Acustica Edilizia – VI

Barriere Acustiche

Le Barriere Acustiche ( fig. 1 – 2 – 3 ) sono invece dei pannelli FonoIsolanti che vengono utilizzati per ridurre il rumore del traffico stradale, compreso ferrovie, ambiente esterno in generale.

Fig. 1 8.jpg

Fig. 2 barriera-insonorizzante.png

Fig. 3 Barriera-antirumore-ferroviaria-con-pannelli-fonoassorbenti-e-fonoisolanti-2-1100x825.jpg

Di pari passo a questo tipo di barriere ci va il fatto che si guarda molto anche a migliorare la sorgente che genera il rumore stesso. Miglioramento dei pneumatici, riduzione del rumore generato dai veicoli, come ad esempio lo sviluppo di automezzi elettrici, l’utilizzo di asfalto fonoassorbente, migliore sistema di insonorizzazione dei sistemi di scarico, fino alla corretta pianificazione territoriale.

Quindi la barriera acustica viene in aiuto a questo ed utilizzata laddove si registri un rumore troppo elevato, sopra le normative in vigore, quindi considerato disturbante.

Anche queste possono avere forme e caratteristiche diverse in base al livello di isolamento acustico che si vuole ottenere in concomitanza del design e aspetto che si vuole dare, in modo che sia compatibile con l’ambiente in cui vengono montate, (generalmente sono di ferro, acciaio, legno, vetrate in acrilico e misto).

Sono spesso dei pannelli montati uno fianco all’altro, devono avere caratteristiche strutturali differenti rispetto a quelle per ambienti interni, devono essere molto più robuste, resitenti alle intemperie atmosferiche e alle continue sollecitazione, in quanto che ad esempio il passaggio di automobili sull’asfalto in cui poi è anche montata la stessa struttura di questi pannelli ne risente molto di sollecitazioni strutturali. La sicurezza viene sempre prima di tutto.

Di norma le caratteristiche meccaniche che devono avere le Barriere Acustiche sono:

  • Resistenza al carico aerodinamica (vento e turbolenze, pressione indotta ad esempio dal passaggio di veicoli).
  • Resistenza al carico statico (limite dei valori di deflessione de parte della barriera per non generare crepe e rotture).
  • Resistenza di Impatto (resistenza all’urto di eventuali sassi, pietre, ecc… provenienti dalla superificie stradale).
  • Sicurezza nelle collisioni primaria (una barriera deve garantire in caso di impatto del veicolo di non generare più danni di quanto farebbe una barriera di contenimento di sicurezza).
  • Sicurezza nelle collisioni secondaria (l’impatto di un veicolo può produrre la caduta di frammenti sul manto stradale proveniente dalla riflessioni di impatto sulla barriera, per cui i componenti della barriera devono essere vincolati tra loro e adeguatamente resistenti per prevenire questo fenomeno, legato più che altro ai cavalcavia per non permettere ai detriti di cadere in aree sottostanti).
  • Resistenza al carico dinamico (ad esempio neve che si accumula e pressa contro la parete della barriera).
  • Resistenza al fuoco (capacità di non propagare e generare incendi).
  • Protezione ambientale (con il tempo i materiali che costituiscono la barriera possono subire degradi, fisicamente o chimicamente, producendo residui che possono avere effetti negativi sull’ambiente ed al limite, essere tossici, perciò i materiali componenti la barriera dovrebbero essere chiaramente identificati, preferendo materiali riciclabili.
  • Vie di fuga di emergenza (le barriere devono presentare opportuni passaggi per permettere la manutenzione ed eventuali via di fuga oltre che accesso per i mezzi di soccorso.
  • Riflessione della luce (la superificie rivolta verso i conducenti non deve provocare abbagliamento.
  • Trasparenza alla luce (questo dipende dall’area in cui vengono montate, se necessario è opportuna che la barriera sia trasparente per permettere un impatto visivo a chi vive dietro la barriera ed una visibilità maggiore ai conducenti di veicoli.

Le Barriere Acustiche possono essere fondamentalmente divise in due categorie:

  • Estrinseche
  • Intrinseche

Le barriere Estrinseche concentrano la loro forza nell’attenuare il suono verso uno o più ricevitori.

Le barriere Intrinseche invece posso essere di differenti tipologie:

  • Barriere con maggiore proprietà di assorbimento o riflessione del suono
  • Barriere con elevato grado di isolamento per via aerea
  • Barriere con modalità di diffrazione al bordo superiore.

