Análise da Capacidade e Nível de Serviço com base na metodologia proposta pelo HCM 2000 SECÇÃO CORRENTE

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1 Análise da Capacidade e Nível de Serviço com base na metodologia proposta pelo HCM 2000 SECÇÃO CORRENTE AUTO-ESTRADAS 1

2 CAPACIDADE E NÍVEL DE SERVIÇO CAPACIDADE numa secção rodoviária é o máximo valor de fluxo que pode passar nessa secção de forma estável por pista de auto-estrada em condições ideais = 2400 vph NÍVEL DE SERVIÇO é uma grandeza que corresponde à sensação psicológica do condutor quanto à possibilidade de viajar à velocidade que pretendia Restrições de velocidade associadas ao N.S. N.S. A - raras N.S. B - esporádicas N.S. C - frequentes N.S. D - sistemáticas N.S. E - permanentes N.S. F - escoamento descontínuo 2

3 FACTORES EXPLICATIVOS DA CAPACIDADE E NÍVEL DE SERVIÇO Estes conceitos são genericamente aplicáveis a todos os modos de transporte, inclusive o pedonal Consoante o modo e o tipo de elemento da infraestrutura, são diferentes os procedimentos para o cálculo da capacidade e as grandezas mesuráveis associadas ao nível de serviço para um determinado fluxo No tráfego rodoviário, as variáveis sentidas pelo condutor que mais se relacionam com o nível de serviço são densidade percentagem de tempo em que não pode conduzir à velocidade pretendida 3

4 Análise da capacidade e Nível de Serviço - HCM 2000 Uma auto-estrada é caracterizada por: Sentidos de tráfego fisicamente separados: 2 faixas de rodagem; Pelo menos 2 pistas em cada direcção; Cruzamentos desnivelados, permitindo fluxos ininterruptos; e Fonte: A1, North Yorkshire, UK ( O acesso exclusivamente pelos nós e circulação reservada a veículos motorizados 4

5 Análise da capacidade e Nível de Serviço - HCM 2000 Podem distinguir-se três tipos de troços numa auto-estrada: Troços de Secção Corrente não afectados pelos movimentos de convergência ou divergência Rampas de Acesso pontos em que as rampas de saída/entrada entroncam na AE Zonas de Entrecruzamento secções em que dois ou mais fluxos (no mesmo sentido) se têm de cruzar, quando um ponto de convergência é logo seguido por outro de divergência 5

6 Principais Conceitos: Figura 3.12 Rampas de Acesso a uma AE 6

7 Principais Conceitos: Capacidade de uma AE (em secção corrente): Fluxo máximo de veículos que pode atravessar uma secção, de forma continuada, para as condições geométricas e de tráfego existentes (ou previstas); Definida para cada um dos sentidos, medida durante 15 minutos, e expressa em veículos ligeiros por hora e por pista (vl/h/pista) As metodologias para o cálculo da capacidade baseiam-se num conjunto de condições ideais: pistas com 3,60 m de largura; desobstrução lateral mínima de 1,80 m; pelo menos 5 pistas por sentido (áreas urbanas) ou 2 por sentido (interurbano) distâncias entre nós de pelo menos 3 km terreno plano, com declives não superiores a 2% apenas veículos ligeiros na corrente de tráfego; População de condutores composta sobretudo por utentes regulares da estrada em questão velocidade livre de pelo menos 110 km/h; possibilidade de ultrapassar em todo o percurso 7

8 Principais Conceitos: Capacidade de uma AE (em secção corrente): Para condições geométricas e de tráfego ideais considera-se que a capacidade de uma secção corrente de AE com FFS = 120 km/h pode atingir os 2400 vl/h/pista. À medida que FFS diminui há também uma ligeira redução de capacidade: para FFS = 90 km/h a capacidade esperada é de 2250 vl/h/pista Velocidade Livre (FFS): A velocidade teórica do tráfego quando a densidade é nula; Na prática é a velocidade média dos veículos quando a densidade é muito baixa (porque não há influência de uns veículos sobre outros) S FFS 0 Kj Densidade 8

9 v p D = s Auto-estradas - Secção Corrente Principais Conceitos: Nível de Serviço de uma AE (em secção corrente): Baseado na densidade pois este é o parâmetro que reflecte a influência dos veículos sobre os outros (sobre o comportamento dos condutores) A densidade pode ser obtida pela relação fundamental: D = em que D é a densidade [veic/km] V p é o fluxo horário equivalente em veículos ligeiros [vl/h] S é a velocidade média [km/h] v p s 9

10 v p D = s Auto-estradas - Secção Corrente Principais Conceitos: Nível de Serviço de uma AE (em secção corrente): A velocidade não é usada como factor explicativo no NS pois não se altera significativamente nos vários níveis de serviço S [km/hora] FFS = 120 km/hora FFS = 110 km/hora FFS = 100 km/hora FFS = 90 km/hora Vp [VL/hora/pista] Fonte: (TRB, 2000, Exhibit 13.2) 10

