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TESIS DE MÁSTER
ANÁLISIS DE EVACUACIÓN DE
ESTACIÓN SUBTERRÁNEA TIPO
USANDO DISTINTAS HERRAMIENTAS
INFORMÁTICAS
AUTOR: Silvia Méndez Álvarez/Metro de Madrid/913796887/vicente_aparicio@mail.metromadrid.es
Madrid, Septiembre de 2011
Firma Autor:
VºBº director: VºBº tutor:
Autorizada la entrega de la tesis de máster del alumno/a:
Silvia Méndez Álvarez
EL DIRECTOR
Vicente Aparicio López
Fdo.: …………………… Fecha:05 / Septiembre/ 2011
EL TUTOR
Vicente Aparicio López
Fdo.: …………………… Fecha: 05 / Septiembre / 2011
Vº Bº del Coordinador de Tesis
Gabriel Santos Hernández
Fdo.: …………………… Fecha: 05 / Septiembre / 2011
Proyecto Fin de
Máster
MIPCI 2010
Máster en Ingeniería de Protección contra Incendios – MIPCI
Análisis de estación subterránea tipo usando distintas herramientas informáticas – Silvia Méndez Álvarez
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Análisis de evacuación
de estación subterránea
tipo usando distintas
herramientas
informáticas
Silvia Méndez Álvarez
Curso académico 2010-2011
Tutor: Vicente Aparicio López
MIPCI 2010 Máster en Ingeniería de Protección Contra Incendios - MIPCI
Análisis de estación subterránea tipo usando distintas herramientas informáticas – Silvia Méndez Álvarez
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TÍTULO ANÁLISIS DE ESTACIÓN SUBTERRÁNEA TIPO USANDO DISTINTAS HERRAMIENTAS INFORMÁTICAS
ALUMNO 1 Silvia Méndez Álvarez
TUTOR Vicente Aparicio López
MIPCI 2010 Máster en Ingeniería de Protección Contra Incendios - MIPCI
Análisis de estación subterránea tipo usando distintas herramientas informáticas – Silvia Méndez Álvarez
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RESUMEN
El comportamiento de las personas y su movilidad ha sido una cuestión tratada desde hace
miles de años. A lo largo de la historia se encuentran ejemplos de ello como por ejemplo en el
Talmund (200 d.C.) o en el propio Coliseo de Roma. No obstante, los primeros estudios
científicamente rigurosos sobre el movimiento de personas y la evacuación de edificios se
realizaron después de la Segunda Guerra Mundial.
Durante los últimos años, con la aparición y el uso del Diseño Basado en Prestaciones (PBD) y
dada la complejidad que supone realizar estos cálculos, se está extendiendo
considerablemente entre los Ingenieros de Protección Contra Incendios el uso de modelos de
evacuación informáticos que permiten realizar y analizar estos análisis de una forma
asombrosamente realística, con una exactitud y precisión destacables.
Para entender la complejidad existente en este tema, hay que tener en cuenta los
parámetros fundamentales que definen la simulación del movimiento: el tiempo, el flujo de
personas, la densidad de ocupación, el ancho efectivo del elemento de paso y la velocidad
de los ocupantes. Estos parámetros nos van a facilitar entender las aplicaciones y
posibilidades que ofrecen los estudios del comportamiento/movimiento humano: cálculo de
los tiempos de evacuación (total y parcial), simulación de procesos de evacuación, etc.
Los modelos de simulación del movimiento humano pueden ser de dos tipos, microscópicos
o macroscópicos.
Los modelos macroscópicos son aquellos que interpretan la simulación de multitudes
como un fluido uniforme en un espacio homogéneo.
Los modelos microscópicos son aquellos que interpretan las multitudes como un
sistema multiagente. Estos modelos, se dividen a su vez en dos grupos, los heurísticos y
los fenomenológicos:
Los modelos microscópicos heurísticos se basan en la utilización de un
espacio discreto, actuación de los individuos como autómatas y por el uso de
reglas discretas continuas
Los modelos microscópicos fenomenológicos se basan la utilización de un
espacio continuo, dotación de cierta inteligencia a los individuos que les permite
estar auto-organizados, realizar una optimización adaptativa y se caracterizan
por tratarse de modelos muy elaborados.
En cuanto a los parámetros fundamentales de los modelos, éstos son: la representación física
del individuo, la dinámica del comportamiento, la dinámica del movimiento y la geometría o
red/estructura.
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Una vez que están definidos los parámetros fundamentales del modelo, otro factor de
extremada importancia es su calibración. Existen varias formas de hacerlo:
Mediante los requerimientos del código.
Con simulacros o ensayos experimentales.
Mediante la literatura de los experimentos de evacuación del pasado.
Mediante otros modelos.
Mediante terceros.
Actualmente en el mercado existen diversas herramientas que permiten al usuario simular el
movimiento de personas. De todas ellas, se han elegido dos, Legion y PathFinder que se van a
comparar mediante un caso práctico en el que se va a simular una estación subterránea tipo.
Una de las razones por las que resulta interesante esta elección (estación subterránea), es
que al tratarse de una construcción a gran profundidad, su evacuación presenta una gran
complejidad, produciéndose una gran variedad de escenarios a analizar. Otra, es el hecho de
que la longitud de las rutas de evacuación es bastante considerable. Y la última, es la
posibilidad de que se den diversos fenómenos relacionados con el análisis de multitudes
debido a las altas ocupaciones existentes en este tipo de infraestructuras, tales como
bloqueos, ondas de densidad, oscilaciones y situaciones de emergencia – pánico.
Una vez definidos los parámetros de entrada de los modelos, los perfiles de velocidades de los
ocupantes introducidos, etc., se procederá a realizar un diseño con las dos herramientas
seleccionadas, Legion y PathFinder, lo que permitirá hacer un análisis exhaustivo de los
resultados obtenidos en ambos casos para finalmente extraer conclusiones al respecto.
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JUSTIFICACION
Durante los últimos años el uso de software de simulación de movimiento de personas
se ha incrementado notablemente. El uso cada más extendido del Diseño Basado en
Prestaciones (PBD) ha hecho que los Ingenieros de Protección Contra Incendios
empleen de forma habitual en sus estudios este tipo de herramientas por lo que la
proliferación de nuevas implementaciones informáticas de este tipo de modelos.
