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ESCOLA POLITÉCNICA - UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE TRANSPORTES

ENGENHARIA DE TRÁFEGO

3. OPERAÇÃO DO TRÁFEGO EM FLUXO CONTÍNUO Eng.Hugo Pietrantonio, D.Sc. Professor, Departamento de Engenharia de Transportes

* identifica os exercícios incluídos nesta apostila (os demais são da apostila Exercícios Complementares)

FLUXO CONTÍNUO (OU ININTERRUPTO) 1

SISTEMAS EXPRESSOS 1

OUTROS CASOS 1

FLUXO CONTÍNUO: INTERAÇÃO CORRENTE DE TRÁFEGO 2 FUNÇÃO DE DESEMPENHO: 3

VER EXERCÍCIO DESEMPENHO RESTRINGIDO 3 CONFLITOS ENTRE CORRENTES DE TRÁFEGO EM FLUXO CONTÍNUO 4

VER EXERCÍCIO INCORPORAÇÃO 7

ANÁLISE DE SEGMENTOS BÁSICOS 8 COMENTÁRIOS SOBRE PROCEDIMENTOS EXISTENTES: 13

VER SEGMENTOS BÁSICOS 13

SEÇÕES DE ENTRELAÇAMENTO 14 COMENTÁRIOS SOBRE PROCEDIMENTOS EXISTENTES: 15

VER SEÇÕES DE ENTRELAÇAMENTO 15

LIGAÇÕES EXPRESSAS (RAMAIS OU RAMPAS) 16 COMENTÁRIOS SOBRE PROCEDIMENTOS EXISTENTES: 17

VER LIGAÇÕES EXPRESSAS 17

ANÁLISE DE SISTEMAS EXPRESSOS 18 GESTÃO ESTRUTURAL E OPERACIONAL 18 COMENTÁRIOS SOBRE OS PROCEDIMENTOS 19

VER EXERCÍCIO BALANCEMENTO II * 19

Engenharia de Tráfego

FLUXO CONTÍNUO (OU ININTERRUPTO)

S

O

3

Capítulo 3. Operação do Tráfego em Fluxo Contínuo 1

condições operacionais determinadas somente por fatores "internos" à corrente de tráfego (correntes de tráfego sem fluxos conflitantes ou com prioridade).

ISTEMAS EXPRESSOS

Segmentos Especiais: área de influência de Seções de Entrelaçamento; área de influência de Ligações Expressas (rampas).

Segmentos Básicos: trechos entre as AI's (áreas de influência) mudança de relevo (se i>3% e L>0,4km ou i< 3% mas L>0,8km) mudança de geometria (seção transversal)

UTROS CASOS - Rodovias de múltiplas faixas; - Rodovias com pista simples; - Rotatórias de grande diâmetro; - Pedestres em calçada.



FLUXO CONTÍNUO: INTERAÇÃO CORRENTE DE TRÁFEGO

comportamento real: descontinuidade entre os regimes de operação!



Função de desempenho:

funções generalizadas e estendidas ( X >1):

- tipo BPR (U.S.Bureau of Public Roads/56):

T T QC Co

P= +

≅1 0 15 0 75

4

, . , ., CPonde é a Capacidade Prática

(Nível de Serviço C); ou BPR' (generalizada): T T QC= +

0 1 α

β

∴ = ⇒ = ⇒ = ⇒ = + ⇒ = =

+=

≅ ≅

=

para expr ),

X V V TL

VX T T

TT

VVf0 1

11

0 60

0 00

1 00

1

1

0, .( )

,

1

essas (0,50 a 0,55 para arteriais 3 a 6

αα

ϕ

ϕ β

com escoamento de filas para X>1 (dinâmicas):

n n Q C Tu o P= + −( ). ; tempo de escoamento t nC

nCu

u= = e t 00

∴ tempo (atraso) médio t t t nC

Q CC

Tu o

P= + = + −12 2

0( ) .

e T T X TP= + − ≅ =1 1 2 0γ γ.( ) no períod quando n0o T , onde P

(com X>1, Q é a demanda de tráfego, não o fluxo,admitido igual a C) -

analogia com interrupções: ( ) ( ) ( )TL V

TX X

X XC T

Xf

P

P

= + − +−

− −

14

1 12 0. . ..

