Las modernas edificaciones, dedicadas al uso de concurrencia pública, tales como los centros de convenciones, estadios deportivos, etc., tienden continuamente a una mayor amplitud, complejidad y capacidad. Los edificios con alta ocupación también han creado una creciente necesidad de tratar adecuadamente los problemas de seguridad contra incendios. La forma lógica de abordar estas preocupaciones es mediante el uso de la ingeniería de seguridad contra incendios (ISCI) y del enfoque del diseño basado en prestaciones (PBD).

Un análisis de evacuación suele ser una parte clave del proceso de PBD [1]. Para llevar a cabo este análisis, los ingenieros de seguridad contra incendios pueden utilizar una amplia gama de herramientas de ingeniería, desde cálculos manuales hasta métodos avanzados. Cuando el espacio a analizar es especialmente complejo, se hace necesaria la utilización de modelos de evacuación avanzados para realizar el análisis de evacuación.

En la actualidad, existen numerosos tipos de software de simulación (más de 60) [5], cada uno con sus características específicas. Sin embargo, independientemente del software utilizado, el ingeniero de SCI necesita establecer parámetros específicos de modelización basados en su propio juicio formado de ingeniería, que pueden tener un impacto significativo en los resultados globales.

Al realizar un análisis de evacuación, cabe plantearse la siguiente pregunta fundamental: ¿qué peso específico tendrán determinados parámetros de modelización en el cálculo del tiempo de evacuación?

Se ha realizado un análisis paramétrico para analizar la influencia de varios parámetros críticos en el tiempo total de evacuación.

El escenario de diseño

El edificio que se seleccionó para el análisis fue un estadio de fútbol. En este tipo de edificio coinciden varias características que son adecuadas para el análisis desarrollado en esta investigación.

1.             El edificio es simétrico, con el mismo número de vías de salida y número de ocupantes en lados opuestos.

2.             El edificio tiene una alta densidad de ocupación.

3.             Hay fusión de flujos de ocupantes en gradas, escaleras y pasillos.

4.             Hay confluencia de pasillos anchos y estrechos.

5.             Hay escaleras en el modelo

Pathfinder es un simulador de evacuación basado en agentes. Un modelo basado en agentes (ABM) pertenece a una clase de modelos computacionales para simular las acciones e interacciones de agentes autónomos (en este caso, ocupantes).

Estos ocupantes tienen sus propios objetivos y comportamientos e interactúan con el entorno y con los demás ocupantes.

Pathfinder ofrece dos modos para la predicción del movimiento de los ocupantes: modo SFPE y modo de dirección.

El modo SFPE utiliza los conceptos sobre comportamiento humano mostrados en el SFPE Handbook of Fire Protection Engineering [6].

El Modo de Dirección se basa en la idea de los comportamientos de dirección inversa. Craig Reynolds fue quien presentó por primera vez el concepto de comportamientos de dirección [7]. Posteriormente, Heni Ben Amor [8] refinó el concepto de comportamientos de dirección en comportamientos de dirección inversos para resolver algunos problemas detectados en la combinación de comportamientos de dirección simples para producir comportamientos más complejos.

En el presente estudio se utilizó el modo de dirección. En este modo, cada ocupante tiene un comportamiento que se asigna en la interfaz de usuario. Este comportamiento dicta una serie de objetivos que el ocupante debe alcanzar. Para alcanzar dichos objetivos, por ejemplo, la salida de una habitación, cada ocupante debe planificar la mejor ruta para moverse hacia su destino. Pathfinder utiliza un procedimiento denominado Locally quickest [3], [9] para establecer el mejor camino.

Una vez que se ha elegido un objetivo local mediante la planificación de la trayectoria, es necesario establecer un camino. Pathfinder utiliza el algoritmo A*[3], la malla de navegación triangulada y un procedimiento conocido como string pulling [10] para establecer esta trayectoria.

Ahora los ocupantes deben seguir su trayectoria, interactuando con otros ocupantes y con el entorno. Pathfinder utiliza comportamientos de dirección inversa [3], [7] y manejo de colisiones [3] para controlar cómo el ocupante sigue su trayectoria.

Parámetros de entrada

Como se ha mencionado anteriormente, se ha evaluado el impacto que tiene la variación de los diferentes parámetros de entrada en el cálculo del tiempo de la evacuación de un estadio de fútbol. La siguiente tabla resume los parámetros de entrada evaluados en este estudio.

Con el fin de obtener resultados precisos para el análisis, los parámetros de entrada nombrados como costes también se manejaron adecuadamente estableciendo valores altos y bajos adecuados para cada parámetro.

La siguiente Tabla resume los parámetros de costes y el valor establecido en la investigación:

Tabla 2 - Parámetros de entrada denominados como costes

Estudio Paramétrico

Se realizó un análisis paramétrico con el fin de analizar la influencia que algunos parámetros de entrada tienen en el tiempo total de evacuación. El impacto que tiene cada uno de los parámetros en el tiempo necesario para evacuar el edificio se determinó mediante un análisis de sensibilidad. Cada variable se analizó variando su valor de un mínimo a un máximo, mientras que todas las demás variables se mantuvieron constantes con su valor por defecto. La siguiente tabla resume el análisis realizado y los resultados obtenidos en el análisis:

N_mod: Número de modelos simulados para analizar el impacto de cada variable en el tiempo total de evacuación.

