Progettare i Trasporti

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1 LE ZONE DI SCAMBIO Quando due strade, percorse a senso unico nella medesima direzione convergono in un unico tronco di sufficiente lunghezza, per poi divergere, si forma una zona di scambio; lungo tale zona possono individuarsi quattro distinte correnti veicolari che procedono parallelamente con differenti difficoltà. La procedura riportata nel manuale della capacità è valida solo per le zone di scambio principali, ossia quelle in cui i due rami che convergono ed i due che divergono sono formati da carreggiate di strade A o B (quindi con due o più corsie per direzione), e per le zone di scambio che si formano sulle strade A e B quando una rampa di immissione è seguita da una rampa di uscita, solo se sono collegate da una corsia ausiliaria e la distanza reciproca è non maggiore di 750 m; in mancanza anche di una sola delle due condizioni, ingresso e uscita vanno trattati separatamente GEOMETRIA Un aumento della lunghezza della zona di scambio, a parità di flussi, di configurazione e di numero di corsie, "diluisce" le interferenze fra i veicoli, con un conseguente generale miglioramento delle condizioni di circolazione. La procedura suggerita dal Manuale della Capacità (HCM 2000) è valida fino ad una lunghezza di L = 750 m oltre il quale ingresso ed uscita vanno trattati separatamente. Lunghezza della zona di scambio La larghezza invece è definita dal numero di corsie presenti nella zona di scambio, in quanto si verifica una occupazione di corsie, o di porzioni di corsie, non destinate allo scambio da parte di veicoli che devono scambiare. Il numero massimo di corsie che possono essere utilizzate per lo scambio Nsmax dipende dal tipo di configurazione. 209

2 Massimo numero di corsie utilizzabili dalle correnti che scambiano Se risulta che Ns < Nsmax si ha un funzionamento "equilibrato", nel senso che le velocità delle correnti, in scambio e non, sono paragonabili, e il funzionamento si dice "non costretto". Quando invece Ns > Nsmax vi è meno spazio di quello che sarebbe necessario per lo scambio e le correnti interessate sperimentano condizioni di circolazione meno buone, con velocità media alquanto inferiore a quella delle correnti che non scambiano, e il funzionamento si dice "costretto" CONFIGURAZIONE DELLE ZONE Per configurazione di una zona di scambio si intende la posizione relativa delle corsie in uscita rispetto a quelle di ingresso da cui dipende il numero di cambi di corsia necessari per accedere al ramo in uscita desiderato. Configurazione di tipo A. Quando tutti i veicoli dei flussi che scambiano devono effettuare un cambio di corsia; essi attraversano quindi la linea che congiunge i punti M ed N individuati dalla intersezione delle linee che delimitano le carreggiate in corrispondenza, rispettivamente, dell'immissione e dell'uscita dalla zona di scambio. Configurazione di tipo B. Si hanno quando le zone di scambio principali hanno i due bracci di ingresso ad almeno uno di quelli in uscita formate da due o più corsie. Questo tipo di configurazione è caratterizzato dalla circostanza che una delle due correnti di scambio non effettua cambio di corsia, mentre l'altra deve effettuarne uno o più. 210

3 Configurazione di tipo C Questa configurazione differisce da quella di tipo B per il fatto che, mentre una corrente di scambio non cambia corsia, l'altra deve cambiare almeno due corsie. Queste configurazioni risultano meno efficienti dei tipi B per quanto riguarda lo smaltimento di elevati flussi di traffico e sono poco diffuse in Italia DETERMINAZIONE DELLE VELOCITA Le velocità medie dei flussi che scambiano e di quelli che non scambiano sono pari a: 24, , I fattori di intensità di scambio Ws e Wn,s si calcolano con la formula: 1 3,28 211

