Progetto di una intersezione stradale semaforizzata

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1 Paolo Martns Preone, Unverstà degl Stud d Treste Facoltà d Ingegnera Corso d Panfcazone de Trasport Prof. Govann Longo Anno Accademco Progetto d una ntersezone stradale semaforzzata

2 Indce NOTE DI TEORIA 3 PIANO SEMAFORICO 4 Acquszone de dat 5 Anals delle corrent 5 Struttura del pano 7 Calcolo del pano 7 Valutazone 8 ESERCITAZIONE 10 Introduzone 10 Dat 10 Anals delle corrent 11 Struttura del pano 12 Calcolo del pano 13 Valutazone del pano 15 Pano con cclo d 70s 16 2

3 Note d teora Un sstema d regolazone semaforca può essere defnto come un nseme d segnalazon lumnose che dscplnano l avanzamento, sfalsato nel tempo, d due o pù corrent d traffco su una o pù ntersezon. L nseme de dspostv che servono a realzzare l ntersezone semaforca d un ntersezone costtusce l IMPIANTO SEMAFORICO; n esso s dstnguono: le lanterne, vecolar o pedonal, che regolano l movmento delle corrent d traffco; l centralno, che comanda la sequenza e la durata d accensone delle luc delle lanterne, costtuto da un crcuto d potenza, da un untà logca e da un apparato d rcezone e trasmssone; rvelator d traffco che, quando present, permettono d segnalare al centralno la presenza d pedon o vecol su var ram dell ntersezone; gl apparat auslar, qual pal d sostegno, tubazon, cav elettrc, I sstem d controllo del centralno possono essere d var tp: - manuale, ossa con la presenza d un operatore che comanda l centralno per mezzo d pulsant; - a temp fss, ossa con tempo d cclo e stant d accensone e spegnmento costant nel tempo; - attuato, ossa con tempo d cclo e stant d accensone e spegnmento tarat da un elaboratore n funzone d fluss msurat n tempo reale; - semattuato, ossa con le corrent prncpal che seguono ccl predefnt e le corrent secondare che rcevono la va lbera solo quando sono present; - a selezone d pano, ossa con la possbltà d sceglere dvers pano predefnt n base al perodo dell anno, della settmana o della gornata; Il centralno può comuncare con un untà logca CA (controllore d area per pù semafor) che a sua volta può comuncare con un sstema centrale SC (tutt semafor dell Ammnstrazone): gl nput a sstem d controllo provengono dal SC, dal CA se s rompe o non funzona l collegamento con l SC, dall untà logca locale se s rompe o non funzona l collegamento con la CA. Qualora l untà logca non funzon entra n funzone l gallo lampeggante su tutte le lanterne e l ntersezone dventa una normale ntersezone a precedenza. In un qualsas mpanto d regolazone semaforca s dstnguono seguent temp: l TEMPO DI ARRESTO, assocato al colore ROSSO, durante l quale vecol non devono superare la strsca d arresto; l TEMPO DI VIA LIBERA, assocato al colore VERDE, durante l quale vecol possono procedere verso le drezon consentte dalla segnaletca lberando l ntersezone nel pù breve tempo possble; l TEMPO DI PREAVVISO D ARRESTO, assocato al colore GIALLO, durante l quale vecol non devono superare la strsca d arresto a meno che, all stante d accensone della luce galla, non sano n condzon d arrestare l vecolo n condzon d scurezza; l TEMPO DI SGOMBERO, durante l quale è consentto a vecol che hanno gà mpegnato l area d ntersezone d sgomberarla l pù presto possble prma che venga dato l verde alle altre corrent. 3

