Análisis de Tráfico Urbano

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1 CAPITULO 2. Análisis de Tráfico Urbano 2.1.Introducción Al igual que muchos sistemas dinámicos, los medios físicos y estáticos del tránsito, tales como carreteras, calles, intersecciones, terminales, etc, están sujetos a ser cargados por un volúmenes de tránsito, con características espaciales y temporales, es decir ocupan espacio y se producen en un intervalo de tiempo. Estas distribuciones son interpretadas como la necesidad de las personas de desplazarse a través de un espacio y en un determinado tiempo. Al proyectar una calle, avenida, paso peatonal o similar, es de suma importancia determinar el volumen de tránsito que circulará por el servicio proyectado, a lo que se suma la variación, tasa de crecimiento y de su composición, errores durante esta fase llevan a que el proyecto sirva por escaso tiempo, o que no sea la solución buscada. En la actualidad nuestro país a sufrido de este mal, basados en proyectos hechos al azar y que poco o nada han hecho para solucionar un problema, es así que en ciertas obras se ha dado prioridad al ornato, convirtiendo al sector en un verdadero caos, o simplemente trasladando el problema a otro sector. En la ciudad de Cuenca, Ecuador, ese problema se evidenció en el distribuidor de tránsito José Peralta, que lejos de ser una solución definitiva, llevo el problema hasta el redondel comprendido entre la Avenida Remigio Crespo y Vicente Solano, misma que es objeto de este análisis.

2 El punto de partida inicial, para análisis de tránsito es el conteo de vehículos, peatones y transporte público, mismos que entregan los siguientes datos Volumen Tasa de Flujo Demanda Capacidad Estos cuatro parámetros están relacionados estrechamente, sin embargo cada uno representa un distinto factor. El volumen expresa el número de vehículos o peatones que circulan por un punto en un intervalo de tiempo La tasa de flujo es la frecuencia a la cual pasan personas o vehículos, durante un tiempo específico menor a una hora, expresada como una tasa horaria equivalente La demanda es el número de vehículos o personas que desean movilizarse y pasan por un punto en un tiempo específico. Donde existe congestión la demanda es superior al volumen, ya que algunos actores toman rutas alternas, o simplemente no lo hacen debido al congestionamiento. La capacidad es el número máximo de vehículos o peatones que el sistema puede servir durante un tiempo específico, en un punto determinado. Es una característica del sistema vial y representa su oferta. La capacidad tiene dos formas de medirse, una que es la estimada, o proyectada, y que se tendrá en un proyecto nuevo, en el que aun no ha sido usado el sistema en su máxima capacidad, y la capacidad real, que es el valor exacto cuando el sistema esta trabajando al límite. Estos términos resultan algo confusos a primera vista, pero en su conjunto forman una dinámica de tráfico, que define a la cantidad de vehículos o peatones que esperan ser servidos (demanda), distintos de los que son servidos (volumen) y de los que pueden ser servidos (capacidad), con esto se determina que cuando la demanda es menor a la capacidad, el volumen es igual a la demanda, sin embargo esto no sucede en puntos en

3 donde se tiene un problema, el gráfico a continuación, muestra de mejor manera la dinámica de estos parámetros. Punto A Punto B Figura 2.1. Diferencia entre volumen, capacidad y demanda Como se puede observar, en la figura 2.1, en el punto A, tenemos una capacidad que puede soportar, la demanda requerida de vehículos, por tanto en este punto la demanda es igual al volumen, sin embargo en el punto B, la capacidad se ve reducida, debido a una disminución de un carril, esto determina una menor capacidad, por tanto un menor volumen, para servir a una demanda superior. Estos son los principales parámetros para el estudio de tránsito, a continuación se analizarán detenidamente cada uno de ellos. 2.2.Volumen de tránsito Volumen de tránsito absoluto Al volumen de tránsito se puede definirlo, como el número total de vehículos que pasan por un determinado periodo de tiempo. Dependiendo del período de tiempo podemos tener distintos tipos de volumen de tránsito, todos válidos pero de diferente interpretación. Volumen de tránsito anual (TA), es la medida que indica el total de vehículos que circulan por un punto en un período igual a un año. Volumen de tránsito mensual (TM), es la medida que indica el total de vehículos que circulan por un punto en un período igual a un mes.

4 Volumen de tránsito semanal (TS), es la medida que indica el total de vehículos que circulan por un punto en un período igual a una semana. Volumen de tránsito diario (TD), es la medida que indica el total de vehículos que circulan por un punto en un período igual a un día. Volumen de tránsito diario (TH), es la medida que indica el total de vehículos que circulan por un punto en un período igual a una hora. Volumen de tránsito en un período menor a una hora (Q i ), representa el volumen situado en un periodo menor a una hora donde i, representa el periodo en minutos, por ejemplo para un tiempo de 15 minutos tenemos un Q Volumen de tránsito promedio diario Se define al volumen de tránsito promedio diario (TPD), como el numero total de vehículos que pasan durante un período dado (en días completos) igual o menor a un año y mayor a un día, divido por el numero de días del período, de manera general se expresa como: Donde N representa el número de vehículos que pasan durante T días, de ahí salen unas constantes importantes en estudios y proyectos tales como: Tránsito promedio diario anual (TPDA) Tránsito promedio diario mensual (TPDM) Tránsito promedio diario semanal (TPDS)

5 Uso de los volúmenes de tránsito Los volúmenes de tránsito son comúnmente utilizados en cualquiera de los casos que a continuación se describen: Planeación Clasificación de redes de carreteras. Estimación de los cambios anuales de los volúmenes de tránsito. Modelos de asignación y distribución de tránsito. Desarrollo de programas de mantenimiento. Análisis económicos. Estimación de la calidad del aire Estimaciones de consumo de combustible. Proyecto Aplicación a normas de proyectos geométricos. Requerimientos de nuevas carreteras. Análisis estructural de superficies de rodamiento. Análisis de capacidad y niveles de servicio. Caracterización de flujos vehiculares Zonificación de velocidades Estudio de estacionamientos Seguridad y usos comerciales Calculo de índices de accidentes y mortalidad Evaluación de mejoras por seguridad Hoteles y restaurantes Urbanismo Potencialidades turísticas

