MANUAL DE CAPACIDAD Y NIVELES DE SERVICIO PARA CARRETERAS DE DOS CARRILES PDF

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MANUAL DE CAPACIDAD Y NIVELES DE SERVICIO PARA CARRETERAS DE DOS CARRILES ...

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REPÚBLICA DE COLOMBIA MINISTERIO DE TRANSPORTE Instituto Nacional de Vías

UNIVERSIDAD DEL CAUCA Instituto de Estudios de Posgrado en Ingeniería Civil

MANUAL DE CAPACIDAD Y NIVELES DE SERVICIO PARA CARRETERAS DE DOS CARRILES - SEGUNDA VERSIÓN -

POPAYAN 1996

PERSONAS E INSTITUCIONES PARTICIPANTES EN LA PRIMERA VERSIÓN Este Manual es el resultado de un esfuerzo conjunto de personas, instituciones educativas y del gobierno. El contenido ha sido revisado por profesionales del Ministerio de Obras Públicas y Transporte, la Asociación de Ingenieros Consultores y la Sociedad Colombiana de Ingenieros. Su preparación se desarrolló como tema de investigación dentro del programa de Maestría en Ingeniería de Tránsito y Transporte, en la Universidad del Cauca a través del Instituto de Postgrado en Vías e Ingeniería Civil y con el apoyo del MOPT. Esta publicación responde a la necesidad de que Colombia cuente con un instrumento para evaluar el funcionamiento de las carreteras de dos carriles. PRINCIPAL INVESTIGADOR

: Dr. Guido Radelat Egües

COAUTORES

: Flor Angela Cerquera Escobar María Consuelo Lopez Archila

REDACCIÓN Y VERIFICACIÓN : Ciro Alberto Pabón García LABORES DE IMPLEMENTACIÓN Y VERIFICACIÓN: Werner Calixto Cuartas J. Henry Millán García Arturo Montenegro C. Pedro de Jesús Morón Blas Uriel Paez Oscar Ruales Morillo APOYO INSTITUCIONAL:

- Distrito de OO.PP. No.1 - Distrito de OO.PP. No.18 - Distrito de OO.PP. No.14 - Distrito de OO.PP. No.3 - Distrito de OO.PP. No.6 - Distrito de OO.PP. No.23

Beatriz Fernandez Mejía Otoniel Fernandez Ordoñez Aldemar Gonzalez Fernandez Enrique Plata Ulloa Alfonso Tique Andrade Maria Zulema Vélez Jara

-Jefe Oficina de Planeación del Ministerio de Obras - Rector de la Universidad del Cauca - Director del Instituto de Vías de la Universidad del Cauca Miembro del Consejo Nacional de Obras Públicas Miembro Consejo Nacional de Obras Públicas - Asesora del Ministerio de Obras

ESTUDIOS SOPORTE DEL MANUAL: MORENO, Luis; GUARDELA, Pedro y NIEVES, Jorge. Capacidad y Niveles de servicio en Carreteras Rurales de dos Carriles para Colombia - Fase I, Universidad del Cauca, Popayán 1987. CERQUERA, Flor Angela y LOPEZ, María Consuelo. Capacidad y Niveles de Servicio en Carreteras rurales de dos Carriles para Colombia - Fase II, Universidad del Cauca, Popayán 1990. HERRERA, Juan Carlos. Efecto de los vehículos pesados en pendientes ascendentes, Universidad del Cauca, Popayán 1991. AGRADECIMIENTOS especiales a Cesar Alsina Forero, Francisco Cerón Nohra Gómez Roa, Jaime Armando Mejía, Tomás Meneses, Rubén Darío Olarte, Fabio Villamil y Leonardo Zúñiga.

REPÚBLICA DE COLOMBIA MINISTERIO DE TRANSPORTE Instituto Nacional de Vías

UNIVERSIDAD DEL CAUCA Instituto de Estudios de Posgrado en Ingeniería Civil

MANUAL DE CAPACIDAD Y NIVELES DE SERVICIO PARA CARRETERAS DE DOS CARRILES - SEGUNDA VERSIÓN -

Convenio Interinstitucional N o 1014 de 1995, suscrito entre el Instituto Nacional de Vías y la Universidad del Cauca FUNCIONARIOS DE LAS ENTIDADES CONTRATANTES INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS: Ingeniero Guillermo Gaviria Correa Ingeniero Hernan Otoniel Fernandez O. Abogada Yolanda Pinto de Tapias Ingeniera María Consuelo López Archila

