ANÁLISIS Y COMPARACIÓN DE CRITERIOS DE DISEÑO GEOMÉTRICO EN LAS ROTONDAS MODERNAS

Transcripción

1 ANÁLISIS Y COMPARACIÓN DE CRITERIOS DE DISEÑO GEOMÉTRICO EN LAS ROTONDAS MODERNAS Ana Torres-Alzamora Piura, abril de 2015 FACULTAD DE INGENIERÍA Programa Académico de Ingeniería Civil Torres, A. (2015). Análisis y comparación de criterios de diseño geométrico en las rotondas modernas (Tesis de pregrado en Ingeniería Civil). Universidad de Piura, Facultad de Ingeniería. Programa Académico de Ingeniería Civil. Piura, Perú.

2 ANÁLISIS Y COMPARACIÓN DE CRITERIOS DE DISEÑO GEOMÉTRICO EN LAS ROTONDAS MODERNAS Esta obra está bajo una licencia Creative Commons Atribución- NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú Repositorio institucional PIRHUA Universidad de Piura

3 U N I V E R S I D A D DE P I U R A FACULTAD DE INGENIERÍA ANÁLISIS Y COMPARACIÓN DE CRITERIOS DE DISEÑO GEOMÉTRICO EN LAS ROTONDAS MODERNAS Tesis para optar el Título de Ingeniero Civil Asesor: Mag. Ing. Jorge Timaná Rojas Ana María Torres Alzamora Piura, Abril 2015

4 2

5 A Dios y la Virgen María, por darme fuerza y voluntad, a mis padres, por su paciencia, empuje y amor, y a mi hermana, por su gran apoyo, es por ellos y por Tottie que sigo adelante. i

6

7 iii PRÓLOGO Según una de las publicaciones de la Comisión Económica para América Latina (CEPAL, 2003), la congestión de tránsito ha ido en aumento en gran parte del mundo, desarrollado o no, y seguirá agravándose, constituyendo un peligro cierto que se cierne sobre la calidad de vida urbana. Además indica que, el explosivo aumento del parque de automóviles y el indiscriminado deseo de usarlos, por razones de comodidad o estatus, especialmente en los países en desarrollo, ejercen una gran y creciente presión sobre la capacidad de las vías públicas existentes. En la actualidad, los fuertes impactos negativos de la congestión, tanto inmediatos como de largo plazo, exigen esfuerzos multidisciplinarios para mantenerla bajo control, mediante el diseño de infraestructuras viales. En el caso de intersecciones, como solución a estos problemas de congestión, se toma en cuenta el diseño de rotondas modernas que constituyen un mejoramiento significativo en términos de operaciones y seguridad, siempre y cuando esté basado en criterios especializados que permitan una consistencia de velocidades que aseguren la disminución de altas velocidades antes de ingresar a ella. En Perú, la selección y diseño de intersecciones se basa en el Manual de Diseño Geométrico para Carreteras, DG 2013, representando la más reciente documentación de parámetros a seguir sobre el Diseño de Intersecciones. Sin embargo, dicho manual aún mantiene características desactualizadas, por lo que se puede incurrir a criterios y consideraciones obsoletas e inadecuadas que pueden generar problemas en el futuro, tanto en la etapa de construcción como en la etapa de operación, obligando a un reacomodo y reconstrucción, generando gastos mayores.

8

9 v RESUMEN Esta tesis propone una comparación de los criterios de diseño geométrico para intersecciones rotatorias entre la Norma Peruana con los manuales especializados en el diseño geométrico de rotondas modernas, específicamente de Australia y Estados Unidos. En el capítulo 1 se desarrolla el marco teórico, en el cual se definen las nociones generales de las rotondas modernas, las ventajas y desventajas y por último los criterios de diseño geométrico en el Perú acerca de las rotondas modernas o intersecciones giratorias. En el capítulo 2 se muestra el planeamiento, análisis operacional y seguridad de las rotondas modernas. En el capítulo 3 se informa acerca del diseño geométrico que toma en cuenta los manuales especializados dados por la Federal Highway Administration en los Estados Unidos y por la Austroads Ltd en Australia. En el capítulo 4 se realizan diseños de rotondas modernas en base a las normas antes mencionadas junto con sus análisis operacionales y diferentes metodologías. Finalmente, en el Capítulo 5 de resultados se muestra las tablas y gráficos comparativos.

10

11 vii ÍNDICE INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LAS ROTONDAS MODERNAS Historia de las Rotondas Modernas Orígenes de las Intersecciones Giratorias Rotondas modernas en el mundo Nociones Básicas Definición Elementos Ventajas y Desventajas de las Rotondas Modernas Identificación de la Problemática en el Perú y alternativa de solución Criterios de Diseño Geométrico de Rotondas en el Perú 9 CAPÍTULO 2. PLANEAMIENTO, ANÁLISIS OPERACIONAL Y SEGURIDAD DE LAS ROTONDAS MODERNAS Planeamiento Análisis Operacional Recopilación y Análisis de datos Métodos de Cálculo de Capacidad de Entrada Fórmula de Wardrop Método TRRL Método HCM Método SIDRA Relación Volumen Capacidad Control de demora Calidad de servicio y nivel de servicio Longitud de cola Seguridad Análisis de conflictos Conflictos vehiculares en rotondas de un solo carril Conflictos vehiculares en rotondas de varios carriles Conflictos peatonales 34 CAPÍTULO 3. DISEÑO GEOMÉTRICO DE ROTONDAS MODERNAS SEGÚN 35 DIRECTRICES ESPECIALIZADAS 3.1 Procedimientos de diseño Principios de diseño 38

12 3.3 Características geométricas básicas Vehículo de Diseño Velocidad de Diseño Características de diseño de la rotonda moderna Número de ramales Zona central de la rotonda moderna Diámetro del circulo inscrito Isla central Anchura de la calzada de circulación Delantal de camión Pendiente transversal Entradas y Salidas Isla divisoria Ancho de entrada Abocinamiento de entrada Radio de entrada Ancho de salida Radio de salida Ángulo de entrada Curvatura de la trayectoria de entrada y la velocidad de 52 diseño La curvatura de aproximación y alineación Visibilidad y Distancia Visual Distancia visual de aproximación Visibilidad a la izquierda Visibilidad hacia delante en la entrada Visibilidad circulatoria Señalización de la Rotonda Moderna 3.9 Guías Especializadas y Modelos Operacionales CAPÍTULO 4. PLANEAMIENTO, ANALISIS OPERACIONAL Y DISEÑO GEOMETRICO DE UNA ROTONDA MODERNA EN LA INTERSECCIÓN VIA EVITAMIENTO SUR Y 59 CARRETERA IIRSA NORTE 4.1 Ubicación y Situación actual de la Intersección Via Evitamiento Sur y 59 Carretera IIRSA Norte 4.2 Tráfico Planeamiento Contexto Criterios generales Selección de la categoría Visibilidad del espacio Análisis Operacional Ajustes por flota mixta de vehículos Volúmenes de la rotonda moderna Métodos de Análisis Operaciones Iniciales Fórmula de Wardrop 69

13 ix Método TRRL Método HCM Método SIDRA Relación Volumen Capacidad Control de demora Calidad de servicio y nivel de servicio Longitud de cola Seguridad Diseño Geométrico Horizontal y Vertical DG 2013(PERÚ) Análisis Operacional Final Método Fórmula de Wardrop Método TRRL Método HCM Método SIDRA Relación Volumen Capacidad Control de demora Calidad de servicio y nivel de servicio Longitud de cola Diseño Geométrico Horizontal y Vertical Federal Highway 93 Administration (EUA) Velocidad de Diseño Vehículo de Diseño Número de ramales Diámetro del Circulo Inscrito Ancho de la calzada de circulación Isla Central Isla divisora Ancho de entrada Diseño de la Entrada Diseño de la salida Peralte Trayectorias y velocidades máximas Distancia de visibilidad Distancia visual de detención Distancia visual de intersección Análisis Operacional Final Método Fórmula de Wardrop Método TRRL Método HCM Método SIDRA Relación Volumen - Capacidad Control de demora Calidad de servicio y nivel de servicio Longitud de cola Diseño Geométrico Horizontal y Vertical Austroads Ltd (Australia) 114

14 4.8.1 Montar criterios generales de diseño, identificar sitios de control y 114 establecer área disponible, alineamientos y secciones transversales Seleccionar radio isla central y ancho de calzada Islas divisoras Geometría de la entrada y salida de la rotonda moderna Peralte Trayectoria vehicular Distancia visual Criterio Criterio Criterio Análisis Operacional Final Método Fórmula de Wardrop Método TRRL Método HCM Método SIDRA Relación Volumen - Capacidad Control de demora Calidad de servicio y nivel de servicio Longitud de cola Secuencia del Diseño Geométrico en Rotondas Modernas 135 CAPÍTULO 5. RESULTADOS Cuadro comparativo de Métodos de Análisis Operacionales Iniciales 5.2 Cuadro comparativo de Criterios de Diseño Geométrico 5.3 Cuadro comparativo de Análisis Operacionales Finales PERÚ Relación Volumen - Capacidad Control de demora Longitud de cola Cuadro comparativo de Análisis Operacionales Finales E.E.U.U Relación Volumen - Capacidad Control de demora Longitud de cola Cuadro comparativo de Análisis Operacionales Finales 149 AUSTRALIA Relación Volumen - Capacidad Control de demora Longitud de cola 151 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS

15 Introducción En la actualidad, en nuestro país, la experiencia que se ha tenido en el diseño de intersecciones semaforizadas no ha sido siempre una buena solución para los problemas de tráfico. Además, hay situaciones en las que se plantea la aplicación de rotondas modernas, sin embargo no se utilizan estándares actualizados de diseño. En cambio, a nivel internacional, la utilización de rotondas son diseños modernos que ha permitido lograr grandes avances en la eficiencia del sistema de transporte en términos del aumento de seguridad, capacidad, disminución de las demoras y la contaminación. El diseño geométrico de éstas se basa en la consistencia de velocidades dentro de la rotonda moderna, lo cual se logra por medio de la utilización de adecuados diámetros del círculo inscrito, de radios de entrada y salida, de anchos de accesos y numero de vías de circulación. En la presente Tesis se proporciona información acerca del diseño geométrico, técnicas de planeamiento, procedimientos de evaluación en comportamientos operacionales y de seguridad, que no están consideradas de manera detallada en los manuales de nuestro país. El propósito es elaborar una comparación de los criterios de diseño geométrico para intersecciones rotatorias establecidos en la Norma Peruana con aquellos manuales especializados en el diseño geométrico de rotondas modernas, específicamente los manuales de la Austroads Ltd. en Australia y la Federal Highway Administration en Estados Unidos. Como aplicación, se seleccionó una intersección en la ciudad de Piura entre la carretera IIRSA Norte y la vía Evitamiento Sur, en la que se ha proyectado una rotonda. Cabe mencionar, que en dicha intersección ya existe un diseño de rotonda elaborado por la Concesionaria IIRSA Norte, sin embargo con los manuales australiano y americano se ha diseñado dos rotondas modernas con criterios diferentes, variando en los radios de la zona central, en la geometría de entrada y salida y en la consistencia de sus velocidades, los cuales a través de pruebas de comportamiento han resultado exitosas con respecto a su funcionamiento logrando reducir las velocidades iniciales de los accesos de 100 km/h y 70 km/h a una velocidad de diseño dentro de la rotonda de 40 km/h. Finalmente se establecen comparaciones entre los diseños y análisis de capacidad, en donde se puede evidenciar la falta de consideraciones de análisis y diseño que se aplica en nuestro país.

16

17 3 Capítulo 1 Introducción a las Rotondas Modernas 5.2 Historia de las Rotondas Modernas Orígenes de las Intersecciones Giratorias Desde antes de la invención del automóvil hasta ahora, las intersecciones giratorias en las cuales los vehículos giran alrededor de una isleta central de variadas formas, han recibido distintas denominaciones 1 : círculos de tránsito, giratorios, rotatorios, rotacionales, anillos, plazas, óvalos y glorietas. Sin embargo, las características de operación, la entrada, la salida y el uso del centro como una isla de tráfico para los peatones es lo que diferencian considerablemente a las rotondas modernas. Históricamente se atribuye a los ingenieros ingleses la concepción por primera vez de una solución en forma de intersección giratoria. Sin embargo, parece que este mérito se debe al arquitecto francés Eugene Hénard ( ), quien trabajando en el servicio de arquitectura de la ciudad de Paris, proyectó las primeras glorietas urbanas, como la mostrada en la Figura 1. Los círculos de tránsito fueron parte del sistema de transporte desde por lo menos 1905, los diseños entonces vigentes permitían convergencias y entrecruzamientos de los vehículos a alta velocidad dando prioridad a los vehículos entrantes. Sin embargo, la experiencia de choques y la alta congestión en los círculos hicieron que los grandes círculos de tránsito cayeran en desgracia a partir de mediados de la década del 50 (Víctor D.G, 2005). A nivel internacional, la experiencia con los círculos de tránsito fue igualmente negativa, con creciente ocurrencia de bloqueos y accidentes. 1 Existían numerosos cruces circulares antes de la llegada de las rotondas, entre ellos el Columbus Circle en Manhattan que se construyó en 1904, el Place de L'toile alrededor del Arco de Triunfo en París creado en 1907, el primer cruce circular de Inglaterra en Letchworth Garden City construido en 1909 y varios círculos en Estados Unidos como los de Washington, DC y Atherton, California.

18 4 Figura 1. Proyecto de rotonda para la intersección de los Grands Boulevards en Paris, diseñada por E. Henard. Fuente: Etudes surles transformations de Paris et autres écrits sur l urbanisme (1906) Se debe entender que existen diferentes terminologías y definiciones acerca de las formas de control de tránsito que cumplen los principios de canalización de los movimientos. En la presente Tesis se adoptará solo una denominación básica que es el de la Rotonda Moderna, cabe resaltar que los círculos de tránsito fueron los que dieron lugar a las rotondas modernas en la actualidad Rotondas modernas en el mundo En 1955, el Road Research Laboratory comienza a realizar sus propios ensayos en pistas experimentales que permiten variar las condiciones de diseño (geométricas y de tráfico) de las configuraciones que se van a estudiar. La Fórmula de Wardrop como se muestra en la Ecuación 1, definida en 1957 incluye todos estos parámetros para la determinación de la capacidad global y añade una interesante aportación que consiste en utilizar unos coeficientes de equivalencia para ponderar la mayor influencia de los vehículos pesados y la menor de los vehículos a dos ruedas. Q w = K w (L+ e w )(L p 3 ) L+ w L Ecuación 1 Donde: Q w = Capacidad global en la zona de trenzado K = coeficiente que varía según las unidades empleadas. L = longitud de la zona de trenzado w = anchura de la zona de trenzado e = anchura de entrada y salida de la vía p =porcentaje de vehículos que realizan la maniobra de trenzado La rotonda moderna se desarrolló en el Reino Unido para rectificar los problemas asociados con los círculos de tránsito. En 1966, se adoptó una norma para las denominadas rotondas modernas, que a diferencia de los círculos de tránsito, requiere al tránsito entrante dar paso o ceder el paso al tránsito que circula por el anillo 2. Además, busca eliminar gran parte de la 2 Federal Highway Administration, U.S Department of Transportation, EUA.

19 5 confusión del conductor asociado con cruces de tráfico y las colas de espera. Por último, reducen los accidentes de tránsito, consumo de combustible y polución del aire. A partir de 1970 se extiende la utilización de las rotondas a otros países, sobre todo Estados Unidos, Francia y Australia, apareciendo numerosas publicaciones al respecto 3. Años más adelante en 1973, las observaciones realizadas por Transport and Road Research Laboratory demostraron que, los parámetros de la zona de trenzado que se usa en la fórmula de Wardrop no tenía ninguna influencia en las rotondas modernas. El cálculo de la capacidad de las rotondas modernas se presenta como un nuevo problema, y ya no se le presta importancia tanto a saber la capacidad global de una rotonda como la capacidad de sus entradas. La fórmula de Wardrop, vigente durante muchos años, deja de ser útil y se sustituye por otras metodologías que permiten calcular las capacidades de entradas que se basan en el flujo en conflicto. Por lo tanto, la resultante rotonda moderna es muy diferente del estilo antiguo de los círculos de tránsito, en términos operacionales y de seguridad. Son dos las características principales 4 de las rotondas modernas que están en ventaja con los círculos de tránsito son: 1.2 Nociones Básicas - La rotonda moderna da prioridad a los vehículos que circulan en la calzada - La rotonda moderna reduce la velocidad permitiendo hacer maniobras para la entrada a bajas velocidades Definición Entendemos como rotonda moderna un tipo especial de intersección circular, que se caracteriza por la manera en que se tratan los tramos que confluyen en él, ya que se comunican a través de una calzada anular en la que se establece una circulación giratoria alrededor de una isleta central Elementos 5 Los siguientes elementos, son los más representativos en una rotonda moderna y podrán ser identificados en la Figura 2. a- Calzada circulatoria o Anillo de Circulación También llamado calzada anular, el anillo de circulación es la zona, generalmente asfaltada, comprendida entre el diámetro exterior de la rotonda y el islote central. En la mayoría de casos adopta una forma de corona circular (menos cuando la rotonda es elíptica). Es la zona de la intersección destinada al tránsito de los vehículos en sentido giratorio, recoge el tráfico entrante en la intersección y lo reconduce hacia las salidas. 3 Sin duda entre los países con mayor número de aportaciones destacan Gran Bretaña a través del Transport and Road Research Laboratory (TRRL), Francia, que divide sus publicaciones entre el Centre d Etudes des Transports Urbains (CETUR) y el Service d Etudes Tecniques des Routes et Autoroutes (SETRA) y Australia con la Nacional Association of Australian State Roads Autorities (NAASRA). 4 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p.10 5 Víctor D.G, 2005, p

20 6 b- Islote Central Es la zona no destinada a la circulación de vehículos que queda comprendida en el interior del anillo de circulación, de manera que la calzada anular lo bordea. Suele ser circular y en algunos casos oval o elíptico. c- Entradas y Salidas Se llama entrada a la zona de la vía que desemboca en la intersección y que está separada de esta por la línea de ceda el paso. Se diseñan de manera que los conductores que se aproximan a la rotonda tomen plena conciencia de la proximidad de la intersección y estén obligados a reducir la velocidad facilitando el cumplimiento de la regla de prioridad del anillo. El diseño de las salidas es completamente diferente, ya que se pretende que la maniobra de abandono de la calzada anular sea lo más expeditiva posible y se realice en las mejores condiciones de seguridad posibles. Para ello hacen falta radios de salida mayores que las de las entradas, así como carriles de salida más anchos. d- Isletas deflectoras Se encuentran situadas en el punto de unión entre los brazos de la rotonda (ramales), acostumbran a tener forma triangular y separan los dos sentidos de circulación de la intersección. Las isletas deflectoras cumplen múltiples funciones por un lado señalan la proximidad de la rotonda y generan una inflexión en las trayectorias de los vehículos entrantes (y salientes) induciendo a la reducción de la velocidad a la vez que estos adoptan un ángulo de entrada adecuado con respecto a las trayectorias de circulación de la calzada anular. e- Cruces accesibles a los peatones En las rotondas diseñadas con sendas peatonales, típicamente ellas se ubican retiradas hacia atrás de la línea de entrada, y la isleta partidora suele cortarse para permitir que los peatones, sillas de ruedas, cochecitos de niños y bicicletas pasen a través. Los cruces peatonales deben ser accesibles con pendientes y advertencias detectables apropiadas.

21 7 Figura 2. Elementos básicos de una rotonda moderna. Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) 1.3 Ventajas y Desventajas de las Rotondas Modernas 6 La generalización de la utilización de rotondas en los últimos 20 años obedece a las ventajas que ofrecen respecto otro tipo de soluciones a la hora de resolver determinados tipos de intersecciones. Comprender las ventajas y desventajas de las rotondas (Tabla 1), permite a muchos entender éste tipo de tratamiento de las intersecciones. Tabla 1. Ventajas y Desventajas de las rotondas CRITERIO VENTAJAS DESVENTAJAS Reducen la gravedad de accidentes Se pueden producir algunos de todos los usuarios, permiten accidentes motivados por la Seguridad convergencias más seguras en el tránsito circulante. confusión de los conductores que no estén familiarizados con este tipo de intersecciones. Eficacia Operaciones Reducen el tiempo medio de espera. Buena fluidez del tráfico en condiciones normales y con diferencias de tráficos no superiores a un orden de magnitud. Facilitan los intercambios y giros sin que la fluidez del tráfico se resienta. Pueden tener demoras y colas menores que en otras formas de control de intersección. No son eficaces cuando las diferencias entre el tráfico principal y el secundario son mayores a un orden de magnitud. Pierden mucha eficacia cuando se hallan cerca de su máxima capacidad. La misma prioridad para todas las aproximaciones puede reducir la progresión de aproximaciones de alto volumen. 6 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p.34

22 8 Administración de Acceso Tráfico Estructuración del espacio Medioambiente Estética Costos Facilitan los giros en U que pueden sustituir giros a la izquierda a mitad de cuadra más difíciles Su elevada capacidad permite disponer de una reserva para acomodar puntas de demanda, y evitar en muchos casos el recurso a la ordenación por semáforos. Mejora de la estructuración y puesta en valor del espacio circundante. Pueden permitir espaciamiento menor entre intersecciones y accesos. Disminución de la contaminación acústica. Menor polución por emisión de gases. Posibilidad de tratamiento paisajístico. Menor impacto visual. Proporcionan a las comunidades entradas atractivas o puntos focales. Se utilizan en zonas turísticas o de compras para separar los usos comerciales de las zonas residenciales. Menos costos de operación y mantenimiento Pueden reducir el número de claros disponibles para intersecciones a mitad de cuadra no semaforizadas y accesos a propiedad. No permiten que el tráfico tenga un flujo libre sino que los dirige hacia destinos definidos. Perdida de la jerarquía de las vías más importantes. En función del caso pueden ocupar un espacio ligeramente mayor que una intersección convencional. Mayor ocupación de suelo. Posibles impactos sobre los recursos naturales y culturales, debido a mayores requerimientos de espacio en las intersecciones. Podría crearse un peligro de seguridad si los objetos duros (esculturas, piletas, señalización, etc.) se colocan en la isleta central muy cerca a las entradas. En función del tamaño pueden ser más caras que las intersecciones normales. 1.4 Identificación de la Problemática en el Perú y alternativa de solución En el Perú la gran cantidad de accidentes que se producen en las rotondas se ha convertido en motivo de preocupación ya que no se explica por qué tantos vehículos se vuelcan o van a parar hacia las grandes zanjas que la bordean, dejándolos totalmente destruidos. Según los expertos de la Unidad de Estudios del Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú, hace algunos años comenzaron a proliferar en nuestro país este tipo de intersecciones a nivel y en el año 2013 se han hecho expedientes técnicos en los cuales se agregan rotondas modernas, por ejemplo en la Obra Construcción y Mejoramiento de la Carretera Camaná - Dv. Quilca - Matarani - Ilo- Tacna sub tramo 1: Matarani - El arenal, sub tramo 2: El Arenal - Punta de Bombón y últimamente en la Construcción de la Red Vial Nº 4, Obras de desempate Vía de Evitamiento Huarmey. A priori, es una buena solución al problema de las intersecciones en el tráfico vehicular, ya que si lo comparamos con lo que sucede en una intersección regulada por semáforos, la estructura de funcionamiento de una rotonda hace que se reduzca el tiempo de espera por parte de los usuarios. Asimismo, los expertos en infraestructura destacan que el funcionamiento de las rotondas modernas presentan ventajas teóricas como la reducción del número y de la gravedad de los accidentes, al no permitir la realización de giros hacia la izquierda (aquellos que originan los accidentes más graves) ya que su configuración hace que los conductores moderen la velocidad de sus vehículos.