6 Autoservicios Necesidad de ambulancias y puestos de auxilio. Actividades recreacionales y deportivas Características de los volúmenes de tránsito Los volúmenes de tránsito siempre deben considerarse dinámicos, por lo que son únicamente válidos en el periodo de tiempo durante el cual se tomó la muestra, debido a que sus variaciones son generalmente periódicas Distribución y composición del volumen de tránsito La distribución de los volúmenes de tránsito por carriles debe ser considerado tanto en planeación como en la circulación en calles y carreteras. Cuando se tiene más de un carril, es recomendable realizar las mediciones dando mayor importancia al carril del medio, ya que es en él, por donde circula estadísticamente de forma más fluida el tránsito Variación del volumen de tránsito en la hora de máxima demanda En zonas urbanas, la variación de los volúmenes de tránsito dentro de una misma hora de máxima demanda, puede llegar a ser periódicas durante varios días de la semana. Sin embargo, es importante conocer la variación del volumen dentro de las horas máximas de demanda y cuantificar la duración de los flujos máximos, para así realizar un análisis respecto de los instantes de máxima demanda, para así poder llegar a conclusiones tales como la prohibición de estacionamientos, prohibición de ciertos movimientos en curva y disposición de los tiempos de semáforos. Un volumen horario de máxima demanda, a menos que tengan una distribución uniforme, no necesariamente significa que se conserve la misma frecuencia del flujo durante toda la hora. Esto significa que existen periodos cortos dentro de la hora con tasas de flujo mucho mayores a las de la hora misma. Para la hora máxima de demanda, se llama factor de la hora máxima de demanda FHMD, a la relación entre el volumen

7 horario de máxima demanda VHMD, y el volumen máximo Q max, que se presenta durante un periodo dado dentro de dicha hora. Matemáticamente se expresa como: Donde: N = numero de periodos durante la hora máxima de demanda. Los periodos dentro de la hora de máxima demanda pueden ser de 5, 10 o 15 minutos, utilizándose este último con mayor frecuencia, en cuyo caso el factor de la hora de máxima demanda es: Para periodos de 5 minutos, el factor de la hora de máxima demanda es: Este factor tiene un rango que varía entre 0 y 1, considerando a la unidad como una distribución constante y homogénea, es decir que durante toda la hora de máxima demanda el flujo es constante, o en el otro caso representa el valor porcentual en el que el volumen de tránsito de máxima demanda es constante durante la hora Variación horaria del volumen de tránsito Las variaciones de los volúmenes de tránsito a lo largo de las horas del día, dependen del tipo de ruta, según las actividades del sector, puesto que hay rutas de tipo turístico, agrícola, comercial, etc. Por ejemplo en zonas agrícolas las variaciones horarias dentro de la época de cosecha son críticas, puede ser que en ciertas horas de la noche no haya absolutamente un vehículo y sin embargo a determinadas horas del día hay una cantidad de vehículos que pueden llegar a saturar una carretera de dos carriles. En el caso de una carretera de tipo

8 turístico, durante los días de la semana existe un tránsito mas o menos normal a lo largo de todas las horas, pero los sábados y domingos pueden llegar a volúmenes altos, concentrándose varias horas del día con demandas máximas. Continuando con este ejemplo se puede suponer al día sábado, de las 8 de la mañana a las 11 o 12 el volumen horario es muy grande, en la tarde baja y en la noche es bastante pequeño. El domingo, en la mañana presenta volúmenes horarios medianos, y en la tarde máximos, en las horas de regreso a la ciudad, ocurriendo largas filas de automóviles. Son variaciones horarias que ocurren en cualquier parte del mundo, que se pueden prever mediante los estudios necesarios. En las ciudades se tiene una variación típica de la siguiente manera, la madrugada empieza con bajo volumen de vehículos, el cual se va incrementando hasta alcanzar las cifras máximas entre las 7:30 y las 9:30 horas. De las 9:30 a las 13:00 horas vuelve a bajar y empieza a ascender para llegar a otro máximo entre las 13:00 y 14:00 horas. Vuelve de nuevo a disminuir entre las 14:00 y 17:00 horas, en que asciende a un máximo por tercera vez entre las 17:00 y las 20:00 horas. De esta hora en adelante tiende a bajar al mínimo en la madrugada. En zonas urbanas, para el caso de intersecciones, se acostumbra a tomar los datos de volúmenes de tránsito según sus movimientos direccionales Variación diaria del volumen de tránsito Al igual que durante el día existen variaciones respecto al horario y las actividades normales del sector analizado, así también ocurren variaciones de un día respecto de otro, para las carreteras principales de lunes a viernes los volúmenes son muy estables, los máximos, generalmente se registran durante el fin de semana ya sea el sábado o el domingo, debido a que durante estos días, por estas vías circula una demanda de usuarios de tipo turístico. En carreteras secundarias de tipo agrícola, los máximos volúmenes se presentan entre semana, considerando días especiales por salida de productos a ferias u otros. En las calles de la ciudad, la variación de los volúmenes de tránsito diario no es muy pronunciada entre semana, esto es, están mas o menos distribuidos en los días laborables.

