DISEÑO, FASES Y TIEMPOS DE SEMÁFOROS Facultad de Ingeniería Civil
DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS
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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.
Definición de semáforos
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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.
Desventajas del uso de semáforos
Causan demoras excesivas si no se diseñan apropiadamente.
Pueden aumentar la frecuencia de accidentes en intersecciones, en particular alcances por detrás.
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La selección del tipo de control para una intersección es un proceso particular para cada caso. Cada situación es diferente y debe ser estudiada detalladamente antes de seleccionar el tipo de control adecuado para ella.
El Manual de Capacidad de Carreteras de EE.UU. (HCM), considera ciertos niveles de trafico para la instalación de semáforos, de acuerdo al detalle siguiente:
Selección del tipo de Mecanismo de Control.
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Número de Carriles en cada Acceso
Vehículo por hora en vía
ppal.1 (Total de
ambos acceso)
Vehículos por hora en el acceso de
mayor volumen de la vía menor.1 (en una sola
dirección)Vía
PrincipalVía
Secundaria
1 1 500 150
2 ó más 1 600 150
2 ó más 2 ó más 600 200
1 2 ó más 500 200
Cuadro 10.2 Volumen Mínimo de Vehículos, Requisito 1
1. Volumen Mínimo de Vehículos: Se usa cuando el volumen del tránsito que intercepta es razón principal para considerar la instalación de un semáforo.
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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
Número de Carriles en cada Acceso
Vehículo por hora en vía ppal.1
(Total de ambos acceso)
Vehículos por hora en el acceso de mayor volumen de la vía
menor.1 (en una sola dirección)Vía Principal
Vía Secundaria
1 1 750 75
2 ó más 1 900 75
2 ó más 2 ó más 900 100
1 2 ó más 750 100
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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.
Vehículos por hora en vía principal
Peatones por hora cruzando la vía principal
Sin Isla Central
Con Isla Central ≥ 1m
600
1000
150
150
Cuadro 10.4.Volumen Mínimo de Peatones, Requisito 3
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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.
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Componentes del semáforo
SI GA
PRECAUCI ON
PARE
REFLECTOR
LENTE
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Tipos de semáforo
1. Semáforos de Tiempos Fijos.2. Semáforos Accionados por el Tráfico.3. Semáforos con Control Centralizado
mediante un puesto de control.
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1. 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
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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.
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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.
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CALCULO DE LOS TIEMPOS DEL SEMAFORO
TERMINOS BASICOS
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.
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TERMINOS BASICOS
Intervalo: Cualquiera de las diversas divisiones del ciclo, durante la cual no cambian las indicaciones de señal del semáforo.
Fase: Es parte del ciclo asignada a cualquier combinación de uno o mas movimientos que reciben simultáneamente el derecho de paso, durante uno o mas intervalos. Es la selección y ordenamiento de movimientos simultáneos.
Una fase puede significar un solo movimiento vehicular, un solo movimiento peatonal, o una combinación de movimientos vehiculares y peatonales.
Secuencia de fases: Orden predeterminado en que ocurren las fases del ciclo.
Reparto: Porcentaje de la longitud del ciclo asignado a cada una de las diversas fases.
Intervalo de cambio o despeje: Tiempo de exposición en el intervalo amarillo del semáforo que sigue al intervalo verde. Es un aviso de precaución para pasar de una fase a la siguiente.
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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.
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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.
Movimientos
Calle "B"
Avenida "A"
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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.
Avenida "A"
Calle "B"
Avenida "A"
Calle "B"
FASES Fase "B"Fase "A"
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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.
v
LW
2a
vty
2a
vt
v
LW
Calculo del intervalo de cambio de fase
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Intervalo de cambio de fase
Despeje
LW
en el intervalo Amarillo
Distancia Recorrida
Aparece
totalel Amarillo
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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.
1ii
o
β1
51,5LC
LONGITUD DEL CICLO DE SEMAFOROS
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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.
1EP1EP1EP100
100f
RRBBCCvp
Donde:fvp = Factor de ajuste por efecto de vehículos pesadosPC = Porcentaje de camionesPB = Porcentaje de autobusesPR = Porcentaje de vehículos recreativosEC = Automóviles equivalentes a un camiónEB = Automóviles equivalentes a un autobúsER = Automóviles equivalentes a un vehículo recreativo
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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
vvp
ADE Ef
1
FHMD
VHMDq
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Valores para factores de vehículos equivalentes
AUTOMOVILES
EQUIVALENTES VALOR OBSERVACION
EC, EB 1,4 a 1,6 Valores comúnmente utilizados, sin embargo,
pueden ser mayores.
EC, EB 1,5 Para accesos con pendientes cercanos al 0%
con predominio de camiones livianos o medianos.
EV 1,4 a 1,6 Para vueltas hacia la izquierda.
EV 1 a 1,4 Para vueltas hacia la derecha.
FHMD 0,95 Para proyecto y diseño de planes de tiempos del
Semáforo.
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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
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actualflujo
Curva de
Verde
RojoAmarillo
Todo RojoAmarillo
en conflictoel movimiento
Fase para
el movimientoFase para
la faseTermina
fe
f'e'
y G
b
ga
TI EMPO
y gananciaDemora final
Tiempo de verdeEntreverde
inicialPérdida
efectivoflujo
Curva de
Tiempo verde efectivoDemora inicial
satu
ració
n,
sFlu
jo d
e
VER
DE S
ATU
RA
DO
CO
LA
EN
UN
PER
IO
DO
DE
TA
SA
DE D
ES
CA
RG
A D
E L
A
FLUJO DE SATURACIÓN Y TIEMPO PERDIDO
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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
TIEMPO TOTAL PERDIDO POR CICLO
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ASIGNACION DE TIEMPOS VERDES
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).