4 , = 1+ 3,28 in cui le costanti a, b, c, d si ricavano dalla tabella: Tipo di configurazione A B C Tipo di funzionamento Costanti per Ws Costanti per Wn,s a b c d a b c d Non costretto 0,15 2,20 0,97 0,80 0,0035 4,0 1,30 0,75 Costretto 0,35 2,20 0,97 0,80 0,0020 4,0 1,30 0,75 Non costretto 0,08 2,20 0,70 0,50 0,0020 6,0 1,00 0,50 Costretto 0,15 2,20 0,70 0,50 0,0010 6,0 1,00 0,50 Non costretto 0,08 2,30 0,80 0,60 0,0020 6,0 1,10 0,60 Costretto 0,14 2,30 0,80 0,60 0,0010 6,0 1,10 0,60 Mentre gli altri parametri sono: Costanti per il calcolo dei fattori di intensità Ws e Wn,s L è la lunghezza della zona di scambio [m]; N è il numero totale di corsie nella zona di scambio; VFL è la media delle velocità a flusso libero dei rami di ingresso e di uscita dalla zona di scambio [km/h]; Q è la portata oraria complessiva [veic/h]; Qs,1 e Qs,2 sono rispettivamente le portate maggiore e minore delle correnti che scambiano [veic/h]; Qs = Qs,1 + Qs,2; VR = Qs/Q è il rapporto tra portate che scambiano e portata totale; Q0,1 e Q0,2 sono rispettivamente le portate maggiore e minore delle correnti che non scambiano [veic/h]; Qn,s = Q0,1 + Q0,2; Con riferimento alle portate si precisa che esse vanno determinate, a partire dai volumi dell'ora di punta, tenendo conto del fattore dell'ora di punta PHF, del coefficiente correttivo fhv, che tiene conto della percentuale di autocarri e di veicoli per tempo libero insieme all'andamento altimetrico, ed infine del coefficiente fa per eventuali utenti non abituali DETERMINAZIONE DEL FUNZIONAMENTO Il calcolo delle velocità medie Vs e Vn,s si esegue inizialmente ipotizzando condizioni di flusso non costretto e usando le relative costanti. Il controllo sulla validità di questa ipotesi si effettua calcolando il numero di corsie Ns necessarie per ottenere un funzionamento equilibrato; questo numero va poi confrontato, con il numero massimo Nsmax relativo al tipo di configurazione. Se risulta Ns < Ns,max si hanno condizioni non costrette; altrimenti occorre ricalcolare i fattori di intensità e quindi le velocità dalle giuste costanti. Il numero di corsie necessario Ns si valuta, per i tre tipi di configurazione, con le relazioni che seguono: 212

5 configurazione tipo A configurazione tipo B 1,21,,!"#,#"$ configurazione tipo C = %0,085+0, ,57 0,0112 ), *+ =,0,761+0,047 +0, ,0031 ), * DETERMINAZIONE DEL LIVELLO DI SERVIZIO Una volta determinate le velocità medie delle correnti che scambiano e di quelle che non scambiano si può calcolare la velocità media nello spazio di tutti i veicoli come media armonica pesata alle portate di scambio e non: La densità media è poi calcolata come:./ = + =%, h +, 1 = =% 2345./ Confrontando la densità media con i valori della tabella si ottiene il Livello di Servizio. L.d.S. Densità [veic/km/corsia] Autostrade Strade a più corsie A < 6 < 8 B C D E F > 27 > 25 Tabella dei livelli di servizio per le zone di scambio Non è possibile fornire un valore di capacità per corsia della zona di scambio, e ogni combinazione dei parametri geometrici e di ripartizione della portata totale Q fra flussi che scambiano e non, che dà luogo a valori di densità corrispondenti al valore più alto del Livello E, rappresenta la capacità di quella particolare zona di scambio. 213

