CC BY
30
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 детерминированная модель динамики опасных факторов пожара в больших объемах, характерных для многофункциональных общественных зданий с атриумами. На основе модели построен стохастический имитатор. Приведены некоторые результаты восстановления вероятностных характеристик пожара на примере реального многофункционального общественного здания с атриумом.
Ключевые слова: пожарная безопасность; вероятностные методы; детерминированные методы; имитационное моделирование; многофункциональное общественное здание; высота неза-дымляемой зоны; метод Монте-Карло; атриум.
В последние годы в России многосветные помещения (атриумы, галереи, зимние дворики) все шире используются как архитектурно-строительное решение в многофункциональных общественных зданиях. Здания с многосветными пространствами (далее — атриумы) являются уникальными объектами.
В настоящее время противопожарные требования к атриумам в российских нормах отсутствуют, несмотря на то что здания с атриумами обладают повышенной пожарной опасностью, которая обусловлена следующим:
• атриум представляет собой "трубу", по которой продукты горения распространяются на вышерасположенные этажи;
• в развитом по высоте атриуме конвективная колонка над очагом пожара имеет значительную высоту, что приводит к интенсивному увеличению объема дыма;
• при пожаре дым может поступать в атриум как из примыкающих помещений, так и из удаленных помещений по коридорам, выходящим в атриум;
• при больших объемах атриума и открытых в него коридоров и галерей продукты горения имеют относительно невысокую температуру, что из-за низкой плавучести дыма снижает эффективность работы системы дымоудаления с естественным побуждением;
• атриумы, как правило, предусматриваются в зданиях с массовым пребыванием людей и являются связующими центрами коммуникационной сети передвижения людей по зданию, поэтому задымление атриума "перерезает" основной узел системы путей эвакуации. В связи с этим к точности и достоверности расчета пожарного риска на таких объектах должны предъявляться дополнительные требования, и в первую очередь к оценке вероятности эвакуации людей при пожаре.
В идеале при расчете индивидуального риска моделирование параметров пожара, как и процесса эвакуации, должно иметь вероятностную постановку, по крайней мере, для объектов, в которых развитие пожара носит существенно стохастический характер.
В настоящей работе предпринята попытка создания стохастического имитатора развития пожара в зданиях с атриумами, который методом Монте-Карло [1,2] воспроизводил бы вероятностную картину последствий пожара. Так как при искусственном наборе статистических данных предполагается многократное использование детерминированной модели, к ней предъявляется требование достаточного быстродействия.
Задача усложняется наличием такой величины, как время начала эвакуации ^ э (мин). В качестве первого приближения для инженерных расчетов мож-
© Костерин И. В., Присадков В. И., Лицкевич В. В., Федоринов А. В., 2012
76
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №3
но воспользоваться детерминированными значениями ^ э, приведенными в приложении 5 [3]. Как установили профессор В. В. Холщевников и Д. А. Само-шин, параметр 1н э является случайной величиной.
Для высотных зданий и зданий высотных комплексов величина tн э может быть аппроксимирована усеченным нормальным распределением с плотностью распределения ф3(^.э).
С учетом вышесказанного для оценки вероятности эвакуации Рэв предлагается использовать выражение
- Р 0 бл > t р + t н.э
) (t1)d (1)
где tl = tбл- Ор + tн.э);
tбл — время блокирования опасными факторами
пожара путей эвакуации, мин;
^ — расчетное время эвакуации, мин; Т = тах t1;
у(^) — плотность распределения t1.
Для расчета Рэв во ВНИИПО МЧС России разработана имитационная система, основные положения которой изложены ниже.
Критерии для определения критического времени по каждому из опасных факторов пожара (времен блокирования путей эвакуации) определяются как время достижения этими факторами предельно допустимых значений на путях эвакуации на высоте 1,7 м или на уровне пола галерей атриума.
Предельно допустимые значения по каждому из пяти факторов взяты из [3].
Имитационная система для помещения атриума построена на основе аналитических выражений, отражающих основные положения физики пожаров в ограждениях.
Например, в работе [4] получено аналитическое решение для высоты границы задымленной зоны у относительно пола атриума. При этом принималось:
1. Очаг пожара находится на уровне атриума.
2. Заполнение продуктами пожара объема атриума описывается двухзонной моделью пожара с конвективной колонкой.
3. Помещение атриума связано с наружным пространством.
4. Распространение горения по твердой горючей нагрузке описывается круговой моделью пожара с постоянной линейной скоростью V(м/с).
5. Мощность пожара Qп (кДж) изменяется квадратично с течением времени ^
Qп -"V удQрн ^ (V t )2, (2)
где "л — полнота сгорания горючего материала;
удельная скорость выгорания, кг/м2; низшая теплота сгорания, Дж/кг; t — текущее время, с;
¥уд-
Qн
Vл — линейная скорость распространения пламени, м/с.
6. Тепловая мощность Qк (кДж), вносимая в задымленную зону конвективной колонкой, меньше мощности пожара за счет потерь через радиационное излучение и теплопередачу к ограждающим конструкциям [2]:
Qк = 0,6Qп. (3)
В разработке определяется высота незадымля-емой зоны в атриуме по формуле согласно [4].
