автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Оценка вероятности эвакуации людей при пожарах из зданий с многосветными пространствами

На правах рукописи

КОСТЕРИН ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ ЭВАКУАЦИИ ЛЮДЕЙ ПРИ ПОЖАРАХ ИЗ ЗДАНИЙ С МНОГОСВЕТНЫМИ ПРОСТРАНСТВАМИ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (Технические науки, отрасль - «Строительство»)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

1 8 ОКТ 2012

005053624

005053624

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении «Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий» (ФГБУ ВНИИПО МЧС России).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Присадков Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Брушлинский Николай Николаевич

кандидат технических наук Никонов Сергей Александрович

Ведущая организация:

ОАО «Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт промышленных зданий и сооружений» (ОАО «ЦНИИПромзданий»)

Защита состоится 1 ноября 2012 года в 10.00 на заседании диссертационного совета ДС 205.003.01 при ФГБУ ВНИИПО МЧС России по адресу: 143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12, зал заседаний Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ ВНИИПО МЧС России.

Автореферат разослан 27 сентября 2012 г. Исх. № 4-06/ Телефон для справок: (495) 521-29-00.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, с.н.с

Е.Ю. Сушкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Строительство зданий с многосветными пространствами (атриумами, галереями и т.п.) в настоящее время активно осуществляется как в России, так и за рубежом.

К другим большим открытым пространствам относятся, например, моллы, аркады, выставочные комплексы, пассажи, галереи, терминалы аэропортов и вокзалы. Термин «атриум» используется в данном исследовании в обобщающем смысле и применяется к любому из этих больших пространств.

Многосветные пространства занимают центральное место в структуре многих общественно-развлекательных, культурных, деловых зданий. Можно с уверенностью утверждать, что с развитием строительных технологий, совершенствованием форм торговли, ростом населения крупных городов, социальными и техническими достижениями проектирование зданий с многосветными пространствами, особенно в составе крупных общественных центров, будет расширяться.

При этом здания с многосветными пространствами (атриумами) обладают повышенной пожарной опасностью, среди причин которой можно отметить следующие:

• в силу особенностей объемно-планировочных решений атриумов при развитии пожара продукты горения с большей, чем в зданиях типичной планировки, скоростью, распространяются на вышерасположенные этажи;

• в развитом по высоте атриуме конвективная колонка над очагом пожара имеет большую высоту, что из-за интенсивного вовлечения в колонку воздуха из окружающего пространства приводит к значительному увеличению объема дыма;

• при пожаре дым может поступать в атриум как из примыкающих помещений, так и из удалённых помещений по коридорам, выходящим в атриум;

• при больших объёмах атриума и открытых в него коридоров и галерей продукты горения имеют относительно невысокую температуру, что снижает эффективность работы системы дымоудаления из-за низкой плавучести дыма;

• атриумы, как правило, предусматриваются в зданиях с массовым пребыванием людей и являются связующими центрами коммуникационной сети передвижения людей по зданию и, таким образом, задымление атриума «перерезает» основной узел системы путей эвакуации.

Таким образом, к обоснованности и достоверности расчётов пожарного риска на таких объектах должны предъявляться повышенные требования и, в первую очередь, к оценке вероятности эвакуации людей при пожаре.

Анализируя последствия произошедших за последнее время пожаров в зданиях с массовым пребыванием людей (пожар в торговом центре «Пассаж», 11 июля 2005 г., г. Ухта - 25 погибших; пожар в торгово-развлекательном центре «Красный Яр» 21 февраля 2012 г., Красноярский край - площадь возгорания превысила 3,3 тыс. м2, ущерб составил более 50 млн. руб., пожар в торговом центре «Вилладжио» 28 мая 2012 г., г. Доха, Катар - погибли 19 человек, еще 17 получили ранения и многие другие), можно сделать вывод о том, что проблема обеспечения пожарной безопасности объектов с массовым пребыванием людей стоит на сегодняшний день крайне остро, и важным моментом является повышение качества нормативного обеспечения с целью снижения пожарной опасности зданий, в первую очередь, с наличием многосветных пространств.

Согласно приказу МЧС России от 12.12.2011 №749 «О внесении изменений в методику определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности, утвержденную приказом МЧС России от 30.06.2009 №382», «...в качестве сценариев с наихудшими условиями пожара следует рассматривать сценарии, характеризуемые наиболее затрудненными условиями эвакуации людей и (или) наиболее высокой динамикой нарастания опасных факторов пожара, а именно пожары:

...в помещениях и системах помещений атриумного типа...».

При оценке вероятности эвакуации людей при пожаре из зданий моделирование динамики распространения опасных факторов пожара (ОФП), как и моделирование процесса эвакуации, должно иметь вероятностную постановку, в особенности для уникальных объектов, для которых на сегодняшний день отсутствуют нормы пожарной безопасности и к каким с полным основанием относятся многосветные пространства (атриумы), находящиеся в зданиях с высоким уровнем ответственности в плане обеспечения требуемого уровня пожарной безопасности (торговые центры, гостиницы, аэропорты и т.д.).