In pratica le caratteristiche Estrinseche riguardano il tipo di inserimento della barriera in un determinato ambiente, mentre quelle Intrinseche riguardano la scelta del tipo di barriera.

 

Insertion Loss

IL (Insertion Loss) è l’efficienza globale della barriera nell’attenuare il suono in un determinato punto.

E’ definito dalla differenza del livello di rumore che c’era prima dell’intervento (Ante Operam Lpb) ed il livello di rumore dopo l’intervento (Post Operam Lpa).

IL = Lpb – Lpa (dB).

 

Considerazioni

Il progetto costruttivo di una Barriera Acustica è molto complesso in quanto numerosi sono i fattori da tenere in considerazione.

La Barriera è un oggetto finito e di piccole dimensioni medie rispetto all’area del suono che l’attraversa, il suono che impatta su di essa è proporzionalmente piccolo tanto più è lontana la sorgente. Per questo motivo è bene concentrare tutta l’efficienza possibile della barriera senza dare nulla per scontato.

Il suono che scavalca la Barriera viene diffratto con i conseguenti fenomeni visti negli articoli precedenti.

Il grado di attenuazione della barriera, da non confondere con IL, è dato dalla seguente formula:

20191219_120414.jpg

dove Pbarr(f) e Pfree(f) sono gli spettri del campo di pressione sonora esistenti nello stesso punto in presenza della barriera ed in assenza della stessa.

E’ una formula abbastanza generica in quanto che vale in considerazione di una barriera di dimensioni infinite e della presenza del suolo. Mentre nella realtà la barriera presenterà dei bordi finiti.

A questo proposito va quindi aggiunta la considerazione sulla perdita di energia che si ha sui bordi, queste viene fatto attraverso delle simulazioni su software, come ad esempio il risultato in figura 4.

Fig. 4 20191219_120401.jpg

Quelli appena visti sono metodi complessi e meno utilizzati.

In generale si considera il fatto che maggiore è la distanza della sorgente rispetto al ricevitore e maggiore risulterà l’attenuazione della barriera.

Esistono quindi delle formule semplificate che garantiscono il medesimo risultato, tipo quella in figura 5.

Fig. 5 20191219_121815.jpg

N è il numero di Fresnel, δ è la differenza geometrica tra il percorso di propagazione diretta in assenza geometrica ed il minimo di percorso delle onde diffratte sopra il bordo superiore della barriera, λ è la lunghezza d’onda della frequenza considerata.

Attraverso questo valore è poi stato costruito un grafico che mostra i valori di attenuazione della barriera in funzione del numero di fresnel (fig. 6 ).

Fig. 6 20191219_121807.jpg

Questo grafico considera sorgenti puntiformi, per cui solo per frequenze con lunghezza d’onda molto più grande delle dimensioni della barriera acustica, che quindi dipende anche dalla distanza della sorgente dal ricevente.

In sintesi questo grafico mostra come e sempre in approssimazione un Barriera Acustica posso attenuare il suono massimo fino a 24 dB con una tolleranza media di +/- 1.5 dB per piccoli valori di N. Valore limite dovuto anche alle turbolenze atmosferiche.

n.b. In linea generale più la barriera è vicina al ricevente da protegge ed al contrario lontana la sorgente di rumore e più verrà preservato l’Insertion Loss, quindi efficienza di isolamento.

 

Effetti Combinati

Il suolo e la sua tipologie influisce come riflessioni sul potere fonoisolante della Barriera.

Se la barriera è costruita perfettamente aderente al suolo questo generare un ulteriore grado di isolamento acustico, mentre se ci sono piccole intercapedini questo porta spesso ad ottenere perdite di potere isolante da parte della Barriera.

La perdita di potere di una barriera non è determinata solo dai bordi superiori ma anche da quelli laterali. Costruendo barriere più lunghe come anche più alta è possibile incrementare il potere fonoisolante. La trasmissione del suono dai bordi laterali è di maggiore impatto sull’attenuazione del potere isolante dalla barriera e quindi da tenere in maggiore considerazione.

E’ stato calcolato che la lunghezza della barriera deve consentire un semi angolo visivo da parte del ricevitore verso la sorgente generante il suono al fine di avere un calo delle prestazioni di isolamento acustico < 1 dB per una barriera finita secondo il grafico in figura 7.