6 LE RAMPE Le condizioni di circolazione sulle rampe, oltre che dalle caratteristiche geometriche e dalla composizione del traffico, sono influenzate principalmente dalla organizzazione dei terminali, ossia dall'innesto delle rampe stesse sulle strade che esse connettono. Negli svincoli in cui ambedue le strade dell'incrocio non ammettono punti di conflitto (strade di tipo A e B e spesso quelle di tipo D) in corrispondenza dei due terminali di ciascuna rampa sono sempre previste corsie di accelerazione in ingresso e di decelerazione in uscita. Quando una rampa in ingresso termina invece su una strada su cui sono possibili attraversamenti a raso si presenta frequentemente la regolazione con lo STOP e può formarsi una coda più o meno lunga, quindi il loro studio funzionale può ricondursi alle intersezioni non semaforizzate. La capacità della rampa è determinata dal terminale in ingresso; solo in particolari casi in cui ciò non accade (ad esempio la rampa si trasforma in una corsia aggiuntiva) ha senso parlare di capacità della rampa propriamente detta. In proposito il manuale della capacità (HCM 2000) suggerisce i valori riportati nella tabella seguente; in essa la velocità a flusso libero (VFL) può ritenersi coincidente con la velocità di progetto, mentre le capacità sono espresse in autovetture equivalenti per ora. Velocità a flusso libero [km/h] Capacità [veic/h] Unica corsia Due corsie > Capacità delle rampe unidirezionali ad una e a due corsie La metodologia che di seguito esposta può anche essere utilizzata per strade bidirezionali a due corsie purché vi siano corsie ausiliari di accelerazione o decelerazione METODO DI ANALISI Mediante il Manuale della Capacità (HCM 2000) è possibile valutare le condizioni operative (Livello di Servizio) in corrispondenza dell'immissione e dell emissione. Subito a monte della rampa si ha una ridistribuzione dei veicoli della strada che tendono ad abbandonare le corsie più esterne per non essere coinvolti nelle turbolenze originate dai veicoli in ingresso che tendono a lasciare la corsia di accelerazione. Studi ed osservazioni sperimentali hanno consentito di individuare la cosiddetta area di influenza, ossia la zona in cui maggiormente si manifesta la perturbazione del flusso derivante dalla presenza della rampa; essa è costituita dalle due corsie più esterne della strada e si estende per 450 m a valle. Area di influenza, corsia di accelerazione e portate significative 219

7 Il Livello di Servizio è individuato dalla densità veicolare media per corsia nell'area di influenza, mentre la velocità media viene calcolata come informazione supplementare. Livello di Servizio Densità [veicoli/km/corsia] A < 6 Effetti E caratterizzato dalla assenza di ogni restrizione e dalla massima velocità B 6-12 Si verificano in misura molto ridotta fenomeni di turbolenza C Perturbazione nelle correnti e le velocità nell'area di influenza cominciano a diminuire D Notevoli turbolenze e quasi tutti i veicoli subiscono elevati rallentamenti E > 22 Le velocità si riducono fortemente e si hanno aumenti di domanda, sia pure per brevi periodi, che possono condurre all'arresto totale F La domanda eccede la capacità Congestione e arresto totale Valori delle densità che individuano il Livello di Servizio La procedura si articola nei seguenti passi: 1. calcolo delle portate orarie, espresse in autovetture equivalenti, sulla strada subito a monte della rampa (QM) e sulla rampa stessa (Qr); questa operazione si compie dividendo i volumi dell'ora di punta per il fattore dell'ora di punta PHF, per il coefficiente fhv, che tiene conto della presenza dei mezzi pesanti e dei veicoli per il tempo libero, e per il coefficiente fa relativo al tipo di utenza e che, di norma, viene assunto pari ad 1; 9: 1 ;? = B 1+: G % F G 1 2. calcolo della portata Q1,2, ossia dei veicoli della corrente in transito che restano nell'area di influenza; calcolo della portata Q1,2,R = Q1,2+ QR; calcolo della portata complessiva sulla strada a valle della zona di influenza Qv = QM + QR; 3. confronto tra i valori delle portate Q1,2,R e Qv e le rispettive capacità. In proposito nel Manuale della Capacità vengono forniti i valori riportati nella tabella successiva; 4. calcolo della densità veicolare nella zona di influenza e determinazione del Livello di Servizio; 5. valutazione delle velocità medie. Velocità a flusso libero [km/h] Massimi valori di QC [veic/h] Numero di corsie per direzione Massimi valori di Q12R [veic/h] > /corsia /corsia /corsia /corsia 4600 Valori della capacità della strada e dell'area di influenza 220

