Modellistica e progettazione assistita delle bonifiche acustiche

Modellistica e progettazione assistita delle bonifiche acustiche
industriali
C. Lamberini1, R. Fabiani1 L. Poderini1, E. Crisostomi1, F.Borchi2, S. Luzzi2, L. Busa2,
1
B-Beng -
2
Vie En.Ro.Se. Ingegneria
Introduzione
In questa memoria gli autori affrontano, sulla base di numerose esperienze di progettazione e
implementazione di casi studio, le problematiche connesse ai diversi livelli di modellistica acustica finalizzata
alla progettazione degli interventi di bonifica
Vengono proposti strumenti modellistici innovativi, grazie ai quali è possibile procedere a una progettazione
delle bonifiche acustiche in ambito industriale considerando due piani di intervento distinti: il primo che
prevede un’analisi generale dell’ambiente in cui si collocano le sorgenti rumorose con definizione dei
contributi più significativi e conseguente progettazione degli interventi di mitigazione, il secondo riguardante
la progettazione di dettaglio di interventi diretti alla sorgente (cabine acustiche).
I problemi della modellistica acustica in ambito industriale
Una fase fondamentale e, allo stesso tempo, critica nel processo di progettazione degli interventi di bonifica
acustica in ambito industriale è l’implementazione di modelli che rappresentano correttamente la
propagazione del suono all’interno dell’ambiente di lavoro.
I modelli che si applicano agli ambienti industriali multi-sorgente devono tener conto delle caratteristiche
acustiche di emissione di ciascuna delle sorgenti, e delle proprietà acustiche di tutte le superfici che il
rumore incontra lungo i cammini di propagazione verso le postazioni degli operatori esposti al rischio.
Attraverso l’inserimento degli elementi di mitigazione nel modello, si può definire la tipologia degli interventi,
il loro dimensionamento e la relativa efficacia e il costo degli interventi di bonifica.
Dal punto di vista del rumore prodotto da un insediamento produttivo verso l’ambiente circostante, gli aspetti
modellistici e le conseguenti simulazioni dell’impatto acustico, sono implementabili utilizzando la Norma UNI
EN ISO 9613-2, che fornisce un metodo tecnico progettuale per calcolare l'attenuazione sonora nella
propagazione in campo aperto. Tale standard, pur facendo riferimento ad un numero limitato di riflessioni,
consente in ambiente aperto di valutare i livelli di rumore ambientale con sufficiente accuratezza, in generale
contenuta in 3 dBA, nelle postazioni ricettore individuate a determinate distanze dallo stabilimento sorgente,
la stessa metodologia non può essere utilizzata nella modellistica della propagazione all’interno dei suddetti
stabilimenti, caratterizzati da notevole complessità, dovuta all’ampiezza degli ambienti, all’elevato numero di
sorgenti e riflessioni, oltre alla distribuzione critica delle postazioni operatore.
Spesso poi, in tali scenari, si incontrano vincoli funzionali, legati ad aspetti igienico-sanitari o esigenze di
manutenzione che non consentono interventi strutturali di rivestimento completo quali cabinature o
schermature fonoisolanti di grandi dimensioni. Dalle suddette limitazioni deriva spesso l’unica possibilità di
intervenire in modo efficace sui cammini per ridurre la propagazione del rumore aereo.
Metodi per l’analisi e la progettazione acustica degli ambienti confinati
In generale, l’analisi acustica e la progettazione degli interventi di mitigazione in ambiente confinato è
articolata nei seguenti punti:
1. Acquisizione e analisi dei dati geometrici e acustici (di emissione e di esposizione), individuazione e
delimitazione delle aree critiche.
2. Rilievo geometrico e misure fonometriche di caratterizzazione delle sorgenti attraverso procedure di
prova tipo UNI EN ISO 3744 (v. figura 1), misure fonometriche dei tempi di riverbero.
3. Costruzione del modello tridimensionale dello stabilimento e delle sub-aree (scenari critici).
4. Inserimento delle sorgenti e loro caratterizzazione all’interno del modello.
5. Validazione del modello per confronto con livelli di pressione misurati.
6. Definizione delle diverse ipotesi progettuali per la mitigazione del rumore; pianificazione della bonifica
secondo una scala di priorità basata sulla fattibilità tecnica e sulla sostenibilità economica.