Et_min: Tiempo mínimo de evacuación.

Et_max: Tiempo máximo de evacuación.

Var_max: Variación máxima registrada en el tiempo de evacuación para una variación del 10% en el parámetro de entrada evaluado.

Resultados 

El análisis realizado ha demostrado que los parámetros de entrada, como la velocidad de los ocupantes y la anchura de los hombros, tienen una influencia muy fuerte en el tiempo de evacuación.

En los siguientes gráficos, se muestran los resultados del análisis de sensibilidad tanto para la velocidad de marcha (Ve) como para la anchura de los hombros (Si).

Gráfico 1 - Análisis de sensibilidad para velocidad de marcha y ancho de hombros

En el lado izquierdo del Gráfico 1 se puede observar que existe una fuerte dependencia entre el tiempo necesario para evacuar el edificio y la velocidad máxima de marcha establecida por el usuario.

Para el escenario establecido, una variación en la velocidad máxima de marcha del ocupante desde su valor por defecto (1,19 m / s) a 1,1 m / s produjo una variación del 25% en el tiempo de evacuación del edificio.

En el lado derecho del Gráfico 1, se puede observar que existe una menor dependencia entre el tiempo necesario para evacuar el edificio y el ancho de hombros establecido por el usuario del modelo.

Para el escenario establecido, una variación en el ancho de los hombros de 60 cm a 65 cm produjo una variación del 13% en el tiempo de evacuación del edificio.

En los siguientes gráficos se pueden observar los resultados del análisis de sensibilidad para el tiempo de persistencia (Pt) y el tiempo de respuesta a colisiones (crt).

Gráfico 2 - Análisis de sensibilidad para el tiempo de persistencia y el tiempo de respuesta a colisiones

El tiempo de persistencia y el tiempo de respuesta a colisiones están involucrados en los procesos que utiliza Parhfinder para controlar cómo los ocupantes siguen sus trayectorias interactuando con el resto de ocupantes, para evitar conflictos de movimiento de unos ocupantes con otros ocupantes, etc. Por tanto, el valor establecido en estos parámetros no afecta significativamente a la libre circulación de los ocupantes por los pasillos.

Como puede verse, ninguno de los parámetros tiene un efecto significativo sobre el tiempo de evacuación.

Conclusiones 

A partir del análisis realizado para el edificio en particular elegido (un estadio de fútbol), se puede observar que la influencia de los parámetros en el tiempo total de evacuación puede variar desde ser casi insignificante hasta muy alta.

La siguiente tabla muestra los resultados generales del análisis, destacando la sensibilidad de cada parámetro al tiempo total de evacuación.

Tabla 4 - Conclusiones

Var_max: Variación máxima registrada en el tiempo de evacuación para una variación del 10% en el parámetro de entrada evaluado.

Referencias

1.   R.L.P. Custer, B.J. Meacham, “Introduction to Performance-Based Fire Safety”, Society of Fire Protection Engineers, Bethesda, MD, and National Fire Protection Association, Quincy, MA, 1997.

2.   Thunderhead Engineering, Pathfinder 2016 User Manual.

3.   Thunderhead Engineering, Pathfinder 2016 Technical Reference.

4.   Thunderhead Engineering, Pathfinder 2016 Verification and Validation.

5.   http://www.evacmod.com

6.   Nelson, H. E., and Mowrer, F. W. “Emergency Movement”, The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2008.

7.   Craig W.Reynolds, “Steering behaviors for autonomous character”, Proceedings of the Game Developers Conference 1999, San Francisco, California, 1999.

8.   Heni Ben Amor, Jan Murray y Oliver Obst, “Fast, Neat, and Under Control: Arbitrating Between Steering Behaviors”, AI Game Programming Wisdom 3, ed. S. Rabin. 2003.

9.   Charles Thornton, Richard O'Konski, Bryan Klein, Brian Hardeman, Daniel Swenson, “New Wayfinding Techniques in Pathfinder and Supporting Research”, Reference document Thunderhead, Download from www.thunderheadeng.com.

10. Johnson Geraint, “Smoothing a navigation mesh path”, AI Game Programming Wisdom, 2006.

11. Olaf Albano Pérez, “Sensitivity analysis for modelling parameters used for advanced evacuation simulations – How important are the modelling parameters when conducting evacuation modelling? ”, SFPE PBD Conference, Warsaw, Poland, 2016.

12. Olaf Albano Pérez, “Análisis de sensibilidad paramétrico de variables clave en el modelado de escenarios de evacuación y análisis exhaustivo del modelo de simulación computacional Pathfinder”, Master Thesis, Master in Fire Safety, ICAI University, Spain, 2015.