SISTEMA DE INGENIERÍA VIAL DE FLUJO CONTINUO

El siguiente artículo fue publicado en la revista VÍAS TERRESTRES No. 75 Edición Enero-Febrero 2022. El texto condensa el artículo con que el Ing. Gerardo Martínez Ponce y un servidor, Jesús Alderete Zapata ganamos la participación en el Congreso Mundial de Carreteras Piarc 2019 celebrado en Abu Dhabi en Octubre del 2019.

Resumen ejecutivo

Este artículo propone un sistema poderoso y simplificado de ingeniería vial que elimina las principales causas del congestionamiento. La infraestructura asociada a la movilidad es una dinámica clave de la urbanización, pero el acceso a lugares, actividades y servicios conduce a la sobrecarga en las redes viales, ya que los principios de diseño responden a problemáticas del siglo pasado, completamente diferentes a las actuales. La congestión vial es hoy un problema constante y aceptado como inevitable. Diariamente, miles de vehículos circulan por vialidades e intersecciones en las que entran y salen desordenadamente a velocidades diferentes y al mismo nivel de piso. Estas son las causas fundamentales por las que el flujo se interrumpe y provoca conflictos de tránsito, lo que genera estrés, incrementa los niveles de contaminación ambiental, auditiva y visual, así como la pérdida de horas hombre.

1. Planteamiento

Para evitar la congestión y su impacto negativo en la sociedad, el medio ambiente, y la economía, el diseño de vialidades, intersecciones e intercambiadores debe evolucionar y proporcionar flujo continuo. Se propone un diseño desde cero, que ignore la premisa de que se debe distribuir el flujo, y que dé por hecho que el flujo continuo puede y debe lograrse. El flujo continuo es equitativo y proporciona naturalmente tránsito libre hacia cada destino en la vialidad y sus intersecciones. En la FIGURA 1 se han trazado líneas de flujo que indican los posibles destinos de un conductor en una intersección de cinco vías. El total de destinos posibles por vialidad es igual a la cantidad de vías que confluyan en la intersección. La última alternativa de destino es el retorno y puede hacerse sin entrar al intercambiador, por lo que podemos deducir que el número de vías a solucionar es igual al número de vías menos el retorno, en este caso, 5 – 1 = 4 vías.

Si se resolviera cada una de las cuatro alternativas para cada vía mediante un puente, se tendría un total de veinte pasos a desnivel, superiores o deprimidos, para que en ningún caso existiera la posibilidad de cruces entre automóviles en el mismo nivel. Así se tendría flujo continuo. Como construir una obra de tal envergadura es poco viable, normalmente los proyectos se desarrollan con la idea de dar prioridad a las vías más importantes y relegan las demás a segundo término y a paso a nivel de piso. Se puede apreciar el caso de la glorieta Guayabal en Villahermosa, Tabasco, México, donde convergen cinco vialidades. En una toma aérea (FIGURA 2) se observa que dicho nodo presenta graves problemas de congestión. Según el párrafo anterior, para resolver esta intersección por completo habría que construir veinte puentes.

2. Análisis

2.1. Condiciones que generan conflicto vial

Un análisis detallado de la relación entre autos circundantes en una vialidad nos permite identificar los principales factores que generan el fenómeno de congestión vial. En este sentido, se han registrado cinco condiciones distintas.

Condición 1: Paso paralelo. Cuando los vehículos circulan en vías paralelas en un mismo sentido con velocidades similares.

Condición 2: Desfase paralelo. Si uno de los dos vehículos cambia de velocidad, ambos se desfasan. Se identifica la diferencial de velocidad como un factor no influyente cuando la circulación es paralela, pero que puede influir cuando esta relación cambia.

Condición 3: Desincorporación en paralelo. Cuando un vehículo se desincorpora del flujo sin invadir otro carril, tanto a la izquierda como a la derecha.

Condición 4: Medio cruce. Un vehículo se desincorpora invadiendo otro carril en forma transversal, de derecha a izquierda o de izquierda a derecha. Se registra un grado inicial de conflicto vial.

Condición 5: Cruce completo. Doble desincorporación de carriles por parte de vehículos o flujos de vehículos de manera transversal de derecha a izquierda y de izquierda a derecha. Esta condición implica alto grado de conflicto vial.

El conflicto vial se origina cuando los vehículos hacen medios cruces y cruces completos. Si estos fenómenos se manifiestan entre flujos vehiculares, habrá congestión. Después de analizar estas cinco condiciones se definió que el flujo vial debe alejarse en lo posible de la quinta condición, doble cruce, y acercarse a la primera: circulación paralela. Mientras más cercana a la condición uno, más eficiente es el diseño de la vialidad, y mientras más cercana a la cinco, más ineficiente.