23 9 Sin embargo, debido a que en el Ministerio de Transportes y Comunicaciones no cuenta con alguna guía que acompañe a los criterios que se indican en la normativa vigente acerca del diseño de rotondas modernas, las exigencias que se le pide a los ingenieros a cargo de los diseños geométricos de este tipo de intersecciones a nivel son mínimas. La normativa no se refiere de forma extensa y detallada acerca de las rotondas modernas y no manifiesta criterios claros y específicos sobre dimensiones, análisis operacionales o visibilidad de las rotondas modernas de un solo carril o multicarriles. Además, tampoco exige algún análisis particular de los volúmenes viales para la capacidad de la intersección, por lo cual no se analiza teorías de colas de tránsito, frecuencia de intervalos admisibles, demoras y convergencias de flujos. Entonces, si las rotondas no son correctamente diseñadas atendiendo los principios básicos que las caracterizan 7, no podrán asumir un flujo de tráfico elevado y como consecuencia pierden eficacia originando importantes atascos. Además, hay situaciones en las que la velocidad supera un cierto valor crítico y la carga de los camiones puede llegar a desprenderse originando volteos. En una entrevista con un experto en diseño geométrico de infraestructuras viales en nuestro país (Mag. Ing. Jorge Gutiérrez Rodríguez, 2014), indica que la conveniencia de rotondas es en primer lugar para zonas urbanas o urbanas en crecimiento, la rotonda puede servir para distribuir los tráficos locales. Por lo tanto no es conveniente en medios de autopistas y zonas rurales, ya que la vía estaría perdiendo el objetivo para la que ha sido creada logrando que ésta pierda la continuidad que la caracteriza como autopista o vía principal, siendo este un grave error. En segundo lugar se puede dar en autopistas ingresando a ciudades para que vayan reduciendo la velocidad y en tercer lugar en las vías de evitamiento. El experto indica que en el caso de las vías de evitamiento, se diseñe en un 100% para los tráficos interurbanos, para que los vehículos fluyan y no se incluyan tráficos locales. Por lo tanto, lo recomendable es incluir intercambios al inicio y al final de una vía de evitamiento. En conclusión, podemos decir que, si bien las rotondas son objetivamente una buena solución al tráfico vehicular, en la práctica cada nueva rotonda que se proyecta debe de ser analizada en su contexto, valorándose las ventajas y desventajas existentes en tal emplazamiento y estudiando cual es la solución en cada intersección. Por lo tanto, las deficiencias del correcto funcionamiento suceden porque en el diseño geométrico de la intersección a nivel no se siguen las normas y principios básicos de las directrices especializadas. Las cuales indican que existen técnicas de planificación, procedimientos de evaluación para comportamientos operacionales y de seguridad, y brindan parámetros para el diseño geométrico de rotondas modernas. 1.5 Criterios de Diseño Geométrico de Rotondas en el Perú En el Perú, el diseño geométrico de las vías rurales y urbanas para la circulación de vehículos está regido por el Manual de Diseño Geométrico para Carreteras. Los criterios de diseño en la que ha sido proyectada la rotonda de la intersección Via Evitamiento Sur Carretera IIRSA Norte, la que va a ser rediseñada aplicando criterios de directrices especializadas mostradas en la presente Tesis, son de la Norma DG Sin embargo, se tiene que indicar que la norma vigente es la DG 2013, aprobada mediante Resolución Directoral N MTC/14 con fecha Por lo tanto, se mostrará lo que menciona cada norma acerca del diseño de rotondas 7 Numeral 3.2 del Capítulo 3 de la Presente Tesis

24 10 modernas para informar las supuestas mejoras que se han establecido en la norma vigente acerca del diseño de rotondas. Manual de Diseño Geométrico para Carreteras En el Manual de Diseño Geométrico para Carreteras DG 2013, se divide en 06 capítulos y 01 Anexo. Las rotondas son tratadas, en el Capítulo 5 denominado Diseño Geométrico de Intersecciones, Sección 502 Intersecciones a Nivel, Ítem Intersecciones rotatorias o rotondas. La denominación que brinda el manual acerca de las intersecciones a nivel rotatorias es de rotonda o glorieta, y la define como una intersección que se distingue porque los flujos vehiculares que acceden a ella por sus ramas, circulan mediante un anillo vial, en el cual la circulación se efectúa alrededor de una isla central. Las trayectorias de los vehículos en el anillo, son similares a los entrecruzamientos, razón por la cual el número de puntos de conflicto, es menor que en otros tipos de intersecciones a nivel. En la DG 2013, se establecen los siguientes elementos de diseño en rotondas: a. Criterios generales, menciona que el diseño de este tipo de solución, debe basarse en los estudios de tráfico correspondientes, en lo pertinente a la capacidad de la rotonda y el dimensionamiento de las secciones de entrecruzamiento, para lo cual puede seguirse el siguiente procedimiento: - Se propone una longitud de la sección de entrecruzamiento compatible con la geometría de la solución. - Se determina la capacidad de cada sección de entrecruzamiento propuesta. - Se compara dicha capacidad con el volumen de demanda de entrecruzamiento. Para el cálculo de la capacidad de la sección de entrecruzamiento, Qp, se utiliza la fórmula de Wardrop, como se puede ver en la Figura 3 y Figura 4. b. Criterios geométricos, aquí indica los criterios de diseño geométrico aplicables a las rotondas como se puede ver en la Figura 5. c. Islas direccionales, menciona que el dimensionamiento de las islas direccionales será consecuencia de la geometría general de la solución; sin embargo, estas deben tener como mínimo entre 4,50 m 2 y 7,00 m 2. d. Ramales de entrada y salida, Para el diseño de los ramales de entrada y salida, se aplicarán los criterios y dimensiones mínimas establecidas en el presente Manual, en lo relativo a anchos de calzada, bermas, peraltes, visibilidad y radios mínimos en función de la Velocidad de Diseño adoptada. 8 Ministerio de Transportes y Comunicaciones, Dirección de Carreteras, MTC

25 11 Figura 3. Fórmula de Wardrop Fuente: Manual de Diseño Geométrico para carreteras DG Figura 4. Elementos contenidos en la Fórmula de Wardrop Fuente: Manual de Diseño Geométrico para carreteras DG Figura

26 12 Figura 5. Criterios de diseño geométrico de rotondas Fuente: Manual de Diseño Geométrico para carreteras DG Tabla Luego de dar una vista general a los manuales de diseño geométrico sobre las rotondas modernas en el Perú, se puede mencionar que en la norma vigente, el cálculo de la capacidad de la rotonda se basa en el cálculo de la capacidad de la sección de entrecruzamiento, al igual que el criterio de cálculo de capacidad que se usa en la DG Sin embargo, como se indica en la sección de la presente Tesis, la Fórmula de Wardrop ha sido reemplazada por otras metodologías que permiten calcular las capacidades de entradas basándose en el flujo de circulación en conflicto.

27 13 Capítulo 2. Planeamiento, Análisis Operacional y Seguridad de las Rotondas Modernas Ya que en el Perú no se tienen criterios normados para un completo diseño de rotondas modernas, en este capítulo se mostrarán diferentes aspectos que las guías especializadas toman en cuenta antes del diseño geométrico de rotondas modernas. 2.1 Planeamiento En la etapa de planeamiento hay varias razones posibles para considerar una rotonda en una intersección particular. Cualesquiera que sean estas razones deben afrontarse varias consideraciones comunes a nivel de planeamiento como las siguientes: a. Es adecuada una rotonda para esta ubicación? b. Qué tan grande debe ser o cuántos carriles podrían requerirse? c. Qué tipos de impactos se pueden esperar? d. Cuál podrá ser la concientización y divulgación más adecuada? El planeamiento determina si una rotonda es posible y conveniente, antes de invertir en el esfuerzo requerido para los análisis y diseños más detallados. Pasos de planeamiento La Figura 6 resume muchas de las consideraciones que deben investigarse antes de decidir si se debe implementar una rotonda moderna en la intersección. Hay que tener en cuenta que esto no pretende ser exhaustivo, ni tiene la intención de reflejar los mínimos requerimientos. Sólo tiene por objeto proporcionar un marco general para las medidas normalmente necesarias en la identificación de viabilidad. Considerar el contexto Se verifica las condiciones del lugar donde se va a implementar la rotonda como intersección, como por ejemplo 9 : 1. Un sistema vial nuevo 2. La primera rotonda en una zona 3. Corrección de una intersección existente en un área donde las rotondas ya ganaron aceptación 9 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p. 53

28 14 1. CONSIDERAR EL CONTEXTO 2. ACLARAR LOS OBJETIVOS 3. DETERMINAR LOS NÚMEROS DE CARRILES BASADOS EN LOS REQUISITOS DE CAPACIDAD 4. DETERMINAR LOS REQUISITOS DE ESPACIO 5. COMPARAR LAS OTRAS ALTERNATIVAS DE INTERSECCIÓN ES UNA ROTONDA FACTIBLE DIGNA DE AVANCE PARA EL ANÁLISIS Y EL DISEÑO ADICIONAL 6. EVALUAR OTROS IMPACTOS 7. EVALUAR OTRAS OPORTUNIDADES Figura 6. Marco de Planeamiento Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Determinar criterios generales 1. Medio en el que se emplazan 2. Número y tipos de vías El número de carriles y las necesidades de espacio son importantes resultados del análisis de planeamiento. Por lo tanto, la capacidad y el tamaño están relacionados entre sí en función del número de carriles que serán necesarios para dar cabida a los volúmenes de tránsito previstos. En el caso en que los movimientos de giro sean conocidos, la Figura 7 presenta cuatro rangos de volúmenes IMDA (Índice Medio Diario Anual) para identificar los escenarios en que las rotondas de uno y dos carriles pueden desempeñarse adecuadamente. Un rango de giros a la izquierda del 0% al 40% del volumen total es una entrada a la Figura 7 para mejorar la predicción de la capacidad potencial. El porcentaje de giros a la izquierda en cualquier aproximación afecta los volúmenes de conflicto en otras entradas. Por lo tanto, podemos ver en la gráfica de la Figura 7 que la capacidad potencial de la rotonda se reduce cuando aumenta el porcentaje de giros a la izquierda.

29 Análisis Operacional 10 Figura 7. Volúmenes diarios de intersección a nivel de planeamiento Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Un análisis operacional se utiliza para evaluar el funcionamiento de una rotonda existente. En esta sección se presenta métodos para estimar la capacidad y se debe saber, que el análisis operacional produce dos tipos de estimaciones 11 : a. La capacidad de una instalación, es decir, la capacidad de dar cabida a diversas corrientes de usuarios. b. El nivel de funcionamiento, usando una o más medidas de efectividad, como demoras y colas. En la presente Tesis se utilizará el método del Manual de Capacidad de Caminos (HCM, 2010) para el cálculo de control de demoras, calidad de servicio y longitudes de cola. Sin embargo, para los métodos de cálculos de capacidad se presentarán diferentes procedimientos que permiten la evaluación del funcionamiento operacional de una rotonda moderna Recopilación, análisis de datos, determinación de índices de flujo en la rotonda y ajustes por flota mixta de vehículos 12 Para rotondas modernas existentes, los movimientos de giro se recogen con una variedad de técnicas como grabación en directo de los patrones de movimiento de giro con observadores de campo, técnicas de estudio origen-destino, etc. Se requieren cálculos de índices de flujo de entrada, circulación y salida para cada ramal de rotonda. El índice de flujo que circula en oposición en una determinada entrada se define como el flujo en conflicto con el flujo de entrada de ese ramal. Los movimientos de una rotonda moderna están ilustrados en la Figura U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, Cap U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p. 104

30 16 Figura 8. Cálculo del caudal circulante Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Para tener en cuenta las características de flujo de vehículos, se ajusta la tasa de flujo para cada movimiento con los factores indicados en la Tabla 2. Se debe tener en cuenta que las ecuaciones de capacidad señaladas en este capítulo incorporan implícitamente estos factores. Tabla 2. Equivalencias de los vehículos de pasajeros Tipo de Vehículo Equivalencia de los vehículos de pasajeros (ET) Coche de pasajeros 1.0 Vehículos pesados 2.0 Bicicleta 0.5 Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) El cálculo para incorporar los valores de la Tabla 2 se da en la Ecuación 2 y Ecuación 3 (HCM, 2010). v i,pce = v i f HV Ecuación 2 f HV = 1 1+P T (E T 1) Ecuación 3 Donde: v i,pce = Tasa de flujo de la demanda de movimiento i, cp/h v i = Volumen de la demanda de movimiento i, veh/h f HV = Factor de ajuste de vehículos pesados. P T = Proporción de volumen de la demanda que consiste en vehículos pesados = Equivalencia de los vehículos de pasajeros para los vehículos pesados E T Métodos de Cálculo de Capacidad de Entrada

31 17 Se han propuesto varios métodos de análisis para analizar la capacidad de las rotondas. Algunos son ecuaciones determinísticas basados en ecuaciones de regresión de la capacidad observada. Otros son modelos probabilísticos que simulan el comportamiento del conductor. Algunas son ecuaciones que se pueden aplicar manualmente o mediante hojas de cálculo. Otros requieren programas informáticos para poner en práctica. Teniendo en cuenta estas diferencias, puede que no sea evidente qué método es el mejor para utilizar para un caso particular. Al comparar los métodos de análisis de capacidad, sería útil saber cómo los diferentes métodos de realizar en un rango de enfoque y volúmenes en conflicto. 13. Se sugieren los siguientes tipos básicos de análisis: 1. Método de la sección de entrecruzamiento usando la Fórmula de Wardrop. 2. Método TRRL, que es el que relaciona las características geométricas específicas de cada glorieta con la capacidad de cada entrada. 3. Método del manual de capacidad de caminos, (Highway Capacity Manual, 2010) se basa en estudios de las operaciones de rotonda. 4. Software de métodos determinísticos (SIDRA, RODEL, ARCADY, etc.), estos métodos modelan el flujo de vehículos y la tasa de flujo; son sensibles a diversos flujos y características geométricas de la rotonda, incluyendo números de carril y los acuerdos y/o dimensiones geométricas específicas. 5. Métodos de Simulación, Están disponibles una variedad de paquetes de software de simulación para modelar redes de transporte. Varios de estos son capaces de modelar rotondas, y características que cambian con frecuencia. En la Tabla 3 se muestra un resumen de los modelos de análisis operacionales a considerar en la Presente Tesis, en donde se mencionara los parámetros que influyen en cada método. Tabla 3. Resumen de Modelos Operacionales para rotondas modernas País Autor Tipo Parámetros de entrada Perú Wardrop Brecha de aceptación Sección de entrecruzamiento UK EEUU Australia Kimber HCM Troutbeck Regresión lineal Brecha de aceptación Brecha de aceptación Flujo de circulación, ancho de entrada, ángulo de entrada, radio de entrada, diámetro del circulo inscrito Flujo de circulación, flujo de entrada Flujo de circulación, flujo de entrada, número de carriles, ancho de entrada, diámetro de circulo inscrito Fuente: National Cooperative Highway Research Program (2007) Fórmula de Wardrop 13 Ourston Roundabout Engineering Inc, 2010,p.1

32 18 Para el cálculo de la capacidad de una rotonda, en nuestro país se toma en cuenta el criterio de la sección de entrecruzamiento, utilizando la Fórmula de Wardrop, como se puede ver en la Ecuación 4, Ecuación 5 y Figura 4. Q p = [160W (1+e W )] (1+ W L ) Ecuación 4 e = (e 1+e 2 ) 2 Ecuación 5 Donde: Q p = Capacidad de la sección de entrecruzamiento, como tránsito mixto, en vehículos/hora. W = ancho de la sección de entrecruzamiento, m. e = ancho promedio de las entradas en la sección de entrecruzamiento. e 1, e 2 = ancho de cada entrada a la sección de entrecruzamiento, m. L = Longitud de la sección de entrecruzamiento, m. El procedimiento recomendando es el siguiente: Se propone una longitud de la sección de entrecruzamiento compatible con la geometría de la solución. Se determina la capacidad de cada sección de entrecruzamiento propuesta. Se compara dicha capacidad con el volumen de demanda de entrecruzamiento, la capacidad de diseño de la sección de entrecruzamiento no debe ser superior al 85% de la capacidad práctica Método TRRL Durante un período de unos 12 años, el gobierno del Reino Unido estableció relaciones confiables, robustas para la capacidad de las rotondas 14. Todo el propósito del programa de investigación era producir un modelo que un ingeniero de tráfico pueda usar para diseñar rotondas que satisfagan completamente las necesidades operacionales de la intersección. La intención era producir ecuaciones que dan vínculos prácticos entre la geometría y la capacidad, la demora y la longitud de cola. Este método parte de la hipótesis de que la relación entre los dos tránsitos, el que circula por el anillo y el entrante, es una relación lineal o casi lineal, Ecuación 6, que calcula la capacidad de cualquier rotonda, excepto en las que poseen calzadas separadas. Q e = k (F f c Q c ) Ecuación 6 Donde: 14 The Traffic Capacity of Roundabouts, Transport Research Laboratory (TRL) Report LR 942, U.K. Department of Transport, 1980.

33 19 Q e = Capacidad de una entrada, veh/h. Q c = Flujo circulante, veh/h. k, F y f c = Parámetros calibrados de la experiencia en función de las características geométricas de la entrada y de la glorieta, los hallaremos según la Ecuación 6, Ecuación 8, Ecuación 9, Ecuación 10, Ecuación 11 y Ecuación 12. k = ( 30) ( ) Ecuación 7 R F = 303 x Ecuación 8 f c = t ( x) Ecuación 9 t = 1 + [ e (D x = v + (e v) (1+2S) S = 1.6 (e v) l )] Ecuación 10 Ecuación 11 Ecuación 12 En la Figura 9, se pueden apreciar los parámetros geométricos básicos, donde: e = Ancho de la entrada (m) v = Ancho del acceso de entrada (m) l = Longitud efectiva del abocinamiento de entrada (m) S = Agudeza del abocinamiento D = Diámetro del círculo inscrito (m) ɸ= Ángulo de entrada ( ) R = Radio de entrada (m) Figura 9. Parámetros geométricos básicos para el cálculo de la capacidad por el Método TRRL Fuente: Dirección General de Carreteras - Consejería de Transportes. (1994)

34 20 Para rotondas rurales 15, se muestran la Ecuación 13 y Ecuación 14: Q e = ( Q g ) [ (e 3.5)] Ecuación 13 Q g = [Q c + 2 Q 3 s (1 m )] [ (c 8)] Ecuación Donde: Q g = impedimento, veh/h. Q c = capacidad de salida, veh/h. El cálculo del flujo que aporta cada entrada es un proceso iterativo que comienza asumiendo una Q c nula en un tramo de la calzada anular anterior a una entrada, entonces se obtiene un valor de Q e = F. (Figura 10). A este Q e se le restan los vehículos que salen en la próxima salida, convirtiéndose así en la Q c para la próxima entrada, luego se calcula el nuevo Q e en función de ese Q c, utilizando la fórmula del apartado anterior. Así se puede calcular la Q c para la próxima entrada, en progresión a lo largo de la rotonda. Cuando, después de un ciclo completo, se haya calculado la Q c para la primera entrada, se puede determinar una Q c revisada, que puede ser el comienzo de una segunda iteración, y se repite todo el proceso. Después de varias iteraciones, los flujos de entrada de cada ramal convergen hacia sus valores finales. Figura 10. Q e y Q c en cada entrada El procedimiento para el cálculo de la capacidad de una rotonda o de una de sus entradas, puede ser complicado y sería el siguiente: Estimar las capacidades Qc, Qe y Qs para el año horizonte en proyecto. Las capacidades de las 4 entradas deben ser parecidas, si éstas difieren mucho se deberá recalcularla aumentando o disminuyendo 15 Dirección General de Carreteras Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo. Recomendaciones sobre Glorietas Cáp. 1 Pág. 10.

35 21 el ancho de las entradas, salidas y del anillo, hasta conseguir lo deseado. Luego procederá a establecerse el número de carriles de la calzada anular, de las entradas y salidas, procediéndose al diseño preciso de la glorieta de acuerdo con las recomendaciones geométricas. Establecida la geometría concreta de la glorieta, podría procederse a una comprobación cautelar de la capacidad de cada entrada Método HCM 2010 La FHWA Roundabouts an Informational Guide 2da Edition (2011) propone como metodología de análisis operacional el manual de capacidad de caminos conocido como HCM La capacidad de un carril de entrada con la oposición de un carril de circulación (p.ej., una entrada de un solo carril en una rotonda de un solo carril, o cualquier carril de una entrada de dos carriles en conflicto con un carril de circulación) se basa en el flujo en conflicto. La ecuación de capacidad de rotondas de la HCM2010 se basa en una ecuación de regresión de los datos observados en 31 sitios en los EE.UU. Y se obtiene lo señalado en la Ecuación 15. C e,pce = 1.130e ( )v c,pce Ecuación 15 Donde: C e,pce = Capacidad de carril, ajustado para los vehículos pesados, cp/h v c,pce = Flujo de conflicto en el carril de circulación, cp/h La Ecuación 16 y Ecuación 17 dan la capacidad de los carriles de la derecha e izquierda, respectivamente, de una entrada de rotonda de dos carriles con la oposición de dos carriles en conflicto: C e,r,pce = 1.130e ( )v c,pce Ecuación 16 C e,l,pce = 1.130e ( )v c,pce Ecuación 17 Donde: C e,r,pce = Capacidad de la vía de entrada a la derecha, ajustado para los vehículos pesados, cp/h C e,l,pce = Capacidad de la vía de entrada a la izquierda, ajustado los vehículos pesados, cp/h v c,pce = Flujo de conflicto en el carril de circulación, cp/h La Figura 11 presenta un gráfico que muestra la Ecuación 15, Ecuación 16 y Ecuación 17. Las líneas punteadas representan las porciones de curvas que se encuentran fuera del rango de datos de campo observados.