La primera cuestión que todo ingeniero se plantea a la hora de realizar una simulación
de movimiento de personas es cuál escoger y la segunda es cuán diferentes van a ser
los datos obtenidos en función de que se use una u otra herramienta.
A lo largo de este proyecto, considerando un caso concreto de análisis y realizando
simulaciones con dos de las herramientas disponibles en el mercado, se van a tratar de
dar respuestas a esas dudas.
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ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN. ....................................................................................................................................... 9
2. PARÁMETROS BÁSICOS DE LA SIMULACIÓN DEL MOVIMIENTO DE PERSONAS.......................... 10
3. TIPOS DE MODELOS DE SIMULACIÓN DE MOVIMIENTO................................................................... 12
3.1 PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE LOS MODELOS DE SIMULACIÓN DE MOVIMIENTO. ............................................................................................................................ 13
3.2 CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DE LOS MODELOS DE SIMULACIÓN DE MOVIMIENTO. ............................................................................................................................ 16
4. HERRAMIENTAS COMERCIALES DE MODELOS DE SIMULACIÓN DE MOVIMIENTO. ................... 17
5. APLICACIÓN DIRECTA DE LOS MODELOS DE SIMULACIÓN DE MOVIMIENTO. CASO ANALIZADO: ESTACIÓN SUBTERRÁNEA TIPO. ....................................................................................... 17
5.1 GEOMETRÍA Y CARACTERÍSTICAS DEL CASO ANALIZADO: ESTACIÓN TIPO. ....................... 19
5.2 CASO ANALIZADO: ESCENARIO CONSIDERADO E HIPÓTESIS DE PARTIDA.......................... 20
6. CARACTERÍTICAS FUNDAMENTALES DE LAS HERRAMIENTAS SELECIONADAS PARA REALIZAR EL ESTUDIO DEL CASO ANALIZADO: ESTACIÓN TIPO........................................................ 22
6.1 LEGION.............................................................................................................................................. 22
6.2. PATHFINDER. .................................................................................................................................. 25
6.3. RESUMEN COMPARATIVO DE LEGION Y PATHFINDER. ........................................................... 27
7. SIMULACIONES REALIZADAS DEL CASO ANALIZADO: ESTACIÓN TIPO. COMPARACIÓN DE RESULTADOS OBTENIDOS CON LAS HERRAMIENTAS SELECCIONADAS........................................................................................................................................ 29
7.1 CASO ANALIZADO: PARÁMETROS BÁSICOS DEL MODELO. ..................................................... 29
7.2 CASO ANALIZADO: DATOS OBTENIDOS Y COMPARACIÓN DE RESULTADOS. ...................... 31
8. CONCLUSIONES FINALES...................................................................................................................... 34 BIBLIOGRAFÍA………….. ............................................................................................................................. 36
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1. INTRODUCCIÓN.
El comportamiento de las personas y su movilidad ha sido una cuestión tratada desde
hace miles de años. Por ejemplo, el Talmund (200 d.C.) que recoge las discusiones
rabínicas sobre leyes judías, tradiciones, costumbre, leyendas e historias, hace una
interesante referencia al control de multitudes a la salida de edificios y en grandes
avenidas. Otro ejemplo es el del Coliseo (80 d.C.), gran anfiteatro que poseía un aforo de
ochenta filas de gradas cuyo diseño, con grandes pasillos, permitía a la multitud moverse
libremente, acomodarse rápidamente, así como desalojar en pocos minutos.
Los primeros estudios científicamente rigurosos sobre el movimiento de personas y la
evacuación de edificios se realizaron después de la Segunda Guerra Mundial (por
ejemplo, ‘Study of FIRE escape based on the observation multitude currents’ de Kikuji
Togaza del año 1955, o ‘Second Report of the Operational Research Team on the
Capacity of Footways’, del London Transport Borrad del año 1958). En ellos se
aportaban expresiones analíticas para estimar el tiempo de evacuación de determinados
recintos y se estudiaba el movimiento de las personas. En general, se calculaba el
tiempo de evacuación a partir del número de personas que se hallaban en el edificio y de
la anchura de los elementos de paso, resultando una formulación analítica más o menos
compleja.
De esta forma, en el pasado, las consideraciones sobre el comportamiento humano
estaban relegadas solo al ámbito de estudios e investigaciones científicas. Sin embargo,
desde hace unos años, el uso de cálculos de evacuación para evaluar los niveles de
seguridad suministrados por los edificios se está incrementando considerablemente
debido fundamentalmente al creciente uso de los análisis de “Performance-based
designed”. Dada la complejidad que supone realizar estos cálculos (no sólo por su
modelización matemática sino también por las influencias psicológicas que deben
formalizarse en el modelo), se está extendiendo considerablemente entre los Ingenieros
de Protección Contra Incendios el uso de modelos de evacuación informáticos que
permiten realizar y analizar este tipo de cálculos de una forma asombrosamente
realística con una exactitud y precisión destacables.
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2. PARÁMETROS BÁSICOS DE LA SIMULACIÓN DEL
MOVIMIENTO DE PERSONAS.
Una vez vista la importancia de los análisis del comportamiento humano y antes de
analizar los distintos tipos de modelos de simulación de movimiento, conviene tener en
cuenta los parámetros fundamentales empleados en este tipo de cálculos:
El primero de ellos es el tiempo que puede definirse como el cálculo básico de la
ingeniería de evacuación o búsqueda de un lugar seguro y es considerado en los
estudios del comportamiento humano como un elemento clave íntimamente ligado al
comportamiento en sí.
De esta forma, aparece el término tiempo requerido para la evacuación, Trevac, que se
define como el tiempo que transcurre desde que se produce un evento que desencadena
una evacuación, hasta que se evacua completamente la edificación. Este tiempo se
compone de un conjunto de intervalos de tiempo y puede expresarse de la siguiente
forma:
donde,
td = Tiempo de detección. Tiempo que transcurre desde el inicio del evento hasta su
detección.
ta = Tiempo de alarma. Tiempo que transcurre desde la detección del evento hasta su
notificación a los ocupantes.
tp = Tiempo de percepción. Tiempo que tardan los ocupantes en percibir el evento.
ti = Tiempo de interpretación y acción. Tiempo que transcurre desde la percepción y
toma de la decisión de la acción hasta el comienzo de la evacuación.
te = Tiempo de evacuación. Tiempo desde que comienza la evacuación hasta que se
completa.
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La estimación precisa de éste tiempo, Trevac, encierra una cierta dificultad puesto que
los tiempos parciales varían en función de factores tales como, los escenarios del
evento, los sistemas de detección y comunicación de alarma, los factores humanos
como por ejemplo, el conocimiento de las vías de evacuación, el comportamiento a nivel
individual y del grupo, etc. Aparecen así dos nuevos términos temporales: el tiempo total
requerido para la evacuación (RSET) y el tiempo límite de las condiciones sostenibles
para la seguridad humana (ASET).
Todos los intervalos de tiempo mencionados se muestran en el siguiente diagrama
temporal:
Figura 1. Tiempo requerido en la evacuación.
Por otro lado, otras de las magnitudes fundamentales que definen el movimiento
de las personas al atravesar un elemento estructural como puede ser un pasillo o
una escalera son el flujo, la densidad y el propio ancho efectivo del elemento.
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La definición de estos parámetros es:
Flujo. Número de personas que se desplazan de un punto a otro en un
tiempo dado [pax/s].
Densidad. Número de personas por unidad de superficie [pax/m2]. Este
valor influye considerablemente en la velocidad de desplazamiento [m/s].
Ancho efectivo. Distancia mínima del elemento estructural atravesado por
las personas [m].
y la relación que existe entre ellos es:
Flujo [p/s] = Velocidad [m/s] x Densidad [p/m2] x Ancho [m]
Una vez que se han indicado los parámetros básicos de la simulación del
movimiento de personas se puede determinar qué aplicaciones tienen estos
estudios y qué posibilidades pueden ofrecer, que de forma resumida son:
Simulación de procesos de evacuación.
Cálculo de la evacuación global.
Cálculo de tiempos de evacuación totales, identificación de congestiones y
definición de acciones correctivas.
3. TIPOS DE MODELOS DE SIMULACIÓN DE MOVIMIENTO.
Una vez se ha introducido el problema de la simulación del movimiento de personas y
que se ha decidido emplear un modelo de personas, surgen las primeras dudas, como
saber qué modelo emplear y en qué medida van a variar los resultados obtenidos en
función del modelo empleado. Para solventar estas cuestiones, en este punto y los
siguientes se analizará el tipo de modelos de simulación de movimiento existentes para
acabar viendo qué herramientas están disponibles en el mercado.
Los modelos de simulación de comportamiento se pueden clasificar en función de cómo
interpretan a la multitud en macrocópicos y microscópicos:
Los modelos macroscópicos son aquellos que interpretan la simulación de multitudes
como un fluido uniforme en un espacio homogéneo y se caracterizan por:
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Considerar el espacio homogéneo.
Tratar a la multitud como un fluido uniforme.
No existir interacciones entre los individuos.
No considerar las particularidades individuales (los perfiles
individuales).
Al no poder distinguirse entre distintos individuos, el estado del sistema es descrito
mediante una densidad global que viene de determinada como la posición de las
personas y su correspondiente velocidad media local.
Los modelos microscópicos son aquellos que interpretan las multitudes como un
sistema multiagente. Estos modelos utilizan como parámetro de entrada la geometría del
modelo, lo que permite analizar la interacción entre las personas y el modelo en sí. Al
considerar cada individuo de forma separada, permiten introducir diferentes tipos de
personas con propiedades individuales tales como elección de ruta preferida. Así, el
individuo se modeliza para poder representar la interacción del mismo tanto con el
entorno como con el resto de individuos.
Estos modelos, se dividen a su vez en dos grupos, los heurísticos y los
fenomenológicos:
Los modelos microscópicos heurísticos se basan en la utilización de un
espacio discreto, la actuación de los individuos como autómatas y por el uso de
reglas discretas continuas.
Los modelos microscópicos fenomenológicos se basan la utilización de un
espacio continuo, dotación de cierta inteligencia a los individuos que les permite
estar auto-organizados y realizar una optimización adaptativa. Se trata de
modelos muy elaborados.
3.1 PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE LOS MODELOS DE
SIMULACIÓN DE MOVIMIENTO.
Una vez que se han definido los tipos de modelos, otro punto a tener en cuanta
son los diferentes parámetros internos empleados en ellos. Entre los parámetros
fundamentales más importantes de un modelo están la representación física del
individuo, la dinámica del comportamiento y del movimiento del mismo así como la
representación de la geometría del edificio a simular.
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A continuación, se analizarán de forma más detallada todos estos términos:
1. Representación física del individuo. A la hora de representar un individuo
dentro de un modelo, existen varias opciones que se adoptan como válidas:
1.a Una, es la referencia genérica que asemeja la proyección horizontal de
una persona adulta formada por una elipse. Como puede observarse en la
siguiente figura, el valor medio de los diámetros mayor y el menor son
0,60 y 0,5 metros, respectivamente.
Figura 2. Proyección horizontal de una persona adulta.
1.b Otra representación empleada es la propuesta por P. Thompson y E.
Marchant y que consiste en representar a las personas mediante tres
círculos cuyas dimensiones dependen de sexo y la edad.
Figura 3. Representación del individuo propuesta por P. Thompson y E. Marchant.
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2. Dinámica del comportamiento de las personas. La dinámica de las
personas puede ser probabilística, basada en reglas o una mezcla de ambas:
2.1 Probabilística (estocástico). En este caso, el comportamiento está
controlado por la probabilidad de que se produzcan determinadas
acciones, como por ejemplo, que las personas puedan reaccionar de
manera diferente ante la misma situación. Ésta es una de las lecciones
aprendidas de los sistemas complejos donde se ha concluido tras el
análisis de multitud de ejemplos, que la introducción de valores
probabilísticas dentro de sistemas relativamente sencillos ha supuesto la
generación de comportamiento complejos.
2.1.a Basado en reglas (determinístico). En este caso, el comportamiento está
completamente determinado por el estado presente.
2.1.b Un conjunto de los dos anteriores. Este caso requiere medidas y la
consideración de individuos inteligentes en el modelo para evaluar el espectro de
opciones completo y así tomar decisiones realísticas.
