Este documento describe los conceptos básicos relacionados con el diseño, fases y tiempos de semáforos. Explica que los semáforos permiten el flujo ordenado del tránsito mediante luces de colores. Detalla los componentes, tipos, ventajas y desventajas de los semáforos, así como los métodos para calcular los tiempos de cada fase.

1. DISEÑO, FASES Y TIEMPOS DE SEMÁFOROS Fernando Amelunge Martínez

2. Se define como semáforo a los dispositivos electromagnéticos y electrónicos, que se usan para facilitar el control de tránsito de vehículos y peatones, mediante indicaciones visuales de luces de colores universalmente aceptados, como son el rojo, amarillo y verde. Su función principal es la de permitir el paso alternadamente a las corrientes de tránsito que cruzan, permitiendo el uso ordenado y seguro del espacio disponible. 2 Definición de semáforos DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

3. Ventajas de los semáforos Hacen que el tránsito se desenvuelva de manera ordenada, asignando el derecho de vía a diversos movimientos. Permiten el flujo de tránsito de calles menores a través de arterias mayores y más congestionadas. El uso de estos es más eficiente y económico que cualquier método manual. 3 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

6. 1. Volumen Mínimo de Vehículos: Se usa cuando el volumen del tránsito que intercepta es razón principal para considerar la instalación de un semáforo. Cuadro 10.2 Volumen Mínimo de Vehículos, Requisito 1 6 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

7. 2.Interrupción del Flujo Continuo del Tránsito: Se usa cuando el tránsito en la vía secundaria sufre demoras excesivas o altos riesgos al cruzar la vía principal. Cuadro 10.3 Volumen Mínimo de Vehículos, Requisito 2 7 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

8. 3.Volumen Mínimo de Peatones: Se usa cuando existe un número significativo de peatones que desean cruzar una calle y el volumen de vehículos de la calle es tal que les impide cruzar la calle sin demoras excesivas o con altos riesgos. Cuadro 10.4. Volumen Mínimo de Peatones, Requisito 3 8 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

9. 4.Experiencia de Accidentes: Es usada para justificar la instalación de un semáforo cuando en un periodo de 12 meses han ocurrido más de cinco (5) accidentes que puedan ser corregidos con la instalación de un semáforo. 5.Cruces Escolares: Se instala un semáforo cuando en un estudio de la frecuencia de brechas adecuadas en el flujo de vehículos, relacionadas con el número y tamaño de los grupos de niños cruzando las calles, es menor al número de minutos que dura el estudio 6.Progresión: Se justifica la instalación de un semáforo cuando es necesario mantener las agrupaciones y velocidades de vehículos apropiadas para obtener flujo continuo de vehículos en una calle. Idealmente, no se deben instalar semáforos a menos de 300 mts entre uno y otro. 7.Sistemas: Se justifica la instalación de un semáforo cuando la intersección común de dos rutas principales tienen un volumen existente de 800 vph durante las horas pico de cualquier día típico de la semana o en cada una de cinco horas en un sábado o domingo. 9 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

10. Componentes del semáforo 10 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

11. DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS 11

12. Tipos de semáforo Semáforos de Tiempos Fijos. Semáforos Accionados por el Tráfico. Semáforos con Control Centralizado mediante un puesto de control. 12 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

13. Semáforos de tiempo fijo Se utilizan en intersecciones donde el flujo de tránsito no presentan variaciones importantes en el tiempo, y que no ocasionen demoras o congestionamientos excesivos. Por su sencillez este tipo de semáforos ha sido hasta ahora el mas utilizado en nuestras zonas urbanas, especialmente cuando se emplean varios semáforos próximos entre si. Es amplio uso en la ciudad de Santa Cruz 13 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

14. 2. Semáforos accionados por el tráfico Estos semáforos reciben información del número de vehículos que llegan por los accesos a través de detectores que se instalan en dichos accesos. Teniendo en cuenta las intensidades de tráfico el regulador del semáforo decide si debe o no cambiar la fase. Existen limitaciones de duración máxima y mínima de cada fase para evitar largas esperas, estas duraciones se adaptan automáticamente a las variaciones del tráfico a través del regulador. Los semáforos accionados por el tráfico son ideales para intersecciones en carreteras. 14 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

15. 3. Semáforos con control centralizado Este tipo de semáforos reciben órdenes de un ordenador central, que es el encargado de controlar todos los semáforos de una zona. Este ordenador recibe información del tráfico por medio de detectores colocados en lugares estratégicos y decide lo que conviene realizar en cada momento. Estos semáforos son utilizados en grandes zonas urbanas. 15 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

16. CALCULO DE LOS TIEMPOS DEL SEMAFORO TERMINOS BASICOS DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS 16 Indicación de señal: Se refiere al encendido de una de las luces del semáforo o una combinación de varias luces al mismo tiempo. Ciclo o Longitud de ciclo: Tiempo necesario para que el semáforo efectúe una revolución completa o secuencia completa de todas las indicaciones de señal del semáforo. Movimiento: Maniobra o conjunto de maniobras de un mismo acceso que tienen el derecho de paso simultáneamente y forman una misma fila.