4 Nell ambto d un ntersezone stradale a raso dove la crcolazone è regolata medante un mpanto semaforco dcamo: CORRENTE l nseme d utent che effettuano le manovre comandate da un segnale semaforco e relatve ad un gruppo d corse; LANTERNA l dspostvo atto a produrre un segnale lumnoso; SEGNALE un nseme d lanterne collegate fscamente n parallelo tra d loro; ogn segnale dà nformazon ad una sola corrente; GRUPPO DI SEGNALI l collegamento d pù segnal tra loro; CICLO la sequenza d nformazon semaforche che rtornano alla condzone d partenza dopo un certo lasso d tempo, detto PERIODO DI CICLO; FASE la parte del cclo alla quale vene assegnato contemporaneamente l verde a tutte le corrent tra d loro compatbl; TRANSIZIONE DI FASE l perodo d tempo nel quale vare corrent compatbl hanno color dfferent. Un dscorso mportante va fatto per lo SMALTIMENTO DEI FLUSSI che attraversano un ntersezone: l flusso d saturazone, ossa quello che porterebbe alla creazone d code non smaltbl e qund al blocco dell ntersezone, è calcolable a partre da numero, larghezza e lunghezza delle corse e s può approssmare a crca 0.5vecol s per ogn corsa; non tutto l tempo d verde è utle a fn dello smaltmento, n quanto avremo poch vecol nel perodo mmedatamente successvo all accensone e alcun vecol dopo l perodo d spegnmento. Faremo così rfermento al VERDE EFFICACE, ossa alla durata d verde equvalente al verde reale n termn d flusso: flusso s l1 l2 andamento reale a(t) verde effcace V+ G vecol AV Veffs a() t dt Veff V+ G 1 s 0 a() t dt 0 tempo Pano semaforco Il PIANO SEMAFORICO è l nseme delle nformazon che descrvono l ntersezone semaforzzata e consste nella defnzone: della durata del cclo; degl stant d accensone e spegnmento de dvers color per tutt segnal; coerentemente con l anals de fluss che s hanno nell ntersezone e nel rspetto d cert standard d scurezza per la crcolazone. In base alle dsposzon delle drettve mnsteral talane e della tecnca descrtta dall HCM amercano possamo rassumere le fas del progetto con l dagramma a pagna seguente: 4

5 ACQUISIZIONE de DATI ANALISI delle CORRENTI STRUTTURA del PIANO CALCOLO del PIANO VALUTAZIONE FASE ESECUTIVA Acquszone de dat Il processo d acquszone de dat consste n due fas: nella prma s analzza la geometra dell ntersezone e nella seconda s analzza la domanda, regstrando dat d traffco. Per quest ultma operazone s procede soltamente con l conteggo de vecol equvalent che effettuano ogn manovra nell untà d tempo; tale untà sarà l cclo semaforco nel caso d ntersezone gà semaforzzata o 15 mnut nel caso d un nuovo semaforo. Nel caso della progettazone d una nuova ntersezone s consdereranno rsultat della modellazone. Anals delle corrent Il processo d anals delle corrent consste: nell dentfcare le corse o grupp d corse relatvamente alle manovre che ntendamo far compere; nel defnre l tempo d gallo; nel defnre l tempo d scurezza. I TEMPI DI GIALLO da defnre sono due: l tempo d gallo VEICOLARE è un ntervallo che dpende fondamentalmente dalla veloctà d progetto de ram dell ntersezone, ed è soltamente nell ordne d grandezza de 3 5s ; l tempo d gallo PEDONALE dpende fondamentalmente dalla larghezza del ramo da attraversare, poché s assume per l pedone una veloctà standard d 1.5m s: L G p 1.5 I TEMPI DI SICUREZZA sono l elemento chave dell ntero pano semaforco, n quanto un eventuale errore del progettsta nella loro defnzone comporta notevol problematche per la scurezza stradale ed è punto penalmente. In generale l tempo d scurezza T s va calcolato per le corrent non compatbl, ossa che hanno punt d confltto tra loro, e va asscurato tra la fne del verde d una delle due corrent e l nzo del verde dell altra. 5