В этих условиях предлагается для оценки вероятности эвакуации из зданий с многосветными пространствами применять вероятностный подход, использующий имитационное моделирование. Вероятностный подход позволяет в значительной степени повысить достоверность и информативность полученных данных, степень обоснованности принимаемых решений.

Под термином «имитационная модель» в работе понимается численный метод проведения на ЭВМ вычислительных экспериментов с математическими моделями, имитирующими поведение реальных объектов, процессов и систем во времени в течение заданного периода.

«Имитатор» - это прибор, установка, воспроизводящее что-либо с задаваемой точностью.

Целью работы является повышение пожарной безопасности зданий с многосветными пространствами на основе стохастического моделирования процессов распространения ОФП и эвакуации людей при пожарах.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Модификация детерминированных моделей процесса эвакуации и распространения ОФП, используемых в исследовании.

2. Разработка системы входных факторов и методики сбора исходных данных для определения вероятности эвакуации людей из зданий с многосветными пространствами.

3. Разработка стохастического имитатора оценки вероятности эвакуации с учетом вероятностной природы входных факторов, влияющих на процессы эвакуации людей и блокирования эвакуационных выходов в зданиях с многосветными пространствами.

4. Сравнение результатов оценки вероятности эвакуации с помощью разработанного стохастического имитатора и модели из принятой Методики.

5. Апробация разработанного стохастического имитатора на объектах г. Иваново, внедрение результатов исследования в практическую деятельность.

6. Разработка предложений по уточнению ряда входных факторов, связанных с оценкой вероятности эвакуации из особо сложных, уникальных зданий с многосветными пространствами.

Объектом исследования являются процессы распространения ОФП и эвакуации людей при пожарах в зданиях с многосветными пространствами.

Методы исследования основаны на использовании элементов теории вероятностей, имитационного моделирования, исследования операций, физического моделирования пожаров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика стохастического моделирования процессов распространения ОФП и эвакуации людей при пожаре, позволяющая повысить достоверность оценок вероятности эвакуации, с целью повышения пожарной безопасности зданий с многосветными

пространствами.

2. Предложена система входных факторов, определяющих случайный характер процесса распространения ОФП при пожаре в зданиях с многосветными пространствами, а также процесса эвакуации.

3. Разработаны требования к информационному обеспечению задачи стохастической оценки вероятности эвакуации людей при пожарах в зданиях с многосветными пространствами.

4. Разработана методика сбора исходных данных для определения вероятности эвакуации людей при пожарах из зданий с многосветными пространствами.

5. Разработан стохастический имитатор для оценки вероятности эвакуации людей из зданий с многосветными пространствами, а также других параметров, характеризующих пожарную опасность таких зданий, с учетом стохастической природы процессов эвакуации и блокирования эвакуационных выходов при пожаре.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в разработке научных основ для повышения пожарной безопасности зданий с многосветными пространствами на основе стохастического моделирования процессов распространения ОФП и процессов эвакуации людей при пожарах; разработан имитатор для стохастического моделирования процесса распространения ОФП и процесса эвакуации людей из зданий при пожаре, позволяющий повысить достоверность расчетов вероятности эвакуации при пожарах из зданий с многосветными пространствами; усовершенствована модель оценки высоты незадымляемой зоны при развитии пожара в атриуме здания.

Вероятностные оценки процессов распространения ОФП и эвакуации людей в зданиях с многосветными пространствами позволяют повысить эффективность решений при проектировании и строительстве подобных зданий.

Практическая реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы в следующих организациях:

1. В практической деятельности Управления надзорной деятельности ГУ МЧС России по Ивановской области.

2. В учебном процессе ФГБОУ ВПО «Ивановский институт ГПС МЧС России» при изучении дисциплин «Пожарная безопасность в строительстве» (тема №15 «Противодымная защита зданий повышенной этажности»), «Прогнозирование опасных факторов пожара» (раздел 2 «Зонная математическая модель»).

3. При разработке компьютерного тренажерного комплекса «Пожарная тактика» в ЗАО «Транзас» (г. Санкт-Петербург).

4. В практической деятельности АГУ «Ивгосэкспертиза» (г. Иваново).

Практическое использование результатов исследования подтверждается актами внедрения.

На программную разработку «Модель оценки изменения высоты незадымляемой зоны в здании с наличием атриума» получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатент).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Система исходных данных и методика их сбора для определения вероятности эвакуации людей из зданий с многосветными пространствами на основе стохастического моделирования.

2. Стохастический имитатор оценки вероятности эвакуации людей из зданий с многосветными пространствами, а также других параметров, характеризующих пожарную опасность таких зданий, с учетом стохастической природы процессов эвакуации и блокирования эвакуационных выходов при пожаре.

