Влияние параметров движения людских потоков при пожаре на объемно-планировочные решения высотных зданий
На правах рукописи
Кудрин Иван Сергеевич
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ЛЮДСКИХ ПОТОКОВ
ПРИ ПОЖАРЕ НА ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ
ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ
Специальность: 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность
(технические наук
и, отрасль строительство)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук Москва – 2013
Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России на кафедре пожарной безопасности в строительстве
Научный руководитель: заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор, Холщевников Валерий Васильевич
Официальные оппоненты: Таранцев Александр Алексеевич, заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, профессор кафедры организации пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ Никонов Сергей Александрович, кандидат технических наук, ООО «Охранно-пожарная безопасность», технический директор
Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий (ОАО ЦНИИЭП жилища)
Защита состоится «20» декабря 2013 г. в 13 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 205.002.02 в Академии Государственной противо пожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Б. Галушкина, 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России.
Автореферат разослан «18» ноября 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Швырков Сергей Александрович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Нормативные требования в области пожарной безопасности, отражающие особенности проектирования высотных зданий, устанавливаются специальными техническими условиями (СТУ), при подго товке которых производится расчет пожарного риска. При этом индивидуаль ный пожарный риск отвечает требуемому значению, только в том случае, если выполняется условие своевременности и беспрепятственности эвакуации.
Анализ процесса эвакуации из высотных зданий при крупных пожарах в России и за рубежом показал, что основными проблемами являются:
- высокие плотности людских потоков в лестничных клетках и, как следствие, низкая скорость движения и увеличивающееся в результате этого общее время эвакуации;
- протяженность пути эвакуации по лестнице от месторасположения чело века до выхода наружу или в безопасную зону по лестнице может превышать км (на примере здания комплекса «Меркурий Сити Тауэр», расположенного в г.
Москве);
- неудовлетворительная организация процесса эвакуации из высотных зданий, что приводит к возникновению скоплений людей в лестничных клет ках, ведущих к компрессионной асфиксии и их продолжительному выходу из здания;
- возможность воздействия опасных факторов пожара (ОФП) на людей на путях движения, несмотря на наличие систем противопожарной защиты;
- исключение возможности использования лифта при эвакуации при пожа ре, в особенности для групп населения с ограниченными возможностями пере движения (маломобильные группы населения, пожилые люди, люди с избыточ ным весом и др.).
Несмотря на большое количество отечественных и зарубежных исследова ний, посвящённых как развитию общей теории людских потоков и поведения людей при эвакуации (Беляев С.В., Милинский А.И., Предтеченский В.М., Калинцев В.А., Дувидзон Р.М., Холщевников В.В., Григорьянц Р.Г., Копылов В.А., Алекссев Ю.В., Гвоздяков В.С., Еремченко М.А., Никонов С.А., Исаевич И.И., Овсянников А.Н., Айбуев З. С.-А., Дмитриев А.С., Парфёненко А.П., Kimura K., Ihara S., Togawa K., Melinik S., Booth S., Fruin J.J., Marchant E.W., Pauls J.L., Boyce K.E., Shields T.J.), так и исследованию эвакуации людей из высотных и многоэтажных зданий (Холщевников В.В., Никонов С.А., Самошин Д.А., Таранцев А.А., Родичев А.Ю., Kubawara H., Doi H., Muta K., Sato H., Pauls J.L., Akihino H., Templer J.A., Won-Hwa H.), многие проблемы, касающиеся дан ного исследования, остаются неустановленными:
- закономерности между параметрами людских потоков при их движении на участках эвакуационных путей разных видов в лестничных клетках высот ных зданий;
- кинематические закономерности процесса слияния людских потоков в них;
- организация координации алгоритмов эвакуации и функционирования технических систем противопожарной защиты.
Таким образом, целью диссертационной работы является развитие основных методологических положений по проектированию эвакуационных путей и выходов в высотных зданиях на основании установления расчетных зависимостей между параметрами движения людских потоков для повышения уровня безопасности находящихся в них людей при возникно вении пожара.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
- разработать методику и провести эксперименты по исследованию движе ния людских потоков в лестничной клетке многоэтажного здания, позволяю щие получить эмпирические данные, отражающие влияние на параметры люд ских потоков вида пути, уровня эмоционального состояния участвующих людей и изменения структуры сливающихся потоков;
- на основании анализа полученных данных установить закономерности между параметрами людских потоков при движении по лестничным площадкам и маршам при различных уровнях эмоционального состоянии людей, участву ющих в эксперименте;
- установить закономерности между параметрами людских потоков при различных условиях слияния на лестничной площадке многоэтажного здания;
- установить фактическую ширину участков эвакуационного пути в лест ничной клетке высотных зданий и их расчётную длину в зависимости от изме нения плотности людского потока;
- проанализировать динамику распространения опасных факторов пожара и движения людских потоков и разработать предложения по совершенствова нию организационно-технических мероприятий и систем противопожарной защиты для обеспечения безопасной эвакуации людей из высотных зданий, в том числе, с использованием лифтов.
Объектом исследования является процесс движения людских потоков в системе эвакуационных путей высотных зданий функциональной пожарной опасности класса Ф4.3.
В качестве предмета исследования рассматривались закономерности изменения параметров людских потоков при движении в лестничной клетке многоэтажного здания, определяющие нормируемые геометрические размеры эвакуационных путей и выходов и вероятность эвакуации (Pэ) при оценке пожарных рисков.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Разработана методика проведения натурных наблюдений движения людских потоков в лестничных клетках с учетом их слияния.