7. Progettazione esecutiva delle soluzioni prescelte per la mitigazione del rumore.
8. Realizzazione degli interventi.
9. Valutazione dell’efficacia degli interventi mediante misure post operam.
Figura 1 – Esempio di reticolo di misura per la caratterizzazione acustica di un macchinario.
In riferimento al modello di calcolo impiegato negli ambienti confinati, questo può essere considerato
un’evoluzione delle tecniche ray-tracing utilizzate per la previsione del rumore in ambiente esterno. Tale
modello consente di tenere conto di tutti quei fenomeni sonori quali la riflessione, la diffusione e la
diffrazione, particolarmente importanti nella previsione dei livelli di rumore negli ambienti confinati. Il modello
in generale utilizzato per i casi studio è un modello di tipo “pyramid tracing”. Si tratta di un modello per il
tracciamento dei raggi sonori mediante fasci divergenti di forma piramidale. Quando il ricevitore puntiforme si
trova dentro uno di questi fasci riceve una certa intensità di energia sonora; dal momento che i fasci sono
piramidali sono in grado di coprire perfettamente, e senza sovrapposizioni, la superficie sferica della
sorgente. La suddivisione della superficie in triangoli è fatta utilizzando una versione modificata
dell’algoritmo di Tenebaum, procedendo alla suddivisione in 8 ottanti della sfera e generando così una
sorgente sonora isotropica.
Per quanto riguarda la progettazione di dettaglio degli interventi, per gli interventi sull’ambiente ci si potrà
ancora riferire in maniera efficace al modello di calcolo precedentemente descritto. Per la progettazione degli
interventi diretti sulla sorgente tale modello permette di definire le caratteristiche acustiche intrinseche del
sistema impiegato (schermo, cabinatura, ecc.) per l’attenuazione del rumore della macchina stessa. A partire
da tali dati si procederà alla progettazione esecutiva dell’intervento sulla macchina.
Progettazione di interventi per la riduzione del rumore alla fonte (cabine acustiche)
La progettazione dei sistemi di mitigazione diretti sulla sorgente, generalmente, prevedono la presenza di
numerosi e differenti elementi da integrare per garantire le caratteristiche di attenuazione richieste al
sistema. La principale difficoltà consiste nel reperimento di elementi certificati acusticamente e
nell’integrazione degli stessi (pannelli opachi, serramenti, disposizioni impiantistiche, griglie, sistemi di
areazione, ecc.).
L’applicativo BOXYCAD, presentato di seguito, consente di progettare interventi complessi di mitigazione
delle macchine con prestazioni acustiche garantite e certificate a livello di sistema.
L’applicativo, sviluppato su base Autodesk su commissione da B-BEng s.r.l., consente la modellazione di
dispositivi/cabine con prestazioni acustiche certe in termini di potere fonoisolante e tempo di riverbero
interno alla cabina, certificate da Ente terzo (RINA). Il BOXYCAD inoltre consente già in fase di
progettazione di determinare esattamente i costi e le tempistiche di installazione.
Tale applicativo, inizialmente impiegato nel settore musicale (ambito audio-video) con la serie costruttiva
BOXY-B, consente ad oggi anche la progettazione in ambiti diversi, infatti le diverse serie costruttive derivate
dall’originale BOXY B (BOXY K, BOXY M, BOXY E) hanno trovato applicazione in settori quali
l’audiometrico, il testing, l’industriale.
Le funzioni e i contenuti del BOXYCAD sono interattivi, in linea con l’approccio BIM (Building Information
Modeling), il progetto è interrogabile in modo che:
-
si possano verificare spazi e caratteristiche,
i dati siano immediatamente e facilmente condivisibili con le figure preposte al controllo del progetto
le figure professionali coinvolte e le aziende in collaborazione abbiano piena e completa visione del
progetto.
La progettazione tramite BOXYCAD prevede un rilievo di tipo geometrico dell’ambiente con l’elaborazione in
Autocad del modello tridimensionale, all’interno del quale si posizionano gli ingombri delle sorgenti. Tramite
l’applicativo si vanno a posizionare i moduli in modo puntuale intorno alle sorgenti, dimensionandoli in
funzione degli spazi necessari.