36 22 Figura 11. Capacidad del carril de entrada Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Método SIDRA 16 El método de análisis de la capacidad de la rotonda utilizado en SIDRA es una extensión de las técnicas tradicionales de aceptación de brecha, como tal, difiere del enfoque empírico utilizado en el Reino Unido (Método TRRL). SIDRA utiliza las relaciones empíricas obtenidas por Troutbeck (1989) que mide el seguimiento de avances y deficiencias críticas en las rotondas de la vida real en Australia, y que en la actualidad se aplica en softwares determinísticos. Estas relaciones modelan la dependencia de estos parámetros con el flujo de entrada en la geometría de la rotonda, así como el flujo de circulación. La capacidad de un carril de entrada rotonda se calcula utilizando una fórmula que es básicamente el mismo para las intersecciones de dos vías a excepción de que el flujo de circulación se utiliza como el principal flujo y un factor (f od ) que se aplica a la capacidad básica de aceptación de brechas con el fin de permitir los efectos de enfoque de los flujos origen-destino y patrones de cola. La capacidad según el Método SIDRA, se calcula mediante las siguientes Ecuaciones: Capacidad de entrada del carril Q e = max (f od Q g, Q m ) Ecuación ARBB Transport Research, 1998, p.24

37 23 Donde: Q e = Capacidad de un carril de entrada (veh/h), máximo flujo de llegada que puede ser mantenido bajo condiciones de flujo prevalecientes. f od = Factor de ajuste de la capacidad básica de aceptación de brechas para el patrón de flujo de origen-destino de la rotonda y efectos de aproximaciones de cola. Q g = Estimación de la capacidad mediante el método básico de aceptación de brechas (veh/h) Q m = Capacidad mínima de la corriente opuesta (veh/h) Capacidad básica de aceptación de brechas Q g = sg = 3600 (1 c β cq c + 0.5βφ c q c )e λ(α c ) Ecuación 19 Donde: s = Flujo de saturación (veh/h) g = Promedio equivalente del tiempo verde de la aceptación de brechas que corresponden a los periodos de desbloqueo en el flujo de tráfico que circula. (seg) c = Promedio equivalente del tiempo del ciclo de aceptación de brechas que corresponden a los periodos de bloquear y desbloquear en el flujo de tráfico que circula. (seg) r = Promedio equivalente del tiempo rojo de la aceptación de brechas que corresponden a los periodos de bloqueo en el flujo de tráfico que circula. (seg) β = Seguimiento de avances de la corriente de tráfico de entrada (seg) c = Intervalo mínimo en el modelo de distribución del avance de llegada. (seg) q c = Tasa del flujo de circulación relevante para el carril de entrada sujeto (veh/h) φ c = Proporción de vehículos no agrupados en el flujo de tráfico que circula. λ = Un parámetro en el modelo de distribución exponencial de avance de llegada. α = Aceptación de brechas crítica para el flujo de tráfico de entrada. La relación de la capacidad básica de aceptación de brechas, se ha obtenido a partir de los siguientes parámetros comunes: Capacidad de ciclo: sg = g = Ecuación 20 β λβ Donde: s = Flujo de saturación (veh/h) g = Promedio equivalente del tiempo verde de la aceptación de brechas que corresponden a los periodos de desbloqueo en el flujo de tráfico que circula. (seg) β = Seguimiento de avances de la corriente de tráfico de entrada (seg) λ = Un parámetro en el modelo de distribución exponencial de avance de llegada.

38 24 Ciclo de efectivo, los tiempos de verde (desbloqueo/ir) y rojo (bloque/parada): c = eλ(α c) φ c q c para q c > 0 Ecuación 21 g = β λ para q c > 0 Ecuación 22 Donde: c = Promedio equivalente del tiempo del ciclo de aceptación de brechas que corresponden a los periodos de bloquear y desbloquear en el flujo de tráfico que circula. (seg) c = Intervalo mínimo en el modelo de distribución del avance de llegada. (seg) φ c = Proporción de vehículos no agrupados en el flujo de tráfico que circula. q c = Tasa del flujo de circulación relevante para el carril de entrada sujeto (veh/h) β = Seguimiento de avances de la corriente de tráfico de entrada (seg) λ = Un parámetro en el modelo de distribución exponencial de avance de llegada. Parámetro de distribución: λ = φ cq c 1 c q c para q c 0.98 c Ecuación 23 si q c > 0.98 c entonces q c = 0.98 c Donde: φ c = Proporción de vehículos no agrupados en el flujo de tráfico que circula. q c = Tasa del flujo de circulación relevante para el carril de entrada sujeto (veh/h) λ = Un parámetro en el modelo de distribución exponencial de avance de llegada. Capacidad mínima Q m = min (q e, 60n m ) Ecuación 24 Donde: Q m = Capacidad mínima (veh/h) q e = Tasa de flujo de llegada del carril de entrada de la rotonda, es decir, el número medio de vehículos por unidad de tiempo, medido en un punto aguas arriba de la parte posterior de la cola. n m = Número mínimo de vehículos por minuto que puede entrar en la corriente de oposición o de circulación en condiciones de flujos pesados. Factor de ajuste

39 25 f od = 1 f qc (p qd p cd ) Ecuación 25 Donde: f od = Factor de ajuste f qc = Un parámetro de calibración en la fórmula para el factor (f od ) para el patrón de flujo de origen-destino de la rotonda y efectos de aproximación de colas. p qd = Proporción de vehículos en cola en la aproximación dominante de la rotonda. p cd = Proporción del flujo total circulante de la rotonda que se originó en el enfoque dominante. Donde (p qd p cd ) es la proporción del flujo de corriente total circulante. Para flujos de circulación de rotondas de un carril tenemos lo siguiente: f qc = q c Para q c < 600 Ecuación 26 = q c 0.29 Para 600 q c 1200 Ecuación 27 = 0.55 Para q c > 1200 Ecuación 28 Para flujos de circulación de rotondas multicarriles tenemos lo siguiente: f qc = q c Para q c < 600 Ecuación 29 = q c 0.08 Para 600 q c 1800 Ecuación 30 = 0.55 Para q c > 1800 Ecuación 31 Los parámetros para hallar la capacidad básica de aceptación de brechas se dividen en dos categorías: (i) parámetros relacionados con la entrada en la corriente: seguimiento de avances (β) brecha crítica (α) (ii) parámetros relacionados con la corriente que circula: intra-grupo de avance ( c ) proporción de vehículos libres (φ c ) flujo de circulación (q c ) flujo de salida (q x ) El seguimiento de avance y la brecha crítica son los dos principales parámetros utilizados para la estimación de la capacidad de un flujo de tráfico opuesto. El método introducido en el informe especial SR 45 y adoptado en SIDRA ha mejorado al relacionar la geometría rotonda, así como el flujo de circulación y de entrada. Al mismo tiempo, el valor del diámetro inscrito usado en la fórmula para calcular el carril dominante seguimiento avances se limitó a un máximo de 80 m con el fin de prevenir la predicción de un bajo seguimiento de avance.

40 26 En la Tabla 4 se muestran los valores mínimos y máximos de los parámetros de seguimiento de avance y brecha crítica para rotondas. Tabla 4. Valores mínimos y máximos de los parámetros de seguimiento de avance y brecha crítica para rotondas Mínimo Máximo Seguimiento de avance (β) Brecha crítica (α) Fuente: ARBB Transport Research (1998) El método utilizado en SIDRA para calcular el avance seguimiento y la media de los valores de vacío crítico para carriles dominantes y subdominantes de entrada es: (i) calcular el seguimiento de avance del carril dominante no ajustado (β d ) como se puede ver en la Ecuación 32 (ii) ajustar el seguimiento de avance del carril dominante calculado en (i) para la relación entre el caudal de entrada de flujo de circulación (β d ) como se muestra en la Ecuación 34. (iii) utilizar el valor calculado en (ii) y (iii) y calcular los valores de brechas críticas para los carriles dominante y subdominante (α d y α s ) Cabe resaltar, que para rotondas con entradas de un solo carril (n e = 1), la fórmula del carril dominantes es utilizada para el cálculo del seguimiento de avance. El valor no ajustado de seguimiento de avance (β d ) del carril dominante se calcula a partir de: β d = β o q c Ecuación 32 sujeto a β min β d β max β o = D i D i n e n c Ecuación 33 sujeto a 20 D i 80 Donde: D i = Diámetro inscrito (m) n e = Número de carriles de entrada con exclusión de los carriles de flujo continuo y cualquier carril de deslizamiento de giro exclusivo. n c = Número de carriles de circulación q c = Flujo de circulación (veh/h) β min, β max = Valor mínimo y máximo del seguimiento de avance (seg) El valor ajustado de seguimiento de avance del carril dominante está expresado de la siguiente manera: β d = β d q e q c (q e q c ) [β d β om q c (β max q Lm β om )] Para q cm c q cm Ecuación 34 β d = β d Para q c > q cm Ecuación 35 sujeto a β Lm β om y q e q c (q e q c ) max Donde:

41 27 β d = El seguimiento de avance del carril dominante ajustado por la relación entre el caudal de entrada y el flujo de circulación (seg) β d = Valor no ajustado del seguimiento de avance del carril dominante (seg) β om = Valor mínimo del seguimiento de avance ajustado para un flujo de circulación equivalente a cero, sujeto a β om β min (actualmente fijado como β om = 1.8 s correspondiente a un flujo máximo de saturación en el carril de entrada de 3600 β om = 2000 veh/h β Lm = Valor de los seguimientos de avance cuando el flujo circulante es igual al valor límite para los ajustes (q c = q cm ) (seg) q e q c = Relación de flujo de entrada con el flujo circulante (q e q c ) max = Un límite en la relación de flujo de entrada y el flujo, actualmente es un valor de 3.0 q c = Caudal de circulación (veh/h) q cm = Un límite en la tasa de flujo circulante por encima del cual los seguimientos de avance no se ajustan (β d = β d ), actualmente q cm = 900 veh/h El valor ajustado de seguimiento de avance del carril subdominante (β s en segundos) está expresado de la siguiente manera en la Ecuación 36: Donde: β s = (0.5135β d )r ds Ecuación 36 sujeto a β d β s β max β max = Máximo seguimiento de avance r ds = Relación de los flujos de entrada fluye (la relación de dominante a la tasa de flujo de carril subdominante, (r ds = q d q s ) Las brechas críticas para el carril dominante o subdominante (α = α d o α s en segundos) es calculado como se muestran en las siguientes ecuaciones: α = ( q c 0.339w L n c )β Ecuación 37 Para q c 1200 α = ( w L n c )β Ecuación 38 Para q c > 1200 Sujeto a 3.0 α β 1.1 y α mín α α max si α > 3β, entonces α = 3β si α < 1.1β, entonces α = 1.1β si α < α mín, entonces α = α mín

42 28 si α > α max, entonces α = α max Donde: w L = Ancho promedio del carril de entrada (m) n c = Número de carriles de circulación q c = Caudal de circulación (veh/h) β = Seguimiento de avance (β d o β s ) α mín = Mínima brecha crítica (s) de la Tabla 4 α max = Máxima brecha crítica (s) de la Tabla 4 En SIDRA, los intervalos entre intra-grupo de la rotonda de corrientes circulantes son: c = 2.0 s c = 1.2 s c = 1.0 s para flujo de circulación de un carril para flujo de circulación de dos carriles para flujo de circulación de más de dos carriles Donde varios flujos origen-destino difieren en ser de un solo carril, de dos carriles u otro de varios carriles, los avances intra-grupo ( c ) para un objeto corriente circulante es corriente el cálculo se calcula como un promedio ponderado de los valores de flujos que contribuyen al flujo circulante, como se muestra en la siguiente Ecuación 39. Donde: c = q ci ci q c Ecuación 39 ci = Intra-grupo avance de la corriente i-ésima que contribuye al flujo circulante q ci = Flujo de la corriente i-ésima que contribuye q c = Flujo total de circulación, q c = q ci La proporción de vehículos no agrupados en el flujo de tráfico que circula está determinado en le Ecuación 40: Donde: φ c = e 2.5 cq c δφ c Ecuación 40 sujeto a 0.01 φ c 1.0 φ c = Proporción de vehículos no agrupados en el flujo de tráfico que circula c = intra-grupo de avance (seg) δφ c = parámetro extra

43 29 La intención del parámetro extra es la de ajustar la proporción de vehículos libres de acuerdo a la proximidad de una intersección señalizada aguas arriba. Este parámetro se define como se muestra en la Ecuación 41: Donde: δφ c = [ B i (1 p 100 qi)q ci ] Ecuación 41 B i = Agrupamiento adicional para el flujo i-ésimo contribuyente al flujo circulante. p qi = Proporción que contribuye al carril, es la proporción de tráfico que se pone en la cola debido a los efectos de control del tráfico y la existencia de otros vehículos, y se refiere a las principales paradas de la velocidad de negociación. En la Tabla 5 se define los valores que considera SIDRA para intragrupo ( c ) y la proporción de vehículos no agrupados en el flujo de tráfico que circula (φ c ), además en la Tabla 6 los valores para los flujos de la rotonda de circulación en cuanto al agrupamiento adicional. Tabla 5. Valores para c y φ c q c Número de carriles c φ c 1 2 e 5.0q e 3.0q >2 1.0 e 2.5q Fuente: ARBB Transport Research (1998) Tabla 6. Valores para el agrupamiento adicional Distancia de las Agrupamiento adicional Densidad de tráfico señales (B, %) Menos de 200 m Muy denso m Denso m Promedio m Menos Denso -10 Más de 2000m Poco Denso -20 Fuente: ARBB Transport Research (1998) Relación Volumen Capacidad 17 La relación volumen-capacidad es una comparación de la demanda en la entrada de la rotonda con la capacidad de la misma y proporciona una evaluación directa de la eficacia de un diseño dado. Para un carril determinado, la relación volumen-capacidad, x, se calcula dividiendo la capacidad calculada del carril por su tasa de flujo de demanda, como se muestra en la Ecuación 42. Donde: V = volumen [veh/h] x = v c Ecuación U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p. 108

44 30 C = capacidad [veh/h] Mientras que el HCM no define un estándar para la relación volumencapacidad, la experiencia internacional sugiere que las tasas de volumencapacidad en el rango de 0.85 a 0.90 representan un umbral aproximado para un funcionamiento satisfactorio Control de demora 18 El HCM identifica el control de demora como la principal medida de la calidad de servicio de intersecciones semaforizadas y no semaforizadas. La demora es un parámetro estándar utilizado para medir el funcionamiento de una intersección, es el tiempo que le lleva a un conductor desacelerar hacia una cola, estar en la cola, esperar un claro aceptable en el flujo de circulación mientras está en la parte delantera de la cola, y acelerar a la salida de la cola. La Ecuación 43 es la que debe utilizarse para estimar el control de demora media para cada carril en una aproximación de la rotonda. d = 3600 c + 900T [x 1 + (x 1) 2 + (3600 c )x 450T ] + 5. min[x, 1] Ecuación 43 Donde: d = promedio de control de demora, s/veh x = relación de volumen a la capacidad del carril c = capacidad del carril, veh/h T = período de tiempo (T = 1 para 1hora, T = 0.25 para 15 min) Calidad de servicio y nivel de servicio 19 El HCM define calidad de servicio como cuán bien funciona una instalación de transporte o servicio desde la perspectiva de un viajero. Y define los niveles de servicio (NdS) como una estratificación cuantitativa de una medida del funcionamiento o medidas que representan la calidad del servicio. Como señala la Tabla 7, se asigna NdS F si la relación de volumen-capacidad de un carril es superior a 1.0 independientemente del control de demora. Para evaluar los NdS en la aproximación y en la intersección, los NdS se basan únicamente en el control de demora. Tabla 7. Criterios de niveles de servicio. De enfoques y evaluación a nivel de intersección, NDS se define únicamente por el control de demora. Control de demora (s/veh) Nivel de servicio por la relación Volumen-Capacidad v/c 1.0 v/c > A F >10-15 B F >15-25 C F >25-35 D F >35-50 E F >50 F F Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) 18 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p. 110

45 Longitud de cola 20 La longitud de cola es aquel parámetro que permite medir el flujo de saturación en cada intersección, por tal motivo es importante al evaluar la adecuación del diseño geométrico de las aproximaciones de la rotonda. La duración estimada de una cola también proporciona información adicional sobre las prestaciones de funcionamiento de una rotonda. La cola de 95 percentil de un carril en una aproximación determinada se calcula utilizando la Ecuación 44: Q 95 = 900T [x 1 + (1 x) 2 + (3600 )x c 150T ] ( c 3600 ) Ecuación 44 Donde: Q 95 = Cola de 95 percentil, veh x = relación de volumen y capacidad del carril c = capacidad del carril, veh/h T = período de tiempo, h (T = 0.25 para 15 min) 2.3 Seguridad Muchos estudios hallaron que una de las ventajas de instalar una rotonda moderna es el mejoramiento del comportamiento global de seguridad. La elección de rotondas modernas como solución para las conectividades, obedece fundamentalmente, a que una rotonda representa un elemento eficaz del control de las velocidades, lo que confiere a la intersección un grado mayor de seguridad vial. Varios estudios 21 en los Estados Unidos, Europa y Australia descubrieron que las rotondas se comportan mejor en términos de seguridad que otras formas de intersecciones. Las razones por las que existe un nivel de seguridad superior en las rotondas modernas son 22 : a. Las rotondas tienen menos puntos de conflicto vehiculares en comparación con las intersecciones convencionales. El potencial de conflictos muy graves, tales como choques en ángulo recto y frontales por giros a la izquierda se reducen considerablemente con el uso de la rotonda moderna. b. Las bajas velocidades absolutas generalmente asociadas con las rotondas modernas permiten a los conductores disponer de más tiempo para reaccionar ante potenciales conflictos, y también ayudan a mejorar el nivel de seguridad de las rotondas. Las bajas velocidades vehiculares ayudan a reducir la gravedad de los choques; las muertes y lesiones graves son poco frecuentes en las rotondas. c. Los peatones necesitan cruzar un sólo sentido de circulación a la vez en cada aproximación al atravesar las rotondas (es decir, cruzan en dos etapas), en comparación con muchas intersecciones tradicionales. 20 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p Brilon, W. and B. Stuwe & Schoon, C.C. and J. van Minen., U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p. 117

46 Análisis de conflictos Conflictos vehiculares en rotondas de un solo carril 23 La Figura 12 presenta un diagrama de puntos de conflicto vehículovehículo para una intersección tradicional de tres ramas (T) y una rotonda de tres ramales. Como muestra la figura, el número de puntos de conflicto vehículo-vehículo de rotondas disminuye de nueve a seis en las intersecciones de tres ramas. Figura 12. Vehículo de conflictos para T-cruces con un solo carril Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Una rotonda de cuatro ramales y carril único tiene 75% menos puntos de conflicto, y ningún punto de conflicto por cruce en comparación con una intersección convencional. La Figura 13 presenta esquemas similares para una intersección convencional de cuatro ramas (X o cruz) y una rotonda de cuatro ramales. El número de puntos de conflicto vehículo-vehículo de rotondas disminuye de treinta y dos a ocho con las intersecciones de cuatro ramas. Los conflictos pueden dividirse en cuatro categorías básicas 24, en los que el grado de gravedad varía, según se indica: 1. Conflictos por formación de colas. Estos conflictos son causados por un vehículo circulando en la parte trasera de una cola de vehículos en una aproximación. 2. Conflictos por divergencias. Estos conflictos son causados por la separación de dos flujos de tránsito. 23 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p. 120

47 33 3. Conflictos por convergencias. Estos conflictos son causados por la unión de dos corrientes de tránsito. Los tipos más comunes de accidentes debido a conflictos por convergencia son choques laterales y por colisión parte trasera. 4. Conflictos por cruce. Estos conflictos se producen cuando se cruzan los recorridos de dos corrientes de tránsito. Estos son los más graves de todos los conflictos y los más propensos a involucrar heridos o muertes. Figura 13. Puntos de conflicto vehiculares en intersecciones T con aproximaciones de un solo carril. Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Conflictos vehiculares en rotondas de varios carriles 25 Las rotondas multicarriles tienen algunas de las características de seguridad de las rotondas de un solo carril, pero introducen conflictos adicionales. Sin embargo, debido a la presencia de carriles de entrada adicionales y a la necesidad de proveer calzadas circulatorias y de salida más anchas, las rotondas multicarriles introducen conflictos adicionales no presentes en las rotondas de un solo carril. Por ejemplo, la Figura 14 preparada a partir de los modelos de choque desarrollado con datos reales, ilustra que la frecuencia de choques crece con el aumento del número de carriles de circulación. Sin embargo, la tasa de accidentes con heridos es mucho más baja para rotondas de uno y dos carriles. 25 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p. 122

48 34 Figura 14. Choques totales y con heridos experimentados en las rotondas existentes de cuatro ramales, por números de carriles y TMDA Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Conflictos Peatonales Los conflictos peatón-vehículo pueden estar presentes en cada intersección, incluso en aquellas con mínimo volumen de peatones. La sección siguiente examina los conflictos de peatones en las intersecciones semaforizadas y en las rotondas. Hay cuatro conflictos de cruce peatones-vehículos para cada paso peatonal en las intersecciones convencionales. En las intersecciones convencionales, un peatón enfrenta cuatro posibles conflictos vehiculares 26, cada uno desde una dirección diferente: a. Movimientos giro a la izquierda, movimiento directo y giro derecha proveniente del ramal de la intersección que el peatón está cruzando. b. Movimientos directos procedentes del otro lado de la intersección c. Giros a la derecha de la calle transversal. d. Giros a la izquierda desde el cruce de calles. 26 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p. 124

49 35 Capítulo 3. Diseño Geométrico de Rotondas Modernas según Directrices Especializadas El diseño geométrico de una rotonda moderna requiere el equilibrio de objetivos de diseño contrapuestos. Las rotondas modernas operan con mayor seguridad cuando su geometría fuerza al tránsito a entrar y circular a bajas velocidades. Cabe resaltar, que una geometría deficiente impacta negativamente en las operaciones de la rotonda, al afectar la elección de carril por parte del conductor, y todo el comportamiento 27. Por lo tanto, el diseño de una rotonda moderna debe implicar un equilibrio entre seguridad, operaciones, y acomodamiento del vehículo de diseño. En este capítulo se mostrará procedimientos de diseño y rangos de valores típicos de los elementos geométricos que tienen las normas australiana, estadounidense y no están consideradas en la normativa vigente del Perú, además se mencionará consideraciones que se tienen en otros países europeos acerca del diseño geométrico de rotondas modernas. Los manuales considerados en este capítulo son los siguientes; de Australia se denomina Guide to Road Design Part 4B: Roundabouts, Edición 2011 y de Estados Unidos es Roundabouts: An Informational Guide, Edición Procedimientos de diseño En la Figura 15 y Figura 16 se da un esquema de procesos iterativos para el proceso de diseño, incorporando elementos de planificación, diseño preliminar y el diseño final, que se utilizan en Estados Unidos y Australia respectivamente. 27 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p. 157

50 36 Análisis Operacional Otros estudios técnicos Identificar número de carriles Identificar los elementos iniciales de diseño: Iterar Rotondas de un solo carril Rotondas Multicarriles Mini- rotondas Controlar el funcionamiento (trayectorias rápidas) Detalles de diseño Otros detalles de diseño Aplicaciones Figura 15. Proceso General de Diseño de una rotonda moderna en Estados Unidos Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011)

51 Figura 16. Proceso General de Diseño de una rotonda moderna en Australia Fuente: Austroads Lt. Sydney (2011) 37

52 Principios de diseño Existen varios principios que guían el desarrollo de todos los diseños de la rotonda. La consecución de estos principios debe ser la meta de cualquier diseño de la rotonda ya que se logra un sistema seguro y eficiente. Estos principios se muestran en la Tabla 8: Tabla 8. Principios de diseño Norma de Estados Unidos 28 Norma de Australia 29 a. Proveer baja velocidad de entrada y velocidades coherentes mediante la deflexión. b. Proveer el número y asignación de carriles para obtener capacidad adecuada, balance del volumen de carriles, y continuidad de carril. c. Proveer canalización suave que sea intuitiva para los conductores y que resulte en vehículos usando de forma natural los carriles previstos. d. Proveer acomodamiento adecuado a los vehículos de diseño. e. Diseñar para satisfacer las necesidades de peatones y ciclistas. f. Proveer distancia visual y visibilidad adecuadas para reconocer la intersección y los usuarios conflictivos. a. Es esencial que la curvatura de entrada sea la adecuada ya que se utiliza para limitar la velocidad de entrada. b. Deben ser proporcionados suficiente entrada, circulación y carriles de salida para asegurar que la rotonda funciona a un nivel adecuado de servicio. c. Los conductores deben ser capaces de ver tanto en circulación del tráfico como conflictos de tránsito con tiempo suficiente para entrar con seguridad a la rotonda. d. La rotonda debe ser claramente visible desde la aproximación de la distancia de visibilidad con la velocidad de operación de la carretera antes de la aproximación de la rotonda moderna. e. Las salidas deben estar diseñados para permitir a los vehículos abandonar la rotonda moderna de manera eficiente. f. El diámetro del círculo inscrito debe tener el tamaño adecuado para dar cabida a todas las entradas y salidas a un nivel apropiado, sin superposición de ellos. g. La calzada de circulación debe ser amplia, de tal manera que permita dar cabida a las trayectorias de entrada, circulación y salida del diseño del vehículo. 3.3 Características geométricas básicas La Figura 17 y Figura 18 proporcionan una revisión de las características geométricas de una rotonda moderna en los manuales de Estados Unidos y Australia respectivamente, en las secciones de este apartado se desarrollará las diferentes características geométricas, cabe resaltar que en la sección identificamos los elementos básicos que identifican a una rotonda moderna. 28 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p G. Chris Harrison - Austroads Lt, 2011, p. 10

53 Figura 17. Elementos geométricos básicos de una rotonda moderna en Estados Unidos. Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) 39

54 40 Figura 18. Elementos geométricos básicos de una rotonda moderna en Australia. Fuente: Austroads Ltd. Sidney (2011) 3.4 Vehículo de Diseño Un factor importante que influye en el diseño de una rotonda moderna, y que todas las directrices especializadas tienen muy en cuenta, es la necesidad de acomodar el probable vehículo más grande que utilice la intersección. A menudo, los camiones grandes y ómnibus dictan muchas de las dimensiones de la rotonda, en particular las de un solo carril. Por lo tanto, es muy importante determinar el vehículo de diseño al principio del proceso de diseño y de investigación.

