un sistema vial nuevo ó modificado operar a un nivel de servicio deseado, tal como el C ó el D, a mediano y largo plazo.

3. Análisis de planeamiento: Está dirigido hacia estrategias en el largo plazo, cuando se empieza a planear un elemento del sistema vial y no se conocen con exactitud todos los detalles necesarios, especialmente los relativos a la demanda de tránsito, por lo que la aplicación es menos precisa, y se suelen emplear valores por defecto.

Analizaremos a continuación el procedimiento para carreteras de dos trochas.

Carreteras de dos trochas1. Características generalesUna carretera de dos trochas se define como una calzada que tiene una

trocha disponible para cada sentido de circulación. Los sobrepasos a los vehículos lentos se efectúan en la trocha del sentido opuesto, siempre y cuando lo permitan las condiciones físicas o geométricas de la carretera (suficiente distancia de visibilidad) y del tránsito (magnitud de los intervalos entre los vehículos del sentido opuesto). Esto significa que las características geométricas que restringen la distancia de visibilidad de sobrepaso, también restringen la capacidad.

Como los sobrepasos se efectúan en el carril del sentido opuesto, y las oportunidades de lograrlos dependen en gran medida de la magnitud del volumen de tránsito opuesto, la capacidad y los niveles de servicio de las carreteras de dos trochas, 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 ó velocidad promedio de viaje (VPV)

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La demora porcentual en seguimiento ó porcentaje de tiempo que se ocupa en seguir otro vehículo (PTSOV)

La velocidad promedio del viaje (VPV) es la velocidad media en el espacio de los vehículos en el flujo vehicular. La velocidad media en el espacio, se determina con base en la longitud del tramo carretero dividida entre el tiempo promedio necesario para que todos los vehículos atraviesen el tramo, en ambos sentidos durante un intervalo designado. La VPV es una medida del grado, para el cual la carretera cumple con su función de suministrar una movilidad eficiente.

El porcentaje de tiempo que se ocupa en seguir otro vehículo (PTSOV) es el porcentaje promedio de tiempo que ocupan los vehículos, cuando viajan detrás de vehículos mas lentos. Cuando el tiempo entre vehículos consecutivos (denominado “intervalo entre vehículos”) es menor que 3 segundos, se considera que el vehículo que va detrás está siguiendo al vehículo que va delante. El PTSOV es una medida de la calidad de servicio que ofrece la carretera.

2. Condiciones base

Para carreteras rurales de dos trochas, las condiciones base son las siguientes:

Ancho de trocha igual o mayor de 3,60 metros Banquinas de ancho igual o mayor a 1,80 metros Inexistencia de tramos con sobrepaso restringido Todos los vehículos en la corriente de tránsito son automóviles Distribución direccional del volumen de tránsito 50/50 Ninguna restricción al tránsito directo debido a controles o vehículos

que dan vuelta Terreno llano

3. Niveles de servicio

Las medidas primarias del nivel de servicio para las carreteras de dos trochas Clase I son la velocidad media de viaje y el porcentaje del tiempo consumido en seguimiento. Para carreteras de Clase II, el nivel de servicio se basa únicamente en el porcentaje del tiempo consumido en seguimiento.

Nivel de servicio A: los conductores pueden viajar a al velocidad deseada. La frecuencia de sobrepaso no ha alcanzado el nivel de demanda, esto es, la demanda por sobrepaso está por debajo de la capacidad de sobrepaso y grupos de tres o más vehículos son raros. Un flujo máximo de 490 automóviles/hora en ambas direcciones puede lograrse en condiciones base.

Nivel de servicio B: la demanda por sobrepaso es más significativa y se

aproxima a la capacidad de sobrepaso en el límite inferior del nivel de servicio. Pueden lograrse flujos máximos de 780 automóviles/hora en ambas direcciones en condiciones base. Por encima de este flujo, el número de grupos vehiculares se incrementa notablemente.

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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 sobrepaso, disminuyendo significativamente la capacidad de sobrepaso. A pesar de que el flujo vehicular es estable, es susceptible de congestionarse debido a los vehículos que realizan maniobras de vuelta ó a la circulación de vehículos lentos. Valores de hasta 1190 automóviles en ambas direcciones, puede ser acomodada bajo condiciones base.

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 sobrepaso se torna difícil, esto es, cuando la demanda por sobrepaso es alta y la capacidad de sobrepaso se aproxima a cero.

Nivel de servicio E: El sobrepaso 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 3200 automóviles/hora en ambas direcciones y de 1700 automóviles/hora para cada dirección. Las condiciones de operación a capacidad son inestables y difíciles de predecir, muy rara vez la operación vehicular en carreteras 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 siguiente se presentan los niveles de servicio para carreteras de dos trochas Clase I y Clase II.