Figura 2 – Esempio di inserimento piantina e modello serie BOXY-B
Figura 3 – Esempio di elaborato grafico BOXYCAD
L’elaborato grafico non è l’unico esito della progettazione tramite BOXYCAD: il progettista ottiene anche
altre informazioni circa le tempistiche di posa in opera, il costo dell’istallazione, i volumi di trasporto ecc. Il
dispositivo/cabina disegnato utilizzando BOXYCAD è infatti contrassegnato da un codice che, inserito
nell’apposita sezione del portale tecnico www.sherpastart.it, genera una scheda tecnico-economica
interattiva che completa gli output della progettazione.
Figura 4 – Esempio di scheda tecnico-economica SHERPA
Casi Studio
Nel primo caso studio, l’analisi e la progettazione acustica sono riferiti ad un ambiente a destinazione
“Centro Elaborazione Dati” (CED) di volumetria pari a circa 1000 m3. L’ambiente in oggetto è
particolarmente rumoroso per la presenza di diversi macchinari adibiti alla stampa, alla piegatura e
all’imbustatura di documentazione.
Il caso studio in oggetto è stato strutturato attraverso tre fasi distinte, rispettivamente di analisi acustica,
necessaria ad acquisire tutti i dati di partenza sul CED e sui macchinari ivi presenti, di progetto di bonifica
acustica e, infine, di collaudo acustico.
In particolare, la fase di analisi acustica è stata svolta seguendo i seguenti punti:
- Rilievo geometrico del CED e identificazione dei materiali e sistemi tecnologici ivi presenti;
- Rilievo acustico condotto attraverso una campagna di misure fonometriche, in punti rappresentativi
delle diverse zone del CED, dei livelli di rumore in assenza di attività delle macchine, dei livelli di
rumore nella condizione di massima operatività di tutte le macchine presenti e, infine, del tempo di
riverbero per analizzare la risposta acustica del CED;
- Rilievo geometrico delle macchine presenti e reperimento della relativa documentazione tecnica;
- Caratterizzazione acustica delle macchine attraverso la determinazione del livello di potenza sonora
con il metodo della UNI EN ISO 3746;
- Costruzione e validazione del modello di simulazione acustica;
- Valutazione dei livelli di clima acustico interno a cui sono soggetti i lavoratori, con particolare
attenzione alle postazioni di lavoro fisse e mobili.
La fase di progetto di bonifica acustica è stata articolata attraverso le seguenti sotto-fasi:
- Definizione delle differenti ipotesi di progetto finalizzato alla mitigazione del rumore nelle postazioni
fisse e mobili dei lavoratori;
- Valutazione dell’efficacia delle differenti ipotesi progettuali con riferimento al periodo di massima
operatività dei macchinari;
- Definizione del progetto esecutivo;
- Stima dei costi del progetto esecutivo.
L’ultima fase di collaudo acustico è stata condotta attraverso misure fonometriche effettuate nelle stesse
postazioni di misura ante-operam al fine di quantificare l’effettivo beneficio delle opere progettate nelle
diverse aree del CED. Sono state inoltre eseguite misure nelle postazioni fisse e mobili dei lavoratori per
determinare il livello di esposizione giornaliero degli stessi.
Il progetto di bonifica ha previsto la realizzazione dei seguenti interventi:
-
-
Sostituzione del controsoffitto esistente con uno più fonoassorbente alle medie e alte frequenze,
laddove, cioè, le macchine presentano un’emissione con il maggiore contenuto energetico;
Installazione di una barriera acustica con adeguate caratteristiche di fonoassorbimento e di
fonoisolamento, di larghezza 2.2 m, altezza 1.6 m e spessore 70 mm, con la funzione di schermare il
rumore che proviene dalle imbustatrici verso la postazione fissa di lavoro della scrivania.
Sospensione a soffitto di un sistema a baffles, altezza 1.1 m, nella parte alta delle due imbustatici in
modo da formare due “C”, come mostrano le figure che seguono.