55 Velocidad de Diseño Obtener adecuadas velocidades vehiculares de entrada y circulación a través de la rotonda es un objetivo de diseño fundamental, ya que tiene un fuerte impacto en la seguridad de todos los usuarios. En la sección podemos ver el desarrollo de los procedimientos para la velocidad de diseño. 3.6 Características de diseño geométrico de la rotonda moderna Número de ramales En la directriz de Australia 30, indican que las rotondas de un solo carril pueden operar satisfactoriamente con más de cuatro ramales. Sin embargo, el suministro de más de cuatro ramales en ángulos distintos de aproximadamente 90 se debe evitar para rotondas de varios carriles, ya que puede crear conflictos en las salidas. En la directriz de Estados Unidos se habla un poco más acerca del diseño de los ramales, donde explica que el diseño de una rotonda implica optimizar tres decisiones de diseño para equilibrar los principios y objetivos de una rotonda moderna. Las decisiones de diseño 31 son optimizar: (1) el tamaño, (2) la posición, y (3) el alineamiento de los ramales de aproximación. En Reino Unido, se recomienda un número de 3 o 4 ramales, pero en los últimos años se están volviendo comunes las rotondas modernas con más de 4 ramales en más países 32. Alineamiento de aproximaciones 33 Todas las guías especializadas en el diseño geométrico de rotondas modernas, recomiendan tener en cuenta el alineamiento de los ramales de aproximación, ya que juega un papel importante en el diseño de una rotonda, afectando a la cantidad de desviación (control de velocidad), a la capacidad para adaptar el vehículo de diseño, y a los ángulos de visibilidad de los ramales adyacentes. Generalmente, los alineamientos de las aproximaciones a una rotonda deben pasar por el centro del círculo inscrito. En la Figura 19 se muestra el alineamiento a través del centro de la rotonda, la cual tiene como ventaja la reducción de la cantidad de cambios a lo largo del camino para mantener el impacto más localizado a la intersección, y permite una cierta curvatura de salida para animar a los conductores a mantener velocidades más lentas a través de la salida. En cuanto a los ángulos entre los ramales de aproximación 34 para las guías americanas, si dos ramales de aproximación se cruzan en un ángulo mucho mayor que 90, a menudo resultará una velocidad excesiva para uno o más movimientos de giro a la derecha. Por otra parte, si dos ramales de aproximación se cruzan en un ángulo mucho menor de 90, entonces es mayor 30 G. Chris Harrison - Austroads Lt, 2011, p U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p Janet K. Highways Agenxy, 2007, p U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p. 161

56 42 la dificultad de los camiones grandes para maniobrar con éxito el cambio de dirección. En el caso de la guía australiana, indica que los ángulos de ramales de aproximación de más de 90 deben evitarse para rotondas de varios carriles porque puede crear conflictos en las salidas. Figura 19. Alineamiento a través del centro de la rotonda Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Zona central de la rotonda moderna Diámetro del circulo inscrito El diámetro del círculo inscrito es un elemento muy importante en el diseño de una rotonda con éxito, es la suma del diámetro de la isleta central y el doble del ancho de calzada circulatoria, y se determina atendiendo a una serie de objetivos, incluido el acomodamiento del vehículo de diseño junto con el control de velocidad. (Figura 20). Figura 20. Diámetro del círculo inscrito en diferentes caso, rotonda normal y rotonda doble Fuente: Highways Agency (2007)

57 43 En la Tabla 9 se muestran diferentes rangos de diámetro del círculo inscrito en países que cuentan con guías especializadas en el diseño de rotondas modernas. Tabla 9. Diámetros del círculo inscrito Un carril Doble carril País Tipo Min (m) Max (m) Min (m) Max (m) Australia Urbana / Rural Estados Unidos Urbana Rural Reino Unido Urbano / rural Perú Urbano / rural Mínimo 50 m Francia Urbana Rural Alemania Urbana Rural Países Bajos Urbana / rural Rural Noruega Urbana / rural Suecia Urbana / rural Fuente: Highways Agency (2007) Isla central La isleta central de una rotonda es el área elevada de la rotonda moderna que puede incluir un delantal de camiones, generalmente no traspasable rodeada por la calzada circulatoria. Típicamente, la isleta se ajardina por razones estéticas y para realzar el reconocimiento del conductor al acercarse a la rotonda. En cuanto a la forma de la isla central, a partir de un análisis de los accidentes en Francia, se llegó a la conclusión de que rotondas modernas con isletas centrales de forma ovalada han tenido tasas de accidentes considerablemente más altos que las circulares 35. En la Tabla 10 muestra los rangos de los diámetros de islas centrales en diferentes países. Tabla 10. Diámetro isla central PAÍS TIPO Un carril Min (m) Max (m) Min (m) Doble carril Max (m) Australia Urbana / Rural Estados Unidos Urbano / Rural Depende del diseño del vehículo Reino Unido Urbano / Rural Perú Urbano / Rural Mínimo 25.0 m Francia Urbana Rural Janet K. Highways Agency, 2007, p. 10

58 44 Alemania Urbana Rural Países Bajos Urbana Rural Noruega Urbana / rural >5 >25 >5 >25 Suecia Urbana / rural Fuente: Highways Agency (2007) Anchura de la calzada de circulación El ancho requerido de la calzada circulatoria se determina por el número de carriles de entrada y los requerimientos de giro del vehículo de diseño. El ancho de la calzada circulatoria tiende a ser mayor en el Reino Unido que en muchos otros países como se indica en la Tabla 11. Tabla 11. Ancho de la calzada de circulación. PAÍS TIPO UN CARRIL Min (m) Max (m) DOBLE CARRIL Min Max (m) (m) Australia Urbana / Rural Estados Unidos Urbano / Rural Calculado Reino Unido Urbano / rural Perú Urbano / rural - Francia Urbana Rural Alemania Urbana Rural Países Bajos Urbana Rural Suecia Urbana / rural Fuente: Highways Agency (2007) Delantal de camión Tanto en la guía australiana como americana, mencionan al delantal de camión, como se ilustra en la Figura 21, es un bajo perfil de la zona libre levantada alrededor de la isla central que se utiliza en rotondas donde los vehículos grandes pueden tener problemas. Está diseñado para ser capaz de ser montada por los vehículos grandes.

59 45 Figura 21. Uso de un delantal del camión en la pequeña isla central de la rotonda. Fuente: Highways Agency (2007) Donde: a = Isla central principal b = Zona libre central c = Ancho de calzada de circulación restante = x anchura máxima de entrada d = Vehículo e = 1m mínimo espacio libre f = Diámetro círculo inscrito Francia y los Países Bajos recomiendan delantales de camiones para rotondas de un carril, tanto urbanas como rurales, mientras que Alemania, EE.UU. y Australia los recomiendan sólo en las zonas urbanas. Australia también permite delantales de camiones en las rotondas de uno o doble carril de las zonas rurales pero sólo cuando se espera vehículos sobredimensionados. La norma británica (TD 16/93) permite el uso de un delantal de camiones en los sitios con un pequeño diámetro del círculo inscrito, para que el vehículo de diseño pueda entrar en la rotonda Pendiente transversal La pendiente transversal se considera para ayudar al drenaje y hacer la calzada circulatoria más visible. La mayoría de las rotondas en el Reino Unido tienen una pendiente transversal hacia adentro de 2 a 2,5% cerca de la isla central, permitiendo a los conductores tomar la segunda salida para mantener una velocidad relativamente alta a través de la unión 37. En general, existe preocupación acerca de la pendiente transversal externa ya que puede aumentar el riesgo de accidentes, y podría afectar grandes vuelcos de vehículos. 36 Janet K. Highways Agenxy, 2007, p Janet K. Highways Agenxy, 2007, p. 13

60 Entradas y Salidas Investigaciones no publicadas sugieren que un cambio de pendiente transversal desde adentro para afuera tendría sólo un efecto pequeño en la velocidad, y por lo tanto el uso de la pendiente transversal hacia el exterior debe ser principalmente por razones distintas a la limitación de la velocidad, es decir, para aumentar la visibilidad de la isla central y para facilitar la construcción Isla divisoria Todas las normas recomiendan el uso de islas divisoras en los accesos a las rotondas. Las islas tienen el fin de desviar el tráfico para asegurarse de que pase a la isla central en el lado correcto. Los principales objetivos de una isla divisora son 39 : Aumenta concientización de los conductores de la intersección Ayudan a controlar la velocidad de entrada Puede actuar como un refugio peatonal Separa los movimientos de entrada y de salida Aumenta la capacidad ya que los conductores que salen pueden ser identificados antes. Las señales de tráfico pueden estar situados allí Limita el riesgo de "ir por el camino equivocado" en torno a la isla central Varios países, especialmente el Reino Unido, EE.UU. y Australia recomiendan que, sobre todo en las zonas rurales, la línea de bordillo debiera recaer sobre un arco que, cuando se proyecta hacia adelante, se encuentra con él tangencialmente como se puede observar en la Figura 22. Figura 22. Ejemplo de cómo el arco se proyecta desde la isla divisoria se une con la rotonda Fuente: Highways Agency (2007) 38 Janet K. Highways Agenxy, 2007, p Janet K. Highways Agenxy, 2007, p. 15

61 47 Para los americanos, la longitud total de la isleta elevada debe ser por lo menos de 15 m para dar adecuada visibilidad y refugio, aunque es conveniente de 30 m para proteger a los peatones y alertar a los conductores acerca de la geometría de la rotonda 40. En cambio para la guía australiana, se toma en cuenta las velocidades de aproximación en los accesos de la rotonda moderna Ancho de entrada El ancho de entrada de una rotonda se define como la longitud de una perpendicular desde el punto donde la línea de entrada cruza el borde izquierdo de la calzada hasta el borde derecho de la calzada (Figura 23). A continuación se presenta la Tabla 12 con anchos de entrada considerados en directrices de diferentes países. Figura 23. Enfoque de anchura media y ancho de entrada. Fuente: Highways Agency (2007) Tabla 12. Anchos de entrada de rotondas PAÍS TIPÓ Min (m) UN CARRIL Max (m) DOBLE CARRIL Min (m) Australia Urbana / Rural Max (m) Estados Unidos Urbano / Rural Reino Unido Urbano / rural Perú Urbano / rural - Urbana Francia Alemania Rural Urbana Rural Países Bajos Urbana/rural Suecia Urbana / rural Fuente: Highways Agency (2007) 40 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p.166

62 Abocinamiento de entrada El llamado abocinamiento de entrada se define como la ampliación del ancho de una aproximación de carriles múltiples para proporcionar una capacidad adicional en la línea de ceda el paso y almacenamiento 41. Con la excepción de Australia, la mayoría de los países desaconsejan el uso de abocinamientos en las rotondas, a pesar de que están permitidos en Alemania, Suiza y los EE.UU como un intermedio entre un solo carril y rotondas de doble carril. En las directrices del Reino Unido se establece que el abocinamiento de entrada es una buena práctica en las rotondas normales para permitir la entrada de vehículos múltiples. La longitud efectiva del abocinamiento de entrada (l = CF ) se muestra en la Figura Radio de entrada Figura 24. Longitud efectiva de abocinamiento Fuente: Highways Agency (2007) El radio de entrada se define como el radio mínimo de curvatura de la línea de cara visible en la región de la entrada, mostrado en la Figura U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p.180

63 49 Figura 25. Radio de entrada Fuente: Highways Agency (2007) El radio de entrada es un factor importante para determinar el funcionamiento de una rotonda, ya que afecta a la capacidad y seguridad. Además, junto con el ancho de entrada, el ancho de calzada circulatoria, y la geometría de la isleta central, controlan la cantidad de deflexión impuesta sobre la trayectoria de los vehículos entrantes 42. Los radios de entrada excesivamente grandes tienen un mayor potencial para producir una velocidad de entrada mayor que lo deseado. Podemos observar los valores que se le da a los radios de entrada en diferentes países en la Tabla 13. Tabla 13. Radios de entrada PAÍS Fuente: Highways Agency (2007) Ancho de salida TIPO UN CARRIL Min (m) Max (m) DOBLE CARRIL Min (m) Australia Urbana / Rural 30 - Max (m) Estados Unidos Urbano / Rural Reino Unido Urbano / rural Perú Urbano / rural Mínimo 30.0 m Francia Urbana Rural Alemania Urbana Rural Países Bajos Urbana/rural Noruega Urbana/rural Suecia Urbana / rural U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p.171

64 50 El diseño de la salida de la rotonda moderna está influido por el entorno de diseño (urbano o rural), la demanda de los peatones, el vehículo de diseño, y las limitaciones físicas. Los anchos de salida son típicamente similares, o ligeramente menor que, anchos de entrada, como se muestra en la Tabla 14 y se ilustra en la Figura 26. Figura 26. Salida de una rotonda moderna. Fuente: Highways Agency (2007) Tabla 14. Anchos de salida PAÍS TIPO UN CARRIL Min Max (m) (m) DOBLE CARRIL Min (m) Australia Urbana / Rural Max (m) Estados Unidos Urbana / Rural Reino Unido Urbano / rural Perú Urbana / Rural - Francia Alemania Urbana Rural Urbana Rural Países Bajos Urbana/rural Suecia Urbana / rural Fuente: Highways Agency (2007) Radio de salida El radio de salida se define de una manera similar al radio de entrada. La perpendicular desde la esquina de la isla de desviación a la acera define la región en la que se debe determinar el radio de salida. En la Tabla 15 se muestran valores diferentes considerados en diferentes países.

65 51 Tabla 15. Radios de salida PAÍS TIPO Min (m) UN CARRIL Max (m) Min (m) DOBLE CARRIL Australia Urbana / Rural Max (m) Estados Unidos Urbano / rural Reino Unido Urbano / rural Perú Urbano / rural Mínimo 40.0 m Francia Urbana / Rural Alemania Urbana Rural Países Bajos Urbana/rural Noruega Urbana/rural Suecia Urbana / rural Fuente: Highways Agency (2007) Ángulo de entrada En Estados Unidos para compensar los efectos de la velocidad de entrada, el alineamiento de camino, y la visibilidad hacia la izquierda existe el ángulo de entrada (ϕ). Los ángulos típicos de entrada son entre 20 y Y se utiliza para el ángulo de conflicto entre el tráfico que entra y circula. La Figura 27 muestra cómo se mide el ángulo de entrada de una gran rotonda 44. Figura 27. Angulo de Entrada de una rotonda moderna Fuente: Highways Agency (2007) 43 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p Janet K. Highways Agenxy, 2007, p. 24

66 Curvatura de la trayectoria de entrada y la velocidad de diseño La curvatura de la trayectoria de entrada es una medida de la desviación en una entrada a una rotonda y es una de las variables claves que se utilizan para la predicción de accidentes 45, en la Tabla 16 se muestra diferentes radios de trayectorias de entrada considerados en diferentes países. Tabla 16. Radios de trayectoria de entrada PAÍS TIPO UN CARRIL Min (m) Max (m) DOBLE CARRIL Min (m) Max (m) Australia Urbana / Rural Estados Unidos Urbano / rural Reino Unido Urbano / rural Perú Urbano / rural - Francia Fuente: Highways Agency (2007) Urbana Rural Las guías americanas y australianas dan detalles de la relación aproximada entre radio de la trayectoria y velocidad de proyecto de la siguiente manera con la Ecuación : V 2 = 127 R (e + f) Ecuación 45 Donde: V = es la velocidad de diseño a través de la rotonda en km/h R = es el radio de la trayectoria en m e = es la elevación en m/m (negativo para pendiente transversal hacia afuera) f = es el coeficiente de fricción desarrollada entre los neumáticos del vehículo y la carretera Los valores sugeridos para f en Australia son de 0.2 a 50 km/h y 0.3 a 25 km/h. La Tabla 17 compara las velocidades de diseño recomendadas en las trayectorias de entrada en los diferentes países. Tabla 17. Velocidad de diseño recomendado en la entrada PAÍS TIPO UN CARRIL DOBLE CARRIL < 65 km/h y no más que km/h Australia Urbana / Rural encima de la velocidad de la rotonda Urbano Estados Unidos Rural Reino Unido Urbano / rural Perú Urbano / rural - 45 Janet K. Highways Agenxy, 2007, p Janet K. Highways Agenxy, 2007, p. 27

67 53 Dinamarca Urbana 15 N/A Urbana Francia Rural Alemania Urbano / rural Urbana Países Bajos Rural Fuente: Highways Agency (2007) La curvatura de aproximación y alineación La aproximación de la curvatura es una medida de la cantidad de curvatura que existe antes de cualquier entrada. Afecta a la velocidad del vehículo en la aproximación a la rotonda. Puede ser positivo o negativo dependiendo de si la curva más cercana se encuentra a la derecha o a la izquierda (Figura 28). 3.7 Visibilidad y Distancia visual Figura 28. Escalonamiento de ramales para aumentar la deflexión Fuente: Highways Agency (2007) Al aproximarse los vehículos a la intersección, la visibilidad de la rotonda y la distancia de visibilidad para ver a los vehículos que ya operan en la rotonda son componentes clave para proporcionar seguridad a las operaciones. Según la directriz en Estados Unidos, las rotondas requieren verificar dos tipos de distancia de visibilidad 47 : a. Distancia visual de detención La distancia visual de detención es la distancia a lo largo de un camino necesaria para que un conductor perciba y reaccione ante un objeto en el camino y se detenga completamente antes de llegar al objeto. Para la determinación de distancias visuales de detención se recomienda la fórmula dada en la Ecuación 46 para determinar la distancia visual de detención. 47 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p.209

68 V2 d = (1.468 t V) + a Donde: d = distancia de frenado a la vista (pies) t = tiempo de percepción y reacción al frenado, supuesto de 2,5 s; V = velocidad inicial, mph, y a = desaceleración del conductor, supuesta 11,2 pies/s2. Ecuación 46 En la siguiente Tabla 18 se muestran los valores métricos calculados para la distancia visual de detención suponiendo una percepción de 2.5s de tiempo de frenado, y 3.4 m/s2 de desaceleración del conductor. Tabla 18. Valores de distancia visual de detención Velocidad (km/h) Velocidad (m/s) b. Distancia visual de intersección. a (m/s2) Distancia visual de detención (m) La distancia visual de intersección es la distancia requerida para que un conductor sin derecho de paso pueda percibir y reaccionar ante la presencia de vehículos en conflicto, peatones y ciclistas conflictivos. El triángulo visual está delimitado por una longitud de camino que define un límite fuera de la intersección en cada uno de las dos aproximaciones en conflicto y por una línea que conecta estos dos límites. La Figura 29 presenta un diagrama que muestra el método para determinar la distancia visual de intersección, y la Tabla 19 muestra la longitud calculada del lado conflictivo de un triángulo visual de intersección.