3. Результаты стохастического моделирования процесса распространения ОФП и процесса эвакуации при пожаре в торгово-развлекательном центре с наличием многосветного пространства.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: XX-XXII Международные научно-практические конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности», Москва, 2008-2010 гг.; Ш-У1 Международные научно-практические конференции «Пожарная и аварийная безопасность», Иваново, 2008-2011 гг.; XVII Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Алушта, 2011 г.; XXI Международная научно-практическая конференция «Предупреждение. Спасение. Помощь. Современность и инновации», Химки, 2011 г.; Международная научно-практическая конференция «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации», Москва, 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 5 - в рецензируемых научных изданиях, включенных в перечень ВАК России, 1 статья - в сборнике с грифом ДСП.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 152 страниц. Работа иллюстрирована 45 рисунками и 9 таблицами. Список литературы включает 91 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационного исследования, излагаются основные положения, выносимые на защиту, приводятся сведения, характеризующие практическую значимость и реализацию результатов работы, сведения об апробации работы, публикациях по теме работы, а также структуре и объеме работы.

В первой главе «Специфика обеспечения пожарной безопасности зданий с многосветными пространствами» приведена классификация типов и классов атриумов, на примере общественных зданий проведен анализ особенностей пожарной опасности зданий с наличием многосветных пространств, проведен анализ статистических данных по пожарам, сделан обзор современных нормативных требований к обеспечению пожарной безопасности зданий с атриумами; приведены статистические данные по объемам строительства торговых площадей в России, обоснована актуальность использования стохастических оценок вероятности эвакуации.

Отмечено, что в России научными исследованиями в данном направлении на протяжении многих лет активно занимаются ученые Национальной академии наук пожарной безопасности (НАНПБ), ВНИИПО МЧС России, Академии ГПС МЧС России.

Теоретической и методологической основой работы являются труды отечественных и зарубежных исследователей в области моделирования пожаров, в том числе Присадкова В.И., Лицкевича В.В., Косачева A.A., Хасанова И.Р., Бородкина А.Н., Холщевникова В.В., Брушлинского H.H., Никонова С.А., Матюшина A.B., Ушакова Д.В., Есина В.М., Ильминского И.И., Федоринова A.B., Chow W.K., Morgan Н.Р. и других ученых.

В настоящее время, в соответствии с Методикой определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности, утвержденной приказом МЧС России от 30.06.2009 №382 (далее - Методика), вероятность эвакуации Рэ задаётся формулой:

0,8- W-tp ^ если ^ < 0 8 ^ < ^ + ^ и t ^6мин

, (1)

■ 0,999, если t + tH5 < 0,8 • t6jl и t„ < 6 мин

Р,=

0,000, если t > 0,8- t6l RHHtCK>6MHH

где tp - расчетное время эвакуации людей, мин;

t„, - время начала эвакуации, мин;

ta, - время блокирования путей эвакуации, мин;

0,999

гск - время существования на путях эвакуации скоплений с плотностью людского потока, превышающей значение 0,5, мин;

Обозначим 0,81 б, - 1р — /1? - запас времени на эвакуацию, мин. Здесь 0,8 отвечает принятому значению коэффициента безопасности К6.

График функции Р3(А1) будет иметь вид (рис. 1).

Обратим внимание, что для первой ветви формулы (1) экспертным путем установлена линейная зависимость Рэ = Д£/£нэ вероятности эвакуации Рэ от запаса времени на эвакуацию Д^ так же как и для второй ветви задано значение Рэ = 0,999.

Таким образом, оценка вероятности эвакуации опирается на принятые экспертно допущения о диапазоне и характере изменения Рэ в зависимости от значения некоторого фактора (0.8 • £бл — £р)Лнэ- При этом расчеты времен блокирования и эвакуации, задающие данный фактор, производятся в детерминированной постановке. Данный подход используется в России последние десятилетия и основан на экспертных представлениях о пожарном риске.

Можно отметить следующие особенности существующей Методики:

входные величины (/„„ /,;„ /,,) носят детерминированный характер;

не учитывается стохастическая природа процесса распространения ОФП при пожарах в зданиях.

Что же касается природы стохастичности, то она определяется имеющимися в реальных условиях случайным разбросам в количестве, виде и расположении горючих материалов, месте очага пожара, количестве, расположении и составе эвакуирующихся на момент пожара, естественными колебаниями в эффективных значениях входных факторов и т.п. В то же время, при определении величин пожарного риска, а именно для оценок вероятности эвакуации людей при пожарах из уникальных, особо сложных зданий, зданий с массовым пребыванием людей необходимо повышение обоснованности и достоверности проводимых расчетов.