6 Defnamo PUNTO DI CONFLITTO tra due corrent l punto nel quale s ntersecano le traettore d due vecol appartenent cascuno ad una delle due corrent; n molte punt d confltto stuazon punt d confltto sono pù d uno, così a fn del calcolo consderamo l punto d CONFLITTO CRITICO, defnto come l punto confltto crtco pù lontano per la corrente uscente (alla quale è fnto l verde) e pù vcno alla corrente entrante (alla quale l verde è nzato). Dobbamo noltre msurare le lunghezze d ngresso L e d uscta L e, ossa le dstanze del punto d confltto crtco dalle due lnee d attesto. Il tempo d scurezza sarà: Ts tu + te t dove t u tene conto degl utent che passano con l gallo t e è l tempo d sgombero t è l tempo d ngresso Il tempo d sgombero è quello necessaro al vecolo che parte con l muso nella lnea d arresto per oltrepassare con la coda l punto d confltto: Le + Lv te vme, La lunghezza del vecolo L v può essere assunta par a 0 per le bcclette, 6m per vecol legger e 15m per autobus, tram e mezz pesant. Il tempo d ngresso è quello necessaro al vecolo che parte dall attestamento per arrvare con l muso al punto d confltto: L t vm, 40 m h La normatva prescrve d assumere vm, 12m s per vecol legger e m h vm, 6 m s per gl autobus lontan dalla fermata; noltre propone le veloctà 3.6 mede n uscta e temp t u rportat nella tabella seguente: v m,e Vecolo Manovra tpo note m/h s drtto 36 3 leggero r>10m 25 2 svolta r<10m 18 2 tram/bus urban fermata <30 3 senza fermate extraurban senza fermate bcclette 14 1 pedon Sarà ovvamente necessaro calcolare due temp d scurezza per ogn coppa d corrent non compatbl; per semplctà nserremo tal valor nella MATRICE DEI TEMPI DI SICUREZZA. t u 6

7 Struttura del pano Lo stado d strutturazone del pano semaforco consste nel defnre l numero, la composzone e la poszone delle fas. Questa rmane la fase pù creatva dell ntero processo d defnzone del pano de trasport, nonostante sa opportuno segure de crter d massma. Per quanto rguarda l NUMERO delle fas, dobbamo tener conto essenzalmente della scurezza: l perodo d transzone d fase rsulta essere l pù percoloso per quanto rguarda ncdent e decess, pertanto cercheremo d lmtare l numero delle transzon cercando d raggruppare tra d loro pù corrent possble. Per quanto rguarda la COMPOSIZIONE delle fas, cercheremo d segure seguent crter d massma: - quando abbamo un uso promscuo della corsa da parte d due dverse corrent, esse dovranno avere l verde asseme; - cerchamo d assegnare corse dfferent a corrent dfferent, se abbamo spazo; - cerchamo d aggregare n un unca fase le corrent che hanno temp d verde sml. Per quanto rguarda nvece la POSIZIONE recproca tra le fas all nterno del cclo, crter general consderano fondamentalmente la svolta a snstra: l verde de vecol che svoltano a snstra deve sempre accenders dopo rspetto a quello de vecol che procedono n senso opposto. Sempre rguardo alle svolte a snstra, esse possono essere: - protette: la svolta avvene quando sono ross tutt segnal delle corrent n confltto con essa; - parzalmente protette: a un certo punto la svolta dventa protetta, nel senso che se prma vgeva l obblgo d dare la precedenza alla corrente che procedeva n senso opposto, n seguto quest ultma corrente avrà l rosso per l tempo necessaro a vecol che devono svoltare a snstra per lberare l ntersezone. Calcolo del pano L obettvo d questa fase del pano semaforco è quella d defnre l tempo d cclo, la durata e gl stant d accensone e spegnmento de temp d verde, gallo e rosso. Innanztutto l tempo d cclo deve essere compreso tra l tempo d cclo C mn, necessaro per smaltre tutt vecol n attesa, ed l tempo d cclo C max, convenzonalmente fssato n 120s per evtare attese eccessve per una sngola corrente. Il calcolo d C mn è fatto n funzone d: f : flusso che transta nella -esma fase; s : flusso d saturazone della -esma fase; v : verde effcace della -esma fase. p : tempo perso totale medante le relazon: f C v s vs f V C C y mn Cmn mn mn f s p Cmn v Cmn Cmn y C mn 1 y C mn p p 1 y 1 y 7

