Análise da Capacidade e Nível de Serviço com base na ... · – percentagem de tempo em que não pode conduzir à ... • A velocidade não é usada como factor explicativo no

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IST / Licenciaturas Engª Civil & Engª Território – Mestrado em Transportes – Gestão de Tráfego Rodoviário

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SECÇÃO CORRENTE

AUTO-ESTRADAS

Análise da Capacidade e Nível de Serviço

com base na metodologia proposta pelo HCM 2000

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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 àsensação psicológica do condutor quanto à possibilidade de viajar à velocidade que pretendia

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

Restrições de velocidade associadas ao N.S.

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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 infra-estrutura, 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

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Auto-estradas - Secção CorrenteAnálise da capacidade e Nível de Serviço - HCM 2000

Fonte: A1, North Yorkshire, UK (www.freefoto.com)

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

• O acesso exclusivamente pelos nós e circulação reservada a veículos motorizados

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Auto-estradas - Secção CorrenteAnálise 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

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Auto-estradas - Secção CorrentePrincipais Conceitos:

Figura 3.12 – Rampas de Acesso a uma AE

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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

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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

0 Densidade

S

FFS

Kj

Velocidade Livre (FFS):

• A velocidade teórica do tráfego quando a densidade é nula;

• Na prática é a velocidade média dos veículos quando a densidade émuito baixa (porque não háinfluência de uns veículos sobre outros)

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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:

• em que D é a densidade [veic/km]

• Vp é o fluxo horário equivalente em veículos ligeiros [vl/h]

• S é a velocidade média [km/h]

s

vD p=

s

vD p=

s

vD p=

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• A velocidade não é usada como factor explicativo no NS pois não se altera significativamente nos vários níveis de serviço

s

vD p=

s

vD p=

50

60

70

80

90

100

110

120

130

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800

Vp [VL/hora/pista]

S [

km

/hora

]

FFS = 120 km/hora

FFS = 110 km/hora

FFS = 100 km/hora

FFS = 90 km/hora

1300

1450

1600

1750

Fonte: (TRB, 2000, Exhibit 13.2)

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s

vD p=

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Auto-estradas - Secção CorrenteRelação Velocidade - Densidade:

vp [vl/hora/pista]

D [v

l/km

/pis

ta]

Relação Densidade – Fluxo para secção corrente

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Auto-estradas - Secção CorrenteRelação Velocidade - Densidade:

2880.41.002250

2289.10.871955

1690.00.641440

1190.00.44990

790.00.28630

Densidade máxima (vl/km/pista)Velocidade mínima (km/h)Máximo rácio v/cMáximo fluxo (vl/h/pista)

FFS = 90 km/h

2882.11.002300

2293.80.902065

16100.00.701600

11100.00.481100

7100.00.30700


FFS = 100 km/h

2883.91.002350

2297.20.912135

16108.50.741740

11110.00.511210

7110.00.33770


FFS = 110 km/h

2885.71.002400

2299.60.922200

16114.60.771840

11120.00.551320

7120.00.35840


FFS = 120 km/h

EDCBA

Nível de ServiçoCritérios limiteVelocidade Livre

Critérios limite para cada nível de serviço consoante a velocidade livre da auto-estrada

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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

Auto-estradas - Secção CorrenteMetodologia para cálculo do Nível de Serviço:

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1º passo: Determinação da Velocidade Livre (FFS)

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 - fLW – fLC – fN - fID

Com:

fLW = factor de ajustamento para o efeito da largura da pista

fLC = factor de ajustamento para o efeito da desobstrução lateral direita

fN = factor de ajustamento para o número de pistas

fID = factor de ajustamento para o efeito da densidade de pontos de convergência

A FFS pode ser determinada através de medições no local quando o fluxo éinferior a 1300 veículos ligeiros/h/pista.