69 55 Figura 29. Distancia visual de intersección en una rotonda moderna Fuente: US Depto. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Tabla 19. Longitud calculada de lado conflictivo de triángulo visual de intersección Velocidad de aproximación conflictiva (km/h) Distancia (m) Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Distancia visual de aproximación El estándar del Reino Unido requiere la distancia visual de detención mínima deseable para permitir a los conductores a juzgar la distancia de frenado necesaria para el diseño por delante Visibilidad a la izquierda El estándar del Reino Unido requiere que a los m que regresan de línea de paso, los conductores deberían de ser capaces de ver toda la anchura de la calzada circulatoria para su izquierda en una distancia apropiada a la distancia visual de detención para el tráfico circulatorio. En la Tabla 20 podemos ver las distancias visuales establecidas. 48 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p.210

70 56 Tabla 20. Distancia Visual Velocidad percentil 85 (km/h) en la aproximación a la izquierda, o en la carretera que circula Distancia Visual de la izquierda (m) Rotonda local con un claro de aceptación crítica de 4 s Rotonda arterial con un claro de aceptación crítica de 5 s Fuente: Austroads Ltd. Sydney (2011) Visibilidad hacia delante en la entrada La visibilidad hacia delante debe permitir a los conductores ver toda la anchura de la calzada circulatoria para una distancia dependiendo del diámetro del círculo inscrito. Directrices en Alemania, Francia, los Países Bajos, EE.UU. y, Australia recomiendan la obstrucción de la visibilidad hacia delante por la isla central, al mismo tiempo garantizar que el área exterior de la isla central esté libre de obstáculos, para evitar que los vehículos que circulan todavía puedan ser vistos Visibilidad circulatoria Para la distancia de visibilidad durante el viaje en la calzada circulatoria, guías de Alemania, Francia, los Países Bajos, EE.UU. y Australia recomiendan que el primer cuarto a la derecha (derecha para los países de conducción a la derecha) se pueda ver. El estándar del Reino Unido requiere una distancia de visibilidad de parada en la calzada circulatoria dependiendo del diámetro del círculo inscrito, por ejemplo, si el diámetro del círculo inscrito es menos de 40m a 70m o si el diámetro del círculo inscrito excede m 50. En la directriz Australiana la velocidad de estos vehículos debe basarse en la velocidad percentil 85 en la calzada de circulación. Estas velocidades pueden oscilar entre el 15 km/h en las pequeñas rotondas urbanas a 60 km/h en grandes rotondas rurales 51. Podemos ver la Tabla Señalización de la Rotonda Moderna Las rotondas tienen que ser visibles para que puedan funcionar de manera segura y efectiva. Es importante que se proporcionen disposiciones que sean sistemáticas de señales y otros dispositivos para satisfacer las expectativas del conductor. La Tabla 21 resume algunos aspectos importantes que los profesionales deben tener en cuenta con respecto a las señales y marcas en las rotondas. 49 Janet K. Highways Agenxy, 2007, p Janet K. Highways Agenxy, 2007, p G. Chris Harrison - Austroads Lt, 2011, p. 14

71 57 Tabla 21. Algunas consideraciones en relación con los signos y marcas en el pavimento Dispositivo de control de tráfico 52 Marcas de Pavimento Señales reglamentarias Señales de advertencia Marcador de peligros Señales de dirección de la intersección Consideraciones La línea de retención debe ser pintada en paralelo a la calzada de circulación, sobre todo en las aproximaciones de varios carriles para que los conductores de la izquierda pueden ver los vehículos adyacentes últimos a su derecha. Una línea de borde o una línea de continuidad no se debe de pintar en toda la salida. En general las flechas de dirección de carril no son necesarios en los accesos a las rotondas de un solo carril. Flechas de dirección de carril deben proporcionarse donde hay más de un carril. Colocar lo más cerca posible a las líneas de espera. Localizar en el lugar más prominente (por lo general en la isla divisor elevado). Siempre en ambos lados de las entradas de varios carriles Proporcionar un tamaño adecuado para el entorno de la velocidad. Para rotondas viales arteriales con altas velocidades de aproximación o calzadas de entrada de ancho. Es generalmente necesario donde la presencia de una rotonda puede ser inesperado. Se puede utilizar si no se proporciona una señal de antelación. Deben estudiarse las velocidades de aproximación. Colocar en la isla central de la isla divisor opuesta. Deseable en grandes islas divisoras en áreas de alta velocidad para enfatizar el enfoque de curva. Se van a colocar en el lado izquierdo de la carretera que circulan en cada salida. Se podrán poner en la isla divisora en una salida siempre que la distancia de visibilidad no está restringido para entrar al tráfico. 3.9 Guías Especializadas y Modelos Operacionales A continuación en la Tabla 22 se muestra las variables que influyen en el cálculo de la capacidad para cada guía especializada desarrollada en la presente Tesis, donde podemos ver que variables geométricas tienen más incidencia en lo que corresponde al nivel de funcionamiento para las diversas guías especializadas. 52 U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p.255

72 58 Tabla 22. Guías Especializadas y Modelos Operacionales País Perú Guía Especializada Manual DG 2013 EEUU FHWA 2010 Australia Austroads Ltd. Modelos Operacionales Fórmula de Wardrop HCM 2010 Método TRRL Brecha de aceptación (SIDRA) De Flujo No hay variables de flujo. a. Flujo de conflicto en el carril de circulación. a. Flujo circulante de la rotonda moderna. a. Flujo de saturación b. Flujo de circulación relevante c. Flujo de llegada del carril Variables De Diseño Geométrico a. Ancho de la sección de entrecruzamiento. b. Ancho promedio de las entradas. c. Longitud de la sección de entrecruzamiento No hay variables geométricas. a. Ancho de la entrada b. Ancho del acceso de entrada c. Longitud efectiva del abocinamiento de entrada d. Agudeza del abocinamiento e. Diámetro del circulo inscrito f. Angulo de entrada g. Radio de entrada a. Ancho promedio del carril de entrada b. Diámetro de circulo inscrito c. Número de carriles de entrada y de circulación

73 59 Capítulo 4. Planeamiento, Análisis Operacional y Diseño Geométrico de una Rotonda Moderna en la Intersección Vía Evitamiento Sur y Carretera IIRSA Norte 4.1 Ubicación y Situación actual de la Intersección Vía Evitamiento Sur y Carretera IIRSA Norte Se encuentra en la Región Piura e inicia en la Red Vial Ruta PE-1NJ, de dirección sur oeste hasta intersectar y culminar en la vía nacional PE-1N. La topografía de la zona donde se localiza la intersección, es llana en su extensión con presencia de dunas y flora regional, lo cual indica algunos afloramientos de agua (Figura 30), en esta región predominan las llanuras desérticas. Las formas morfológicas más comunes son las quebradas secas que funcionan en forma violenta cuando se producen lluvias intensas o el Fenómeno El Niño Tráfico Figura 30. Topografía del terreno Fuente: Concesionaria IIRSA Norte (2011). El tráfico se define como el desplazamiento de bienes y/o personas en los medios de transporte mientras que el tránsito viene a ser el desplazamiento de vehículos y/o personas de un punto llamado origen a otro destino. Los procedimientos seguidos en la actividad del trabajo en campo, fueron la elaboración de formatos para los conteos y encuestas. Los vehículos han sido clasificados según su tamaño y número de líneas de rotación (ejes), de la 53 Concesionaria IIRSA Norte, 2011, p. 004

74 60 configuración vehicular aprobada en el Reglamento Nacional de vehículos, Decreto Supremo N MTC (Tabla 23). Tabla 23. Clasificación de vehículos Tipo Características Descripción Vehículo Ligero Vehículo Pesado o de Carga Vehículos Ligero Camioneta Pick Up Camioneta Rural Microbús Bus C2 C3 C4 T2S1 (2S1) T2S2 (2S2) T2S3 (2S3) T3S2 (3S2) T2S2 (2S2) C2R2 (2T2) C2R3 (2T3) C3R2 (3T2) C3R3 (3T3) Fuente: Concesionaria IIRSA Norte (2013) Automóvil y otros vehículos ligeros tipo sedan Station Wagon (colectivos) + camioneta panel SUV 4X4 Combi Custer y Micro livianos Buses de 2 y 3 ejes Camión de 2 ejes (2 ejes simples) Camión de 3 ejes (1 eje simple y 1 eje doble) Camión de 4 ejes (1 eje simple y 1 eje triple) Semi-trailer (3 ejes simples) Semi-trailer (3 ejes, 2 simples y 1 eje doble) Semi-trailer (3 ejes, 2 simples y 1 eje triple) Semi-trailer (3 ejes, 1 simple y 2 ejes dobles) Semi-trailer (3 ejes, 1 simple, 1 eje doble y 1 eje triple) Trailer (Camión C2+carreta de 2 ejes simples) Trailer (Camión C2+carreta de 2 ejes, uno simple y otro doble) Trailer (Camión C3+carreta de 2 ejes simples) Trailer (Camión C3+carreta de 2 ejes, uno simple y otro doble) La medición en la intersección Vía Evitamiento Sur y Carretera IIRSA Norte se ha hecho con la finalidad de cuantificar el flujo de vehículos clasificados por categoría. En el estudio de tráfico del proyecto de la Vía Evitamiento Sur, realizado por la consultora Naylamp, se determinaron los flujos proyectados (15 años de proyección), que se muestran en la Tabla 24 y son usados para el análisis operacional. Dichos resultados han sido calculados en base no solo a diferentes parámetros como el porcentaje de crecimiento del PBI regional sino también a factores como la tasa de generación de viajes, tasa de crecimiento del tráfico y tasa de incremento por producción. Para entender la Tabla 24, se muestra en la Figura 31 la dirección de los flujos identificados en la intersección Vía Evitamiento Sur y Carretera IIRSA Norte. Tabla 24. Flujos de la intersección a diseñar (unidades en veh/día). Vehículo Carretera IIRSA NORTE Hacia Piura Hacia Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura Directo Izquierda Derecha Directo Izquierda Derecha Auto Station Wagon Pick Up Combi Microbús Bus Camión Semitrailer Trailer Fuente: Consultora Naylamp (2013)

75 Planeamiento Contexto Figura 31. Dirección de flujos identificados en la intersección.. Las condiciones del lugar en la que se implementará la rotonda moderna como intersección son importantes ya que es la primera rotonda moderna propiamente dicha de la zona. Por lo tanto, debe poner mucha atención con respecto a los aspectos operacionales y de diseño de rotonda, los impactos sobre la comunidad, las necesidades del usuario y la aceptación pública. a. Factor físico o geométrico. Permite mejorar aproximaciones en la zona de camino, ya que su ubicación está libre siendo una zona rural en la actualidad. Las pendientes o topografía no son desfavorables siendo llana en toda su extensión con presencia de dunas y flora regional lo cual indica algunos afloramientos de agua. No existe un sistema de drenaje ni obras de arte cercanas a la intersección. b. Factor de tránsito Las rutas designadas generarán una mejor performance del tráfico y orden vehicular, tales como camiones de gran tamaño. c. Las intersecciones de vías La intersección a evaluar es el cruce de la Carretera IIRSA Norte (Av. Chulucanas) con la Vía de Evitamiento Sur de Piura. Serían identificadas como vías principales, donde se quiere asegurar un continuo flujo de grandes vehículos para que no generen demoras o longitudes de cola. d. En esta zona no se encuentran movimientos peatonales o de bicicleta que pudieran entrar en conflicto con los volúmenes de tránsito motorizado vehicular.

76 Criterios generales El medio en el que se emplazará la rotonda urbana del Proyecto Vía Evitamiento Sur de Piura, según la Tabla 25 está identificado con el medio 4, configuraciones rurales, donde se indica las consideraciones y los beneficios. La rotonda está compuesta por 3 accesos, 2 para la vía principal y 1 para la vía secundaria. Tabla 25. Aplicaciones potenciales Medio Subdivisión Residencial Nueva 2. Centros Urbanos 3. Municipios suburbanos y pequeñas ciudades 4. Configuraciones rurales y pequeñas comunidades Ventajas Efecto calmante sobre tránsito y promueve velocidades más bajas de viaje. Promueve velocidades más bajas de vehículos y puede reducir los retrasos y las emisiones. Mejora la seguridad de los peatones. Puede afrontar una deficiencia de seguridad existente. Menores velocidades Puede afrontar una deficiencia de seguridad existente. Velocidades más bajas. Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Considerando, la intersección de una vía principal (Carretera IIRSA Norte) y de la vía secundaria (Vía Evitamiento Sur), y considerando que no se tiene las proyecciones futuras de los movimientos de giros, utilizamos la Tabla 25 para una estimación rápida a nivel de planeamiento. Entonces, según el estudio de tráfico de la Concesionaria IIRSA Norte (Naylamp, 2013), los cálculos para hallar el tránsito futuro con una proyección de 15 años, dieron como resultado un volumen de 5034 veh/día, debido al crecimiento anual de la ciudad de Piura ya sea por aumento de producción, aumento de población, etc. siendo para la Carretera IIRSA Norte 3122 veh/día y para la vía de Evitamiento Piura 1912 veh/día. Según la Norma Peruana DG 2013, los coeficientes del orden (K) de 0.18 se asocian a carreteras con variaciones estacionales marcadas, causadas normalmente por componentes de tipo turístico, por lo tanto, aplicamos K = 0.18 a la siguiente Ecuación 46. Donde: VHD = Vehículos por hora por dirección IMDA = Índice Medio Diario Anual VHD = K IMDA Ecuación 46 IMDA Carretera IIRSA Norte = 3122 veh/día VHD Carretera IIRSA Norte = 562 veh/h IMDA Vía Evitamiento Piura = 1912 veh/día VHD Vía Evitamiento Piura = 344 veh/h El total de VHD de las dos vías, principal y secundaria, es 906 veh/h, por lo tanto según la Tabla 26, este volumen se encuentra en el rango de 0 a U.S Department of Transportation - Federal Highway Administration, 2011, p. 58

77 63 veh/h donde la entrada de un solo carril puede ser suficiente para el funcionamiento de la rotonda moderna. Tabla 26. Umbrales de volumen para determinar el número de carriles de entrada requeridos. Rango de Volumen Número de carriles requeridos 0 a 1000 veh./h Entrada de un solo carril puede ser suficiente Puede ser necesaria la entrada de dos carriles a 1300 veh./h Puede ser suficiente de un solo carril en base a un análisis más detallado a 1800 veh./h Entrada de dos carriles puede ser suficiente Más de 1800 veh./h Puede ser necesaria la entrada de más de dos carriles. Debe de llevarse a cabo una evaluación más detallada de capacidades para verificar los números de carriles y arreglos Fuente: Departamento de Estado de Nueva York de Transporte Selección de la categoría a. Tránsito calmado, ya que lo que se busca es generar una mejor performance del tráfico y orden vehicular. Resuelven todos los movimientos, incluyendo el cambio de sentido. b. Mejora de la seguridad, esto se hace mediante una mejora en la señalización de la vía ya que se han revisado reportes de accidentes por altas velocidades y problemas de visibilidad. c. Son fáciles de comprender por el conductor. d. Las rotondas funcionan satisfactoriamente en intersecciones de vías rurales por lo tanto cumple con la zona de estudio e. Proporciona una capacidad más alta y una demora menor que otros métodos de control existentes en la ciudad de Piura Viabilidad del espacio El espacio disponible para acomodar una rotonda de tamaño adecuado si es suficiente en la zona de estudio. Cabe mencionar, que en el estudio de transito se registra el pase de vehículos pesados como semitráileres y tráileres, por lo que se requerirá el diseño de un delantal de camiones en el círculo inscrito de la rotonda. 4.4 Análisis Operacional Ajustes por flota mixta de vehículos Para el ajuste por flota mixta de vehículos, primero calcularemos el factor de hora pico (FHP), el cual se expresa como la relación que siempre será igual o menor que la unidad, entre la cuarta parte del volumen de tránsito durante la hora pico y el volumen mayor registrado durante el lapso de quince minutos dentro de dicha hora pico. En general, se considera que cuando el FHP es menor de 0.85, las condiciones operativas de la carretera variarán sustancialmente. Para hallar el volumen de la demanda de movimiento, utilizaremos la Ecuación 47. En este caso, el factor de hora pico (FHP) es igual a 0.92.

78 64 v i = veh(dir) hr FHP Ecuación 47 Donde: v i = Volumen de la demanda de movimiento i, veh/h veh(dir) = Vehículos que giran convertidos al giro de movimiento directo por hr hora FHP = Factor de hora pico Para hallar los volúmenes finales de la demanda de movimientos (v i ), se empieza hallando la suma de conteo de vehículos ligeros y pesados veh ((fis)/día), tal como se indica en la Ecuación 48, valor que multiplicándose a un factor para movimiento directo (FMD) mostrados en la Tabla nos da el volumen de vehículos que giran convertidos al giro de movimiento directo (veh(dir)/día) como se muestra en la Ecuación 49. Y por último convertimos estos valores por día a valores por hora con el coeficiente de orden (K=0.18) utilizando la Ecuación 46. veh(fis) = Auto + Station Wagon + Pick Up + Combi + Microbus + Bus + dia Camión + Semitrailer + Trailer Ecuación 48 Donde: veh(fis) = suma de conteo de vehículos ligeros y pesados por día dia Según la Norma Peruana DG 2013, el IMDA (Índice Medio Diario Anual) representa el promedio aritmético de los volúmenes diarios para todos los días del año, previsible o existente en una sección dada de la vía. Además indica que, en caminos de alto tránsito, es el volumen horario de diseño (VHD), y no el IMDA, lo que determina las características que deben otorgarse al proyecto, para evitar problemas de congestión y determinar condiciones de servicio aceptables. Por lo tanto, en la presente Tesis se considera lo siguiente: veh(fis)/dia = IMDA, sin embargo para hallar el volumen horario de diseño (VHD) que permite el análisis de capacidades, demoras, longitudes de cola y calidad de servicio, primero debe ajustarse el IMDA con un factor para movimiento directo (FMD) como muestra la Ecuación 49. veh(dir) dia = veh(fis) FMD Ecuación 49 dia Donde: veh(dir) = vehículos que giran convertidos al giro de movimiento directo por día dia FMD = Factor para movimiento directo 55 Rafael Fernando Feria Torres. Técnicas de Análisis de Accidentes de Tránsito con Aplicación en la ciudad de Piura, Cap. IV Pág. 175.

79 65 Tabla 27. Factores de conversión de giro a movimiento directo Tipo de Giro Factor para movimiento directo (FMD) Giro a la derecha 1.10 Giro a la izquierda 1.50 Fuente: Técnicas de Análisis de Accidentes de Tránsito con Aplicación en la ciudad de Piura (2001) Entonces, aplicando las ecuaciones nombradas, calculamos los flujos de esta manera, por ejemplo para la Carretera IIRSA Norte hacia Piura en su movimiento hacia la izquierda, en la Tabla 28 se muestran los resultados de todos los movimientos para los tres accesos. veh(fis) = = 553 veh/día dia veh(dir) = = 830 veh/día dia A continuación, se halla los vehículos que giran convertidos al giro de movimiento directo por día (veh(dir)/hr) que vendrían a ser los volúmenes horarios de diseño (VHD) como muestra la Ecuación 46. veh(dir) hr = = 149 veh/hora Con los resultados de cada giro y aplicando la Ecuación 47, siguiendo con el ejemplo anterior obtenemos lo siguiente: veh(dir) v i = hr = 149 = 162 veh/hora FHP 0.92 Tabla 28. Volúmenes de demanda por movimiento Vehículo Carretera IIRSA NORTE Hacia Piura Hacia Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura Directo Izquierda Derecha Directo Izquierda Derecha Auto Station Wagon Pick Up Combi Microbús Bus Camión Semitrailer Trailer veh(fis)/día veh(dir)/día veh(dir)/hr v i (veh/hr)

80 66 De la Tabla 28 se puede apreciar que la suma de los vehículos que giran convertidos al giro de movimiento directo por hora (veh(dir)/hr) es en total 906 veh/hr tal como se indica en el total de VHD en la sección Cabe resaltar que al emplear el factor de la hora pico (FHP = 0.92) para hallar el volumen de la demanda por movimiento (v i ), los valores calculados para VHD aumentará, de tal manera que nuevamente se procede a comprobar si se encuentra en el rango de 0 a 1000 veh/h como se muestra a continuación: v TOTAL = = 985 veh/hr Por lo tanto, verificamos que efectivamente se encuentra en el rango de 0 a 1000 veh/h donde la entrada de un solo carril puede ser suficiente para el funcionamiento de la rotonda moderna como muestra la Tabla 26. Con los datos obtenidos, hay un porcentaje de vehículos pesados para todos los movimientos (P T ), y junto con el factor equivalente de los vehículos de pasajeros para los vehículos pesados que se muestra en la Tabla 2 (E T = 2) se aplica en la Ecuación 3. Por último para conocer la tasa de flujo de la demanda por movimiento se aplica la Ecuación 2, finalmente los resultados se muestran en la Tabla 29 y Tabla 30: Tabla 2. Equivalencias de los vehículos de pasajeros Tipo de Vehículo Equivalencia de los vehículos de pasajeros (ET) Coche de pasajeros 1.0 Vehículos pesados 2.0 Bicicleta 0.5 Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) v i,pce = v i f HV Ecuación 2 f HV = 1 1+P T (E T 1) Ecuación 3 Donde: v i,pce = tasa de flujo de la demanda de movimiento i, cp/h v i = volumen de la demanda de movimiento i, veh/h f HV = factor de ajuste de vehículos pesados. P T = proporción de volumen de la demanda que consiste en vehículos pesados E T = equivalencia de los vehículos de pasajeros para los vehículos pesados Siguiendo el ejemplo, primero se hallará la proporción del volumen de la demanda que consiste en vehículos pesados (P T ) como se muestra en la Ecuación 50: vehículos pesados = Bus + Camión + Semitrailer + Trailer vehículos pesados = = 410 veh/día

81 67 P T = vehículos pesados veh(dir) día P T = = 0.49 Ecuación 50 Cabe precisar, que a diferencia de los vehículos ligeros, el uso del factor de ajuste de vehículos pesados se toma en cuenta por el efecto restrictivo que tienen los vehículos pesados (camiones y ómnibus) en el flujo de tránsito, debido a su mayor tamaño y menor capacidad de ajuste de velocidad. Aplicando las ecuaciones mencionadas anteriormente para hallar la tasa de flujo de la demanda de movimiento para cada giro (v i,pce ) se obtiene lo siguiente: 1 f HV = (2 1) = 0.67 v i,pce = 162 = 242 veh/hr 0.67 Tabla 29. Factor de ajuste de vehículos pesados. Flujo (veh/hr) Tabla 30. Ajuste de tasa de flujos Volúmenes de la rotonda moderna Carretera IIRSA NORTE Hacia Piura Hacia Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura Directo Izquierda Derecha Directo Izquierda Derecha P T f HV Carretera IIRSA NORTE Carretera Vía Flujo Hacia Piura Hacia Chulucanas Evitamiento Piura (veh/hr) Directo (PDi) Izquierda (PI) Derecha (CDe) Directo (CDi) Izquierda (EI) Derecha (EDe) v i v i,pce El caudal de entrada se calcula mediante la suma de los caudales de movimiento que entran en la rotonda calculados en la Tabla 30. Para rotondas de un solo carril, todos los volúmenes de aproximación se suman. Los caudales de entrada se muestran en la Tabla 31: Tabla 31. Tasas de flujo de entrada por carril