.χ

κδ ,

para X X> 0 (senão V Vf= ), sendo usual χ = 0 8, , κ = 4 8 a , δ = 0, X0 0=

- tipo DoT (U.K.Department of Transport/85): funções empíricas representação (linear) dos quatro regimes de operação.

VER EXERCÍCIO DESEMPENHO RESTRINGIDO



Conflitos entre correntes de tráfego em fluxo contínuo

devem ser resolvidos com manobras de mudança de faixa, em velocidades próximas às de operação dos segmentos básicos

P[mudança de faixa]=P[conflito na faixa].P[oportunidade de mudança]

conflitos na faixa: mudança de via adiante, veículo lento adiante, ...

oportunidade de mudança: brecha adequada na corrente lateral ... durante o percurso paralelo à linha divisória dos fluxos ∴tempo disponível é função da velocidade praticada !

Tipos de conflito em fluxo contínuo:

incorporação

separação

entrelaçamento

ultrapassagem



Incorporação - análise teórica: capacidade por mudança de faixas.

brecha (intervalo) requerida: τ τ+ +∆Va

( ) , onde ∆ ∆V V V Vae min≅ − ≅.cosθ te

distância percorrida x VV

tmin min= −

∆2

. (não considera movimento curvo)

brecha aceita: α ε= +t min (margem de segurança, erro de percepção, ... )

- distância percorrida até ocorrência da primeira brecha adequada na faixa lateral:

espera por brecha (“fila em movimento”): ~ [ , ]d f q Le = α , qL fluxo na faixa lateral

- se a distância disponível (x e ) for suficiente:

ntd

xV d

V V qnde

e

e

e

i ei e e

e

e

≅ = = ≅~ .~( ) ~ e

- se a distância disponível ( xe ) é reduzida:

Vxd

V V n qdi

e

ee e e

e

≅ < ≅ =~ ) ~ ( e e i 11

- o valor crítico da distância de incorporação seria l i e eV d= .~

- capacidade de incorporação: [ ] [ ]C f q x d f Q q xL e e i L e= ∴ =α α, , , , ,

- existem poucos estudos de validação da análise teórica sobre a incorporação ... !

- efeitos relevantes da incorporação imperfeita: - impacto sobre o tráfego principal: decorrente de diferenciais de velocidades dos veículos que entram ou saem do fluxo principal (segurança); - distribuição dos fluxos entre faixas: sua interação com as condições de operação decorrentes da demanda/capacidade de mudança de faixa



Ultrapassagem - análise teórica: capacidade com/sem fluxo oposto.

brecha (intervalo) requerida: ξ η τ+ + + + + +t t t ti c o a , intervalo de seguimento: γ ultrapassagem: t t tmin i c= + iniciar e completar a manobra ( t ti e+ para abortá-la)

- para iniciar a manobra t tzai r

c= +2.

(com V V a tu i= + . até ponto crítico zc )

distância percorrida x tza

V zi rc

i c= +

+

2.. (admitindo V Vc u≅ )

- para completar a manobra (após ponto crítico): z d dc u l l u+ = + + +l l ε

tz

V Vcl u c

u i=

+ + −−

l l ε ( d u com V cteu ≅ ) e x t V zc c i i u c= + + + −. l l ε

visibilidade requerida L x x x t Vvu c o c c o= + + = + +δ δ . ( xi e xa não fazem parte de Lv porque a manobra pode ser abortada). - para abortar a manobra (até ponto crítico): z d dc u l+ + =ε

tV V

bV V

bzbe

u l u l c=−

+−

+

2 2. ( du com V V b tu u= − . ) e x t Ve e l= .

visibilidade requerida L x x x t Vve e o e e o= + + = + +δ δ . (do ponto crítico)

- alternativa: sinalizar proibição de ultrapassagem se { }L min L Lv vu ve,eff ,< + ∆ .

ponto crítico: L Lvu ve= (ou x xc e= ou t tc e= ...) ou zcl≅ +ε l2 )

no fluxo oposto x tza

Va rc

o= +

2.. ou x t Vb e o= . (sem alterar a velocidade Vo ).