2. Сформирована статистическая совокупность значений скорости движе ния людей во всех интервалах плотности для отдельных участков эвакуацион ных путей в лестничной клетке (лестничный марш, лестничная площадка, дверной проём).
3. Установлены значения коэффициентов (a, D0) и скорости свободного движения (V0) общей закономерности между скоростью движения людей и плотностью людского потока при их движении по лестнице (лестничный марш, лестничная площадка) с учетом их эмоционального состояния.
4. Установлена зависимость между параметрами сливающихся людских потоков в лестничной клетке при различных условиях проведения экспери мента.
5. Определены значения скорости свободного движения отдельно для мужчин и женщин и установлены области их применения.
Практическая ценность работы:
- получены количественные значения коэффициентов (a, D0) и скорости свободного движения (V0) общей закономерности связи между параметрами людских потоков при их движении по участкам эвакуационных путей в лест ничной клетке, необходимые для установления требований к объемно планировочным решениям;
- получены формулы расчетной длины пути по лестнице с учетом плотности людского потока, позволяющие повысить достоверность определе ния расчетного времени эвакуации;
- предложены организационно-технические мероприятия по регулирова нию процесса эвакуации, способствующие её своевременности и беспрепят ственности;
- предложена концепция регламентации функционирования систем проти вопожарной защиты при сравнении расчётных значений времени эвакуации людей (tэв) и времени блокирования путей эвакуации (tбл), повышающая надёж ность выполнения условия tэв tбл.
Материалы диссертации реализованы при разработке:
- новой редакции нормативного документа по пожарной безопасности:
«Методика определения расчётных величин пожарного риска в зданиях, соору жениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности»:
ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2013 г.;
- нормативного документа по пожарной безопасности: «Специальные технические условия для высотного здания многофункционального комплекса «Империя Тауэр» в составе Московского международного делового центра «Москва-Сити», М.: Институт Комплексной безопасности в строительстве, 2013 г.;
- стандарта организации: «Системы обеспечения комплексной без опасности высотных зданий и сооружений» СТО НОСТРОЙ 2.35.73-2012. М.:
ЗАО «ИСЗС-Консалт», 2013 г.;
- организационно-технических мероприятий в высотном здании «Газойл Плаза» расположенном по адресу: г. Москва, ул. Намёткина, д.12а: ООО «Сер вис Менеджмент», 2012 г.;
- курса лекций по дисциплине «Пожарная безопасность в строительстве»
(2013 г.) в Академии ГПС МЧС России;
- курса лекций по дисциплинам «Архитектура гражданских и промышлен ных зданий» (2013 г.), «Пожарная безопасность в строительстве» (2013 г.) в Московском государственном строительном университете.
Основные результаты работы доложены на: Научно-практической кон ференции «Высотное строительство» (г. Москва, Всероссийский выставочный центр, 2009);
Научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2012);
VI Международ ной научно-практической конференции курсантов (студентов), слушателей магистратуры и адъюнктов (аспирантов) (Республика Беларусь, г. Минск, 2012);
Симпозиуме Международной организации по стандартиза ции (International Standards Organization) (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2013);
VI Европейской конференции по пожарной безопасности «Eu roFire» (г. Базель, Швейцария, 2013).
На защиту выносятся:
1. Методика проведения натурных наблюдений движения людских пото ков в лестничной клетке многоэтажных зданий, включающая:
- анализ возможных вариантов слияния различных частей людских пото ков;
- метод установления участка слияния людских потоков на поэтажной лестничной площадке, определяющий его конфигурацию и границы с примы кающими к нему участками;
- фиксацию параметров движения людских потоков посредством видео съемки с проведением последующего статистического анализа полученных данных.
2. Значения коэффициентов (a, D0) и скорости свободного движения (V0) общей закономерности между параметрами людских потоков при движении по эвакуационным путям лестничной клетки многоэтажных и высотных зданий с учётом многократных слияний, поворотов и изменений видов пути.
3. Метод определения фактической длины участков эвакуационного пути в лестничной клетке высотных зданий, показывающий необходимость увеличе ния расчётной длины эвакуационного пути на 30 % при расчётах пожарных рисков.
4. Концепция регламентации функционирования систем противопожарной защиты на основе определения случайной величины расчетного времени эвакуации и распространения опасных факторов пожара.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 190 страницах текста, включает в себя 44 таблицы, 58 рисунков, список литературы из 165 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулиро вана цель и определены соответствующие ей задачи работы, проанализированы объект и предмет исследования, показаны научная новизна работы и её практи ческая значимость.
В первой главе представлен анализ статистических данных о пожарах, научных работ в области теории движения людских потоков и технических требований систем противопожарной защиты в высотных зданиях в России и за рубежом.
Анализ наиболее крупных пожаров в высотных зданиях определил пере чень основных проблем, с которыми сталкиваются люди при эвакуации: уда ленность пути эвакуации, высокие плотности людских потоков в лестничной клетке, воздействие опасных факторов пожара на людей, неудовлетворительная организация процесса эвакуации и исключение возможности использования лифта при эвакуации при пожаре.
Анализ пожаров, произошедших в России с 2000 по 2011 г. в зданиях выше 20 этажей, показывает снижающуюся тенденцию числа пожаров, хотя их еже годное количество значительно и превышает 130. Причина возникновения по жара изменяется в зависимости от класса функциональной пожарной опасности объекта. В жилом доме характерной причиной является курение в неустанов ленном месте, для административных зданий – нарушение правил технической эксплуатации электрооборудования, а для гостиниц и общежитий – неосторож ное обращение с огнем и курение.
