TESIS
“ANÁLISIS Y EVALUACIÓN DE LOS CARRILES DE CAMBIO DE VELOCIDAD
EN UNA VÍA EXPRESA DE LIMA.”
PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRO EN
CIENCIAS CON MENCIÓN EN INGENIERIA DE TRANSPORTES
ELABORADO POR
CARLOS FLORES VELAZQUE
ASESOR
M.SC. LEONARDO FLORES GONZÁLEZ
CARLOS FLORES VELAZQUE
Presentado a la Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Civil en cumplimiento parcial de los requerimientos para el grado de:
MAESTRO EN CIENCIAS CON MENCIÓN EN INGENIERIA DE TRANSPORTES
DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
2018
Autor : Ing. CIP Carlos Flores Velazque
Recomendado : M.Sc. Leonardo Flores González
Asesor de la Tesis
Aceptado por : Ph. Dr. Ing. Victor Sánchez Moya
Director de la Unidad de Posgrado de la FIC
Dedicatoria
A mi querida madre Andrea Velasque Rivera que en paz descansa, quien me demostró que la sabiduría está presente en todas las personas, sin importar su condición social, económica y nivel de educación. Me apoyó incondicionalmente para terminar mi educación Primaria, Secundaria y Universitaria.
A ella mi eterna gratitud, ahora y por siempre. Te amo madre mía.
“Haz lo que puedas, con lo que tengas, donde estés”
Agradecimiento
de Lima-Perú, están de acuerdo al Manual de Carreteras “Diseño Geométrico (DG-2018)” de Perú y/o una normativa Internacional como la “A Policy on Geometric Design of Highways and Streets (AASHTO-2011)” de Estados Unidos de América.
Así mismo se establecerá un criterio de diseño alternativa a lo indicado en el Tópico 502.09 Carriles de Cambio de Velocidad de la DG-2018, para que otros colegas dedicados al diseño de Infraestructura vial, puedan consultarla y aplicarla, en proyectos similares.
Respecto a los Carriles de Cambio de Velocidad de Aceleración, se pudo determinar que la fusión de los vehículos que provienen de la rampa y confluyen en la pista principal, más del 45% ocurre en el último tercio del carril de aceleración y la cuña; así mismo se determinó una tasa de aceleración de 1 m/s2 en las rampas. Respecto a los Carriles de Cambio de Velocidad de Deceleración, la salida de los vehículos de la pista principal en dirección a la rampa, más del 95% ocurre en la cuña; y la tasa de deceleración medid en las rampas es de 1.2 m/s2. Valores determinados para una vía expresa urbana, el parque automotor y forma de conducción del limeño - peruano.
Palabras Claves:
Carril de cambio de velocidad, aceleración, deceleración, flujo libre, velocidad de diseño, vehículo ligero.
ABSTRACT
With the present research work, it will be determined if the current lengths of the Speed Change Lanes (CCV) of the Expressway Route of the Republic of Lima-Peru, are in accordance with the Road Manual "Geometric Design (DG- 2018) "of Peru and/or an International standard such as the" A Policy on Geometric Design of Highways and Streets (AASHTO-2011) "of the United States of America.
Likewise, an alternative design criterion will be established to that indicated in Topic 502.09 Speed Change Lanes of DG-2018, so that other colleagues dedicated to the design of road infrastructure can consult it and apply it in similar projects.
Regarding the Acceleration Speed Change Lanes, it was determined that the merger of the vehicles that come from the ramp and converge on the main runway, more than 45% occurs in the last third of the acceleration lane and the wedge; Likewise, an acceleration rate of 1 m/s2 was determined on the ramps. Regarding the Deceleration Speed Change Lanes, the exit of the vehicles from the main runway towards the ramp, more than 95% occurs in the wedge; and the average deceleration rate in the ramps is 1.2 m/s2. Values determined for an urban express route, the vehicle fleet and driving style of Lima - Peru.
Key Words:
El desarrollo de la presente tesis, surgió a raíz de haber participado en el desarrollo del Estudio Definitivo de Ingeniería (EDI) para la ampliación de la Vía Expresa Paseo de la República (PDR - II), dicha ampliación es desde la Estación Plaza Las Flores hasta el empalme con la Panamericana Sur, su longitud es de 4.6 Km y fue desarrollado durante todo el año 2015; este proyecto es una Iniciativa Privada (IP) del Grupo Graña y Montero. En el desarrollo del EDI siempre se tuvo como cuestionamiento:
Si las dimensiones y forma actuales de los Carriles de Cambio de Velocidad (CCV) de ingreso/salida de la Vía Expresa de Paseo de la República (PDR - I) ¿Son las adecuadas? En esa época, sin mayor grado de investigación se estableció que las características de PDR-II, debería de ser similares a los de PDR-I. Pero siempre se quedó con la duda. Esta duda motivo a investigar más el tema de los CCV, ya sea en la Norma Nacional e Internacionales, así como otras investigaciones de otras entidades como la Federal Highway Administratio (FHWA), National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) y otros de reconocido prestigio y aceptación en el ámbito ingenieril.
La importancia de la investigación, es que se va a proponer una metodología de cálculo de los CCV en el Manual de Carreteras: Diseño Geométrico (DG-2018), acordes a las nuevas normativas e investigaciones; lo cual va a beneficiar a la comunidad ingenieril dedicado a la especialidad de Diseño Geométrico en Infraestructura Vial.
La metodología seguida, para el desarrollo de la tesis es: revisión bibliográfica de la norma nacional e internacionales, así como investigaciones recientes; determinación de un tramo de estudio de la Vía Expresa actual para su toma de datos (Angamos-Aramburú) de 1.3km, recopilación de información topográfica, la cual ha sido mediante Ortofotos adquiridos a la Empresa Horizons South America S.A.C. Toma de datos del aforo vehicular y velocidades en la Pista Principal y las Rampas.
El desarrollo de la tesis es en seis capítulos; en el Capítulo I, se da alcances generales de la investigación; en el Capítulo II, se describe el marco teórico; en el Capítulo III, se realiza la toma de datos en campo; en el Capítulo IV, es el procesamiento de la información recopilada de campo; en el Capítulo V, se realiza la microsimulación de los carriles de cambio de velocidad; en el Capítulo VI, se analiza los resultados y comprobación de la hipótesis.
Para el desarrollo de la presente investigación, se tuvo el apoyo desinteresado de GMI S.A. Ingenieros Consultores, en brindar todos los datos de estudios referidos a la Vía Expresa existente (PDR-I), así mismo autorizó utilizar la información del EDI del PDR-II. Así mismo la empresa Horizons South America S.A.C., proporciono la información topográfica, importante para realizar las mediciones de calzadas, longitudes de rampa, CCV, niveles, etc. Otra empresa que apoyo en la toma de datos de aforo y velocidades fue SENA Ingenieros S.A.C.