11 vp D = s Auto-estradas - Secção Corrente Principais Conceitos: Nível de Serviço de uma AE (em secção corrente): 11

12 Relação Velocidade - Densidade: Relação Densidade Fluxo para secção corrente D [vl/km/pista] v p [vl/hora/pista] 12

13 Relação Velocidade - Densidade: Critérios limite para cada nível de serviço consoante a velocidade livre da auto-estrada Velocidade Livre FFS = 120 km/h FFS = 110 km/h FFS = 100 km/h FFS = 90 km/h Critérios limite Densidade máxima (vl/km/pista) Velocidade mínima (km/h) Máximo rácio v/c Máximo fluxo (vl/h/pista) Densidade máxima (vl/km/pista) Velocidade mínima (km/h) Máximo rácio v/c Máximo fluxo (vl/h/pista) Densidade máxima (vl/km/pista) Velocidade mínima (km/h) Máximo rácio v/c Máximo fluxo (vl/h/pista) Densidade máxima (vl/km/pista) Velocidade mínima (km/h) Máximo rácio v/c Máximo fluxo (vl/h/pista) A B Nível de Serviço C D E

14 Metodologia para cálculo do Nível de Serviço: Calcular a Velocidade de Fluxo Livre, de que se deduz a curva de velocidade-fluxo (SFC) aplicável Determinar o fluxo de cálculo e a velocidade média sobre a curva SFC (ou por cálculo analítico) Calcular a densidade a partir do fluxo e da velocidade Calcular o Nível de Serviço (LS) a partir da densidade 14

15 Metodologia para cálculo do Nível de Serviço: 15

16 Metodologia para cálculo do Nível de Serviço: 1º passo: Determinação da Velocidade Livre (FFS) A FFS pode ser determinada através de medições no local quando o fluxo é inferior a 1300 veículos ligeiros/h/pista. Quando não é possível medir a FFS no local, esta pode ser estimada através de ajustamentos feitos a uma velocidade livre base: BFFS (Base Free-Flow Speed). Caso não haja nenhuma informação, assume-se que a BFFS é 120 km/h em auto-estradas de meio rural e 100 km/h em meio urbano ou suburbano. FFS = BFFS - f LW f LC f N -f ID Com: f LW = factor de ajustamento para o efeito da largura da pista f LC = factor de ajustamento para o efeito da desobstrução lateral direita f N = factor de ajustamento para o número de pistas f ID = factor de ajustamento para o efeito da densidade de pontos de convergência 16

17 Metodologia para cálculo do Nível de Serviço: 1º passo: Determinação da Velocidade Livre (FFS) Valores do factor de ajustamento para o efeito da largura da pista F LW Largura da pistas (m) Valores de f LW (km/h) Valores do factor de ajustamento para o efeito da desobstrução lateral direita F LC Desobstru ção lateral direita (m) Valores de f LC (km/h) Pistas numa direcção

18 Metodologia para cálculo do Nível de Serviço: 1º passo: Determinação da Velocidade Livre (FFS) Valores do factor de ajustamento para o número de pistas em zonas urbanas e suburbanas F N Em AE em zonas urbanas e suburbanas Número de pistas (num sentido) Valores de f N (km/h) Valores do factor de ajustamento para o efeito da densidade de pontos de convergência - F ID Pontos de Convergência por Quilómetro Valores de f ID (km/h)

19 Metodologia para cálculo do Nível de Serviço: 2º passo: Determinação do Fluxo Horário de Cálculo V p O fluxo de cálculo V p deve reflectir os 15 minutos mais carregados da hora analisada, em VL/H. É influenciado por factores característicos do tráfego: Tipo de tráfego Tipo de condutor com V = volume horário total (em veículos/hora) FPH = factor de ponta horário N = número de pistas na direcção V v p = FPH N f HV f p f HV = factor de ajustamento para veículos pesados f p = factor de ajustamento para o tipo de condutor 19

20 Metodologia para cálculo do Nível de Serviço: 2º passo: Determinação do Fluxo Horário de Cálculo Vp O fluxo de cálculo é o equivalente horário ao fluxo no quarto de hora de ponta, em veículos ligeiros equivalentes Deve por isso reflectir a influência dos veículos pesados, as variações de fluxo intra-horárias e as características da população condutora v A fórmula de cálculo é p em que PHF * N * f HV * f p PHF é o factor de hora de ponta, tipicamente entre 0.80 e 0.95 para áreas urbanas e algo mais baixo para áreas rurais f HV é o factor de ajustamento a veículos pesados, calculado pela seguinte fórmula f HV = = 1+ P T ( E T V 1 1) + P R ( E R 1) 20

