Capacidad Vial 2
Capacidad Vial 2
Capacidad Vial 2
CAPITULO 5.
La capacidad se define como el máximo número de vehículos que pueden circular por una
vía en un periodo determinado bajo las condiciones prevalecientes de la infraestructura vial,
del tránsito y de los dispositivos de control. Refleja la habilidad de la vía para acomodar
una corriente de movimiento de vehículos.
El Nivel de Servicio es una medida de la calidad de fluidez.
La Capacidad y Nivel de Servicio estimados son necesarios para la mayoría de las
decisiones y acciones en la Ingeniería de Tráfico y Planes de Transportación.
5.1.1.- INTRODUCCIÓN
Los procedimientos descritos en este tema sirven para analizar la capacidad, requerimientos
de vía, efectos del tráfico y características de diseño en las secciones básicas de autopista.
5.1.1.1.- Definiciones
Una autopista puede ser definida como una carretera dividida con control total de accesos y
dos o mas vías para el uso exclusivo del tráfico en cada dirección. Las autopistas operan
bajo la forma más pura de flujo sin interrupciones, es decir, no existe señalización o paros
controlados en las intersecciones, el acceso directo de y a la propiedad adyacente esta
limitado a la ubicación de rampas, las direcciones opuestas de fluidez están continuamente
separadas por una barrera levantada.
93
Bajo las condiciones ideales una autopista puede operar con una velocidad a flujo libre de
por lo menos 70 mi/h (113 km/h). Las condiciones ideales para el flujo en segmentos
básicos de autopista son las siguientes:
- Ancho de carril de 12 pies (3.65 metros)
- Distancias laterales libres de obstáculos mínimo 6 pies (1,8 metros), medidas desde el
borde de la calzada hasta el obstáculo u objeto. Las barreras situadas en la faja
separadora a una distancia mínima de 2 pies (0.60 metros).
- Flujo de tráfico compuesto solamente de vehículos ligeros o livianos (automóviles).
- Diez o más carriles (en vías urbanas).
- Niveles de terreno con pendientes no mayores al 2%.
- Población de conductores regulares familiarizados con la vialidad.
- Intercambio de densidades con espacios de por lo menos 2 millas (3.2 km).
La figura N° 5.1 describe la relación Velocidad – Flujo para fluidez libre en una sección
básica de autopista. Se puede observar en la gráfica que la velocidad media se mantiene
constante para un flujo de hasta 1300 vehículos/hora/carril (veh/h/c) para una velocidad a
flujo libre de 70 mi/h (113 km/h). La velocidad a flujo libre puede medirse en campo como
el promedio de velocidad de los automóviles cuando el flujo es menor a 1300 veh/h/c.
94
Para obtener curvas de velocidades a flujo libre comprendidas entre 70 mi/h (113 km/h) y
55 mi/h (88 km/h), basta con realizar una simple interpolación. Así también la curva de
velocidad a flujo libre de 75 mi/h (121 km/h) fue creada mediante extrapolación de la curva
de 70 mi/h (113 km/h), este incremento en la velocidad refleja la evolución del automóvil
en nuestros tiempos. Capacidades de 2400 veh/h/c pueden ser considerados para una
velocidad a flujo libre de 70 mi/h (113 km/h) o más. Cuando la velocidad a flujo libre
decrece, también decrece la capacidad de la vía, por ejemplo: para una velocidad a flujo
libre de 55 mi/h (88 km/h) su respectiva capacidad es de 2250 veh/h/c.
La velocidad a flujo libre en una autopista depende del tráfico y de las características de la
vía, los cuales se describen a continuación:
Cuando el ancho de carril es menor a 12 pies (3.65 m.), los conductores están forzados a
viajar mas juntos el uno al otro de lo que ellos desearían. El efecto de un espacio lateral
restringido es similar. Cuando se colocan objetos muy cerca del borde de las vías, los
conductores en esas vías estarán bastante cautelosos de ellos, posicionándose los mismos
lejanos al borde de la vía. Es mayor el efecto causado por dichos objetos sobre los
conductores del carril derecho que del carril central ó izquierdo. A los conductores del
carril próximo a la medianera, los espacios laterales no les afecta cuando existe un espacio
mínimo de 2 pies (0.60 m.), los conductores del carril próximo a la berma son afectados
cuando el espacio lateral es menor a 6 pies (1.80 m.).
95
Las secciones de autopista con intercambios espaciados muy cercanos, como aquellos
desarrollados en áreas urbanas, operan a más bajas velocidades de flujo libre que las
secciones de autopistas suburbanas o rurales donde los intercambios son menos frecuentes.
El promedio ideal de espacio entre intercambios en una sección larga de 5 a 6 millas (8 a
10 km) es de por lo menos 2 millas (3 km). El menor promedio de espacio de intercambio
que puede ser considerado posible a lo largo de la autopista es de ½ milla (0.8 km).
5.1.2.- METODOLOGÍA
96
Estas tres medidas están interrelacionadas. Cuando dos de estas se conocen, la tercera se
resuelve de inmediato.
La densidad es el parámetro usado para definir los niveles de servicio en secciones básicas
de autopista, ya que la misma se incrementa al igual que el flujo hasta la capacidad. Los
rangos de densidad, velocidad y flujo para cada nivel de servicio se muestran en la tabla
N° 5.1.
La figura N° 5.2 muestra las relaciones entre velocidad, flujo y densidad para secciones
básicas de autopista. Además muestra la definición de varios niveles de servicio usando sus
respectivos valores de densidad.
97
98
Nivel de Servicio A.- Describe operaciones de libre fluidez, velocidades de libre fluidez
prevalecen. Los vehículos son casi completamente libres de maniobrar dentro el tráfico aun
en la máxima densidad del NS A, el promedio de espacio entre vehículos es alrededor de
530 pies (161.5 m) ó 26 longitudes de vehículo lo cual permite al motorista un alto nivel de
confort físico y psicológico. Los efectos de incidentes o puntos de colapso son fácilmente
absorbidos en este nivel.
Nivel de Servicio B.- Representa una libre fluidez razonable, y la velocidad a flujo libre es
mantenida. El más bajo promedio de espacio entre vehículos es alrededor de 330 pies
(100.6 m.) ó 17 longitudes de vehículo. La habilidad para maniobrar dentro del flujo de
tráfico esta ligeramente restringida, y el nivel general de confort físico y psicológico
proveído a los conductores es aún alto. Los efectos de incidentes menores y puntos de
colapso aún son fácilmente absorbidos.
99
Nivel de Servicio C.- Provee un flujo con velocidades iguales o cercanas a la velocidad de
flujo libre de autopista. La libertad de maniobrar dentro del flujo de tráfico es notablemente
más restringido en el NS C y los cambios de vía requieren más cuidado y vigilancia por
parte del conductor. El promedio mínimo de espacio entre vehículos esta en el rango de 220
pies (67 m.) u 11 longitudes de vehículo. Incidentes menores aún pueden ser absorbidos,
pero la deterioración local del servicio será sustancial. Se puede esperar la formación de
filas detrás de cualquier bloqueo significativo.
Nivel de Servicio D.- Es el nivel en el cual la velocidad empieza a declinar ligeramente con
el incremento del flujo. La densidad empieza a incrementarse algo más rápidamente con el
incremento del flujo.
100
que cualquier incidente pueda crear filas debido a que el flujo de tráfico tiene un pequeño
espacio para absorber turbulencias. El porcentaje mínimo de espaciamiento de vehículos es
de aproximadamente 165 pies (50.3 m.) u ocho longitudes de vehículo.
Nivel de Servicio E.- Describe las operaciones en capacidad, las operaciones en este nivel,
virtualmente no se tienen espacios usables en el flujo de tráfico.
Los vehículos están espaciados aproximadamente seis longitudes de vehículo, dejando un
pequeño espacio para maniobrar dentro del flujo de tráfico a velocidades que aún están
sobre las 49 mi/h (78.9 km/h). Cualquier interrupción en el flujo de tráfico, tal como los
vehículos entrando de una rampa o un vehículo cambiando de carril puede establecer una
onda de interrupción que se propaga a través del flujo del tráfico corriente arriba. En cuanto
a la capacidad, el flujo de tráfico no tiene la habilidad para disipar ni siquiera la menor
interrupción, y puede esperarse que cualquier incidente produzca un serio colapso con una
extensa fila ó enfilamiento vehicular. La maniobrabilidad dentro el flujo de tráfico es
extremadamente limitado y el nivel de confort físico y psíquico para el conductor es pobre.
101
La determinación del nivel de servicio para una sección básica de autopista generalmente
involucra tres componentes:
1. Flujo
2. Velocidad a flujo libre
3. Nivel de servicio
El flujo de cada hora debe reflejar los efectos de vehículos pesados, la variación temporal
del flujo durante una hora, y las características de la población de conductores.
Estos efectos son reflejados por el ajuste de cada hora de los volúmenes contados o
estimados, por lo general expresados en vehículos por hora (veh/h) para llegar a un
equivalente de flujo o tasa de flujo expresado en vehículos por hora por carril (veh/h/c).