Рис. 1. Графическое выражение зависимости Р,(Л)

С этой целью предлагается использовать метод статистических испытаний, сочетающий физические представления о вероятности эвакуации с большим (порядка нескольких десятков тысяч) объемом статиспытаний в одном расчете, учитывающих широкий спектр условий, встречающихся в конкретных расчетных пожарах для уникальных зданий с многоуровневыми атриумами, а также для экспертизы качества проектных решений для отдельных объектов, по которым у надзорных органов возникают спорные вопросы.

Во второй главе «Методы и модели исследования пожарной опасности зданий с многосветными пространствами» приведен обзор вероятностных методов оценки пожарной опасности зданий, изложены достоинства имитационного моделирования процессов эвакуации и распространения ОФП при пожаре, проанализированы результаты экспериментальных исследований распространения ОФП в атриуме, а также процесса эвакуации людей из зданий, обосновано использование в работе модифицированной двухзонной математической модели развития пожара.

Основой использовавшейся двухзонной модели является модель конвективной колонки

/ 2 X1/3

т = 0.21^) (¿У3^ (2)

где тп - приток массы в задымлённую зону через конвективную колонку;

р0 - начальная плотность газовой среды, кг/м3;

д - ускорение свободного падения, м/с2;

То - начальная температура, К;

Ср - теплоёмкость газовой среды, Дж/(кг-К);

£>с - конвективная составляющая мощности пожара <2, установленная = 0,7-2, кВт;

2— высота конвективной колонки, м.

Ведущим фактором модели является мощность пожара, которую в инженерных расчётах моделируют функцией времени Q = а-Л

Такая форма в зависимости от значения п позволяет задавать динамику различных стадий пожара, а константа а определять его масштаб.

Так, значению и=2 соответствует так называемый круговой пожар с распространением горения радиально от точки первичного загорания.

Значению п= 1 соответствует полосовой пожар с распространением горения от места первичного загорания вдоль полосы, занятой горючими материалами.

Значению и-1/3 соответствует горение жидкости на начальной стадии пожара от момента воспламенения до выхода мощности на стационар.

И, наконец, значению п=0 соответствует пожар с установившимся горением на постоянной площади. В случае установившегося горения масштабный параметр а равен собственно мощности пожара.

Как следует из (2), массовый расход с высотой колонки растёт почти квадратично. При большой высоте колонки, что характерно для атриумов, массовый расход относительно большой, а избыточная температура дыма при этом, за счёт подмешивания воздуха, соответственно низкая, поэтому увеличение объёма дыма из-за теплового расширения много меньше объёма вовлечённого в колонку воздуха.

Сделав допущение о том, что объём задымлённой зоны растёт, в основном, за счёт вовлекаемого воздуха и рассматривая 2с как функцию времени Ос=0,7а-Г, получим дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными

С учётом начального условия у(0) = Я уравнение (3) можно проинтегрировать как:

Зг 7/, 0.21/ о 3 \1/3 , о (у —Н~2/3) = —— ( —• 0,7а--(4)

2 1 А \р0Т0Ср ' п + 3)

где Н - высота атриума.

Решение уравнения (4) относительно у определяет динамику

высоты незадымляемой зоны

а его решение относительно / - время задымления атриума до высоты у

t

3 n+3

(6)

Модификация используемой модели заключается в том, что в одном расчете модель учитывает 2 стадии пожара: вначале - стадию развития, в дальнейшем - стадию стационарного горения, в то время как стандартная модель учитывает только одну стадию: либо стационар, либо стадию развития.

Сравнение результатов численного моделирования с результатами экспериментальных исследований W.K. Chow (Китай)

показывает удовлетворительное совпадение и подтверждает возможность применимости имитатора для инженерных расчетов.

В третьей главе «Совершенствование оценки вероятности эвакуации людей из зданий с многосветными пространствами» разработаны теоретические основы оценок вероятности эвакуации людей при пожаре из зданий, учитывающие стохастическую природу процессов эвакуации и распространения ОФП, приведено описание разработанной методики сбора исходных данных, а также стохастического имитатора оценки вероятности эвакуации из зданий с многосветными пространствами, реализующего метод Монте-Карло.

Предложена следующая система входных случайных факторов, используемых в имитаторе:

а) При расчете времени блокирования ОФП путей эвакуации:

1. Удельная скорость выгорания ц/уд, кг/м2-с.

2. Линейная скорость распространения пламени по пожарной нагрузке V„, м/с.

3. Дымообразующая способность горючей нагрузки Д Нп м /кг.

4. Высота расположения очага пожара Н0„, м.

5. Максимальная площадь пожара Smm, м2.

б) При моделировании процесса эвакуации:

1. Число людей на 1 м2 помещения N/S, чел/м2.

2. Скорость движения людей при пожаре Vde, м/с.

3. Расположение людей на уровнях атриума (х;у) м.

4. Время начала эвакуации tH3, с.

Методика сбора исходных данных по структуре состоит из двух блоков: детерминированных и вероятностных данных.

