Riassunto della tesi di dottorato Titolo “il potere fonoisolante di

Riassunto della tesi di dottorato
Titolo
“il potere fonoisolante di partizioni edili: modelli semplificati”
La tesi ha come oggetto principale l’analisi del problema vibro acustico della
trasmissione di rumore aereo attraverso partizioni edili (pareti e solai), con l’intento
di identificare e sviluppare dei modelli semplificati di previsione del potere fono
isolante più attendibili di quelli oggi disponibili in letteratura.
Muovendo dall’analisi vibroacustica delle strutture, dai loro modi propri di vibrare,
dalla loro capacità di “radiare” suono se messe in vibrazione tramite l’interazione
con un fluido (aria nel caso specifico), e dalla capacità di un’onda sonora di indurre
tali vibrazioni passando da un mezzo ad un altro (da un fluido ad un solido), si è
giunti allo studio della trasmissione sonora quale interazione fluido-struttura-fluido
e alla definizione del Potere Fonoisolante attraverso una partizione.
La ricerca è motivata dal fatto che gli attuali modelli semplificati (quelli riportati
nella normativa tecnica) non coprono tutte le casistiche possibili e spesso
propongono algoritmi di calcolo di difficile comprensione per coloro che operano
nell’ambito dell’acustica edilizia, i quali utilizzano spesso la nota legge della massa
per “snellire” il calcolo.
Tale “legge”, che ha un campo di validità limitato, è solitamente estesa alle
frequenze di risonanza e di coincidenza con l’impiego di fattori correttivi,
restituendo però un valore sufficientemente corretto del Potere Fonoisolante solo
per pareti omogenee e alle frequenze medio-basse.
L’alternativa che resta al progettista è quella di ricorre a misure di laboratorio
effettuate su campioni di parete, per ottenere una previsione accettabile del campo
acustico trasmesso da un ambiente ad un altro ad esso confinante.
Il lavoro è strutturato in tre parti principali:
•
Lo stato dell’arte.
•
I modelli teorici
•
I modelli numerici
La prima parte, costituita da due capitoli, riguarda:
•
l’analisi del problema della trasmissione di rumore aereo attraverso le
partizioni edili, sia dal punto di vista dei principi fisici di base (interazione
fluido-struttura), sia da un punto di vista modellistico che normativo;
•
le metodiche di indagine sperimentale per la misura del potere fono isolante
e la definizione del campione di dati sperimentali le verifiche dei modelli
previsionali.
La seconda parte è costituita da cinque capitoli che affrontano sistematicamente i
vari fenomeni fisici, e i relativi modelli teorici che li descrivono, che compongono il
complesso fenomeno della vibro-acustica delle pareti.
In particolare, le primo capitolo si focalizza l’attenzione sulla aeroacustica per
quanto riguarda la propagazione e le sorgenti sonore elementari.
Il secondo capito affronta invece la tematica dell’acustica strutturale relativa al
continuo sia omogeneo sia ortotropico, focalizzata sulle piastre elastiche. Vengono
analizzate le teorie Classica (Kirchhoff) e di Reissner-Mindlin e la loro applicazione
all’analisi
dinamica
del
problema
flessionale,
sia
per
piastra
isotropa
che
ortotropica, identificandone i limiti e i campi di applicabilità.
Il terzo capitolo estende l’analisi alle pareti stratificate considerandole come
composizione di piastre, ovvero come composizione di elementi disposti in modo
qualunque. Il metodo generale sviluppato, valido in entrambi i casi è quello
dell’”omogeneizzazione” , cioè l’identificazione di criteri che consentano di definire
delle proprietà omogenee equivalenti al sistema reale di elementi costituenti la
parete .
Nel quarto capitolo si descrive il problema dell’interazione fluido-struttura vibrante,
cioè come avviene la “radiazione di energia sonora” da parte di una superficie che
vibra, con particolare riferimento al concetto di efficienza di radiazione, e il
problema duale dell’eccitazione vibratoria di una struttura indotta da un campo
acustico.
Nel successivo quinto capitolo si affronta e si descrive il complesso problema della
trasmissione sonora attraverso una parete, cioè l’interazione fluido-struttura-fluido,
sia nel caso di fluido semifinito che nel caso di fluido racchiuso in un ambiente
confinato. Vengono qui analizzati i modelli relativi a parete indefinita per la
partizione omogenea, per la partizione doppio strato con camera d’aria, e quella
triplo strato con doppia camera d’aria, tutti basati sull’ipotesi di lastra sottile. Viene
poi considerata la generalizzazione al caso di pareti di spessore qualsiasi
rimuovendo l’ipotesi di lastra sottile (la Teoria Classica, alla base della norma UNI
EN 12354 in un mezzo omogeneo, che trascura gli effetti del taglio, risulta essere
solo un sottocaso) e analizzati i diversi metodo di calcolo del potere fono isolante al
variare della frequenza. Infine si tratta il problema, più complesso, dell’effetto di
vincoli di bordo sulla trasmissione acustica.