9 También vale la pena mencionar, con referencia a la variación diaria de los volúmenes de tránsito tanto nivel urbano como rural, que se presentan máximos aquellos días de eventos especiales como Navidad, Semana Santa, fin de año, competencias deportivas nacionales e internacionales, etc Variación mensual del volumen de tránsito Hay meses que las calles y carreteras llevan mayores volúmenes que otros, presentando variaciones notables. Los mas altos volúmenes de tránsito se registran en Semana Santa, en las vacaciones escolares y a fin de año por las fiestas y vacaciones navideñas del mes de diciembre. Por esta razón los volúmenes de tránsito promedio diarios que caracterizan cada mes son diferentes, dependiendo también, de la categoría y del tipo de servicio que presten las calles y carreteras. Sin embargo, el patrón de variación de cualquier vialidad no cambia grandemente de año a año, a menos que ocurran cambios importantes en su diseño, en los usos de la tierra, o construyan nuevas calles o carreteras que funcionen como alternas Volúmenes de tránsito futuros Relación entre el volumen horario de proyecto y el tránsito promedio diario anual Si se hiciera una lista de los volúmenes de tránsito horario que se presentan en el año, en orden descendente, seria posible determinar los volúmenes horarios de la 10ª, 20ª, 30ª, 50ª, 70ª, 100ª hora de máximo volumen. Una guía para determinar el volumen horario de proyecto VHP, es precisamente una curva que indique la variación de los volúmenes de tránsito horario durante el año y el tránsito promedio actual TPDA, de las carreteras nacionales. Estas curvas también indican que los volúmenes de tránsito horario en una carretera presentan una amplia distribución durante el año y que en generalmente, la mayor parte del volumen de tránsito ocurre durante un numero pequeño de horas. De acuerdo a lo anterior, el volumen horario de proyecto VHP, para el año de proyecto en función del tránsito promedio diario anual TPDA, se expresa como:

10 VHP = k(tpda) Donde: k = valor esperado de la relación entre el volumen de la hora de máxima demanda seleccionada y el TPDA del año de proyecto. Y que por lo general se usa constantes de k. Para carreteras suburbanas: k =0.08 Para carreteras rurales secundarias: k =0.08 Para carreteras rurales principales: k = Relación entre el volumen de tránsito promedio diario, anual y semanal Para el análisis de cualquier fenómeno, hay que tener en cuenta que los resultados dependerán directamente de la cantidad de muestras que se tomen del fenómeno tratandod e buscar la mayor cantidad de muestras posibles. Con respecto a volúmenes de tránsito, para obtener el tránsito promedio diario anual TPDA, es necesario disponer el numero total de vehículos que pasan durante el año por el punto de referencia, mediante medidores continuos a lo largo de todo el año, ya sea en periodos horarios, diarios, semanales o mensuales. Muchas veces, esta información anual es difícil de obtener, al menos en todas las intersecciones analizadas, por los costos que ellos implican. Sin embargo se pueden conseguir datos en las casetas de peaje y mediante contadores automáticos instalados en estaciones maestras del sistema analizado. En estas situaciones, muestras de los datos sujetas a las mismas técnicas de análisis permiten generalizar el comportamiento de la población. No obstante, antes de que los resultados se puedan generalizar, se debe analizar la variación de la muestra para así estar seguros, con cierto nivel de confianza, que esta se puede aplicar a otro número de casos no incluidos, y que forman parte de las características de la población.

11 Por lo tanto, en el análisis de volúmenes de tránsito, la media poblacional o tránsito promedio diario anual TPDA, se estima con base en la promedio o tránsito promedio diario semanal TPDS según la siguiente expresión: TPDA = TPDS +- A Donde: A = máxima diferencia entre TPDA y el TPDS. Como se observa el valor de A, sumando o restando el TPDS, define el intervalo de confianza dentro del cual se encuentra el TPDA. Para un determinado nivel de confiabilidad, el valor de A es: A = KE Donde: K = Numero de desviaciones estándar correspondientes al nivel de confiabilidad deseado. E = Error estándar de la media. Estadísticamente se ha demostrado que las medias de diferentes muestras, tomadas de la misma población, se distribuyen normalmente alrededor de la media poblacional, con una desviación estándar equivalente al error estándar. Por lo tanto, también se puede escribir que: Donde: = estimador de la desviación estándar poblacional Una expresión para determinar el valor estimado de la desviación estándar poblacional es la siguiente:

12 Donde: S = desviación estándar de la distribución de los volúmenes de tránsito diario o desviación estándar muestral. n = tamaño de la muestra en numero de días de conteo N = tamaño de la población en numero de días del año La desviación estándar muestral S, se calcula como Donde: TD i = volumen del tránsito del día i Finalmente, la relación entre los volúmenes de tránsito promedio diario anual y semanal es: TPDA = TPDS +- A = TPDS +- KE En la distribución normal, para niveles de confiabilidad del 90% y 95% los valores de la constante K son 1.64 y 1.96 respectivamente Ajuste y expansión de volúmenes de tránsito Lo anteriormente descrito describe las relaciones que existen entre los volúmenes de tránsito. El primero, relaciona volúmenes de tránsito horarios (TH y VHP) con volúmenes diarios en términos de tránsito promedio diario anual (TPDA), y el segundo relaciona volúmenes obtenidos por muestreos (TPDS) con volúmenes poblacionales (TPDA).

13 También es importante mencionar que, en la mayoría de los casos, no siempre se dispone de toda la información de volúmenes a través de periodos largos como, por ejemplo, un año. Por lo tanto es necesario contar con estaciones de conteo, que permiten determinar factores de expansión y ajuste aplicables a otros lugares que tengan comportamientos similares y en los cuales se efectuarían conteos en periodos cortos. Los conteos continuos proporcionan información muy importante con respecto a los patrones de variación horaria, diaria, periódica o anual del volumen de tránsito. El tránsito tiende a tener variaciones periódicas predecibles, por lo que a través de una clasificación adecuada de las vías y los conteos, es posible establecer el patrón básico de variación del volumen de tránsito para cada tipo de carretera o calle. Si bien los valores de los volúmenes específicos para determinados periodos pueden llegar a ser bastante diferentes de un lugar a otro, su proporción en el tiempo con respecto a los totales o promedios, es en muchos casos, es constante o consistente. Estas propiedades, son las que sustentan el uso de factores de expansión y ajuste en la estimación de volúmenes para otros lugares y otros periodos de tiempo. Pero en general se trata de producir datos que definan los patrones de flujo en toda una red urbana durante un intervalo común de tiempo. Generalmente, no es posible contar en todos los tramos al mismo tiempo debido a las limitaciones de personal, recursos y equipo. Para tal efecto se utiliza la técnica de muestreo, mediante la definición de estaciones maestras o de control, en las cuales se cuenta mediante periodos largos para monitorear las variaciones de flujo, para de esta manera ajustar los conteos en las demás estaciones donde se han tomado datos en periodos cortos Pronostico del volumen de tránsito futuro El pronostico del volumen de trafico futuro, por ejemplo el TPDA del año de proyecto, en la construcción de una nueva carretera o el mejoramiento de una carretera existente, deberá basarse no solamente en los volúmenes normales actuales, sino también en los incrementos del tránsito que se espera utilicen la nueva carretera o la existente. El instituto Nacional de Vías de Colombia en su Manual de diseño Geométrico para carreteras, clasifica los proyectos de carretera así:

