DETERMINACIÓN DE CAPACIDAD Y NIVEL DE SERVICIO DE UNA INTERSECCIÓN SEMAFORIZADA Universidad de Cartagena
Programa de Ingeniería Civil
A. Barrera1, W. García1, E. Gonzalez1, A. Hernández1, L. Novoa1, M. Rivas1 J. Fortich2, P. Guardela2 1. Estudiantes, Facultad de Ingeniería, V Semestre, Programa de Ingeniería Civil 2. Docente, Facultad de Ingeniería, Programa de Ingeniería Civil, Ingeniería de Tránsito
RESUMEN: Para el estudio de una intersección semaforizada es importante conocer aspectos característicos de la misma como los volúmenes de tránsito, Velocidad y tiempos de demora. En el presente estudio se determina el nivel de servicio y la capacidad de la intersección semaforizada de la calle 24 con la calle Media Luna 8B ubicada en el centro histórico de la ciudad de Cartagena de Indias; teniendo en cuenta los estudios preliminares hechos en esta. La determinación del nivel de servicio se hizo por accesos, obteniendo niveles de servicio A, F, B, B para cada uno de los 4 accesos que componen la intersección en orden ascendente.
PALABRAS CLAVE: Nivel de servicio, capacidad, saturación de flujo. ABSTRACT: To do the study of a signalized intersection is important to know some characteristic features such as traffic volumes, speed and delay times. In the present study the level of service and the capacity of the signalized intersection of 24th Street to Media Luna 8B Street, located in the historical center of Cartagena de Indias is determined; taking into account the preliminary studies made in this. The level of service was made by fits, obtaining service levels A, F, B, B for each of the 4 hits that composes the intersection in ascending order.
KEYWORDS: Level of service, capacity, saturation flow
1. INTRODUCCION En una intersección semaforizada es fundamental conocer aspectos característicos tales como la velocidad, los volúmenes de tránsito y tiempos de demora, con el propósito de determinar el nivel de servicio que ésta pueda ofrecer a los usuarios. El nivel de servicio de una intersección también está influenciado por las características físicas de la vía, como el peralte, la pendiente, en general, de la geometría del sector en cuestión y además del control semafórico presente. No obstante el factor más importante es el denotado por las demoras o retrasos que se dan en la intersección, las cuales representan para el usuario una medida del tiempo perdido de viaje, consumo de combustible, comodidad, incomodidad y frustración. Mediante este informe se calculó la capacidad y el nivel de servicio para la intersección semaforizada de la calle 24 con la calle Media Luna 8B ubicada en el centro histórico de la ciudad de Cartagena.
2. OBJETIVOS 2.1.
2.2.
Objetivos específicos
-
Hallar los valores de las demoras producidas por la operación del tránsito en cada acceso de la intersección.
-
Calcular para cada acceso los factores de ajuste que se deben tener en cuenta para la corrección del flujo de saturación.
-
Caracterizar cada intersección de acuerdo con el tiempo total de demoras obtenido en uno de los niveles de servicio establecidos en el manual de capacidad de carreteras.
3. MARCO TEORICO 3.1.
Capacidad y Niveles de Servicio en intersecciones con semáforo
Se define como capacidad a la tasa de flujo máxima que puede cruzar por una intersección, se mide en vehículos por hora (vph) con flujos en periodos pico de 15 minutos. La capacidad de un grupo de carriles depende del flujo de saturación y se determina por medio de la siguiente expresión:
Objetivo general
Determinar la capacidad y el nivel de servicio de la intersección semaforizada.
(1)
Dónde:
:
Flujo de saturación o tasa máxima de flujo que puede atravesar la intersección desde un acceso o en el grupo de carriles cuando se dispone del 100% del tiempo en luz verde
: Tiempo de verde efectivo para el acceso o grupo de carriles i
de viaje o demora media por vehículo en periodos de 15 minutos y de otras variables como el flujo y distribución del tránsito, características geométricas y el sistema de señalización. Las características principales para cada nivel de servicio son:
Nivel de servicio A : Baja demora, sincronía extremadamente favorable, demoras menores a 5 segundos por vehículo. La mayoría de vehículos llegan durante la fase verde y no se detienen del todo. Longitudes de ciclo corto puede contribuir a demoras únicas.