Найдем время достижения критического уровня уг = уг г + 1,7 (где 1,7 м — высота незадымля-емой зоны) на г-й галерее:
t бл -
- Н
2\ 3
1
0,075
Р рС рТо А3
V уд ^ рн V2 ш
1
Л 3
■ (4)
где уг — высота незадымляемой зоны на г-м уровне
атриума, м;
Н — высота атриума, м;
р0 — плотность холодного воздуха, кг/м3;
Ср—удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг-К);
Т0 — температура холодного воздуха, К;
А — площадь атриума, м2;
Ш — ускорение свободного падения, м/с2.
В качестве первого приближения в имитаторе для расчета вероятности эвакуации рэ линейную скорость распространения пламени и удельную скорость выгорания следует рассматривать как случайные величины.
В силу отсутствия данных по законам распределения V и ууд принято описывать их в имитаторе усеченным нормальным законом. Математические ожидания т(У) и т(ууд) и среднеквадратические отклонения а( V) и ст(ууд) устанавливаются по справочным данным.
Расчетное время эвакуации людей из помещений атриума в одном цикле имитатора определяется по моделям, приведенным в [5]. При этом в основу блока детерминированных расчетов в качестве первого приближения взяты модели, приведенные в приложении 3 [3].
Состав эвакуирующихся людей считается однородным по физическим возможностям (группа мобильности М1 по СНиП 35-01-2001). Вместе с тем учет неоднородности состава потока требует рассматривать скорость потока как случайную величину, подчиняющуюся усеченному нормальному закону с математическим ожиданием т( и стандартным отклонением ст(Кп).
Другой случайной величиной является количество людей N в помещениях атриума и смежных с ним помещениях. В этом случае для описания разбросов N принимается также усеченный нормаль-
0
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №3
77
Назначение здания
Объемно-планировочные и конструктивные характеристики здания (атриума) Функциональный тип помещений и характеристика людей
* <
Справочные данные и методические положения
Розыгрыш величины Ууд Розыгрыш скорости распространения горения V (м/с) Розыгрыш скорости движения людей Ул (м/с) Розыгрыш количества людей А^
Критериальные значения ОФП
Количество имитационных циклов АГ
Плотность распределения Ф]^-,)
Рис. 1. Блок-схема имитационной системы для оценки вероятности эвакуации из зданий с атриумами
ный закон. Математическое ожидание количества людей ш(Ы) и стандартное отклонение о(Ы) определяются исходя из данных для конкретного объекта.
На рис. 1 приведена блок-схема имитатора определения вероятности эвакуации людей из помещений здания с наличием атриума, построенного с учетом требований [1].
5 10 15
Высота незадымляемой зоны, м
Рис. 2. Результаты расчета плотностей распределения высоты незадымляемой зоны в разные моменты времени (цифры у кривых, в мин)
В случае практического использования имитатора задается количество статических испытаний, но не менее 30000. В дальнейшем, по мере накопления данных, их количество должно зависеть от точности определения Рэ.
Возможности использования имитатора достаточно широки. На рис. 2 представлены результаты расчетов плотностей распределения высоты неза-дымляемой зоны в разные моменты времени.
На рис. 3 приведены кривые у(£), отвечающие определенным процентилям: 10,50 и 90 %. Так, например, кривая 2 отвечает процентилю 50%и соответствует математическому ожиданию расположения границы задымления. Кривая 1 отвечает такому расположению границы, при котором только в 10 случаях пожаров из 100 граница дымовой зоны будет расположена ниже.
16 14 12 10
г
л
8 и 3 СО
0 12 3 4
Уровень атриума
Рис. 3. Кривые, отвечающие определенным процентилям
78
!ББМ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №3
Таким образом, в статье кратко охарактеризованы следующие промежуточные результаты:
1. Для повышения точности расчетно-обосно-ванных предложений по системам противопожарной защиты зданий с атриумами необходимо использовать стохастические модели оценки времени эвакуации людей из зданий при пожарах и блокирования ОФП эвакуационных выходов с этажей зданий.
2. В качестве случайных факторов, учитываемых при стохастическом моделировании, предлагается учитывать следующие:
• количество эвакуирующихся с этажа N (чел.);
• скорость движения человека Vдв (м/с);
• время начала эвакуации (с);
• удельную скорость выгорания 0уд (кг/(м2-с));
• линейную скорость распространения пламени по пожарной нагрузке Vл (м/с).
3. Выбраны области и законы изменения случайных входных величин.
4. Сформулированы основания (причины и цели использования) необходимости стохастического моделирования процессов эвакуации людей при пожарах для совершенствования моделей и методов 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 requirement 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., Huo R., FongM.K. PolyU/USTC atrium: a full-scale burning facility—preliminary experiments // 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 — ситуация, характеризующаяся вероятностью возникновения аварии с возможностью 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 учитываются при оценке соответствия необходимого количества и размеров эвакуационных путей и эвакуационных выходов и которые удовлетворяют требованиям безопасной эвакуации людей при пожаре.
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭВАКУАЦИЕЙ ЛЮДЕЙ ПРИ ПОЖАРЕ - приведение в действие системы 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
79