La terza parte della tesi si sviluppa sull’analisi dei modelli e metodi numerici
applicabili alla soluzione del problema della trasmissione sonora attraverso una
parete, e sullo sviluppo di un metodo semplificato per la predizione del potere
fonoisolante di strutture composite che abbia un grado di attendibilità superiore a
quanto oggi attualmente disponibile.
In particolare vengono presi in rassegna e descritti i metodi FEM, per quanto
riguarda l’analisi dinamica strutturale e l’interazione con il fluido, BEM per
interazione e la propagazione in campo fluido, con particolare riferimento ai limiti e
alle
condizioni
di
applicabilità
in
funzione
della
frequenza.
Vengono
successivamente analizzati i metodi SEA (Statistical Energy Analysis), sempre con
particolare attenzione al loro campo di applicabilità in funzione della frequenza.
Si passa quindi alla parte più applicativa con identificazione di una serie di pareti
campione tra i dati sperimentali, il calcolo della distribuzione spettrale del loro
potere fono isolante, sia attraverso un codice di calco FEM-BEM-SEA integrato, sia
con i modelli semplificati proposti (omogeneizzazione), sia con le formule della
normativa più recente. Tali risultati vengono comparati con i dati sperimentali
mostrando
come
i
modelli
proposti,
anche
se
approssimati,
sopperiscono
parzialmente ad alcune lacune delle formule normate.
L’analisi dei risultati ha confermato l’importanza di utilizzare i modelli basati sulla
Teoria di Mindlin per le piastre spesse e i criteri di omogeneizzazione per le
partizioni multistrato per calcolare il Potere Fonoisolante.
Per tale analisi, cioè per valutare l’accuratezza degli algoritmi ma anche quella dei
codici di calcolo impiegati, è stato definito un indice di confronto, applicato sia tra i
dati sperimentali e i valori analitici, sia tra i dati sperimentali e i valori numerici.
Tale indice, chiamato Indice di Confronto, valuta gli scostamenti tra il dato di
misura e quello calcolato sia per partizioni monostrato, omogenee, sia per partizioni
omogenee equivalenti alle relative partizioni multistrato.
In particolare, dall’analisi condotta si può vedere come sia le procedure analitiche,
ma anche le procedure numeriche che utilizzano un metodo ibrido FEM SEA,
raggiungano una buona accuratezza.
Relativamente ai metodi impiagati dai codici di calcolo numerico, alle alte
frequenze, cioè quando la lunghezza d’onda è piccola rispetto alle dimensioni del
sistema, è possibile usare in modo efficiente i modelli SEA, mentre alle basse e
medie frequenze è meglio usare il metodo FE. Il metodo ibrido FEM-SEA risulta
essere la procedura migliore, perché è in grado di combinare sottosistemi FE con
sottosistemi
SEA
nei
problema
d’interazione
fluido-struttura,
con
tempi
computazionali e richieste di memoria decisamente più sostenibili di un approccio
totalmente FE. VA-One è l’unico software in commercio a proporre questo metodo
ibrido per il calcolo della trasmissione sonora (”Hybrid Transmission Loss”).
L’aspetto innovativo di questo lavoro è da ricercare nella stessa tematica trattata
(analisi teorico-numerica sistematica del problema della trasmissione del suono
attraverso partizioni), che in Italia risulta essere ancora molto poco sviluppata, e in
particolare nella proposizione e identificazione di limiti, pregi e potenzialità di
diverse tecniche numeriche semplificate per il calcolo del potere fono isolante, in
quanto approcci numerici basati su tecniche FEM-BEM o tecniche ibride FEM-SEA,
risultano ancora inaccessibili e non sempre attendibili per le applicazioni pratiche in
campo edilizio.
Schema sintetico
Metodi semplificati sviluppati e “validati”
•
Introduzione delle ipotesi di Mindlin per f > 2000 Hz per tutte le tipologie di
partizione edilizia
•
Introduzione dei criteri di omogeneizzazione per partizioni multistrato
Metodi numerici impiegati e “validati”
•
Software VA-ONE in modalità FE, SEA e Hybrid FE-SEA; quest’ultimo può
diventare uno valido strumento per i problemi di interazione fluido struttura,
ma solo accoppiandolo alla ricerca sperimentale per determinare il valore del
damping loss factor
Possibili estensioni della ricerca
•
Estensione del criterio di omogeneizzazione ad altri tipi di materiali
(ortotropici, laminati, polimeri. ecc…)
•
Verifica sperimentale del modello basato sulla Teoria di Mindlin per f >4000
•
Studio del potere fonoisolante R per partizioni con una o più camere d’aria
•
Estensione del problema della trasmissione sonora a tutto lo spettro
dell’udibile 20 Hz< f < 20 kHz per problemi che esulano dall’ambito edilizio