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Valores do factor de ajustamento para o efeito da largura da pista – FLW

10.63.0

8.13.1

5.63.2

3.13.3

2.13.4

1.03.5

0.03.6

Valores de fLW (km/h)Largura da

pistas (m)

Valores do factor de ajustamento para o efeito da desobstrução lateral direita – FLC

1.31.93.95.80.0

1.11.63.24.80.3

0.81.32.63.90.6

0.61.01.92.90.9

0.40.71.31.91.2

0.20.30.71.01.5

0.00.00.00.0≥1.8

≥5432

Pistas numa direcção

Valores de fLC (km/h)Desobstrução lateral

direita (m)

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Valores do factor de ajustamento para o número de pistas em zonas urbanas e suburbanas – FN

7.32

4.83

2.44

0.0≥5

Valores de fN(km/h)

Número de pistas (num

sentido)

Em AE em zonas urbanas e suburbanas

Valores do factor de ajustamento para o efeito da densidade de pontos de convergência - FID

12.11.2

10.21.1

9.21.0

8.10.9

6.00.8

5.00.7

3.90.6

2.10.5

1.10.4

0.0≤0.3

Valores de fID(km/h)

Pontos de Convergência

por Quilómetro

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2º passo: Determinação do Fluxo Horário de Cálculo Vp

O fluxo de cálculo Vp 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

fHV = factor de ajustamento para veículos pesados

fp = factor de ajustamento para o tipo de condutor

pfHVfNFPHV

pv×××

=

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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

A fórmula de cálculo éem que

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

fHV é o factor de ajustamento a veículos pesados, calculado pela seguinte fórmula

pHVp ffNPHF

Vv***

=

)1()1(11

−+−+=

RRTTHV EPEPf


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PT é a % de camiões (Trucks) no tráfego e PR a % de veículos recreacionais (caravanas) no tráfego;

ET e ER são os factores de conversão em veículos ligeiros equivalentes de camiões e caravanas respectivamente

Tipo de TerrenoFactor Plano Ondulado MontanhosoET 1.5 2.5 4.5ER 1.2 2.0 4.0

fP 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


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3º passo: Determinação da Velocidade Médiaa) Através do gráfico Volume – Velocidade Média, em função de FFS

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3º passo: Determinação da Velocidade Médiab) 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 Vp):

1. Se (3100 – 15FFS) ≤ Vp ≤ (1800 + 5FFS):

2. Se Vp ≤ (3100 - 15FFS): s = FFS

( )

+=

2.6

130020FFS

310015FFSpv180023FFS

281

-FFSs

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3º passo: Determinação da Velocidade Médiab) Por cálculo analítico

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4º passo: Determinação da Densidade e do Nível de Serviço

DENSIDADE:

Em que

• D é a densidade [veic/km]

• Vp é o fluxo horário equivalente em veículos ligeiros [vl/h]

• S é a velocidade média [km/h]

s

vD p=

NÍVEL DE SERVIÇO:

Determinar de acordo com densidade, de acordo com as classes do quadro

F> 28

E> 22 – 28

D> 16 – 22

C> 11 – 16

B> 7 – 11

A0 – 7

Nível de ServiçoDensidade (vl/km/pista)

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Figura 3.9 - Variação da Velocidade e Níveis de Serviço em secções correntes

0102030405060708090

100110120130

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800

Vp [VL/hora/pista]

S [

km

/hora

]

120 km/h

110 km/h

100 km/h

90 km/h

NS A NS B NS C NS D NS E

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.

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Auto-estradas - Secção CorrenteLimitações 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”.

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Auto-estradas - Secção CorrenteRampas 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; oui < 3% e L < 1 km

Os troços extensos podem ser divididos em três tipos:

• terreno plano: quando os veículos pesados conseguem circular àmesma 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 temposignificativos ou muitas vezes.

• terreno montanhoso: quando os veículos pesados são obrigados a circular a uma velocidade inferior por intervalos de tempo significativos

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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 ET.

• A % de veículos pesados também influencia, porque tendem a agrupar-se e formar pelotões com características uniformes;

• Os valores de ET correspondentes a descidas e subidas encontram-se 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%.

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Factor de conversão de veículos pesados para VL em rampas localizadas (descidas)

4.55.56.07.5> 6.4> 6

1.51.51.51.5≤ 6.4> 6

3.04.04.05.5> 6.4> 5 - 6

1.51.51.51.5≤ 6.4> 5 – 6

1.52.02.02.0> 6.44 – 5

1.51.51.51.5≤ 6.44 – 5

1.51.51.51.5qualquer< 4

2015105

Percentagem de veículos pesados (%)L (km)I (%)

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Factor de conversão de veículos pesados para VL em rampas localizadas (subidas)