82 68 Flujo (veh/hr) El flujo de circulación se calcula para cada ramal y se muestran en la Figura 32. Los volúmenes que circulan son la suma de todos los volúmenes que estén en conflicto con el ingreso de los vehículos en la aproximación., como se muestra a continuación. a. CDi = 195 veh/hr b. EI = 328 veh/hr c. PI = 242 veh/hr El flujo de salida se calcula para cada ramal mediante la suma de todo el flujo que va saliendo de la rotonda en un tramo determinado. a. CDi + EDe = = 367 veh/hr b. CDe + PI = = 425 veh/hr c. PDi + EI = = 648 veh/hr Carretera IIRSA NORTE Chulucanas Piura Carretera Vía Evitamiento Piura v i,pce Flujos de entrada Figura 32. Rotonda moderna con flujos de entrada, de circulación y de salida Métodos de Análisis Operacionales Iniciales El objetivo de esta sección es mostrar el procedimiento de cálculo de los métodos de análisis operacionales, y se desarrollará 4 métodos diferentes de análisis operacionales, descritas en la Sección 2.2.3, con parámetros iniciales que han sido escogidos de acuerdo a las medidas mínimas que indica el Manual de la DG-2013 en la Figura 5. Las comparaciones acerca de estos métodos, se

83 69 realizará en el Capítulo 5 de Conclusiones en base a los diseños finales de la rotonda Fórmula de Wardrop Asumiendo datos iniciales recomendados por el Manual de Diseño Geométrico 2013, se obtiene una capacidad de la sección de entrecruzamiento constante para cualquier flujo de circulación en conflicto que depende de los parámetros de diseño de la rotonda moderna. D= Diámetro de Circulo Inscrito = 50m R= Radio de Isla Central = 17.5 m Figura 33. Rotonda Formula de Wardrop En la Figura 33 podemos ver que la alineación utilizada no es perpendicular entre ejes, así que en este caso el análisis operacional se realizara en base a parámetros iniciales y con la misma alineación que la Concesionaria IIRSA Norte utilizo en su diseño. Para el acceso de Chulucanas, aplicamos las ecuaciones mencionadas en la Sección , y los resultados de los demás accesos se muestran en la Tabla 32 y en la Figura 33 se pueden ver las medidas utilizadas: Q p = e = (e 1 + e 2 ) 2 [160W ( 1 + e W )] (1 + W L ) = = = 5.62 m [ ( )] ( ) = 563 veh/hr

84 70 Tabla 32. Capacidades de Entrada según el método de la Fórmula de Wardrop W L e1 e2 e ACCESO (m) (m) (m) (m) (m) W/L Qp (veh/hr) Chulucanas Piura Vía Evitamiento Se puede observar en la Tabla 32 que la relación W/L de la sección de entrecruzamiento del acceso Piura excede los límites permitidos por el Manual DG -13 mostrados en la Figura 5, ya que la longitud de entrecruzamiento de dicho acceso de 6.87 m es muy bajo debido a que el alineamiento de la Vía Evitamiento Sur está a 44 del alineamiento horizontal de la Carretera IIRSA Norte (Piura Chulucanas). Por lo tanto, las capacidades de entrada que dan como resultado en la Tabla 31 no son confiables. Entonces, en la Figura 34 se proyecta una rotonda con un ángulo entre alineamientos de 90, lo que genera nuevas medidas en la sección de entrecruzamiento para los accesos de Piura y Vía Evitamiento; en la Tabla 33 se indican los resultados de las capacidades de entrada calculadas con la Formula de Wardrop, y podemos comprobar que cumple con los valores mostrados en la Figura 5, en cuanto a la relación W/L. Por lo tanto, podemos concluir que existe un mejor comportamiento si dos ramales de aproximación se cruzan en un ángulo de 90, por lo cual se recomienda alineamientos perpendiculares ya que proporcionarán velocidades lentas y uniformes si se usan en combinación con otras características de diseño adecuadamente dimensionadas. Finalmente es gracias a esta demostración que para los diseños a realizarse en el Capítulo 4 se utilizarán alineamientos perpendiculares.

85 71 Figura 34. Rotonda Perpendicular Formula de Wardrop Tabla 33. Nuevas Capacidades de Entrada según el método de la Fórmula de Wardrop ACCESO W L e1 e2 e (m) (m) (m) (m) (m) W/L Qp (veh/hr) Chulucanas Piura Vía Evitamiento Método TRRL Aplicando las ecuaciones nombradas en la Sección y asumiendo datos de acuerdo a los parámetros mínimos normados por la DG 2013, se obtiene un análisis inicial de capacidad: e = 5 m (mínimo) v = ancho promedio de entrada = e = 5 m (mínimo) D = 50 m (mínimo) ɸ = 60 (óptimo) R = 50 m (mínimo)

86 72 Figura 35. Rotonda Perpendicular Método TRRL 1.6 (e v) 1.6 (5 5) S = = = 0 l l (e v) (5 5) x = v + = 5 + (1 + 2S) ( ) = 5m t = 1 + [ ] = 1 + [ ] = e (D ) 1 + e ( ) f c = t ( x) = ( ) f c = F = 303 x = = 1515 k = (ɸ 30) ( 1 R 0.05) k = (60 30) ( ) = Q e = k (F f c Q c ) = 0.93 ( Q c ) Q e = Q c

87 73 Tabla 34. Capacidades de Entrada según Método TRRL (unidades en veh/hr). Q c Se grafica la relación lineal de los datos de Qc y Qe (Tabla 34), la cual se observa en la Figura 36, que es la que representará la máxima capacidad de entrada y de circulación para cualquiera de los 3 accesos. Q e Capacidad de entrada (Qe) Capacidad de circulación (Qc) Figura 36. Relación Qe Qc, Método TRRL

88 74 Si los Qe obtenidos del conteo de tránsito en la zona de estudio se encuentran por encima de la relación lineal de los datos de Qc y Qe, se tendrán que variar las características geométricas iniciales asumidas. En la Figura 37 podemos ver que el análisis operacional se está haciendo en base a una alineación perpendicular, es decir, que el alineamiento de la Vía Evitamiento Sur está a 90 del alineamiento horizontal de la Carretera IIRSA Norte (Piura Chulucanas), siendo lo más recomendable para rotondas y en la que se basará el diseño propuesto por la presente Tesis de ahora en adelante para los diseños geométricos Australiano y Estadounidense. En la Tabla 35 y Figura 37 se muestra el proceso iterativo entre todos los flujos vehiculares entrantes. Tabla 35. Proceso iterativo entre todos los flujos vehiculares entrantes. (Unidades en veh/h) Iteración Qc1 Qe1 Qs1 Qc2 Qe2 Qs2 Qc3 Qe3 Qs3 Qc1(2) Figura 37. Proceso Iterativo Método TRRL

89 Método HCM 2010 Aplicando la Ecuación 15, la capacidad de entrada de un carril con la oposición de un carril de circulación, se muestra en la Tabla 36. C e,pce = 1.130e ( )v c,pce Ecuación 15 Según la ecuación antes mencionada, se tiene lo siguiente: C e,pce = 1.130e ( ) 242 = 887 veh/hora C e,pce = 1.130e ( ) 328 = 814 veh/hora C e,pce = 1.130e ( ) 195 = 930 veh/hora Tabla 36. Capacidad de la rotonda moderna Flujo (veh/hr) Carretera IIRSA NORTE Piura Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura Método SIDRA v c,pce C e,pce Siguiendo las ecuaciones mostrados en el Capítulo 2, hallaremos la capacidad de entrada, pero antes tenemos que encontrar diferentes parámetros como lo que se muestra a continuación. Empezaremos hallando el parámetro que mide el seguimiento de avances (β), y ya que para rotondas con entradas de un solo carril (n e = n c = 1), como es el caso de la rotonda a diseñar en la intersección Vía Evitamiento Sur y Carretera IIRSA Norte, solo la fórmula del carril dominantes es utilizada para el cálculo del seguimiento de avance (β = β d ), por lo tanto, para el caso de la vía de Chulucanas se resuelven las ecuaciones de la siguiente manera: D i = m, 20 D i 80 q e = 563 veh/h q c = 328 veh/h n e = n c = 1 q e q c = = (q e q c ) max = 3 q e q c < (q e q c ) max < 3 OK β o = D i D i n e n c β o = 3.37 ( ) + ( ) ( ) + ( ) β o = s β d = β o q c = ( ) = 2.416

90 76 sujeto a β min β d β max Según la Tabla 6, β min = 1.2 s y β max = 4.0 s, por lo tanto β d = está dentro del rango permitido por SIDRA. Y en la Tabla 37 se presentan la verificación de los factores entre q e y q c β om = 1.8 s q cm = 900veh/h β Lm = β o q cm = ( ) = s β Lm > β om > 1.8 OK β d = β d q e q c (q e q c ) [β d β om q c (β q Lm β om )] max cm β d = [ ( )] β = β d = s Tabla 37. Verificación de los factores q e y q c ACCESO q e (veh/h) q c (veh/h) El seguimiento de avance del carril dominante decrece con respecto a al valor no ajustado de seguimiento de avance en 0.27 s es decir en un 11%. Los resultados de los demás accesos se muestran en la Tabla 38. Tabla 38. Seguimientos de avance por acceso, β d n e n c q e Chulucanas OK % Piura OK % Vía Evitamiento OK % A continuación se hallara la brecha crítica (α), la rotonda a diseñar tendrá un parámetro inicial de ancho de la calzada de circulación de 4.0 m (w L = 4.0 m). Siguiendo el ejemplo para la vía de Chulucanas, tenemos que q c = 328 veh/h, es decir q c 1200 veh/h, por lo tanto se utilizará la siguiente ecuación, cabe resaltar, que esta condición se da en todas las vías, y los resultados de los demás accesos se muestran en la Tabla 39: q c q e q c < (q e q c ) max Chulucanas OK Piura OK Vía Evitamiento OK ACCESO β o (s) β d (s) β Lm (s) β Lm > β om β d (s) Disminuye de β d % de reducción

91 77 α = ( q c 0.339w L n c )β α = ( ( ) ( ) ( )) α = s Tabla 39. Brechas críticas por acceso, α ACCESO w L (m) α (s) α mín (s) α max (s) Según la Tabla 7, el valor de intra-grupo de avance ( c ) para una rotonda de 1 carril es de c = 2.0 s. Ahora, para hallar la proporción de vehículos libres (φ c ), primero se calculara el valor del parámetro extra (δφ c ). Además, según la Tabla 8 el agrupamiento adicional para el flujo contribuyente al flujo circulante (B i ) será considerado para los tres accesos en +5%. Se resuelve las ecuaciones indicadas para el caso de Chulucanas, y los resultados de los demás accesos se muestran en la Tabla 40. B Chulucanas = +5% q ctotal = = 765 veh/h q cchulucanas = 328veh/h p qchulucanas = ( ) = 0.52 α mín < α < α max Chulucanas OK Piura OK Vía Evitamiento OK Tabla 40. Valores por acceso del agrupamiento adicional, caudal circulante y proporción que contribuye al carril B i q ci p qi ACCESO (%) (veh/h) Chulucanas 5% Piura 5% Vía Evitamiento 5% Con los resultados de la Tabla 40 podemos hallar los valores del parámetro extra para cada acceso, para el caso de Chulucanas se resuelve a continuación, y para los demás accesos se muestran los resultados en la Tabla 41. δφ c = [ B i 100 (1 p qi)q ci ] q c

92 78 {[0.05 (1 0.52) 328] + [0.05 (1 0.63) 242] + [0.05 (1 0.61) 195]} δφ c = 765 { } δφ c = = Entonces, para calcular la proporción de vehículos libres para una rotonda de un solo carril (φ c ) se desarrolla de la siguiente manera: φ c = e 2.5 cq c δφ c φ c = e ( ) φ c = = Para hallar el parámetro de distribución (λ), lo siguiente: λ = 0.98 = 0.49 ; q c = 765 c 3600 = q c 0.98 c φ cq c = 1 c q c 1 ( ) = 0.12 En la Tabla 41 se muestran los parámetros necesarios para hallar la capacidad básica de aceptación de brechas (Q g ), siguiendo en el caso de Chulucanas, hallaremos lo siguiente: β Chulucanas = c = 2 q cchulucanas = = φ c = λ = 0.12 α Chulucanas = Q g = 3600 β (1 cq c + 0.5βφ c q c )e λ(α c ) Q g = 3600 ( )e 0.12( ) Q g = 1118 veh/h Tabla 41. Parámetros necesarios para hallar la capacidad básica de aceptación de brechas. ACCESO β (s) c (s) q ci φ c λ α i (s) Q g (veh/h) (veh/h) Chulucanas Piura Vía Evitamiento

93 79 Para hallar el factor de ajuste (f od ), antes tenemos que hallar los parámetros de calibración (f qc ) y la proporción del flujo circulante (p qd p cd ). Tenemos un flujo circulante total de 765 veh/h por lo tanto para hallar el parámetro de calibración tenemos que aplicar lo siguiente. f qc = q c 0.29 f qc = ( ) 0.29 = 0.25 Para el caso de Chulucanas, hallaremos la proporción del flujo circulante y el factor de ajuste de la siguiente manera y en la Tabla 42 se muestran los resultados para los demás accesos: p qchulucanas = ( ) = 0.52 p cchulucanas = = f od = 1 f qc (p qd p cd ) f od = ( ) = Tabla 42. Factores de ajuste para cada acceso ACCESO q cd p cd p qd p qd p cd f qc f od Chulucanas Piura Vía Evitamiento Para hallar la capacidad mínima (Q m ) de cada acceso, en la Tabla 43 se muestran los resultados. Q m = min (q e, 60n m ) n m = 1veh Tabla 43. Capacidad mínima por acceso ACCESO q e Q 60n m m (veh/h) Chulucanas Piura Vía Evitamiento Finalmente, para hallar la capacidad de entrada del carril (Q e ) según el método de aceptación de brechas de SIDRA, mostraremos en la Tabla 44 los resultados por cada acceso.

94 80 Q e = max (f od Q g, Q m ) Tabla 44. Capacidad de entrada en cada acceso Relación Volumen Capacidad ACCESO Q f g f od Q g Q m Q e od (veh/h) (veh/h) (veh/h) (veh/h) Chulucanas Piura Vía Evitamiento Para que el funcionamiento de una rotonda moderna sea óptimo, la relación volumen capacidad en cada entrada debe estar en un rango de hasta 0.85 o 0.90, por lo tanto según la Ecuación 42, podemos comprobar que se cumple esto para los 3 accesos, resultados mostrados en la Tabla 45. x = v C Donde: V = volumen de entrada [veh/h] C = capacidad [veh/h] Ecuación 42 Entonces aplicando la ecuación 8 para el caso de Perú, se tiene lo siguiente: x = = 0.37 Tabla 45. Relación Volumen Capacidad Flujo (veh/hr) Control de demora Carretera IIRSA NORTE Piura Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura Demanda (v) Capacidad Wardrop (C) Capacidad TRRL (C) Capacidad HCM 2010 (C) Capacidad SIDRA (C) x - Wardrop x TRRL x HCM x - SIDRA Para hallar el tiempo que le lleva a un conductor desacelerar hacia una cola, estar en la cola, esperar un claro aceptable en el flujo de circulación mientras está en la parte delantera de la cola, y acelerar a la salida de la cola se aplicará la Ecuación 43, y se pueden ver los resultados en la Tabla 46.

95 81 d = 3600 c + 900T [x 1 + (x 1) 2 + (3600 c )x 450T ] + 5. min[x, 1] Ecuación 43 Donde: d = promedio de control de demora, s/veh x = relación de volumen a la capacidad del carril c = capacidad del carril, veh/h T = período de tiempo (T = 1 para 1hora, T = 0.25 para 15 min) Tomando en cuenta la ecuación anterior, se plantea de la siguiente manera: d Piura = [ (0.37 1) 2 + ( ) ] d Perú = 8 s/veh Tabla 46. Control de demora Flujo (veh/hr) Carretera IIRSA NORTE Piura Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura Demanda (v) Capacidad Wardrop (C) Capacidad TRRL (C) Capacidad HCM 2010 (C) Capacidad SIDRA (C) d Wardrop (s/veh) d - TRRL (s/veh) d HCM 2010 (s/veh) d SIDRA (s/veh) Calidad de servicio y nivel de servicio Según la Tabla 9 sobre criterios de niveles de servicio junto, necesitamos los datos obtenidos en el control de demora y relación volumen capacidad, para poder obtener el nivel de servicio que nos indicará cuán bien funciona una instalación de transporte o servicio desde la perspectiva de un viajero. El resultado se indica en la Tabla 47, la que indica un NdS C, que representa aún condición de flujo estable. La velocidad y libertad de maniobra se hallan reducidas, se tiene una formación de colas poco consistentes y un nivel de circulación estable.

96 82 Tabla 47. Niveles de servicio Flujo (veh/hr) Carretera IIRSA NORTE Piura Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura Longitud de cola x - Wardrop x TRRL x HCM x - SIDRA d Wardrop (s/veh) d - TRRL (s/veh) d HCM 2010 (s/veh) d SIDRA (s/veh) NdS - Wardrop A B A NdS TRRL A B B NdS HCM 2010 B C B NdS - SIDRA A B A La duración estimada de una cola también proporciona información adicional sobre las prestaciones de funcionamiento de una rotonda, por lo tanto en este caso la hallaremos con la Ecuación 45, y se obtiene los resultados mostrados en la Tabla 48. (T = 0.25) Q 95 = 900T [x 1 + (1 x) 2 + (3600 )x c 150T ] ( c 3600 ) Ecuación 44 Donde: Q 95 = Cola de 95 percentil, veh x = relación de volumen y capacidad del carril c = capacidad del carril, veh/h T = período de tiempo, h (T = 0.25 para 15 min) Tomando en cuenta la ecuación anterior, se plantea de la siguiente manera: Q 95 = ( 3600 (1 0.37) ) ( ) [ Q 95 = 2 veh ]

97 83 Tabla 48. Longitud de cola Flujo (veh/hr) Carretera IIRSA NORTE Piura Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura 4.5 Seguridad x - Wardrop x TRRL x HCM x - SIDRA Capacidad Wardrop (C) Capacidad TRRL (C) Capacidad HCM 2010 (C) Capacidad SIDRA (C) Q 95 Wardrop (veh) Q 95 TRRL (veh) Q 95 HCM 2010 (veh) Q 95 SIDRA (veh) El objetivo de esta tesis, es presentar un tipo de intersección que ayude a disminuir el número de accidentes ocurridos en una intersección de tres o más accesos sin ningún tipo de control. Las rotondas modernas siempre reducen el número de accidentes ocurridos en las intersecciones convencionales, especialmente los ocurridos por giros a la izquierda, de frente y en ángulo recto, así como la mayor reducción de accidentes fatales y con heridos como es el caso de la intersección actual. La comprobación de como una glorieta ayuda a disminuir el número de accidentes, se realiza mediante un análisis de accidentes antes y después en la rotonda. Sin embargo, en este caso, tratándose de un proyecto nuevo y al no contar con una infraestructura similar, será difícil aplicar dicha metodología de evaluación de resultados. En este caso, se ofrece de manera general, la información acerca de disminución de accidentes que podrían originarse al implementar una rotonda moderna, ya descrita en la Sección 2.3 de la presente Tesis.

98 Diseño Geométrico Horizontal y Vertical Final DG-2013 (PERÚ) El siguiente Diseño Geométrico pertenece a la Concesionaria IIRSA Norte elaborado por la Consultora Naylamp, el cual se muestra en la Figura 38, que se podrá visualizar mejor en el Anexo A: Figura 38. Rotonda moderna. Fuente: Concesionaria IIRSA Norte (2013) El radio de la isla central es de 30.0 metros, mucho mayor al radio mínimo de m recomendado por la DG El diámetro del circulo inscrito es de 79.0 m, mayor a los 50 metros que considera la DG como mínimo. El ancho de la sección de entrecruzamiento debe ser como máximo 15.0 m, y en la rotonda diseñada hay anchos de sección de entrecruzamiento de 8.0 m y 12.7 m como se puede ver en la Figura 39.