8 La procedura per le rampe in uscita è del tutto analoga a quella per le rampe di immissione. Area di influenza, corsia di decelerazione e portate significative Al pari della rampa di ingresso, con QM e Qv si indicano, rispettivamente, le portate complessive sulla strada a monte ed a valle della rampa; Q0 è la portata media per ogni corsia oltre le due dell'area di influenza e QR è la portata della rampa in uscita. L'unica differenza riguarda la portata Q1,2 nella zona di influenza che è somma della portata in uscita e della percentuale della portata QM che rimane nelle corsie 1 e DETERMINAZIONE DELLA PORTATA Q1,2 Per le rampe di immissione il flusso veicolare che rimane nelle corsie 1 e 2 immediatamente prima della zona di influenza dipende dalla portata a monte QM, dalla portata QR della rampa, dalla lunghezza LA della corsia di accelerazione e dalla velocità a flusso libero della rampa in prossimità della zona di immissione (VR). La portata Q1,2 si ottiene moltiplicando la portata a monte QM per un coefficiente PFM:,! H : IH Dove PFM vale: Per strade a due corsie per direzione PFM = 1 Per strade a quattro corsie per direzione : IH 0,2178 0, J 0,05887 K J in cui la lunghezza della corsia di accelerazione LA è espressa in metri e la velocità a flusso libero della rampa in km/h. Per strade a tre corsie per direzione vengono fornite tre espressioni : IH 0,57750, K : IH 0,7289 0,0001 0,135 A 20,48 J 2 H : IH 0,54870,08 JA A in cui LM e LV sono, rispettivamente, le distanze delle rampe in uscita a monte ed a valle e QRV è la portata in uscita nella rampa a valle [veic/h]. Per decidere quale equazione adoperare, vale a dire se c'è influenza delle rampe adiacenti sul funzionamento di quella in 221

9 esame, si calcola una lunghezza equivalente LEQ ottenuta eguagliando la prima e la seconda e ricavando LM, o uguagliando la prima e la terza e ricavando LV, si ottiene così: MN 0,0675 A +0,46 K +10,24 J 757 JA MN = 0,3596+0,00115 K Se risulta LEQ LM o LEQ LV si utilizza la prima per il calcolo di PFM in caso contrario va usata la seconda o la terza, rispettivamente per rampa a monte o a valle; se le rampe adiacenti sono presenti ed influenti entrambe, si calcolano i due valori di PFM dalla seconda e dalla terza e si assume il valore maggiore. Anche per le rampe di uscita il flusso dipende dal numero di corsie. Per strade a due corsie per direzione Q1,2 = QM Per strade a quattro corsie per direzione,! = J + H J 0,436 Per strade a tre corsie per direzione si può tener conto della presenza di una vicina rampa di immissione a monte e/o di una rampa di uscita a valle; rampe di uscita a monte e/o di immissione a valle non hanno invece influenza. Si ha dunque:,! = J + H J : IO Per il coefficiente PFD vengono fornite tre diverse espressioni: : IO =0,76 0, ,5 H +4,6 J : IO =0,717 0, ,9 H +0,184 JH H : IO =0,616 0, ,1 H +0,038 JA A La prima si usa quando non vi è influenza delle rampe adiacenti su quella in studio, mentre le altre si usano quando la rampa di immissione a monte o quella di uscita a valle si trovano a distanza tale che i coefficienti PFD risultano maggiori di quello calcolato con la prima. Per decidere se ciò accade o meno, come già fatto per la rampa in ingresso, si valutano due lunghezze equivalenti che rappresentano le distanze per le quali è indifferente usare la prima o la seconda, o la prima e la terza. Si ottiene così: MN = MN = J,H 0,2337+0,0001 0,76 H 2,5 J J,A 3,79 0,001 0,11 H +1,2 J Se sono presenti sia le rampe di ingresso a monte che quella di uscita a valle si adopera l'espressione che dà luogo al valore più alto di PFD. 222