- Director General - Secretario General Técnico - Secretaria General Administrativa - Interventora

UNIVERSIDAD DEL CAUCA: Abogado Carlos Alberto Collazos M. Ingeniero Rodrigo Cajiao Valdivieso Ingeniero Fernando A. Gálvis Jiménez

- Rector - Decano Facultad de Ingeniería Civil - Director Instituto de Posgrado en Ingeniería Civil

Popayán, octubre de 1996

REPÚBLICA DE COLOMBIA MINISTERIO DE TRANSPORTE Instituto Nacional de Vías

UNIVERSIDAD DEL CAUCA Instituto de Estudios de Posgrado en Ingeniería Civil

MANUAL DE CAPACIDAD Y NIVELES DE SERVICIO PARA CARRETERAS DE DOS CARRILES - SEGUNDA VERSIÓN -

Convenio Interinstitucional N o 1014 de 1995, suscrito entre el Instituto Nacional de Vías y la Universidad del Cauca PROFESIONALES RESPONSABLES DE LA INVESTIGACIÓN: ? ASESOR INTERNACIONAL: Doctor en Ingeniería Guido Radelat Egües.

? UNIVERSIDAD DEL CAUCA: Coordinador General : Ingeniero Leonardo Zúñiga Caicedo. Investigadores Principales : Ingenieros Carlos Alberto Arboleda, Nelson Rivas, José Fernando Sánchez y Efraín Solano Investigadores Auxiliares : Ingenieros Luisa Fernanda Avalos, Hugo Daza Secretario : John Fredy Martinez. ? UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA: Ingenieros: Domingo Ernesto Dueñas y Sonia Esperanza Díaz Marquez. ? UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA: Ingenieros: Luz Yolanda Morales y Diego Eduardo Hoyos. ? PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA: Ingenieros: Jorge Alonso Prieto y Miguel Eduardo Angulo Escrucería. ? UNIVERSIDAD DEL QUINDÍO:

Ingeniero Kleber Enrique Naranjo. ? UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, Sede Medellín: Ingeniero Victor Gabriel Valencia Alaix. Popayán, octubre de 1996

TABLA DE CONTENIDO

Pág . PRESENTACION PARTE 1. DEFINICIONES Y PRINCIPIOS BASICOS

1-1

1.1. DEFINICIONES 1-1 1.1.1. Carretera de dos carriles 1-1 1.1.1.1. Tipos de terreno 1-1 1.1.1.2. Características de la vía 1-2 1.1.1.3. Definición de tramo y sector 1-3 1.1.2. Capacidad y niveles de servicio 1-4 1.1.2.1. Capacidad 1-4 1.1.2.2. Nivel de servicio y parámetros que lo describen 1-5 1.2. PRINCIPIOS BASICOS DEL MANUAL 1-7 1.2.1. Separación del cálculo de capacidad y nivel de servicio 1-7 1.2.2. La importancia de los factores geométricos sobre los de tránsito 1-7 1.2.3. Velocidad media de recorrido como medida de efectividad para el nivel de servicio 1-7 1.2.4. Aplicación de los factores de corrección 1-8 1.2.5. Uso de solamente una curva en la corrección por curvatura 1-8 1.3. IDENTIFICACION DE LOS FACTORES QUE INFLUYEN EN LA OPERACION VEHICULAR EN CARRETERAS DE DOS CARRILES 1-9 1.3.1. Características de operación fundamentales 1-9 1.3.2. Factores que influyen en la circulación del tránsito 1-9 1.4. TIPOS DE ANALISIS 1-14 PARTE 2. METODOLOGIA Y SOPORTE TECNICO

2-1

2.1. IDENTIFICACION DE SECTORES CRITICOS Y TIPICOS 2.2. DATOS DE ENTRADA 2.2.1. Variables relativas a la vía 2.2.2. Variables relativas al tránsito 2.3. METODO PARA EL CALCULO DE LA CAPACIDAD 2.3.1. Descripción de los factores de ajuste 2.3.2. Aplicación de los factores de corrección 2.4. METODO PARA EL CALCULO DEL NIVEL DE SERVICIO 8 2.4.1. Indicador de efectividad 8 2.4.2. Descripción de los factores de ajustes 8