Tabla 9.1

Nivel de servicioClase I Clase II

% de tiempo consumido en seguimiento

Velocidad media de

viaje(millas/hora)

% de tiempo consumido en seguimiento

A < ó = 35 > 55 < ó = 40B > 35 -50 > 50 – 55 > 40 - 55C > 50 – 65 > 45 – 50 > 55 - 70D > 65 – 80 > 40 – 45 > 70 - 85E > 80 < ó = 40 > 85

3.1 Cómo calcular el nivel de servicio (NDS), si se conocen el porcentaje de tiempo que se ocupa en seguir a otro vehículo (PTSOV) y la velocidad promedio de viaje (VPV)

Ejemplo 1:

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Determinar el nivel de servicio para caminos de dos trochas, si se conocen el PTSOV y la VPV.Se han determinado los siguientes valores para el PTSOV y la VPV, con base en el análisis de cuatro tramos de carretera. Establezca el NDS, si los tramos de la carretera son: a) de clase I y b) de clase II.

Datos:Tramo PTSOV (%) VPV (km/hora)

1 36 872 54 763 72 684 90 48

Solución:Teniendo en cuenta que las tablas del HCM están en millas/hora, debemos convertir las velocidades medidas en km/hora, utilizando el factor 1,609344 km/milla.

Tramo VPV (millas/hora)1 542 473 424 30

Empleando la tabla 9.1 obtenemos:

a) Clase ITramo 1: NDS B Tramo 3: NDS DTramo 2: NDS C Tramo 4: NDS E

b) Clase IITramo 1: NDS A Tramo 3: NDS DTramo 2: NDS B Tramo 4: NDS E

3.2 Cómo calcular el valor del porcentaje de tiempo que se ocupa en seguir a otro vehículo (PTSOV) para una carretera de dos sentidos y de dos tochas.

PTSOV = TBPSV + f d/np

TBPSV = tiempo base en porcentaje que se ocupa en seguir a otro vehículo en ambos sentidos, se calcula con la siguiente expresión:

TBPSV = 100 (1 – e-0,000879 Vp)

f d/np = ajuste del PTSOV por considerar el efecto combinado de: 1) el porcentaje de la distribución direccional del tránsito y 2) porcentaje de las zonas de sobrepaso.

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En la tabla 9.3 se proporcionan los valores apropiados para diferentes tasas de flujo en dos sentidos.

Vp = tasa de flujo equivalente en automóvil para el período pico de 15 minutos y que se calcula con la expresión:

Vp = V / (FHP) (fg) (fhv)

V = Volumen de demanda para la hora pico completa, vehículos por horaFHP = factor de la hora pico, V/4 (volumen durante 15 minutos del pico)

fg = factor de ajuste de la pendiente para terreno plano u ondulado (Ver tabla 9.4)

fHV = factor de ajuste para considerar a los vehículos pesados en el flujo de tránsito y que se calcula con la siguiente expresión:

fHV = 1 / (1+PT (ET – 1) + PR (ER – 1))

PT y PR = la fracción decimal de camiones (y autobuses) y VRs en el flujo de tránsito.

ET y ER = el equivalente en automóviles, para camiones y VRs respectivamente. (Ver tabla 9.5)

Como los valores de ET y ER son una función de las tasas de flujo en dos sentidos en automóviles/hora, se requiere un proceso iterativo, en el cual un valor de prueba de Vp se basa solamente en el factor de hora pico FHP. Entonces se calcula un nuevo valor de Vp con el uso de valores apropiados de

ET y ER. Si el segundo valor obtenido está en el rango que se usa para determinar los equivalentes de camión y de VR, el valor calculado es correcto. Si no, se requiere una segunda iteración con el uso del siguiente rango más alto de la tasa de flujo.

Ejemplo 2: Determine el valor del PTSOV para una carretera de dos carriles con una longitud de 6 millas y terreno ondulado. Los datos de tránsito son los siguientes:

Volumen = 1600 vehículos/hora (dos sentidos)Porcentaje de camiones = 14

Porcentaje de VRs = 4Factor de hora pico (FHP) = 0,95Porcentaje de desviación direccionada = 50-50Porcentaje de zonas sin sobrepaso = 50

Solución:

Paso 1: Calcule el equivalente vP del automóvil horario, para el pico de 15 minutos.

El valor de prueba para vP es: V / FHP = 1600/0,95 = 1684 automóviles/hora

Determine fG = 1,00 (tabla 9.4)

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Determine ET = 1,00 y ER = 1,00 (tabla 9.5)

fHV = 1 / (1 + PT (ET – 1) + PR (ER – 1)) = 1

vP = V / (FHP x fG x fHV) = 1684 vehículos de pasajeros/hora

Nota: esta sección está operando por debajo de su capacidad (3200)

Paso 2: Calcule el porcentaje de tiempo base que se ocupa en seguir a otro vehículo (TBPSV).