14 Proyectos de construcción: es el conjunto de todas las obras de infraestructura a ejecutar en una carretera nueva proyectada, o en un tramo faltante mayor al 30% de una carretera existente o en variantes. Proyectos de mejoramiento: consiste básicamente en el cambio de especificaciones y dimensiones de la carretera o puentes; para lo cual se hace necesario la construcción de obras en infraestructura ya existente, que permitan una adecuación de la carretera a los niveles de servicio requerido por el tránsito actual y proyectado. Proyectos de rehabilitación: actividades que tienen por objeto reconstruir o recuperar las condiciones iníciales de la carretera, de manera que se cumplan las especificaciones técnicas con que fue diseñada. Proyectos de mantenimiento rutinario: se refiere a la conservación continua de las zonas laterales, y a intervenciones de emergencias en la carretera, con el fin de mantener las condiciones óptimas para su transitabilidad. Proyectos de mantenimiento periódico: comprende la realización de actividades de conservación a intervalos variables, relativamente prolongados, destinados primordialmente a recuperar los deterioros de la capa de rodadura ocasionada por el tránsito y los fenómenos climáticos. También podrá completar la construcción de algunas obras de drenaje y de protección faltantes en la carretera.

15 Los volúmenes de tránsito futuro TF, para efectos del proyecto se derivan a partir de el tránsito actual TA y del incremento de tránsito IT, esperando al final del periodo o año la meta seleccionada. De acuerdo a esto, se puede plantear la siguiente expresión: TF = TA + IT El tránsito actual TA, es el volumen de tránsito que se usara en la nueva carretera o mejorada en el momento de darse completamente al servicio. En el mejoramiento de una carretera existente, el tránsito actual se compone de tránsito existente TE, antes de la mejora mas el tránsito atraído TAt, a ella de otras carreteras una vez finalizada su reconstrucción total. En el caso de la apertura d una nueva carretera, el tránsito se compone completamente de tránsito atraído. El tránsito actual TA, se puede establecer a través de conteos vehiculares sobre las vialidades de la región que influyan en la nueva carretera, estudios de origen y destino, o utilizando parámetros socioeconómicos que se identifican plenamente con la economía de la zona. En las áreas rurales cuando no se dispone de estudios de origen y destino ni datos de tipo económico, para estudios preliminares es suficiente la utilización de las series históricas de los conteos vehiculares en términos de los volúmenes de tránsito promedio diario anual TPDA, representativos de cada año. De esta manera, el tránsito actual TA, se expresa como TA = TE +TAt Para la estimación del tránsito atraído TAt, se debe tener un conocimiento completo de las condicione locales, de los orígenes y de los destinos vehiculares y de l grado de atracción de la vialidades comprendidas. A su vez la cantidad de tránsito atraído depende de la capacidad y de los volúmenes de las carretera existentes, así por ejemplo, si ellas están saturadas o congestionadas, la atracción será mucho mas grande. Los usuarios, componentes del tránsito atraído TAt a una nueva carretera no cambian ni su origen ni su destino, ni su modo de viaje, pero la eligen motivados por una mejora en

16 los tiempos de recorrido, en la distancia, en las características geométricas, n la comodidad y en la seguridad. Como no se cambia su modo de viaje, a este volumen de tránsito también se le denomina tránsito desviado. El incremento de tránsito IT, es el volumen de tránsito que se espera se use en la nueva carretera en el año futuro seleccionado como de proyecto. Este incremento se compone del crecimiento normal de tránsito CNT, del tránsito generado GT y del tránsito desarrollado TD. El crecimiento normal de tránsito CNT, es el incremento del volumen de tránsito debido al aumento normal en el uso de los vehículos. El deseo de las personas por movilizarse, la flexibilidad ofrecida por el vehículo y la producción industrial de mas vehículos cada día, hacen que esta componente de tránsito siga aumentando. Sin embargo, deberá tenerse gran cuidado e la utilización de los indicadores de crecimiento del parque vehicular nacional para propósitos del proyecto, ya que ellos no necesariamente reflejan las tasas de crecimiento en el área local bajo estudio, aunque se ha comprobado que existe cierta correlación entre el crecimiento del parque automotor y el crecimiento del TPDA. El tránsito generado TG, consta de aquellos viajes vehiculares, distintos a los del transporte publico, que no se realizarían si no se construye la nueva carretera. El tránsito generado se compone de tres categorías: el tránsito convertido o nuevos viajes que antes se hacia masivamente en bus, taxi, tren, avión o barco y que por razones de nueva carretera se harían en vehículos particulares, y el tránsito trasladado, consiste en viajes previamente hechos a destinos completamente diferentes, atribuirles a la atracción de la nueva carretera y no al cambio en el uso del suelo. Al tránsito generado se le asignan tasas de incremento entre el 5% y el 25% del tránsito actual, con un periodo de generación de uno o dos años después de que la carretera ha sido abierta al servicio. El tránsito desarrollado TD, es el incremento del volumen de tránsito debido a las mejoras en el suelo adyacente a la carretera. A diferencia del tránsito generado, el tránsito desarrollado continua actuando por muchos años después que la nueva carretera ha sido puesta al servicio. El incremento del tránsito debido al desarrollo normal del

