Dissertation/ Thesis
Experimental and numerical analysis of flood-related hazard associated with the evacuation of underground stairs
| Τίτλος: | Experimental and numerical analysis of flood-related hazard associated with the evacuation of underground stairs |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Aparicio Uribe, Carlos Humberto |
| Thesis Advisors: | Russo, Beniamino, Tellez Alvarez, Jackson David, Escola Tècnica Superior d'Enginyeria de Camins, Canals i Ports de Barcelona |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 189 p. |
| Θεματικοί όροι: | Urban flooding, Underground stairs, Pedestrian evacuation, Flood related hazard, Computational Fluid Dynamics (CFD), 3D Numerical modelling, Urban resilience, Safety evacuation, Flood risk management, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil, 626/627 - Enginyeria hidràulica |
| Περιγραφή: | Tesi en modalitat de compendi de publicacions |
| Description (Translated): | Tesi amb menció de Doctorat Internacional (English) The rapid pace of urbanisation has led to the widespread development of underground infrastructure worldwide. Currently, these infrastructures have become increasingly vulnerable to climate-induced extreme weather events such as flooding, particularly in metro stations. Given the unique characteristics of urban underground clusters, stairs serve a dual and critical role during emergencies: they are often the primary evacuation route while simultaneously serving as the main entry path for the incoming floodwaters. This doctoral research explores the interaction between hydrodynamic forces and human evacuation on flooded stairs within underground environments. The study aims to achieve a better understanding of these interactions to identify stability thresholds, establish safety criteria, and develop effective evacuation strategies. A comprehensive approach to the problem was adopted by integrating both experimental and numerical methods. A thorough state-of-the-art review was conducted to identify the current knowledge landscape, highlighting key findings, limitations and potential further exploratory lines. The experimental component of this thesis was based on a full-scale replica constructed at the hydraulic laboratory of the School of Civil Engineering at the Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC). This represented the flood-prone access stairs of the Paral·lel metro station, which is part of Barcelona’s Metro Network. The stairs’ hydraulic characterisation was followed by a series of experimental tests involving individual subjects walking the flooded stairs under varying discharge conditions and footwear types. Additional tests were assessed under the facility’s maximum discharge, with subjects simultaneously walking the flooded stairs in groups of two and three. A first individual subject's campaign aimed to identify thresholds for pedestrian instability, while a second one intended to optimise evacuation based on the different studied grouping configurations. To complement the experimental observations, several three-dimensional Computational Fluid Dynamics (3D-CFD) simulations were performed using the commercial software FLOW-3D. These simulations analysed the water-dragging force considering single subjects and pedestrian arrangements, providing a detailed identification of hydraulic parameters and water forces throughout the stairs’ domain. This research offers novel insights into flood risk management in urban areas, taking into account their site-specific constraints, particularly access to underground spaces via stairs. Special attention is given to subjects evacuating simultaneously, as well as optimal strategies for managing group evacuations. The outcomes offer valuable, actionable data for engineers, urban planners, and emergency responders. In this way, it will ultimately contribute to improving evacuation safety and hydraulic understanding of flooded underground stairs through the integration of experimental and numerical analysis, thereby fostering urban resilience and evacuation planning in flood-prone underground infrastructures. (Català) El ritme accelerat d’urbanització ha provocat el desenvolupament generalitzat d’infraestructures subterrànies arreu del món. Actualment, aquestes infraestructures s’han tornat cada vegada més vulnerables als fenòmens meteorològics extrems induïts pel canvi climàtic, com ara les inundacions, especialment a les estacions de metro. Donades les característiques singulars dels nuclis subterranis urbans, les escales tenen un paper doble i crític durant les emergències: sovint són la principal via d’evacuació, alhora que actuen com a principal camí d’entrada de l’aigua d’inundació. Aquesta tesi doctoral explora la interacció entre les forces hidrodinàmiques i l’evacuació humana en escales inundades dins d’entorns subterranis. L’estudi té com a objectiu millorar el coneixement sobre aquestes interaccions per identificar llindars d’estabilitat, establir criteris de seguretat i desenvolupar estratègies d’evacuació eficaces. S’ha adoptat un enfocament integral del problema, integrant mètodes experimentals i numèrics. Es va dur a terme una revisió exhaustiva de l’estat de l’art per identificar l’estat actual del coneixement, destacant-ne els principals resultats, les limitacions i possibles línies d’investigació futures. El component experimental d’aquest treball es va basar en una rèplica a escala real construïda al laboratori d’hidràulica de l’escola de Camins de l’Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC). Aquesta rèplica representava les escales d’accés susceptibles d’inundació de l’estació de metro