TBPSV = 100 (1 – e-0,000879) = 77,2 %

Paso 3: Calcule el porcentaje de tiempo que se ocupa en seguir a otro vehículo (PTSOV).

PTSOV = TBPSV + fd/np

fd/np = 4,8 por interpolación en la tabla 9.3

PTSOV = 77,2 + 4,8 = 82,0 %

3.3 Cómo calcular el valor de la velocidad promedio de viaje (VPV)

para tramos de dos sentidos.

La velocidad promedio de viaje (VPV) para un tramo de dos sentidos se calcula con la siguiente ecuación:

VPV = VFL – 0,00776 vP – fnp

VPV = velocidad promedio de viaje para ambos sentidos de recorrido combinados (millas/hora)

VFL = velocidad de flujo libre, la velocidad media para flujo cuando los volúmenes son <200 vehículos/hora

fnp = ajuste para el porcentaje de zonas de no sobrepaso

vp = tasa de flujo equivalente en automóviles para el período de 15 minutos

La determinación de la velocidad de flujo libre puede hacerse de tres maneras: Mediciones de campo para volúmenes < 200 automóviles/hora Mediciones de campo para volúmenes > 200 automóviles/hora con el uso

de la siguiente corrección:

VFL = SFM + 0,00776 (Vf / fHV)

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Estimación indirecta, cuando no se dispone de datos de campo, se calcula con el uso de la ecuación:

VFL = VBFL – fLS – fA

La velocidad base de flujo libre (VBFL), depende de las condiciones locales relacionadas con la velocidad deseada por los conductores. El ingeniero proyectista estima VBFL, con base en su conocimiento del área y de las velocidades en instalaciones parecidas. El rango de la VBFL es de 45-65 millas/hora. Los límites de velocidad colocados en carteles ó las velocidades de diseño, también se emplean como sustitutos de la velocidad base de flujo libre.

Ejemplo 3: Usando los datos proporcionados en el ejemplo 2, estime la velocidad promedio de viaje (VPV). Suponga que la velocidad base de flujo libre (VBFL), es la velocidad anunciada en el cartel de 60 millas/hora. La longitud del tramo es 6 millas, el ancho de trocha es de 11 pies, el ancho de las banquinas es de 4 pies y hay 20 puntos de acceso por milla.

Solución:Paso 1: Calcule la velocidad de flujo libre, para las condiciones dadas

VFL = VBFL – fLS – fAfLS = 1,7 (tabla 9.9)

fA = 5,0 (tabla 9.10)

VFL = 53,3 millas/hora

Paso 2: Calcule la velocidad promedio de viaje

VPV = VFL – 0,0076 vP – fnp

vP = V / (FHP x fG x fHV) = 1600 / (0,95 x 0,99 x 0,931) = 1827 vehículos/hora

fG = 0,99 (tabla 9.7 ya que v > 1200, terreno ondulado)

fHV = 1 / (1 + PT (ET – 1) + PR (ER – 1)) = 0,931

ET = 1,5 y ER = 1,1 (tabla 9.8 ya que v > 1200, terreno ondulado)

fnp = 0,8 (tabla 9.6 ya que vP = 1827 y el porcentaje de no sobrepaso = 50)

VPV = 53,3 – 0,0076 (1827) – 0,8 = 38,3 millas/hora

4. Segmentos bidireccionalesLa metodología para análisis bidireccional en carreteras de dos trochas,

estima las medidas de operación de tránsito a lo largo de una sección de carretera, con base en el tipo de terreno, diseño geométrico y las condiciones del tránsito. El terreno se clasifica como llano y ondulado. El terreno montañoso se aborda mediante el análisis operacional en pendientes específicas en ascenso y descenso.

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1. Determinación de la velocidad a flujo libre (FFS): un paso importante en la valoración del nivel de servicio de una carretera de dos trochas, es la determinación de la velocidad a flujo libre FFS. Ésta es una medida de la velocidad media del tránsito en condiciones de bajos volúmenes (hasta 200 automóviles/hora en ambos sentidos). Para determinar la velocidad a flujo libre pueden utilizarse dos métodos: mediante la medición directa en campo o por estimación.

2. Determinación del flujo vehicular: deben realizarse tres ajustes al volumen horario de demanda, con base en los conteos manuales de tránsito o en estimaciones, para así llegar al flujo horario expresado en vehículos equivalentes.

3. Determinación de la velocidad media de viaje: se estima a partir de la velocidad a flujo libre, el flujo de demanda y un factor de ajuste por el porcentaje de zonas de no sobrepaso.