1.2 Realidad Problemática ... 2
1.2.1 Planteamiento Del Problema ... 5
1.2.2 Formulación De La Hipótesis ... 5
1.2.3 Justificación E Importancia ... 5
1.3 Objetivos ... 6
1.3.1 Objetivo Principal ... 6
1.3.2 Objetivos Específicos ... 6
1.4 Representatividad de la Muestra ... 6
1.5 Flujograma de Investigación... 7
CAPÍTULO II: Marco Teórico ...11
2.1 Topografía ...11
2.1.1 Equipos Topográficos...12
2.2 Controles y Criterios de Diseño ...13
2.2.1 Clasificación Vehicular ...13
2.2.2 Vehículo de Diseño ...14
2.2.3 Vehículo Ligero...14
2.2.4 Velocidad de Diseño ...14
2.2.5 Tasa de cambio de velocidad ...15
2.2.6 Cinemática ...16
2.2.7 Distancia de Visibilidad...17
2.2.8 Flujo Libre (Free Flow )...17
2.2.9 Capacidad y Nivel de Servicio ...17
2.3 Elementos de Diseño...24
2.3.1 Alineamiento Horizontal ...24
2.3.2 Alineamiento Vertical ...24
2.3.3 Carril de Cambio de Velocidad...24
2.4 Vía Expresa ...25
2.4.1 Velocidad de Diseño ...28
2.5.1.1 Tipo Cónica ...30
2.5.1.2 Tipo Paralelo...30
2.5.2 Rampas de Salida ...32
2.5.2.1 Tipo Directo ...32
2.5.2.2 Tipo Paralela ...33
2.5.3 Velocidad de Diseño ...36
2.5.4 Perfil Longitudinal ...36
2.5.5 Peralte y bombeo ...36
2.5.6 Entradas y salidas a la izquierda ...36
2.6 Desempeño del Vehículo ...36
2.7 Microsimulación de Tráfico ...37
2.7.1 Car Following ...37
2.7.2 Lane Changing ...39
CAPÍTULO III: Recopilación de Datos en Campo ...40
3.1 Lugar de Investigación ...40
3.2 Procedimiento para la Recolección de Datos ...42
3.3 Topografía ...42
3.3.1 Características Geométricas de las Rampas, Pista Principal y CCV ...43
3.3.2 Información de la velocidad en la rampa y en la autopista ...45
3.4 Conteo de Tráfico ...46
3.5 Tiempos para determinar la Velocidad ...50
3.6 Filmación ...57
3.7 Tasa de cambio de velocidad ...60
CAPÍTULO IV: Procesamiento de Datos ...61
4.1 Información Topográfica...61
4.2 Aforo Vehicular ...66
4.3 Velocidad ...76
4.3.1 Sentido Sur - Norte ...76
4.3.2 Sentido Norte – Sur: ...84
4.4 Filmación ...95
4.5.2 Tasa de Deceleración ...105
CAPÍTULO V: Simulación de los CCV ... 107
5.1 Datos de Entrada...107
5.1.1 Geometría Vial ...107
5.1.2 Demanda o intensidad vehicular en ucp ...107
5.2 Calibración del Modelo ...107
5.2.1 Método de Calibración ...108
5.2.2 Parámetros de Calibración ...109
5.3 Desarrollo y Calibración del Modelo Situación Actual ...109
5.3.1 Calibración del Modelo ...113
5.4 Desarrollo y Calibración del Modelo Situación Propuesta ...116
5.5 Comparación entre Carriles de Cambio de Velocidad Real con Teórico o propuesto 118 CAPÍTULO VI: Análisis de los Resultados y Comprobación de la Hipótesis ... 119
6.1 Velocidad de Diseño calculadas en Vía Expresa de Paseo de la República ...120
6.2 Incorporación a la Pista Principal ...120
6.2.1 Longitud de los Carriles de Cambio de Velocidad de aceleración existentes ...120
6.2.2 Ubicación De La Fusión ...121
6.2.3 Tasa de Aceleración ...123
6.2.4 Velocidad de Diseño en las Rampas de Enlace ...123
6.2.5 Velocidad de Fusión ...125
6.2.6 Maniobras Críticas o Inusuales ...127
6.2.7 Simulación ...127
6.3 Salida de la Pista Principal ...127
6.3.1 Longitud de los Carriles de Cambio de Velocidad de deceleración existentes .127 6.3.2 Ubicación de la Divergencia...128
6.3.3 Tasa de Deceleración ...130
6.3.4 Velocidades de Diseño en las Rampas de Enlace ...130
6.3.5 Velocidades de Divergencia ...130
Cuadro 2. 3. Niveles de servicio en un segmento de autopista ...23
Cuadro 2. 4. Pendiente máxima en vías expresas ...29
Cuadro 2. 5. Longitud de Carriles de Cambio de Velocidad de aceleración ...32
Cuadro 2. 6. Longitud de los CCV de deceleración ...34
Cuadro 2. 7. Coeficiente para corregir la longitud de los CCV por pendiente ...35
Cuadro 3. 1. Variables independientes ...40
Cuadro 3. 2. Rampas de ingreso y salida en la vía expresa PDR ...41
Cuadro 3. 3. Rampas estudiadas ...42
Cuadro 3. 4. Señales reglamentarias de velocidad existentes ...46
Cuadro 3. 5. Personal para conteo vehicular ...47
Cuadro 3. 6. Coordenadas de las estaciones para aforo vehicular ...49
Cuadro 3. 7. Formato para toma de datos de aforo vehicular en campo ...50
Cuadro 3. 8. Formato para toma de tiempos para determinar velocidades ...51
Cuadro 3. 9. Coordenadas de las estaciones para toma de tiempos ...56
Cuadro 3. 10. Personal para la toma de tiempos año 2017...56
Cuadro 3. 11. Personal para la toma de tiempos año 2018...56
Cuadro 4. 1.Longitud de las rampas de ingreso...62
Cuadro 4. 2. Longitud de las rampas de salida ...62
Cuadro 4. 3. Características geométricas adicionales de las rampas de ingreso ...62
Cuadro 4. 4. Características geométricas adicionales de las rampas de salida...62
Cuadro 4. 5. Características geométricas de la pista principal sur - norte ...62
Cuadro 4. 6. Características geométricas de la pista principal norte - sur ...63
Cuadro 4. 7. Factores para obtener vehículos equivalentes (VL)...67
Cuadro 4. 8. Aforo vehicular PP sentido Sur - Norte ...68
Cuadro 4. 9. Aforo vehicular en conjunto sentido Sur - Norte ...70
Cuadro 4. 10. Aforo vehicular PP sentido Norte - Sur...72
Cuadro 4. 11. Aforo vehicular en conjunto sentido Norte – Sur ...74
Cuadro 4. 12. Periodo para calcular la velocidad a flujo libre y operación sentido sur – norte 76 Cuadro 4. 13. Tiempos rampa de ingreso sur – norte a flujo libre ...77
Cuadro 4. 14. Tiempos rampa de ingreso sur – norte para V85 (2do tramo)...78
Cuadro 4. 15. Tiempos rampa de ingreso sur – norte para V85 (1er tramo) ...79
Cuadro 4. 16. Tiempos en la PP en el sentido sur – norte a flujo libre ...80
Cuadro 4. 17. Tiempos en la PP en el sentido sur – norte para V85 ...81
Cuadro 4. 18. Tiempos rampa de salida sur – norte a flujo libre ...82
Cuadro 4. 19. Tiempos rampa de salida sur – norte para V85 (1er tramo)...82
Cuadro 4. 20. Tiempos rampa de salida sur – norte para V85 (2do tramo) ...83
Cuadro 4. 28. Tiempos rampa de salida norte - sur para V85 (1er tramo) ...90
Cuadro 4. 29. Tiempos rampa de salida norte - sur para V85 (1er tramo) ...91
Cuadro 4. 30. Datos de Flujo y Velocidad sentido Sur - Norte ...93
Cuadro 4. 31. Datos de Flujo y Velocidad sentido Norte - Sur ...94
Cuadro 4. 32. Factor de hora pico en la Pista Principal ...96
Cuadro 4. 33. Número de carriles en la Pista Principal ...96
Cuadro 4. 34. Factor de ajuste por vehículos pesados ...96
Cuadro 4. 35. Factor de ajuste por tipo de conductor ...97
Cuadro 4. 36. Velocidad a flujo libre (FFS) en la Pista Principal ...97
Cuadro 4. 37. Niveles de Servicio por hora en la PP sentido Sur - Norte ...99
Cuadro 4. 38. Niveles de servicio por hora en la PP sentido norte – sur ...99
Cuadro 4. 39. Periodo de Filmación en los CCV ...100
Cuadro 4. 40. Cantidad de vehículos que se fusionan a flujo libre en Angamos ...100
Cuadro 4. 41. Cantidad de vehículos que se fusionan a flujo libre en Aramburu ...101
Cuadro 4. 42. Cantidad de vehículos que se divergen a flujo libre en Aramburú ...102
Cuadro 4. 43. Cantidad de vehículos que se divergen a flujo libre en Angamos ...103
Cuadro 5. 1. Parámetros de calibración ...109
Cuadro 5. 2. Rangos aceptables de los parámetros ...109
Cuadro 5. 3. Parámetros de comportamiento calibrado ...113
Cuadro 5. 4. Rangos aceptables de los parámetros ...113
Cuadro 5. 5. Densidad y demora en la situación actual en rampas de ingreso y salida ...118
Cuadro 5. 6. Densidad y demora en la situación proyectada en rampas de ingreso y salida .118 Cuadro 6. 1. Listado de variables dependientes ...119
Cuadro 6. 2. Comparación de los Carriles de cambio de velocidad de ingreso estudiadas ....121
Cuadro 6. 3. Fuentes bibliográficas de tasa de aceleración ...123
Cuadro 6. 4. Velocidades en rampas de ingreso estudiadas ...124
Cuadro 6. 5. Valores recomendados para la velocidad de diseño en rampas ...124
Cuadro 6. 6. Valores Mínimos de velocidad en ramales de enlace ...124
Cuadro 6. 7. Comparación de los carriles de cambio de velocidad de salida estudiadas ...127
Figura 1. 3. Flujograma del subproceso topografía y aforo vehicular ... 8
Figura 1. 4. Flujograma del subproceso tiempos y tasa de cambio de velocidad... 8
Figura 1. 5. Flujograma del subproceso zona de fusión y divergencia, y diseño de CCV teórico 9 Figura 1. 6. Flujograma del subproceso simulación ...10
Figura 2. 1. Equipos con tecnología lídar ...12
Figura 2. 2. Vehículo ligero ...14
Figura 2. 3. Perfil de aceleración de vehículos ligeros ...16