2.02.52.53.03.54.0

2.02.52.53.03.54.0

2.02.52.53.03.54.0

2.53.03.03.54.04.5

2.53.53.54.04.55.0

2.53.54.04.55.05.5

2.53.54.04.55.05.5

3.04.04.55.05.56.0

4.04.55.05.56.07.0

0.0 – 0.4> 0.4 – 0.5> 0.5 – 0.8> 0.8 – 1.2> 1.2 – 1.6

> 1.6

> 6

1.52.02.53.03.03.5

1.52.02.53.03.03.5

1.52.02.53.03.03.5

1.52.02.53.03.03.5

1.52.02.53.03.03.5

1.52.53.03.54.04.5

1.52.53.54.04.55.0

2.03.04.04.55.05.0

2.04.04.55.05.56.0

0.0 – 0.4> 0.4 – 0.5> 0.5 – 0.8> 0.8 – 1.2> 1.2 – 1.6

> 1.6

> 5-6

1.52.02.53.03.0

1.52.02.53.03.0

1.52.02.53.03.0

1.52.02.53.03.5

1.52.02.53.03.5

1.52.53.03.54.0

1.52.53.03.54.0

1.52.53.03.54.0

1.53.03.54.05.0

0.0 – 0.4> 0.4 – 0.8> 0.8 – 1.2> 1.2 – 1.6

> 1.6

> 4-5

1.51.52.02.02.52.5

1.51.52.02.02.52.5

1.51.52.02.02.52.5

1.52.02.02.53.03.0

1.52.02.02.53.03.0

1.52.02.02.53.03.0

1.52.02.02.53.03.0

1.52.02.53.03.53.5

1.52.02.53.03.54.0

0.0 – 0.4> 0.4 – 0.8> 0.8 – 1.2> 1.2 – 1.6> 1.6 – 2.4

> 2.4

> 3-4

1.51.51.51.52.02.0

1.51.51.51.52.02.0

1.51.51.51.52.02.0

1.51.51.51.52.02.0

1.51.51.51.52.02.0

1.51.51.52.02.52.5

1.51.51.52.02.52.5

1.51.51.52.02.53.0

1.51.51.52.02.53.0

0.0 – 0.4> 0.4 – 0.8> 0.8 – 1.2> 1.2 – 1.6> 1.6 – 2.4

> 2.4

≥ 2-3

1.51.51.51.51.51.51.51.51.5qualquer< 2

2520151086542

Percentagem de veículos pesados (%)L (km)I (%)

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Auto-estradas - Secção CorrenteRampas 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 Ltotal<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 Ltotal>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.

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Auto-estradas - Secção CorrenteRampas consecutivas :

Velo

cid

ad

e [

km

/h

]

Comprimento[em centenas de metros]

Curvas de aceleração e desaceleração de camiões (120 kg/kW)

Fonte: (TRB, 2000, Exhibit A23.2)

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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 inter-dependente– 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

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• 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 hámétodos 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

ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: MEDIDAS DE DESEMPENHO

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• 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

ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: CÁLCULO DOS NÍVEIS DE SERVIÇO

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• 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 = - fLS - fAem que fLS é um factor de ajustamento para atender a larguras de pista e de berma, e fA um factor de ajustamento para a densidade de pontos de acesso ao troço de estrada analisado

• O fluxo de cálculo é obtido através da expressãoVp= V / (PHF * fG * fHV)

em que Vp é o fluxo equivalente em veículos ligeiros para períodos de 15 min., PHF é o factor de hora de ponta, fG é o factor para atender aos declives e fHV para os veículos pesados

ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: VELOCIDADE LIVRE E FLUXO DE CÁLCULO

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• A Velocidade Média de Viagem (ATS = Average TravelSpeed) é obtida através de

ATS = FFS – 0,0125Vp – fnp

em que fnp é um factor para atender à percentagem da extensão em que é proibido ultrapassar

• A Percentagem de Tempo Seguindo outro veículo écalculada por

PTSF = BPTSF + f d/np

em que BPTSF = 100 (1-exp(-0.000879. Vp)) e Fd/np é um factor que atende à distribuição do tráfego e àextensão de zonas de não ultrapassagem

ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: VELOCIDADE MÉDIA E % DE TEMPO SEGUINDO

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ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: AJUSTE DE VELOCIDADE MÉDIA

PELA PROIBIÇÃO DE ULTRAPASSAGEM

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• 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

ESTRADAS DE UMA FAIXA COM DOIS SENTIDOS: NÍVEIS DE SERVIÇO

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Análise da Capacidade e Nível de Serviço com base na ... · – percentagem de tempo em que não pode conduzir à ... • A velocidade não é usada como factor explicativo no