1. Блок детерминированных данных. К нему относятся объемно-планировочные характеристики исследуемого объекта, а также количество статистических испытаний, которое задается, исходя из требуемой степени точности проводимых расчетов. При моделировании процесса эвакуации учитываются размеры путей эвакуации, помещений, при моделировании распространения дыма - вид горючей нагрузки, её расположение, количество.

После описания детерминированные данные передаются в блок вычисления времени блокирования и времени эвакуации.

2. Блок вероятностных данных. Вероятностные данные разыгрываются с помощью генератора случайных чисел, затем также подаются в блок вычисления времени блокирования и времени эвакуации.

К данному блоку относятся следующие входные факторы:

Удельная скорость выгорания груД (кг/м2с), линейная скорость распространения пламени по пожарной нагрузке Ул (м/с) и дымообразующая способность/) (Нп-м2/кг).

Для определения характеристик данных факторов определяется набор веществ и материалов, составляющих горючую нагрузку на исследуемом объекте. С помощью справочной литературы определяются значения 1pyd, V, и D видов горючей нагрузки, с учетом их процентного соотношения на исследуемом объекте. В работе принято распределение данных случайных факторов усеченным нормальным законом.

Параметры принятого закона распределения определены с помощью известных элементов теории вероятностей.

Высота расположения очага пожара Н„„, м.

Высота расположения очага пожара задается, исходя из анализа объемно-планировочных решений рассматриваемого объекта (площадей и высот этажей, мест расположения и количества горючей нагрузки, наличие источников зажигания и т.п.). Диапазон изменения величины ограничен уровнем пола и высотой расположения вероятного очага пожара, не превышающей высоту рассматриваемого атриума.

Максимальная площадь пожара Smax, м2.

Параметры распределения максимальной площади пожара определяются экспертным путем, исходя из анализа объемно-планировочных решений здания на основании оценок площадей распространения пожара в здании. В методике принято описание данного фактора усеченным нормальным законом.

В здании последовательно рассматриваются помещения объекта, для которых оцениваются максимальные площади возможных пожаров, исходя из типов горючей нагрузки, находящейся в помещении, места ее расположения, количества, наличия в помещении АУП, её характеристик.

Расположение людей на уровнях атриума (х;у).

С помощью генератора случайных чисел на основе анализа объемно-планировочных решений исследуемого объекта сначала определяется максимальное количество людей в рассматриваемом сценарии пожара, а затем с помощью генератора определяются координаты каждого человека на рассматриваемом объекте.

Число людей на 1 м2 помещения N/S, чел/м2.

На примере существующего торгового комплекса г. Иваново была проверена и подтверждена расчетом достоверность статистической гипотезы о том, что данные, полученные в результате измерения количества людей на этаже и отнесенные к площади этажа, подчиняются усеченному нормальному закону распределения по критерию согласия Пирсона (х2) (рис. 2).

□ Экспериментальные ванные

| Теоретические данные

Интервалы (разряды)

Рис. 2. Проверка гипотезы о принадлежности распределения экспериментальных данных к усеченному нормальному распределению

Согласно справочным данным, при уровне значимости 0,05 критерий Пирсона равен 233,99, то есть полученный вариационный ряд с вероятностью 0,95 подчиняется усеченному нормальному распределению - таким образом, выдвинутая гипотеза подтверждается.

Математическое ожидание количества людей т(М) и стандартное отклонение а(И) устанавливаются по данным для конкретного объекта.

В работе при расчетах использовалась информация, полученная в результате натурных наблюдений в многофункциональном торговом комплексе г. Иваново.

Скорость движения людей при пожаре Удв, м/с.

При обосновании закона изменения и установлении области значений случайного фактора учитываются данные нормативно-технических документов, а также результаты экспериментальных исследований. В работе учтены результаты экспериментальных исследований профессора В.В. Холщевникова. В методике принято описание фактора усеченным нормальным законом распределения.

Время начала эвакуации мин.

Результаты многих исследований подтверждают стохастический характер времени начала эвакуации (работы профессора В.В. Холщевникова, Д.А. Самошина с учениками). Для зданий высотных комплексов 1НЭ может быть аппроксимирована усеченным нормальным законом с плотностью распределения <р(1нэ).

Таким образом, установлены плотности распределений случайных входных факторов, используемых при статистических испытаниях, на основе литературных и справочных данных.

Установлено, что ведущим критерием блокирования эвакуационных путей при пожаре в рассматриваемых зданиях с многосветными пространствами является потеря видимости.

Вместе с тем, для повышения достоверности выводов предлагается использовать следующие критерии для определения моментов блокирования ОФП путей эвакуации:

и f , (7)

ß a juKP j

где у, - высота незадымляемой зоны на ;'-м уровне атриума, м; укр - критическая высота незадымляемой зоны в атриуме, м; ц - оптическая плотность дыма на высоте/, Нп/м. ¡jKp - критическая оптическая плотность дыма на высоте у, Нп/м. При этом укр = 1,7 м (Методика, ГОСТ 12.1.004-91) или укр = 2 м (NFPA 92В, New Zealand Building Code Handbook and Approved Documents и др.); цкр = 0,119 Нп/м (Методика, ГОСТ 12.1.004-91).