V
vP = (5.1)
FHP × N × f VP × f C
102
Donde:
vp = Flujo equivalente para un periodo de 15 minutos (veh/h/c).
V = Volumen (veh/h).
FHP = Factor de Hora Pico ó Factor Horario de Máxima Demanda.
N = Número de carriles
fVP = Factor de ajuste por presencia de vehículos pesados
fC = Factor de ajuste por la población de conductores
Representa una variación temporal en el flujo durante una hora. En autopistas, el valor de
FHP varía desde 0.80 a 0.95.
Este factor de ajuste se aplica para tres tipos de vehículos: camiones, buses y vehículos
recreacionales. Los camiones y buses son tratados por igual, por lo tanto, primero se calcula
los vehículos equivalentes para cada camión-bus (ET) y vehículo recreacional (ER) para las
condiciones de tráfico y características de la vía en estudio, seguidamente y con ayuda de
los porcentajes de cada tipo de vehículo (PT, PR) en el flujo de tráfico, se calcula el factor
fVP.
El efecto de la presencia de vehículos pesados en el flujo de tráfico depende tanto de la
composición del flujo vehicular como de las características geométricas de la vía, por lo
tanto, en lo que concierne a las características geométricas de la vía se pueden seleccionar
vehículos equivalentes para vehículos pesados para una de las siguientes condiciones:
103
Donde sea que un segmento extendido general sea usado, el terreno de la autopista debe ser
clasificado como llano, ondulado o montañoso.
104
Cualquier autopista con una pendiente menor al 3% para una longitud de más de ½ milla
(804 m.) o con una pendientes mayor o igual al 3% para una longitud de ¼ de milla (402
m.) deberían ser considerados como un segmento separado. Para tales segmentos, el
procedimiento de análisis debe considerar las condiciones de la cuesta de subida y donde la
pendiente sea única, pendientes aisladas de porcentaje constante o parte de una serie de
pendientes formando un segmento compuesto.
Las Tablas N° 5.3 y N° 5.4 dan valores de ET y ER para secciones específicas con
pendientes de subida requiriendo análisis separados. Estos factores varían con el porcentaje
de la pendiente, longitud de la pendiente, y porcentaje de camiones y buses en el flujo de
tráfico. El máximo valor de ET y ER ocurre cuando solo hay unos pocos vehículos en el
flujo de tráfico. Las equivalencias disminuyen en la medida en que el número de vehículos
pesados aumenta, debido a que estos vehículos tienden a formar grupos y tener
características de operación que son más uniformes como grupo que los vehículos ligeros.
La longitud de la pendiente en un tramo de vía incluye toda la porción de la pendiente más
algo de la porción de la curva vertical en el principio y en el final de la pendiente. Es
recomendable que un cuarto de la distancia de las curvas verticales en el principio y en el
final de la pendiente sea incluida en la longitud de la pendiente. Ahí donde dos cuestas de
subida consecutivas se presenten, una mitad de la longitud de la curva vertical entre ellas es
asignada a la longitud de cada cuesta de subida.
En el análisis de las cuestas, el punto crítico es usualmente al final de la pendiente, donde
presumiblemente los vehículos pesados tienen el máximo efecto en las operaciones, como
sea, si una unión de rampa esta localizado a mitad de la pendiente, el punto de entrada o
salida debe ser un punto crítico para el análisis. En el caso de pendientes compuestas, el
punto en el cual los vehículos pesados están en su velocidad de viaje más lento es el punto
crítico para el análisis. Si una cuesta de 5% es seguida por otra de 2%, es razonable asumir
que al final de la porción del 5% podría ser crítico, debido a que los vehículos podrían
acelerar en la porción de la pendiente del 2%.
105
106
107
La alineación vertical de todas las autopistas resulta en una serie continua de pendientes. Es
necesario a menudo determinar el efecto de una serie de pendientes significativas en
sucesión. Considere el siguiente ejemplo: una pendiente de 2% de ½ milla (805 m.) es
seguida inmediatamente por una pendiente de 4% de ½ milla (805 m.). En este caso
interesa hallar el máximo efecto de los vehículos pesados para la pendiente compuesta, el
cual podría ocurrir al final (en la cima) del segmento del 4%.
La técnica más directa es calcular el promedio de la pendiente al punto en cuestión. El
promedio de la pendiente se define como la elevación total en pies desde el principio de la
pendiente compuesta dividida entre la longitud de la pendiente en pies.
Equivalencias de vehículos ligeros para esta pendiente compuesta puede ser encontrada
para una pendiente de 3% y 1 milla (1608 m.) de largo. La técnica de la pendiente
promedio tiene un aceptable aproximación para pendientes en las cuales todas las sub-
secciones son menores al 4% o el largo total de la pendiente compuesta es menor que 4000
pies (1219 m). Para pendientes compuestas más severas, una técnica detallada que usa
curvas de rendimiento de vehículo y velocidades equivalentes para determinar la pendiente
simple efectiva para el análisis es presentada en el apéndice I expuesto al final de este tema
en la sección 5.1.5.
Para el ejemplo citado arriba tenemos:
Elevación total = (2,640 pies x 0.02) + (2,640 pies x 0.04) = 165.4 pies.
Pendiente promedio = 165.4/5,280 = 0.03 o 3%.
108
Una vez que los valores de ET y ER han sido encontrados, la determinación del factor de
ajuste fVP es como sigue:
1
f VP = (5.2)
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1)
Donde:
ET, ER = Equivalentes vehículos ligeros para camiones o buses, y vehículos
recreacionales en el flujo del tráfico.
PT, PR = Proporción de camiones o buses, y vehículos recreacionales en el flujo de
tráfico.
fVP = Factor de ajuste por presencia de vehículos pesados.
En muchos casos, los camiones serán el único tipo de vehículo pesado presente en el flujo
de tráfico con un grado significativo.
Donde el porcentaje de vehículos recreacionales sea pequeño comparado con el porcentaje
de camiones, es a veces conveniente considerar a todos los vehículos pesados como
camiones. Es así que, un flujo de tráfico consistente en un 10% de camiones y un 2% de
vehículos recreacionales puede ser analizado como si tuviéramos 12% de camiones. Esto es
generalmente aceptable donde el porcentaje de camiones y buses en el flujo de tráfico es
por lo menos 5 veces el porcentaje de vehículos recreacionales presentes.
Los conductores que no son regulares o no están familiarizados con las características de
las vías, las usan menos eficientemente. Capacidades significativamente bajas han sido
reportadas en fines de semana, particularmente en áreas de recreación.
El factor de ajuste por población de conductores fC es usado para reflejar este efecto. Los
rangos de valores para fC van desde 1.0 a 0.85. En general, el análisis debería seleccionar un
valor de fC = 1.0 (usuarios familiarizados), pero hay suficiente evidencia que indica que un
menor valor que refleje más tráfico recreacional deba ser aplicado.
109
Donde:
FFS = Velocidad estimada a flujo libre (mi/h).
FFSi = Velocidad ideal estimada a flujo libre, 70 ó 75 mi/h (113 ó 121 km/h).
fLW = Factor de ajuste por ancho de carril.
fLC = Factor de ajuste por espacios laterales ó claro lateral.
fN = Factor de ajuste por número de carriles.
fID = Factor de ajuste por intercambio de densidad.
Se recomienda un FFSi = 75 mi/h (121 km/h) para autopistas rurales, y un FFSi = 70 mi/h
(113 km/h) para autopistas urbanas y suburbanas.
5.1.2.9.1.-Ancho de carril
El ancho ideal de un carril es de 12 pies (3.65 m.), cuando el ancho ideal es reducido, la
velocidad a flujo libre también disminuye El factor de ajuste que refleja el efecto de la
reducción del ancho de carril se proporciona en la tabla N° 5.6. En la tabla se presentan
factores para anchos de carril de 11 y 10 pies (3.35 y 3.05 m.).
110
>12 0.0
11 2.0
10 6.5
Ref. Manual de Capacidad de Carreteras de los Estados Unidos (HCM-1998).
Los espacios laterales ideales son: 6 pies (1.8 m.) en el lado derecho y 2 pies (0.6 m.) en el
lado izquierdo de la franja de carriles en una dirección. Cuando estos espacios son
reducidos, la velocidad a flujo libre también disminuye. El factor de ajuste que refleja este
efecto es presentado en la tabla N° 5.7.
5.1.2.9.3.-Número de carriles
El número de carriles ideal es de cinco o más (en una dirección). El factor de ajuste puede
encontrarse en la tabla N° 5.8.
111
112
Paso 2: Construir la curva de velocidad a flujo libre como las curvas de velocidades
mostradas en la figura 5.1.
Paso 3: Ingresar a la curva construida con el dato obtenido de flujo equivalente (vp)
de las abscisas y determinar la velocidad media y nivel de servicio.