18. TERMINOS BASICOS Intervalo todo rojo:Exposición de una indicación roja para todo el tránsito que se prepara a circular. Es utilizado en la fase que recibe el derecho de paso después del amarillo de la fase que lo pierde, con el fin de dar un tiempo adicional que permita a los vehículos despejar la intersección antes de que los vehículos, que lo ganan, reciban verde. Se aplica sobre todo en aquellas intersecciones que sean excesivamente anchas. También puede ser utilizado para crear una fase exclusiva para peatones. Intervalo de cambio de fase: Intervalo que puede consistir solamente en un intervalo de cambio amarillo o que puede incluir un intervalo adicional de despeje todo rojo. El intervalo de cambio de fase, tiene como función principal alertar al usuario de un cambio en la asignación del derecho al uso de la intersección. Se deberá considerar el tiempo de percepción-reacción del conductor, la deceleración y finalmente el tiempo necesario de despeje de la intersección. 18 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

19. Para obtener un mínimo de demoras, cada fase debe incluir el menor numero de movimientos simultáneos. Así se lograr admitir un mayor volumen de vehículos en la intersección.Una fase consta de un intervalo amarillo, uno todo rojo y uno verde. 19 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

20. En la figura se muestra una intersección de cuatro accesos operada con un semáforo de dos fases.En el se puede observar los movimientos correspondientes a cada fase.La distribución de los tiempos en cada fase esta en relación directa con los volúmenes de transito de los movimientos correspondientes. 20 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

21. Intervalo de cambio = Amarillo + Todo Rojo Tiempo necesario para recorrer la distancia de parada. Tiempo necesario para cruzar la intersección. Donde: y = Intervalo de cambio de fase, amarillo mas todo rojo (s) t = Tiempo de percepción-reacción del conductor (usualmente 1 s.) v = Velocidad de aproximación de los vehículos (m/s) a = Tasa de deceleración (Valor usual 3,05 m/s2) W = Ancho de la intersección (m) L = longitud del vehículo (valor sugerido 6.10 m) La velocidad de aproximación ”v”, se refiere a la velocidad límite prevaleciente o al percentil 85 de la velocidad P85. 21 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS Calculo del intervalo de cambio de fase

22. Intervalo de cambio de fase 22 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

23. F. V. Webster, demostró que la demora mínima de todos los vehículos en una intersección con semáforo, se puede obtener para una longitud de ciclo óptimo de: Donde: Co = Tiempo óptimo de ciclo (s) L = Tiempo total perdido por ciclo (s) βi = Máximo valor de la relación entre el flujo actual y el flujo de saturación para el acceso o movimiento o carril crítico de la fase i. este valor depende del flujo vehicular en cada acceso i. φ = Número de fases del semáforo. Los valores aceptables para la longitud de ciclo esta entre el 75% y el 150% del ciclo óptimo y las demoras no serán mayores en más del 10% al 20% de la demora mínima. 23 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS LONGITUD DEL CICLO DE SEMAFOROS

24. VEHÍCULOS EQUIVALENTES La existencia de vehículos pesados y movimientos hacia la izquierda y hacia la derecha hace necesario introducir factores de ajustes, convirtiendo estos vehículos y estos movimientos en vehículos equivalentes, para tener un parámetro de medición igual. El tipo de vehículo ya sea ligero, pesado o comercial más la dirección de su movimiento ya sea de frente, hacia la izquierda o hacia la derecha hicieron necesario el uso de factores de equivalencia. Donde: fvp = Factor de ajuste por efecto de vehículos pesados PC = Porcentaje de camiones PB = Porcentaje de autobuses PR = Porcentaje de vehículos recreativos EC = Automóviles equivalentes a un camión EB = Automóviles equivalentes a un autobús ER = Automóviles equivalentes a un vehículo recreativo 24 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

25. Donde: qADE = Flujos de automóviles directos equivalentes Ev =Automóviles directos equivalentes (ver tabla) VHMD = Volumen horario de máxima demanda FHMD = Factor de hora de máxima demanda fvp = Factor de ajuste por efecto de vehículos pesados 25 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

26. Valores para factores de vehículos equivalentes 26 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

27. FLUJO DE SATURACIÓN Y TIEMPO PERDIDO Cuando el semáforo cambia a verde, el paso de los vehículos que cruzan la línea de alto, se incrementa rápidamente a una tasa llamada flujo de saturación. La cual permanece constante hasta que la fila de vehículos se disipa o hasta que termina el verde. La tasa de vehículos es menor durante los primeros segundos, mientras los vehículos aceleran hasta alcanzar una velocidad de marcha normal. EL FLUJO DE SATURACION ES LA TASA MAXIMA DE VEHICULOS QUE CRUZAN LA LINEA, CUANDO EXISTEN FILAS Y ESTAS AUN PERSISTEN HASTA EL FINAL DEL PERIODO VERDE. EL HCM 2000 DEFINE UN FLUJO DE 1800 VPHPC 27 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