- brecha aceita: α ε= +t min (margem de segurança, erro de percepção, ... ) extensão com ultrapassagem permitida: xu (cada trecho entre proibições) fluxo oposto: capacidade de ultrapassagem [ ]C f q xO u= α, , distribuição de velocidades desejadas: demanda por ultrapassagem Qu - formação e dissipação de pelotões: fila/atraso em movimento [ ]d f Q q xu u O u= , , ,α . - efeitos relevantes da ultrapassagem imperfeita: - impacto sobre o tráfego principal decorrente da necessidade de ajuste das velocidades de veículos que estão ou não ultrapassando (segurança).



expressões mais precisas podem ser obtidas com hipóteses mais adequadas, sem modificar as conclusões principais:

- a facilidade de incorporação depende do fluxo lateral e do diferencial de velocidade entre as correntes de tráfego (e ângulo de incorporação);

- a distância disponível para incorporação determina o número de incorporações que pode ocorrer ao longo do trecho (isto é, a capacidade de incorporação) e eventualmente determina a necessidade de reduzir a velocidade para completar a manobra !.

para ramais de acesso, a aplicação da análise teórica é direta: - a extensão de incorporação corresponde às faixas de aceleração; - na região anterior ao trecho de incorporação (e mesmo nas faixas adjacentes à faixa lateral no trecho de incorporação) também ocorrem manobras semelhantes de mudança de faixas para os fluxos que ainda não atingiram a faixa lateral !

para ramais de egresso, a manobra de separação para o fluxo de saída é direta, sendo a análise teórica anterior somente aplicável para as mudanças de faixa até a faixa lateral !

para seções de entrelaçamento, manobras de incorporação ocorrem nos dois sentidos: - a extensão de incorporação é a extensão da seção de entrelaçamento; - as mudanças de faixa interagem na criação de brechas nas faixas laterais; - nas faixas e trechos adjacentes, também há manobras de mudança de faixas - podem ser proporcionadas faixas diretas de mudança de via sem necessidade de mudança de faixa !

existem dois aspectos diferentes: a análise do ponto de vista da corrente de tráfego principal ou do fluxo que se incorpora ou separa da via principal (o efeito na via principal poderia ser descrito por um fator equivalente, mas este fator seria função das condições de operação dos fluxos conflitantes).

da mesma forma podem ser analisadas as manobras de ultrapassagem, que teriam de ponderar os pontos de vista dos veículos lentos (que são os impeditivos) ou rápidos (que são os impedidos) e mesmo do fluxo conflitante (relevante no caso de ultrapassagens imperfeitas ...).

VER EXERCÍCIO INCORPORAÇÃO



ANÁLISE DE SEGMENTOS BÁSICOS segmentos homogêneos não afetados por outras correntes de tráfego ou interrupções.

expressos: controle total de acesso, ausência de interseções em nível, separação dos sentidos de direção.

comuns: acessos em interseções em nível, abertura dos canteiros, entradas de lotes, mas ausência de semáforos (espaçamentos superiores a 3,2 km) e de interferências de estacionamentos na via, paradas de coletivos e movimentos de pedestres.

rodovias de múltiplas faixas -com canteiros -sem canteiros

rodovias de pistas simples: -2faixas/2direções -3 faixas/2 direções

Métodos de análise: muitos fatores afetam a operação

$~Vf , $

~C ~Vf , ~C Vf , C

condições básicas condições reais condições reais composição ideal composição ideal composição real

capacidade capacidade capacidade básica ideal (veq/h) básica real (veq/h) real (v/h)

a equação de continuidade q = K.V pode ser estendida para os outros casos (por exemplo, ~ ~. ~q K V= para fluxo, velocidade e densidade básicas ...).

em princípio, seria necessário conhecer todos os parâmetros da função de desempenho (Vf, Kj e α , β na função de Greenshields generalizada embora outras hipóteses e a suposição de dois regimes sejam mais utilizadas por mostrarem-se mais adequadas empiricamente).

entretanto, os parâmetros de maior interesse são: a velocidade de fluxo livre e a capacidade de tráfego (mas, em cada caso, toda a função de desempenho e seus parâmetros são diferentes).

fatores de ajuste de capacidade

fator de composição de tráfego



Condições básicas (ideais): para vias expressas

- largura de faixa: mínima de 3,60m (12ft);

- desobstrução lateral: mínima de 1,80m (6ft); ambos os lados; (canteiros não são obstruções se h < 0,20 a 0,30m).