Fig. 7 20191219_133800.jpg

Questo grafico considera però una sorgente lineare infinita e con un ampio spettro incoerente, verso una barriera di dimensioni finita, quindi approssimativa della realtà.

E’ stato calcolato che la massa minima di una Barriera Acustica, per garantire un potere fonoisolante di IL pari al suo massimo 24 dB, deve essere non inferiore ai 20 Kg/m2, e non deve presentare buchi e fessure.

 

Agenti Atmosferici

Come accennato anche gli Agenti Atmosferici incidono in questo caso negativamente sul potere isolante della barriera. Questo è derivato dalle turbolenze dell’aria, quali vento, cambi di temperatura, inversione termica.  I più recenti software possono simularne l’effetto alle diverse condizioni.

 

Doppie Barriere

E’ sconsigliato senza opportuni accorgimenti la creazione di doppie barriere parallele, ad esempio quando è necessario installare una barriera per proteggere un ricevente da un lato della strada e la stessa in parallelo dall’altro lato della strada per il ricevente che sta nel lato opposto. Questo genera una perdita di isolamento della singola barriera dovuto alle riflessioni della barriera opposta. Questa perdita varia in funzione della distanza tra le barriere ed il loro rapporto di altezza. Per ridurre questa attenuazione si utilizzano barriere con un pannello assorbente rivolto sul lato sorgente (es. strada).

Nemmeno inclinare le barriere produce buoni effetti, in quanto che il suono riflesso dal suolo può generare problemi altrove, ricadendo ad esempio su abitazioni (riceventi) posti in altre zone, precedentemente già protette.

 

Reflection e Sound Insulation Index

Il RI (Reflection Index) è un parametro che identifica il grado di riflessione della barriera (fig. 8), se il valore è 0 significa che il materiale è assorbente, se è 1 completamente riflettente e piatto, se è superiore a 1 significa che è riflettente e non piatto.

Fig. 8 20191219_140605.jpg

L’esempio in figura 8 (quadratini vuoti) è relativo ad una barriera metallica fonoassorbente.

Il SI (Sound Insulation Index) identifica il potere fonoisolante della barriera (fig. 9).

Fig. 9 20191219_140616.jpg

Il grafico in figura 6 mostra la distribuzione del potere fonoisolante tipico di una barriera in materiale acrilico trasparente, con 2 differenti posizioni di misura, singolo pannello (quadrati pieni), più pannelli con montanti (croci), si vede chiaramente come se il montante non è ben fatto e la sua tenuta non è perfetta ci sia un degrado delle prestazioni acustiche della barriera.

 

Dispositivi Diffrattori

Esistono poi dei dispositivi costruiti appositamente per essere posti sul bordo superiore della barriera, sono dispositivi detti diffrattori in quanto hanno lo scopo di produrre un ulteriore effetto diffrattivo per aumentare il grado di isolamento della barriera sul bordo superiore (fig. 10 – 11).

Fig. 10 Inkedcomes caserta_ridimensionata_LI.jpg

Fig. 11 Inkedbarriereantirumore9_LI.jpg

In generale le forme più utilizzate come diffrattori sono le seguenti:

Fig. 12 20191219_140624.jpg

 

Diffraction Index

Il DI (Diffraction Index) è l’indice che identifica il valore di diffrazione e conseguentemente quello di isolamento della barriera acustica. E’ la differenza tra l’indice di diffrazione senza dispositivo e l’indice di diffrazione con il dispositivo.

Il guadagno di isolamento acustico che si ottiene da questi dispositivi è nell’ordine di +/- 2 dB.

 

Assorbimento Acustico del Manto Stradale

Il migliore asfalto per quanto riguarda l’attenuazione del rumore generato dai pneumatici di veicoli in movimento è quello drenante, in quanto presenta porosità.

Se l’asfalto è in buono stato si può arrivare ad un attenuazione di 3 – 5 dB(A).

Con il tempo l’accumulo di sporcizia e detriti fa calare le sue prestazioni.

Il grado di assorbimento è dato da:

  • Porosità della pavimentazione che limita l’effetto Air Pumping, che consiste in rapidi cicli di compressione e rarefazione dell’aria nelle fessure dei pneumatici.
  • Macrotessitura della pavimentazione con struttura tale da modificare le vibrazioni strutturali dei pneumatici.
  • Le riflessioni tra fondo della macchina e superficie stradale di un manto poroso contribuiscono a ridurre il rumore.
  • L’impedenza acustica di una superficie stradale porosa favorisce l’attenuazione per effetto suolo.