Paso 4: Determinar la densidad de flujo como se muestra a continuación:
vp
D= (5.4)
S
Donde:
D = Densidad (veh/mi/c)
vp = Flujo (veh/h/c)
S = Velocidad media (mi/h)
5.1.3.-PROCEDIMIENTO DE APLICACIÓN
113
La hoja de cálculo para todos los tipos de análisis se muestra en la figura N° 5.9 donde de
acuerdo al tipo de análisis se ingresa los datos generales y de sitio. La hoja de cálculo
mostrada en la figura contempla cuatro tipos de análisis que son:
Análisis Tipo I.- Para este tipo de análisis se cuenta con toda la información a cerca de las
características de la vía y condiciones de tráfico a excepción de la velocidad media (S).
La velocidad a flujo libre (FFS) se estima aplicando los ajustes a un FFS ideal determinado
por el analista. Finalmente el nivel de servicio se obtiene del gráfico velocidad-flujo
ingresando con el flujo equivalente (vp) hasta que corte la curva específica que se ha
seleccionado o construido para la sección básica de autopista en análisis. Este punto de
intersección identifica el nivel de servicio y también la velocidad media estimada (S).
También se puede obtener el valor de la densidad (D) como el resultado de vp/S. Este tipo
de análisis sirven para estudios operacionales.
Análisis Tipo II.- Se tienen como datos las características de la vía y las condiciones de
tráfico excepto la velocidad media (S). El cálculo del flujo equivalente (vp) se realiza
utilizando los factores de equivalencia proporcionados en las tablas N° 5.6 - 5.9. La
velocidad a flujo libre puede ser estimada o medida directamente en campo. Se obtiene
entonces la velocidad media (S) de la intersección del flujo equivalente (vp) con la curva de
velocidad a flujo libre (FFSi) para la sección específica en la grafica velocidad-flujo. Se
obtiene también como resultado secundario el nivel de servicio y se puede calcular la
densidad (D) como el resultado de vp/S. Este tipo de análisis se realiza para estudios de
tiempo de viaje.
114
Tipo de Datos de
Resultados
Análisis Entrada
I vP, FFS NS
II vP, NS, FFS S
III FFS, NS vP
IV vP, NS N
Información General
Analista ______________________ Fecha ______________________
115
Análisis Tipo III.- Este análisis tiene como objetivo estimar el flujo en una vía, dadas las
condiciones de tráfico, características de la carretera y condiciones de velocidad a flujo
libre. En este tipo de análisis se tiene como dato el nivel de servicio. Se estima la velocidad
a flujo libre (FFS) aplicando los factores de corrección a una velocidad a flujo libre ideal
(FFSi), o también, utilizando una velocidad a flujo libre medida en campo. Una vez
establecida la curva de velocidad-flujo específica para la vía en estudio, se puede
determinar el flujo que se puede alcanzar para el nivel de servicio especificado. Este flujo
debe ser el máximo valor que se pueda encontrar dentro del rango establecido de nivel de
servicio. Como resultados secundarios se puede encontrar la velocidad media (S) y la
densidad (D). Con este tipo de análisis se puede realizar una programación de mejoras
futuras a la vía para mantener la misma en un nivel de servicio de operación.
Análisis Tipo IV.- Este tipo de análisis se usa para establecer el número de carriles (N)
requeridos en una vía. Se tiene una velocidad a flujo libre estimada ó medida en campo. Se
obtiene el flujo equivalente (vp) de la intersección de la curva de velocidad-flujo con el
límite máximo establecido para el nivel de servicio deseado. De la ecuación 5.1 se despeja
N para su respectivo cálculo. Por lo general el valor obtenido de N esta dado en decimales,
por lo que es decisión del analista realizar el respectivo redondeo a números enteros de
carriles por sentido.
Donde:
VHP = Volumen Horario de Proyecto.
TPDA = Tránsito Promedio Diario Anual.
K = Valor esperado de la relación entre VHP y TPDA.
D = Porcentaje de distribución direccional.
Los valores de K van desde 0.08 para áreas urbanas, de 0.15 a 0.20 para áreas rurales. El
porcentaje de distribución direccional varía desde 52 % hasta 80 % en algunas vías rurales,
116
esto debido a que el tráfico en una hora de máxima demanda raramente es distribuido
uniformemente en ambas direcciones.
Se realiza el análisis de planeamiento generalmente para determinar el número de carriles
para llevar una cantidad especificada de tráfico a un nivel de servicio deseado.
Generalmente para este tipo de análisis se tiene pocos datos, por lo tanto, se sugieren los
siguientes valores predefinidos:
Ej. 5.1.1.- Se tiene una autopista de cuatro carriles en un área urbana, la geometría es muy
restringida y el terreno ondulado, el límite de velocidad de la vía es de 65 mi/h (105 km/h).
¿Cuál es el nivel de servicio durante la hora de máxima demanda?
Datos:
117
Solución:
1 1
f VP = = = 0.909
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1) 1 + 0.05(3 − 1)
V 2000 veh/h
vP = = = 1196 veh/h/c
FHP × N × f VP × f C 0.92 × 2 × 0.909 × 1
- Cálculo de la velocidad a flujo libre (usando las tablas N° 5.6, 5.7, 5.8 y 5.9) mediante
la ecuación 5.3.
FFS = FFSi - fLW - fLC - fN- fID = 70 – 2 – 2.4 - 4.5 - 2.5 = 58.6 mi/h (59 mi/h)
- Determinación del nivel de servicio con los datos de flujo equivalente y velocidad a
flujo libre calculados, utilizando la tabla N° 5.1.
Nivel de Servicio = C
118
80
70
VELOCIDAD (mi/h)
60
50
A B C D E
40
30
10.0 16.0 24.0 32.0 45.0 veh/milla/c
20
10
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
FLUJO (veh/h/c)
Ej. 5.1.2.- Determinar el número de carriles necesarios para el diseño de una autopista
sub-urbana en terreno llano, de manera que se proporcione un nivel de servicio D durante
los periodos de máxima demanda.
Datos:
Solución:
1 1
f VP = = = 0.925
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1) 1 + 0.15(1.5 − 1) + 0.03(1.2 − 1)
V 2400 veh/h
vP = = = 2544 veh/h/c
FHP × N × f VP × f C 0.85 × 2 × 0.925 × 1.0
V 2400 veh/h
vP = = = 1696 veh/h/c
PHF × N × f HV × f P 0.85 × 3 × 0.925 × 1.0
V 2400 veh/h
vP = = = 1272 veh/h/c
PHF × N × f HV × f P 0.85 × 4 × 0.925 × 1.0
FFS = FFSi - fLW - fLC - fN- fID = 70 – 0.0 – 0.0 – 3.0 – 5.0 = 62.0 mi/h (tres carriles)
FFS = FFSi - fLW - fLC - fN- fID = 70 – 0.0 – 0.0 – 1.5 – 5.0 = 63.5 mi/h (cuatro carriles)
- Determinación del nivel de servicio mediante la tabla N° 5.1 con la densidad calculada
para cada opción utilizando la ecuación 5.4.
120
1696 veh/h/c
D 6C = = 27.4 veh/mi/c ⇒ NS = D
62 mi/h
1272 veh/h/c
D 8C = = 20 veh/mi/c ⇒ NS = C
63.5 mi/h
Los determinación gráfica de los niveles de servicio para ambas opciones se ilustran a
continuación:
80
70
VELOCIDAD (mi/h)
60
50
A B C D E
40
30
10.0 16.0 24.0 32.0 45.0 veh/milla/c
N=3
N=4
20
10
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
FLUJO (veh/h/c)
121
Ej. 5.1.3.- Se tiene una autopista urbana de seis carriles en terreno llano. Determinar el
nivel de servicio durante los periodos de máxima demanda. Determinar el nivel de
servicio al que opera la autopista después de 3 años. ¿En qué tiempo es necesario agregar
un carril en cada dirección a la autopista para evitar que se exceda su capacidad?
Datos:
Seis carriles.
5000 veh/h en la actualidad (una dirección).
Terreno llano.
10 % de camiones
FHP = 0.95.
5600 veh/h en 3 años (una dirección).
Tasa de crecimiento después del3 año: t = 4%.
FFS = 65 mi/h (medido en campo).
Solución:
Se asume constantes a lo largo del tiempo el porcentaje de camiones y el valor de FHP. Ya
que se trata de una autopista urbana, los conductores están familiarizados con la misma, por
lo tanto, fC = 1.00.
1 1
f VP = = = 0.952
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1) 1 + 0.10(1.5 − 1)
NS A → vp = 650 veh/h/c
NS B → vp = 1040 veh/h/c
NS C → vp = 1548 veh/h/c
NS D → vp = 1984 veh/h/c
NS E → vp = 2350 veh/h/c
- Cálculo de los volúmenes máximos horarios para cada nivel de servicio.
122
V
vp = ⇒ V = v p (FHP)(N)(f VP )(f C )
(FHP)(N)(f VP )(f C )
NS A → V = 1760 veh/h
NS B → V = 2822 veh/h
NS C → V = 4200 veh/h
NS D → V = 5383 veh/h
NS E → V = 6376 veh/h
80
70
VELOCIDAD (mi/h)
60
50
A B C D E
40
30
10.0 16.0 24.0 32.0 45.0 veh/milla/c
v = 1843 veh/h/c
v = 2064 veh/h/c
V = 5000 veh/h
V = 5600 veh/h
20
10
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
FLUJO (veh/h/c)
123
Se deberá planificar la adición de un carril en cada dirección dentro de los próximos 6.3
años.