Nivel de servicio B: Las demoras de operación están entre 5,1 y 15 segundos por vehículo, algunos vehículos comienzan a detenerse. [1]
Nivel de servicio C: Operación con demoras entre 15,1 y 25 segundos por vehículos
Nivel de servicio D: Operación con demoras entre 25,1 y 40 segundos por vehículo, empieza a notarse la influencia de congestionamientos, ocasionados por un ciclo largo y/o una sincronía desfavorable o relaciones v/c altas, muchos vehículos se detienen.
: Capacidad del acceso o grupo
de carriles i
: Ciclo del semáforo La relación entre el volumen de máxima demanda y la capacidad se establece a través de la siguiente expresión:
(2)
Dónde:
: Tasa de flujo durante los 15
minutos pico
: Grado de saturación Cuando la tasa de flujo es cero entonces el grado de saturación es igual a cero. El nivel de servicio de una intersección es una variable que permite la categorización de la misma teniendo en cuenta su desempeño general operativo, dicho desempeño depende principalmente del tiempo perdido
de estacionamiento. Debe considerarse también la existencia de carriles exclusivos de vueltas derechas o izquierda junto con los carriles de almacenamiento de tales carriles.
Nivel de servicio E: Empieza el límite aceptable de la demora; indica una sincronía muy pobre, grandes ciclos y relaciones v/c mayores, las fallas en los ciclos son frecuentes. La demora es de 40 a 60 segundos. [2]
Nivel de servicio F: El tiempo de demora es inaceptable para la mayoría de los conductores, ocurren cuando los valores de flujo exceden a la capacidad de la intersección o cuando las relaciones v/c sean menores de 1 pero con una sincronía muy pobre y/o ciclos demasiados largos. La demora es mayor a 60 segundos.
3.2.
Análisis Operacional [2]
El análisis operacional es un proceso que permite la determinación de la capacidad y el nivel de servicio de una intersección, debido a su complejidad el análisis se divide varios módulos:
Módulo de Entrada:
Condiciones geométricas:
Debe incluir información como la pendiente de los accesos, el número y anchos de carril y las características
Condiciones de tránsito:
Se deben especificar los volúmenes para cada movimiento en cada acceso de la intersección, la distribución considerando como tal a los vehículos de más de cuatro llantas tocando el pavimento.
Módulo
de flujo de saturación: El valor del flujo de saturación para cada grupo de carril puede calcularse mediante la siguiente expresión:
(3) Dónde:
: Flujo de saturación del grupo
de carriles.
:
Flujo de saturación en condiciones ideales, tomando usualmente como 1800 vehículos ligeros por hora de luz verde por carril.
:
Número de carriles en el acceso estudiado.
: Factor de ajuste por efecto de ancho de carril
:
Factor de vehículos pesados
:
ajuste
Factor de ajuste pendiente del acceso
por
La demora total se determina por medio de la siguiente expresión:
(4) por
:
Dónde:
= Demora total para el número de
Factor de ajuste por la existencia de carriles de estacionamiento adyacentes al grupo de carriles.
Demora uniforme número de carriles i
: Factor de ajuste por paradas
= Demora incremental para el
de buses
:
Factor de ajuste por localización de la intersección
: Factor de ajuste por vueltas a la derecha en el grupo de carriles.
: Factor de ajuste por vueltas a la izquierda en el grupo de carriles.
El valor de cada factor depende de diferentes variables, y se encuentran en las tablas 5 y 6 de los anexos.
Módulo de análisis de capacidad: Se determinan los valores de capacidad y grado de saturación por medio de las ecuaciones (1) y (2) respectivamente. Módulo
de nivel de servicio: El nivel de servicio se define por medio de detenciones por vehículo.
carriles i.