На рис. 3 представлена блок-схема разработанного стохастического имитатора оценки вероятности эвакуации.

По

достижении выборками t§R и t3B заданного объёма статистических испытаний Nmax производится оценка плотностей вероятности <рс„ и <рм этих величин (блок «Обработка статистики»), при этом t-,„ = tp + tm. В блоке «Расчёт Рэ», по рассчитанным плотностям вероятностей <рвл и (рт определяется вероятность эвакуации.

Значение Рэ вычисляется следующим образом.

Так как Рэ = Bep(t6jI > tp + tH3) или Рэ = Вер(^ - (tp + tH3) > О), то Рэ можно вычислить как

Ру =]<p,(t.)dt,, (8)

о

где (р. - плотность вероятности случайной величины = /6л - (?р + !„.,).

В свою очередь (р*, как плотность вероятности разности независимых случайных величин /бл и f3B, выражается через сд1л и (рт как

(p.it.) =°\(p3St-t-)%Xt)dt. (9)

о

Интеграл (9) есть свёртка (рэв^<Рбл подставив её в интеграл (8), получим

СО ао ОО

Рэ = J<рх *<РеА = \j(<p-Jt-t.)<p6,(t)dt)dt. (ю)

О 0 0

Двойной интеграл (10) интегрировался методом Симпсона и полученное таким образом значение Р3, а также графики функций <рПл и tfhв, выводились на печать.

Так как при наборе искусственной статистики предполагается многократное использование детерминированных процедур расчёта параметров пожара и эвакуации (блоки «Расчёт ¿6л» и «Расчёт ?эв», содержащиеся в теле основного цикла), то к ним предъявляется требование по быстродействию.

В случае практического использования имитатора количество статиспытаний задается, но не менее 30 ООО. В дальнейшем, по мере накопления данных, количество статиспытаний должно зависеть от точности определения Рэ.

Вероятность эвакуации в имитаторе можно также определять по соотношению:

я, (")

где п - количество статистических испытаний, в которых taл > + ¿нэ; Л^ — общее число статистических испытаний.

Детерминированные данные

Вероятностные данные Очаг пожара / /Эвакуирующиеся/

Расчет Рш

"_/ Вывод \_/к 1 Ья>, <Рел, Р>/ Л ;

Рис. 3. Блок-схема стохастического имитатора оценки вероятности эвакуации людей при пожаре из зданий с многосветиыми пространствами

На рис. 4 представлены распределения <р(а и <рт, по которым определяется значение Рэ.

Вероятность эвакуации из здания определяется из условия:

Р3=хтпРэ1 (12)

где г = 1,...., М- количество этажей в здании с атриумом; РЭ1 - вероятность эвакуации людей с /'-го этажа здания.

Таким образом, из полученных в результате стохастического моделирования значений вероятности эвакуации для вычисления

стохастического имитатора На рис. 5 показана оценка вероятности эвакуации по плотности распределения (р., а также цветом выделена условная площадь, ограничивающая вероятность «неуспеха» эвакуации (1 - Рэ).

Возможности имитатора достаточно широки. В качестве выходных данных возможно получить распределения различных величин: количество людей на этаже, скорость движения людей, время начала эвакуации и т.д. К примеру, на рис. 6 приведены расчеты плотностей распределения высоты незадым-ляемой зоны в разные моменты времени при пожаре в 4-уровневом атриуме (г. Иваново). Геометричес-

В качестве блока детерминированных расчетов в каждом статиспытании используется двухзональная модель с утопленной струей для однополостных атриумов. При этом атриумы не должны быть слишком «вытянутыми» ((а/Ь) < 4, где а - ширина, Ь - длина основания атриума) и ограничены по высоте (Я< 30 м).

Рис. 5. Оценка вероятности эвакуации по плотности распределения (р>

кие размеры атриума: 44x60x16, м.

Высота незадымленной зоны, м

Рис. 6. Результаты расчета плотностей распределения высоты незадымляемой зоны у в различные моменты времени Для повышения достоверности получаемых оценок высоты незадымляемой зоны предложено на основе формулы (5) оценить вероятностные характеристики высоты незадымляемой зоны у от времени /, отвечающие определенным процентилям (квантилям): 10%, 50%, 90% (рис. 7).

90*о —--

-------

0 4 8 12 16

Время, мин

Рис. 7. Процентили высоты незадымляемой зоны Процентиль (квантиль) в данном случае - значение, которое случайная величина (высота незадымляемой зоны) не превышает с фиксированной вероятностью.