8 ( s, ) ( s, ) ( 1 2) p T G + p T G + l + l Il tempo d cclo ottmale dovrà essere compreso tra due estrem precedentemente ndcat e tener conto della varabltà de fluss: 1.5p + 5 Co 1 y Come abbamo gà osservato, la durata del verde effcace dpende dal rapporto tra flusso e flusso d saturazone: y v ( C p) y Noto qund l verde effcace dovremo calcolare l verde reale V ed l gallo G tenendo conto de perdtemp l 1 ed l 2 : V v + l1+ l2 G In questa fase rmangono qund da determnare uncamente gl stant d nzo de verd, rappresentabl n un dagramma spazo-tempo. Valutazone La fase d valutazone consste nel determnare la qualtà del pano semaforco, ossa quanto bene l semaforo è n grado d smaltre fluss n scurezza. I metod per esegure la valutazone sono essenzalmente due: EX-ANTE: prelmnarmente alla realzzazone del progetto confrontamo fluss real con le stme del pano e possamo decdere d mglorare la progettazone; EX-POST: dopo la realzzazone dell opera abbamo modo d verfcare gl effett sul campo e d valutare l ntersezone perodcamente n base alle mutazon del traffco nel tempo. La valutazone s svolge n base a cert valor ndcatv: l ndce d saturazone; rtard; l lvello d servzo; l numero d vecol n coda, da cu la lunghezza d coda; la percentuale d vecol rallentat. L INDICE DI SATURAZIONE è l rapporto tra l flusso che arrva e quello che resce a passare all nterno del cclo: fc X sv La valutazone consste nel verfcare per ogn segnale l valore d X : - se X < 1 vecol che arrvano sono mnor d quell che passano, e qund l pano va bene; - se X 1 samo al lmte dell accettabltà, n quanto basta una pccola perturbazone per creare code; - se X > 1 arrvano pù vecol d quell che passano, e qund l pano non va bene perché abbamo congestone del traffco. 8

9 1 Possamo anche esprmere lo stesso concetto con l INDICE DI CAPACITÀ µ, che nell espressone µ 1 (RISERVA DI CAPACITÀ) c dà l dea d quanto dstant samo dal lmte d saturazone. Per quanto rguarda l ntera ntersezone, consdereremo l massmo tra gl ndc d saturazone: cò sgnfca che basterà un segnale congestonato a rendere congestonata l ntera ntersezone. Il RITARDO per un generco vecolo è la dfferenza tra temp d attraversamento dell ntersezone semaforzzata e non semaforzzata. Possamo agevolmente vsualzzare l rtardo n un dagramma spazo-tempo: flusso vecol E ed F oltrepassano l ntersezone come se non c fosse l semaforo (non hanno rtardo) X rtardo rtardo A B C D E F vecol dvers tempo In letteratura c sono moltssme formulazon per l calcolo del rtardo, ma la pù mportante è quella d Webster: r 1 2 C x C ( 1 λ ) ( λ ) ( ) 21 x 2f 1 x f dove r è l rtardo C è la durata del cclo f è l flusso entrante V x 2+ 5λ λ è l rapporto tra temp d verde e d cclo C fc f x è l coeffcente d saturazone sv λs Confronteremo po l rtardo con valor precedentemente ottenut oppure lo consdereremo per determnare l LIVELLO DI SERVIZIO, ossa una msura della qualtà con la quale vecol o passegger sono servt. In tutte le valutazon d progett d sstem d trasporto abbamo se dvers possbl lvell, che corrspondono ad altrettant ntervall che defnscono condzon sempre peggor. Nel caso d un ntersezone semaforca lvell corrspondono ad ntervall d tempo d rtardo: r LOS s A <10 B C D E F >80 9