=
para
el
número de carriles i
La demora uniforme es la que ocurriría si los vehículos llegaran uniformemente distribuidos y no existe saturación durante ningún ciclo [1]. Se determina así:
) ( ()
(5)
Para las llegadas aleatorias se toman en consideración las demoras incrementales que se determinan mediante la siguiente expresión:
(6)
La demora en un acceso se halla a partir del promedio delas demoras
de todos los grupos de carriles del acceso, así:
∑∑
(7)
Finalmente se realiza un promedio ponderado de las demoras en cada acceso para determinar la demora en la intersección así:
∑∑
(8)
4. MATERIALES Y METODOS
4.1 Materiales Para la realización de la presente práctica se usó una cinta métrica para medir el ancho de los carriles de la intersección, plumones y un bloc de notas. Además se usó un cronómetro para determinar las fases y con esto el ciclo de cada semáforo en la intersección, aunque esto se realizó en la práctica anterior en que se hizo un inventario de dispositivos de control del tránsito.
4.2 Procedimiento experimental Para realizar esta práctica fue necesario tomar los datos obtenidos
en prácticas anteriormente realizadas como el inventario de dispositivos de control del tránsito de un tramo de vía para determinar los ciclos de los semáforos de la intersección y el aforo vehicular para determinar los volúmenes de transito por accesos en la intersección. Así, para completar los datos necesarios para el cálculo de la capacidad y los niveles de servicio de los accesos de la intersección solo fue necesario medir el ancho de cada carril y hacer una inspección visual de esta para determinar la existencia de carriles de estacionamiento adyacentes a los accesos, la actividad de estacionamiento y las paradas de autobuses. Posteriormente se realizaron los cálculos usando las ecuaciones mostradas en el marco teórico para determinar por cada acceso el flujo de saturación ( ), la capacidad ( ), el grado de saturación ( ) y con esto la demora total, constituida por la demora uniforme y la demora incremental, a partir de la cual se estableció el nivel de servicio.
5. RESULTADOS En la siguiente imagen se muestran los cuatro accesos que conforman la intersección estudiada
Factor
Ilustración 1 Accesos de la intersección
A continuación continuación se presentan los datos obtenidos en cada uno de los accesos, necesarios para determinar el nivel de servicio, como el flujo de saturación ( ) y todos los factores necesarios para su cálculo, la capacidad de cada acceso ( ), el grado de saturación ( ) y con esto la demora total, constituida por la demora uniforme y la demora incremental.
Acceso 1 : Para este acceso se determinaron los factores de ajuste que se presentan a continuación para el cálculo del flujo de saturación
Valor 0.95 0.98 1 1 1 0.9 1 0.92 2
Tabla 1. Valores de los factores de ajuste para el flujo de saturación.
A partir de lo anterior se obtuvieron obtuvieron los siguientes valores: para el flujo de saturación 1176.4 vehículos ligeros por hora de luz verde; para la capacidad 1176.4 vehículos por hora; para el grado de saturación 0.734 y para las demoras uniformes e incremental valores de 0 y 1.69 segundos respectivamente, el cero se debe a que el semáforo que rige este acceso siempre presenta luz verde y por lo tanto no se registran demoras causadas por variaciones significativas en el volumen vehicular.
Acceso 2: este acceso está formado por dos carriles y regulado por semáforos con un ciclo de 158 segundos y una fase de luz verde de 45 segundos. En la siguiente tabla se encuentran todos los factores necesarios
para determinar el flujo saturación en el acceso 2
Factor
* √ + +
de
Valor 1800 2
0.95 0.98 1 1 1 0.9 1
Acceso 3: Para el cálculo del flujo de saturación del acceso 3 se emplearon los factores que se pueden apreciar en la siguiente tabla
0.92
Tabla 2 Factores para hallar S
Con la ecuación 3 expuesta en el marco teórico y los datos de la tabla 2 se obtuvo que el flujo de saturación en el acceso 2 es de vehículos ligeros por hora de luz verde por carril.
Con esto se determinó que el acceso 2 presenta un grado de saturación de 0.99 y una capacidad de 790.38 veh/h. Para determinar las demoras se tiene en cuenta que la demora total es la suma de la demora uniforme y la incremental, así:
*( )+ ()
Factor
Valor 0.95 0.99 1 1 1 0.9 1 1 2
Tabla 3. Factores de ajuste para el flujo de saturación.
Con base a la anterior tabla se halló el flujo de saturación, el cual fue de 3047 vehículos ligeros por hora de luz verde. Empleando el flujo de saturación se determinó una capacidad de 2006.9 vehículos por hora, con la cual se obtuvo un grado de saturación de 0.734. Los valores hallados para las demoras uniformes
e incrementales fueron de 7.18 y 0.16 respectivamente.