Ej. 5.1.4.- Se tiene una autopista rural de cuatro carriles, con ancho de carril y espacios
laterales ideales. Determinar el nivel de servicio para las pendientes dadas tanto en subida
como en bajada durante los periodos de máxima demanda.
Datos:
Cuatro carriles.
2300 veh/h (una dirección).
Pendiente compuesta: 3000 pies a 3% y 2500 pies a 5%.
15 % de camiones.
FHP = 0.90.
FFS = 75 mi/h (medido en campo).
Solución:
En este caso no se puede aplicar para los cálculos la técnica de pendiente promedio ya que
se tiene una pendiente mayor a 5% y la longitud total de la pendiente compuesta es mayor a
4000 pies. Por lo tanto, para determinar la pendiente simple efectiva se sigue el
procedimiento detallado en el apéndice I.
Pendiente = 4 % → ET = 5.0
Pendiente = 4.8 % → ET = X ⇒ ET = 6.2
Pendiente = 5 % → ET = 6.5
1 1
f VP = = = 0.562
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1) 1 + 0.15(6.2 − 1)
124
1 1
f VP = = = 0.930
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1) 1 + 0.15(1.5 − 1)
V 2300 veh/h
vP = = = 2392 veh/h/c
FHP × N × f VP × f C 0.90 × 2 × 0.562 × 0.95
V 2300 veh/h
vP = = = 1447 veh/h/c
FHP × N × f VP × f C 0.90 × 2 × 0.930 × 0.95
- Determinación del nivel de servicio para ambos casos ingresando a la tabla N° 5.1 con
los valores de flujo equivalente (vP) y la velocidad a flujo libre (FFS) medida en
campo.
125
80
VELOCIDAD (mi/h) 70
60
50
A B C D E
40
30
10.0 16.0 24.0 32.0 45.0 veh/milla/c
20
10
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
FLUJO (veh/h/c)
Ej. 5.1.5.- Se desea construir una autopista urbana sobre un terreno ondulado, se estima un
volumen diario para el día de la apertura de 75000 veh/día. Determinar el número de
carriles necesarios para proporcionar un nivel de servicio D durante los periodos de
máxima demanda.
Datos:
- 75000 veh/d.
- K = 0.09.
- D = 55/45.
- Terreno ondulado.
Solución:
Como no se tienen datos de la velocidad a flujo libre (FFS), factor de hora-pico (FHP) y el
porcentaje de camiones, los mismos se asumen dentro de rangos razonables, teniendo
entonces:
- FFS = 65 mi/h.
- FHP = 0.90.
- 10% de camiones.
126
Como se tiene una autopista urbana se asume una población de conductores habituales
familiarizados con la vía (fC = 1.00).
- Determinación del volumen de tránsito promedio anual (TPDA) para las condiciones
dadas.
1 1
f VP = = = 0.833
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1) 1 + 0.10(3 − 1)
- Cálculo del flujo equivalente para autopistas de cuatro, seis y ocho carriles.
V 3713 veh/h
vP = = = 2476 veh/h/c (dos carriles × sentido)
FHP × N × f VP × f C 0.90 × 2 × 0.833 × 1.0
V 3713 veh/h
vP = = = 1651 veh/h/c (tres carriles × sentido)
FHP × N × f VP × f C 0.90 × 3 × 0.833 × 1.0
V 3713 veh/h
vP = = = 1238 veh/h/c (cuatro carriles × sentido)
FHP × N × f VP × f C 0.90 × 4 × 0.833 × 1.0
- Utilizando la tabla N° 5.1 para una velocidad a flujo libre (FFS) de 65 mi/h y un nivel
de servicio D requerido se tiene un flujo de servicio máximo de 1984 veh/h/c ,
comparando este valor con los obtenidos para diferentes números de carriles se
observa claramente que el número de carriles en una dirección necesarios para
proporcionar el nivel de servicio deseado es tres, por lo tanto:
N =3
127
5.4.1.- INTRODUCCIÓN
Los procedimientos en este apartado sirven para analizar la capacidad, nivel de servicio,
requerimientos de carril e impactos del tráfico y diseño de características de carreteras
multicarril rurales y suburbanas. El procedimiento no es aplicable en puntos a lo largo de la
carretera en el cual se tiene señales de tráfico, pero puede ser usado para analizar secciones
de la carretera entre señalizaciones ampliamente espaciadas, donde la formación de grupos
por las señales no afecta las condiciones de flujo.
218
distinguen a las carreteras multicarril suburbanas y rurales de las autopistas son las
siguientes:
Una importante característica de las carreteras multicarril es la velocidad a flujo libre de los
vehículos. La velocidad a flujo libre es la velocidad teórica del tráfico cuando la densidad
se aproxima a cero, prácticamente, es la velocidad en la cual el conductor se siente
confortable viajando bajo condiciones físicas, ambientales y de control de tráfico existentes
en una sección no congestionada de la carretera multicarril. Las velocidades de flujo libre
219
La figura N° 5.38 muestra que la velocidad del tráfico en una carretera multicarril es
insensible al volumen de tráfico hasta un flujo de 1400 veh/h/c. Además indica que la
capacidad de una carretera multicarril bajo condiciones ideales es de 2200 veh/h/c para
carreteras con una velocidad a flujo libre de 60 mi/h (96 km/h).
La figura N° 5.39 muestra que la densidad varia continuamente a través de todo el rango de
flujo establecido. La figura N° 5.38 y 5.39 son indicativas de las condiciones de operación
220
221
Los procedimientos en este apartado determinan la reducción en la velocidad del viaje que
ocurre por condiciones menores a las ideales. Debería notarse que esas condiciones son
ideales sólo desde del punto de vista de la capacidad y del nivel de servicio y no esta
relacionado con la seguridad u otros factores.
- La velocidad forzada.
- La velocidad de diseño.
- Los límites de velocidad.
- El ancho de carril y espacios laterales.
- Tipo de separación.
- Puntos de acceso.
El flujo es el segundo componente de los cálculos de densidad. La base para los volúmenes
de trafico usados en este apartado es un periodo de fluidez de 15 minutos pico, el cual
típicamente ocurre durante la hora pico del día. Así, el análisis será constituido con
222
volúmenes en dos periodos de tiempo, un volumen de hora pico y el flujo dentro los de 15
minutos pico de la hora. Las tablas y gráficos usados en los procedimientos están basados
en los flujos. La conversión del volumen horario a flujo se realiza dividiendo el volumen
horario entre el factor de hora pico.
El segundo factor usado para ajustar el volumen son los vehículos pesados. Un factor que
convierte camiones, buses y vehículos recreacionales en un número equivalente de
vehículos ligeros es usado. En este apartado, solo dos categorías de vehículos pesados son
usados, camiones y vehículos recreacionales. Para propósitos de análisis, buses que se
mueven a lo largo de carreteras multicarril deberán ser considerados como camiones. El
impacto de convertir vehículos pesados a su equivalente en vehículos ligeros es
especialmente importante para secciones de carretera con pendientes verticales. Para
terreno llano y especialmente para condiciones cercanas a la capacidad, camiones, buses y
vehículos recreacionales tienden a operar como vehículos ligeros y los factores de
equivalencia empiezan a aproximarse a la unidad. Una vez que los análisis de volumen para
vehículos pesados han sido convertidos al equivalente de vehículos ligeros, los
procedimientos en este apartado están basados en el flujo expresado en veh/h/c.
5.4.2.- METODOLOGÍA
223
El criterio del Nivel de Servicio (NS) para carreteras multicarril esta definido en términos
de densidad. La densidad es una medida que cuantifica la proximidad de vehículos del uno
con el otro dentro el flujo de tráfico e indica el grado de maniobrabilidad dentro el flujo de
tráfico.
Varios niveles de servicio son aplicados a las curvas de Velocidad–Flujo presentados en la
figura N° 5.38 según los valores límite de densidad. Estos limites de NS son representados
en la figura N° 5.40, por líneas tenues, cada una correspondiendo a un valor constante de
densidad. Un criterio completo de NS esta dado en la tabla N° 5.21, el usuario debe notar
que estos criterios están basados en la típica relación Velocidad–Flujo y Densidad–Flujo
mostrado en las figuras N° 5.38 y N° 5.39. Se debe notar que la velocidad permanece
relativamente constante a lo largo de un NS A al D pero es reducida cuando se aproxima a
la capacidad. Para promedios de velocidad de flujo libre de 60, 55, 50 y 45 mi/h, la tabla
N° 5.21 da el promedio de velocidad de viaje, el máximo valor v/c y el correspondiente
máximo flujo de servicio (MSF) para cada nivel de servicio.
Los criterios de NS dependen de la velocidad de flujo libre del elemento de carretera que
esta siendo estudiado, como una curva o pendiente de longitud significativa que opera con
una velocidad reducida, o una serie de tales elementos geométricos que afecta la operación
de un segmento más largo de carretera.