Figura 2. 4. Perfil de deceleración de vehículos ligeros ...16
Figura 2. 5. Abaco de niveles de servicio en un segmento de autopistas ...23
Figura 2. 6. Carril de aceleración y deceleración ...25
Figura 2. 7. Tipos de vías expresas combinado (trinchera, elevado y a nivel) ...26
Figura 2. 8. Vía expresa Paseo de la República en trinchera ...26
Figura 2. 9. Configuración básica de una vía expresa...27
Figura 2. 10. Secciones típicas en vía expresa ...27
Figura 2. 11. Rampa de entrada ...30
Figura 2. 12. Carril de aceleración tipo cónico ...30
Figura 2. 13. Carril de aceleración tipo paralelo ...31
Figura 2. 14. Rampa de salida ...32
Figura 2. 15. CCV de deceleración tipo directo ...32
Figura 2. 16. CCV de deceleración tipo directo con curvatura ...33
Figura 2. 17. CCV de deceleración tipo paralelo ...33
Figura 2. 18. Esquema de Parámetros W99 en el Modelo de Seguimiento de Wiedemann ...38
Figura 3. 1. Vía expresa de PDR de Lima ...41
Figura 3. 2. Área de estudio...42
Figura 3. 3. Equipos de medición ...43
Figura 3. 4. Ortofoto de las rampas estudiadas ...44
Figura 3. 5. CCV de aceleración...44
Figura 3. 6. CCV de deceleración...45
Figura 3. 7. Perfil de tráfico por hora y día ...47
Figura 3. 8. Personal ubicado en una estación de aforo ...48
Figura 3. 9. Personal tomando datos de aforo y el supervisor de campo ...48
Figura 3. 10. Ubicación de puntos de aforo vehicular sentido sur - norte ...49
Figura 3. 11. Ubicación de puntos de aforo vehicular sentido norte - sur ...49
Figura 3. 12. Puntos fijos en rampas de ingreso Angamos ...51
Figura 3. 13. Puntos fijos en rampas de ingreso Aramburú ...52
Figura 3. 14. Puntos fijos en rampas de salida Aramburú ...52
Figura 3. 22. Tramos donde puede ocurrir la fusión ...57
Figura 3. 23. Tramos donde puede ocurrir la divergencia ...57
Figura 3. 24. Demarcación CCV de ingreso Angamos ...58
Figura 3. 25. Demarcación CCV de ingreso Aramburú ...58
Figura 3. 26. Demarcación CCV de salida Angamos ...59
Figura 3. 27. Demarcación CCV de salida Aramburú ...59
Figura 3. 28. Instalación del equipo para filmar el lugar de fusión o divergencia en los CCV ...60
Figura 4. 1. Planimetría de la zona de Angamos ...63
Figura 4. 2. Perfil longitudinal de la rampa de ingreso Angamos ...63
Figura 4. 3. Perfil longitudinal de la rampa de salida Angamos ...64
Figura 4. 4. Detalle del CCV aceleración en Angamos...64
Figura 4. 5. Detalle del CCV de deceleración en Angamos ...64
Figura 4. 6. Planimetría de la zona de Aramburú ...65
Figura 4. 7. Perfil longitudinal de la rampa de salida Aramburú ...65
Figura 4. 8. Perfil longitudinal de la rampa de ingreso Aramburú ...65
Figura 4. 9. Detalle del CCV aceleración en Aramburú...66
Figura 4. 10. Detalle del CCV de deceleración en Aramburú ...66
Figura 4. 11. Flujograma PP sentido Sur - Norte ...69
Figura 4. 12. Flujograma en conjunto sentido Sur - Norte ...71
Figura 4. 13. Flujograma PP sentido Norte - Sur ...73
Figura 4. 14. Flujograma en conjunto sentido norte - sur ...75
Figura 4. 15. Distancia entre puntos fijos rampa de ingreso sur - norte...77
Figura 4. 16. Curva para determinar el V85 en la rampa de ingreso sur – norte (2do tramo) ..78
Figura 4. 17. Curva para determinar el V85 en la rampa de ingreso sur – norte (1er tramo) ...79
Figura 4. 18. Distancia entre puntos fijos pista principal sur - norte ...80
Figura 4. 19. Curva para determinar el V85 en la PP sur - norte ...81
Figura 4. 20. Distancia entre puntos fijos rampa de salida sur – norte (primer tramo) ...82
Figura 4. 21. Curva para determinar el V85 en rampa de salida sur – norte (1er tramo) ...83
Figura 4. 22. Curva para determinar el V85 en rampa de salida sur – norte (2do tramo) ...84
Figura 4. 23. Distancia entre puntos fijos rampa de ingreso norte – sur ...85
Figura 4. 24. Curva para determinar el V85 en rampa de ingreso norte – sur (2do tramo) ...86
Figura 4. 25. Curva para determinar el V85 en rampa de ingreso norte – sur (1er tramo)...87
Figura 4. 26. Distancia entre puntos fijos en la PP para el sentido norte – sur ...88
Figura 4. 27. Curva para determinar el V85 en la PP para el sentido norte - sur ...89
Figura 4. 28. Distancia entre puntos fijos rampa de salida norte – sur...89
Figura 4. 29. Curva para determinar el V85 en rampa de salida norte – sur (1er tramo) ...91
Figura 4. 30. Curva para determinar el V85 en rampa de salida norte – sur (2do tramo) ...92
Figura 4. 31. Velocidad versus Intensidad sentido Sur - Norte ...93
Figura 4. 32. Velocidad versus Intensidad sentido Norte - Sur ...94
Figura 4. 38. Distancias entre tramo continuos rampa de ingreso en Angamos ...105
Figura 4. 39. Distancias entre tramo continuos rampa de ingreso en Aramburú ...105
Figura 4. 40. Distancias entre tramo continuos rampa de salida en Aramburú ...106
Figura 4. 41. Distancias entre tramo continuos rampa de salida en Angamos ...106
Figura 5. 1 Flujograma de ingreso de datos ...108
Figura 5. 2 Configuración del background...110
Figura 5. 3 Creación de links de la red ...110
Figura 5. 4 Configuración de conectores entre vías ...110
Figura 5. 5 Configuración de rutas de la vía ...111
Figura 5. 6 Configuración de prioridad de vías ...111
Figura 5. 7 Configuración de atributos de salida del software ...112
Figura 5. 8 Parámetros de calibración VISSIM ...112
Figura 5. 9 Mapa temático de densidad vehicular t=200 s ...113
Figura 5. 10 Mapa temático de densidad vehicular t=1500 s...114
Figura 5. 11 Mapa temático de velocidad t=1800 s ...114
Figura 5. 12 Rampa de entrada y salida en Av. Angamos ...115
Figura 5. 13 Rampa de entrada y salida en Av. Aramburú...115
Figura 5. 14 Rampa de entrada y salida en Av. Angamos – Nueva geometría ...116
Figura 5. 15 Rampa de entrada y salida en Av. Aramburú – Nueva geometría ...116
Figura 5. 16 Mapa temático de densidad vehicular t= 400 s en Aramburú ...117
Figura 5. 17 Mapa temático de densidad vehicular t= 1200 s en Angamos ...117
Figura 5. 18 Mapa temático de velocidad t= 800 s ...118
Figura 6. 1. Velocidad de diseño en los elementos estudiados ...120
Figura 6. 2. Comparación del lugar de fusión a flujo libre en las rampas estudiadas ...121
Figura 6. 3. Porcentaje de vehículos que se fusionan tarde o en la cuña en los CCV ...122
Figura 6. 4. Medición de CCV de aceleración de acuerdo a la norma de Francia...122
Figura 6. 5. Medición de CCV de aceleración de acuerdo a la norma de España...123
Figura 6. 6. Longitud para determinar la velocidad de fusión en la PP en Angamos...125
Figura 6. 7. Cálculo de la velocidad de fusión en Angamos ...126
Figura 6. 8. Longitud para determinar la velocidad de fusión en la PP en Aramburu...126
Figura 6. 9. Cálculo de la velocidad de fusión en Aramburú ...126
Figura 6. 10. Ubicación de la divergencia a flujo libre ...128
Figura 6. 11. Carril de deceleración directa ...129
Figura 6. 12. Carril de deceleración paralelo ...129
Figura 6. 13. Medición de CCV de deceleración de acuerdo a la norma de España ...129
Figura 6. 14. Medición de CCV de deceleración de acuerdo a la norma de Francia ...130
Ecuación 4. 3 Cálculo de capacidad equivalente en vehículos-ligeros (pc/h/ln)...95
Ecuación 4. 4 Factor de ajuste de vehículos-pesados ...96
Ecuación 4. 5 Cálculo de velocidad a flujo libre (km/h) ...97
Ecuación 4. 6 Cálculo la velocidad promedio S en km/h ...98
DG-2018 : Manual de Carreteras “Diseño Geométrico (DG-2018)” MTC : Ministerio de Transportes y Comunicaciones
FHWA : Federal Highway Administration - USA
NCHRP : National Cooperative Highway Research Program MUTCD : Manual on Uniform Traffic Control Devices
PP : Pista Principal
PS : Pista Secundaria
CCV : Carril de Cambio de Velocidad
VEL : Vía Expresa de Lima
IP : Iniciativa Privada
PDR-I : Paseo de la Republica, Tramo I (Sheraton – Plaza de Flores) PDR-II : Paseo de la Republica, Tramo II
(Plaza de Flores – Panamericana Sur)
JP : Javier Prado
VL : Vehículo Ligero
VP : Vehículo Pesado
CAPÍTULO I: Generalidades
CAPÍTULO I
Generalidades
En este capítulo se da a conocer a partir de qué fecha se iniciaron las investigaciones acerca de los Carriles de Cambio de Velocidad (CCV), y que otras investigaciones se han realizado a través del tiempo hasta la fecha de hoy respecto a los CCV. Así mismo se indica la problemática actual de los CCV, la justificación e importancia de la investigación, objetivos, representatividad de la muestra y flujograma.