При анализе имеющихся работ в области теории движения людских пото ков установлено, что параметры движения по лестнице были определены толь ко по лестничному маршу, без учёта влияния изменения направления движения людей и систематически повторяющегося их перехода через границы разных видов пути: проём, лестничная площадка, лестница вниз. Это связано с тем, что в предшествующих работах натурные наблюдения проводились в малоэтажных зданиях (спортивные сооружения, школы, детские сады), где рассмотрение лестничного марша было достаточным для определения параметров движения по лестнице. В высотном здании количество чередующихся участков различ ных видов пути в пределах лестничной клетки превышает сотни, что требует проведения экспериментов, при которых необходимо рассмотреть лестницу как совокупность элементов: лестничная площадка, лестничный марш.
Проведение натурных наблюдений с рассмотрением лестницы, состоящей их отдельных элементов (лестничный марш, лестничная площадка), создают возможность установления фактической ширины участков эвакуационного пути и их расчётной длины в зависимости от изменения плотности движения людей и соответствующих изменений эргономики движения людей в потоках.
В ходе проведения анализа систем противопожарной защиты рассматрива лись нормативные документы России, Европейского Союза, Соединенных Штатов Америки, Великобритании, Республики Беларусь и др. При анализе требований пожарной безопасности в высотных зданиях были рассмотрены следующие подсистемы системы противопожарной защиты: система обнару жения пожара;
система противодымной защиты;
система автоматического по жаротушения;
подсистема конструктивных решений, включая основные строи тельные конструкции и их пределы огнестойкости. В качестве системы проти вопожарной защиты для маломобильных групп населения (МГН) рассмотрены требования российских и зарубежных нормативных документов к зоне без опасности, в том числе, к эвакуационному лифту.
Проведенный анализ нормативных требований подчеркивает необходи мость проведения моделирования движения людских потоков и динамики рас пространения ОФП для определения условий работы систем противопожарной защиты, при которых обеспечивается безопасная эвакуация людей.
Для решения этой задачи проведен обзор существующих программных комплексов по моделированию движения людей и распространения ОФП. В результате, выбрана программа «Флоутек-ВД», которая реализует имитаци онно-стохастическую модель движения людских потоков, и дифференциальная модель расчета динамики наступления ОФП – «Fire Dynamic Simulation» (FDS).
Выбранные программные комплексы прошли апробацию и соответствуют тре бованиям российских нормативных документов по пожарной безопасности.
Результаты проведенного анализа указывают также на необходимость про должения проведения натурных наблюдений, направленных на развитие основ ных методологических положений по проектированию эвакуационных путей и выходов в высотных зданиях на основании установления расчетных зависимо стей между параметрами движения людских потоков.
Во второй главе представлена методика проведения натурных наблюде ний движения людских потоков в лестничной клетке с учетом слияния на лест ничных площадках многоэтажного здания. В результате проведенных натурных наблюдений установлены:
- зависимости между скоростью и плотностью потока при движении по лестничной площадке, лестничному маршу и в дверном проеме, с учётом эмо ционально-психологического состояния людей;
- зависимость между параметрами сливающихся потоков при различных условиях проведения эксперимента;
- расчетная длина и ширина потока при движении по лестнице, изменяю щиеся в зависимости от количественного значения плотности.
Эксперимент проводился в шестнадцатиэтажном здании общежития Ака демии Государственной противопожарной службы МЧС России. В четырех сериях эксперимента приняли участие 606 человек. Для фиксирования пара метров движения людских потоков была выбрана лестница типа Н2. Геометри ческие размеры лестничной клетки и объемно-планировочные решения этажа представлены на рисунке 1.
Условия проведения серий натурных наблюдений отличались вариантами слияний различных частей потоков (головная, основная и замыкающая). При планировании эксперимента для выполнения поставленных условий проводи лось предварительное моделирование движения людских потоков с использо ванием имитационно-стохастической модели. Так, было определено количество человек в каждой группе, их размещение и время подачи сигнала для начала движения (таблица 1).
В результате проведенных натурных наблюдений для каждого участка пути (лестничная площадка, лестничный марш, дверной проем) значения ско рости были представлены в виде вариационных рядов по интервалам плотности потока (1 чел./м2). Дальнейшая статистическая обработка и установление зако номерностей между плотностью и скоростью выполнялась по апробированной методологии.
2 Рисунок 1 – Общая схема расстановки видеокамер на этажах и в лестничной клетке:
1 – видеокамера перед выходом с этажа в лестничную клетку;
2 – видеокамера в лестничной клетке, фиксирующая движение людей по лестничной площадке;
3 – видеокамера, фиксирующая движение людей по лестничному маршу Таблица 1 – Размещение групп по этажам и время подачи сигнала при проведении натурных наблюдений Количество человек в группе / Время подачи сигнала, с Номер Этаж группы Эксперимент 1 Эксперимент 2 Эксперимент 3 Эксперимент 51М / 23 55М / 0 47М / 45 32М / 1 60Ж / 15 50 Ж / 0 42 Ж / 45 32 Ж / 2 40М / 6 26М / 0 30М / 6 24М / 3 30Ж / 0 29Ж / 0 29Ж / 0 29Ж / 4 Всего 181 160 148 М – состав группы мужчины;
Ж – состав группы женщины Общая численность выборочных совокупностей полученных данных составила 2171, распределение которых по видам пути и интервалам плотности людских потоков приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Количество выборочных совокупностей скорости при определенных интервалах плотности Вид пути 8-9 Итого 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7- Лестничная 30 96 182 212 265 56 4 37 20 площадка Лестница 91 259 211 294 108 35 18 13 12 вниз Дверной 7 16 24 34 45 46 17 14 25 проем Далее был проведён анализ возможности аппроксимации эмпирических средних значений скоростей движения различными видами математических функций: линейной, степенной, экспоненциальной, логарифмической. При этом наибольшие показатели тесноты связи для всех видов пути, определяемые тео ретическим корреляционным отношением Т, проявились у логарифмической функции ( т 0,95).