2-1 2-1 2-2 2-3 2-5 2-5 2-7 222-

2.4.3. Aplicación de los factores de corrección 2.5. INVESTIGACIONES DE SOPORTE DEL MANUAL

2-11 2-14

PARTE 3. PROCEDIMIENTO DE APLICACIÓN

3-1

3.1. DETERMINACION DE LOS SECTORES DE ANALISIS 1 3.1.1. Sectores críticos 3.1.2. Sectores típicos 3.2. ANALISIS DE SECTORES 3.2.1. Cálculo de la capacidad 3.2.2. Cálculo del nivel de servicio

33-1 3-3 3-5 3-5 3-11

PARTE 4. EJEMPLO DE APLICACION

4-1

PARTE 5. GUIA DEL PROGRAMA DE COMPUTADOR CNS97

5-1

5.1. INTRODUCCION 5.2. INSTALACION DEL PROGRAMA 5.3. INSTRUCCIONES BASICAS DE MANEJO 5.4. Inicio del programa 5.5. Módulos del paquete

5-1 5-2 5-2 5-3 5-3

BIBLIOGRAFIA

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1. Nivel funcional de la superficie de rodadura FIGURA 2. Volumen de la hora pico versus TPDS FIGURA 3. Hoja de trabajo Nº. 1 FIGURA 4. Hoja de trabajo Nº. 2 FIGURA 5. Hoja de trabajo Nº. 1 - ejemplo FIGURA 6. Hoja de trabajo Nº. 2 - ejemplo FIGURA 7. Menú principal del programa CNS97 FIGURA 8. Opciones del menú RED_VIAL FIGURA 9. Acceso a las bases de datos de configuración FIGURA 10. Información requerida FIGURA 11. Resultados por sector de análisis FIGURA 12. Opciones del menú cálculos FIGURA 13. Efectuar cálculos en una sección aislada FIGURA 14. Menú de informes FIGURA 15. Formulación de petición para informes FIGURA 16. Modelo de informe resumido FIGURA 17. Modelo de informe detallado FIGURA 18. Menú salir al D.O.S

1-15 2-4 3-4 3-14 4-7 4-8 5-2 5-3 5-5 5-6 5-6 5-7 5-8 5-9 5-10 5-10 5-11 5-11

LISTA DE TABLAS

TABLA 1. Factores de corrección a la capacidad por pendiente 3-6 TABLA 2. Factores de corrección a la capacidad por distribución por sentidos 3-7 TABLA 3. Factores de corrección a la capacidad por efecto combinado del ancho de carril y berma 3-7 TABLA 4. Factores de corrección a la capacidad por presencia de vehículos pesados en pendientes ascendentes 3-8 TABLA 5. Factores de pico horario basados en períodos de cinco minutos suponiendo llegadas de vehículos aleatorias 3-11 TABLA 6. Velocidad media ideal de automóviles a flujo libre en pendientes ascendentes 3-15 TABLA 7. Factores de corrección al nivel de servicio por efecto de la utilización de la capacidad 3-15 TABLA 8. Factores de corrección al nivel de servicio por el estado de la superficie de rodadura 3-16 TABLA 9. Factores de corrección al nivel de servicio por efecto combinadodel ancho de carril y berma 3-16 TABLA 10. Factores de corrección al nivel de servicio por la presencia de vehículos pesados en pendientes ascendentes 3-17 TABLA 11. Factores de corrección por la presencia de vehículos pesados 3-20 TABLA 12. Velocidad máxima que permite la curva más cerrada del sector321 TABLA 13. Velocidades en km/h que determinan los niveles de servicio por tipo de terreno 3-21

PRESENTACIÓN En Colombia, como en la mayoría de los países latinoamericanos, para analizar la capacidad y los niveles de servicio, se ha venido utilizando la metodología expuesta en el manual de capacidad norteamericano 1, pero debido a las notables diferencias entre las condiciones colombianas y las norteamericanas, desde hace unos años se vienen adelantando investigaciones para obtener una metodología propia, lo que llevó a la preparación del Manual Colombiano de Capacidad y Niveles de Servicio para carreteras de dos carriles. Este manual contiene un procedimiento de análisis que proporciona información y estimaciones sobre el comportamiento operacional de una carretera de dos carriles en Colombia, con base en condiciones conocidas de la vía y del tránsito, observadas en un gran número de carreteras del país. Específicamente calcula la capacidad y el nivel de servicio de sectores de ese tipo de vías. Este manual, en su segunda versión, contiene ajustes y mejoras respecto a la primera versión; sin embargo, conserva el enfoque y filosofía del anterior. Es así como este documento es el resultado de un laborioso trabajo de investigación que busca proporcionar al ingeniero o planificador un medio para valorar aspectos críticos de las vías. Este procedimiento no debe interpretarse como norma y los resultados que brinda no deben prevalecer sobre el juicio profesional, sino que deben usarse como información adicional que sirva de base parcial a ese juicio. Las aplicaciones que tendrá el manual consisten esencialmente en estimar la capacidad y el nivel de servicio de tramos de vías y como parte de análisis de planeación, diseño y operaciones. Estas aplicaciones se describen más adelante. Al expresar la capacidad y el nivel de servicio, es esencial determinar las condiciones imperantes de la vía y del tránsito. Es bien sabido, que además de estas condiciones existen otras que también afectan la capacidad y el nivel de servicio. Entre esas otras condiciones se encuentran las atmosféricas 1