28. 28 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS FLUJO DE SATURACIÓN Y TIEMPO PERDIDO

29. Del diagrama anterior, se puede deducir: Tiempo perdido por ciclo = Σ (Ai + TRi) Donde : A = intervalo amarrillo en segundos TR = intervalo todo rojo en segundos DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS 29 TIEMPO TOTAL PERDIDO POR CICLO

30. ASIGNACION DE TIEMPOS VERDES Tiempo Verde Efectivo Total (gT): Donde: gT = Tiempo verde efectivo total por ciclo disponible para todos los accesos. C = Longitud actual del ciclo (redondeando C0 a los 5 segundos mas próximo). 30 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

31. Distribución del tiempo verde en las diferentes fases Donde: βi = Máximo valor de la relación entre el flujo actual y el flujo de saturación para el acceso o movimiento o carril critico de cada fase “i”. φ = Número de fases. 31 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS Tiempo Verde Real (Gi), para cada fase “i”

33. L = 6,10 m

34. W = 24 m

35. v = 60 km/h (velocidad de aproximación)

36. Valores supuestos:

37. Para el tiempo de percepción-reacción “t”, t = 1s.

39. Solución: Determinar el intercambio “y”de fase Nota: El intervalo de fase es de 6 segundos, compuesto por 4 segundos de amarillo y 2 segundos de todo rojo. Valores muy usuales en este tipo de intersecciones 34 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

40. Ejemplo 2 En la figura se muestran los volúmenes horarios mixtos en la intersección. Suponiendo que el flujo de saturación característico en la intersección es de 1800 automóviles directos equivalentes por hora de luz verde por carril, en todos los accesos el porcentaje de camiones y autobuses es 5% y 10% respectivamente, finalmente el FHMD es de 0,95. Determinar el reparto de los tiempos del semáforo utilizando un plan de dos fases con vueltas a la izquierda permitidas (estas vueltas no serán protegidas debido a sus bajos volúmenes). La fase 1 maneja el sentido Este-Oeste y viceversa (EO-OE) y la fase 2 el sentido Norte-Sud y viceversa (NV-SN). Las velocidades de aproximación de EO-OE y de NS-SN son 50 km/h y 40km/h respectivamente. 35 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

41. VOLUMENES HORARIOS DE MAXIMA DEMANDA 36 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

42. Datos: s = 1800 automóviles directos equivalentes (tasa máxima de vehículos que cruzan la línea de ALTO) PC = 5 % PB = 10 % FHMD = 0,95 EC = EB = 1,5 (ver tabla Nº 7.1) EVIzq = 1,6 automóviles directos equivalentes (ver tabla Nº 7.1) EVDer = 1,4 automóviles directos equivalentes (ver tabla Nº 7.1) Velocidad de aproximación: vEO-OE = 50 km/h vNS-SN = 40 km/h Número de fases, φ = 2 37 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

43. Solución 1º PASO. Determinar el factor de ajuste por efecto de vehículos pesados 2º PASO. Determinar los factores por movimientos de vuelta.(ver tabla ) Ev izquierda = 1,6 ADE Ev derecha = 1,4 ADE 3º PASO. Flujos de automóviles directos equivalentes (ADE). Acceso Norte-Sud: Movimiento directo. 38 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

44. Vuelta a la izquierda. Vuelta a la derecha Por lo tanto el flujo equivalente en el acceso Norte-Sud será 39 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

45. Paso 3 tabulado para los diferentes accesos 40 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

46. 41 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

47. 4º PASO. Cálculo de la longitud de los intervalos de cambio para cada fase L = 6,1 m ; t = 1 s ; a = 3,05 m/s2 Fase 1 (accesos Este y Oeste): Ancho efectivo = W = 3 + 3,6 + 3,6 = 10,2 m Sabemos que para el acceso EO-OE la velocidad es Amarillo = A1 = 3 s. Todo Rojo = TR1 = 1 s. 42 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

48. Fase 2 (accesos Norte y Sud): Ancho efectivo = W = 3 + 7 + 3,5 + 3,5 = 17 m Sabemos que para el acceso NS-SN la velocidad es Amarillo = A2 = 3 s. Todo Rojo = TR2 = 2 s. 43 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

49. 5º PASO. Tiempo perdido por fase.(li). 6º PASO. Tiempo total perdido por ciclo (L) 44 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

50. 7º PASO. Máximas relaciones de flujo actual (q) a flujo de saturación (s) por carril para cada fase “i”. q1 máx. = Flujo critico o máximo por carril de la fase “1”. q2 máx. = Flujo critico o máximo por carril de la fase “2”. 8º PASO. Cálculo de la longitud del ciclo óptimo (Co) según Webster. 45 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

51. 9º PASO. Tiempo verde efectivo total (gT) 10º PASO. Reparto de los tiempos verdes efectivos (gi). 46 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

52. 11º PASO. Determinación de los tiempos verdes reales.(Gi). 47 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

53. 12º PASO. Diagrama de tiempos en dos fases 48 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS

54. 49 DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS