Pavimentazioni innovative fonoassorbenti e a bassa emissione

Pavimentazioni innovative fonoassorbenti e a bassa
emissione: prestazioni acustiche e prospettive
Gaetano Licitra – ARPAT, IPCF CNR
Esposizione al rumore
Organizzazione Mondiale della Sanità
 Il rumore causa problemi di salute sia nel breve che nel lungo
periodo.
 L’esposizione anche breve a livelli elevati danneggia gli
organi uditivi.
 L’esposizione prolungata a livelli non in grado di procurare
danni agli organi uditivi è causa di:
• 
• 
• 
• 
• 
stress
disturbo del sonno
problemi cardivascolari
riduzione dell’efficienza sul lavoro
riduzione dell’apprendimento a scuola
Esposizione al rumore
Il 20% della popolazione UE è esposta a 65 dB(A) diurni
Il 30% della popolazione UE è esposta a 55 dB(A) notturni
In ambito urbano il 40% della
popolazione UE è esposta a più
di 55 dB(A) di rumore derivante
dal traffico stradale
Risanamento acustico in Italia
DM 29 novembre 2000
Art. 4
le attività di risanamento devono conseguire il rispetto dei valori
limite del rumore prodotto dalle infrastrutture di trasporto
Art. 5
•  Gli oneri derivanti dall'attività di risanamento sono a carico
delle società e degli enti gestori delle infrastrutture dei
trasporti
•  Gli interventi strutturali finalizzati all'attività di risanamento
devono essere effettuati secondo la seguente scala di priorità:
a) direttamente sulla sorgente rumorosa;
b) lungo la via di propagazione del rumore dalla sorgente
al ricettore;
c) direttamente sul ricettore.
Il veicolo come sorgente
Un veicolo in moto ha 3 principali sorgenti di rumore distinte:
 Motore e scappamento
 Rotolamento
 Aerodinamica
Funzione della velocità
Il veicolo come sorgente
Il veicolo come sorgente
Il veicolo come sorgente
  Veicoli ultra-leggeri (moto e motorini)
•  il contributo principale è dovuto al motore
 Veicoli pesanti (camion e bus)
•  il contributo principale è dovuto al motore
 Veicoli leggeri (auto e furgoni)
•  a velocità v > 35 km/h il contributo principale è dovuto al
rotolamento
•  in caso di rallentamenti, semafori, incroci diventa
preponderante il motore
Il veicolo come sorgente
Rumore da rotolamento
L’interazione del pneumatico con la pavimentazione genera
due diversi sorgenti di rumore:
  Rumore da vibrazione
•  Il pneumatico viene sollecitato dal profilo della superficie
stradale e si generano fenomeni vibratori che incidono
prevalentemente a frequenze inferiori a 1000 Hz e
contribuiscono per circa il 60% dei rumore complessivo
  Rumore aerodinamico
•  Attorno al pneumatico e in prossimità della pavimentazione
si generano delle compressioni e decompressioni di aria
dovute al moto, sorgente di rumore a frequenze medio-alte
Rumore da rotolamento
Meccanismi di vibrazione
  Deformazione della carcassa
  Impatto e deformazione
dei tasselli del battistrada
  Stick/slip
  Stick/snap
La dimensione del pneumatico
(impronta di contatto) influenza
il livello complessivo.
Il disegno del battistrada influenza lo spettro di emissione.
Rumore da rotolamento
Meccanismi aerodinamici
 
 
 
 
Turbolenza
Risonanza
Air pumping
Micro-risonanze nella cavità
del battistrada
Il volume del triedro tra
pneumatico e pavimentazione
genera un effetto di
amplificazione del rumore
(effetto corno)
Rumore da rotolamento
 I principali fenomeni concorrono
alla generazione del rumore da
rotolamento, influenzandosi
reciprocamente ed eccitando
intervalli di frequenza sovrapposti.
 Risulta particolarmente complesso
simulare la generazione del rumore
di rotolamento, anche perché il
pneumatico ha struttura eterogenea
e geometria complessa.
 In letteratura si trovano solo lavori
che studiano la vibrazione della
carcassa e l’ horn effect.
Simulazione del rumore di rotolamento
  Modelli ibridi
Approccio statistico con dati di ingresso ricavati da modelli analitici.
SPERoN
(Statistical Physical Explanation of Rolling Noise)
del progetto DEUFRAKO (Germania)
HyRoNE
(Hybrid Rolling Noise Estimation)
del progetto Texture&Bruit (Francia)
Simulano il campo sonoro a bordo strada utilizzando come input
tessitura e impedenza acustica della pavimentazione.
Beckenbauer, Klein, Hamet, Kropp – “Tyre/road noise prediction: a comparison between
the SPERoN and HyRoNE models” – Euronoise 2008, Parigi
Simulazione del rumore di rotolamento
  Modelli FEM
In letteratura si trovano lavori che simulano le vibrazioni del
pneumatico, per utilizzarle come sorgente del campo sonoro.
Il principale modello Leistra2 è stato sviluppato in seno al
progetto “Silent traffic 2” (Germania)
Biermann, von Estorff, Petersen, Brinkmeier, Nackenhorst – “Simulation and analysis of
tire road noise using a Finite Element Method” – EURONOISE 2006, Tampere
Risanamento alla sorgente
Per ridurre l’impatto acustico di un’infrastruttura
  pianificazione del traffico
•  Riduzione dei volumi di traffico
•  Riduzione della velocità media di percorrenza
•  Sostituire incroci con semafori e "Stop" con rotatorie per
mantenere il flusso di traffico costante
  pavimentazioni a basso impatto acustico
•  Pavimentazioni ad alto assorbimento acustico
•  Pavimentazioni a bassa emissione acustica
“Una pavimentazione a basso impatto acustico riduce di
almeno 3 dB(A) il rumore emesso rispetto ad una comune”
Sandberg, Tyre/road noise reference book, 2002
Pavimentazioni a basso impatto acustico
Le pavimentazioni sono lo soluzione più facilmente adottabile per
ridurre il rumore alla sorgente.
Le caratteristiche di una pavimentazione che influenzano il rumore
di rotolamento sono:
Tessitura superficiale
•  Determina la frequenza e
l’ampiezza dell’impatto
•  Influenza l’Air pumping
Determina anche l’aderenza
Pavimentazioni a basso impatto acustico
Le pavimentazioni sono lo soluzione più facilmente adottabile per
ridurre il rumore alla sorgente.
Le caratteristiche di una pavimentazione che influenzano il rumore
di rotolamento sono:
Porosità
•  Limita i meccanismi di risonanza
nelle cavità del battistrada
•  Limita l’Air pumping
•  Nella propagazione a distanza,
riduce l’energia riflessa del
raggio sonoro (fonoassorbenza)
Determina anche la drenabilità
Pavimentazioni a basso impatto acustico
La tessitura superficiale e la porosità di una pavimentazione sono
determinate da:
  Curva granulometrica
  Dense graded
  Gap graded
  Open graded
Pavimentazioni a basso impatto acustico
La tessitura superficiale e la porosità di una pavimentazione sono
determinate da:
  Materiali utilizzati
  Tipo di inerti
  Forma degli inerti
  Filler
  % di bitume
 …bitume modificato.
Pavimentazioni a basso impatto acustico
Una tipologia di pavimentazione a basso impatto acustico è basata
sull’utilizzo di polverino di gomma come materiale aggiuntivo.
Il polverino di gomma deriva da
pnuematici fuori uso (PFU).