Кривая 1 отвечает такому расположению границы, при котором в 9 случаях пожаров из 10 граница дымовой зоны будет расположена ниже.

Кривая 2 отвечает процентилю 50% и соответствует математическому ожиданию расположения границы задымления.

Кривая 3 отвечает такому расположению границы, при котором только в 1 случае из 10 граница дымовой зоны будет расположена ниже.

В четвертой главе «Результаты использования стохастического имитатора оценки вероятности эвакуации в зданиях с атриумом» приведены результаты расчетов по ТРЦ «Серебряный город» г. Иваново, на примере которого проводилась апробация разработанного стохастического имитатора. Проведено сравнение полученных данных с результатами расчетов по существующей методике определения расчетных величин пожарного риска.

На рис. 8-9 представлены результаты расчетов времен эвакуации и блокирования по Методике с 4 этажа атриума ТРЦ «Серебряный город».

Время, с

Рис. 8. Расчет времени эвакуации /„ в детерминированной постановке по Методике приказа МЧС России от 30.06.2009 №382

Рис. 9. Вычисление времени блокирования в детерминированной постановке по Методике приказа МЧС России от 30.06.2009 №382 В результате расчетов получено: при Г„э = 0,5 мин. г6л = 3,54 мин; ір = 1,32 мин.; 0,8/6, - (р= 1,51 мин.; Рэ = 1 -1-Ю" = 0,999, где 1-Ю"3 - вероятность «неуспеха» эвакуации.

По результатам вычисления вероятности эвакуации по Методике с 3-го этажа атриума получено аналогичное значение Рэ = 0,999.

На рисунке 10 представлены результаты построения плотности вероятности времени блокирования различных уровней атриума торгово-

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Время. С

Рис. 10. Плотность вероятности времени блокирования различных уровней атриума.

1 - 4-н уровень; 2 - 3-й уровень; 3 — 2-й уровень;

4 - 1-й уровень

На рис. 11 представлены результаты оценки вероятности эвакуации на основе разработанного стохастического имитатора с 3-го уровня атриума ТРЦ «Серебряный город».

В результате расчета получено значение Рэ = 1 - 0,14-103 = 0,99986, где 0,14-10"3 - вероятность «неуспеха» эвакуации. Оценка величины «неуспеха» эвакуации уменьшилась в данном конкретном случае здания с атриумом примерно в 7 раз по сравнению со значением, полученным в результате расчета по Методике.

На рис. 12 представлены результаты оценки вероятности эвакуации на основе разработанного стохастического имитатора с 4-го уровня атриума ТРЦ «Серебряный город».

Установлено, что при использовании вероятностного подхода (стохастического имитатора) величина вероятности эвакуации составляет Р3 = 1 - 4-10"3 = 0,996, где 4-10 3 - вероятность «неуспеха» эвакуации.

Оценка величины «неуспеха» эвакуации увеличилась в данном конкретном случае примерно в 4 раза по сравнению со значением,

полученным в результате расчета по Методике, что подтверждает эффективность использования разработанного имитатора оценки Рэ.

Время, с

Время, с

Рис. 12. К расчету вероятности эвакуации с верхнего уровня атриума

При использовании разработанного стохастического имитатора учитывается увеличение времени запаса на эвакуацию, то есть величина

Рэ может в ряде случаев стремиться к 1. Кроме того, зависимость вероятности эвакуации от величины Д£ носит нелинейный характер.

На основе разработанной методики стохастического моделирования процессов распространения ОФП и эвакуации людей из зданий при пожарах предлагается, при необходимости, уточнять оценки вероятности эвакуации для особо сложных, уникальных зданий с многосветными пространствами.

Разработанный стохастический имитатор целесообразно использовать также в практической деятельности нормативных органов пожарной охраны и проектных организациях.

Основные выводы и результаты

1. На основе анализа существующих подходов к оценке пожарной опасности зданий обосновано использование имитационного моделирования для повышения достоверности оценок вероятности эвакуации людей из зданий с многосветными пространствами.

2. Модифицированы детерминированные модели процессов эвакуации и распространения ОФП, используемые в стохастическом имитаторе оценки вероятности эвакуации.

3. Предложена система случайных входных факторов для повышения достоверности оценок вероятности эвакуации людей из зданий с многосветными пространствами. Обоснованы вероятностные характеристики случайных входных факторов.

4. Разработана методика сбора исходных данных для определения вероятности эвакуации людей при пожарах из зданий с многосветными пространствами.

5. Разработан стохастический имитатор в виде компьютерной программы, предназначенный для оценки вероятности эвакуации людей при пожарах с учетом вероятностной природы входных факторов, влияющих на процессы эвакуации людей и блокирования эвакуационных выходов в зданиях с многосветными пространствами.

6. Разработанный стохастический имитатор апробирован на примере ТРЦ «Серебряный город» г. Иваново: определены значения вероятности эвакуации для 4 уровней атриума при различных сценариях пожара.