Проведенный анализ подтверждает корректность общего вида зависимо сти, отражающей механизм взаимодействия между параметрами движения людских потоков, обусловленный психофизическим законом Вебера-Фехнера:
D VDЭj V0Э 1 а j ln i, (1) j D0 j где V0Э – случайная величина скорости свободного движения (при отсутствии j влияния окружающих людей), зависящая от вида пути (j) и уровня эмоциональ ного состояния людей (Э);
aj – коэффициент, определяющий степень влияния плотности потока при движении по j-му виду пути;
Di – текущее значение плотности потока;
D0,j – пороговое значение плотности потока, по достижении которого плотность становится фактором, влияющим на скорость движения.
В результате аппроксимации эмпирических значений методом наименьших квадратов определены коэффициенты аj, D0j (таблица 3).
Таблица 3 – Значения aj и D0j при движении людей по различным видам пути D0j, чел./м Вид пути aj Лестничный марш 0,353 0, Дверной проем 0,308 0, Лестничная площадка 0,371 0, Для категорирования скорости свободного движения (V0) в зависимости от уровня эмоционального состояния (спокойное, активное, повышенной активно сти) применена статистическая теория крайних членов выборки (таблица 4).
Таблица 4 – Категорирование скорости движения по эмоциональным состояниям Интервалы скорости свободного движения V0, j, м/мин.
Вид пути Спокойное Активное Повышенной активности Дверной проем, лестница вниз, горизонтальный путь менее 72 72 90 более (лестничная площадка) На рисунке 2 представлены итоговые теоретические зависимости скорости V=f(D) и интенсивности q= f(D) движения от плотности на различных видах пути для состояния повышенной активности, где скорость свободного движе ния составляет V0 = 106,3 м/мин, а среднее квадратичное отклонение = 8,8 м/мин.
V0, м/мин. q, м/мин.
120 106,3 80 40 2 D, D, чел./м2 чел./м 0 1 2 3 5678 9 012 345678 а) б) Рисунок 2 – Теоретические зависимости:
а) – скорости от плотности V=f(D);
б) – интенсивности от плотности q= f(D) по различным видам пути;
1 – лестничная площадка;
2 – лестничный марш;
3 – дверной проем Особенности движения мужчин и женщин при проведении экспериментов указывают на имеющиеся различия в параметрах движения. Поэтому был проведен анализ скоростей свободного движения по горизонтальному пути (лестничной площадке) и лестничному маршу для мужчин и женщин с целью выявления таких различий (таблица 5).
Таблица 5 – Скорость свободного движения для различного вида пути Средняя скорость свободного движения V0, м/мин.
Пол Лестничный марш Горизонтальный путь (лестничная площадка) Мужчины 129 Женщины 98 Как показывают данные таблицы 5 при свободном движении (площадь участка 2-2,5 м2/чел.) мужчины имеют значительные физические преимущества перед женщинами и двигаются с более высокой скоростью. При увеличении плотности потока и соответствующем свободном поточном движении (около 1-1,5 м2/чел.) это преимущество мужчин проявляется в их более активном маневрировании (обгоне впередиидущих людей). Однако, при дальнейшем уве личении плотности потока, скорости движения мужчин и женщин выравнива ются.
При проведении натурных наблюдений фиксировались параметры движе ния людских потоков во время слияния. В общем виде величины сливающихся потоков можно выразить в виде равенства:
Pобщее = P1 + P2, (2) где Pобщее – величина общего потока;
P1 и P2 – величины потоков, сливающихся на общем участке.
Равенство (2) было распространено на все виды пути, однако их коррект ность применительно к слиянию на лестнице никогда экспериментально не исследовалась. Проведенные натурные наблюдения в лестничной клетки с использованием видеокамер и детализацией лестницы, как совокупности эле ментов (лестничная площадка, лестничный марш), позволили компенсировать этот недостаток.
Выражая величину потока через интенсивность qi и ширину участка bi, имеем:
Pi = q ibi, (3) тогда выражение (3) можно записать в виде:
q1b1 q2 b qобщее. (4) bобщее Так как интенсивность движения является произведением плотности и скорости:
qi = DiVi, (5) то, чтобы определить причину изменения величины потока в зависимости от сценария эксперимента запишем уравнение величины потока в общем виде:
Pi = ViDibi. (6) В соответствии с формулой (6) величина потока зависит от скорости, плотности и ширины участка пути, которую занимает поток при движении. С учетом формул (2) и (6) представим равенство величин потоков для случая сли яния на лестнице в общем виде:
Vл.к. 2Dл.к. 2bл.к. 2 = Vл.к. 1Dл.к. 1bл.к. 1 + Vд.п.Dд.п.bд.п.. (7) Для каждого потока, участвующего в слиянии (рисунок 3), определялись параметры движения людских потоков: выходящего с этажа через дверной проем, спускающегося по лестничному маршу на лестничную площадку, выхо дящего с лестничной площадки на лестничный марш, с учётом выявленных в данном исследовании размеров и конфигурации участков слияния.
Рисунок 3 – Лестничная клетка с указанием сечений и направлений потоков при слиянии:
д.п. – людской поток, выходящий с этажа через дверной проем;
л.к. 1 – л.к. людской поток, спускающийся по лестничному маршу на лестничную л.к. 1 д.п площадку, л.к. 2 – людской поток, спускающийся с лестничной.
