Совершенствование методологии оценки вероятности эвакуации людей из многосветных объемов при пожаре в общественных зданиях

БЕЗОПАСНОСТЬ ЛЮДЕЙ ПРИ ПОЖАРАХ

И. В. КОСТЕРИН, начальник отделения организации научных исследований экспертно-консалтингового отдела ФГБОУ ВПО “Ивановский институт ГПС МЧС

России”, г. Иваново, Россия; адъюнкт ФГБУ ВНИИПО МЧС РФ, г. Балашиха, Россия

В. И. ПРИСАДКОВ, д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник

ФГБУ ВНИИПО МЧС РФ, г. Балашиха, Россия

В. В. ЛИЦКЕВИЧ, старший научный сотрудник ФГБУ ВНИИПО МЧС РФ, г. Балашиха, Россия

А. В. ФЕДОРИНОВ, канд. техн. наук, генеральный директор ООО “Алатекс”, г. Реутов, Россия

УДК 614.841+519.2

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОЛОГИИ ОЦЕНКИ

ВЕРОЯТНОСТИ ЭВАКУАЦИИ ЛЮДЕЙ ИЗ МНОГОСВЕТНЫХ

ОБЪЕМОВ ПРИ ПОЖАРЕ В ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЯХ

Приведен краткий обзор методов оценки пожарной опасности зданий. Рассмотрена детерми- нированная модель динамики опасных факторов пожара в больших объемах, характерных для многофункциональных общественных зданий с атриумами. На основе модели построен стоха- стический имитатор. Приведены некоторые результаты восстановления вероятностных характе- ристик пожара на примере реального многофункционального общественного здания с атриумом.

Ключевые слова: пожарная безопасность; вероятностные методы; детерминированные мето- ды; имитационное моделирование; многофункциональное общественное здание; высота неза- дымляемой зоны; метод Монте-Карло; атриум.

В последние годы в России многосветные помеще-           l  атриумы, как правило, предусматриваются в зда-
ния (атриумы, галереи, зимние дворики) все шире             ниях с массовым пребыванием людей и являют-
используются как архитектурно-строительное реше-            ся связующими центрами коммуникационной
ние в многофункциональных общественных здани-               сети передвижения людей по зданию, поэтому
ях. Здания с многосветными пространствами (далее            задымление атриума “перерезает” основной узел
— атриумы) являются уникальными объектами.                  системы путей эвакуации.
В настоящее время противопожарные требова-              В связи с этим к точности и достоверности рас-
ния к атриумам в российских нормах отсутствуют,          чета пожарного риска на таких объектах должны
несмотря на то что здания с атриумами обладают по-       предъявляться дополнительные требования, и в пер-
вышенной пожарной опасностью, которая обуслов-           вую очередь к оценке вероятности эвакуации людей
лена следующим:                                          при пожаре.
l   атриум представляет собой “трубу”, по которой           В идеале при расчете индивидуального риска мо-
продукты горения распространяются на выше-           делирование параметров пожара, как и процесса эва-
расположенные этажи;                                 куации, должно иметь вероятностную постановку,
l   в развитом по высоте атриуме конвективная ко-        по крайней мере, для объектов, в которых развитие
лонка над очагом пожара имеет значительную           пожара носит существенно стохастический характер.
высоту, что приводит к интенсивному увеличе-            В настоящей работе предпринята попытка со-
нию объема дыма;                                     здания стохастического имитатора развития пожара
l   при пожаре дым может поступать в атриум как          в зданиях с атриумами, который методом Монте-
из примыкающих помещений, так и из удален-           Карло [1, 2] воспроизводил бы вероятностную кар-
ных помещений по коридорам, выходящим в ат-          тину последствий пожара. Так как при искусствен-
риум;                                                ном наборе статистических данных предполагается
l   при больших объемах атриума и открытых в него        многократное использование детерминированной
коридоров и галерей продукты горения имеют           модели, к ней предъявляется требование достаточ-
относительно невысокую температуру, что из-за        ного быстродействия.
низкой плавучести дыма снижает эффектив-                Задача усложняется наличием такой величины,
ность работы системы дымоудаления с естест-          как время начала эвакуации tн.э (мин). В качестве пер-
венным побуждением;                                  вого приближения для инженерных расчетов мож-