Tiempo Verde Efectivo Total (gT):
TRiAiLCgT
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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.
T
1ii
ii g
β
βg
Tiempo Verde Real (Gi), para cada fase “i”
iiii AlgG
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Ejemplo 1
La velocidad de aproximación de los vehículos a uno de los accesos de una intersección es de 60 Km/h.
La longitud promedio de los vehículos es de 6,10 metros y el ancho de la intersección es de 24 metros.
Determinar la longitud del intervalo de cambio de fase.
Datos:L = 6,10 mW = 24 mv = 60 km/h (velocidad de aproximación)Valores supuestos:Para el tiempo de percepción-reacción “t”, t = 1s.Para la tasa de deceleración “a”, a = 3,05 m/s2
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v=16,67 m/ s
Aparece
Distancia Recorrida
en el intervalo Ámbar
W=24 m L=6,1 m
Despejeel Amarillo total
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Solución:
Determinar el intercambio “y” de fase
m/s16,67s3600
h1x
km1
m1000xkm/h60v
v
LW
2a
vty
1,83,716,67
6,1024
3,052
16,67v1y
s624y
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
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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.
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VOLUMENES HORARIOS DE MAXIMA DEMANDA
VOLUMENES HORARIOS MIXTOS ACTUALES
O
S
E
N
3.63.63.0
440
358
328
509
449
2242
376
36
322
302
26
16
433
474
35
18
235
12
265
3.5
3.5
7.0
3.0
FASE 2
FASE 1
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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
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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.
011,51011,55100
100
1EP1EP1EP100
100f
RRBBCCvp
0,93f vp
0,93
1
0,95
235
f
1
FHMD
VHMDq
vp
DD
ADE/h266q D
DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS
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Vuelta a la izquierda.
1,60,93
1
0,95
18E
f
1
FHMD
VHMDq VIzq
vp
VIzq
VIzq
Vuelta a la derecha
ADE/h33q VIzq
1,40,93
1
0,95
12E
f
1
FHMD
VHMDq VDer
vp
VDerVDer
ADE/h19q VDer
Por lo tanto el flujo equivalente en el acceso Norte-Sud será
1933266qqqq VDerVIzqDT
ADE/h318qT
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Paso 3 tabulado para los diferentes accesos
ACCESO MOVIMIENTO
VHMD
(Automóviles/h) FHMD fvp
EV
(ADE)
qV
(ADE/h)
qT
(ADE/h)
Directo 474 0,95 0,93 1 537
Derecha 35 0,95 0,93 1,4 55 592
Directo 433 0,95 0,93 1 490
Este-
Oeste
Izquierda 16 0,95 0,93 1,6 29 519
Directo 322 0,95 0,93 1 364
Derecha 36 0,95 0,93 1,4 57 421
Directo 302 0,95 0,93 1 342
Fas
e 1
Oeste-
Este
Izquierda 26 0,95 0,93 1,6 47 389
Directo 235 0,95 0,93 1 266
Izquierda 18 0,95 0,93 1,6 33 Norte-Sud
Derecha 12 0,95 0,93 1,4 19
318
Directo 376 0,95 0,93 1 426
Izquierda 42 0,95 0,93 1,6 76
Fas
e 2
Sud-Norte
Derecha 22 0,95 0,93 1,4 35
537
DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS
41
NAUTOMOVILES DIRECTOS EQUIVALENTES POR HORA
3.0
7.0
3.5
3.5
266
490
29
47
342
364
57
426
76 35
519
389
421
536
3.0 3.6 3.6
318
19 33
55
537
592
E
S
O
DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS
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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.
m/s13,89s3600
h1x
km1
m1000xkm/h50v
13,89
6,110,20
3,052
13,891
v
LW
2a
vty1
s413y1
DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS
43
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.
11,11m/s3600s
1hx
1km
1000mxkm/h40v
11,11
6,117
3,052
11,111
v
LW
2a
vty2
s523y2
DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS
44
5º PASO. Tiempo perdido por fase.(li).
6º PASO. Tiempo total perdido por ciclo (L)
ii Al s3Al 11
s3Al 22
2121
2
1ii
2
1ii
1ii
1ii TRTRllTRlTRlL
s92)(13)(3L
DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS
45
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.
s
qβ imax
i
0,3291800
592
s
qβ 1max
1 0,2981800
537
s
qβ 2max
2
0,298)(0,3291
591,5
)β(β1
51,5L
β1
51,5L
β1
51,5LC
212
1ii
1ii
o
s49,6Co
s50C
DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS
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9º PASO. Tiempo verde efectivo total (gT)
10º PASO. Reparto de los tiempos verdes efectivos (gi).
950LCgT s41gT
T
1ii
ii g
β
βg
410,2980,329
0,329g
ββ
βg T
21
11
410,2980,329
0,298g
ββ
βg T
21
22
s22g1
s19g 2
DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS
47
11º PASO. Determinación de los tiempos verdes reales.(Gi).
iiii AlgG
3322AlgG 1111
3319AlgG 2222
s22G1
s19G 2
DISEÑO, FASES Y TIEMPO DE SEMAFOROS
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12º PASO. Diagrama de tiempos en dos fases
2TR1
5045
RojoVerdeRojo
2222R
48260
5025220
111
Fase 2
Fase 1
AG
Verde Rojo
R
TR
R G A
C = 50 s
Amarillo
Amarillo