3. Dinámica del movimiento de las personas. A la hora de definir la dinámica del
movimiento de las personas dentro de un modelo existen distintos métodos o posibilidades:
3.a. Correlación con la densidad. El modelo asigna una velocidad y un flujo a los
individuos o a la población basado en la densidad del espacio.
3.b. Elección por el usuario. El usuario asigna la velocidad, flujo, y valores de
densidad a ciertos espacios del edificio.
3.c. Distancia interpersonal. Cada individuo es rodeado por una “burbuja” de 360º
que le permite tener una distancia mínima con otros individuos, obstáculos, y
elementos del edificio (paredes, esquinas, barandillas, etc.).
3.d. Potencial. A cada celda de la rejilla en la que es dividido el espacio se le da
cierto valor, o potencial, tomado desde un punto particular en el edificio desde el que
pueden moverse los ocupantes en cierta dirección. Los individuos siguen el mapa
potencial y procuran bajar su potencial con cada paso de celda a la que se
desplazan.
3.e. Ocupación de la celda siguiente de la rejilla. En algunos modelos, el individuo no
se moverá a una celda de la rejilla ya ocupada por otro individuo. Por lo tanto, el
individuo esperará en la celda en la que se encuentra hasta que la siguiente esté
vacía.
3.f. Condicional. Con los modelos condicionales, el movimiento a través del edificio
depende de las condiciones del entorno, del edificio, de los otros individuos, y/o de
una situación de fuego.
3.g. Analogía funcional. Los individuos siguen unos algoritmos de movimiento
definidos, tales como el movimiento de un fluido o las fuerzas magnéticas.
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3.h. Flujo sin obstáculos. En este modelo, solamente se calcula el movimiento de los
individuos sin obstáculo. Al tiempo de evacuación calculado, se le agrega o resta otro
tiempo para obtener un valor final del tiempo de evacuación.
4. Geometría o red/estructura. Es la que define las características del edificio a analizar,
precisando todos los elementos constructivos que se deben de tener en cuenta a la hora de
realizar la simulación tales como dimensiones, distancias, plantas, escaleras, zonas de paso,
divisiones interiores, etc. Esta definición puede ser manual o se puede realizar importando
directamente el modelo del edificio en un formato CAD en 2-D ó 3-D.
Además y dependiendo del modelo, se pueden tener tres tipos de redes o estructuras para
validar el tipo de movimiento de los ocupantes dentro del espacio a simular:
4.a. Red fina. Este modelo divide el plano en numerosas celdas pequeñas formando
una rejilla entre las que se mueven los ocupantes.
4.b. Red gruesa. Este modelo divide el plano en estancias, pasillos, escaleras,
secciones, etc. y los ocupantes se mueven de una estancia a otra.
4.c. Red continua. Este modelo aplica un espacio 2-D (continuo) a los planos de la
estructura, permitiendo a los ocupantes caminar de un punto del espacio a otro a
través del edificio.
Los modelos de red fina y continua tienen la capacidad de simular la presencia de
obstáculos y muros en las estancias del edificio, lo que influye en las elecciones de ruta
mientras que la red gruesa, los ocupantes solamente se mueven desde una porción del
edificio a otra.
3.2 CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DE LOS MODELOS DE SIMULACIÓN
DE MOVIMIENTO.
Es de extremada importancia calibrar y validar los modelos y existen varias formas de
hacerlo:
Mediante los requerimientos del código.
Con simulacros o ensayos experimentales.
Mediante la literatura de los experimentos de evacuación del pasado.
Mediante otros modelos.
Mediante terceros.
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4. HERRAMIENTAS COMERCIALES DE MODELOS DE
SIMULACIÓN DE MOVIMIENTO.
A continuación se mencionan algunas de las herramientas de simulación de
comportamiento de personas disponibles en el mercado. Todas ellas se centran en
suministrar datos de evacuación de edificios aunque en algún caso existe también la
posibilidad de analizar otro tipo de estructuras:
FPETool, EVACNET, TIMTEX, WAYOUT, STEPS, PedGo, PEDROUTE/PAXPORT,
Simulex GridFlow, ASERI, buildingEXODUS, EXITT, Legion, PathFinder, EESCAPE,
Myriad, ALLSAFE, CRISP, EGRESS, SGEM, Egress Complexity Model, EXIT89,
BGRAF, EvacSim, Magnetic Model, E-SCAPE.
5. APLICACIÓN DIRECTA DE LOS MODELOS DE SIMULACIÓN
DE MOVIMIENTO. CASO ANALIZADO: ESTACIÓN
SUBTERRÁNEA TIPO.
Para realizar este estudio se ha optado por analizar la evacuación en una estación
subterránea tipo. Una de las razones por las que resulta interesante esta elección es que al
tratarse de una construcción a gran profundidad su evacuación presenta una gran
complejidad, produciéndose una gran variedad de escenarios a analizar. Otra, es el hecho de
que la longitud de las rutas de evacuación es bastante considerable. Y la última, es la
posibilidad de que se den diversos fenómenos relacionados con el análisis de multitudes,
tales como:
1. Bloqueos. Los bloqueos se producen típicamente con altas densidades de ocupación y en
localizaciones en las que el flujo de entrada excede su capacidad. Aquellas localizaciones
con capacidad reducida se denominan cuellos de botella. Los típicos ejemplos para el caso
de estudio son los torniquetes, las escaleras, los estrechamientos en la estructura (pasillos,
etc.) y las posibles salidas en determinadas circunstancias. Otra razón por la que se
producen bloqueos es en aquellos casos en los que las personas se mueven en sentido
contrario y se bloquean mutuamente.
2. Ondas de densidad. Las ondas de densidad en multitudes de personas pueden
caracterizarse por variaciones cuasi-periódicas de densidad en el espacio y en el tiempo. Un
ejemplo típico es el movimiento en un pasillo con alta ocupación, donde se pueden observar
fenómenos de fluctuación de la densidad en sentido longitudinal que se trasladan en sentido
contrario al del movimiento de la multitud. Fruin [FRUI87] concluyó en sus estudios que con
ocupaciones de siete personas por metro cuadrado la multitud llegaba a comportarse como
una masa fluida.