Acceso 4: este acceso consta de 1 carril y está regulado por un ciclo de 155.78 segundos y una fase de luz verde de 102.42 s. En la siguiente tabla se muestran los factores necesarios para determinar el flujo de saturación en el acceso.
Factor
Valor 1800 1 0.93
de 0.17 y una capacidad de 960.7 veh/h. Para determinar las demoras se tiene en cuenta que la demora total es la suma de la demora uniforme y la incremental, de la siguiente manera:
( ) * + ()
* √ ++
0.97 1 1
1 0.9 1
6. ANALISIS DE RESULTADOS
1
Tabla 4. Factores para hallar el flujo de de saturación del acceso 4
A partir de los datos expuestos expuestos en la tabla anterior y la ecuación 3 se determinó que el flujo de saturación en el acceso 4 es 1461.4 vehículos ligeros por hora de luz verde por carril.
Con esto se determinó que el acceso 4 presenta un grado de saturación
6.1 Acceso 1 En este acceso solo se encuentra un carril, cuyo flujo es continuo puesto que el semáforo siempre presenta luz verde. La capacidad calculada fue de 1176.4 vehículos por hora, además el tiempo total de las demoras fue de 1.69 segundos lo cual indica, según el manual de capacidad de carreteras, un nivel de servicio A, es decir, un flujo con poca necesidad de detenerse y pocas o
nulas incomodidades usuarios de la vía.
para
los
6.2 Acceso 2 En el acceso 2, formado por los dos carriles de la intersección en que los vehículos giran a la izquierda para llegar a la calle media luna, se presentó una capacidad de 790.38 vehículos por hora y un tiempo total de demora de 65.06 segundos, con lo cual según el manual de capacidad de carreteras (HCM) este acceso presenta un nivel de servicio F, ya que en su operación se presentan demoras mayores de 60 segundos por vehículos, lo cual ocurre por sobresaturación y ciclos prolongados.
6.4. Acceso 4 El acceso 4, compuesto por un solo carril que conduce a la calle de la media luna, presento una capacidad de 960.7 vehículos por hora y un tiempo total de demora de 7.828 segundos, por lo que presenta un nivel de servicio B según el Manual de Capacidad de carreteras, pues en su operación se presentan demoras mayores a 5.1 segundo y menores a 15 segundos.
7. CONCLUSIONES
El acceso 1 presentó un nivel de servicio A, dado que el semáforo que rige este acceso siempre se mantuvo en fase verde, lo cual implica operación con demoras muy bajas donde los vehículos tienen poca necesidad de detenerse y pocas o nulas incomodidades en la vía.
En el acceso 2 se obtuvo un nivel de servicio F, que indica operación saturada y la constante presencia de congestionamientos ocasionados por el hecho de que los flujos de llegada exceden la capacidad de la intersección.
Tanto el acceso 3 como el acceso 4 presentaron un nivel de servicio B, lo que implica
6.3. Acceso 3 En el acceso 3 se presentó una capacidad de 2006.9 vehículos por hora y un tiempo total de demora de 7.34 segundos, por lo cual según lo estipulado en el manual de capacidad de carreteras presenta un nivel de servicio B, debido a que en su operación se presentan demoras mayores de 5.1 segundos por vehículos, lo cual ocurre por ciclos cortos y la constante detención de los vehículos .
ciclos cortos y que algunos vehículos comienzan a detenerse.
Con base a los resultados obtenidos es posible entrever que el acceso 3 obtuvo la mayor capacidad en la intersección semaforizada asignada con 2006.9 vehículos por hora. En cambio el acceso 2 presento la menor capacidad con 790.38 vehículos por hora.
8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] Cal y Mayor, R. & Cárdenas, J. (2000). Ingeniería de Tránsito: Fundamentos y aplicaciones. Séptima edición. [2]http://cdigital.dgb.uanl.mx/te/10800 98243/1080098243_02.pdf, consultado 17/05/2014 3:20 pm
9. ANEXOS
Tabla 5. Factores para la determinación del flujo de saturación