17 suelo adyacente forma parte del crecimiento normal de tránsito, por lo tanto este no se considera como una parte del tránsito desarrollado. Pero la experiencia indica que en carreteras construidas con altas especificaciones, el suelo lateral tiende a desarrollarse mas rápidamente de lo normal, generando un tránsito adicional el cual se considera como tránsito desarrollado, con los valores del orden del 5% del tránsito actual. Por lo tanto, el incremento de tránsito IT se expresa así: IT = CNT + TG +TD También se define el factor de proyección FP, del tránsito como la relación del TF al TA: El factor de proyección FP, deberá especificarse para cada año del futuro. El valor utilizado en el pronostico de tránsito futuro para nuevas vialidades, sobre la base de un periodo de proyección de 20 años, esta en l intervalo de 1.5 a 2.5. Conocido el factor de proyección, el tránsito futuro TF, se calcula mediante la siguiente expresión: TF = FP(TA) Para obtener estimativos confiables de los volúmenes vehiculares que circulan en el futuro, por libramientos o vialidades alternas, se utilizan modelos de asignación de tránsito, los cuales son alimentados por las demandas pronosticables, las que a su vez se estiman con modelos de demanda. Estos se calibran utilizando parámetros socioeconómicos (como la población total, la población económicamente activa, la población ocupada y los vehículos registrados) y las demandas actuales obtenidas a través de encuestas de origen y destino. Por lo general, la asignación de este tipo pirobalística con base en función de utilidad que toma en cuenta el tiempo de recorrido,

18 las tarifas de los costos de operación, las características geométricas y los volúmenes actuales y su composición. El pronostico de los volúmenes de tránsito futuro en áreas urbanas aun es mucho mas complejo. Según G.F. Newell, en el análisis de flujos vehiculares en redes de transporte, la primera fase del proceso consiste en un inventario, en el año base, de las facilidades de transporte existente y sus características, de los patrones de viaje determinados a través de encuestas de origen y destino, y de los factores de planeación como usos del suelo, distribución de los ingresos, estructura urbana y tipos de empleo. Igualmente es necesario obtener información relacionada con el crecimiento de la población, el tamaño de la ciudad y los vehículos registrados. La segunda fase consiste en llevar los datos, recolectados en la primera fase, a relaciones o formulas mediante el desarrollo de modelos. El modelo de generación de viajes, que relaciona los viajes producidos y atraídos con los usos del suelo, la densidad de población, la distribución del ingreso y el tipo de empleo. El modelo de distribución de viajes, que apoyado en formulas describe como se distribuyen los viajes entre un origen y varios destinos de acuerdo al grado de atracción de las diferentes zonas. Y el modelo de asignación de tránsito, que determina como se asignan los viajes entre si sobre las diversas rutas entre cada origen y destino, incluyendo elección de modos. La tercera fase de pronósticos o exploraciones, realiza predicciones sobre el futuro suelo, la población, etc. Con base en los desarrollos históricos, estimando la generación y distribución de viajes en el futuro. La cuarta fase, o final, asigna los viajes pronosticados o futuros, a las rutas de la red de transporte que incluyen nuevas vialidades. Se efectúan estudios económicos de costobeneficio para evaluar las diferentes alternativas orientadas hacia la expansión del sistema vial y de transporte Regresión matemática para el calculo de volúmenes de tránsito futuro Para obtener una estimación de los volúmenes de tránsito futuro, sobre todo en carreteras, donde se cuenta con datos de las series históricas de los volúmenes de tránsito

19 promedio diarios TDPS, se utilizan las regresiones lineales y curvilíneas, tipos de la recta, exponencial, potencial y logarítmica Estudio de volúmenes de tránsito Los estudios de volúmenes de tránsito se realizan con el propósito de obtener datos reales relacionados con el movimiento de vehículos o personas, sobre puntos o secciones específicas dentro de un sistema vial de carreteras o calles. Dichos datos se expresan con relación al tiempo, y de su conocimiento se hace posible el desarrollo de metodologías que permiten estimar, la calidad del servicio que el sistema presta a los usuarios. Estos estudios varían desde los muy amplios en toda una red o sistema vial, hasta los muy sencillos en lugares específicos tales como intersecciones aisladas, puentes, casetas de cobro, túneles, etc. Las razones para llevar a cabo los estudios de volúmenes de tránsito son tan variadas como los lugares mismos donde se realizan. El tipo de datos recolectados en un estudio de volúmenes de tránsito depende mucho de la aplicación que se le vaya a dar a los mismos. Así por ejemplo, algunos estudios requieren detalles como tipo de vehículos y los movimientos direccionales, mientras que otros requieren solo conocer los volúmenes totales. También en algunos casos es necesario contar vehículos únicamente durante periodos cortos de una hora o menos, otras veces el periodo puede ser de un día, una semana, un mes e inclusive un año. Existen diversas formas para obtener los recuentos de volúmenes de tránsito, para lo cual se ha generalizado el uso de aparatos de medición de diverso tipo. Estas formas incluyen: los conteos manuales a cargo de personas, los cuales son particularmente útiles para conocer el volumen de los movimientos direccionales es intersecciones, los volúmenes por carriles individuales y la composición vehicular. Los conteos por combinación de métodos manuales y automáticos, tales como el uso de contadores mecánicos accionados manualmente por observadores. Los conteos con el uso de dispositivos mecánicos, los cuales automáticamente contabilizan y registran los ejes de los vehículos. Y los conteos de utilización de técnicas tan sofisticadas como las