7. Проведено сравнение полученных в результате стохастического моделирования данных со значениями вероятностей эвакуации по существующей методике оценки пожарного риска. Результаты сравнения подтверждают эффективность разработанной стохастической модели.

8. Основные результаты работы апробированы в ряде территориальных подразделений МЧС России, учебных заведений, а также проектных организациях.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Присадков, В.И., Федорпнов, A.B., Стужина, О.В., Костерин,

И.В. Вероятностные оценки высоты незадымляемой зоны в атриумах при модельных пожарах // Материалы XX Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности», М.: 2008, с. 136-138.

2. Присадков, В.И., Лицкевич, В.В., Костерин, И.В. Эффективные методы оценки пожарной опасности многофункциональных общественных зданий с атриумами // Материалы XXI Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности», М.: 2009, с. 33-35.

3. Костерин, И.В., Присадков, В.И. Оценка изменения высоты незадымляемой зоны как одного из критериев пожарной опасности многофункциональных общественных зданий // Материалы IV Международной научно-практической конференции «Пожарная и аварийная безопасность», Иваново, 2009, с. 26-32.

4. Костерин, И.В., Присадков, В.И., Лицкевич, В.В. Пожарная опасность многофункциональных зданий с атриумами // Материалы XXII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности», М.: 2010, с. 122-125.

5. Костерин, И.В., Присадков, В.И., Лицкевич, В.В. Нормативное обеспечение пожарной безопасности многофункциональных зданий с атриумами // Материалы V Международной научно-практической конференции «Пожарная и аварийная безопасность», Иваново, 2010, с. 186-190.

6. Костерин, И.В., Присадков, В.И., Лицкевич, В.В. Методологический подход к оценке пожарной опасности многофункциональных общественных зданий с атриумами // Материалы X научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. Оценка рисков возникновения чрезвычайных ситуаций», М., 2010, с. 57-58.

7. Костерин, И.В. Экспертный метод оценки пожарной опасности многофункциональных общественных зданий // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности» (http://ipb.mos.ru/ttb). Выпуск №2 (36)-2011 г.

8. Костерин, И.В. Современные подходы к оценке пожарной опасности многофункциональных общественных зданий с атриумами // Пожаровзрывобезопасность, №4, 2011, с. 21-23.

9. Костерин, И.В. Создание 3 D-мод слей многофункциональных общественных зданий с помощью пакета «Autodesk 3ds шах» для

прогнозирования возникновения чрезвычайных ситуаций // Пожаровзрывобезопасность, №5, 2011, с. 22-24.

10. Костерин, И.В. Применение методов моделирования людских потоков в процессе эвакуации // Пожаровзрывобезопасность, №6, 2011, с. 20-23.

11. Костерин, И.В. Вероятностный подход к оценке пожарной опасности многофункциональных общественных зданий // Материалы XXI Международной научно-практической конференции научно-педагогического состава и обучающихся «Предупреждение. Спасение. Помощь», Химки, 2011, с. 78-81.

12. Костерин, И.В. Использование методов имитационного моделирования для оценки времени эвакуации людей из многофункциональных общественных зданий // Материалы XVII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Алушта, 2011, с. 101103.

13. Костерин, И.В., Присадков, В.И. Исследование зависимости динамики количества посетителей на вероятность эвакуации из многофункционального торгового комплекса // Материалы VI Международной научно-практической конференции «Пожарная и аварийная безопасность», Иваново, 2011, с. 179-181.

14. Костерин, И.В., Присадков, В.И., Лицкевич, В.В. Программа оценки времени эвакуации из торгово-развлекательного центра на основе вероятностных входных параметров // Материалы VI Международной научно-практической конференции «Пожарная и аварийная безопасность», Иваново, 2011, с. 181-184.

15. Присадков, В.И., Костерин, И.В. Моделирование процесса эвакуации из торгово-развлекательного центра «Серебряный город» г. Иваново при различных сценариях возникновения и развития пожара // Проблемы горения и тушения пожаров: сб. науч. тр., М.: ВНИИПО, 2012. Вып. 3. Инв. №5-29/671 ДСП, с. 3-13.

16. Костерин, И.В., Присадков, В.И., Лицкевич, В.В., Федоринов, А.В. Совершенствование методологии оценки вероятности эвакуации людей из многосветных объемов при пожаре в общественных зданиях // Пожаровзрывобезопасность, №3, 2012, с. 76-79.

17. Костерин, И.В. Исследование пожарной опасности общественных зданий с многосветными объемами // Материалы международной научно-практической конференции «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации», Москва, АГПС МЧС России, 2012, с. 40-43.

Подписано в печать 26.09.2012 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная, усл. печ. л. 1,63. Уч.-изд. л. 1,43. Т-100 экз. Заказ № 35

Типография ФГБУ ВНИИПО МЧС России 143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12.