In figura 13 un esempio di differenza tra il livello sonoro generato da una classica tipologia di asfalto (linea continua) ed uno poroso (linea tratteggiata).

Fig. 13 20191219_145750.jpg

 

Pianificazione strutture per prevenire il rumore

Per ridurre il rumore nel corso degli anni sono state sviluppate tante tecniche, da quelle correttive per edifici già esistenti a quelle costruttive per i nuovi edifici, fino alla gestione del traffico in zone storiche, zone definite di contenimento come i centri città.

A livello di traffico sono state realizzate le zone ZTL (zone a traffico limitato), (fig. 14), che limitano non solo il rumore acustico ma anche inquinamento, e possono essere fisse oppure ad orari stabiliti.

Fig. 14 ztl-2.jpg

Per quanto riguarda le strutture correttive ad esempio per ridurre il rumore verso zone abitate, oltre alle barriere acustiche ci sono anche i Terrapieni Piantumati che sono collinette di terra generalmente con manto erboso e piante costruiti ad una determinata distanza ed altezza in relazione alla sorgente che genera rumore e abitazione da proteggere. Essendo in medio abbastanza grandi hanno bisogno di spazio e quindi destinate alle aree tipo campagne e zone periferiche delle città. Possono essere naturali utilizzando terra ed erba reali, oppure artificiali (fig. 16 ) utilizzando apposite costruzioni ricoperte poi di terra ed erba oppure lasciate ad altre tipologie di materiale in base a dove vengono costruite e lo scopo a cui sono destinate.

Fig. 15 20191219_151438.jpg

Fig. 16 terrapieni-per-strade-ed-edifici-fluttuazioni-del-livello-della-acqua-nel-terreno (3).jpg

n.b. Come già visto in altre argomentazioni anche l’inserimento di alberi e vegetazione incide sull’attenuazione del rumore.

Un altro modo per proteggere edifici dal rumore è la creazione di edifici di servizio tra la sorgente di rumore e quella da proteggere (fig. 17).

FIg. 17 20191219_151445.jpg

E’ stato anche definito un criterio per il posizionamento degli edifici rispetto alla strada, sempre al fine di ridurre l’inquinamento acustico (fig. 18 ).

Fig. 18 20191219_151458.jpg

In caso di una configurazione edile a gradoni è importante mettere vicino alla strada prima eventuali edifici commerciali e più lontano le abitazioni (fig. 19).

Fig. 19 20191219_151504.jpg

Anche la distribuzione stessa dei vani interni ad un edificio è fondamentale per abbassare il più possibile il rumore. Zona notte più lontana e protetta rispetto ad una zona giorno (Fig. 20).

Fig. 20 20191219_152440.jpg

A questo proposito alcune regola da seguire:

  • Posizionare i blocchi scala, ascensore e locali comuni (androni, depositi, ecc…) tra la sorgente rumore e le unità abitative.
  • All’interno di ciascuna unità abitativa dislocare i locali di servizio (corridoi, bagni, ripostigli, cucina) lungo il lato più esposto al rumore a protezione dei vani acusticamente più sensibili (camere da letto, soggiorni).

 

Rumore Aereo

Per ridurre il rumore aereo invece si utilizzano per lo più normative sulle tratte di volo degli aerei stessi che non devono sorvolare zone abitate sotto una certa quota, ed in aiuto ma come anche per il traffico stradale e ferroviario, si progettano folte vegetazioni di alberi e piante, che consentono cosi di riflettere ed assorbire il suono che impatta su di esse.

 

Modelli Matematici per lo studio e previsione dell’isolamento acustico

I modelli matematici sono ormai un elemento indispensabile integrato nei più svariati software di simulazione acustica. E’ quindi importante conoscerne le varie tipologie al fine di utilizzare quella che meglio soddisfa le nostre esigenze.

Senza entrare troppo nel dettaglio dei modelli matematici elenco brevemente quali sono i più utilizzati

  • MIP
  • SEA
  • FEM

Il MIP (Metodo delle Impedenze Progressive), è il modello classico ed il primo ad essere inventato, è basato sulla soluzione delle equazioni di propagazione dell’onda. E’ ancora molto utilizzato in quanto oltre a fornire dati attendibili, permette di ottenere espressioni analitiche delle grandezze in esame. Ciò rende possibile per certi tipi di materiali (soprattutto quelli porosi), la comprensione dell’azione dei singoli parametri.