224
225
226
Un NS F representa fluidez forzada o colapsada. Esto ocurre ya sea en el punto donde los
vehículos llegan en un índice mayor que el índice en el cual es descargado o en el punto de
una funcionalidad planeada donde la demanda prevista excede la capacidad calculada.
Aunque las operaciones en tales puntos (y en las secciones inmediatamente corriente abajo)
se encontrarán en capacidad, las filas se formarán detrás de estos colapsos. Las operaciones
dentro las filas son altamente inestables, con vehículos experimentando cortos periodos de
movimiento seguido de paradas. Las velocidades promedio de viaje con las filas están
generalmente menores de 30 mi/h (48 km/h).
La predicción del nivel de servicio para una carretera multicarril generalmente involucra
estos pasos:
227
228
variables que son identificadas en este apartado que afectan a la velocidad de flujo libre.
Recientes datos para carreteras multicarril indican que la media de la velocidad a flujo libre
bajo condiciones ideales va aproximadamente de 1 mi/h mas bajo que la velocidad del
percentil 85º cuando este es de 40 mi/h a 3 mi/h mas bajo cuando la velocidad del percentil
85º es 60 mi/h.
El límite de velocidad es un factor que afecta la velocidad de flujo libre. Recientes
investigaciones sugieren que la velocidad de flujo libre bajo condiciones ideales es
aproximadamente 7 mi/h más alta que el límite de velocidad para límites de velocidad de
40 y 45 mi/h, y 5 mi/h mas alta para limites de velocidad de 50 y 55 mi/h. Los análisis
basados en estas reglas deberían ser usados con precaución.
Donde:
FFS = Velocidad estimada de flujo libre (mi/h).
FFSi = Velocidad estimada de flujo libre (mi/h) para condiciones ideales.
FM = Ajuste por tipo de separación o medianera (de la tabla N° 5.22).
FLW = Ajuste por ancho de carril (de la tabla N° 5.23).
FLC = Ajuste por espacio lateral (de la tabla N° 5.24).
FA = Ajuste por puntos de acceso (de la tabla N° 5.25).
El primer ajuste que es usado para modificar la estimación de la velocidad de flujo libre
tiene que ver con el tipo de separación. Los datos en la tabla N° 5.22 indican que el
promedio de velocidad de flujo libre debería decrementarse en 1.6 mi/h para caminos sin
división para considerar la fricción causada por el tráfico opuesto en un carril adyacente.
229
Las condiciones ideales para carreteras multicarril están basadas en carriles de 12 pies. La
tabla N° 5.23 representa los ajustes para modificar la estimación de la velocidad de flujo
libre para carriles más angostos. Los datos en la tabla N° 5.23 indican que las carreteras con
carriles de 11 pies tienen velocidades de flujo libre que están 1.9 mi/h más bajos que las
carreteras de 12 pies de carril, considerando que las carreteras con carriles de 10 pies tienen
velocidades de flujo libre de 6.6 mi/h menos que las carreteras de carriles de 12 pies. Para
usar la tabla N° 5.23, el ancho de los carriles mayores que 12 pies son considerados como
de 12 pies. No existen datos para ancho de carril menor a 10 pies.
La tabla N° 5.24 presenta los ajustes por espacios laterales para obstrucciones fijas en el
lado del camino o en la separación. Las obstrucciones fijas son las señales, árboles,
estribos, puentes de riel, barreras de tráfico y muros de contención. Aceras estándar no son
consideradas obstrucciones. La tabla N° 5.24 muestra la apropiada reducción en la
velocidad de flujo libre basada en el espacio lateral total, la cual es definida como:
Donde:
TLC = Espacio lateral total (pies).
LCR = Espacio lateral (pies) desde el borde derecho de los carriles de viaje a la
obstrucción del camino (si es mayor a 6 pies, usar 6 pies).
LCL = Espacio lateral (pies) desde el borde izquierdo de los carriles de viaje hasta
las obstrucciones en la separación del camino (si el espacio lateral es mayor
a 6 pies, usar 6 pies). Para caminos sin división, no hay ajuste para espacio
lateral de la izquierda.
230
Un espacio lateral de 12 pies es usado para un camino completamente sin obstrucción y sin
separación. El ajuste para el espacio lateral en carreteras de 6 carriles es ligeramente menor
que para carreteras de cuatro carriles debido a que la obstrucción lateral tiene un efecto
mínimo en las operaciones de tráfico en el carril del centro en una carretera de tres carriles.
Las figuras N° 5.41 a la N° 5.44 muestran algunas características de las carreteras
multicarril que pueden afectar la fluidez en carreteras multicarril.
231
La tabla 5.25 presenta el ajuste para varios niveles de densidad de puntos de acceso. Los
datos indican que cada punto de acceso por milla decrece la estimación de velocidad a flujo
libre en aproximadamente 0.25 mi/h, indistintamente del tipo de separación. La densidad
232
del punto de acceso sobre un camino es encontrado dividiendo el numero total de puntos de
acceso (intersecciones y entradas de autos) en el lado derecho del camino en la dirección de
los viajes que esta siendo estudiado entre la longitud de la sección en millas. Una
intersección o entrada de autos solamente es incluida por el analista si se considera que
tiene una influencia significativa en la fluidez del tráfico. Los puntos de acceso que son
difíciles de identificar por el conductor o donde hay poca actividad no deberían ser
incluidos en la determinación de la densidad del punto de acceso. Tales puntos de acceso
podrían incluir entradas de autos privadas a residencias individuales o servicio de entrada
de autos a sitios comerciales.
Cuando los datos sobre el numero de puntos de acceso en una sección de carreteras no están
disponibles (Ej. Cuando la carretera no ha sido aun construida). Las pautas presentadas en
la tabla N° 5.26 pueden ser usadas.
Dos ajustes deben ser hechos para considerar los volúmenes horarios o estimados para
llegar al flujo equivalente de vehículos ligeros usado en el análisis de NS. Estos ajustes son
233
el factor de hora pico (FHP) y el factor de ajustes por presencia de vehículos pesados (fVP).
El número de carriles es además usado para que el flujo pueda ser expresado “por carril”.
Estos ajustes son aplicados de la siguiente manera:
V
vP = (5.20)
N × FHP × f VP
Donde:
vP = Flujo de servicio (veh/h/c).
V = Volumen.
N = Número de carriles
FHP = Factor de Hora Pico.
fVP = Factor de ajuste por presencia de vehículos pesados.
Para carreteras multicarril los valores de FHP varían de 0.76 a 0.99, donde valores bajos
son típicos para carreteras rurales. Donde no este disponible datos locales, 0.85 es un
razonable estimado del FHP para carreteras multicarril rurales y 0.92 para carreteras
multicarril suburbanas.
La presencia de vehículos pesados en el flujo de trafico decrementa la velocidad de flujo
libre debido a que esta por debajo de las condiciones ideales de flujo de tráfico que esta
compuesto solamente de vehículos ligeros. El ajuste por la presencia de vehículos pesados
en el flujo de tráfico se aplica para tres tipos de vehículos: camiones, vehículos
recreacionales y buses. Para el procedimiento en este apartado, los buses son considerados
como camiones. Para encontrar el ajuste por presencia de vehículos pesados se requiere dos
pasos:
Las equivalencias de vehículos ligeros pueden ser seleccionadas para dos condiciones:
segmentos generales de carretera y pendientes específicas. Los valores equivalentes de
vehículos ligeros son seleccionados de la tabla N° 5.27 a la N° 5.30 para una variedad de
condiciones básicas. Una carretera multicarril larga puede ser clasificada como un
segmento general si las pendientes que exceden el 3% no son mayores a ½ milla; o
234
235
Tabla N° 5.28 Equivalencia de vehículos ligeros para camiones y buses en pendientes de subida
uniformes
Pendiente Longitud
ET (Para carreteras de 4 o 6 carriles)
(%) (metros)
Porcentaje de Camiones
2 4 5 6 8 10 15 20 25
y Buses
<2 Todas 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
0 – 402 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
402 – 805 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
805 – 1207 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
2
1207 – 1609 2.5 2.0 2.0 2.0 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
1609 – 2414 4.0 3.0 3.0 3.0 2.5 2.5 2.0 2.0 2.0
>2414 4.5 3.5 3.0 3.0 2.5 2.5 2.0 2.0 2.0
0 – 402 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
402 – 805 3.0 2.5 2.5 2.0 2.0 2.0 2.0 1.5 1.5
805 – 1207 6.0 4.0 4.0 3.5 3.5 3.0 2.5 2.5 2.0
3
1207 – 1609 7.5 5.5 5.0 4.5 4.0 4.0 3.5 3.0 3.0
1609 – 2414 8.0 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 4.0 3.5 3.0
>2414 8.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.5 4.0 3.5 3.0
0 – 402 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
402 – 805 5.5 4.0 4.0 3.5 3.0 3.0 3.0 2.5 2.5
4 805 – 1207 9.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5
1207 – 1609 10.5 8.0 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0
>1609 11.0 8.0 7.5 7.0 6.0 6.0 5.0 5.0 4.5
0 – 402 2.0 2.0 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
402 – 536 6.0 4.5 4.0 4.0 3.5 3.0 3.0 2.5 2.0
536 – 805 9.0 7.0 6.0 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5
5
805 – 1207 12.5 9.0 8.5 8.0 7.0 7.0 6.0 6.0 5.0
1207 – 1609 13.0 9.5 9.0 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5
>1609 13.0 9.5 9.0 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5
0 – 402 4.5 3.5 3.0 3.0 3.0 2.5 2.5 2.0 2.0
402 – 536 9.0 6.5 6.0 6.0 5.0 5.0 4.0 3.5 3.0
536 – 805 12.5 9.5 8.5 8.0 7.0 6.5 6.0 6.0 5.5
6
805 – 1207 15.0 11.0 10.0 9.5 9.0 8.0 8.0 7.5 6.5
1207 – 1609 15.0 11.0 10.0 9.5 9.0 8.5 8.0 7.5 6.5
>1609 15.0 11.0 10.0 9.5 9.0 8.5 8.0 7.5 6.5
Ref. Manual de Capacidad de Carreteras de los Estados Unidos (HCM-1998)
236
237
Ahora puede utilizarse un equivalente de vehículo ligero para una pendiente de 3.25% con
una longitud de 4000 pies.