1.1 Antecedentes Bibliográficos
Los valores iniciales de los Carriles de Cambio de Velocidad, son investigaciones recopiladas a finales de 1930 e inicios de 1940 y fueron plasmados en el Green Book (AASHO-1950). En 1965 American Association of State Highway Officials (AASHO) en el Blue Book, da mayores criterios para el diseño de los CCV; que las versiones posteriores de la AASHTO (1990; 1994; 2001; 2004 y AASHTO-2011). (National Cooperative Higway Research Program, 2012)
(Bared J., 1999), presentan una metodología para evaluar la seguridad de los CCV; analizando la accidentalidad sin tener registro existente de accidentes; llegando a la conclusión de que los carriles de deceleración tienen mayor frecuencia de choque que los carriles de aceleración.
En la Design Guidance for Freeway Mainline Ramp Terminals de la NCHRP REPORT 730 (National Cooperative Higway Research Program, 2012); en las Secciones 4,5 y 6 se describen investigaciones referentes a: características de funcionamiento de los vehículos pesados, tasa de aceleración/deceleración, velocidad de incorporación y salida, comportamiento del conductor; y su efecto en los CCV.
1.2Realidad Problemática
En la actualidad para mejorar la movilidad en el ámbito urbano, se están planteando diversos proyectos de infraestructura vial de características similares a la Vía Expresa existente de Paseo de la República (PDR-I).
Uno de los elementos importantes de la PDR-I, son los CCV; por ello es bueno conocer si estas, están de acuerdo o no a la normativa vigente de Perú que es la DG-2018. Del Capítulo IV, para explicar la problemática de los CCV de aceleración principalmente, se extrae que la velocidad de diseño en la PP es de 90 km/h y en los ramales 60 km/h, con ello y lo indicado por la DG-2018 respecto a los CCV, se determina cuantas cumplen o no con la normativa vigente peruana.
La actual VEL de PDR-I, en sus aproximadamente 9 Km; tiene rampas de ingreso las cuales cumplen también la función de carril de aceleración; solo tomando en cuenta las rampas de ingreso similares a las estudiadas, se tiene el siguiente cuadro.
Cuadro 1. 1 CCV de aceleración similares a las rampas estudiadas y comparadas con la DG-2018
Ingreso Longitud
CCV (m) CCV de acuerdo a DG-2018 (m) Cumple?
Sentido Sur - Norte
Benavides 85 170 No
Diez Canseco 85 170 No
Angamos 90 170 No
Lilas 90 170 No
Sentido Norte - Sur
Iquitos 55 170 No
Aramburú 85 170 No
Angamos 95 170 No
Benavides 90 170 No
Fuente: Elaboración propia
Del cuadro anterior se puede indicar que ninguna de los CCV de aceleración cumple con la normativa vigente DG-2018.
Respecto a los CVV de deceleración, aquellos que son similares a los investigados se determinó que cumplen con la normativa vigente DG-2018.
Figura 1. 1. Esquema de rampa de ingreso y salida en PDR-I
Iquitos Alejandro Tirado
Bausate y Meza
Sheraton
CANADA Emilio Althaus
México
M
an
co
C
ap
ac
Canaval y Moreyra JAVIER PRADO
Lilas
Aramburu
Plza. De Flores
Circuito de Playas 28 de Julio
Benavides Diez Canseco
Para reforzar la problemática en la vía expresa de PDR-I, no solo desde el punto de vista normativo, se envió cartas (ver anexos) a las distintas dependencias policiales, para recolectar datos de accidentes de tránsito en su jurisdicción. No en todas las dependencias policiales han facilitado la información solicitada, esto no ha sido limitante para realizar los cuadros siguientes, las cuales están con datos de las comisarias que sí tuvieron la gentileza de apoyar al tesista.
Cuadro 1. 2 Accidentes de tránsito registrados en la comisaría de San Isidro
Fuente: Elaboración propia
Cuadro 1. 3 Accidentes de tránsito registrados en la comisaría de Surquillo
Fuente: Elaboración propia
De los cuadros anteriores, se puede indicar que los accidentes ocurridos en las Rampas de PDR-I, no es un porcentaje pequeño; estamos hablando por lo menos de más del 10% del total anual ocurrido es en las Rampas. Por ello es importante saber si sus condiciones actuales contribuyen en los accidentes.
En el cuadro siguiente, se muestra que en el Departamento de Lima la tasa de fallecidos por accidentes de tránsito es casi similar al promedio Nacional; eso indica que Lima es uno de los departamentos con alto grado de accidentalidad, por ello la meta al 2020 trazada por la OMS es la de reducir a la mitad el número de muertes y lesiones causados por accidentes de tráfico en el mundo.
Cuadro 1. 4 Tasa de fallecidos por accidente de tránsito
Fuente: INEI, censo nacional de comisarias, abril 2017
Distrito
San Isidro 2016 2017
Total 50 49 Rampas 6 5
% 12.00% 10.20%
Año
Distrito Año Surquillo 2016
Total 103 Rampas 13
Mientras que la Vía Expresa de Javier Prado, entre el tramo de Paseo de la Republica y Evitamiento, las rampas de ingreso que son catalogadas como CCV de aceleración son solo 3, dos en el sentido este - oeste y 1 en el sentido contrario, de estas 1 de ellas no cumple con la DG-2018, mientras que con la AASHTO – 2011, solo cumple una de ellas. No se analizó la carretera Panamericana, la que atraviesa de norte a sur, debido a que esta no está catalogada como Vía Expresa, sino como una Carretera de Primera Clase tipo Autopista; además en esta vía circulan vehículos de todo tipo, mientras que en las vías expresas de Paseo de la República I (PDR-I) y Javier Prado solo circulan vehículos ligeros.
La Vía Expresa de Grau, no tiene rampas de ingreso y salida catalogadas como CCV de aceleración o deceleración; solo tiene rampa de ingreso y salida al inicio y fin, la misma que se convierte en el tronco de la PP; esta vía expresa es solo para transporte público tipo custer.
Actualmente se desconoce la tasa de cambio de velocidad para el parque automotor y forma de conducción del peruano en la Vía Expresa de Lima; Luis Bañón en su libro indica una tasa de aceleración entre 0.9 a 2.2 m/𝑠𝑠2 para vehículos ligeros, y una tasa
de deceleración de emergencia de 6.0 m/𝑠𝑠2 y 4.5 m/𝑠𝑠2 umbral de comodidad.
Se desconoce si la distancia de los CCV en la Vía Expresa de Lima son los adecuados. Así mismo no se sabe si la velocidad de incorporación o de salida en los CCV de la Vía Expresa de Lima cumple con las normas e investigaciones vigentes; no se sabe el grado de perturbación en el carril más derecho de la Pista Principal de la Vía Expresa de Lima. Se desea saber en qué parte (cuña o cuerpo) de los CCV ocurre la fusión o divergencia. Es conveniente la investigación para saber si los CCV existente de la Vía Expresa de Lima, pueden ser utilizados como modelos para nuevos proyectos similares.