- padrão de projeto ou velocidade de fluxo livre: V=112km/h (70 mph) rampas máximas: 3-5 %; raios mínimos: 500 - 600m; qualidade do pavimento, ...

- tipo de traçado: terreno em nível ( i < 1 a 2% ); trecho reto ( R > 1000 a 2000m )

- tráfego composto apenas por automóveis

- usuário habitual, em dias úteis

- para vias comuns: múltiplas faixas, não expressa acessos espaçados: <6 acessos/km (10/mi) pistas divididas por canteiros ( > 0,60 m ) distante de interseções e sem impedimentos adiante

- para pistas simples: 2 faixas ou 3 faixas ambos os sentidos: composição direcional 50%-50% ultrapassagem permitida em 100% ( Lv > 450m) conflitos mesmo em segmentos básicos (ultrapassagem) !

- ausência de fatores climáticos adversos.



Capacidade básica ideal: para vias expressas e múltiplas faixas

$ $C = c .N~

p

~

f (N= nº de faixas do sentido)

onde: f

~

c até 2200-2500 veq/h.fx foram observados

(os valores adotados vão até 1900-2300 veq/h.fx)

Capacidade real: para vias expressas e múltiplas faixas

~ ~C = c . Nr f (N= nº de faixas do sentido)

- condições reais: ajuste por características específicas da via (largura, ...) representa o efeito de restrições geométricas da seção e trecho

- composição de tráfego: porcentagem/fator equivalente de cada tipo veículo

- fatores ambientais: reduzem capacidade até 10 a 20% (chuva de 8 a 4%) luminosidade/pavimento em geral afetam velocidade, não capacidade!

Fator equivalente: para vias expressas e múltiplas faixas ⇒efeito do greide (declive ou aclive) da via e da porcentagem de veículos pesados.

- Hipótese Básica: usualmente admite-se eA = 1 (autos), sempre

Equivalente VP: função da relação peso/potência típica da rampa i (aclive ou declive) da extensão L do trecho, (fatores que determinam a perda de velocidade para veículos pesados)

fVP = composição de tráfego: veículos: OOCCAA epepep ⋅+⋅+⋅

1

A=autos, C=caminhões, O=ônibus... (composição do tráfego: OCA p,p,p )

usualmente eA=1,0 sempre ∴).(ep).(ep

fOOCC

VP 1111

−+−+=



Fluxo de serviço: fluxo máximo para cada Nível de Serviço (“capacidade”) (capacidade de tráfego não depende do Nível de Serviço)

Medida de eficácia: é usualmente a densidade de tráfego (em vp/km.fx) em segmentos básicos de via expressa e de múltiplas faixas (mais sensível que a velocidade às condições de operação, especialmente a liberdade de manobra, ...)

Condições básicas ideais: $~

$~

VS =qC

Cnpmax

⋅

n

max

p

Condições reais: VSn

max

n

max

r

~=

qC

C~

⋅ em veq/h, VS =

qC

Cn

max

n

max

⋅ em v/h

qC

n

max

corresponde aos valores de ~Kn ou Kn que

limitam cada nível de serviço no diagrama fundamental.