99 85 Figura 39. Anchos de la sección de entrecruzamiento. Fuente: Concesionaria IIRSA Norte (2013) La relación Ancho y Longitud de entrecruzamiento (W/L) debe estar entre 0.25 y En la rotonda diseñada como se observa en la Figura 39, tenemos longitudes de entrecruzamiento de m, m y m y se obtienen valores W/L de 0,10 para el acceso Chulucanas, 0,68 para el acceso Piura y 0,12 para el acceso Vía Evitamiento. En conclusión, los valores W/L no cumplen con los límites sugeridos por la DG 2013 para el análisis de la sección de entrecruzamiento. Las Islas direccionales tienen un área de m 2, y según la DG 2013 estas deben tener como mínimo entre 4,50 m 2 y 7,00 m 2. El radio interior mínimo de entrada para la DG 2013 es de 30.0 m y en este caso como podemos ver en la Figura 38, se tiene un radio interior de entrada de 50.0 m para los tres accesos. El radio interior mínimo de salida para la DG 2013 es de 40.0 m y en este caso como podemos ver en la Figura 38, se tiene un radio interior de entrada de 50.0 m para los tres accesos Análisis Operacional Final Método Formula de Wardrop Asumiendo los datos finales obtenidos del diseño anterior (Figura 39): D= Diámetro de Circulo Inscrito = 79m R= Radio de Isla Central = 30 m Aplicando la metodología de la Sección se muestran los resultados en la Tabla 49:

100 86 Tabla 49. Capacidades de Entrada según el método de la Fórmula de Wardrop ACCESO W L e1 e2 e Qp W/L (m) (m) (m) (m) (m) (Veh/hora) Chulucanas Piura Vía Evitamiento Método TRRL Aplicando las ecuaciones nombradas en la Sección y con los siguientes datos, podemos ver los valores a utilizar en la Figura 40 y los resultados en la Tabla 50 y en la Figura 41. e = 7.04 m v = 3.50 m D = 76.0 m ɸ = 60 R = m l = m Figura 40. Rotonda Método TRRL La relación lineal obtenida es Q e = Q c

101 87 Tabla 50. Capacidades de Entrada según Método TRRL. Q c Se grafica la relación lineal de los datos de Qc y Qe (Tabla 50), la cual se observa en la Figura 41, que es la que representará la máxima capacidad de entrada y de circulación para cualquiera de los 3 accesos. Y en la Tabla 51 y Figura 42 se muestra el proceso iterativo entre todos los flujos vehiculares entrantes. Tabla 51. Proceso iterativo entre todos los flujos vehiculares entrantes. (Unidades en veh/h) Iteración Qc1 Qe1 Qs1 Qc2 Qe2 Qs2 Qc3 Qe3 Qs3 Qc1(2) Q e

102 88 Capacidad de entrada (Qe) Capacidad de Circulación (Qc) Figura 41. Relación Qe Qc, Método TRRL Método HCM 2010 Figura 42. Proceso Iterativo Método TRRL Para esta sección se aplica la Ecuación 15, los resultados de la capacidad de entrada de un carril con la oposición de un carril de circulación se muestran en la Tabla 36. Debe de tenerse en cuenta que para la ecuación del Método HCM 2010 no hay parámetros geométricos que influyan en el cálculo de capacidades, ya que dicha Ecuación 15 ha

103 89 sido establecida por una base de datos de 85 rotondas estudiadas, minutos de operación de la capacidad y vehículos observados en Estados Unidos, tal y como se menciona en la NCHRP Reporte Método SIDRA Siguiendo las ecuaciones mostrados en el Capítulo 2, hallaremos la capacidad de entrada, como se muestra en la Sección D i = m, 20 D i 80 q e = 563 veh/h q c = 328 veh/h n e = n c = 1 En la Tabla 52 se presentan la verificación de los factores entre q e y q c Tabla 52. Verificación de los factores q e y q c ACCESO q e (veh/h) Los resultados del seguimiento de avance del carril dominante de los tres accesos se muestran en la Tabla 53. Tabla 53. Seguimientos de avance por acceso, β d ACCESO Chulucanas OK % Piura OK % Vía Evitamiento OK % A continuación se hallara la brecha crítica (α), la rotonda a diseñar tendrá un ancho de la calzada de circulación de 8.00 m (w L = 8.00 m) para todos los accesos y se muestra en la Tabla 54. Tabla 54. Brechas críticas por acceso, α q c (veh/h) n e n c q e q c q e q c < 3 Chulucanas OK Piura OK Vía Evitamiento OK β o (s) ACCESO β d (s) w L (m) β Lm (s) α (s) β Lm > β om α mín (s) α max (s) β d (s) Disminuye de β d α mín < α < α max Chulucanas Piura Vía Evitamiento % de reducción

104 90 Según la Tabla 7, el valor de intra-grupo de avance ( c ) para una rotonda de 1 carril es de c = 2.0 s. Además, según la Tabla 8 el agrupamiento adicional para el flujo contribuyente al flujo circulante (B i ) será considerado para los tres accesos en +5%. Según las ecuaciones ya mencionadas en la Sección se muestran los resultados de los tres accesos en la Tabla 55. Tabla 55. Valores por acceso del agrupamiento adicional, caudal circulante y proporción que contribuye al carril B i q ci p qi ACCESO (%) (veh/h) Chulucanas 5% Piura 5% Vía Evitamiento 5% Con los resultados de la Tabla 55 podemos hallar los valores del parámetro extra para cada acceso, se muestran los resultados en la Tabla 5 y los factores de ajuste a utilizarse serán los mismos que en la Tabla 42. Para la capacidad mínima (Q m ) de cada acceso, serán lo mismo que en la Tabla 43. Tabla 56. Parámetros necesarios para hallar la capacidad básica de aceptación de brechas. ACCESO β (s) c (s) q ci φ c λ α i (s) Q g (veh/h) (veh/h) Chulucanas Piura Vía Evitamiento Finalmente, para hallar la capacidad de entrada del carril (Q e ) según el método de aceptación de brechas de SIDRA, mostraremos en la Tabla 57 los resultados por cada acceso. Tabla 57. Capacidad de entrada en cada acceso ACCESO f od Q g f od Q g Q m Q e (veh/h) (veh/h) (veh/h) (veh/h) Chulucanas Piura Vía Evitamiento Relación Volumen Capacidad La relación volumen capacidad para este diseño analizado en los cuatro métodos operacionales utilizados en la presente Tesis se muestran en la Tabla

105 91 58, los gráficos comparativos de los resultados y las conclusiones se darán en los capítulos siguientes. Tabla 58. Relación Volumen Capacidad Flujo (veh/hr) Control de demora Carretera IIRSA NORTE Piura Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura Demanda (v) Capacidad Wardrop (C) Capacidad TRRL (C) Capacidad HCM 2010 (C) Capacidad SIDRA (C) x - Wardrop x TRRL x HCM x - SIDRA El control de demora para este diseño analizado en los cuatro métodos operacionales utilizados en la presente Tesis se muestra en la Tabla 59, los gráficos comparativos de los resultados y las conclusiones se darán en los capítulos siguientes. Tabla 59. Control de demora Flujo (veh/hr) Carretera IIRSA NORTE Piura Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura Demanda (v) Capacidad Wardrop (C) Capacidad TRRL (C) Capacidad HCM 2010 (C) Capacidad SIDRA (C) d Wardrop (s/veh) d - TRRL (s/veh) d HCM 2010 (s/veh) d SIDRA (s/veh) Calidad de servicio y nivel de servicio La calidad y nivel de servicio para este diseño analizado en los cuatro métodos operacionales utilizados en la presente Tesis se muestra en la Tabla 60.

106 92 Tabla 60. Niveles de servicio Flujo (veh/hr) Carretera IIRSA NORTE Piura Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura Longitud de cola x - Wardrop x TRRL x HCM x - SIDRA d Wardrop (s/veh) d - TRRL (s/veh) d HCM 2010 (s/veh) d SIDRA (s/veh) NdS - Wardrop B A A NdS TRRL A B A NdS HCM 2010 B C B NdS - SIDRA A A A La longitud de cola para este diseño analizado en los cuatro métodos operacionales utilizados en la presente Tesis se muestra en la Tabla 61, los gráficos comparativos de los resultados y las conclusiones se darán en los capítulos siguientes. Tabla 61. Longitud de cola Flujo (veh/hr) Carretera IIRSA NORTE Piura Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura x - Wardrop x TRRL x HCM x - SIDRA Capacidad Wardrop (C) Capacidad TRRL (C) Capacidad HCM 2010 (C) Capacidad SIDRA (C) Q 95 Wardrop (veh) Q 95 TRRL (veh) Q 95 HCM 2010 (veh) Q 95 SIDRA (veh) 2 2 2

107 Diseño Geométrico Horizontal y Vertical Final Federal Highway Administration (EUA) El objetivo primordial es diseñar una rotonda logrando un balance entre un suficiente nivel de servicio para la demanda de tráfico actual y proyectado y crear un entorno que permita un nivel de seguridad adecuado y una circulación eficiente para todos los usuarios. Encontrar este balance requiere un conocimiento del entorno en el que se está trabajando, las restricciones físicas existentes, la composición y cantidad esperada de usuarios y el conocimiento del sistema diario circundante. Cada uno de estos factores juega un rol determinante en el tamaño, forma y propósito de la rotonda moderna. Los resultados de este diseño se pueden ver en el Anexo B de la presente Tesis Velocidad de diseño Debido a que la velocidad tiene un profundo impacto sobre la seguridad, conseguir una velocidad apropiada a lo largo de la rotonda moderna es el objetivo de diseño más crítico. La velocidad de diseño se ha seleccionado de tal manera de lograr dos objetivos como conversar el tamaño de la rotonda dentro de límites prácticos, y no provocar una reducción drástica de la velocidad del itinerario principal de los accesos. La guía americana, recomienda las velocidades diseño máximas en las entradas de rotondas para varias categorías de rotondas, como se muestra en la Figura 43. Para el caso de un rotonda moderna de un solo carril, la velocidad recomendada es de 40 km/h. Figura 43. Velocidades máximas de diseño de entradas recomendadas Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Vehículo de Diseño Es aquel vehículo hipotético, cuyo peso, dimensiones y características de operación son utilizados para establecer los lineamientos que guiaran el diseño geométrico tal que éstas puedan acomodar vehículos de este tipo. Para efectos de proyecto se consideran dos tipos de vehículos: los vehículos ligeros o livianos y los vehículos pesados, clasificados estos en tráileres, semitráileres, camiones y autobuses. Las principales características para su clasificación están referidas al radio mínimo de giro y aquellas que determinan las ampliaciones o sobre anchos necesarios en las curvas horizontales, tales como distancia entre ejes extremos, ancho total de la huella y vuelos delantero y trasero. Según la clasificación de la Norma de Diseño Geométrico DG 2013 el vehículo de diseño que se usará en la intersección es el semirremolque remolque (T3S2S1S2) o WB-33D, siendo el más parecido al que circula por la intersección actual. En la Figura 44 y Figura 45 se muestran las características

108 94 del vehículo y una modelación de giro del vehículo en la rotonda moderna a diseñar según la guía americana. Y en la Figura 46 se muestra la tabla de giros mínimos asignado al vehículo de diseño en DG Figura 44. Semirremolque remolque (T3S2S1S2) Fuente: Ministerio de Transportes y Comunicaciones (2001) Figura 45. Giro de Semirremolque remolque (T3S2S1S2) Figura 46. Radios máximos/mínimos y ángulos (T3S2S1S2) Fuente: Ministerio de Transportes y Comunicaciones (2001)

109 Número de ramales Existen los ejes de la Carretera IIRSA Norte, que viene desde Piura y va hasta Chulucanas, Olmos y otras ciudades de la ceja de selva, y la carretera Vía Evitamiento Sur, que conecta la Panamericana Norte con la Carretera IIRSA Norte. Por lo tanto, el número de ramales o accesos son tres. La alineación que se sugiere para la rotonda moderna es en la que los ejes de los tres accesos pasen por el centro del círculo inscrito, permitiendo que la geometría de una rotonda moderna de un solo carril se diseñe adecuadamente para que los vehículos circulen a baja velocidad en las entradas y en las salidas Diámetro del círculo inscrito En la guía americana se proporciona rangos típicos de los diámetros de círculo inscrito, que se puede ver en la Figura 47, el cual nos da una idea que para un tipo de vehículo de diseño de W-20 se propone un diámetro máximo de 55.00m. Dado que el vehículo de diseño es un semirremolque remolque o WB-33D, entonces así como lo recomienda la guía americana, en este caso se requiere que la rotonda moderna sea de mayor diámetro para dar cabida a los camiones más grandes, mientras se proporciona una mayor visibilidad y control de velocidad. Figura 47. Rangos típicos de diámetro de círculo inscrito Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) En los siguientes apartados, se ha calculado el ancho de calzada de circulación junto con el radio de la isla central, los cuales ayudan a definir el diámetro de circulo inscrito sumando las medidas antes mencionadas, por lo tanto se tendrá un diámetro de m Ancho de la calzada de circulación El ancho de la calzada de circulación está condicionado fundamentalmente por dos aspectos; por un lado está la necesidad de garantizar el sobre ancho de la huella de la trayectoria del vehículo de diseño (en este caso un vehículo articulado de m de longitud) añadiéndole un margen de seguridad y, por otro lado por cuestiones de capacidad. De acuerdo a la norma AASHTO 2011, también se puede determinar el ancho necesario en función al radio interno de la curva, es decir el radio de la isla central, de acuerdo a la tabla 3.28a mostrada en la Figura 48. Trabajando con los valores de esta tabla, para un vehículo de diseño WB-33D, se puede ver que

110 96 para radios menores de m se considera anchos de calzada de m a más. Por lo tanto, ya que la guía americana menciona que para rotondas de un carril se considera como rangos típicos de anchos de calzada de circulación entre 4.80 m y 6.00 m. Entonces, el radio de la isla central tiene que ser mayor de m para que el ancho de circulación no sea tan grande y no afecte el funcionamiento de la rotonda en cuestión de velocidades y a su vez para que la rotonda moderna pueda acomodar al vehículo de diseño sin problema alguno de circulación. Figura 48. Anchos de calzada Fuente: AASHTO (2011) Como recomienda la guía americana, el ancho de la calzada de circulación debe ser por lo menos igual al ancho de entrada máximo, y hasta el 120% de la mayor anchura de entrada, y debe mantenerse constante a lo largo de la rotonda. De esta manera el número de carriles en el anillo será similar al número de carriles de la entrada más ancha, es decir un solo carril. Para estimar el ancho de circulación, W, requerido para el vehículo de diseño T3S2S1S2 (equivalente AASHTO a WB-33D, L=23.00), utilizaremos el método descrito en AASHTO GDHS 2011, el cual indica la Ecuación 51. W = U 1 + 2C + F A + F B + Z Ecuación 51 Donde: U 1 = ancho del vehículo en curva (distancia entre caras externas de llantas) F A = ancho del volado frontal F B = ancho del volado posterior C = despeje lateral por vehículo = 1.20 m Z = ancho adicional debido a la dificultad de conducir en curvas = 0.60 m La expresión genérica para el cálculo del ancho de la huella descrita por un vehículo en curva, medida radialmente se muestra en la Ecuación 52. U = u + R (R 2 L i 2 ) Ecuación 52

111 97 Donde: U 1 = ancho del vehículo en curva (distancia entre caras externas de llantas) R = radio de la curva o radio de giro = radio de la isla central F A = distancia entre ejes, entre ejes y articulaciones consecutivos u = ancho del vehículo de diseño El ancho de la saliente o voladizo frontal,f A, es la distancia radial entre el borde exterior de la huella de la rueda delantera exterior y la trayectoria del borde delantero exterior de la carrocería, y se halla mediante la Ecuación 53. Donde: A= voladizo frontal del vehículo en el carril L= distancia menor entre ejes del vehículo tractor F A = (R 2 + A(2L + A) R Ecuación 53 El ancho de la saliente trasera o voladizo posterior, F B, es la distancia radial entre el borde exterior de la trayectoria de la rueda trasera interior, y el lado interior de la carrocería. En los camiones, el ancho de la carrocería es el mismo que el ancho entre caras exteriores de las ruedas traseras, de modo que F B = 0. El ancho extra, Z, es el ancho radial adicional debido a la dificultad de maniobrar sobre una curva. Este ancho adicional se ha estimado mediante una ecuación empírica en función de la velocidad y el radio de giro. Para radios en el rango entre 15m y 150m, el valor de Z resulta casi un valor constante de 0.60m. De esta forma, los parámetros involucrados en el giro se tabulan tomando un radio de giro en el borde interior del pavimento que es el radio de la isla central de la rotonda moderna. Ya que aún no definimos el radio de la isla central, hallaremos el valor del ancho de calzada de circulación, con las medidas de nuestro vehículo de diseño para radios de m, m, m, m y m, los cuales se pueden ver en la Tabla 62. A continuación se desarrollaran las ecuaciones antes mencionadas, y los resultados para los demás radios se señalan en la Tabla 48, tomando en cuenta los siguientes parámetros: R = 30 m L 1 = 6.8 m L 2 = 6.8 m L 3 = 5.4 m A = 1.4 m u = 2.6 m F B = 0 m F A = (R 2 + A(2L + A) R F A = ( ( ) 30 = m

112 98 U = u + R (R 2 L i 2 ) U = (30 2 ( )) = 4.70 m W = U 1 + 2C + F A + F B + Z W = = 7.97 m Tabla 62. Anchos de calzada calculados Con los resultados de la Tabla 62, podemos concluir que el ancho total de la rotonda a nivel de superficie de rodadura es de 7.00 m. Además, se necesitará un delantal de camiones, ya que como indica la guía americana, es recomendable que para vehículos de diseño grandes se provea de un delantal de camiones en la isleta central, pero manteniendo una calzada de circulación relativamente angosta para restringir adecuadamente las velocidades. La anchura del delantal de camiones se define según la trayectoria recorrida por el vehículo de diseño, y será de 1.50 m Isla Central R (m) U (m) 2 L i (m 2 ) A (m) L (m) F A (m) F B (m) U (m) W (m) Según la guía americana, el diámetro de la isla central depende del diámetro del círculo inscrito y el ancho requerido por la calzada de circulación. En la rotonda moderna a diseñar, según la Tabla 50 se considerará un radio de 50.00m para la isleta central, en donde está considerado el ancho del delantal de camiones para la circulación de vehículos grandes. De esta manera, se mejora la visibilidad, dando mayor cabida a los vehículos de diseño y permitiendo una geometría de aproximación en la transición de velocidades más altas siendo más indulgentes con los vehículos errantes. Podemos ver la Figura 49.

113 99 Figura 49. Zona Central Isla divisoria Según la guía americana, al realizar el trazado inicial de un diseño de rotonda moderna, antes de diseñar la entrada y salida de una aproximación debe preverse una isleta partidora de tamaño suficiente, asegurando que el diseño final permita una isleta elevada que satisfaga las dimensiones mínimas (separaciones, longitud, anchos). Según la guía americana, para dar adecuada visibilidad y refugio, la longitud mínima recomendada de una isleta partidora es de m para alertar lo suficiente a los conductores que se aceran a la geometría de la rotonda moderna. Entonces, para la rotonda moderna a diseñar la longitud mínima del jardín de la isleta es de m., y la longitud total de la isleta de m, cumpliendo así con el mínimo exigido. Cabe resaltar, que las islas divisoras serán sin cruce peatonal ya que no hay frecuencia de peatones por la zona. Podemos ver la Figura 50.

114 100 Figura 50. Anchos de calzada Ancho de Entrada La guía americana (ver Figura 51) recomienda que para rotondas modernas de un solo carril, los anchos típicos de las entradas van de 4.2 a 6.5 m, entonces para este caso se considerará un ancho de entrada de 6.40 m para los tres accesos, de tal manera que los conductores no puedan interpretar erróneamente la entrada ancha como de dos carriles, cuando hay un solo carril en la calzada circulatoria. Figura 51. Diseño de entrada a rotonda de un solo carril Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Diseño de la Entrada La geometría de las entradas constituye la característica más importante ligada a las condiciones de seguridad y capacidad de la rotonda. La experiencia indica que la mayoría de accidentes se producen por pérdidas de control en las

115 101 entradas muy anchas; asimismo el ancho de las entradas incide notablemente en el cálculo de su capacidad máxima. Para efectos de que los conductores se vean obligados a cambiar de trayectoria de entrada, con la consiguiente reducción de velocidad, deben evitarse las entradas tangenciales por lo que es recomendable que la alineación de los ejes de las carreteras confluyentes a la rotonda moderna pasen por el centro de la isla central como se puede ver en la Figura 19. En el caso de los accesos, las dos vías son de un carril, dado que la velocidad máxima de ingreso a la rotonda es de 40 km/h, la curvatura de esta entrada debe ser tal que promueva dicha velocidad. Considerando un radio de empalme igual a m, tangente al lado externo de la calzada anular se obtiene una velocidad de 37 km/h, usando los parámetros de diseño de fricción y peralte, 0.16 y +0.02% respectivamente, aplicado a la Ecuación 45. Con este radio evitamos dar lugar a conflictos entre los flujos de tránsito en los carriles adyacentes, se proporciona una indicación clara de la curvatura al conductor y se disminuyen las velocidades en las entradas. Podemos ver la Figura 53. V = 127 R (f + e) Ecuación 45 Donde: V = Velocidad (km/h) f = factor de fricción = 0.16 e = peralte = Diseño de la Salida La geometría de las salidas será tal que los vehículos que abandonan la rotonda moderna lo hagan con la mayor fluidez posible. La guía americana, recomienda que las salidas de la rotonda moderna debiera de tener el mismo número de carriles de la carretera a la que desemboca, por lo tanto se dispondrá asimismo el ancho adicional necesario para acomodar el giro vehicular. En tal sentido las salidas se dimensionarán de forma similar a las entradas, como se muestra en la Figura 52. Figura 52. Diseño de salida de rotonda de un solo carril Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011)

116 Peralte Figura 53. Diseño de salida de rotonda de un solo carril Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) De acuerdo a la guía americana se considerar que el peralte en la intersección debe ser 2% negativo, es decir en contra peralte, porque promueve la seguridad al elevar la zona de la isla central mejorando así la visibilidad de la intersección, promueve menores velocidades de circulación, minimiza los ángulos entre los encuentros de los peraltes de ingreso y salida y ayuda a drenar el agua superficial hacia fuera de la rotonda. Por lo tanto, dichos motivos son suficientes para que en este caso se considere un peralte de -2% en los anillos circulares. Además, se considera el valor del peralte de diseño en la entrada de +2% para lograr la menor distorsión posible respecto al peralte negativo de -2% de la calzada de circulación, peraltes recomendados por la guía americana, que por experiencia en pendientes menores de 3% indican que no se suelen tener problemas en el funcionamiento de la rotonda moderna Trayectorias y velocidades máximas Para determinar la velocidad de una rotonda, se dibuja la trayectoria más rápida permitida por la geometría. Esta es la trayectoria más suave posible de un vehículo ligero, en ausencia de tráfico e ignorando las marcas viales. La guía americana expone la geometría del eje del vehículo que traza dicha trayectoria más rápida, como se muestra en la Figura 54, caracterizada por cinco distancias de paso, respetando las siguientes distancias: m respecto un sardinel o elemento de concreto m respecto a una línea central de calzada m respecto a una línea de carril o línea de borde. También nos proporciona un ejemplo de un enfoque de giro a la derecha, el cual a su vez es más crítico que el movimiento a través de la rotonda moderna. (Figura 55).

117 103 Figura 54. Trayectoria vehicular rápida a través de una rotonda con un carril Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Figura 55. Trayectoria vehicular crítica de un giro a la derecha en una rotonda moderna Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Por lo tanto, para cada una de estas curvas de la trayectoria rápida se puede obtener una velocidad en función del radio de la curvatura, el coeficiente de fricción y el peralte. En la Figura 56 se muestra los ábacos ya graficados por la guía americana para determinar el coeficiente de fricción para diferentes velocidades.

118 104 Figura 56. Coeficiente de fricción Fuente: US Depto. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) Además de lograr una adecuada velocidad de diseño para los movimientos más rápidos, otro objetivo importantes es lograr velocidades coherentes para todos los movimientos. Junto con las reducciones en la velocidad, la consistencia de velocidades puede ayudar a minimizar la tasa de accidentes y la gravedad entre las corrientes opuestas de vehículos. También simplifica la tarea de fusión de las trayectorias en conflicto, minimizando las deficiencias críticas, optimizando así la capacidad de entrada. La guía americana establece tres tipos de movimientos, como se muestra en la Figura 57, en los cuales se dibuja la trayectoria más rápida, obteniendo cinco velocidades que deben ser analizadas, velocidad en la curva de entrada (V 1 ), velocidad en la curva de la isleta central (V 2 ), velocidad en la curva de salida (V 3 ), velocidad en la curva del giro a la izquierda más habitual (V 4 ) y velocidad de la curva en el giro a la derecha más habitual (V 5 ).

119 105 Figura 57. Radios de la Trayectoria Rápida Fuente: US Dept. of Transportation, Federal Highway Administration (2011) En la Figura 58 se visualizan los radios de las trayectorias rápidas calculadas de la rotonda. Una vez obtenidas dichas velocidades, se deben satisfacer las relaciones de velocidades siguientes, con el fin de conseguir que las velocidades relativas entre elementos consecutivos se minimicen y que las velocidades relativas entre los puntos conflictivos también sean mínimas. V1<V2+15 V1>V2-10 V3>V2 V1<V4+30 V5<V4+20 V2<V4+20 En la Tabla 63 se muestran los radios, sus respectivas velocidades y en la Tabla 64 se verifica el cumplimiento de las relaciones indicadas anteriormente. Tabla 63. Velocidades de trayectorias rápidas Radios (m) Peralte Coeficiente de fricción Velocidades (km/h)

120 106 Figura 58. Trayectorias rápidas Distancia de Visibilidad Tabla 64. Consistencia de velocidades V1 < V OK V1 > V OK V3 > V OK V1 < V OK V5 < V OK V2 < V OK Distancia visual de detención La guía americana recomienda chequear en las rotondas modernas por lo menos dos lugares críticos en el caso de zonas rurales, como la distancia visual de aproximación y la distancia visual de calzada circulatoria. (Figura 59).