1.2.1 Planteamiento Del Problema
¿Cómo se debe determinar las longitudes de los CCV en una Vía Expresa de Lima?
1.2.2 Formulación De La Hipótesis
La longitud de los CCV es función de la tasa de cambio de velocidad, perfil de velocidad, conductor y geometría; y depende de las características propias de cada ciudad. La velocidad con la cual se incorporan los vehículos a la Pista Principal es mucho menor a la velocidad desarrollada en la Pista Principal.
El carril de la derecha de la Pista Principal colindante con los CCV, es el que se ve perturbado, por la incorporación o divergencia de los vehículos.
Los criterios de diseño con las cuales se construyeron los CCV de la Vía Expresa de Lima no están de acuerdo a las normas, guías, recomendaciones e investigaciones nacionales y extranjeras vigentes; por los cambios en los últimos 70 años, sobretodo en el desempeño de los vehículos.
1.2.3 Justificación E Importancia
Es importante la investigación porque se podrá determinar el perfil de velocidades, y tasa de cambio de velocidad; propios del conductor de Lima – Perú.
implementar en sus códigos, normas y recomendaciones la tasa de cambio de velocidad propias de Lima Perú; las empresas privadas al presentar una iniciativa privada podrán plantar infraestructuras acordes a la demanda y características propias de la composición vehicular como es la tasa de cambio de velocidad que determina las CCV; así mismo la sociedad civil se verá beneficiado al tener una infraestructura de los CCV que esté de acuerdo a las normas, guías e investigaciones vigentes y sobre todo adaptadas al comportamiento del conductor peruano de Lima.
1.3 Objetivos
Los objetivos del presente estudio son:
1.3.1 Objetivo Principal
Verificar si los CCV de la VEL están de acuerdo a normas, guías, recomendaciones e investigaciones vigentes y proponer una secuencia metodológica para el cálculo de la longitud de los CCV en futuros proyectos de Vías Expresas en Lima.
1.3.2 Objetivos Específicos
Construir el perfil de velocidad y determinar la tasa de cambio de velocidad a partir de mediciones de campo.
1.4 Representatividad de la Muestra
La vía expresa PDR-I, a lo largo de sus 9km tiene 20 rampas de ingreso (10 en el sentido Sur – Norte y 10 en el sentido Norte - Sur), de estas 6 (3 en el sentido Sur – Norte y 3 en sentido Norte - Sur) son similares a las dos rampas de ingreso estudiadas.
Respecto a las rampas de salida estas son 21 (11 en el sentido Sur – Norte y 10 en el sentido Norte - Sur), de estas 7 (2 en el sentido Sur – Norte y 5 en el sentido Norte - Sur) son similares a las dos rampas de salida estudiadas
Con estos datos se ha elaborado el siguiente cuadro:
Cuadro 1. 5 Representatividad de la rampa estudiada con el resto de rampas de PDR-I
Fuente: Elaboración propia
Del cuadro se puede indicar, que las rampas estudiadas 2 de ingreso y 2 de salida; representan aproximadamente el 40% de todas las rampas de ingreso/salida que existen actualmente en la vía expresa de PDR-I; con lo cual se puede generalizar los resultados obtenido en las rampas estudiadas al resto de las rampas de PDR-I.
Rampa Similares
Exist. Incl. Inves.
Ingreso 20 8 40%
Salida 21 9 43%
1.5Flujograma de Investigación
Para el desarrollo de la presente tesis de investigación, se tiene el siguiente flujograma general y sub-flujogramas:
Figura 1. 2. Flujograma general de la investigación
Inicio
Recopilación de Datos
Topografía
Aforo Vehicular
Tiempos de reorrido en rampas
Cumple? AASHTO-22011 DG-2018
No
Tasa de Cambio de Velocidad
Identificaciónla Zona de Fusión y Divirgencia
Proponer Diseño de CCV
Documentar
Si
No
Figura 1. 3. Flujograma del subproceso topografía y aforo vehicular
Fuente: Elaboración propia
Figura 1. 4. Flujograma del subproceso tiempos y tasa de cambio de velocidad
Fuente: Elaboración propia
Topografía
Mediciones de la geometria
Hacer Planos
Fin Topografía
Aforo Vehicular
Conteo Vehicular
Determinar periodo < 1300 pc/h/ln (*)
Determinar NS
Fin Aforo
Tiempos
Horario < 1300 pc/h/ln
Determinar Velocidad a Flujo Libre en la PP y Rampas
Fin de Tiempos
Tasa de Cambio de Velocidad
Velocidad Promedio en tramos continuos
Cálculo de la Tasa de Cambio de Velocidad
Figura 1. 5. Flujograma del subproceso zona de fusión y divergencia, y diseño de CCV teórico
Fuente: Elaboración propia
Zona de Fusión y Divergencia
Hacer video de 1/4 hora donde se tiene flujo < 1300
Determinación en que zona de los CCV se realiza la fusión
o Divergencia
Uso de Cuña, excede
10%
Usar la Cuña como
parte del CCV No usar Cuña como parte del CCV
Si
Fin
No
Diseño de CCV Teórico
Velocidad de Diseño en la PP y Rampa + Tasa de Aceleración + Forma
de medir el LA y LD
Diseñar CCV de Aceleración y Deceleración
Hacer Simulación Teórico y Real
Figura 1. 6. Flujograma del subproceso simulación
Fuente: Elaboración propia
Simulación
Ingreso: vehículos Red
Simulación con parámetros por defecto
Verificar Geometría de la Red, Agregar nuevo parámetro
Análisis de Sensibilidad
Elección de otros parámetros
Error aceptado
Error de validación aceptado
Fin SI NO
NO SI
CAPÍTULO II: Marco Teórico
CAPÍTULO II
Marco Teórico
En el presente capítulo, se describe la definición básica de topografía, la manera de cómo obtenerla, para su posterior representación gráfica en planos. La topografía es el punto de partida, para el desarrollo de todo proyecto de infraestructura vial y lo es también para el desarrollo de la presente tesis de investigación.
Así mismo se define los conceptos de vía expresa urbana, pista principal, pista secundaria o auxiliar, rampas de ingreso o salida y carriles de cambio de velocidad (del tipo paralelo o directo); estos como elementos más representativos de la infraestructura vial.
De la misma manera se describen los conceptos de: velocidad de diseño, vehículo de diseño, tasa de cambio de velocidad (aceleración o deceleración), cinemática, capacidad y niveles de servicio. Y finalmente se define conceptos acerca de microsimulación.
Este capítulo está relacionado con el siguiente capítulo III y el capítulo V, lo que corresponde a la toma de datos y microsimulación respectivamente.
2.1 Topografía
2.1.1 Equipos Topográficos
En la actualidad se tiene una gran variedad de equipos topográficos, desde los más conocidos y clásicos como son el eclímetro, la cinta métrica de acero y teodolito; así como los más modernos como la estación total automatizada y/o robotizada, el GPS navegador o sub-métrico o diferencial, eclímetro electrónico, escáner laser, etc.
Solo se describirá el método por el cual se ha obtenido la información topográfica, para el desarrollo de la presente tesis de investigación, la cual es:
Levantamiento Lídar
LIDAR es el acrónimo del inglés Light Detection and Ranging, consiste en el escaneo de la superficie terrestre a través de ondas electromagnéticas. La estación Lídar es un dispositivo que permite medir la distancia desde un emisor láser a un objeto o superficie utilizando un haz láser pulsado. La distancia al objeto se determina midiendo el tiempo de retraso entre la emisión del pulso y su detección a través de la señal reflejada.
Figura 2. 1. Equipos con tecnología Lídar
Fuente: Revista Leica, año 2012
Los componentes del Lídar son:
• ALS: Escáner Láser Aerotransportado. Emite pulsos de luz infrarroja que sirven para determinar la distancia entre el sensor y el terreno.
• INS: Sistema Inercial de Navegación. Nos informa de los giros y de la trayectoria del avión.
• Cámara de video digital (opcional), que permite obtener una imagen de la zona de estudio, que servirá para la mejor interpretación de los resultados. Ésta puede montarse en algunos sistemas junto al ALS.
• Medio aéreo. Puede ser un avión o un helicóptero. Cuando se quiere primar la productividad y el área es grande se utiliza el avión, y cuando se quiere mayor densidad de puntos se usa el helicóptero, debido a que éste puede volar más lento y bajo.