•  Incrementa la viscosità
•  Diminuisce la rigidità
  Processo WET
Il polverino è addittivato al bitume
  Processo DRY
Il polverino è addittivato al mix di inerti
“L’impiego di prodotti da Pneumatici Fuori Uso nelle pavimentazioni stradali”
Ecopneus Scpa, 2013
Metodi di misura
Per il rumore da interazione pneumatico-pavimentazione
  Metodo CPX (ISO/CD 11819-2)
  Metodo SPB (ISO 11819-1)
  Metodo Tubo a impedenza (ISO 10534-1)
Metodo CPX
Basato sulla configurazione proposta da LCPC
Fabienne Anfosso-Lédée , SURF 2004, June 6-10th, 2004, Toronto, Canada
 Due microfoni in prossimità del punto di contatto
 Un encoder per la registrazione di velocità e posizione
  Uso di regressioni dei livelli in funzione della velocità:
SPL [dB]
95
90
⎛ v
Lpredict ,i = A( f ) + B( f ) log⎜
⎜ v
⎝ ref
⎞
⎟
⎟
⎠
85
80
75
70
65
40
45
50
800 Hz
LAeq
55
60
1600 Hz
65
70
75
Velocity [km/h]
Metodo CPX
CRITERIO DIFFERENZIALE
G. Licitra, L. Teti, M. Cerchiai, Applied Acoustics 01/2014; 76:169–179
Durante la medesima sessione si effettua la misura su una
seconda pavimentazione scelta come riferimento (coeva o
più vecchia della pavimentazione test in base agli scopi)
  Minimizza l’influenza
delle condizioni a contorno
 Permette il confronto tra
due sessioni diverse
 Consente un efficace
monitoraggio
Metodo SPB
Metodo di confronto del rumore da traffico su diverse
superfici stradali per varie composizioni di traffico stradale
a scopo di valutazione dei diversi tipi pavimentazione
•  2 mic a lato strada
•  SEL dei veicoli leggeri
•  Best fit per VRIF (50 km/h)
Nato per confrontare pavimentazioni
diverse senza l’influenza della variabilità della sorgente (parco
auto circolante), poiché la misura tiene di conto anche della
propagazione, il metodo si rivela eccessivamente influenzato
dalle condizioni a contorno per effettuare confronti accurati.
Metodo del tubo a impedenza
Metodo per misurare l’impedenza superficiale per incidenza
piana e ortogonale di un materiale (per es. pavimentazione)
•  Campo stazionario di onde piane (diretta + riflessa)
•  2 mic per il calcolo della FRF da cui si ricava R
Esperienza in Toscana
Per valutare l’efficacia di una pavimentazione a basso
impatto acustico, il CPX è il metodo migliore, in quanto
misura esclusivamente l’emissione di rumore dovuta alla
sorgente (interazione pneumatico-pavimentazione)
  E’ applicabile anche in contesti urbani
  E’ in grado di valutare l’omogeneità spaziale di una
stesa
  E’ in grado di monitorare una pavimentazione nel tempo
(grazie al criterio differenziale)
“Il monitoraggio su lunghi periodi di tempo di pavimentazioni speciali in Toscana”
Cerchiai et al. AIA 2014
Progetto LEOPOLDO
LINEE GUIDA DELLA REGIONE TOSCANA
Pavimentazioni a basso impatto acustico
METODI DI MISURA
Verifica requisiti
Verifica efficacia acustica
MONITORAGGIO NEL
TEMPO
Verifica del rapporto
costi/benifici
Le prime pavimentazioni sperimentali
Grazie al progetto LEOPOLDO la Regione Toscana ha investito
nelle pavimentazioni a basso impatto acustico per il risanamento
In azzurro sono indicate la pavimentazioni del Progetto Leopoldo
Variabilità dei risultati anche nel tempo
Firenze
Lucca
Età [anni]
0
1
2
3
4
0
5
-3
-4
-5
FIRENZE
Differenziale [dB(A)]
Differenziale [dB(A)]
-2
-8
4
5
-1
-1
-7
Età [anni]
2
3
0
0
-6
1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
LUCCA
-8
Andamento nel tempo del differenziale LCPX a 50km/h su due
pavimentazioni sperimentali del progetto LEOPOLDO
Perché l’alta variabilità dei risultati?
La realizzazione di pavimentazione ad elevate prestazioni
acustiche, necessita di attenta pianificazione da parte
dell’amministrazione pubblica che consenta di
GARANTIRE LO STATO DI MANUTENZIONE DELLA STESA
  evitando interventi invasivi per stesura tubi, cavi o simili
  utilizzo di tombini più alti o più bassi del piano stradale
  utilizzo di passaggi pedonali sonori
  …non affidandosi unicamente ai 3-5 cm del manto di
usura, ma dove necessario ripristinare base e binder!