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3. Oscilaciones. En ocasiones, cuando se producen cuellos de botella, se pueden observar
cambios oscilatorios en la dirección del movimiento. Una vez que una persona es capaz de
atravesar el cuello de botella, resulta más sencillo para otras seguir la misma dirección hasta
que alguien es capaz de atravesarlo en la dirección contraria.
4. Situaciones de emergencia, pánico. En algunas situaciones de emergencia se han
reportado patrones atribuidos a comportamientos de pánico. No obstante, no hay una
evidencia fuerte de que este sea un patrón que se produzca de forma habitual. Típicamente,
el pánico se asocia a situaciones en las que las personas compiten ante la escasez de
recursos, como por ejemplo, un lugar seguro o el acceso a una salida, lo que produce
comportamientos egoístas, asociales o incluso totalmente irracionales que se contagian al
resto del grupo. Investigaciones en profundidad de desastres de multitudes han revelado que
estos comportamientos apenas se han dado. Se debe tener en mente que en situaciones de
peligro no debería considerarse irracional luchar por recursos (o por la propia vida) si el resto
de personas lo hace. Sólo desde el exterior este comportamiento puede considerarse
irracional si puede llevar a que se produzca una catástrofe.
5. Situaciones de altas densidades. La posibilidad de que en horas puntas se produzca un
aumento de los niveles de ocupación es muy alta. Puede darse el caso de que un andén
presente una alta densidad, llegue un tren con alta densidad en su interior y se produzca un
desalojo con algún que otro problema (por ejemplo, cuellos de botella).
La presencia de estas altas densidades está relacionada también con altas probabilidades de
que se produzcan accidentes: caídas a los andenes, aglomeraciones en zonas de escaleras
y torniquetes, bloqueos en zonas de pasillo y distribuidores, etc.
Todas estas cuestiones hacen tremendamente interesante el análisis de la evacuación, no
sólo desde el punto de vista de la investigación, análisis y evaluación de modelos de
comportamiento humano y de multitudes, sino también, por la cantidad de conclusiones que
se pueden extraer de su evaluación.
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5.1 GEOMETRÍA Y CARACTERÍSTICAS DEL CASO ANALIZADO:
ESTACIÓN TIPO.
En la siguiente figura se puede ver un plano de la estación subterránea tipo empleada en
el estudio:
Figura 4. Plano CAD geometría del caso analizado: estación subterránea tipo.
Como puede observarse, se trata de una estación de una línea, sin correspondencia con
otras, con dos salidas al exterior, dos niveles de escaleras formados por dos escaleras
mecánicas separadas por una de piedra, unas pequeñas escaleras a nivel de distribuidor
y sólo un paso a través de torniquetes. Los trenes considerados son de cuatro coches.
Con respecto a las dimensiones:
Longitud de los andenes: 59,87 metros.
Anchura de los andenes: 3,15 metros.
Anchura del pasillo distribuidor: 2,87 metros.
Anchura de la zona de ‘escalera 1’: 2,90 metros.
Anchura de la zona de ‘escalera 2’: 2,96 metros.
Anchura de zona de torniquetes: 6,37 metros.
Anchura de la ‘salida 1’: 2,41 metros.
Anchura de la ‘salida 2’: 3,44 metros.
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5.2 CASO ANALIZADO: ESCENARIO CONSIDERADO E HIPÓTESIS DE
PARTIDA.
En este estudio se considera que se produce una evacuación de la estación por un
evento cualquiera. La evacuación es controlada, se producen reacciones racionales de
los ocupantes y no se dan situaciones de pánico. El inicio de la evacuación se realiza
mediante un anuncio por megafonía y todos los ocupantes evacuan a la vez.
En el momento en el que se da el aviso de evacuar, en la estación hay un tren en cada
anden y hay personas distribuidas a lo largo de los dos andenes, del pasillo distribuidor y
de los accesos exteriores.
No se consideran las escaleras existentes a nivel de distribuidor y en el estudio se obvia
su posible influencia en la evacuación por entenderse que es despreciable.
Por tratarse de una situación de emergencia y teniendo en cuenta los protocolos que en
estos casos se siguen, las escaleras mecánicas están paradas y todos los torniquetes
(tanto los de entrada como los de salida) están abiertos.
La distribución del número de personas a lo largo de la geometría es la incluida en la
figura siguiente:
Figura 4. Distribución de personas por zonas en el modelo.
De forma resumida, se considera:
105 personas por andén (zonas en blanco en la Figura 4).
50 personas por coche del tren, lo que hace un total de 200 personas por tren
(zonas en azul turquesa en la Figura 4).
100 personas en la zona de pasillos, distribuidor y accesos, es decir, en el resto
de la estación (zona en azulo en la Figura 4).
Así que el número total de personas a evacuar es 710.
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En cuanto a las líneas de medida y toma de datos, en la siguiente figura se muestran en
color naranja:
Figura 5. Líneas de medida y toma de datos del modelo.
Como puede observarse en la figura 5 se consideran las siguientes líneas de medición:
Una línea por cada coche de cada tren.
Una línea por cada punto de salida de cada andén.
Una línea en la ‘salida 1’.
Una línea en la ‘salida 2’.
Por último, y con respecto a las herramientas seleccionadas para realizar la comparación
objeto de este proyecto, éstas son Legion y PathFinder.
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6. CARACTERÍTICAS FUNDAMENTALES DE LAS
HERRAMIENTAS SELECIONADAS PARA REALIZAR EL
ESTUDIO DEL CASO ANALIZADO: ESTACIÓN TIPO.
A continuación se realiza pequeña descripción funcional de las dos herramientas seleccionadas, para compararlas finalmente en la parte práctica de este proyecto.
6.1 LEGION.
Propósito del modelo: El propósito del modelo es ayudar en la planificación del espacio
y a su optimización a través de la predicción del comportamiento de multitudes como una
interacción entre individuos. El modelo puede ser usado para una amplia variedad de
aplicaciones (por ejemplo, estaciones de ferrocarril y metros, aeropuertos y edificios en
altura) y necesidades (diseño, acondicionamiento, y valoraciones de operación y
seguridad).