2.2. Identificación de causalidades

Un proceso de observación llevado a cabo durante más de ocho años ha permitido listar las principales causas de congestión vial, así como identificar las que reflejan alta incidencia en el conflicto. La solución a estas causas identificadas permitió el desarrollo de una solución que conforma el sistema de flujo continuo presentado en este artículo. Aplicando el principio de Pareto [1] se aislaron los factores listados en la TABLA 1 que afectan al 100 % de los conductores el 100 % del tiempo. Dichos factores son:

1. Cruce en el mismo nivel. Cuando se realiza un medio cruce o cruce completo en otro flujo vehicular.
2. Diferencial de velocidad. Este factor influye cuando la circulación deja de ser paralela, es decir, cuando hay una incorporación a un flujo o se requiere hacer un cruce. Dichos cambios sólo se pueden realizar en forma segura cuando la velocidad es homóloga. Cuando existe un diferencial significativo, dichas maniobras se complican, lo que aumenta el riesgo de conflicto o accidente.
3. Cambio aleatorio de carril. Este fenómeno se da cuando hay medios cruces y cruces completos en un flujo, en forma aleatoria y desordenada, causando conflicto y congestión fantasma; es decir, aparentemente no hay una razón para que el flujo se detenga o congestione, como un accidente o una obstrucción permanente de un carril. Sin embargo, el frenado momentáneo que causan los cambios permitidos por vialidades de varios carriles es suficiente para causar un efecto en cadena que genera congestión.

Un diseño vial eficiente debe cumplir estrictamente con estas características: hacer el cruce entre vehículos en diferente nivel, igualar la velocidad de circulación y propiciar el orden en el cambio de carriles. En esta propuesta de diseño de intercambiador de flujo continuo se resuelven los tres requisitos. Esta nueva filosofía de diseño busca acercarse todo lo posible a la circulación en paralelo regulando la velocidad, manteniendo un orden y alejándose del cruce de vehículos al mismo nivel.

PROCESO DE SOLUCIÓN

Para dar fluidez a la vialidad y sus intersecciones se debe tener una idea precisa de hacia dónde van los vehículos y todas las posibles rutas en cada vía (FIGURA 1). Es fundamental el trazo de líneas de flujo a partir de las cuales se llega a la solución.

3.1. Sistema de flujo continuo

Los elementos que conforman el nuevo sistema de flujo continuo, denominado sistema SUPERFLUX, son los siguientes:

1. Medio paso a desnivel. El sentido innovador de este concepto se basa en una redefinición del propósito del paso a desnivel convencional. Estas estructuras se erigen para llevar un flujo vehicular de un punto A hacia un punto B, pasando por encima o por debajo de otra vialidad. El medio paso a desnivel simplemente realiza el cruce en un nivel distinto, ya sea superior o inferior de la vialidad a cruzar, sin que necesariamente se dirija el flujo a un destino particular.
2. Reducción y homologación pasiva de velocidad. Donde no sea posible el empleo de un medio paso a desnivel, se procederá a homologar en forma pasiva la velocidad para crear una condición ideal para el entrecruzamiento entre carriles.
3. Monocarriles. Empleo de carriles aislados con barreras físicas que solo permiten el cambio en lugares destinados para dicho fin, generando orden en la circulación.
4. Glorieta espiroidal. Innovación aplicada a la intersección de vialidades, que, en combinación con medios pasos a desnivel y la homologación pasiva de velocidad, genera una solución eficiente para la gestión del cruce y cambios de dirección en la intersección.

La aplicación de estos principios y elementos proporciona flujo continuo en vías e intersecciones de alto aforo vehicular. La fluidez en la vialidad no se relaciona con el número de carriles, sino con la interacción entre los mismos. De acuerdo con las observaciones que conforman este modelo, una vía de dos carriles en donde se aplica el sistema de flujo continuo es más eficiente que una con tres o más. Se ha adjudicado el factor económico de oferta y demanda, según el cual, la ampliación de carriles fracasa en el intento de eliminar la congestión vial pues tarde o temprano, se verá saturada. Esta explicación no contempla los principios observados en este artículo. Las vías de tres o más carriles se saturan debido a la combinación de los tres factores: hay cruce en el mismo nivel, hay cambios aleatorios de carril y hay diferencial de velocidad. A mayor cantidad de carriles, mayor incidencia de estos fenómenos. Por lo tanto, una vía de dos carriles, uno dedicado y otro de transición, elimina las tres causales de congestión.

2. Intercambiador de flujo continuo

Cuando una vialidad de alto aforo vehicular es intersecada por otra o por varias más, se forma un nodo a resolver. En una solución semaforizada, los semáforos fungen como acumuladores de vehículos. En una intersección de cuatro vías solamente puede circular el 25 % del aforo, mientras el restante 75 % se acumula hasta que le llegue el turno. Este sistema no es eficiente en el manejo de altos volúmenes vehiculares. La segunda opción es construir un puente que permita que la vía principal evite el cruce en el mismo nivel. Cuatro vialidades, cada una con cuatro posibles destinos, nos da un total de 16 líneas de flujo. Un puente resuelve dos de las 16 líneas, por lo tanto, no es una solución eficiente. Desarrollar un distribuidor vial tipo turbina, en el que se construye un puente para cada destino, sería inviable y normalmente se construirían puentes solo para los destinos principales, por lo que tampoco soluciona el problema al 100 %, además de que su costo es sumamente elevado. El intercambiador de flujo continuo es un concepto con eficiencia total. Se muestra un modelo base de este concepto aplicado a una intersección de cinco vialidades, en las FIGURAS 4 y 5, que son de carácter explicativo, no arquitectónico ni constructivo. El sistema funciona para intersecciones a partir de tres vialidades, cuya base de distribución de flujos es una glorieta, en la cual se emplean medios pasos a desnivel para realizar el cruce en diferente nivel. El diseño de dichos medios pasos contempla una curva calculada como reductor pasivo de velocidad (FIGURA 5-II). Cada vialidad cuenta con un medio paso a desnivel que realiza el cruce a nivel distinto y converge en la tangente interna de la glorieta. En este punto, se emplea una geometría espiroidal que, aunada a la homologación de velocidad lograda por los reductores en los pasos a desnivel, procura un entrecruzamiento seguro y fluido hacia un anillo de distribución que conecta con todas las salidas. Este es el efecto innovador del medio paso a desnivel; no conecta el flujo con un punto en específico sino con la espiral en la glorieta, con lo que logra un carácter multimodal y más eficiencia que un paso a desnivel convencional.

4. Caso de estudio: Distribuidor Guayabal, Villahermosa, Tabasco, MX.

4.1. Antecedentes y análisis situacional

En Villahermosa hay una intersección entre la carretera federal 195, el periférico Carlos Pellicer, las avenidas 16 de septiembre y Paseo Usumacinta, lo que forma un cruce de cinco vialidades que confluyen en una glorieta ovoidal semaforizada con altos niveles de congestión en horas pico. Por esta intersección circulan diariamente más de 57 mil vehículos, 600 ciclistas y 1700 peatones, y la pérdida de tiempo calculada se registra en 8750 horas hombre. Debido a la congestión, cada vehículo demora en promedio cinco minutos en cruzar el nodo, con lo que se generan cerca de 97 toneladas de CO2 en un periodo de 24 horas.

4.2 Solución de flujo continuo

En la propuesta, cada vialidad que integra la intersección resuelve el cruce en diferente nivel mediante medios pasos elevados, que convergen en la tangente interna de una glorieta espiroidal, donde se propicia un entrecruzamiento fluido y seguro gracias a la homologación de la velocidad lograda mediante la reducción pasiva de velocidad en las curvas de los pasos. El sistema genera un nodo altamente eficiente con emisión mínima de contaminantes y la posibilidad de cruzar en todas direcciones de manera simultánea e ininterrumpida.

4.3. Emisiones contaminantes en el nodo

En la TABLA 2 se aprecia una reducción del volumen de emisiones diarias, de 67 a 16 toneladas de CO2, debido a la alta eficiencia en el tiempo de traslado de los vehículos.

5. Conclusiones

1. El paradigma de jerarquización de flujo empleado hasta el momento se puede romper mediante el uso de este sistema.
2. El impacto ambiental causado por congestión vial puede verse drásticamente disminuido mediante este sistema.
3. El tiempo de recorrido se reduce, lo que disminuye el consumo de combustible.
4. La reducción en el tiempo de desplazamiento impacta positivamente la productividad.
5. Menor tiempo de desplazamiento disminuye el estrés de los usuarios [3]. En el aspecto económico, el sistema permite una solución de flujo continuo al 100 % de las vías, además de lograr ahorros en tiempo y materiales de construcción.
6. La reducción de materiales, tiempos de construcción y de desplazamiento implica una disminución en la huella de carbono, por lo que la adopción de este modelo y su aplicación trae grandes beneficios ambientales.

6. Referencias

[1] Koch, R. (2017). The 80/20 Principle: The Secret to Achieving More with Less. Nicholas Breadley Publishing.
[2] Department for Transport, U.K. latest evidence on induced travel demand: an evidence review. May 2018 https://assets. publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/762976/latest-evidence-on-induced-travel-demand-an-evidence-review.pdf
[3] Cernas, J. F. (2014). Tráfico vehicular causa estrés y ataques de ira a los conductores. La Prensa. https://www.laprensa.hn/honduras/apertura/476568-98/trafico-vehicular-causaestres-y-ataques-de-ira-a-los-conductores