площадки на лестничный марш;
1 - 3 – сечения перед местом слияния потоков Например, для 6 этажа второго эксперимента полученные значения пара метров движения людских потоков представлены в таблице 6:
Таблица 6 – Параметры движения людских потоков, участвующих в слиянии на лестничной площадке Pл.к. 1 Pд.п. Pл.к. Vл.к. 1, Dл.к. 1, bл.к. 1, Vд.п., Dд.п., bд.п., Vл.к. 2, Dл.к. 2, bл.к. 2, м/мин. чел./м2 м/мин. чел./м2 м/мин. чел./м м м м 6 этаж, второй эксперимент 80 чел./мин. 104 чел./мин. 184 чел./мин.
47 1,5 1,15 32 3,8 0,86 38 4,2 1, При подстановке приведенных в таблице 6 значений в формулу (7), полу чим равенство:
384,21,15 = 471,51,15+323,80,86;
184 чел. = 184 чел.
Результаты проведенного расчета свидетельствуют, что значения величи ны общего потока зависят от значений параметров сливающихся потоков. Сле довательно, формула (7) является выражением зависимости между параметра ми людских потоков при слиянии на лестничной площадке и объяснением «долей участия» потоков, фиксируемых, но недостаточно изученных в зару бежных исследованиях.
В ходе проведения натурных наблюдений производилась оценка измене ния длины пути по лестнице от плотности людского потока. Установлено, что при плотности потока до 2,5 чел./м2 на лестничной площадке и лестничном марше люди двигаются в один ряд (рисунок 4а). Тогда длина пути по лестнич ной площадке составит:
l=a1, (8) где a1 – радиус, по которому передвигаются люди по лестничной площадке при плотности до 2,5 чел./м2 (численно равен половине ширины марша лестницы).
а) б) Рисунок 4 – Траектория движения людского потока:
а) – при плотности потока до 2,5 чел./м2;
б) – при плотности потока более 2,5 чел./м Вторым, более сложным случаем, является режим движения людей по лестничной площадке при плотности более 2,5 чел./м2. При этом режиме движения люди, спускающиеся по лестничному маршу, идут в два ряда и занимают левое и правое положение (рисунок 4б). Длина дуги в таком случае составит:
l=a2, (9) где a2 – радиус по которому передвигаются люди по лестничной площадке при плотности более 2,5 чел./м2 (численно равен ширине марша лестницы за выче том половины ширины корпуса человека (0,3 м)).
Полученные расчетные значения длины пути по трехмаршевым и двух маршевым лестницам выразим через высоту этажа H. Рассмотрим лестницы, где ширина лестничного марша составляет 1,2 м и 1,35 м, а их уклон – 1:2 и 1:1,15. Полученные результаты представлены в таблице 7.
Таким образом, учет изменяющейся плотности людского потока увеличи вает фактическую длину пути по лестнице более чем на 30 % в сравнении с применяемыми в настоящее время значениями, что подчеркивает необходи мость внесения изменений в существующие нормативные документы по пожарной безопасности.
Таблица 7 – Длина пути по лестнице в зависимости от плотности людского потока Ширина марша Длина пути при Длина пути при Уклон лестницы D 2,5 чел./м2, м лестницы, м D 2,5 чел./м, м Длина пути по двухмаршевой лестнице 1,2 3,8 + 2,2H 5,7+2,2H 1:2 ( = 26,6 ) 1,35 4,2 + 2,2H 6,4+2,2H 1,2 3,8 + 1,8H 5,7+1,8H 1:1,5 ( = 33,7 ) 1,35 4,2 + 1,8H 6,4+1,8H Длина пути по трехмаршевой лестнице 1,2 3,8 + 2,9H 5,7+2,9H 1:2 ( = 26,6 ) 1,35 4,2 + 2,9H 6,4+2,9H 1,2 3,8 + 2,3H 5,7+2,3H 1:1,5 ( = 33,7 ) 1,35 4,2 + 2,3H 6,4+2,3H В третьей главе рассмотрены особенности объемно-планировочных решений высотных зданий, проведено моделирование движения людей и дина мики распространения опасных факторов пожара.
Рассмотрены расчетные схемы эвакуационных путей высотных зданий по этапам эвакуации:
1) эвакуация из помещений;
2) эвакуация с этажа, от эвакуационных выходов из помещений до эвакуа ционных выходов наружу или в лестничные клетки;
3) эвакуация по лестничным клеткам.
Анализ этапов эвакуации и расчетных схем эвакуационных путей высот ных зданий позволил выявить типовые планировочные решения блока этажей высотного здания с односторонним и двухсторонним расположением коридора (рисунок 5). Данные решения использовались при моделировании движения людских потоков и распространения опасных факторов пожара.
Этаж Этаж Выход наружу Выход наружу шириной 1,2 м шириной 1,2 м б) а) Рисунок 5 – Расчетные схемы движения людского потока:
а) – при расположении лестничной клетки в торцевой части коридора;
б) – при двухстороннем расположении коридора При моделировании движения людских потоков эвакуация из помещений проходила беспрепятственно, максимальное время выхода людей при принятых размерах объемно-планировочных решений составило 0,43 мин. При определе нии расчетного времени эвакуации людей с этажей по представленным схемам выявлены существенные различия, несмотря на одинаковое количество эвакуи рующихся людей. Так, при двухстороннем расположении коридора плотность людского потока перед выходом на лестничную клетку составила 9 чел./м2, при одностороннем – уменьшилась до 2 чел./м2 (рисунок 6). При этом время эваку ации с этажа уменьшалось на 10 %.