TRANSPORTATION RESEARCH BOARD. Highway capacity manual: Special Report 209. Edición de 1985. Washington, D.C. : TRB, 1985.

como son el frío, el calor, la lluvia, los vientos, la niebla, la visibilidad, etc.; sin embargo, debido a que los datos disponibles sobre ellas son limitados, la cuantificación de su efecto no se tuvo en cuenta en la segunda versión. Esta segunda versión del manual es posible gracias al interés del Ministerio de Transporte, a través del Instituto Nacional de Vías, que mediante una acción continua y progresiva de sus directivos ha apoyado esta línea de investigación, en procura de dotar al país de tecnología apropiada.

PARTE 1 . 1 DEFINICIONES Y PRINCIPIOS BÁSICOS

1.1. DEFINICIONES 1.1.1. Carretera de dos carriles. Una carretera de dos carriles puede definirse como la que tiene una calzada con un carril para cada sentido de circulación. Estas carreteras representan el mayor kilometraje de la infraestructura vial del país. Se utilizan para cumplir con una gran variedad de funciones en todas las regiones geográficas y satisfacen gran parte de las necesidades de acceso a fuentes de recursos económicos, culturales, recreativos, etc. Comunican núcleos generadores de tránsito proporcionando movilidad que es, en general, aceptable 2. Un factor que influye poderosamente en las características, costo y servicio que proporcionan las carreteras de dos carriles es el tipo de terreno que atraviesan éstas. 1.1.1.1. Tipos de terreno. Teniendo en cuenta las condiciones de relieve se consideran cuatro categorías de terreno. Se han tomado en su mayor parte las definiciones propuestas por el ingeniero Rubén Darío Olarte 3, para diferenciar los tipos de terreno existentes en el país: ? Terreno plano.

De ordinario tiene pendientes transversales a la vía menores a 5 grados. Exige mínimo movimiento de tierras en la construcción de carreteras, y no presenta dificultad ni en su trazado ni en su explanación, por lo que las pendientes longitudinales de las vías son normalmente menores del 3%.

? Terreno ondulado. Se caracteriza por tener pendientes transversales a la

vía de 6 a 9 grados. Requiere moderado movimiento de tierras, lo que permite alineamientos más o menos rectos, sin mayores dificultades en el trazado y en la explanación, así como pendientes longitudinales típicamente del 3 al 6%. 2 3

Ibid., p. 270. OLARTE R., Rubén. Sistema troncal andino. Bogotá: Subdirección de Proyectos, División de Diseños, Ministerio de Obras Públicas. Anexo 3. Marzo 13, 1989, s.p.

16

? Terreno montañoso. Las pendientes transversales a la vía suelen ser de

13 a 40 grados. La construcción de carreteras en este terreno supone grandes movimientos de tierras, por lo que presenta dificultades en el trazado y en la explanación. Pendientes longitudinales de las vías del 6 al 8% son comunes.

? Terreno escarpado. Aquí las pendientes del terreno transversales a la vía

pasan con frecuencia de 40 grados. Para construir carreteras se necesita máximo movimiento de tierras y existen muchas dificultades para el trazado y la explanación, pues los alineamientos están prácticamente definidos por divisorias de aguas, en el recorrido de la vía. Por lo tanto, abundan las pendientes longitudinales mayores del 8%. 1.1.1.2. Características de la vía. Las características de la vía son todos aquellos elementos físicos propios del diseño geométrico, que tienen influencia directa o indirecta en la capacidad y el nivel de servicio, como los que se mencionan a continuación: ? Alineamiento horizontal y vertical. En el diseño en planta o alineamiento