Un sistema Lídar emite pulsos de luz que rebotan en el terreno y demás objetos de cierta altura. Los fotones de los pulsos reflejados son transformados en impulsos eléctricos e interpretados por un registrador de datos de alta velocidad. Utilizando la fórmula de la velocidad de la luz, los intervalos de tiempo entre la emisión y la recepción se pueden calcular fácilmente. Estos intervalos son transformados en distancia ayudados por la información posicional obtenida de los receptores GPS del avión/terreno y de la unidad de medición inercial de a bordo (IMU), la cual registra, constantemente, la altitud de la aeronave. Los sistemas Lídares registran datos de posición (x, y) y de elevación (z) en intervalos predefinidos. Los datos resultantes dan lugar a una red de puntos muy densa, típicamente a intervalos de 1 a 3 metros.
La medición por el método LIDAR da muchas ventajas en tiempos y costos; sobre todo cuando se trata de grandes extensiones de superficie, a través de ella se puede obtener el Modelo Digital del Terreno (MDT) y las curvas de nivel.
(Wikipedia, 2018)
2.2 Controles y Criterios de Diseño
Para el diseño de cualquier elemento de una infraestructura vial, es necesario tener claro cuáles son los controles y criterios de diseño; a continuación, se describe los más importantes:
2.2.1 Clasificación Vehicular
En Lima Metropolitana, existe una gran diversidad de tipos de vehículos (moto, mototaxi, autos, camionetas, pick-up, bus, camión, tráiler, vehículo minero, etc.).
Por este motivo el Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú, estableció el Reglamento Nacional de Vehículos mediante Decreto Supremo N° 058-2003-MTC en el año 2003; en este reglamento los vehículos están agrupados por características similares.
Categoría L: Vehículos automotores con menos de cuatro ruedas.
Categoría M: Vehículos automotores de cuatro ruedas a más, diseñado y construido para el transporte de pasajeros.
Categoría N: Vehículos automotores de cuatro ruadas a más, diseñado y construido para el transporte de mercancías.
2.2.2 Vehículo de Diseño
El diseño de una infraestructura vial (oferta), debe de ser de acuerdo a la tipología de vehículos que van a transitar por ella (demanda) y estas tienen pesos, dimensiones y otras características mecánicas propias a la categoría que pertenecen de acuerdo al Reglamento Nacional de Vehículos.
Del estudio de Tráfico, se puede determinar cuál es el tipo de vehículos más representativos, si los VL (vehículo ligero) o VP (vehículo pesado); y con ello determinar el tipo de vehículo de diseño.
Las características del vehículo de diseño, definen las distintas medidas de la geometría y estructura de una carretera.
(Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2018)
2.2.3 Vehículo Ligero
El vehículo ligero (VL) es el que más velocidad desarrolla y su altura del ojo de piloto es más baja, por tanto, estas características definirán las distancias de visibilidad de sobrepaso, parada, zona de seguridad en relación con la visibilidad en los cruces, altura mínima de barreras de seguridad y antideslumbrantes, dimensiones mínimas de plazas de aparcamiento en zonas de estacionamiento, miradores o áreas de descanso.
En la DG-2018, a modo de referencia, se citan las dimensiones representativas de vehículos de origen norteamericano, estas son de dimensiones mayores que el resto de fabricantes de automóviles:
Ancho: 2.10m Largo: 5.80m
Figura 2. 2. Vehículo ligero
Fuente: DG-2018 (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2018)
2.2.4 Velocidad de Diseño
diseño debe ser lógico con respecto a la velocidad de funcionamiento previsto, la topografía, el uso de la tierra adyacente, y la clasificación por demanda de la carretera.
Una adecuada selección de la velocidad de diseño, debe lograr una combinación deseada de la seguridad, la movilidad y la eficiencia dentro de las limitaciones de la calidad del medio ambiente, la economía, la estética, y los impactos sociales o políticas. Una vez que se selecciona la velocidad de diseño, todas las características de la carretera pertinentes deben estar relacionadas con él, para obtener un diseño equilibrado. Criterios por encima del mínimo, deben utilizar cuando sea posible, particularmente en instalaciones de alta velocidad. En las instalaciones de menor velocidad, el uso de criterios de diseño por encima del mínimo puede fomentar los viajes a velocidades superiores a la velocidad de diseño.
Algunas características de diseño, como la curvatura, peralte, y la distancia de visibilidad, están directamente relacionadas, y varían apreciablemente con la velocidad de diseño. Otras características, como el ancho de los carriles y bermas y las distancias respecto a las paredes y/o las barreras, no están directamente relacionadas con la velocidad de diseño, pero afectan la velocidad del vehículo. Por lo tanto, cuando se realiza un cambio en la velocidad de diseño, muchos elementos del diseño de la carretera cambiarán en consecuencia.
(American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011)
Otra definición respecto a este parámetro, indica que es la velocidad máxima a la cual un vehículo puede recorrer un tramo de vía, en circunstancias tan favorables que dicho máximo queda determinado exclusivamente por las características geométricas del tramo.
Es importante subrayar que la velocidad de diseño no es la velocidad media a la que circulan los vehículos, ya que esta última (velocidad de operación) será el resultado de las condiciones prevalecientes del tránsito y de la vía, o sea, dependerá principalmente de los volúmenes, del tipo y de la eficiencia de los dispositivos de control, el clima y del estado de la vía.
(Ministerio de Vivienda y Urbanismo, 2009)
2.2.5 Tasa de cambio de velocidad
También llamada tasas de aceleración y desaceleración de los vehículos, a menudo son parámetros críticos para determinar el diseño de la carretera. Estas tasas a menudo gobiernan las dimensiones de las características de diseño tales como las rampas de la Autopista y los Carriles de Cambio de Velocidad.
Figura 2. 3. Perfil de aceleración de vehículos ligeros
Fuente: Adaptada por el tesista de la AASHTO-2011
Figura 2. 4. Perfil de deceleración de vehículos ligeros
Fuente: Adaptada por el tesista de la AASHTO-2011
2.2.6 Cinemática
describen como cambia la posición en función del tiempo. A continuación, se muestran las fórmulas que se utiliza para MRU y MRUA.
Cuadro 2. 1. Ecuaciones de cinemática
MRUV (Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado) Ecuación de
posición 𝑥𝑥𝑓𝑓 =𝑥𝑥0+𝑣𝑣0�𝑡𝑡𝑓𝑓− 𝑡𝑡0�+12∗ 𝑎𝑎 ∗(𝑡𝑡 − 𝑡𝑡0)2
Ecuación de la
velocidad 𝑣𝑣𝑓𝑓2𝑣𝑣=𝑓𝑓𝑣𝑣=𝑣𝑣0+𝑎𝑎 ∗(𝑡𝑡 − 𝑡𝑡0) 02+ 2∗ 𝑎𝑎 ∗(𝑥𝑥𝑓𝑓− 𝑥𝑥0)
𝑣𝑣𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 =𝑥𝑥𝑡𝑡𝑓𝑓− 𝑥𝑥0 𝑓𝑓− 𝑡𝑡0
Ecuación de la
aceleración 𝑎𝑎 =
𝑣𝑣𝑓𝑓− 𝑣𝑣0
𝑡𝑡𝑓𝑓− 𝑡𝑡0
Fuente: Elaboración propia, en base a dirección de sitio web
https://es.wikipedia.org/wiki/Cinemática
2.2.7 Distancia de Visibilidad
Es la longitud continua hacia adelante de la carretera, que es visible al conductor del vehículo para poder ejecutar con seguridad las diversas maniobras a que se vea obligado o que decida efectuar. En los proyectos se consideran tres distancias de visibilidad:
- Visibilidad de parada.
- Visibilidad de paso o adelantamiento. - Visibilidad de cruce con otra vía. (Ministerio de Obras Públicas, 2018)
2.2.8 Flujo Libre (Free Flow )
Se considera flujo libre cuando la densidad y el flujo vehicular es cero (ideal) o bajo volumen; en la cual un conductor puede elegir libremente su velocidad, de acuerdo a las condiciones geométricas de la carretera (ancho, longitud, tipo, pendiente, visibilidad, etc).
(Transportation Research Board, 2000)
2.2.9 Capacidad y Nivel de Servicio
El Nivel de Servicio (NS) es una medida cuantitativa, que mida la calidad de servicio de una infraestructura vial en función al tráfico, se determina el NS midiendo por ejemplo la velocidad, tiempo de viaje, libertad de maniobra, interrupciones, confort y comodidad; de acuerdo al HCM se tiene seis NS, las cuales se designan con letras que van de la A al F; siendo el NS A la que representa las mejores condiciones de operación y el NS F el peor. La seguridad no está contemplada en los NS.
(Transportation Research Board, 2000)
autopistas rurales y es de 100 km/h para las autopistas urbanas/suburbanas. El VBFL se reduce por los efectos del ancho del carril, la separación lateral derecha, el número de carriles y la densidad de los intercambios.