D, чел./м 4 t, мин.
0 0,25 0,5 0,75 0,86 1 1, Рисунок 6 – Максимальные значения плотности людского потока перед выходом на лестничную клетку при:
1 – одностороннем расположении коридора;
2 – двухстороннем расположении коридора При моделировании движения людских потоков в блоке этажей, ввиду большого количества человек на этаже высотного здания, критическая плотно сти людского потока (более 9 чел./м2) в лестничной клетке наступает при сли янии с потоком с нижерасположенного этажа, то есть практически сразу после начала эвакуации (0,5 мин.) вне зависимости от расположения коридора на эта же (рисунок 7).
При этом возникающие плотности людского потока создают скопления перед дверным проемом лестничной клетки и тем самым препятствуют выходу людей с этажей. Расчетное время эвакуации из блока этажей при односторон нем расположении коридора составило 9,22 мин., при двухстороннем – 9, мин.
Так же, производилось моделирование распространения ОФП. При моде лировании в помещении было произведено 15 вариантов с помощью программ ного комплекса FDS (таблица 8).
10 этаж 5 мин.
1 мин. 2 мин.
0,5 мин.
9 этаж 8 этаж 7 этаж 6 этаж 5 этаж 4 этаж 3 этаж 2 этаж D, чел./м 1 этаж 0 90 90 90 Рисунок 7 – Динамика изменения плотности людского потока на лестнице Таблица 8 – Варианты моделирования ОФП в пределах помещения по программе FDS Количество Условия проведения моделирования вариантов Без систем работы систем противопожарной защиты Изменение расположения клапана дымоудаления Изменение расхода удаляемого воздуха через клапан дымоудаления Изменение интенсивности подачи воды системой пожаротушения Определение времени достижения температуры срабатывания спринклерного оросителя Моделирование распространения ОФП в FDS на этаже при одностороннем расположении коридора относительно лестничной клетки производилось с уче том изменений параметров систем противопожарной защиты (таблица 9). Всего промоделировано 29 различных вариантов.
Таблица 9 – Варианты моделирования ОФП в пределах этажа по программе FDS Количество Условия проведения моделирования вариантов Без работы систем противопожарной защиты Изменение расположения клапана дымоудаления и помещения с очагом пожара Изменение расхода через клапан ДУ Изменение интенсивности подачи воды в системе пожаротушения Изменение расхода системы пожаротушения и системы дымоудаления Моделирование распространения ОФП в блоке этажей производилось так же в программе FDS при работе системы дымоудаления и подпора воздуха при пожаре. При моделировании варьировался этаж пожара, учитывались количе ство открытых дверей с этажей в лестничную клетку, возможные утечки возду ха, в зависимости от варианта моделирования открывалась или закрывалась дверь наружу. Всего было промоделировано 37 сценариев в блоке высотного здания.
В результате моделирования движения людей и распространения ОФП были получены значения времени эвакуации и времени блокирования путей эвакуации ОФП. При сопоставлении полученных значений определялись воз можные решения по обеспечению безопасной эвакуации людей.
В четвертой главе проведен сопоставительный анализ времени эвакуации людей и времени наступления опасных факторов пожара с учетом стохастично сти этих процессов в высотных зданиях класса функциональной пожарной опасности Ф4.3. Определены ситуации, когда условие своевременности не вы полняется (рисунок 8) и предложен комплекс мероприятий по их устранению.
t, c 300 l, м 0 10 20 30 Рисунок 8 – Область решений по выбору систем обеспечения пожарной безопасности:
1 – максимальные и минимальные значения времени движения людей на этаже при одностороннем расположении коридора;
2 – максимальные и минимальные значения времени движения людей на этаже при двустороннем расположении коридора;
3 – время движения людей в случае скопления на лестничной клетке;
4 – увеличение количественных показателей систем противопожарной защиты Полученные результаты развивают концепцию нормирования условий своевременности эвакуации на основе учёта реальной стохастичности процес сов эвакуации людей и распространения ОФП (рисунок 9).
В рассматриваемом варианте моделирования в FDS достижение незадым ляемости этажа обеспечивалось только при расходах системы дымоудаления не менее 30 м3/с (108000 м3/час, при расчете по методике ВНИИПО МЧС Рос сии – 26000 – 30000 м3/час) и при расположении клапана дымоудаления в кори доре напротив помещения. Такие расходы системы противодымной защиты демонстрируют, что было бы рациональнее предотвратить распространение ОФП из помещения, чем обеспечить их нераспространение в коридоре.
P(t) P(t) t, c t, c tэв tнб mintэв maxtбл tэв maxtэв mintбл tнб б) c a) Рисунок 9 – Обеспечения условий своевременной эвакуации людей:
а) – при случайном развитии процессов эвакуации (tэв = tн.эв + tр.эв) и опасных факторов пожара (tбл.);
б) – при детерминированном описании этих процессов (соотношение только между средними значениями tэв tбл) В результате, для выполнения требований Федерального Закона № «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» о нераспро странении опасных факторов за пределы помещения рекомендуется одновре менная работа двух систем: системы дымоудаления и пожаротушения, так как при отдельной работе системы дымоудаления требуются значительные расходы (более 10 м3/с). Так же, для более быстрой локализации источника горения необходимо уменьшить время инерционности срабатывания спринклерной си стемы пожаротушения за счет применения принудительного пуска от системы обнаружения пожара. В этом случае система противодымной защиты при незначительных расходах (до 3 м3/с) обеспечивает незадымляемость помеще ния.