Disponibilidad de uso para el público: Este modelo está disponible comercialmente a
través del desarrollador del mismo, Legion Internacional Ltd., UK, desde Mayo de 2003.
No existe la posibilidad de conseguir una licencia gratuita temporal.
Método de modelización: Se trata de un modelo de conducta.
Estructura del modelo: El modelo de Legion trabaja en un vector 2-D, continuo en el
espacio, en vez de un recorrido superpuesto o una red de mallado fino dentro de una
superficie plana. Además, proporcionando un enfoque continuo a la estructura de la
configuración, el modelo puede simular flujo en contra, adelantamientos y negociaciones
entre la multitud. El modelo se refiere a su estructura como un método de elección
flexible. Este método explora los posibles movimientos de un ocupante en un vector
espacial que es actualizado constantemente, en vez de ser fijado por un conjunto de
reglas.
Perspectiva del modelo y de los ocupantes: El modelo muestra a los ocupantes como
individuos y los denomina entidades. Cada individuo es considerado en el modelo como
una persona virtual y es simulado como unas características físicas definidas y con unos
objetivos y unas características sicológicas definidas.
La vista del edificio por parte del ocupante es también una perspectiva individual. La
persona virtual se mueve de una forma realista. Los ocupantes determinan su camino
Basándose en la percepción y la información almacenada y extraída del espacio o
entorno en el que se van a mover.
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Comportamiento de los ocupantes: Inteligencia artificial. Legion ve a los ocupantes
como individuos inteligentes y sus características físicas, sociales y de comportamiento
son asignadas probabilisticamente desde perfiles establecidos y definidos
empíricamente. Las características sociales incluyen género, edad, cultura y tipo de
peatón (por ejemplo, viajero que se dirige a su lugar de trabajo frente a turista) y Legion
les asigna formas de moverse típicas ya establecidas. La única característica física
asignada es el tamaño del cuerpo. Y las características de movimiento incluyen
memoria, voluntad de adaptación, preferencias por velocidades de obstrucción, espacio
personal y aceleración. Estas características componen un perfil para cada persona y
están basadas en distribuciones derivadas de datos obtenidos de vídeos reales.
Además, Legion permite emplear comportamientos condicionales y probabilísticos
definidos por el usuario del modelo.
Movimiento de ocupantes: El movimiento de ocupantes dentro del modelo responde a
una extensa investigación empírica basada en el estudio de movimiento de personas y
comportamiento. Los equipos de investigación han adquirido y analizado grabaciones de
video de comportamiento de multitudes y de individuos. El movimiento está basado en el
método del menor esfuerzo, es decir, que cada individuo trata de minimizar su grado de
insatisfacción, definido como la suma de la frustración, incomodidad y molestia. Estos
factores se relacionan con retrasos, desviaciones y falta de confort que los individuos
tratan de evitar decidiendo su siguiente paso.
Las decisiones sobre cada paso son hechas de acuerdo con preferencias individuales,
posición, objetivos y experiencias recientes. También son sensibles a condiciones
locales (aparición o no de aglomeraciones), contexto (escaleras de piedra o mecánicas)
y a intenciones previstas de los vecinos.
Legion demanda que hay que olvidar soluciones asumidas a lo largo del tiempo sobre
comportamiento y movimiento de multitudes. Plantea que la circulación de personas a lo
largo de un espacio es determinada no sólo por la densidad del mismo sino también por
las características específicas de su geometría. El movimiento está afectado no solo por
las variables de entrada elegidas por cada persona individual, sino también por factores
tales como el conocimiento del entorno y el estado de preparación de la persona. Estos
factores corresponden a la interacción de los ocupantes con las señales y los puntos de
información a lo largo del edificio.
Salida: Son de interés lo mapas de bits y los archivos de video. Existe la posibilidad de
seleccionar los datos de salida así como las gráficas y medidas detalladas de las
experiencias individuales y de la multitud. A continuación se citan algunos ejemplos de
salidas del modelo:
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Mapas de uso:
Utilización del espacio – La representación de las diferentes áreas empleadas.
Mapas de densidad y velocidad.
Mapas de evacuación – Con cuanta rapidez se vacían las áreas.
Frustración, incomodidad y molestia.
Gráficas: Densidades, conteos, flujos, tiempos de permanencia, tiempo de movimiento,
tiempo de cola, tiempo de espera, velocidad, etc. pueden ser representadas en gráficas,
exportadas a imágenes, hojas de cálculo y/o datos sin tratar.
Uso de datos de fuego: Esta posibilidad está en vías de desarrollo.
Importación de planos de CAD: Los planos de CAD son importados al modelo y son
soportados los siguientes formatos: .DXF, .DWG y .DGN. Además, el usuario puede
modificar fácilmente la configuración espacial del edificio usando las herramientas de
Legion así como introducir, empleando el propio software, entradas, salidas y distintas
rutas, instalaciones (puertas, zonas de espera), eventos programados (anuncios de
trenes, tiempos de servicio), los perfiles de llegada de las personas y sus destinos
deseados.
Capacidades de visualización: Capacidades 2-D están disponibles en el paquete
básico y 3-D en un modulo adicional.
Capacidad de validación: En Legion se han empleado los siguientes métodos de
valización de validación del modelo:
Documentos en preparación de validación cuantitativa basada en medidas
propietarias.
Reproducción cualitativa de comportamiento y movimiento de multitudes
emergentes.
Comparación por parte de terceras partes frente a otro modelo de evacuación.
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6.2. PATHFINDER.
Propósito del modelo: El propósito de desarrollar este modelo es dotar de una
herramienta analítica de evacuación que se pueda asociar con un modelo de fuego
externo una parte de análisis de riesgo. El modelo es usado para encontrar cuellos de
botella y colas en un diseño. No está especializado en ningún tipo concreto de edificio.
Disponibilidad de uso para el público: El modelo es un software propietario
desarrollado y usado por RJA Group,US. Existe la posibilidad de conseguir una licencia
gratuita temporal por 1 mes.
Método de modelización: Se trata de un modelo de movimiento.
Estructura del modelo: Es un sistema de red fino. El modelo proporciona una
simulación de la evacuación para mostrar visualmente la situación de ocupantes como
una función del tiempo.