Figura 5 – Elementi di progetto ipotizzati
Figura 6 – Visualizzazione ante e post della zona prossima alle macchine imbustatrici
Il collaudo acustico degli interventi ha evidenziato i seguenti risultati:
-
Nelle postazioni fisse di lavoro si hanno attenuazioni significative che vanno da circa 5 dB(A) in
corrispondenza delle postazioni fisse di lavoro sulle imbustatrici, a circa 9 dB(A) in corrispondenza
della postazione fissa alla scrivania.
Nelle restanti postazioni mobili di lavoro si hanno attenuazioni che vanno da un minimo 0.4 dB(A) ad
un massimo di 6.5 dB(A).
Il secondo caso studio riguarda la bonifica acustica del reparto profili di una delle più importanti società
produttrici di cartongesso. L’elevata rumorosità in ambiente era causata principalmente dalla cosiddetta
“profila 1”: per questo il piano di intervento proposto alla Società committente è partito da un intervento
diretto sulla sorgente. Nel suddetto caso studio erano presenti anche esigenze di tipo non acustico:
continuità della produzione, non creando disagi alle maestranze, requisiti di economicità, rapidità applicativa
ed ergonomia.
Sulla base dell’attenuazione acustica richiesta sulla linea è stata scelta la serie costruttiva più idonea per
realizzare un dispositivo di protezione acustica intorno alla “profila 1”. La progettazione esecutiva è stata
articolata nelle seguenti fasi:
-
Rilievo geometrico dell’ambiente volto all’inserimento della cabinatura;
Posizionamento delle sorgenti di rumore all’interno dell’elaborato grafico;
Posizionamento delle postazioni di lavoro all’interno dell’elaborato grafico;
Definizione del dispositivo/cabina più idoneo.
Figura 7 – Progettazione esecutiva del dispositivo/cabina
In particolare, è stata individuata la serie più indicata, considerando sia il tema acustico che le condizioni al
contorno che si presentavano abbastanza complesse (movimentazioni dei materiali, necessità di ampie
superfici vetrate, richiesta di grande velocità nel ricambio aria).
Rispetto alle previsioni sono stati raggiunti gli obiettivi previsti, in particolare:
-
Attenuazione oltre 25 dB(A) nella postazione operatore.
2 giorni di fermo macchina.
Figura 8 – Situazione iniziale
Figura 9 – Situazione finale
Conclusioni
Nella presente memoria sono stati presentate metodologie per l’analisi e la progettazione di interventi di
mitigazione acustica in ambienti confinati, quali quelli di tipo industriale. Inoltre sono stati considerati due
piani di intervento distinti: il primo, che prevede un’analisi generale dell’ambiente e dei cammini di
propagazione del rumore e relativa progettazione degli interventi, il secondo riguardante la progettazione di
dettaglio di interventi diretti alla sorgente.
Per quanto riguarda la progettazione di dettaglio viene presentata un’applicazione innovativa che consente
di progettare sistemi complessi con prestazione acustica certificata.
Nell’articolo sono stati quindi presentati due casi studio in cui sono state applicate con successo le
metodologie e gli strumenti sopra descritti.
BIBLIOGRAFIA
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2. Norma UNI ISO 9613-2:2006 Acustica - Attenuazione sonora nella propagazione all'aperto - Parte
2: Metodo generale di calcolo.
3. Norma UNI EN ISO 3744:2010 Acustica - Determinazione dei livelli di potenza sonora e dei livelli di
energia sonora delle sorgenti di rumore mediante misurazione della pressione sonora.
4. Norma UNI EN ISO 12001:2009 Acustica - Rumore emesso dalle macchine e dalle apparecchiature - Regole per la stesura e la presentazione di una procedura per prove di rumorosità.
5. S. Luzzi, L. Busa, F. Borchi, Modelli di acustica architettonica per la riduzione del rumore in scenari
industriali complessi, XX Convegno di Igiene Industriale, Corvara (2014)
6. S. Luzzi, L. Busa, F. Borchi, A room acoustics approach for reducing noise in complex industrial
scenarios, 21st International Congress on Sound and Vibration, Beijing (2014).
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9. C. Lamberini, L. Grassi, Area Test Desmoacustica per collaudo di microturbina pneumatica per
trapano odontoiatrico, NI Days 2012 Forum tecnologico sulla progettazione grafica di sistemi 2012,
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