При сравнении времени эвакуации и времени наступления ОФП в блоке десятиэтажного здания в программе FDS установлено, что система противо дымной защиты обеспечивает только один расчетный сценарий эвакуации (эва куация одного отдельного этажа). Поэтому при разработке алгоритма работы системы противодымной защиты в высотном здании или в здании повышенной этажности рекомендуется согласовывать его с алгоритмом эвакуации с целью выполнения требования об обеспечении безопасной эвакуации людей. В случае, если реализация работы противодымной защиты по предлагаемым сценариям эвакуации представляет собой технически сложную задачу, необходимо кор ректировать алгоритм эвакуации.
Так же, в качестве критерия при проектировании системы подпора возду ха, рекомендуется ввести максимальное усилие на дверь при учете всех закры тых дверей. По аналогии с зарубежными исследованиями и физиологическими особенностями человека таким усилием может быть F = 133Н.
Ввиду возможного скопления людей на этаже пожара перед выходом на лестничную клетку из-за образования высоких плотностей потоков на лестни це, необходимо предусмотреть организационно-технические мероприятия для обеспечения условия беспрепятственности эвакуации. В качестве рекоменда ций для этого предлагается обеспечить направление эвакуации к лестничной клетке с одной стороны, то есть как при одностороннем расположении коридо ра (рисунок 10).
На примере эвакуации людей с 35 этажа комплекса «Федерация», распо ложенного в г. Москве (рисунок 10) показано, что расчётное время эвакуации при одностороннем расположении коридора на 10 % меньше, чем при двухсто роннем расположении коридора. Плотность людского потока при односторон нем расположении коридора составила 3 чел./м2, а при двухстороннем – в 3 ра за больше (9 чел./м2). Таким образом, посредством организационно технических решений имеется возможность обеспечить беспрепятственную эвакуацию людей в пределах этажа.
Другими мероприятиями могут быть поэтапная эвакуация или комбиниро ванная, с использованием лифта, эвакуация. При этом, рекомендуется преду сматривать устройство зоны безопасности в транспортно-коммуникационном узле высотного здания (рисунок 10).
1 Рисунок 10 – Пример исполнения транспортно-коммуникационного узла и организации эвакуации 3 людей с 35 этажа башни Б комплекса «Федерация»:
1 – лестничные клетки;
2 – лифтовой холл (зона безопасности);
3 – тамбур-шлюз с подпором воздуха при пожаре При подробном анализе требований российских и зарубежных норматив ных документов, а так же с учетом выявленных недостатков, были предложены требования по устройству зоны безопасности (таблица 10).
Для обеспечения своевременной эвакуации и возможности эвакуации групп населения с ограниченными возможностями передвижения в работе предложены решения по организации использования лифта при пожаре, кото рые рекомендуется основывать на разработанном алгоритме. В процессе рабо ты лифта необходимо, чтобы производился периодический мониторинг систем противопожарной защиты. Системы пожарной сигнализации должны фиксиро вать направления распространения пожара и, в случае задымления лифтовых установок, предупредить дальнейшую возможность использования лифта при пожаре. Функционирование лифтовой установки должно быть понятно челове ку, использующему его. Например, ожидая эвакуационный лифт, эвакуирую щийся или спасаемый должен знать, где в настоящий момент находится лифт и время его ожидания. Это предупредит распространение паники и обеспечит выбор наиболее удобного маршрута для эвакуирующегося человека.
Таблица 10 – Минимально необходимые требования к зоне безопасности в здании клас са функциональной пожарной опасности Ф4. Наименование Описание требований требования Определяется исходя из количества человек, использующих лифт для эвакуации (спасения), при этом на одного взрослого здорового Площадь человека необходимо выделить площадь 0,3 м2, а на одного маломобильного человека – 2,4 м2/ чел.
Пределы огнестойкости В соответствие с пределами огнестойкости основных несущих стен и перекрытий конструкций, или не менее времени эвакуации с учетом спасения Пределы огнестойкости EIS 60 (в том числе для дверей лифтовой шахты) дверей Необходимо предусмотреть адресно-аналоговую систему Пожарная сигнализация пожарной сигнализации, при включении которой лифт запрещено использовать при эвакуации Лифтовой холл, как Да, лифтовой холл допускается использовать как временную зону временная зона безопасности при условии соблюдения требований настоящей безопасности таблицы Противодымная защита Предусмотреть дополнительно для лифтового холла подпор лифтового холла воздуха Дополнительная Тамбур-шлюз с подпором воздуха перед лестничной клеткой и конструктивная защита лифтовым холлом предусмотреть в противопожарном исполнении лифтового холла ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Проведен анализ отечественных и зарубежных данных по теории дви жения людских потоков, который определил необходимость проведения экспе риментальных и теоретических исследований, направленных на изучение про цесса движения людских потоков на участках эвакуационных путей в лестнич ных клетках высотных зданий.
2. Разработана методика проведения натурных наблюдений людских пото ков в лестничной клетке многоэтажных зданий.
3. Проведен теоретический анализ статистических данных и установлены закономерности связи между параметрами людских потоков на участках всех видов эвакуационного пути в лестничной клетке с учётом их многократных слияний, поворотов и изменений видов пути.
4. Разработана концепция по определению расчётных значений времени эвакуации людей (tэв) и времени блокирования путей эвакуации (tбл) на основе моделирования стохастичности процессов движения людских потоков и рас пространения ОФП.
5. Выполненный сопоставительный анализ результатов моделирования эвакуации людей и распространения ОФП показал, что алгоритмы работы си стемы противодымной защиты с алгоритмом эвакуации людей должны быть взаимно согласованы.