20 cámaras fotográficas, las filmaciones y los equipos electrónicos adaptados a computadoras Flujo de tránsito Introducción Mediante el análisis de los elementos de tránsito se pueden entender las características y el comportamiento del flujo vehicular, requisitos básicos para el planeamiento y proyección de calles y sus obras complementarias dentro del sistema de transporte. Con la aplicación de las leyes de la física y las matemáticas, el análisis del flujo vehicular describe la forma de cómo circulan los vehículos en cualquier tipo de vialidad, lo cual permite determinar el nivel de servicio. Uno de los resultados más útiles del análisis del flujo vehicular es el desarrollo de modelos microscópicos y macroscópicos que relacionan sus diferentes variables como el volumen, la velocidad, la densidad, el intervalo y el espaciamiento. Estos modelos han sido base del concepto de capacidad y niveles de servicio aplicado a diferentes tipos de elementos viales. El objetivo, al abordar el análisis de tránsito, es dar a conocer algunas de la metodologías e investigaciones y sus aplicaciones mas relevantes en este tema, con particular énfasis en los aspectos que relacionan las variables del flujo vehicular, la distribución de los vehículos en una vialidad y las distribuciones estadísticas empleadas en proyectos y control de tránsito Conceptos fundamentales Aquí se presenta una descripción de algunas de las características fundamentales del flujo vehicular, representadas en sus tres variables principales: el flujo, la velocidad y la densidad. Mediante la deducción de relaciones entre ellas, se puede determinar las características de la corriente de tránsito, y así predecir las consecuencias de las diferentes opciones de circulación y proyecto. De igual manera, el conocimiento de estas tres variables es de mucha importancia, ya que estas indican la calidad o nivel de servicio experimentado por los usuarios de cualquier sistema vial.

21 Variables relacionadas con el flujo La tasa de flujo, q, es la frecuencia a la cual pasan los vehículos por un punto o sección transversal de un carril. La tasa de flujo es el numero de vehículos, N, que pasan durante un intervalo de tiempo especifico, T, inferior a una hora, expresada en vehículos por minuto, o vehículos por segundo, no obstante el flujo también puede ser expresado en vehículos por hora teniendo en cuenta su interpretación, pues no se trata efectivamente del número de vehículos que pasan durante una hora completa. La tasa de flujo, q, se calcula entonces con la siguiente expresión: El intervalo simple es el intervalo de tiempo entre el paso de dos vehículos consecutivos, generalmente expresado en segundos y medido entre puntos homólogos del par de vehículos. El intervalo promedio en cambio es el promedio de todos los intervalos simple, h i, existentes entre los diversos vehículos que circulan por una vialidad. Por tratarse de un promedio se expresa en segundos por vehículo (s/veh) y se calcula, de acuerdo a la siguiente expresión: Donde: = intervalo promedio (s/veh) N = numero de vehículos (veh) N-1 = numero de intervalos (veh) h i = intervalo simple entre el vehículo i y el vehículo i + 1 Obsérvese que las unidades del intervalo promedio (s/veh) son las unidades inversas de la tasa de flujo q (veh/s), por lo que también puede plantearse la siguiente relación:

22 Variables relacionadas con la velocidad Las variables del flujo vehicular relacionadas con la velocidad son la velocidad de punto, la velocidad instantánea, la velocidad media temporal, la velocidad media espacial, la velocidad de recorrido, la velocidad de marcha, la distancia de recorrido y el tiempo de recorrido Variables relacionadas con la densidad Las variables relacionadas con la densidad son la densidad o concentración, el espaciamiento simple entre vehículos consecutivos y el espaciamiento promedio entre varios vehículos. Densidad de concentración es el número N de vehículos que ocupan una longitud específica, d, de una vialidad en un momento dado. Generalmente se expresa en vehículos por kilometro (veh/km), ya sea referido a un carril o a todos los carriles de una calzada. Se calcula como: Espaciamiento simple (S i ) Es la distancia entre el paso de dos vehículos consecutivos, usualmente expresada en metros y medida entre sus defensas traseras. Espaciamiento promedio ( ) Es el promedio de todos los espaciamientos simples, S i, existentes entre los diversos vehículos que circulan por una vialidad. Por tratarse de un promedio se expresa en metros por vehículo (m/veh) y se calcula, mediante la siguiente expresión: Donde:

23 = espaciamiento promedio (m/veh) N = numero de vehículos (veh) N-1 = numero de espaciamiento (veh) h i = espaciamiento simple entre el vehículo i y el vehículo i + 1 Obsérvese que las unidades del espaciamiento promedio (m/veh) son las unidades inversas de la densidad k (veh/m), por lo que también puede plantearse la siguiente relación: Relación entre el flujo, la velocidad, la densidad, el intervalo y el espaciamiento Al observar dos vehículos consecutivos, implícitamente se les asocia atributos tanto en el espacio como en el tiempo. Así por ejemplo, el paso es el tiempo necesario para que el vehículo recorra su propia longitud, y la brecha o claro es el intervalo de tiempo libre disponible entre los dos vehículos, equivalente a la separación entre ellos medidos desde la defensa trasera del primer vehículo hasta la defensa delantera del segundo vehículo, dividida por la velocidad (la del segundo vehículo o la del grupo de vehículos si todos ellos viajan a la misma velocidad). Considerando a un grupo vehicular que se mueve a una velocidad ( ) aproximadamente constante, su intervalo promedio ( ) y espaciamiento promedio ( ) se pueden relacionar así: Espacio = (Velocidad)(Tiempo) = ( ) ( ) Como se puede ver en la anterior expresión, para un grupo de vehículos, el intervalo promedio y el espaciamiento promedio se relacionan a través de la velocidad media espacial.

24 También como cualquier otro fluido continuo, el flujo de la corriente de tránsito puede definirse en términos de sus tres variables principales, la tasa de flujo q, la velocidad v, y la densidad k. Por las ecuaciones anteriores se sabe que: Reemplazando estos dos valores en la ecuación tenemos: De donde: A la anterior correlación se la conoce como la ecuación fundamental de flujo vehicular, que en forma general se expresa como: Los resultados numéricos dados por la ecuación fundamental de flujo vehicular dependen del método de la medición empleado para definir cada una de las variables y de la forma de promediarlas, ya que existen mediciones de tipo puntual, mediciones obre distancias o tramos específicos y mediciones dentro de todo un sistema Congestionamiento Introducción En los periodos de máxima demanda, el movimiento vehicular se ha tornado deficiente con perdidas de velocidad, lo que hace que el sistema tienda a saturarse, hasta llegar a funcionar a niveles de congestionamiento con las demoras y colas asociadas.

25 Las demoras pueden causarlas los dispositivos para el control de tránsito al interrumpir el flujo y las ocasionadas por la misma corriente vehicular en situaciones de flujo continuo. En el primer caso, todos los tipos de semáforos, así como las señales de ALTO y CEDA EL PASO producen detenciones en un viaje normal. En el segundo caso, se tienen demoras periódicas que ocurren cuando hay un cuello de botella, durante las mismas horas del día y las demoras no periódicas ocasionadas por incidentes (accidentes o vehículos descompuestos) o cierres eventuales de un carril. La influencia de todas estas demoras puede medirse como una relación de demora, que consiste en la diferencia entre la relación de movimiento observado y la relación de movimiento considerada como normal para diferentes tipos de vías urbanas. Los valores mínimos para la relación del movimiento normal en término de velocidad de recorrido son: para autopistas de 56 km/h, para arterias principales 40 km/h y para calles secundarias 32 km/h, según normas internacionales. Con estos datos se puede conocer, comparativamente, cuales son las calles de la ciudad que están en condiciones mas criticas. También se puede comparar las calles de una ciudad a otra, conociendo alguna calle que opere en condiciones ideales, para así establecer la comparación con las otras que se hayan medido y saber el grado de congestionamiento en que se encuentran. Las demoras y las colas, resultado del congestionamiento, es un fenómeno de espera comúnmente asociado a muchos problemas de tránsito Significado analítico de la congestión En general la capacidad de un sistema es el número máximo de vehículos que pueden ser procesados por unidad de tiempo. De allí que, la congestión ocurre porque el sistema tiene una capacidad limitada y la demanda supera a la misma. Considérese un sistema con una capacidad µ entidades por unidad de tiempo, conocida también como tasa de servicio. Como se recuerda, la capacidad es la tasa máxima y su inverso es el intervalo máximo, entonces puede decirse que cada vehículo consume un tiempo promedio t p en ser procesado de:

26 Si los vehículos llegan a una tasa λ por un procesamiento t T por vehículo será de: idad de tiempo, entonces el tiempo total de Si λ>µ, puede ocurrir que: 1.) El sistema colapse, esto es que exista una completa congestión tal que no se muevan los vehículos (t T = ) 2.) Se forme una cola de espera que crece cada vez mas (t p ) 3.) Bajo condiciones de estado no estacionarias, solamente cuando λ>µ por un intervalo limitado de tiempo, la cola que se forma eventualmente se disipa. Por otra parte, si λ y/o µ son variables aleatorias, incluso cuando λ<µ, las colas se pueden formar. Por lo anterior, en cualquier condición, el tiempo total de procesamiento t T, por unidad, es igual al tiempo promedio de procesamiento t p mas el tiempo de demora t D. Esto es: Elementos de un sistema de filas en espera Para caracterizar un fenómeno de espera en un sistema vial de servicios, es necesario responder a interrogantes como: A que hora empieza y termina el congestionamiento? Cuál es el número medio de vehículos en el sistema? Cuál es el número medio de vehículos en la cola? Cuál es el tiempo medio del sistema? Cuál es el tiempo medio de espera o demora media? Cuál es la longitud máxima de la cola?

27 Cuál es la demora máxima? Cuál es la demora total de todo el tránsito? Cuál es la proporción de tiempo en que se utiliza el sistema? Cual es la proporción del tiempo en l que el sistema permanece inactivo? Se genera una cola cuando los vehículos llegan a una estación de servicio cualquiera, ya sea, por ejemplo, un estacionamiento, una intersección con semáforos o no, un cuello de botella, un enlace de entrada a una autopista, un carril especial de vuelta, etc. La prestación del servicio para cada llegada toma cierto tiempo y puede ofrecerlo una o mas estaciones. Los vehículos llegan al sistema a una tasa de llegadas λ. Entran a la estación de servicio si esta desocupada, donde son atendidos a una tasa media de servicio µ, equivalente a la tasa de salidas. Si la estación de servicio esta ocupada se forma en la parte de la cola a esperar ser atenidos. Frecuentemente, tanto la tasa de llegadas como la tasa de servicios varían, causando que también variara la formación de colas. Se define la cola como el numero de vehículos que esperan ser servidos, sin incluir aquellos que están actualmente siendo atendidos. Para considerar de una manera apropiada un sistema de filas de espera se requiere tener en cuenta la naturaleza de su comportamiento, puesto que tanto las llegadas como los servicios varían con el tiempo. En este sentido, el comportamiento de la cola y los modelos necesarios para describirla, o caracterizarla, dependen de la representación explicita de los siguientes elementos que conforman el proceso: Análisis deterministico del congestionamiento El análisis deterministico consiste en el cálculo preciso del valor de una variable en función de ciertos valores específicos que toman otras variables. Esto solamente ocurrirá un valor de la función objetivo para un conjunto dado de valores de las variables de entrada.

28 En situaciones de congestionamiento, donde los patrones de llegada y de servicios son altos, los enfoques a nivel macroscópico son los que mas se aproximan a este fenómeno, describiendo la operación vehicular en términos de sus variables de flujo, generalmente tomadas como promedios Análisis de intersección con semáforos con régimen D/D/1 La intersección con semáforos es uno de los ejemplos más típicos de un fenómeno de espera, puesto que por la presencia de la luz roja siempre existirá la formación de colas de vehículos. bajo condiciones no saturadas del tránsito, esto es, para cada ciclo las llegadas son menores que la capacidad de acceso, de manera que los vehículos que se encuentran en la cola no esperan mas de un ciclo del semáforo para ser servidos por el semáforo o estación de servicio. La capacidad de un acceso a una intersección con semáforos se expresa en términos de flujo de saturación s. Cuando el semáforo cambia a verde, el paso de los vehículos a través de la línea de ALTO se incrementa rápidamente a una tasa equivalente al flujo de saturación, la cual se mantiene constante hasta que la cola se disipa o hasta que termina el verde. El flujo de saturación es la tasa máxima de salidas que puede ser obtenida cuando existen colas Análisis de cuellos de botella En vialidades de flujo continuo, los cuellos de botella se presentan básicamente en aquellos tramos donde la sección transversal reduce su ancho en términos del número de carriles. En aquellas situaciones donde la demanda vehicular λ (llegadas) al inicio del cuello de botella supera la capacidad µ (salidas) de este, se presentan problemas de congestionamiento justamente en el tramo anterior al cuello de botella. 2.5 Capacidad Vial Introducción Para determinar la capacidad de un sistema vial, rural o urbano, no solo es necesario conocer sus características físicas o geométricas, sino también las características de los