Paral·lel, que forma part de la xarxa de metro de Barcelona. La caracterització hidràulica de les escales va ser seguida per una sèrie de proves amb individus caminant per les escales inundades sota diverses condicions de cabal i tipus de calçat. Es van fer proves addicionals, sota el cabal màxim de la instal·lació, amb individus caminant simultàniament en grups de dos i tres. La primera campanya amb individus en solitari va tenir com a objectiu identificar llindars d’inestabilitat dels vianants, mentre que la segona es va centrar en optimitzar l’evacuació segons les diferents configuracions de grups estudiades. Per complementar les observacions experimentals, es van dur a terme diverses simulacions tridimensionals de Dinàmica de Fluids Computacional (3D-CFD) amb el programari comercial FLOW-3D. Aquestes van analitzar la força d’arrossegament de l’aigua considerant configuracions individuals i grupals de vianants, proporcionant una identificació detallada dels paràmetres hidràulics i de les forces de l’aigua al llarg del domini de les escales. Aquesta recerca aporta nous coneixements sobre la gestió del risc d’inundació en entorns urbans, considerant-ne les limitacions específiques, especialment l’accés a espais subterranis mitjançant escales. Es presta una atenció especial a la evacuació simultània de persones i a les estratègies òptimes per gestionar evacuacions en grup. Els resultats ofereixen dades útils i aplicables per a enginyers, urbanistes i equips d’emergència. D’aquesta manera, es contribueix a millorar la seguretat en evacuacions i la comprensió hidràulica de les escales subterrànies inundades mitjançant una anàlisi integrada experimental i numèrica, fomentant la resiliència urbana i la planificació d’evacuacions en infraestructures subterrànies susceptibles d’inundació. (Español) El rápido ritmo de urbanización ha dado lugar al desarrollo de cada vez más infraestructuras subterráneas alrededor del mundo. Estas son vulnerables a fenómenos meteorológicos extremos inducidos por el cambio climático, como las inundaciones, especialmente en estaciones de metro. Dadas las características particulares de los espacios subterráneos urbanos, las escaleras desempeñan un doble y crucial papel durante las emergencias, pues suelen ser la principal vía de evacuación y, al mismo tiempo, la entrada preferente de la inundación. Esta tesis doctoral explora la interacción entre las fuerzas hidrodinámicas y la evacuación humana en escaleras inundadas dentro de entornos subterráneos. El estudio tiene como objetivo mejorar el conocimiento de estas interacciones para identificar umbrales de estabilidad, establecer criterios de seguridad y desarrollar estrategias de evacuación eficaces. Para ello, se adopta un enfoque integral del problema, integrando métodos experimentales y numéricos. Se ha realizado una exhaustiva revisión del estado de la cuestión para identificar el panorama actual del conocimiento, destacando los hallazgos clave, las limitaciones y posibles líneas de investigación futuras. El componente experimental de este trabajo se basó en una réplica a escala real construida en el laboratorio de hidráulica de la Escuela de Caminos de la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC). Esta réplica representa una de las escaleras de acceso de la estación de metro Paral·lel, que forma parte de la red de metro de Barcelona e históricamente ha sido susceptible a inundaciones. La caracterización hidráulica de las escaleras fue seguida de una serie de ensayos experimentales individuales con sujetos caminando por las escaleras inundadas bajo diferentes condiciones de caudal y tipos de calzado. Pruebas adicionales bajo el caudal máximo de la instalación evaluaron a sujetos caminando simultáneamente en grupos de dos y tres. La primera campaña individualizada tenía como objetivo identificar umbrales de inestabilidad peatonal, mientras que la segunda se centró en optimizar la evacuación en función de las configuraciones grupales estudiadas. Para complementar las observaciones experimentales, se realizaron varias simulaciones tridimensionales de Dinámica de Fluidos Computacional (3D-CFD) utilizando el software comercial FLOW-3D. Estas analizaron la fuerza de arrastre del agua considerando configuraciones individuales y grupales de peatones, proporcionando una identificación detallada de parámetros hidráulicos y fuerzas del agua a lo largo del dominio de las escaleras. Esta investigación ofrece nuevos conocimientos sobre la gestión del riesgo de inundaciones en áreas urbanas, considerando sus limitaciones específicas, especialmente el acceso a espacios subterráneos mediante escaleras. Se presta especial atención a la evacuación simultánea de personas y a las estrategias óptimas para gestionar evacuaciones. Los resultados proporcionan datos valiosos y aplicables para ingenieros, urbanistas y equipos de emergencia. De este modo, se contribuye a mejorar la seguridad en la evacuación y la comprensión hidráulica de escaleras subterráneas inundadas mediante un análisis integrado experimental y numérico, fomentando la resiliencia urbana y la planificación de evacuaciones en infraestructuras subterráneas vulnerables a inundaciones. DOCTORAT EN ENGINYERIA CIVIL (Pla 2012) |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-464876 |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/697741 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-464876 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ info:eu-repo/semantics/embargoedAccess |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.697741 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
καταχωρήστε σχόλιο πρώτοι!