La técnica de la pendiente promedio tiene una precisión razonable para longitudes de
pendiente de 4000 pies o menos, o no mayores del 4%. Para pendientes más largas o de
mayor porcentaje, una técnica más exacta es descrita en el Apéndice I del tema “secciones
básicas de autopista”.
Para todas las pendientes en bajada menores al 4% y para longitudes de bajada menores o
iguales de 2 millas de largo, se debe usar las equivalencias de vehículos ligeros para
camiones y buses en terreno llano dado en la tabla N° 5.27. Para pendientes de por lo
menos 4% y mayores a 2 millas usar los valores específicos mostrados en la tabla N° 5.30
para camiones, para vehículos recreacionales en bajadas se debe usar los equivalentes de
vehículos ligeros para terreno de llano dado en la tabla N° 5.27 en todos los casos.
Una vez que los valores de ET y ER han sido determinados, el factor de ajuste para vehículo
pesado puede ser calculado como sigue:
1
f VP = (5.21)
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1)
238
Donde:
fVP = Factor de ajuste por presencia de vehículos pesados en el flujo de trafico.
ET, ER = Equivalentes de vehículos ligeros para camiones-buses y vehículos
recreacionales respectivamente.
PT, PR = Porcentaje de camiones-buses y vehículos recreacionales en el flujo de
trafico (expresado como decimal).
vP
D= (5.22)
S
Donde:
D = Densidad (veh/mi/h).
vP = Flujo de servicio (veh/h/c).
S = Promedio de velocidad de viaje (mi/h).
El nivel de servicio puede ser determinado desde los rangos de densidad mostrados en la
tabla N° 5.21.
239
Algunos juicios deben ser aplicados cuando un camino es segmentado para análisis. En
general, la longitud mínima de estudio de sección deberá ser 2500 pies (760 m), además,
los límites de secciones de estudio deberán estar por lo menos a ¼ de milla de
intersecciones señalizadas. Los procedimientos en este apartado están basados en las
condiciones promedio observadas sobre una sección extendida de carretera con
características físicas generalmente consistentes.
Para estas aplicaciones, las condiciones geométricas y de tráfico deben ser conocidas para
una carretera existente o estimada para una futura carretera.
El análisis se enfoca en la determinación del nivel de servicio y sobre estimados de
240
1. La velocidad de flujo libre del segmento es determinada ya sea por medidas directas en
el campo de estudio de velocidades de vehículos ligeros o usando datos de una carretera
similar. Si la velocidad de flujo libre es estimada, la ecuación 5.18 deberá ser usada
para convertir la velocidad de flujo libre ideal a una actual velocidad de flujo libre. Los
ajustes necesarios pueden ser encontrados en las tablas apropiadas:
241
2. El flujo en veh/h/c es calculado para cada dirección de flujo usando las ecuaciones 5.20.
El ajuste del factor de vehículo pesado es calculado usando la ecuación 5.21 y las tablas
N° 5.27 a la N° 5.30.
5. El máximo flujo de servicio (MvP), máximo v/c y máxima densidad para un nivel de
servicio dado, pueden ser determinados usando la tabla N° 5.21.
242
Para usar los procedimientos en este tema en diseño, estudios de volúmenes de tráfico
previsto o futuro tienen que ser realizados y se deben estimar geometrías generales y
condiciones de control de tráfico tales como límites de velocidad. Con estos datos y una
idea del nivel de servicio, un estimado del número de carriles requeridos para cada
243
1. Una velocidad de flujo libre es estimada, basado ya sea en condiciones locales o límites
de velocidad anticipados.
2. Usando la ecuación N° 5.18, la velocidad de flujo libre es determinada sobre la base de
condiciones geométricas y de entorno anticipadas. Los ajustes necesarios son:
244
1. Una previsión del tráfico promedio diario anual (TPDA) para el año de
diseño.
2. Una previsión del porcentaje de camiones.
3. La velocidad a flujo libre anticipada del segmento de carretera.
4. Una clasificación general del tipo de terreno.
La tabla N° 5.31 fue desarrollada usando las velocidades de flujo libre de 60 y 50 mi/h bajo
condiciones ideales. Usando la ecuación 5.18, la velocidad de flujo libre fue ajustada para
20 puntos de acceso por milla (todas las demás condiciones son ideales). Los límites de
fluidez (en veh/h/c) para el NS A a NS E fueron encontrados de la figura N° 5.40 y
multiplicados por el factor de hora pico (0.9). Esos son los valores en vehículos por hora
por carril cuando no hay camiones. Los volúmenes de vehículos con porcentajes de
variación de camiones fueron encontrados aplicando apropiadamente el factor vehículo
pesado.
El tráfico promedio diario anual (TPDA) es una dato necesario para la planeación de
cualquier carretera y generalmente estará disponible para análisis de capacidad. La
alineación vertical y presencia de camiones solamente pueden ser estimados por parte del
analista, basado en las condiciones de terreno general de área a través del cual la carretera
pasará y en el carácter anticipado del tráfico que se intenta ofrecer.
245
Donde:
TPDA = Tráfico promedio diario anual previsto (veh/d).
VHP = Volumen horario de diseño (veh/h).
K = Porcentaje de TPDA que transita en la hora pico.
D = Porcentaje mayor correspondiente a la distribución direccional.
Los valores de K y D deberán estar basados en características locales o regionales.
246
VHP
N= (5.24)
Mv F
La figura N° 5.46 mostrada en la siguiente página muestra una hoja de cálculo que puede
ser usada para el análisis de planeamiento en carreteras multicarril.
247
Entorno de la vía
Suburbano Rural
TPDA total ______ veh/d K 0.10 0.15
Velocidad Límite ______ mph D 0.60 0.65
Terreno ______
Análisis
Nivel de Servicio
% de Camiones % de Camiones
Terreno NDS 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20
A 590 580 570 550 540 490 470 460 450 440
B 990 970 940 920 900 810 790 770 750 740
Llano C 1360 1330 1290 1260 1240 1130 1110 1080 1050 1030
D 1620 1580 1540 1510 1470 1350 1320 1290 1260 1230
E 1890 1840 1800 1760 1720 1710 1670 1630 1590 1550
A 590 540 500 460 420 490 440 410 370 350
B 990 900 830 760 710 810 740 680 620 580
Ondulado C 1360 1240 1130 1050 970 1130 1030 950 870 810
D 1620 1470 1350 1250 1160 1350 1230 1130 1040 960
E 1890 1720 1580 1450 1350 1710 1550 1430 1320 1220
A 590 480 400 340 300 490 390 320 280 240
B 990 790 660 570 500 810 650 540 460 410
Montañoso C 1360 1090 910 780 680 1130 910 760 650 570
D 1620 1300 1080 930 810 1350 1080 900 770 680
E 1890 1510 1260 1080 950 1710 1370 1140 980 860
Datos Asumidos: Todos los vehículos pesados son camiones PHF = 0.90
Ancho de carriles = 12 pies Puntos de acceso = 20/mi
Ancho de hombros ≥ 6 pies
Ref. Manual de Capacidad de Carreteras de los Estados Unidos (HCM-1998)
Figura N° 5.46 Hoja de Cálculo para Análisis de Planeamiento de carreteras multicarril
248
Ej. 5.4.1.- Se tiene una carretera de cuatro carriles sin división. Dadas las características de
la misma, determinar: la velocidad promedio de viaje de vehículos ligeros, la densidad de
tráfico y el nivel de servicio para cada dirección de flujo.
Datos:
Solución:
La velocidad a flujo libre no debe ser ajustada puesto que la misma fue medida en campo.