29 flujos vehiculares, bajo algunas condiciones de operación sujetas a los dispositivos de control de tránsito y al flujo vehicular en sí. Así mismo, no puede tratarse la capacidad de un sistema vial sin hacer referencia a otras consideraciones importantes que tienen que ver con la calidad del servicio proporcionado. Por lo tanto, un estudio de capacidad de un sistema vial es al mismo tiempo un estudio cuantitativo y cualitativo, el cual permite evaluar la suficiencia (cuantitativo) y la calidad (cualitativo) del servicio ofrecido por el sistema a los usuarios Principios y conceptos generales Concepto de capacidad vial En las fases de planeación, estudio, proyecto y operación de carreteras y calles, la demanda de tránsito, presente o futura, se considera como una cantidad conocida. Una medida de la eficiencia con la que un sistema vial presta servicio a esta demanda, es su capacidad. La capacidad de una infraestructura vial es el máximo número de vehículos que pueden pasar por un punto o un carril durante un intervalo de tiempo dado, bajo las condiciones prevalecientes de la infraestructura vial, del tránsito y de los dispositivos de control. El intervalo de tiempo utilizado en la mayoría de los análisis de capacidad vial es de 15 minutos, debido a que se considera que este es el intervalo más corto durante el cual puede presentarse un flujo estable. Como se sabe, que el volumen en 15 minutos así obtenido es convertido a tasa de flujo horaria, entonces la capacidad de un sistema vial, es la tasa máxima horaria. La infraestructura vial, sea esta una carretera o calle, puede ser de circulación continua o discontinua. Los sistemas viales de circulación continua no tienen elementos externos al flujo de tránsito, tales como los semáforos y señales de alto que produzcan interrupciones en el mismo. Los sistemas viales de circulación discontinua tienen elementos fijos que provocan interrupciones periódicas de flujo de tránsito,

30 independientemente de la cantidad de vehículos, tales como los semáforos, las intersecciones de prioridad con señales de alto y ceda el paso, y otros tipos de regulación. Dependiendo del tipo de infraestructura vial a analizar, se debe establecer u procedimiento para el calculo de su capacidad y calidad de servicio. Por lo tanto, el principal objetivo del análisis de capacidad, es estimar el máximo número de vehículos que un sistema vial puede soportar con la seguridad de un flujo continuo. A su vez, mediante los análisis de capacidad, también se estima la cantidad máxima de vehículos que el sistema vial puede soportar mientras se mantiene una determinada calidad de servicio, introduciéndose aquí el concepto de nivel de servicio Concepto de nivel de servicio Para medir la calidad de flujo vehicular se usa el concepto de nivel de servicio. Es una medida cualitativa que describe las condiciones de operación de un flujo vehicular, y de su percepción por los choferes. Estas condiciones se describen en temimos de factores tales como la velocidad y el tiempo de recorrido, la libertad de realizar maniobras, la comodidad, la conveniencia y la seguridad vial. De los factores que afectan el nivel del servicio, se distinguen los internos y los externos. Los internos son aquellos que corresponden a variaciones en la velocidad, en el volumen, en la composición del tránsito, etc. Entre los externos están las características fijas, tales como el ancho de los carriles, la distancia libre lateral, el ancho de cunetas, las pendientes, etc Condiciones prevalecientes Es necesario tener en cuenta el carácter probabilístico de la capacidad, por lo que puede ser mayor o menor en un instante dado. A su vez, como la definición misma lo dice, la capacidad se define para condiciones variantes que dependen de: 1. Condiciones de la infraestructura vial

31 Son las características fijas de la carretera o la calle, el desarrollo de su entorno, las características geométricas (ancho de carriles, obstrucciones laterales, velocidad del proyecto, restricciones para el rebase) y el tipo de terreno donde se aloja la infraestructura vial. 2. Condiciones de tránsito Se refiere a la distribución del tránsito en el tiempo y en el espacio; a su composición en tipos de vehículos como livianos, camiones, autobuses, etc. a la distribución de carriles, y a la dirección de los mismo. 3. Condiciones de los controles Hace referencia a los dispositivos para el control de tránsito, tales como los semáforos (fases, longitudes de ciclo, repartición de verdes, etc.), las señales restrictivas (alto, ceda el paso, no estacionarse, solo vueltas a la izquierda, etc.) y las velocidades limites Condiciones base o ideales Una condición base o ideal, es una condición optima estándar, que deberá ser ajustada para tener en cuenta la condiciones inicial. Las condiciones base asumen buen estado del tiempo, buenas condiciones del pavimento, usuarios familiarizados con el sistema vial y sin impedimentos en el flujo vehicular. Por lo anterior, se puede plantear de manera general, una condición prevaleciente en función de una condición base, mediante cualquiera de las dos siguientes relaciones: Condición Prevaleciente = (Condición Base) - (Ajuste) Condición Prevaleciente = (Condición Base) x (Factor de Ajuste) Mediante la primera relación se llega a la condición prevaleciente, restando un valor a la condición base con las mismas unidades de la característica o variable analizada. Y mediante la segunda relación se llega a la condición prevaleciente, multiplicando la condición base por un factor de ajuste, que generalmente es menor o igual a uno.

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