4. Determinación del porcentaje de tiempo empleado: se estima a partir del flujo de demanda, de la distribución direccional del tránsito y del porcentaje de zonas de no sobrepaso.

5. Determinación del nivel de servicio: el primer paso para determinar el nivel de servicio es comparar el flujo equivalente en automóviles, con la capacidad de 3200 automóviles/hora en ambos sentidos. Si el valor del flujo equivalente es mayor que la capacidad, entonces la carretera opera en sobresaturación y el nivel de servicio es F. Si el valor del flujo equivalente es menor que la capacidad, el nivel de servicio se determina localizando los rangos del porcentaje del tiempo empleado en seguimiento y la velocidad media de viaje, presentados en la tabla anterior, tanto para carreteras de Clase I como de Clase II.

6. Determinación de otras medidas de funcionamiento: se determinará la relación volumen a capacidad, los viajes totales durante un período de 15 minutos y durante la hora de máxima demanda y el tiempo total de viaje durante 15 minutos.

Ejemplo 4: un tramo de una carretera rural de dos trochas presenta las siguientes características:

Clase I Tipo de terreno ondulado Ancho de trocha de 3,30 m Ancho de banquinas de 1,80 m Longitud de sobrepaso restringida del 20% Distribución direccional de 60/40 VBFL de 100 km/hora Volumen máximo de demanda de 1800 vehículos mixtos/hora en

ambos sentidos, distribuidos en 12% camiones, 6% autobuses y 82% livianos, con un FHP de 0,95

Longitud del tramo 8 km Densidad de puntos de acceso de 6 por kilómetro

Solución:

1) VFL = VBFL – fLS – fA

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VFL: velocidad a flujo libre (km/h)VBFL: velocidad a flujo libre base (km/h)

fLS : ajuste por ancho de carril y ancho de coronamiento

fA : ajuste por puntos de acceso

VFL = 100 – 0,7 – 4,0 = 95,3 km/h

2) vp = V / (FHP x fHV x fG)

Vp: flujo equivalente en 15 minutos (automóviles/hora/ambos sentidos) V: volumen horario de máxima demanda en ambos sentidos (vehículos mixtos/hora)FHP: factor de la hora pico (máxima demanda)

fHV: factor ajuste por presencia de vehículos pesados

fG: factor de ajuste por pendiente

vp = 1800 / (0,95 x 0,917 x 0,99) = 2087 automóviles/hora/ambos sentidos

3) VPV = VFL – 0,0125 vP) – fnp

VPV: velocidad promedio de viaje (km/h) VFL: velocidad a flujo libre (km/h)

vp: flujo equivalente en 15 minutos (automóviles/hora/ambos sentidos)

fnp: ajuste por porcentaje de zonas de no sobrepaso

VPV = 95,3 – 0,0125 (2,087) – 0,8 = 68,4 km/h

4) PTSOV = TBPSV + fd/np

PTSOV: porcentaje del tiempo empleado en seguimiento (%) TBPSV: 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 tránsito y por el porcentaje de zonas de no sobrepaso (%)

TBPSV = 100 (1-e-0,000879vp) = 81,1 %

PTSOV = 81,1 + 2,5 = 83,6 %

5) Nivel de servicioEl valor de flujo direccional es:

VP x 0,60 = 1252 vehículos livianos/hora/sentidoComo puede observarse las tasas máxima de flujo direccional y bidireccional son menores a la capacidad, esto es:1252 < 1700

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2087 < 3200Entrando en la tabla 9.1 se determina que el tramo de carretera opera a un nivel de servicio E.

5. Procedimientos computarizados

Para cada elemento del sistema 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 programas informáticos, que ejecutan, con bastante precisión, los procedimientos del HCM en la computadora, de manera muy rápida. La herramienta informática utilizada actualmente es el HCS en su versión 5.2 del año 2005.

Bibliografía:1) Capacidad de Caminos. Versión castellana del Highway Capacity Manual Primera Edición

(1950).2) Capacidad de Caminos. Versión castellana del Highway Capacity Manual Segunda

Edición (1965).3) Capacidad de Caminos. Versión castellana del Highway Capacity Manual Tercera Edición

(1985). Segunda actualización de 1994.4) Highway Capacity Manual. Cuarta Edición (2000)5) Ingeniería de Carreteras. 5ª Edición. Paul Wright y Radnor Paquette.6) Ingeniería de tránsito. Fundamentos y aplicaciones. 8ª Edición. Rafael Cal y Mayor R. y

James Cárdenas G.7) Ingeniería de tránsito y carreteras. 3ª Edición. Nicholas Garber y Lester Hoel. Capítulo 9.8) Ingeniería de Carreteras. Volumen I. Carlos Kraemer y otros. Capítulo 8.

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ANEXO TABLAS

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23

caminos i - resumen - capacidad de calzadas (1)

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