Se esboza una curva de velocidad de flujo libre de 46 mi/h en sobre la figura N° 5.40 (tal
como se muestra en la figura N° 5.47). Se calcula entonces el flujo de servicio para el
primer tramo, como sigue:
249
1 1
f VP = = = 0.94
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1) 1 + 0.11(1.5 − 1) + 0.02 (1.2 − 1)
V 1900 veh/h
vP = = = 1123 veh/h/c
N × FHP × f VP 2 × 0.90 × 0.94
v P 1123 veh/h/c
D= = = 24 veh/mi/c
S 46 mi/h
70
Vel. a Flujo Libre = 60 mi/h
60
55 mi/h
Velocidad Media (mi/h)
50 mi/h
50
45 mi/h
40
NS A B C D E
28
20
12
34
30
20
2200 veh/h/c
10
250
1 1
f VP = = = 0.87
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1) 1 + 0.11(2.2 − 1) + 0.02 (1.6 − 1)
V 1900 veh/h
vP = = = 1213 veh/h/c
N × FHP × f VP 2 × 0.90 × 0.87
v P 1213 veh/h/c
D= = = 26 veh/mi/c
S 46 mi/h
70
Vel. a Flujo Libre = 60 mi/h
60
55 mi/h
Velocidad Media (mi/h)
50 mi/h
50
45 mi/h
40
NS A B C D E
28
20
12
34
30
20
2200 veh/h/c
10
Los valores de ET y ER son los mismos que se usaron en el análisis de terreno llano, ya que
la pendiente es menor al 4%, por lo tanto, los valores de fVP, vP, y D también son los
251
252
253
Ej. 5.4.2.- Se tiene una carretera multicarril de este a oeste con una sección transversal de 5
carriles compuesta por dos carriles de viaje en cada dirección separados por un carril de
giro a la izquierda de doble sentido. Determinar el nivel de servicio del tramo en estudio.
Datos:
Solución:
Un análisis apropiado requiere que el área de estudio sea separado en dos segmentos, un
segmento llano y un segmento con pendiente sostenida. Note que debido al número de
puntos de acceso variables por dirección, el segmento llano deberá ser evaluado en ambas
direcciones.
254
velocidad del percentil 85°, y la cantidad de accesos debe ser calculada por sentido ,
con estas consideraciones se tiene:
- Una vez determinada la velocidad a flujo libre para este segmento, el siguiente paso
consiste en calcular el flujo de servicio (vP) mediante la ecuación 5.20, previo a este
paso es necesario el cálculo del factor de ajuste por presencia de vehículos pesados
(fVP) con la ecuación 5.21, entonces se tiene:
1
f VP =
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1)
255
Donde:
ET = 1.5 (Tabla N° 5.27).
ER = 1.2 (Tabla N° 5.27).
1
f VP = = 0.97
1 + 0.06(1.5 − 1) + 0.0(1.2 - 1)
El flujo de servicio:
V 1500 veh/h
vP = = = 859 veh/h/c (ambos sentidos)
N × FHP × f VP 2 × 0.90 × 0.97
70
Vel. a Flujo Libre = 60 mi/h
60
55 mi/h
Velocidad Media (mi/h)
50 mi/h
50
45 mi/h
40
NS A B C D E
28
20
12
34
30
20
2200 veh/h/c
10
256
- El valor del factor de ajuste (fVP) para el cálculo del flujo de servicio (vP) se calcula
como sigue:
1
f VP =
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1)
Donde:
ET = 7.0 (Tabla N° 5.28).
ET = 1.5 (Tabla N° 5.30).
257
1
f VP = = 0.74 (Hacia el oeste de subida)
1 + 0.06(7.0 − 1) + 0.0(1.2 - 1)
1
f VP = = 0.97 (Hacia el este de bajada)
1 + 0.06(1.5 − 1) + 0.0(1.2 - 1)
El flujo de servicio:
V 1500 veh/h
vP = = = 1126 veh/h/c (Hacia el oeste)
N × FHP × f VP 2 × 0.90 × 0.74
V 1500 veh/h
vP = = = 859 veh/h/c (Hacia el este)
N × FHP × f VP 2 × 0.90 × 0.97
Con los datos de flujo y velocidad de flujo libre se ingresa a la grafica de Velocidad -
Flujo como se muestra en la figura N° 5.50, obteniendo un Nivel de Servicio B para la
pendiente en bajada (hacia el este) y un Nivel de Servicio C para la pendiente en
subida (hacia el oeste).
70
Vel. a Flujo Libre = 60 mi/h
60
55 mi/h
Velocidad Media (mi/h)
50 mi/h
50
45 mi/h
40
NS A B C D E
20
28
12
34
30
Hacia el oeste de subida
Hacia el este de bajada
20
2200 veh/h/c
10
258
259
260
Ej. 5.4.3.- Se desea realizar el diseño de una carretera multicarril con las características
presentadas a continuación. Determinar la sección transversal de la carretera y la velocidad
promedio de viaje de vehículos ligeros.
Datos:
- 2 millas de longitud.
- 60000 veh/d.
- Nivel de Servicio requerido = NS D.
- K = 10%.
- Distribución direccional 55/45.
- FHP = 0.9.
- 5% de camiones.
- Límite de velocidad = 50 mi/h.
- 10 accesos por milla
- Terreno ondulado.
Solución:
Inicialmente se asume para este tipo de análisis características ideales como ser: ancho de
carril de 12 pies, separación elevada de carretera y hombreras de 6 o más pies en cada
dirección.
- La velocidad a flujo libre ideal se estima a partir del límite de velocidad, según la teoría
presentada en este procedimiento a límites de velocidad comprendidos entre 50 a 55
mi/h se debe incrementar 5 mi/h aproximadamente, se obtiene entonces la velocidad a
flujo libre mediante la ecuación 5.18 como se muestra a continuación:
261
- Con el valor calculado de velocidad a flujo libre, se esboza la curva tal como se
muestra en la figura N° 5.51, obteniendo para un NS D un flujo máximo ideal de
aproximadamente 1750 veh/h/c.
70
Vel. a Flujo Libre = 60 mi/h
60
55 mi/h
Velocidad Media (mi/h)
50 mi/h
50
45 mi/h
40
NS A B C D E
28
20
12
34
30
20
2200 veh/h/c
1750 veh/h/c
10
- Por otra parte se debe determinar el volumen horario de diseño (VHP) así como el
factor de ajuste por presencia de vehículos pesados (fVP) para determinar el número de
carriles necesario para el nivel de servicio requerido. El volumen horario de diseño se
calcula mediante la ecuación 5.23 como se muestra a continuación:
- Por último el número de carriles necesarios para el nivel de servicio requerido con las
262
V V 3300 veh/h
vP = ⇒N= = = 2.3 carriles
N × FHP × f VP v P × FHP × f VP 1750 veh/h/c × 0.9 × 0.91
Por lo tanto, se requieren 3 carriles por sentido para que la vía opere en un NS D bajo
las características de tráfico establecidas.
Ej. 5.4.4.- Se desea construir una nueva carretera suburbana en un lapso de 10 años, las
proyecciones de tráfico muestran que la carretera debería ser diseñada para llevar un tráfico
de 42000 veh/d con 10% de camiones. Se espera que la velocidad a flujo libre en la
carretera sea de 50 mi/h. Determinar el número de carriles necesarios para que la carretera
opere a un NS C.
Datos:
- 42000 veh/d.
- 10% de camiones.
- Velocidad a Flujo Libre = 50 mi/h.
- Terreno ondulado.
Solución:
Como no se tienen algunos datos especificados, los mismos serán asumidos de acuerdo al
tipo de carretera.
263
264
Entorno de la vía
Suburbano Rural
TPDA total 42000 veh/d K 0.10 0.15
Velocidad Límite 50 mph D 0.60 0.65
Terreno Ondulado
Análisis
Nivel de Servicio
% de Camiones % de Camiones
Terreno NDS 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20
A 590 580 570 550 540 490 470 460 450 440
B 990 970 940 920 900 810 790 770 750 740
Llano C 1360 1330 1290 1260 1240 1130 1110 1080 1050 1030
D 1620 1580 1540 1510 1470 1350 1320 1290 1260 1230
E 1890 1840 1800 1760 1720 1710 1670 1630 1590 1550
A 590 540 500 460 420 490 440 410 370 350
B 990 900 830 760 710 810 740 680 620 580
Ondulado C 1360 1240 1130 1050 970 1130 1030 950 870 810
D 1620 1470 1350 1250 1160 1350 1230 1130 1040 960
E 1890 1720 1580 1450 1350 1710 1550 1430 1320 1220
A 590 480 400 340 300 490 390 320 280 240
B 990 790 660 570 500 810 650 540 460 410
Montañoso C 1360 1090 910 780 680 1130 910 760 650 570
D 1620 1300 1080 930 810 1350 1080 900 770 680
E 1890 1510 1260 1080 950 1710 1370 1140 980 860
Datos Asumidos: Todos los vehículos pesados son camiones PHF = 0.90
Ancho de carriles = 12 pies Puntos de acceso = 20/mi
Ancho de hombros ≥ 6 pies
Ref. Manual de Capacidad de Carreteras de los Estados Unidos (HCM-1998)
Figura N° 5.46 (a) Hoja de Cálculo para el Ej. 5.4.4
265
Ej. 5.5.2.- Se tiene una carretera rural de dos carriles con un volumen de tráfico en la hora
pico de 180 veh/h. Determinar el nivel de servicio al que opera la carretera durante la hora
pico.