Los analistas deben tener cuidado de no asumir que el VFL para una autopista es igual a su límite de velocidad publicado o el campo de medición de la velocidad del 85 percentil. El VFL es la velocidad media, medida en el campo cuando los volúmenes son menos de 1.300 VL/h/carril.
Factor de Hora Pico (FHP)
Representa la variación del flujo vehicular en la circulación dentro de una hora; pues las observaciones señalan que le volumen encontrado en el periodo de 15 minutos en la hora pico no se encuentra sostenida a través de la hora completa. El factor de hora pico es un indicador de las características del flujo del tránsito en periodos máximos, si es igual a 1 significa uniformidad, valores muy pequeños indican concentración de flujos máximos.
Para determinar el factor de hora pico se usa la fórmula:
𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 =4𝑉𝑉𝐹𝐹𝑉𝑉𝑉𝑉∗ 𝑞𝑞
𝑚𝑚á𝑥𝑥
Donde:
VHMD: Volumen horario de máxima demanda
𝑞𝑞𝑚𝑚á𝑥𝑥: flujo máximo (datos agrupados cada 15min) en el periodo de la hora pico
A continuación, se describir los distintos NS.
Cuadro 2. 2. Descripción de cada uno de los Niveles de Servicio
Nivel de
Servicio Descripción Foto
A Corresponde a las condiciones de libre flujo vehicular. Las maniobras de conducción no son afectadas por la presencia de otros vehículos y están condicionadas únicamente por las características geométricas de la carretera y las decisiones del conductor. Este nivel de servicio ofrece comodidad física y psicológica al conductor. Las interrupciones menores para circular son fácilmente amortiguadas sin que exijan un cambio en la velocidad de circulación.
Nivel de
Servicio Descripción Foto
B Indica condiciones buenas de libre circulación, aunque la presencia de vehículos que van a menor velocidad pueden influir en los que se desplazan más rápido. Las velocidades promedio de viaje son las mismas que en el nivel A, pero los conductores tienen menor libertad de maniobra. Las interrupciones menores son todavía fácilmente absorbibles, aunque los deterioros locales del nivel de servicio, pueden ser mayores que en el nivel anterior.
C Proporciona flujo con velocidades iguales o cerca de la FFS de la autopista. La libertad de maniobra dentro de la corriente de tráfico está notablemente restringida, y los cambios de carril requieren más cuidado y vigilancia por parte del conductor. Los incidentes menores todavía pueden ser absorbidos, pero el deterioro local en el servicio será sustancial. Se espera que las colas se formen detrás de cualquier bloqueo significativo.
Nivel de
Servicio Descripción Foto
D Las velocidades comienzan a disminuir ligeramente con el aumento de los flujos y la densidad comienza a aumentar un poco más rápidamente. La libertad de maniobra dentro de la corriente de tráfico es más notablemente limitada, y el conductor experimenta niveles de comodidad física y psicológica reducidos. Incluso incidentes menores se puede esperar para crear colas, porque el flujo de tráfico tiene poco espacio para absorber las interrupciones.
E La intensidad de la circulación vehicular se encuentra cercana a la capacidad de la carretera. Los vehículos son operados con un mínimo de espacio entre ellos, manteniendo una velocidad de circulación uniforme. Las interrupciones no pueden ser disipadas de inmediato y frecuentemente causan colas, que ocasionan que el nivel de servicio se deteriore hasta llegar al nivel F. Para el caso de las carreteras de varios carriles con velocidad de flujo libre entre 70 y 100 km/h, los vehículos desarrollan velocidades menores, que son variables e impredecibles.
Nivel de
Servicio Descripción Foto
F En este nivel, el flujo se presenta forzado y de alta congestión, lo que ocurre cuando la intensidad del flujo vehicular (demanda) llega a ser mayor que la capacidad de la carretera. Bajo estas condiciones, se forman colas en las que se experimenta periodos cortos de movimientos seguidos de paradas. Debe notarse que el nivel F se emplea para caracterizar tanto el punto de colapso, como las condiciones de operación dentro de la cola vehicular.
Los diferentes niveles de servicio se resumen en el siguiente cuadro:
Cuadro 2. 3. Niveles de servicio en un segmento de autopista
Fuente: Adaptada por el tesista de la HCM 2000 (Exhibit 23-2)
Así mismo, se puede determinar los diferentes niveles de servicio a través de un ábaco que se muestra en la siguiente figura.
Figura 2. 5. Abaco de niveles de servicio en un segmento de autopistas
2.3 Elementos de Diseño
Una vez que se tiene determinado los criterios y controles de diseño, se puede iniciar con el diseño de los distintos elementos geométricos, tales como:
2.3.1 Alineamiento Horizontal
El diseño geométrico en planta o alineamiento horizontal, está constituido por alineamientos rectos, curvas circulares y de grado de curvatura variable (espirales), que permiten una transición suave al pasar de alineamientos rectos a curvas circulares o viceversa o también entre dos curvas circulares de curvatura diferente.
El alineamiento horizontal deberá permitir la operación ininterrumpida de los vehículos, tratando de conservar la misma velocidad de diseño en la mayor longitud de carretera que sea posible.
En general, el relieve del terreno es el elemento de control del radio de las curvas horizontales y el de la velocidad de diseño y a su vez, controla la distancia de visibilidad. (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2018)
2.3.2 Alineamiento Vertical
El diseño geométrico en perfil o alineamiento vertical, está constituido por una serie de rectas enlazadas por curvas verticales parabólicas, a los cuales dichas rectas son tangentes; en cuyo desarrollo, el sentido de las pendientes se define según el avance del kilometraje, en positivas, aquellas que implican un aumento de cotas y negativas las que producen una disminución de cotas.
El alineamiento vertical deberá permitir la operación ininterrumpida de los vehículos, tratando de conservar la misma velocidad de diseño en la mayor longitud de carretera que sea posible.
En general, el relieve del terreno es el elemento de control del radio de las curvas verticales que pueden ser cóncavas o convexas, y el de la velocidad de diseño y a su vez, controla la distancia de visibilidad.
El perfil longitudinal está controlado principalmente por la topografía, alineamiento horizontal, distancias de visibilidad, velocidad de proyecto, seguridad, costos de construcción, categoría de la carretera, valores estéticos y drenaje.
(Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2018)
2.3.3 Carril de Cambio de Velocidad
Cuando un conductor va a incorporarse/salir de una Autopista debe de modificar su velocidad. Para que esta operación inherente en las autopistas, se desarrolle con un mínimo de perturbación, se debe de diseñar carriles de cambio de velocidad; estos carriles auxiliares, sensiblemente paralelas a las Autopistas desde las cuales se pretende salir, o a las cuales se pretende entrar, y que permita acomodar la velocidad de la Autopista.
De acuerdo a su función estas reciben el nombre de Pista de Aceleración o Pista de Deceleración.
Figura 2. 6. Carril de aceleración y deceleración
Fuente: Norma Chilena, año 2009 de Viabilidad Urbana
2.4 Vía Expresa
Denominada también como Autopista Urbana, y en inglés Urban Freeways; esta categoría de vías son capaces de transportar grandes volúmenes de tráfico; por lo general no son menos de 4 carriles en ambas direcciones. Autopistas urbanas pueden ser en trinchera, a nivel del suelo, elevado o combinaciones.
Figura 2. 7. Tipos de vías expresas combinado (trinchera, elevado y a nivel)
Fuente: Adaptada por el tesista de la AASHTO - 2011
Figura 2. 8. Vía expresa Paseo de la República en trinchera
Fuente: Elaboración propia, marzo 2017, Lima-Perú
Otra de las características de las autopistas es que tienen control total de los accesos (ingreso y salida), y no tiene cruces a nivel; con lo cual garantiza el flujo continuo vehicular.
(Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2018)
ideal entre intercambios viales para un tramo de 8 a 10 Km de Autopista, es de 3Km o más, y la mínima una separación de 1km.
(Transportation Research Board, 2000)
Figura 2. 9. Configuración básica de una vía expresa
Fuente: Adaptada por el tesista de la HCM – 2000 (Exhibit 13-1)
Una vía expresa está compuesta por dos Pistas Principales (PP) una para cada sentido de circulación, las cuales están separadas por una mediana; Pista Secundaria (PS) o Auxiliar estas son las que colindan con el límite de propiedad; y Rampas de conexión de entrada o salida, estas conectan el flujo vehicular de la PP con la PS. Los elementos descritos se representan mejor en una sección que a continuación se muestra.
Figura 2. 10. Secciones típicas en vía expresa
Trinchera
Acc: Línea de acceso de control – puede variar su ubicación.