76 ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 № 3

БЕЗОПАСНОСТЬ ЛЮДЕЙ ПРИ ПОЖАРАХ

но воспользоваться детерминированными значени-                         Vл — линейная скорость распространения пла-
ями tн.э, приведенными в приложении 5 [3]. Как уста-                   мени, м/с.
новили профессор В. В. Холщевников и Д. А. Само-                       6. Тепловая мощность Qк (кДж), вносимая в за-
шин, параметр tн.э является случайной величиной.                    дымленную зону конвективной колонкой, меньше
Для высотных зданий и зданий высотных комп-                     мощности пожара за счет потерь через радиацион-
лексов величина tн.э может быть аппроксимирована                    ное излучение и теплопередачу к ограждающим кон-
усеченным нормальным распределением с плотно-                       струкциям [2]:
стью распределения j3(tн.э).                                                            Qк = 0,6Qп .             (3)
С учетом вышесказанного для оценки вероятно-
В разработке определяется высота незадымля-
сти эвакуации Pэв предлагается использовать выра-
емой зоны в атриуме по формуле согласно [4].
жение
T
Найдем время tбл достижения критического
Pэв = P ( t бл > t р + t н. э ) = т y ( t 1 )d t 1 ,   (1)   уровня yi = yг i + 1,7 (где 1,7 м — высота незадымля-
емой зоны) на i-й галерее:
где t1 = tбл – (tp + tн.э);                                                й                                          щ
1 5
кжз - 3
- ц
1   ж  r   С   T  A 3
ц 3
ъ
tбл — время блокирования опасными факторами                     t бл = к y i - H ч
3         з    0   р  0      ч     , (4)
пожара путей эвакуации, мин;                                             з         ч 0,075 з y ph Q V g ч ъ
н  2
ки          ш       и уд         р     ш ъ
tр — расчетное время эвакуации, мин;                                   л                                          ы
Т = max t 1;
где yi — высота незадымляемой зоны на i-м уровне
y(t1) — плотность распределения t1.                                 атриума, м;
Для расчета Pэв во ВНИИПО МЧС России раз-                           Н — высота атриума, м;
работана имитационная система, основные положе-                         r0 — плотность холодного воздуха, кг/м3;
ния которой изложены ниже.                                              Cp — удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·K);
Критерии для определения критического време-                        T0 — температура холодного воздуха, К;
ни по каждому из опасных факторов пожара (вре-                          А — площадь атриума, м2;
мен блокирования путей эвакуации) определяются                          g — ускорение свободного падения, м/с2.
как время достижения этими факторами предельно                          В качестве первого приближения в имитаторе для
допустимых значений на путях эвакуации на высо-                     расчета вероятности эвакуации Р эр линейную ско-
те 1,7 м или на уровне пола галерей атриума.                        рость распространения пламени и удельную скорость
Предельно допустимые значения по каждому из                     выгорания следует рассматривать как случайные ве-
пяти факторов взяты из [3].                                         личины.
Имитационная система для помещения атриума                          В силу отсутствия данных по законам распреде-
построена на основе аналитических выражений, от-                    ления V и yуд принято описывать их в имитаторе
ражающих основные положения физики пожаров в                        усеченным нормальным законом. Математические
ограждениях.                                                        ожидания m(V ) и m(yуд) и среднеквадратические
Например, в работе [4] получено аналитическое                   отклонения s(V ) и s(yуд) устанавливаются по спра-
решение для высоты границы задымленной зоны y                       вочным данным.
относительно пола атриума. При этом принималось:                        Расчетное время эвакуации людей из помещений
1. Очаг пожара находится на уровне атриума.                     атриума в одном цикле имитатора определяется по
2. Заполнение продуктами пожара объема ат-                      моделям, приведенным в [5]. При этом в основу бло-
риума описывается двухзонной моделью пожара с                       ка детерминированных расчетов в качестве первого
конвективной колонкой.                                              приближения взяты модели, приведенные в прило-
3. Помещение атриума связано с наружным про-                    жении 3 [3].
странством.                                                             Состав эвакуирующихся людей считается одно-
4. Распространение горения по твердой горю-                     родным по физическим возможностям (группа мо-
чей нагрузке описывается круговой моделью пожа-                     бильности М1 по СНиП 35-01–2001). Вместе с тем
ра с постоянной линейной скоростью V (м/с).                         учет неоднородности состава потока требует рассмат-
5. Мощность пожара Qп (кДж) изменяется квад-                    ривать скорость потока как случайную величину,
ратично с течением времени t:                                       подчиняющуюся усеченному нормальному закону
Q п = hy уд Q рн p (Vл t ) 2 ,               (2)   с математическим ожиданием m(Vл) и стандартным
отклонением s(Vл).
где h — полнота сгорания горючего материала;                            Другой случайной величиной является количе-
yуд — удельная скорость выгорания, кг/м2;                       ство людей N в помещениях атриума и смежных с
Q рн — низшая теплота сгорания, Дж/кг;                           ним помещениях. В этом случае для описания раз-
t — текущее время, с;                                           бросов N принимается также усеченный нормаль-

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 № 3

БЕЗОПАСНОСТЬ ЛЮДЕЙ ПРИ ПОЖАРАХ

Рис. 1. Блок-схема имитационной системы для оценки вероятности эвакуации из зданий с атриумами

ный закон. Математическое ожидание количества В случае практического использования имита- людей m(N) и стандартное отклонение s(N) опреде- тора задается количество статических испытаний, ляются исходя из данных для конкретного объекта. но не менее 30000. В дальнейшем, по мере накопле-

На рис. 1 приведена блок-схема имитатора опре- ния данных, их количество должно зависеть от точ- деления вероятности эвакуации людей из помеще- ности определения Pэ.