10 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ E DEL LIVELLO DI SERVIZIO Per le rampe di immissione una volta ottenute Q1,2, Q1,2,r e QV, si controlla dapprima che sia nella strada a valle della rampa che nell'area d'influenza non si superi la capacità riportata nella tabella precedente e si procede al calcolo della densità veicolare nell'area di influenza con la relazione: J 3,402+0,00456 J +0,0048,! 0,01278 K =%./ Per le rampe di uscita il controllo di capacità sulla strada e sulla rampa viene fatto tramite allo stesso modo, mentre quella dell'area di influenza è fissata in 4400 veicoli/h. La densità veicolare media nell'area di influenza si valuta con l'espressione: 1 J =2,642+0,0053,! 0,0183 O Dove la lunghezza della corsia di decelerazione LD è espressa in m e la densità in veicoli/km/corsia DETERMINAZIONE DELLA VELOCITA Lo studio delle condizioni di circolazione in corrispondenza di una rampa di immissione viene completato con il calcolo delle velocità medie nello spazio delle correnti che transitano nell'area di influenza, di quelle delle correnti nelle altre corsie esistenti e, della velocità media di tutte le correnti. La velocità nell'area di influenza VA per le rampe di immissione si ottiene dalla relazione: K = 67 P P =0,321+0, N Q,R,S 0,004 K J 1000 Dove VFL è la velocità a flusso Libero della strada mentre VR è la velocità a flusso libero della rampa. Per le corsie oltre la 1 e la 2 si ha: Velocità a flusso libero = caso Q0 < 500 [veic/h/corsia] = 0, Q = 10,52 0, Q0 > 2300 Dove N0 è il numero di corsie oltre l'area di influenza, mentre Q0 è la portata media per corsia: = H,! La velocità dell'insieme delle correnti si valuta come media armonica pesata. =,!,J+ H + J,!,J + =,!,J K + K Per le rampe di uscita la velocità media nello spazio nell'area di influenza si calcola con la relazione: K = =0,883+0,0001 0,9 J 80 J 223

11 Per le eventuali corsie oltre la 1 e la 2 si ha: Velocità a flusso libero caso 1,06 Q [veic/h/corsia] 1,06 0, Q0 > 1000 La velocità dell'insieme delle correnti risulta:,!) H,!*,! H,! K H,! K H,! ESEMPIO Come esempio si vuole analizzare il livello di servizio dello svincolo di Gioia Tauro presente sull autostrada A3, sia in maniera analitica che in simulazione, facente parte della strada europea E45 che va da Karesuvanto (Finlandia) a Gela (Italia). Per aumentare la difficoltà del problema si è poi inserita un altra corsia in direzione Salerno Reggio Calabria, al fine di esporre un maggior numero di casi. Le geometrie dello svincolo sono riportate in figura, mentre le velocità a flusso libero sono: Velocità a flusso libero sull'autostrada VFL = 130 km/h Velocità a flusso libero sulle rampe VFL = 40 km/h Come dati di traffico si assegnano direttamente le portate orarie espresse in veicoli equivalenti: Posizione Portata [veic/h] Reggio Calabria - Salerno QM = 2300 Rampa A QA = 400 Rampa B QB = 500 Salerno - Reggio Calabria QM =