horizontal, la velocidad de diseño es norma de control para los radios de curvatura, los peraltes y las distancias de visibilidad que determinan la seguridad en el tránsito. Esa velocidad, por razones de economía en la explotación, debe ser la más uniforme y alta que permitan las condiciones topográficas de la zona escogida y los recursos con que se cuente para la construcción. En el diseño en perfil o alineamiento vertical, la influencia de las pendientes es notable en la restricción de las velocidades que puedan desarrollar los vehículos, particularmente los de mayor peso. El criterio general básico es el de buscar la mayor armonía posible entre ellos para lograr un proyecto debidamente equilibrado de características tales que el conductor normal pueda sin ninguna dificultad mantener una velocidad de operación que siendo próxima a la velocidad de diseño, le ofrezca ciertas condiciones mínimas de seguridad y de comodidad. ? Calzada. Es la zona de la carretera destinada a la circulación normal de los

vehículos. En carreteras de dos carriles con circulación en ambos sentidos, el ancho de la calzada está dado por la suma de los anchos de esos dos carriles.

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En el país existen especificaciones sobre el ancho de carril dependiendo del tipo de carretera; los anchos más usuales son: 3.65 m, 3.5 m, 3.3 m, 3.0 m y 2.7 m, según Falla4. ? Berma. Es la parte exterior del camino, destinada a la parada eventual de

vehículos, tránsito de peatones, bicicletas, etc., de manera que éstos no interfieran con la circulación normal de los demás vehículos. También proporcionan soporte lateral al pavimento y a veces pueden incrementar el ancho efectivo de la calzada. Los anchos de bermas más utilizados en el país son : 1.8 m, 1.5 m, 1.2 m, 1.0 m y 0.5 m5. ? Obstáculos laterales.

Todo obstáculo lateral tal como muros, árboles, postes, señales, etc., debe situarse a una distancia superior de 1.80 m6 del borde de la calzada para disminuir el riesgo de choques contra ellos y para que no constituyan una obstrucción psicológica a la circulación normal de los vehículos, lo cual puede reducir el nivel de servicio y la capacidad de la vía.

1.1.1.3. Definición de tramo y sector. Las carreteras del país han sido clasificadas mediante un sistema determinado por el antiguo Ministerio de Obras Públicas7, así: ? Ruta: Es aquella carretera cuya función primordial es la integración de

índole nacional o regional. Se identifica con dos dígitos. ? Tramo (o segmento): Subdivisión de una ruta con longitud no mayor de

150 km numeradas en forma continua. Los puntos de iniciación y terminación de cada tramo deben corresponder en lo posible a sitios o poblaciones de importancia. Se identifica con cuatro dígitos de los cuales los dos primeros son los de la ruta a la que pertenece. Para los fines de este documento se hacen las siguientes definiciones: ? Sector: Es la parte de un tramo definido para realizar un estudio de

capacidad y niveles de servicio. Se identifica con el número del tramo y las abscisas inicial y final.

4

5 6 7

FALLA LOZANO, Jaime. Criterio geométrico para el diseño de carreteras. Bogotá: Ministerio de Obras Públicas y Transporte, 1970. p.IV-1. Ibid, IV-2. Ibid, IV-1. MINISTERIO DE OBRAS PUBLICAS Y TRANSPORTE. Nomenclatura Vial. Oficina de Programación de Carreteras, 1990. 30 p.

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? Sectores críticos: Son aquéllos que presentan factores, tales como

características geométricas deficientes (altas pendientes, radios de curvatura pequeños, carriles y bermas angostas) y mal estado de la superficie de rodadura, que influyen adversamente en las velocidades de los vehículos y por ende en la capacidad de la vía. Cuando se presente gran demanda en el tramo, éste sería el primer sector en congestionarse.

? Sectores típicos: Son los que representan un conjunto medio de

condiciones que generalmente se repiten a lo largo de un TRAMO (o segmento) de una vía. Sus características se encuentran dentro de ciertos límites preestablecidos por el usuario; por ejemplo: pendientes del 3.5 al 4.4 %, carriles de 3.20 a 3.40 m, ancho de berma entre 1.60 y 1.80 m, etc. En los sectores típicos se estudia como parámetro fundamental el nivel de servicio.

1.1.2.

Capacidad y niveles de servicio

1.1.2.1. Capacidad. Se define la capacidad de una carretera de dos carriles como el máximo número de vehículos que puede circular, por un punto o tramo uniforme de la vía en los dos sentidos, durante cierto período de tiempo, en las condiciones imperantes de vía y de tránsito. La capacidad se expresa en vehículos por hora, aunque puede medirse en períodos menores de una hora. El valor de la capacidad depende de la duración del período en que se mida. Este valor de la capacidad definido para "condiciones i...