Datos:
Solución:
V
v=
FHP
Donde:
V = 180 veh/h (dado)
FHP = 0.87 (tabla N° 5.35, valor por defecto para 200 veh/h)
Entonces se tiene:
180 veh/h
v= = 207 veh/h
0.87
( c) ×f
SFi = 2800 × v
i
d × f w × f VP
300
1
f VP =
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1) + PB (E B − 1)
Donde:
v/c = 0.2 para NS A, 0.12 para NS B, 0.20 para NS C, 0.37 para NS D, 0.80 para NS
E (Tabla N° 5.32, terreno montañoso, 80% de zonas de no adelantamiento).
fd = 0.94 (tabla N° 5.36, distribución 60/40).
fw = 0.75 para NS A-D, 0.88 para NS E (tabla N° 5.37, carriles de 11 pies, hombros
de 2 pies).
ET = 7 para NS A, 10 para NS B-C, 12 para NS D-E (tabla N° 5.38, terreno
montañoso).
ER = 5.0 para NS A, 5.2 para NS B-E (tabla N° 5.38, terreno de nivel)
PT = 0.05 (dato)
PR = 0.10 (dato)
Luego:
1
f VP (NS A) = = 0.588
1 + 0.05(7 − 1) + 0.10(5.0 − 1)
1
f VP (NS B - C) = = 0.535
1 + 0.05(10 − 1) + 0.10(5.2 − 1)
1
f VP (NS D - E) = = 0.508
1 + 0.05(12 − 1) + 0.10(5.2 − 1)
301
Comparando el flujo actual con los flujos de servicio obtenidos para cada NS, vemos que
este se encuentra dentro del rango del NS C. Se muestra a continuación la hoja de cálculo
para este ejemplo.
SFi = 2800 × v ( c) ×f
i
d × f w × f VP f VP =
1
1 + PT (E T − 1) + PR (E R − 1) + PB (E B − 1)
302
Ej. 5.5.3.- Se tiene una carretera rural de dos carriles en terreno montañoso con una
pendiente de 6% con una longitud de 2 millas. Determinar el máximo volumen de tráfico
que puede circular en la pendiente a una velocidad de 40 mi/h.
Datos:
Solución:
SFi = 2800 × v ( c) ×f
i
d × f w × f g × f VP
Donde:
1
fg =
1 + PP I P
I P = 0.02 (E - E 0 )
y:
1
f VP =
1 + PVP (E VP − 1)
303
1
fP = = 0.87
1 + 0.80 × 0.188
1
f VP = = 0.38
1 + 0.20(9.25 − 1)
El flujo de servicio para los 15 minutos críticos se calcula con la ecuación 5.27 para un NS
D definido por la velocidad promedio dada:
El volumen máximo que circula en dicha pendiente bajo las condiciones descritas es:
Ej. 5.5.4.- Se tiene una carretera rural de dos carriles en terreno montañoso con una
pendiente de 7% y una longitud de 2 millas, lleva además un volumen horario pico de 500
veh/h. Determinar el nivel de servicio al que opera la carretera en pendiente, la velocidad
de subida que se puede esperar durante los 15 minutos pico, la capacidad, el retraso
ocasionado por la pendiente en los vehículos si se aproximan a la misma con una velocidad
de 55 mi/h.
304
Datos:
Solución:
SFi = 2800 × v ( c) ×f
i
d × f w × f g × f VP
Donde:
1
fg =
1 + PP I P
I P = 0.02 (E - E 0 )
y:
1
f VP =
1 + PVP (E VP − 1)
305
30 mi/h, estos puntos son graficados en la respectiva hoja de cálculo y unidos mediante una
curva. Una vez que la capacidad es determinada, los flujos de servicio de cada NS deberán
ser conocidos, y el actual NS puede ser determinado comparando el flujo actual con los
valores calculados.
PP = 0.84 (dato)
PVP = PT + PR + PB = 0.04 + 0.10 + 0.02 = 0.16
PT/VP = PT/ PVP = 0.04/0.16 = 0.25
Habiendo calculado todos los factores relevantes, los flujos para cada velocidad son:
306
El bajo o inexistente flujo de servicio para las velocidades de 55.0 y 52.5 mi/h indican que
estas velocidades promedio de subida son virtualmente imposibles de mantener en
pendiente de subida descrita en este problema.
Estos cálculos están resumidos en la hoja de cálculo de la pendiente específica. La
intersección de la curva dibujada con la establecida en la hoja de cálculo da como resultado
una capacidad de 950 veh/h, total en ambas direcciones, la cual ocurre en una velocidad
de 28 mi/h promedio de subida.
Para encontrar el nivel de servicio existente, el volumen de 500 veh/h es convertido a un
flujo para el periodo pico de 15 minutos:
V 500 veh/h
v= = = 588 veh/h
PHF 0.85
Se ingresa ala curva dibujada en la hoja de cálculo con 588 veh/h, y la velocidad de subida
hallada es de en 37 mi/h, debido a que esta velocidad es menor 40 mi/h, el mínimo valor
para un NS D (tabla N° 5.33), pero mayor que la velocidad en capacidad (28 mi/h),
entonces, se tiene un NS E.
Por último para encontrar el retraso simplemente se realiza la diferencia del tiempo de viaje
experimentado por los vehículos que atraviesan la subida a una velocidad existente y el
tiempo de viaje que se tendría si los vehículos mantienen su velocidad de aproximación a
pendiente. Entonces:
307
308
309
50
45
40
VELOCIDAD (mi/h)
37
35
Use metodología
F lujo para segmentos de
ad vs .
30 28
ap a ci d terreno general
ad de C
o ci d
25 Vel
20
588
950
SF Flujo
NS (De la Hoja de Cálculo) Actual
A 0 588
B 31
C 178
D 430 NS
E 950 E
310
Ej. 5.5.5.- Se tiene una carretera rural de dos carriles con una pendiente de 4% y 1½ millas
de longitud. ¿Se justifica la adición de un carril de subida en este tramo?
Datos:
Solución:
Se asume que un carril de subida en una carretera de dos carriles es justificado cuando las
siguientes condiciones son encontradas:
Cada una de estas condiciones debería ser revisada para justificar la construcción de un
carril de subida:
Para justificar un carril de subida, solo una de las condiciones especificadas en el punto 3
311
debe ser demostrada. Los NS deberán ser E o peor si el actual flujo excede el flujo de
servicio para un NS D, este valor es calculado usando la ecuación 5.27:
SFD = 2800 × v ( c) ×f
i
d × f w × f g × f VP
Donde:
1
fg =
1 + PP I P
I P = 0.02 (E - E 0 )
y:
1
f VP =
1 + PVP (E VP − 1)
1
fg = = 0.96
1 + 0.79 × 0.05
312
1
f VP = = 0.64
1 + 0.21 (3.69 − 1)
Como se puede observar, el flujo actual es menor al flujo de servicio para un NS D, por lo
tanto, la primera condición para el punto 3 no se cumple.
La siguiente condición a tratar es la reducción de velocidad a 10 mi/h de camiones pesados
que podría existir en la pendiente descrita
10 REDUCCION DE LA VELOCIDAD
POR DEBAJO DE LA VELOCIDAD
9 EN MOVIMIENTO DEL TRÁFICO
TOTAL (mi/h)
8
7
PENDIENTE (%)
4
20
3 15
10
2
5
1 VELOCIDAD INICIAL = 50 mi/h
Basados en la presunción de que un camión típico en esta pendiente tiene una relación de
potencia de 200 lb/hp, la figura N° 5.53 es usada para estimar la reducción de velocidad
experimentada, tal como se muestra en la figura N° 5.57.
Puede verse que la reducción de velocidad será de 20 mi/h, que es mayor a 10 mi/h,
313
completando la última condición requerida para justificar el carril de subida. Note que
debido a que solamente una de las condiciones del punto 3 debe ser satisfecha, no es
necesario investigar la tercera condición.
Ej. 5.5.6.- Se tiene una carretera rural de dos carriles en terreno montañoso ubicada en un
área donde el factor horario de diseño, K, es 0.14. ¿Cuál es el máximo TPDA que puede ser
acomodado sin que se tenga un NS menor a D durante los 15 minutos pico de flujo?
Solución:
Ej. 5.5.7.- Se tiene una carretera rural de dos carriles en terreno ondulado ubicada en un
área donde el factor horario de diseño, K, es 0.12. Su TPDA actual es 5000 veh/d. ¿Cuál es
el NS aproximado durante los 15 minutos pico de flujo?
Solución:
Con los datos del problema se comparan los valores de la tabla N° 5.42 al valor dado de
TPDA. El valor dado de TPDA (5000 veh/d) es menor al valor máximo para un NS D
(6600 veh/d), por lo tanto, la carretera opera bajo un NS D.
314