10 Il calcolo del NUMERO DI VEICOLI IN CODA è fondamentale quando andassmo a realzzare ncroc molto ravvcnat tra d loro, e s fa valutando l massmo tra due numer: - l prmo tene conto della coda che s forma anche durante l verde: C v n1 f + r 2 - l secondo tene conto del solo tempo d rosso: n2 f ( C v) La lunghezza della coda s calcola moltplcando Nq max ( n1, n2) per la lunghezza meda del vecolo, soltamente fssata n 5.6m, e dvdendo per l numero d corse. La PERCENTUALE DI VEICOLI RALLENTATI tene conto de vecol che sono dsturbat dalla presenza dell ntersezone; l calcolo è stato defnto da Webster per due stuazon: - se tutt vecol che sono n coda rescono a passare con l prmo verde, ossa se N q s f < V, utlzzamo la formula: Nq Na 100 f fc 1 s N q - se nvece s f > V usamo la formula: Nq v Na fc c Eserctazone Introduzone Questa eserctazone consste nella realzzazone d un pano semaforco per la rqualfcazone d un ntersezone urbana esstente n seguto alla costruzone d un centro commercale nelle vcnanze dell ncroco. Non sarà necessaro procedere all acquszone de dat, n quanto abbamo a dsposzone la planmetra n scala 1:200 dell ntersezone ed fluss d traffco prevst. Dat La planmetra dell ntersezone n scala 1:200 costtusce l allegato A: I fluss d traffco prevst sono rassunt nella tabella seguente: Corrente Vecol/h d 255 7s

11 Anals delle corrent La matrce delle corrent compatbl sarà: d 7s 2 x x x x 3 x x x 4 x x x x x 5 x x 6 x x x x x 7d x x x x 7s x x x Trattandos d un ntersezone n ambto urbano, la veloctà d progetto massma d ogn ramo è uguale a 60 m h e s può qund ragonevolmente sceglere un tempo d gallo d 3 second per tutte le corrent. Dall anals geometrca dell ntersezone e dallo studo de punt d confltto crtc (allegato B), sono state calcolat le lunghezze d ngresso L e d uscta L e ; temp d ngresso, assumendo cautelatvamente Lv 15m per la presenza d autobus urban lontan dalle fermate e vm 50m h; temp d uscta, assumendo vm 40m h; per ogn coppa d corrent non compatbl. Tutt valor sono rportat nella seguente tabella: coppa punto L e L t e t esce entra m m s s d s s d s d s s d s Assumendo noltre un tempo u t d 3s per le corrent che hanno traettora rettlnea e d 2s per quelle che svoltano sono stat calcolat temp d scurezza relatv ad ogn coppa d corrent non compatbl, che rportamo nella matrce de temp d scurezza (la seconda vede valor arrotondat per eccesso all untà successva): 11

12 d 7s d s d 7s d 4 3 7s Struttura del pano Dall anals della matrce delle corrent compatbl e dalle seguent consderazon: - voglamo garantre una svolta protetta alla corrente 7s, n quanto essa ha un flusso notevole e la corrente 3 (n opposzone) ha l flusso pù alto dell ntera ntersezone; - voglamo usare una sola lanterna per le corrent 7d e 7s al fne d contenere cost d realzzazone; s è decso d suddvdere l cclo semaforco nelle 3 fas: Fase Corrent X 2,3,4 Y 4,5,6 Z 6,7d,7s Dall anals della matrce de temp d scurezza s è calcolato che la sequenza mglore delle fas è XYZ, n quanto nelle tre transzon avremo un perdtempo totale d 14s: Fase Corrente Fase Corrente Scurezza tempo (s) X 3 Y d 4 Y 5 Z 7d 4 7s 5 6 7s 5 7s Z 7d X 3 7d 2 4 7s 4 7s 3 4 7s 4 3 L unca altra combnazone, ossa XZY, avrebbe portato a perdtemp maggor (15s) nelle transzon, come rsulta dal confronto con la tabella seguente: Fase Corrente Fase Corrente Scurezza tempo (s) d 3 X 3 7d Z 4 7s 3 7s 4 4 7s d 5 3 Z 7d Y 5 7s 4 3 7s 6 7s Y 5 X