ний здания с наличием атриума, построенного с уче- Возможности использования имитатора доста- том требований [1]. точно широки. На рис. 2 представлены результаты расчетов плотностей распределения высоты неза- дымляемой зоны в разные моменты времени.

На рис. 3 приведены кривые y(t), отвечающие определенным процентилям: 10, 50 и 90 %. Так, на- пример, кривая 2 отвечает процентилю 50 % и соот- ветствует математическому ожиданию расположе- ния границы задымления. Кривая 1 отвечает такому расположению границы, при котором только в 10 слу- чаях пожаров из 100 граница дымовой зоны будет расположена ниже.

Рис. 2. Результаты расчета плотностей распределения высо- ты незадымляемой зоны в разные моменты времени (цифры у кривых, в мин) Рис. 3. Кривые, отвечающие определенным процентилям

78 ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 № 3

БЕЗОПАСНОСТЬ ЛЮДЕЙ ПРИ ПОЖАРАХ

Таким образом, в статье кратко охарактеризова-            l  скорость движения человека Vдв (м/с);
ны следующие промежуточные результаты:                       l  время начала эвакуации tн.э (с);
1. Для повышения точности расчетно-обосно-                l  удельную скорость выгорания шуд (кг/(м2·с));
ванных предложений по системам противопожар-                 l  линейную скорость распространения пламени
ной защиты зданий с атриумами необходимо исполь-                по пожарной нагрузке Vл (м/с).
зовать стохастические модели оценки времени эва-                3. Выбраны области и законы изменения случай-
куации людей из зданий при пожарах и блокирова-              ных входных величин.
ния ОФП эвакуационных выходов с этажей зданий.                  4. Сформулированы основания (причины и цели
2. В качестве случайных факторов, учитываемых             использования) необходимости стохастического
при стохастическом моделировании, предлагается               моделирования процессов эвакуации людей при по-
учитывать следующие:                                         жарах для совершенствования моделей и методов
l  количество эвакуирующихся с этажа N (чел.);               оценки пожарного риска при эвакуации людей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кельтон В., Лоу А. Имитационное моделирование. — СПб. : Питер; Киев : Изд. группа BHV,

2004. — 847 с.

2. Response surface modeling of Monte-Carlo fire data // A thesis submitted in fulfilment of the require- ment for the degree of Doctor of Philosophy by Jianguo Qu. — Centre for Environmental Safety and

Risk Engineering Victoria University of Technology, Australia, 2003.

3. Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности : приказ МЧС России от 30.06.2009 г.

№ 382 ; введ. 30.06.2009 г. // Российская газета. — 2009. — № 161.

4. Chow W. K., Huо R., Fong M. K. PolyU/USTC atrium: a full-scale burning facility — preliminary expe- riments // J. Applied Fire Science. — 1998–1999. — Vol. 8(3). — Р. 229–241.

5. Chow W. K., Chow C. L. Evacuation with Smoke Control for Atria in Green and Sustainable Buildings,

Building and Environment // J. Applied Fire Science. — 2005. — Vol. 40, No. 2. — P. 195–200.

Материал поступил в редакцию 20 февраля 2012 г.

Электронный адрес авторов: kosteriniv@gmail.com.

Из пожарно-технического энциклопедического словаря

АВАРИЙНАЯ СИТУАЦИЯ – cитуация, характеризующаяся вероятностью возникновения аварии с воз- можностью дальнейшего ее развития.

АВАРИЙНЫЙ ВЫХОД – дверь, люк или иной выход, которые ведут на путь эвакуации, непосредственно наружу или в безопасную зону, используются как дополнительный выход для спасания людей, но не учи- тываются при оценке соответствия необходимого количества и размеров эвакуационных путей и эвакуа- ционных выходов и которые удовлетворяют требованиям безопасной эвакуации людей при пожаре.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭВАКУАЦИЕЙ ЛЮДЕЙ ПРИ ПОЖАРЕ – приведение в действие сис- темы оповещения и управления эвакуацией людей командным сигналом от автоматических установок пожарной сигнализации или пожаротушения.

АВТОНОМНАЯ УСТАНОВКА ПОЖАРОТУШЕНИЯ – установка пожаротушения, автоматически осуществляющая функции обнаружения и тушения пожара независимо от внешних источников питания и систем управления.

АВТОНОМНЫЙ ПОЖАРНЫЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ – пожарный извещатель, реагирующий на определенный уровень концентрации аэрозольных продуктов горения (пиролиза) веществ и материалов и, возможно, других факторов пожара, в корпусе которого конструктивно объединены автономный источник питания и все компоненты, необходимые для обнаружения пожара и непосредственного оповещения о нем.

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 № 3