21 Metodologia para cálculo do Nível de Serviço: 2º passo: Determinação do Fluxo Horário de Cálculo Vp P T é a % de camiões (Trucks) no tráfego e P R a % de veículos recreacionais (caravanas) no tráfego; E T e E R são os factores de conversão em veículos ligeiros equivalentes de camiões e caravanas respectivamente Tipo de Terreno Factor Plano Ondulado Montanhoso E T 4.5 E R f P é o factor de ajustamento da população, igual a 1.0 para populações de condutores regulares na estrada em análise, e podendo descer até 0.85 para estradas usadas sobretudo por tráfegos turísticos 21

22 Metodologia para cálculo do Nível de Serviço: 3º passo: Determinação da Velocidade Média a) Através do gráfico Volume Velocidade Média, em função de FFS 22

23 Metodologia para cálculo do Nível de Serviço: 3º passo: Determinação da Velocidade Média b) Por cálculo analítico Caso a FFS esteja entre 90 e 120 km/h, a velocidade média (s) pode ser dada pelas seguintes expressões (consoante os valores de FFS e do fluxo V p ): 1. Se ( FFS) Vp ( FFS): s = FFS ( 23FFS 1800) 2. Se Vp ( FFS): s = FFS 2.6 v p + 15FFS FFS

24 Metodologia para cálculo do Nível de Serviço: 3º passo: Determinação da Velocidade Média b) Por cálculo analítico 24

25 Metodologia para cálculo do Nível de Serviço: 4º passo: Determinação da Densidade e do Nível de Serviço DENSIDADE: Em que D é a densidade [veic/km] V p é o fluxo horário equivalente em veículos ligeiros [vl/h] S é a velocidade média [km/h] NÍVEL DE SERVIÇO: Determinar de acordo com densidade, de acordo com as classes do quadro D = v p s Densidade (vl/km/pista) 0 7 > 7 11 > > > > 28 Nível de Serviço A B C D E F 25

26 Metodologia para cálculo do Nível de Serviço: Figura Variação da Velocidade e Níveis de Serviço em secções correntes S [km/hora] km/h 110 km/h 100 km/h 90 km/h NS A NS B NS C NS D NS E Vp [VL/hora/pista] Nota: A capacidade varia com a FFS, sendo 2400, 2350, 2300 e 2250 vl/h/pista quando a FFS é 120, 110, 100 e 90 km/h, respectivamente. 26

27 Limitações da Metodologia : A metodologia não tem em conta: A existência de pistas reservadas a veículos de elevada ocupação; Troços em pontes extensas, em túnel ou zonas de portagens; AE com FFS inferior a 90 km/h ou superior a 120 km/h; Condições em que a procura é superior à capacidade; Influência de bloqueios a jusante ou de filas de espera; Limite de velocidade legal, influência da acção policial; Utilização de Sistemas de Transporte Inteligentes; e Existência de dispositivos de ramp metering. 27

28 Rampas Localizadas : Conceitos: Considera-se um troço extenso se a sua inclinação (i) e o seu comprimento (L) forem: i >= 3% e L < 0.5 km; ou i < 3% e L < 1 km Os troços extensos podem ser divididos em três tipos: terreno plano: quando os veículos pesados conseguem circular à mesma velocidade do que os veículos de passageiros; ou seja, quando não existem inclinações superiores a 2%; terreno ondulado: quando os veículos pesados não são obrigados a reduzir para uma velocidade inferior durante intervalos de tempo significativos ou muitas vezes. terreno montanhoso: quando os veículos pesados são obrigados a circular a uma velocidade inferior por intervalos de tempo significativos 28

29 Rampas Localizadas : Conceitos: Os segmentos que não obedeçam às condições descrita no slide anterior são considerados rampas localizadas, devendo ser analisados de forma separada; Em rampas localizadas a inclinação e o comprimento do troço influenciam o factor de conversão E T. A % de veículos pesados também influencia, porque tendem a agrupar-se e formar pelotões com características uniformes; Os valores de E T correspondentes a descidas e subidas encontramse nos quadros seguintes Em descidas o efeito dos veículos pesados é calculado como terreno plano, excepto em descidas com: L > 6,4 km e I>4%. 29

30 Rampas Localizadas : Factor de conversão de veículos pesados para VL em rampas localizadas (descidas) I (%) < > 5 6 > 5-6 > 6 > 6 L (km) qualquer 6.4 > > > 6.4 Percentagem de veículos pesados (%)

31 Rampas Localizadas : Factor de conversão de veículos pesados para VL em rampas localizadas (subidas) I (%) < > 3-4 > 4-5 > 5-6 > 6 L (km) qualquer > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > Percentagem de veículos pesados (%)