13 Supponendo che l flusso pedonale sa trascurable rspetto a quello vecolare, abbamo decso d strutturare l pano n funzone d vecol e d assegnare successvamente temp agl attraversament pedonal, con l solo rspetto de temp d scurezza per le corrent ncompatbl. A tale scopo s sono msurate le dstanze d ngresso de vecol sugl attraversament pedonal: ed temp d percorrenza degl attraversament alla veloctà d 1.5m s: Corrente L (m) t (s) Dall unone delle due matrc possamo calcolare temp d scurezza per ogn coppa d corrent vecolo-pedone non compatbl: Coppa T s Calcolo del pano Calcolamo nnanztutto temp d cclo mnmo ed ottmo, focalzzando l attenzone sulle corrent crtche all nterno d ogn fase e supponendo un flusso d saturazone per ogn corsa par a 0.5vecol s 1800vecol h. Il rapporto y sarà par alla somma degl y per ogn fase: Fase Corrente crtca Flusso y X Y Z

14 Avremo così y e potremo calcolare l tempo d cclo mnmo: p 14s C mn 37.33s 1 y ed ottmo: 1.5 p s+ 5s Co 69.33s 1 y Consderato però che l ntersezone è posta su d una strada che servrà un centro commercale, dove le varazon de fluss sono mportant sa nell arco della gornata che nell arco dell anno, decdamo d adottare un tempo d cclo d 90s, ben maggore del tempo d cclo ottmo, per avere un buon margne d scurezza nella valutazone. I temp d verde effcace saranno qund: Fase y v v X Y Z Consderando un tempo d gallo d 3s per ogn corrente, possamo dare al verde reale gl stess valor del verde effcace per le tre corrent crtche e fssare gl stant d accensone e spegnmento de verd per le altre corrent vecolar: fase X tf 1 fase Y tf 2 fase Z tf 3 14

15 Possamo po fssare gl stant d accensone e spegnmento de segnal per le corrent pedonal, assegnando comunque 3 second d gallo a tutte le corrent ma facendo attenzone a rspettare temp d scurezza precedentemente calcolat: Rportamo po per completezza valor n forma d tabella: Corrente Verde Gallo on off t t Valutazone del pano La fase d valutazone del pano ha dato valor rportat nella tabella seguente: Corr f T v λ x µ µ 1 Rt LOS n 1 n 2 N q Lc N q /(s-f) % Vr C % D % B % D % C % 7d D % 7s D % Come possamo faclmente osservare lvell d servzo sono accettabl ma d categora generalmente puttosto bassa. Inoltre abbamo code puttosto lunghe per le corrent d traffco con fluss pù elevat. 15

16 Pano con cclo d 70s Provamo a costrure l mpanto con lo stesso procedmento (fas, perdtemp, ) usato precedentemente ma adottando un tempo d cclo d 70s, pù vcno alla durata del cclo ottmo. Per quanto rguarda temp d accensone e spegnmento de verd vecolar avremo: Fase y v v X Y Z fase X tf 1 fase Y tf 2 fase Z tf 3 Non rportamo l grafco delle accenson e spegnment de segnal pedonal, consderato lo scopo meramente ddattco dell eserctazone. In fase d valutazone avremo: Corrente f T v λ x µ µ 1 Rtardo LOS n 1 n 2 N q Lc N q /(s-f) % Vr C % C % B % C % B % 7d C % 7s C % Come possamo notare, la dfferenza consste sostanzalmente ne lvell d servzo, n quanto le corrent 7s e 3 sono comunque molto carcate. 16

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