Perspectiva del modelo y de los ocupantes: El modelo ve a los ocupantes como
individuos. Tiene la capacidad de seguir movimientos y situaciones de los individuos a
través de la simulación y ve a la población a través de una perspectiva global que
permite evaluar la densidad en determinadas zonas del edificio. Pueden escoger entre la
ruta más corta a la salida o la ruta con la cola más corta.
Comportamiento de los ocupantes: Sin comportamiento, es decir, sin inteligencia.
Movimiento de ocupantes: Los ocupantes se mueven hacia las salidas teniendo en
cuenta las restricciones del SFPE Handbook, que incorpora reducciones de velocidad
basadas en la densidad del espacio y la capacidad de las puertas y escaleras. El usuario
especifica la carga inicial de ocupantes mediante la especificación de la densidad en
determinadas áreas (mediante la indicación de la ocupación del área) o dando números
discretos de ocupantes.
Salida: Ejemplos de las salidas del modelo son el número de personas que han usado
una salida; el tiempo mínimo, máximo y medio de salida de las personas de un área
concreta (monitorizando la primera y la última persona en abandonar la zona); el tiempo
que un área, hall o escalera tarda en vaciarse y el tiempo total de evacuación.
Uso de datos de fuego: Ninguno.
Importación de planos de CAD: Los planos de CAD son importados al modelo y sólo
soporta el formato .DXF. Dado que ninguna información sobre unidades es almacenada
en el mencionado formato, el usuario debe conocer las unidades en que fue creado el
archivo y así indicarlo al importa el plano CAD.
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El usuario puede también usar PathFinder para diseñar el plano.
Capacidades de visualización: Capacidades 2-D
Capacidad de validación: No se ha encontrado información al respecto.
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6.3. RESUMEN COMPARATIVO DE LEGION Y PATHFINDER.
En el siguiente cuadro se muestran de forma resumida las características fundamentales
de ambas herramientas lo que permite ver de forma rápida sus similitudes y diferencias,
LEGION PATHFINDER 1. Características generales
Disponible para el público de forma gratuita
No No (posibilidad de obtener
una licencia de 30 días)
Método de modelización De conducta-
comportamiento De movimiento
Propósito Modelos pueden simular cualquier tipo de edificio
Modelos pueden simular cualquier tipo de edificio
Malla/Estructura Continuo Red fina
Perspectiva del modelo/Perspectiva de los ocupantes
Individual en ambos casos Individual/Global
Dinámica del Comportamiento
Inteligencia artificial Sin comportamiento (sin
inteligencia)
Dinámica del Movimiento Densidad y condicional Densidad
Datos de fuego
El modelo permite al usuario introducir datos de
un fuego específico en instantes concretos a lo largo de la evacuación
No
CAD Sí Sí Capacidad de visualización 2 y 3 D 2 D
Validación
Con otros modelos y con datos extraídos de
experimentos y simulacros reales
No
2. Prestaciones del modelo
Flujo en contra Sí No Bloqueo manual de salidas Sí No Condiciones de fuego Sí No Definición de grupos Sí No
Consideración de grupos de ocupantes de PMRs
Sí No
Tiempos de retardo y pre-movimiento
Sí No
Elección de la ruta por parte de los ocupantes
Condicionada 2 posibilidades
Uso de ascensores No No Toxicidad de los ocupantes No No
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Impaciencia/Instinto No No
Distribución de los ocupantes
Varias 2 elecciones: distancia más corta o cola más
corta
Tabla 1. Resumen comparativo de las características y prestaciones de Legion y
PathFinder.
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7. SIMULACIONES REALIZADAS DEL CASO ANALIZADO:
ESTACIÓN TIPO. COMPARACIÓN DE RESULTADOS
OBTENIDOS CON LAS HERRAMIENTAS SELECCIONADAS.
7.1 CASO ANALIZADO: PARÁMETROS BÁSICOS DEL MODELO.
Para que los ocupantes de ambos modelos (Legion y PathFinder) sean lo más
parecido posibles, se ha distribuido la población de acuerdo a la siguiente tabla:
% de ocupantes
Velocidad (m/s)
4 0,97 1
11 1,115 1,217 1,316 1,414 1,510 1,6
6 1,7
Tabla 2. Perfil de velocidad de los ocupantes de los modelos diseñados con Legion y
PathFinder.
De esta forma, al emplear en ambos modelos el mismo perfil de velocidad de ocupantes,
aunque las características físicas de los mismos sean diferentes, se reduce considerablemente
el error introducido en el modelo, convirtiéndolo en un valor perfectamente asumible.
Los modelos resultantes para el caso de Legion y Pathfinder se pueden observar en las figuras
siguientes:
Figura 6. Caso de estudio: modelo diseñado con Legion.
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Figura 7. Caso de estudio: modelo diseñado con Pathfinder.
En ambos casos, se distribuye a los ocupantes a lo largo del modelo tal y como se ha
especificado con anterioridad (ver punto 5.2 de este documento) y se les indica que deben
dirigirse a las dos salidas de la estación tipo.
[NOTA: En este apartado y sucesivos no se incluye información detallada del diseño del
modelo analizado con ambas herramientas. Para más información, pónganse en contacto con
el autor].
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7.2 CASO ANALIZADO: DATOS OBTENIDOS Y COMPARACIÓN DE
RESULTADOS.
En este apartado se va a realizar un análisis de los resultados obtenidos al simular el
caso de estudio, estación subterránea tipo, con las dos herramientas seleccionadas,
Legion y PathFinder.
Tal y como se ha mencionado anteriormente en el apartado 6 de este documento, Legion
ofrece la posibilidad de obtener diversos datos de salida (que pueden ser seleccionados
por el usuario) así como gráficas, mapas y medidas detallada de las experiencias
individuales y de la multitud, tales como densidades, conteos, flujos, tiempos de
permanencia, tiempo de movimiento, tiempo de cola, tiempo de espera, velocidad, etc.
Además, todos estos valores pueden ser exportados cómodamente y automáticamente a
imágenes, hojas de cálculo y/o datos sin tratar.
Por el contrario, PathFinder ofrece la posibilidad de obtener el número de personas que
ha usado una salida; el tiempo mínimo, máximo y medio de salida de las personas de un
área concreta (monitorizando la primera y la última persona en abandonar la zona); el
tiempo que un área, hall o escalera tarda en vaciarse y el tiempo total de evacuación.