32 Rampas consecutivas : Quando existe um conjunto de rampas consecutivas traduz-se o seu efeito calculando a inclinação que teria de ter uma única rampa com o mesmo comprimento para provocar a mesma redução de velocidade dos veículos pesados. Se no conjunto de rampas consecutivas em todas I<4% de inclinação ou se o L total <1200 m: pode considerar-se uma rampa com uma inclinação equivalente encontrada através da média ponderada de todas as do conjunto. Se no conjunto de rampas consecutivas alguma tem I>4% de inclinação ou se o L total >1200 m é necessário encontrar a inclinação equivalente avaliando o impacto que cada rampa tem na velocidade dos veículos pesados que nelas circulam através do ábaco seguinte Este ábaco permite estimar a redução de velocidade de um pesado com base no comprimento (L) e inclinação (I) de uma rampa. 32

33 Rampas consecutivas : Velocidade [km/h] Curvas de aceleração e desaceleração de camiões (120 kg/kw) Comprimento [em centenas de metros] Fonte: (TRB, 2000, Exhibit A23.2) 33

34 ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: PONTOS BÁSICOS Constituem a maior parte da extensão das redes rodoviárias, a sua componente básica O desempenho dos dois sentidos de tráfego passa a ser interdependente A ultrapassagem de um veículo mais lento só pode ser feita quando há folgas suficientes no tráfego no sentido oposto Os erros de avaliação neste tipo de manobras são responsáveis por uma parte importante da sinistralidade Principais variáveis usadas para definir o nível de serviço: Percentagem de tempo seguindo outro veículo (tempos entre passagens de veículos consecutivos < 3 seg) Velocidade média (só nas ligações de maior hierarquia) Nalgumas estradas com maior tráfego constroem-se pistas de ultrapassagem, geralmente em alternância para um e outro sentido 34

35 ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: MEDIDAS DE DESEMPENHO As medidas de desempenho (capacidade e nível de serviço) são definidas para o conjunto dos dois sentidos A metodologia definida não é aplicável a segmentos com mais de 3% de declive e de 1 km de extensão (aí há métodos próprios para subidas e descidas) A capacidade em condições ideais é de 1700 vph/sentido, quase não sendo afectada pela distribuição entre sentidos Mas raramente se consegue passar de 3200 vph no conjunto 35

36 ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: CÁLCULO DOS NÍVEIS DE SERVIÇO O cálculo dos níveis de serviço é baseado nos seguintes passos Medição ou cálculo da velocidade de escoamento livre VEL (FFS = Free Flow Speed) Apuramento do Fluxo de Cálculo Factor de hora de ponta, Percentagem de pesados, Declives Cálculo dos indicadores Percentagem de tempo seguindo outro veículo; Velocidade média Determinação do Nível de Serviço 36

37 ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: VELOCIDADE LIVRE E FLUXO DE CÁLCULO A Velocidade Livre deve ser medida no terreno, para escoamentos abaixo de 200 vph na soma dos dois sentidos (amostra de pelo menos 100 veic) Quando isso não seja possível, pode usar-se uma fórmula FFS = BFFS = - f LS -f A em que f LS é um factor de ajustamento para atender a larguras de pista e de berma, e f A um factor de ajustamento para a densidade de pontos de acesso ao troço de estrada analisado O fluxo de cálculo é obtido através da expressão V p =V / (PHF * f G * f HV ) em que V p é o fluxo equivalente em veículos ligeiros para períodos de 15 min., PHF é o factor de hora de ponta, f G é o factor para atender aos declives e f HV para os veículos pesados 37

38 ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: VELOCIDADE MÉDIA E % DE TEMPO SEGUINDO A Velocidade Média de Viagem (ATS = Average Travel Speed) é obtida através de ATS = FFS 0,0125V p f np em que f np é um factor para atender à percentagem da extensão em que é proibido ultrapassar A Percentagem de Tempo Seguindo outro veículo é calculada por PTSF = BPTSF + f d/np em que BPTSF = 100 (1-exp( V p )) e F d/np é um factor que atende à distribuição do tráfego e à extensão de zonas de não ultrapassagem 38

39 ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: AJUSTE DE VELOCIDADE MÉDIA PELA PROIBIÇÃO DE ULTRAPASSAGEM 39

40 40 ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: AJUSTE DA % DE TEMPO SEGUINDO PELA DISTRIBUIÇÃO E PROIBIÇÃO DE ULTRAPASSAGEM

41 ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: NÍVEIS DE SERVIÇO O nível de serviço é F desde que O fluxo de cálculo seja superior a 3200 vph no conjunto ou superior a 1700 vph em algum dos sentidos Para fluxos de cálculo inferiores, aplicam-se os critérios dos quadros a seguir, consoante se trate de uma estrada de longo curso (em que a velocidade média é importante) ou de uma estrada local 41