Perché il monitoraggio nel tempo?
Una volta effettuato l’intervento di risanamento acustico è
necessario e opportuno che il gestore dell’infrastruttura
provveda al monitoraggio dei risultati ottenuti.
0
1
2
3
4
5
0
-1
Differenziale [dB(A)]
La verifica post-operam
presso il ricettore esposto che
presentava superamento dei
limiti è richiesta per legge, ma
non è sufficiente per garantire
che il rispetto dei limiti sia
garantito nel tempo, neppure
nel breve periodo (mesi).
Età [anni]
-2
-3
-4
-5
-6
-7
FIRENZE
-8
Differenziali LCPX pavimentazione sperimentale di
Firenze (LEOPOLDO)
Perché il monitoraggio nel tempo?
Una volta effettuato l’intervento di risanamento acustico è
necessario e opportuno che il gestore dell’infrastruttura
provveda al monitoraggio dei risultati ottenuti.
 tipologia di pavimentazione
 condizioni meteo locali
 tipologia del traffico
 volumi di traffico
1
2
3
4
5
0
-1
Differenziale [dB(A)]
Ciascuna pavimentazione ha
la propria evoluzione, che
dipende da:
Età [anni]
0
-2
-3
-4
-5
-6
-7
FIRENZE
-8
Differenziali LCPX pavimentazione sperimentale di
Firenze (LEOPOLDO)
…conoscere la tipologia di pavimentazione non basta!
Perché il metodo CPX?
Una volta effettuato l’intervento di risanamento acustico è
necessario e opportuno che il gestore dell’infrastruttura
provveda al monitoraggio dei risultati ottenuti.
LCPX a 50km/h
[dB(A)]
95
93
LCPX
La verifica di legge al ricettore
è puntuale e si basa
sull’ipotesi di omogeneità
spaziale delle caratteristiche
acustiche della
pavimentazione, ma su
interventi più lunghi di 300
metri può non essere vero.
91
89
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Distanza [m]
Esempio di disomogeneità spaziale del livello LCPX
Perché il metodo CPX?
Una volta effettuato l’intervento di risanamento acustico è
necessario e opportuno che il gestore dell’infrastruttura
provveda al monitoraggio dei risultati ottenuti.
Laddove l’azione di mitigazione è la combinazione di più
interventi (traffico, barriere, etc), la verifica al ricettore non è
in grado di distinguere se:
  il singolo intervento abbia raggiunto il proprio risultato
atteso
  nel caso il rispetto dei limiti non sia raggiunto, quale
intervento non lo abbia raggiunto
Perché il metodo CPX?
CONCLUSIONI
  Le pavimentazioni a basso impatto acustico possono essere
una valida soluzione per interventi di risanamento acustico
da rumore da traffico stradale
  All’interno del progetto LEOPOLDO si sono studiate
pavimentazioni sperimentali con metodi di misura sviluppati
in seno all’ARPAT. Si è dimostrato che è possibile ottenere
una minore emissione di 5-6 dB(A)
  I primi interventi di risanamento acustico effettuati dalla
Regione Toscana per mezzo di pavimentazioni a basso
impatto acustico hanno mostrato ampia variabilità di risultati.
Si è dimostrato che la semplice scelta della pavimentazione
non è sufficiente a garantire il risultato atteso
  E’ necessario un monitoraggio nello spazio e nel tempo
SVILUPPI FUTURI
  E’ stato individuato nel CPX il metodo più accurato per
valutare l’efficacia acustica di una pavimentazione. E’
necessario quindi sviluppare un modello che tenga conto
delle condizioni locali per correlare il livello CPX con il livello
a bordo strada.
  E’ necessario sviluppare un modello (anche statistico) che
correli il livello a bordo strada dell’auto con il metodo SPB,
valutando l’influenza delle condizioni di misura CPX, quali
dimensioni pneumatico, disegno battistrada e usura del
pneumatico.
  E’ necessario sviluppare un modello che correli la tessitura
superficiale con il livello CPX atteso e che sia in grado di
prevedere l’influenza dell’usura della superficie stradale.