Además también permite obtener datos de flujos medios en las distintas ‘Rooms’
definidas en el modelo, es decir, aquellas zonas entre las que un ocupante puede
moverse libremente y que en el caso de estudio coinciden con las zonas de distribución
de ocupantes indicadas en la Figura 4.
De esta forma y debido a esta limitación, se van a analizar a continuación, en la siguiente
tabla, aquellos valores de salida que son aportados por ambos modelos y que vienen
limitados por Pathfinder:
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LEGION PATHFINDER
Tiempo total de evacuación de la estación 3 min. 41 s. 2 min. 57 s.
Tiempo de evacuación del andén 1 1 min. 45 s. 1 min. 45 s.
Tiempo de evacuación del andén 2 2 min. 11 s. 2 min. 11 s.
Nº total de ocupantes de la estación 710 pax
Nº de ocupantes que desalojan por la Salida 1 14 pax 30 pax
Nº de ocupantes que desalojan por la Salida 2 696 pax 680 pax
Flujo medio Andén 1 1,7 pax / s 2,95 pax / s
Flujo medio Andén 2 1,08 pax / s 2,34 pax / s
Flujo medio Salida 1 0,67 pax / s 0,19 pax / s
Flujo medio Salida 2 0,75 pax / s 3,85 pax / s
Tabla 3. Datos de salida obtenidos con los modelos diseñados con Legion y PathFinder.
Lo primero que puede observarse es que el tiempo total de evacuación obtenido en
Legion es 45 segundos superior al obtenido con Pathfinder. Esto puede estar
relacionado con el hecho de que mientras que en el modelo de Legion se introducen
ciertos retardos que afectan a los ocupantes en determinadas zonas del modelo (como
por ejemplo, en las escaleras y los torniquetes), en el modelo de PathFinder no se ha
incluido elemento alguno que lo haga.
Teniendo en cuenta los valores de tiempos de evacuación total asumibles que se dan en
la NFPA 130 (6 minutos vía la ruta de evacuación más larga), se puede concluirse que
ambos valores son aceptables.
No obstante cabe mencionar que resultaría bastante curioso que en ambos modelos
hubiéramos obtenido el mismo tiempo de evacuación si tenemos en cuenta que la base
matemática que emplean no es idéntica (aunque se apoye en estudios y bases
fundamentales del comportamiento y movimiento de personas).
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A continuación, llama la atención que en ambos modelos se obtengan los mismos
tiempos de evacuación de los andenes. No se dispone de datos fundamentados para
establecer conclusiones, sería necesario volver a realizar el estudio con otras geometrías
diferentes y compararlo con éste para obtener datos concluyentes.
Teniendo en cuenta los valores de tiempos de evacuación a nivel de andén asumibles
que se dan en la NFPA 130 (4 minutos), de nuevo se puede concluirse que ambos
valores son aceptables.
Por otro lado y con responde al número de ocupantes que desalojan por cada salida, en
ambos modelos el mayor número lo hace por la ‘Salida 2’, algo que cabría esperar si se
tiene en cuenta que es la salida más próxima al distribuidor y en los vídeos de lo
modelos simulados se aprecia esto claramente: cuando hay una alta ocupación en la
línea de torniquetes, a pesar de que se forman colas en el acceso a dicha salida, sólo
algunos de lo ocupantes deciden no hacer cola y evacuar por la otra salida.
En este caso, de nuevo se han obtenido valores muy próximos en ambos modelos:
aproximadamente un 98 % de los ocupantes del modelo de Legion frente a un 96 % del
modelo de PathFinder evacua por la ‘Salida 2’.
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8. CONCLUSIONES FINALES.
Tras la realización del este estudio se han llegado a las siguientes conclusiones:
En el momento que un Ingeniero de Protección Contra Incendios decide apoyar su
diseño en una herramienta de simulación de movimiento de personas, debe informarse
de las posibilidades que ofrece el mercado para escoger aquella que se adecue más a
sus necesidades y a los objetivos que se intenten alcanzar. Como se ha visto en este
estudio, las diferencias entre las distintas posibilidades son bastante considerables y la
elección de la más óptima a los requerimientos planteados es de suma importancia.
Para facilitar esta labor, la nota técnica 1471 de la NFPA de 2005 ofrece un resumen de
las herramientas disponibles en ese momento. Aunque la información está ya un poquito
desfasada (no recoge por ejemplo los nuevos programas que han aparecido, algunos
están ya en desuso, otros han incorporado nuevas prestaciones) y los datos sobre las
características de las mismas no son excesivamente detallados, ayuda a ver qué
posibilidades hay en el mercado.
A esto que, sería lo ideal para todo Ingeniero de Protección Contra Incendios (elegir
aquella herramienta que más prestaciones ofrece), habría que añadir otro factor, el coste
de la misma. No todos los modelos son gratuitos ni son tan potentes por lo que el coste
de una licencia, es algo ha tener también en cuenta.
Otro factor a tener en cuenta es la versatilidad y la facilidad de uso de la herramienta.
Desde mi punto de vista, es imprescindible que el software sea sencillo de usar, de
modificar y tenga la flexibilidad suficiente como para introducir parámetros de entrada a
la carta, como por ejemplo, perfiles de comportamiento o velocidad de los ocupantes,
todo tipo de valores de densidades, retardos en el movimiento que simulen
comportamiento de multitudes reales, etc.
Por otro lado, está claro que los valores obtenidos dependiendo de la herramienta
empleada pueden variar (y deberían de hacerlo ya que su implementación y
programación es diferente). Por esta razón, no se deberían de dar los resultados de una
simulación como verdades absolutas sino como valores orientativos que nos van a
indicar entorno a qué valores nos vamos a mover en una situación real.
Ya centrándome en las dos herramientas empleadas en este estudio, Legion y
Pathfinder:
Para planos sencillos y estudios muy básicos en los que sólo se requiera analizar
tiempos de evacuación o ver aquellas zonas conflictivas en las que se producen cuellos
de botellas o aglomeraciones excesivas, PathFinder está bien, pero para estudios más
complejos Legion.
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Para análisis en profundidad, con más detalle y con mayor grado de exactitud, Legion.
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