NSn é o nível de serviço que vigora para K< Kn (> Kn−1 )

ou qC

<qC

n

max

e > qC

n 1

máxtambem

−

(pode ser o mesmo, em condições básicas e condições reais)



Comentários sobre Procedimentos Existentes:

métodos mais utilizados são do U.S.Highway Capacity Manual

. ênfase tradicional na avaliação da capacidade e, atualmente, da operação . diferencia vias expressas e vias comuns (além de vias de pista simples) . critério de NS (medida de eficácia) é a densidade (depois velocidade) (porcentagem de atraso em pelotão, depois velocidade, para pista simples) . ajustes para largura de faixa, obstrução lateral, tipo de usuário número de faixas, densidade de interconexões para vias expressas existência de canteiros, densidade de acessos para vias comuns (também composição direcional e visibilidade restrita para pista simples) . efeito de rampas (ascendente/descendente) sobre o equivalente dos VP

HCM/85 (tradicional): curvas nas condições básicas apenas interação entre largura e obstruções laterais padrão geométrico baseado na velocidade de projeto geometria restringe NS na via (não apenas densidade) (HCM/94: transição entre o HCM/85 e HCM/97, com revisão parcial)

HCM/97: procedimentos novos para vias expressas e rodovias padrão da via baseado na velocidade de fluxo livre (VFL) curva básicas (autos) para condições reais (função de VFL) em ambos: geometria não restringe NS (apenas densidade) equivalentes tabelados para rampas descendentes (HCM2000: metodologia para análise integrada de sistemas expressos)

alternativa principal ao U.S.HCM é o U.K. DMRB, vol.12/13 (ou U.K.COBA9)

. fornece diretamente as curvas para condições e tráfego reais . influências principais: tipo de via e veículos pesados . curvas com perfil típico simplificados (4 regimes)

VER SEGMENTOS BÁSICOS



SEÇÕES DE ENTRELAÇAMENTO

cruzamento com manobras de mudança de faixa (mesma direção geral e trecho extenso) sem auxílio de dispositivos de controle de tráfego.

convergência seguida de divergência com operação conjunta (L<750m)

caso contrário ⇒ segregação de entrada e saída

qw :Fluxos entrelaçantes A-D,B-C qn :Fluxos não entrelaçantes A-C,B-D

q q qw w w= +1 2 ( )1= maior; 2 = menor

seções de entrelaçamento: simples múltiplas (composição)

Análise na seção de entrelaçamento: comparação do NS com e sem efeito do entrelaçamento (turbulência ⇒ efeito na velocidade ou fator equivalente)

Dados básicos: distribuição dos fluxos por faixa na entrada dos fluxos por faixa na saída brecha aceita na incorporação à faixa lateral

distância disponível para negociar mudança de faixa (L) velocidade normal praticada no trecho (t= L/V)

Medida de eficácia: em seções de entrelaçamento pode ser usada diretamente a velocidade de operação (ou a densidade de tráfego ...).




métodos mais utilizados também são do U.S.HCM (85,97 iguais)

. conceito de tipo de configuração e operação restringida . critério de NS é velocidade (entrelaçante e não entrelaçante) . previsão de velocidade baseado em equações empíricas . utiliza conceitos de fluxo básico (equivalente em condições básicas) . conceito de capacidade recebe atenção secundária (HCM2000 apenas revisou parâmetros dos modelos de previsão)

método simples do HCM/65 ainda é usado para projeto

. baseado em um fator equivalente para fluxo entrelaçante (revisão da capacidade do segmento básico) . não considera o efeito do tipo de configuração sobre a capacidade

método do U.K.DoT é semelhante ao do U.S.HCM/65

todos os métodos citados tem pouca relação com aspectos teóricos

método aproximado de Fazio usa distribuição do fluxo por faixa

a previsão da velocidade (real) permite harmonizar segmentos

falta a análise de conflitos de tráfego e potencial de acidentes

VER SEÇÕES DE ENTRELAÇAMENTO



LIGAÇÕES EXPRESSAS (RAMAIS OU RAMPAS)

ligação com velocidade compatível com a via principal (expressa) e transição com manobras de mudança de faixa.

características: junção oblíqua faixas de aceleração desaceleração

afeta a faixa lateral e toda a via.

acesso: convergência com a via principal (expressa) afeta 150m antes e 750m depois egresso : divergência da via principal (expressa) afeta 750m antes e 150m depois

efeito na via principal: turbulência (mudanças de velocidade e de faixas, ...)

redução no nível de serviço (capacidade) saturação do acesso: convergência alternada do egresso: % do fluxo total afeta especialmente as faixas laterais: faixa 1 à direita faixa n à esquerda efeito na via secundária (de ligação) é função da existência de brechas no fluxo principal, isto é, das interrupções de tráfego decorrentes.