Ha inoltre il vantaggio di poter essere sviluppato su tutte le bande di frequenza e di fornire espressioni matematiche dei rapporti di pressione e delle impedenze dei materiali. Presenta risultati attendibili per strutture molto omogenee, mentre ha i suoi limiti più evidenti nell’accuratezza di questi valori, non potendo tenere conto della presenza di eventuali connessioni strutturali ed il fatto che il metodo diventa pesante all’aumentare del numero degli strati.

Il SEA (Statistical Energy Analysis), è basata sull’analisi statistica delle variabili energetiche che descrivono le strutture in esame e costituisce lo strumento più affidabile ed avanzato, presentando la possibilità di analizzare i percorsi di trasmissione sonora privilegiati.

Il margine di errore rispetto agli altri due metodi è nettamente inferiore, è uno strumento flessibile ed utile in fase progettuale, ha il vantaggio di poter implementare qualsiasi tipologia di connessione strutturale unitamente alle capacità di computare i contributi alla trasmissione totale dei singoli percorsi di trasmissione sonora.

I suoi limiti sono principalmente legati alla scarsa affidabilità dei risultati al diminuire della frequenza. Per sua natura statistica non può fornire nessuna informazione sulla distribuzione spaziale delle grandezze, inoltre la relazione tra i parametri SEA e caratteristiche fisiche del sistema non è sempre facilmente identificabile.

Il FEM (Finite Element Method), è di natura prettamente numerica, è basato sulla discretizzazione delle equazioni differenziali che governano il sistema, dovuto alla scomposizione in elementi definiti da equazioni algebriche. E’ utilizzata a volte anche in collaborazione con altri modelli per il calcolo delle frequenze di risonanza o dei fattori di accoppiamento in quanto più precisa.

E’ un modello molto accurato per le analisi modali. Il suo più grande limite è la necessità di adottare un numero minimo di elementi acustici per lunghezza d’onda, per descrivere con errore contenuto la propagazione dell’onda.

Lavora meglio il bassa frequenza e peggio in alta, in quanto che richiede un numero di elementi sempre più elevate che appesantisce il processo ed aumenta il numero di errori.

In figura 21 un esempio grafico di differenza di calcolo tra il modello MIP ed il SEA.

Fig. 21 20191219_160220.jpg

La linea nera continua rappresenta il reale potere fonoisolante del pannello.

La linea tratteggiata corta è quello rilevato sperimentalmente dal MIP, mentre la linea tratteggiata lunga rilevato sperimentalmente dal SEA.

n.b. Rimando a libri di Acustica Edilizia per maggiori informazioni su quanto visto in questa serie di articoli.

 

Altro su Acustica Edilizia

Acustica Edilizia – I (Camera Anecoica, Camera Semi-Anecoica, Camera Riverberante, Assorbimento, Riflessione, Trasmissione, Rifrazione, Diffrazione, Impedenza Acustica Superficiale).

Acustica Edilizia – II (Materiali Fonoassorbenti, Materiali Fonoisolanti, Materiali Porosi, Risuonatori di Helmholtz, Pannelli Vibranti, Potere Fonoisolante di Pareti Sottili ed Omogenee, Potere Fonoisolante di Pareti Monostrato Omogenee).

Acustica Edilizia – III (Potere Fonoisolante di Pareti Monostrato Spesse e non Omogee, Pareti Doppie, Rumori Impattivi, Rigidità Dinamica, Misura del Potere Fonoisolante, Misura dell’Isolamento Acustico di Facciata, Misura del Rumore da Calpestio, Indici di Valutazione, Pareti Leggere in Lastre di Gesso Rivestite, Pareti Pesanti Monostrato, Pareti pesanti Multistrato, Pareti con Placcaggi).

Acustica Edilizia – IV (Isolamento Acustico di una Facciata, Pavimenti Galleggianti, Trasmissione del Suono per via Laterale, Aspetti Pratici, Contropareti, Pareti Composite).

Acustica Edilizia – V (Potere Fonoisolante di Vetrate e Serramenti, Dispositivi di Aerazione, Porte Insonorizzate, Controsoffitti, Isolamento Acustico, Corpi Assorbenti ed Isolanti, Trappole Acustiche, Pannelli con Assorbimento Variabile, Baffle e Bass Trap, Potere Fonoassorbente Persone).

 

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