A Nivel
Fuente: Adapta por el tesista de la AASHTO - 2011
2.4.1 Velocidad de Diseño
La velocidad de diseño para esta categoría de vías por estar implantados en un ámbito urbano debe de estar entre los 80 y 100 km/h (el límite inferior puede ser para áreas ya muy consolidadas, mientras que el límite superior para áreas en desarrollo), este rango de velocidades es para no exceder los costos de construcción prudente y los costos socioeconómicos.
(American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011)
2.4.2 Tráfico
Las Vías Expresas deben de ser capaces de acomodar la proyección de tráfico durante el periodo de diseño o año horizonte de 20 años; en especial para las nuevas construcciones, sin embargo, algunos elementos de la autopista se reconstruyan o implementen estas podrían diseñarse para un periodo más corto, dependiendo en que año del horizonte del proyecto se ubica. La capacidad de las Autopistas se debe determinar con volúmenes horarios pico, expresado en VL/h/carril ó pc/h/ln; es decir si la Autopista permite el flujo de vehículos pesados, estas deberán de convertirse a vehículos equivalentes tipo Vehículos Ligeros o Passanger-Car.
(American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011) (Transportation Research Board, 2000)
El tipo de tráfico predominante en este tipo de vías es la de vehículos ligeros; sin embargo, en algunas de ellas está permitida el flujo de vehículos pesados, las cuales incluyen camiones, buses y vehículos recreativos. Está prohibido la circulación de vehículos menores (mototaxi y motos lineales), y aquellos vehículos no motorizados que son de tracción animal y humana.
(Ministerio de Vivienda y Urbanismo, 2009)
2.4.3 Nivel de Servicio (NS)
El Nivel de Servicio en las Vías Expresas y sus instalaciones auxiliares (rampas y vías secundarias), a su año horizonte debe de llegar a C y D; siendo el nivel de servicio D, para aquellas áreas urbanas altamente densas.
(American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011)
2.4.4 Pendiente Longitudinal y Peralte
Cuadro 2. 4. Pendiente máxima en vías expresas
Fuente: Adaptada por el tesista de la AASHTO – 2011 (Table 8-1)
El peralte que se debe de proyectar en la Pista principal de las Vías Expresas para contrarrestar la fuerza centrífuga en las curvas horizontales debe de estar entre 6 % como valor deseable y 8 % como valor máximo tolerable.
(American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011) (Ministerio de Vivienda y Urbanismo, 2009)
2.4.5 Ancho de Carril, Berma, Bombeo y Mediana
El ancho de carril para este tipo de vías es recomendable de 3.5 m y mínimo absoluto 3.3 m. Las bermas de las autopistas deben de ser mínimo 0.6 m en el borde interno de la calzada, mientras que para el borde exterior debe de ser mínimo 1.8 m y deseable 2.5m. El bombeo de la calzada debe de estar entre 1.5 y 2 %, mientras que en zonas lluviosas se puede proyectar hasta 2.5 %. El ancho de las medianas en las autopistas urbanas debe de ser la más amplia posible, en esta se puede proyectar para transporte masivo o para la ampliación de carriles cuando en el futuro se necesite mayor capacidad; el ancho mínimo para una autopista de 4 carriles (dos en cada sentido) debe de mínimo 3.0 m, mientras que para una de 6 carriles (tres en cada sentido) debe de ser 6.6 m y 7.8 m cuando se tenga presencia de vehículos pesados mayores a 250 veh/h.
(American Association of State Highway and Transportation Officials, 2011)
2.5 Carriles de Cambio de Velocidad en Vías Expresas
Los carriles de cambio de velocidad en las vías expresas, permiten acomodar la velocidad proveniente de las rampas, a velocidades similares de la Pista Principal, en este caso se determinan pistas de aceleración; mientras que las pistas de deceleración, sirven para que el vehículo que diverge de la Pista Principal (PP), vaya disminuyendo su velocidad cercana a la velocidad de la rampa de salida. Los Carriles de Cambio de Velocidad (CCV) pueden ser del tipo paralelo o cónico.
2.5.1 Rampas de entrada
Figura 2. 11. Rampa de entrada
Fuente: Adaptada por el tesista de la AASHTO-2011
2.5.1.1 Tipo Cónica
Una entrada de tipo cónico, como se muestra en la siguiente figura, se fusiona con la autopista con un estrechamiento largo y uniforme con una relación de conicidad de aproximadamente 50:1 a 70:1 (longitudinal a lateral) entre el borde exterior del carril de aceleración y el borde del carril de la Autopista. La geometría debe ser diseñada de tal manera que los conductores alcancen una velocidad que esté dentro de los 10 km/h de la velocidad de operación de la Autopista, cuando lleguen al punto donde el borde izquierdo del CCV se une al camino recorrido de la Autopista. AASHTO establece esta ubicación como el punto donde el borde derecho de la PP y el camino o CCV recorrido están separados 3.6 m. La longitud requerida para que el vehículo alcance esta velocidad se conoce como la longitud de aceleración y se mide desde el final de la curva de gobierno (radio menor a 300m) en la rampa, hasta donde el borde derecho de la PP y el carril del CCV estén separados por 3.6 m. Debido a las pendientes en las rampas y CCV, se utilizan factores de ajuste para aumentar las longitudes de carril de aceleración recomendadas para rampas con pendiente positiva y disminuir las longitudes de carriles de aceleración para rampas con pendientes negativas.
Figura 2. 12. Carril de aceleración tipo cónico
Fuente: Adaptada por el tesista de la AASHTO-2011
2.5.1.2 Tipo Paralelo
La distancia necesaria para la aceleración antes del punto de fusión se rige por la diferencia de velocidad entre la velocidad de funcionamiento en la curva de entrada de la rampa y la velocidad de funcionamiento de la autopista.
En lugares donde se prevé que la rampa y la autopista llevarán frecuentemente volúmenes de tráfico aproximadamente iguales a la capacidad de diseño de la zona de fusión, es deseable una longitud paralela de aceleración de por lo menos 360m más la cuña.
Figura 2. 13. Carril de aceleración tipo paralelo
Fuente: Adaptada por el tesista de la AASHTO-2011
Notas:
El punto A es control de velocidad en la rampa. La no se mide en la rampa, cuando la curvatura es mayor a 300 m o más.
La es la longitud requerida para acelerar de acuerdo a la Tabla 10-3 y ajustado con la Tabla 10-4. Lg es la longitud de espacio requerido para fusionarse. Lg debe te tener longitud mínima de 90 - 150 m, dependiente de la ubicación del ancho de la nariz.
El valor de La o Lg, con un valor de ancho de nariz de 0.6 m, es lo genera mayor longitud y es la que se recomienda para la distancia en el diseño de rampas.
Cuadro 2. 5. Longitud de Carriles de Cambio de Velocidad de aceleración
Fuente: Adaptada por el tesista de la AASHTO-2011 (Table 10-3)
2.5.2 Rampas de Salida
Las rampas de salida sirven para enlazar la Pista Principal (PP) con la Pista Secundaria (PS).
Figura 2. 14. Rampa de salida
Fuente: Adaptada por el tesista de la AASHTO-2011
2.5.2.1 Tipo Directo
Una salida de tipo directa, como se muestra en la figura siguiente, proporciona una trayectoria directa a la rampa propiamente dicha. El ángulo de divergencia suele estar entre 2 y 5 grados. La longitud del carril de deceleración se mide desde el punto donde el carril tiene un ancho de 3.6 m en la rampa hasta la primera curva horizontal en la rampa de salida.
Figura 2. 15. CCV de deceleración tipo directo
Figura 2. 16. CCV de deceleración tipo directo con curvatura
Fuente: Adaptada por e l tesista de la AASHTO-2011
2.5.2.2 Tipo Paralela
Un terminal de salida de tipo paralelo, como se muestra en la siguiente figura, comienza generalmente con una cuña, seguido de un carril añadido que es paralelo al camino recorrido PP. La longitud de un carril de deceleración de tipo paralelo se mide desde donde el carril añadido alcanza un ancho de 3.6 m hasta el punto en el que la alineación de la calzada de la rampa se aleja de la alineación de la Autopista (PP).
La parte cónica de un carril de deceleración de tipo paralelo debe tener una conicidad de aproximadamente 15:1 a 25:1.
Figura 2. 17. CCV de deceleración tipo paralelo
Fuente: Adaptada por el tesista de la AASHTO-2011
Notas:
A continuación, se muestras las longitudes de los CCV de deceleración.
Cuadro 2. 6. Longitud de los CCV de deceleración
Fuente: Adaptada por el tesista de la AASHTO-2011 (Table 10-5)
Cuadro 2. 7. Coeficiente para corregir la longitud de los CCV por pendiente