Análise na via principal: comparação do NS com e sem o efeito da ligação expressa (turbulência ⇒ velocidade ou equivalente).

Análise nos ramais expressos: avaliação da velocidade compatível com realização da manobra e a capacidade disponível (eventual parada)

Dados básicos: distribuição do fluxo entre faixas na via principal ∴ análise em conjunto com ligação precedente diferença de velocidade e distância para manobra ∴ brecha necessária e tempo disponível (existência de faixa de aceleração/desaceleração)

Medida de eficácia: em seções de entrelaçamento pode ser usada diretamente a velocidade de operação (ou a densidade de tráfego ...).




métodos mais utilizados são também os do U.S.HCM (novas versões: operação)

HCM/97: semelhante à análise de seções de entrelaçamento

. análise enfoca principalmente o efeito na via expressa; . critério de NS é a densidade (depois velocidade); . previsão de densidade e velocidade com equações empíricas; . utiliza conceito fluxo básico (fluxo equivalente em condições básicas); . considera interação de ligações adjacentes, faixas auxiliares, ... . conceito de capacidade na ligação recebe atenção secundária. (HCM2000 tem poucos critérios adicionais, especialmente para os ramais)

HCM/85: NS baseado no volume da faixa lateral

. fluxos de serviço e capacidade para ligação expressa; . equações de volume lateral baseado em equações empíricas; . correção devido ao fluxo de pesados na faixa lateral.

método aproximado do HCM/85 usa distribuição do fluxo por faixa;

todos os métodos citados tem pouca relação com aspectos teóricos

a previsão da velocidade (real) permite harmonizar segmentos;

falta análise de conflitos de tráfego e potencial de acidentes.

VER LIGAÇÕES EXPRESSAS



ANÁLISE DE SISTEMAS EXPRESSOS

Gestão Estrutural e Operacional

Gestão estrutural: Balanceamento Demanda X Capacidade análise de gargalos operacionais

Harmonização: do nível de serviço (cada tipo de segmento) da velocidade de operação (segurança, ...)

Gestão operacional: Remoção de incidentes e obstáculos ao tráfego controle da demanda (via, acessos, ...)

Incidentes: redução temporária da capacidade (maior saturação) frequência relevante (USA: 0,196 a 0,304 por km.dia)

Seções: trechos entre pontos de entrada/saída de fluxo. trechos com características físicas homogêneas …

Segmentos: área de influência de Seções de Entrelaçamento. área de influência de Ligações Expressas (rampas)

Básicos: trechos entre as AI's (áreas de influência) mudanças de relevo (0,4km > 3% , 0,8km < 3%) mudanças de geometria (seção transversal)

Modelos de Simulação: demanda X fluxo, análise do efeito dos gargalos … simulação macroscópica X microscópica …



Comentários sobre os procedimentos

os procedimentos podem permitir a análise consistente de segmentos expressos;

ambos os procedimentos para segmentos com seções de entrelaçamento ou ligações expressas tem relação apenas indireta com a análise teórica:

. avaliam as condições de operação básicas (reais); . compatíveis com modelos macroscópicos (fluxo de tráfego); . as equações de desempenho são empíricas (formas complexas); . não incorporam fatores importantes (como as brechas e velocidades); . não analisam adequadamente a interação entre tipos de fluxos; . não analisam adequadamente a distribuição dos fluxos por faixa; . muitas das limitações são intrínsecas ao estágio teórico atual.

os procedimentos não analisam a transição da operação entre segmentos;

os procedimentos analisam situações de sobre-demanda de forma esquemática;

os procedimentos não tratam a aleatoriedade (efeito nas equações apenas);

não há recomendações para operação dos sistemas expressos:

. métodos para projetar sistemas de operação e controle de acesso; . métodos para programação de sistemas de controle de acesso; . outras formas de otimizar o desempenho de sistemas expressos.

faltam informações mais precisas sobre efeitos dos gargalos.

VER EXERCÍCIO BALANCEMENTO II *


Exercícios Capítulo 3

EXERCÍCIOS SELECIONADOS

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