121 107 En la guía, las distancias de visibilidad de detención en función de la velocidad, suponen una percepción de 2.5s de tiempo de frenado, y 3.4 m/s2 de desaceleración del conductor, entonces respecto a la visibilidad en la aproximación a la rotonda moderna a diseñar no existe ningún elemento que con una velocidad inicial de 100 km/h en el acceso de la carretera IIRSA Norte y 70 km/h en la vía Evitamiento Sur impida la visibilidad dentro de al menos m y m respectivamente, como indica la Tabla 20. Además, en cuanto a la visibilidad dentro de la rotonda, tampoco existe elemento alguno que impida la visibilidad a los vehículos. A continuación se muestra el cálculo para hallar la distancia de detención del vehículo (d) V2 d = (1.468 t V) + a d = ( ) + = m 3.40 Figura 59. Distancia visual de detención en la aproximación y en la calzada circulatoria de una rotonda moderna.

122 Distancia visual de intersección La guía americana, recomienda unas distancias de visibilidad en función de la velocidad que se indican en la Tabla 20 de la presente Tesis. En este caso, con una velocidad de aproximación conflictiva de 40 km/h tenemos una distancia de lado conflictivo del triángulo visual de intersección (d1 = d2) que es de m, como se observa en la Figura Análisis Operacional Final Figura 60. Distancia visual de intersección

123 Método Formula de Wardrop Asumiendo los datos finales obtenidos del diseño anterior: D= Diámetro de Circulo Inscrito = 114.0m R= Radio de Isla Central = m Aplicando la metodología de la Sección se muestran los resultados en la Tabla 65: Tabla 65. Capacidades de Entrada según el método de la Fórmula de Wardrop ACCESO W L e1 e2 e Qp W/L (m) (m) (m) (m) (m) (Veh/hora) Chulucanas Piura Vía Evitamiento

124 Método TRRL Figura 61. Método Formula Wardrop Entonces, se aplicará el Método TRRL con las mismas medidas finales del diseño de esta sección 4.7, aplicando las ecuaciones nombradas en la Sección , se obtiene lo siguiente para los tres accesos: v = 3.5 m ɸ = 25 e = 6.4 m R = 60 m D = 114 m l = 43.3 m Figura 62. Rotonda Perpendicular Método TRRL La relación lineal obtenida es Q e = Q c Q c Q e

125 Tabla 66. Capacidades de Entrada según Método TRRL. Se grafica la relación lineal de los datos de Qc y Qe (Tabla 66), la cual se observa en la Figura 63, que es la que representará la máxima capacidad de entrada y de circulación para cualquiera de los 3 accesos. Y en la Tabla 67 y Figura 64 se muestra el proceso iterativo entre todos los flujos vehiculares entrantes Capacidad de Entrada (Qe) Capacidad de Circulación (Qc)

126 112 Figura 63. Relación Qe Qc, Método TRRL Tabla 67. Proceso iterativo entre todos los flujos vehiculares entrantes. Iteración Qc1 Qe1 Qs1 Qc2 Qe2 Qs2 Qc3 Qe3 Qs3 Qc1(2) Figura 64. Proceso Iterativo Método TRRL Método HCM 2010 Para esta sección se aplica la Ecuación 15, los resultados de la capacidad de entrada de un carril con la oposición de un carril de circulación se muestran en la Tabla 36. Debe de tenerse en cuenta que para la ecuación del Método HCM 2010 no hay parámetros geométricos que influyan en el cálculo de capacidades, ya que dicha Ecuación 15 ha sido establecida por una base de datos de 85 rotondas estudiadas, minutos de operación de la capacidad y vehículos observados en Estados Unidos, tal y como se menciona en la NCHRP Reporte 572.

127 Método SIDRA Siguiendo las ecuaciones mostrados en el Capítulo 2, hallaremos la capacidad de entrada, como se muestra en la Sección D i = m, 20 D i 80 q e = 563 veh/h q c = 328 veh/h n e = n c = 1 En este caso, basándonos en el diseño americano con un diámetro de 114 m no cumplimos con los límites sugeridos por el método SIDRA que tiene límites de diámetros entre 20 m y 80 m. Por lo que, el método indica que si D i es mayor que 80 m entonces D i = 80 m, lo que implicaría un cambio de diámetro de circulo inscrito para nuestra rotonda diseñada en base a criterios estadounidenses. Para efectos comparativos no aplicaremos el método SIDRA en esta sección Relación Volumen Capacidad La relación volumen capacidad para este diseño analizado en los cuatro métodos operacionales utilizados en la presente Tesis se muestran en la Tabla 68, los gráficos comparativos de los resultados y las conclusiones se darán en los capítulos siguientes. Tabla 68. Relación Volumen Capacidad Flujo (veh/hr) Control de demora Carretera IIRSA NORTE Piura Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura Demanda (v) Capacidad Wardrop (C) Capacidad TRRL (C) Capacidad HCM 2010 (C) Capacidad SIDRA (C) x - Wardrop x TRRL x HCM x - SIDRA El control de demora para este diseño analizado en los cuatro métodos operacionales utilizados en la presente Tesis se muestra en la Tabla 69, los gráficos comparativos de los resultados y las conclusiones se darán en los capítulos siguientes.

128 114 Tabla 69. Control de demora Flujo (veh/hr) Carretera IIRSA NORTE Piura Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura Demanda (v) Capacidad Wardrop (C) Capacidad TRRL (C) Capacidad HCM 2010 (C) Capacidad SIDRA (C) d Wardrop (s/veh) d - TRRL (s/veh) d HCM 2010 (s/veh) d SIDRA (s/veh) Calidad de servicio y nivel de servicio La calidad y nivel de servicio para este diseño analizado en los cuatro métodos operacionales utilizados en la presente Tesis se muestra en la Tabla 70, los gráficos comparativos de los resultados y las conclusiones se darán en los capítulos siguientes. Tabla 70. Niveles de servicio Flujo (veh/hr) Carretera IIRSA NORTE Piura Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura Longitud de cola x - Wardrop x TRRL x HCM x - SIDRA d Wardrop (s/veh) d - TRRL (s/veh) d HCM 2010 (s/veh) d SIDRA (s/veh) NdS - Wardrop A A A NdS TRRL A A A NdS HCM 2010 B C B NdS - SIDRA La longitud de cola para este diseño analizado en los cuatro métodos operacionales utilizados en la presente Tesis se muestra en la Tabla 71, los

129 115 gráficos comparativos de los resultados y las conclusiones se darán en los capítulos siguientes. Tabla 71. Longitud de cola Flujo (veh/hr) Carretera IIRSA NORTE Piura Chulucanas Carretera Vía Evitamiento Piura x - Wardrop x TRRL x HCM x - SIDRA Capacidad Wardrop (C) Capacidad TRRL (C) Capacidad HCM 2010 (C) Capacidad SIDRA (C) Q 95 Wardrop (veh) Q 95 TRRL (veh) Q 95 HCM 2010 (veh) Q 95 SIDRA (veh) Diseño Geométrico Horizontal y Vertical Final Austroads Ltd. (Australia) La guía de Austroads denominada Guide to Road Design se divide en siete grandes capítulos, de los cuales el cuarto es para el diseño de intersecciones y cruces en general, dicho capitulo se divide en tres partes, donde la parte 4B está dedicada únicamente al diseño de rotondas modernas enfocada en la alineación, formas y dimensiones que se deben aplicar para lograr un resultado satisfactorio. Asimismo, la guía considera que las rotondas modernas bien diseñadas es la forma más segura de control en las intersecciones, ya que se han visto en numerosos estudios de un 'antes y después' que han demostrado la disminución de accidentes con heridos en las rotondas. Un cambio significativo en esta guía en comparación con la guía australiana anterior es que la deflexión ya no se utiliza como un parámetro fundamental para lograr el control de la velocidad de los vehículos en las rotondas modernas. El método de esta guía controla las velocidades del tráfico que ingresa a la rotonda, a través de la geometría de entrada de la rotonda, y no dentro de ella a través de los requisitos de deflexión donde ya es esencialmente demasiado tarde para el conductor. Los resultados de este diseño se pueden ver en el Anexo B de la presente Tesis Montar criterios generales de diseño, identificar sitios de control y establecer área disponible, alineamientos y secciones transversales Según la guía australiana, en el primer paso del diseño se deben definir los criterios generales en donde se permitirá conocer bajo que parámetros se definirá la geometría de la rotonda moderna a proyectar. En la intersección a diseñar, consiste en una vía principal que es la carretera IIRSA Norte, que va desde Piura hacia Chulucanas, Olmos y otras ciudades de la ceja de selva, y la Vía Evitamiento Sur, la que ha sido creada con el objetivo de evitar el paso de

130 116 vehículos pesados por la ciudad de Piura que llegan de la Panamericana Norte. Por lo tanto, son tres los ramales que posee la rotonda moderna a diseñar en la intersección En el número de carriles de entrada, la guía australiana menciona que son los que controlan la capacidad o nivel de servicio de las rotondas, y se requiere mantener una disposición de carriles de circulación y de salida continua a través de todo el sistema, por lo tanto, mediante el análisis de capacidad realizado en la sección 4.4 se determina que la rotonda moderna a diseñar será de un carril Seleccionar radio isla central y ancho de calzada Para hallar el radio de isla central mínimo en una rotonda moderna de un solo carril, se utilizará la tabla dada por la guía australiana que se puede ver en la Figura 65, entonces con una velocidad antes de entrar a la aproximación de la rotonda de 70 km/h y considerando que se desea disminución de velocidad entre la curva de entrada y un giro a la derecha en la calzada de circulación se obtiene un radio mínimo para la isla central m. La guía australiana menciona que el ancho de calzada de circulación depende de varios factores, el número de carriles de circulación y el radio de giro dentro de la rotonda moderna del vehículo de diseño. Por lo tanto indica usar una tabla (Figura 66) para hallar el ancho inicial de la calzada de circulación para un solo carril, sin embargo al igual que la guía americana recomienda hacer pruebas de comportamiento en la trayectoria de la rotonda diseñada mediante programas computarizados, en la presente Tesis se aplicará métodos de dibujo para hallar la trayectoria más rápida. Figura 65. Guía para la selección de la radio de la isla central mínima de una rotonda circular. Fuente: Austroads Ltd. (2011)

131 117 En la Figura 66, obedeciendo al radio de la isla central mínimo hallado anteriormente de m se obtiene un ancho de 7.50 m para nuestro vehículo de diseño de 23.00m de largo, sin embargo debido a que el ancho de la calzada de circulación es mayor al ancho de la calzada de los accesos y se generaría un aumento de velocidades dentro de la rotonda moderna, se incrementará el radio de la isla central a 30.00m, por lo tanto el ancho de la calzada de circulación será de 6.50 m. Según la guía australiana, en el caso de tener vehículos de diseño grandes, como en este caso, suele haber una opción para los vehículos grandes como utilizar zonas de invasión. Aunque, no menciona rangos de anchos para las zonas de invasión, se considerará 1.50 m de ancho incluidos en el radio considerado para la isleta central. En la Figura 67 podemos ver las dimensiones de la rotonda diseñada. Figura 66. Selección inicial de la rotonda de un solo carril de circulación anchos de calzada Fuente: Austroads Ltd. (2011)

132 118 Figura 67. Zona Central de rotonda Diseñada Islas divisoras Según la guía australiana, la isla divisora y sus marcas en el pavimento de aproximación preferentemente deben extenderse a un punto en el que se espera que los conductores reduzcan su velocidad. Además menciona, que la longitud de la isla debe ser igual a la distancia requerida para desacelerar la velocidad del vehículo. Por ejemplo, en un 100 km/h ambiente se requeriría una longitud total en una isla divisora de aproximadamente m a m de largo. Por lo tanto, en este caso para el acceso de la vía Evitamiento Sur se tendrá una isla divisora de m de largo, ya que los accesos de la rotonda aunque están diseñadas para una velocidad directriz de 70 km/h los vehículos acostumbran a alcanzar velocidades de 100 km/h a 120 km/h. En la Figura 68 se indica las dimensiones recomendadas por la guía australiana para el diseño de islas divisoras en las rotondas modernas, cabe resaltar que el funcionamiento de rotondas es diferente, ya que la entrada está al lado izquierdo y la salida al lado derecho.

133 119 Figura 68. Islas divisoras típicas en una rotonda moderna Fuente: Austroads Ltd. (2011) Asimismo, la guía australiana menciona que el uso de una aproximación directa y una sola curva de entrada producirán un descenso excesivo de la velocidad en el inicio de la entrada de una rotonda moderna en zonas de altas velocidades de funcionamiento, por lo tanto en los accesos de la Carretera IIRSA Norte se aplicará un método recomendado por la guía para lograr una disminución de velocidades en zonas rurales y la tasa de accidentes. Dicho método consta de dos curvas de aproximación inversas antes de la curva de entrada como se muestra en la Figura 69, cabe resaltar que el funcionamiento de rotondas es diferente, ya que la entrada está al lado izquierdo y la salida al lado derecho. En la Figura 70 se puede ver el diseño de isletas de la rotonda diseñada.

134 120 Figura 69. Ejemplo de construcción de la entrada con dos curvas inversas Fuente: Austroads Ltd. Sydney (2011) Figura 70. Isla divisora de Rotonda Moderna Australiana Geometría de la entrada y salida de la rotonda moderna Para la guía australiana, un radio de trayectoria de entrada apropiado en la curva de entrada es esencial para animar a los conductores a reducir la velocidad antes de llegar a la rotonda, ya que controla la velocidad de entrada del tráfico y por lo tanto el nivel de seguridad de la rotonda. Los radios de entrada para los accesos de la carretera IIRSA Norte y para la vía Evitamiento Sur son de m y m respectivamente. En el caso de la geometría de la salida de la rotonda moderna, la guía australiana indica que debe ser diseñado para que los conductores sean capaces de acelerar desde la calzada de circulación. Por lo tanto, la salida será tangencial a la isla central con un radio relativamente grande. Asimismo, los

135 121 radios de salida de esta rotonda moderna en los accesos son de m aproximadamente. Para los anchos de entrada y de salida, la guía recomienda que en el caso de vehículos de diseño grandes caso de la presente Tesis- es preferible reducir los anchos de carriles de entrada para proporcionar curvaturas adecuadas, por lo tanto los anchos de entrada y de salida serán de un promedio de 7.00 m y 9.30 respectivamente como se puede ver en la Figura Peraltes Figura 71. Entrada y Salida de Rotonda Moderna Australiana La guía australiana indica que muchas rotondas funcionan satisfactoriamente con una pendiente transversal adversa de 2,5% a 3%. Por lo tanto para el diseño de la rotonda moderna, consideraremos una pendiente de 2.5% Trayectoria vehicular Según la tabla de la guía australiana mostrada en la Figura 72 se dan radios máximos de entrada a las rotondas modernas de acuerdo a la velocidad antes de entrar a la aproximación de la rotonda, ingresando una velocidad de 70 km/h se tiene un radio máximo de trayectoria de entrada de m a m y para definirlo se aplicó un método de construcción mostrado en la Figura 73.

136 122 Figura 72. Máximo radio en la trayectoria de entrada para rotondas de un solo carril y multicarriles Fuente: Austroads Ltd. Sydney (2011) Los pasos para la construcción de la trayectoria de entrada son: Paso 1 - Cuando la curva de aproximación no es utilizada, dibujar una línea paralela al borde derecho de la carrera de salto en un desplazamiento 'D' antes de la curva de entrada. Esta línea es la trayectoria de aproximación. Cuando la curva de aproximación es utilizada, trazar esta línea a lo largo de la última curva de aproximación en el sentido de la marcha con un desplazamiento de 'M1'. Paso 2 - Dibuja una línea paralela curvada hacia el borde de la isla central con un desplazamiento 'M2'. Para una ovalada/elíptica rotonda, la línea puede comprender múltiples radios. Paso 3 - Dibuja una línea paralela curvada hacia el borde izquierdo del carril de entrada con un desplazamiento 'D'. Paso 4 - Dibuja la trayectoria de entrada. Esta es una curva circular dibujado tangencialmente a las líneas construidas en los pasos 1, 2 y 3. Este camino se aproxima al camino tomado por los conductores de automóviles de pasajeros en las entradas individuales de la rotonda de un solo carril.

137 123 Figura 73. Construcción de la trayectoria de entrada para rotondas de un carril Fuente: Austroads Ltd. Sydney (2011) La trayectoria vehicular de la rotonda diseñada en el acceso de la carretera IIRSA Norte tiene radios en su trayectoria de entrada de m y en el acceso de la vía de Evitamiento Sur tiene un radio en su trayectoria de entrada de m. Por lo tanto, según lo explicado anteriormente estos radios se encuentran en el rango recomendado por la tabla mostrada en la Figura 72. En conclusión, la rotonda moderna diseñada cumplirá con el objetivo de reducir las velocidades iniciales de los accesos hasta los 40 km/h dentro de ella como se muestra en la Figura 74. Figura 74. Trayectorias de la Rotonda Moderna Australiana

138 Distancia visual La guía australiana propone tres criterios de visibilidad como se ilustra en la Figura 75, y menciona que los dos primeros criterios son requisitos obligatorios a la vez mientras que el tercer criterio no lo es. Figura 75. Criterios de distancia de visibilidad en una rotonda Fuente: Austroads Ltd. Sydney (2011) El primer criterio debe proporcionar la distancia visual de aproximación a la rotonda moderna debe ser tal que el conductor tenga una buena vista de la isla divisoria, la isla central y la calzada de circulación. El segundo criterio se refiere a un conductor entrando en la rotonda moderna y que debe de tener la distancia visual adecuada para dos movimientos potencialmente en conflicto dentro de la rotonda, un vehículo que entra inmediatamente a la derecha y un vehículo viajando en la calzada de circulación, cabe indicar que en Australia los conductores entran a una rotonda por el lado izquierdo y en nuestro país por el lado derecho, por la tanto el movimiento a analizar en el segundo criterio es para los vehículos que entran inmediatamente a la izquierda. Por último, el

139 125 tercer criterio se trata de un triángulo visual, es decir que un conductor (coche A) cuando se acerque a la rotonda moderna sea capaz de ver a otros vehículos que entran (coche B) mucho antes de que el conductor llegue a la línea de espera. En este caso, consideraremos los tres criterios propuestos por la guía australiana para poder establecer el triángulo visual cuando los vehículos se estén aproximando a la rotonda moderna Criterio 1 La guía australiana proporciona una tabla mostrada en la Figura 76 que indica la distancia de visibilidad en la aproximación a la rotonda moderna denominada ASD (Approach Sight Distance) la cual se basa en la velocidad de los conductores antes de la curva de entrada. También indica, que dicha tabla puede aplicarse a una curva donde se utilizan curvas inversas, como en el caso de los accesos de la rotonda diseñada. El ASD se mide desde la altura del ojo de un conductor de coche (1.1 m) a nivel del pavimento (0,0 m). Figura 76. Criterio 1 Fuente: Austroads Ltd. Sydney (2011) En este caso, la ASD para los accesos de la Carretera IIRSA Norte donde se considera una velocidad máxima de 100km con un tiempo de reacción de 2 s será de m y para el acceso de la vía de Evitamiento Sur donde se considera una velocidad máxima de 70 km/h con un tiempo de reacción de 2 s será de m, como se puede ver en la Figura 77.

140 126 Figura 77. Criterio 1 Diseño Australia Criterio 2 Para el movimiento del vehículo que entra inmediatamente a la derecha, viendo la Figura 75, cuando el vehículo A se sitúe en la línea de entrada de la rotonda, debe tener una línea de visión clara hacia un vehículo que entra (vehículo B), por lo menos una distancia que represente el tiempo de viaje que le tomaría al vehículo B llegar al punto en conflicto con el vehículo A. En el caso de Perú, el movimiento del vehículo que se analiza es el que entra inmediatamente a la derecha, y según la guía australiana en un tiempo de cinco segundos con una velocidad de 50 km/h se considera una distancia de m como la distancia apropiada para rotondas en zonas rurales. En la rotonda diseñada se tiene una trayectoria entre vehículos de m, por lo tanto está dentro del límite considerado por la guía australiana, así como se puede ver en la Figura 79. Para el movimiento dentro de la rotonda, la guía australiana utiliza la tabla mostrada en la Figura 78, que se basa en la velocidad percentil 85. Entonces, para este caso la rotonda moderna en zona rural diseñada debe de tener un recorrido apropiado de m, según las mediciones se tiene un recorrido de m ( ) siendo mayor del límite admitido, porque nuestra rotonda es de 03 accesos.

141 127 Figura 78. Criterio 2 Fuente: Austroads Ltd. Sydney (2011) Figura 79. Criterio 2 Diseño Australia Criterio 3 Para la guía australiana, en referencia a la Figura 75, es deseable que el vehículo A que se aproxima a la rotonda sea capaz de ver otros vehículos que entran (por ejemplo vehículo B) mucho antes de que el conductor llegue a la línea de espera como se puede ver en la Figura 80.

142 Análisis Operacional Final Método Formula de Wardrop Figura 80. Criterio 3 Diseño Australia Asumiendo los datos finales obtenidos del diseño anterior: D= Diámetro de Circulo Inscrito = 73.0m R= Radio de Isla Central = m Aplicando la metodología de la Sección se muestran los resultados en la Tabla 72: Tabla 72. Capacidades de Entrada según el método de la Fórmula de Wardrop ACCESO W L e1 e2 e Qp W/L (m) (m) (m) (m) (m) (Veh/hora) Chulucanas Piura Vía Evitamiento Figura 81. Método Formula Wardrop

143 Método TRRL Entonces, se aplicará el Método TRRL con las mismas medidas finales del diseño de esta sección 4.7, aplicando las ecuaciones nombradas en la Sección , se obtiene lo siguiente para los tres accesos, mostrado en la Figura 82: v = 3.5 m e = 7.35 m (promedio) D = 73 m ɸ = 25 R = 58.3 m l = 111 m Figura 82. Rotonda Perpendicular Método TRRL La relación lineal obtenida es Q e = Q c

144 130 Tabla 73. Capacidades de Entrada según Método TRRL. Q c Q e Se grafica la relación lineal de los datos de Qc y Qe (Tabla 73), la cual se observa en la Figura 83, que es la que representará la máxima capacidad de entrada y de circulación para cualquiera de los 3 accesos. Y en la Tabla 74 y Figura 84 se muestra el proceso iterativo entre todos los flujos vehiculares entrantes. Tabla 74. Proceso iterativo entre todos los flujos vehiculares entrantes (unidades en veh/h) Iteración Qc1 Qe1 Qs1 Qc2 Qe2 Qs2 Qc3 Qe3 Qs3 Qc1(2)

145 Capacidad de entrada (Qe) Capacidad de circulación (Qc) Figura 83. Relación Qe Qc, Método TRRL Figura 84. Proceso Iterativo Método TRRL