6. Установлены расчетная ширина людского потока при движении по лестнице равной ширине марша лестницы и расчётная длина эвакуационного пути в лестничной клетке, равная 3,8 высоты этажа, что позволяет значительно повысить точность расчётов индивидуального пожарного риска в высотных зданиях.
7. Рекомендовано обустройство поэтажных зон временной безопасности с организацией подхода к ним за счёт одностороннего движения людских пото ков, что позволяет сократить время эвакуации на 10-15 % и снизить максималь ные значения плотности в 3 раза, тем самым возможно обеспечить предупре ждение ситуаций, ведущих к панике.
8. В целях дальнейшего исследования по данному направлению разработа ны требования к лифтовой установке, применяемой для эвакуации людей при пожаре и предложен алгоритм использования лифта при пожаре, реализующие возможность осуществления комбинированной поэтапной эвакуации, при кото рой достигается значительное сокращение её продолжительности (до 2 раз) и уменьшение плотности людских потоков в лестничных клетках (до 3-4 чел./м2).
Основные положения диссертации опубликованы в следующих веду щих периодических изданиях из перечня ВАК:
1. Холщевников, В.В. Анализ условий обеспечения требуемого уровня ин дивидуального пожарного риска в высотных зданиях [Текст] / В.В. Холщевни ков, И.С. Кудрин // Жилищное строительство. – 2010. – № 1. – С. 11-15.
2. Парадоксы нормирования обеспечения безопасности людей при эвакуа ции из зданий и пути их устранения. Часть 1 [Текст] / В.В. Холщевников [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. – 2011. – № 3. – С. 41-50.
3. Парадоксы нормирования обеспечения безопасности людей при эвакуа ции из зданий и пути их устранения. Часть 2 [Текст] / В.В. Холщевников [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. – 2011. – № 4. – С. 31-39.
4. Холщевников, В.В. Обеспечение безопасной эвакуации людей с учетом стохастичности процесса распространения опасных факторов пожара в высот ных зданиях [Текст] / В.В. Холщевников, И.С. Кудрин // Пожаровзрывобез опасность. – 2013. – № 4 – С. 38-51.
Остальные публикации по теме диссертации:
5. Самошин, Д.А. К вопросу о безопасной эвакуации людей из высотных зданий [Текст] / Д.А. Самошин, И.С. Кудрин, Р.Н. Истратов // Пожарная без опасность в строительстве. – 2010. – № 6. – С. 64-67.
6. Холщевников, В.В. Эвакуация людей при пожаре в высотных зданиях.
Часть 1 [Текст] / В.В. Холщевников, И.С. Кудрин // Высотные здания. – 2011. – № 6. – С. 112-117.
7. Холщевников, В.В. Эвакуация людей при пожаре в высотных зданиях.
Часть 2 [Текст] / В.В. Холщевников, И.С. Кудрин // Высотные здания. – 2012. – № 1. – С. 112-119.
8. Холщевников, В.В. Эвакуация людей при пожаре в высотных зданиях.
Часть 3 [Текст] / В.В. Холщевников, И.С. Кудрин, И.Р. Белосохов // Высотные здания. – 2012. – № 2. – С. 114-119.
9. Холщевников, В.В. Эвакуация людей при пожаре в высотных зданиях.
Часть 4 [Текст] / В.В. Холщевников, И.С. Кудрин, А.П. Парфененко // Высот ные здания. – 2012. – № 3. – С. 112-117.
10. Холщевников, В.В. Эвакуация людей при пожаре в высотных зданиях.
Часть 5 [Текст] / В.В. Холщевников, И.С. Кудрин, Д.А. Самошин // Высотные здания. – 2012. – № 4. – С. 114-119.
11. Холщевников, В.В. Эвакуация людей при пожаре в высотных зданиях.
Часть 6 [Текст] / В.В. Холщевников, И.С. Кудрин, Д.А. Самошин // Высотные здания. – 2012. – № 5. – С. 150-155.
12. Холщевников, В.В. Эвакуация людей при пожаре в высотных зданиях.
Часть 7 [Текст] / В.В. Холщевников, И.С. Кудрин // Высотные здания. – 2013. – № 1. – С. 114-121.
13. Холщевников, В.В. Эвакуация людей при пожаре в высотных зданиях.
Часть 8 [Текст] / В.В. Холщевников, И.С. Кудрин // Высотные здания. – 2013. – № 2. – С. 112-119.
14. Холщевников, В.В. Эвакуация людей при пожаре в высотных зданиях.
Часть 9 [Текст] / В.В. Холщевников, И.С. Кудрин // Высотные здания. – 2013. – № 4. – С. 112-121.
15. Кудрин, И.С. Особенности движения людских потоков на лестничных клетках в высотных зданиях при пожаре [Текст] / И.С.Кудрин // Материалы научн.-практ. конф. молодых ученых и специалистов: Проблемы техносферной безопасности. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. – С. 47-48.
16. Холщевников, В.В. Анализ распространения опасных факторов пожара в высотных зданиях для обеспечения безопасности людей при пожаре [Текст] / В.В. Холщевников, И.С. Кудрин // Материалы VI международной науч.-практ.
конф. курсантов (студентов), слушателей магистратуры и адъюнктов (аспиран тов): Обеспечение безопасности жизнедеятельности: проблемы и перспективы.
– Минск: Государственное учреждение образования «Командно-инженерный институт», 2012. – С. 90-92.
Подписано в печать 15.11.2013. Формат 60х84/1/16.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № Академия ГПС МЧС России. 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина,