Richiami Teorici sulle barriere acustiche

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1 Le barriere acustiche rappresentano la soluzione più comune per la riduzione del rumore immesso da infrastrutture di trasporto verso i ricettori presenti nell area di territorio disturbata. Tali opere costituiscono il tipo di intervento diretto alla riduzione dell energia sonora del suono che si propaga per via aera dalla strada, ferrovia, etc. verso i ricettori (situazione schematizzata in Fig. 1). Fig. 1 - sezione stradale con barriera acustica Il progetto della barriera è definito dalle caratteristiche dimensionali (sviluppi in altezza, lunghezza e forma) e fisiche (materiali costituenti i pannelli) degli elementi che devono essere individuati in modo da ottimizzarne l efficacia. SAN PAOLO_RODOANEL

2 L attenuazione prodotta dall inserimento della barriera è dovuto alla propagazione aerea ed è correlata ai meccanismi fisici di trasmissione e diffrazione del raggio sonoro. Si hanno dunque due contributi essenziali: 1. Attenuazione per diffrazione: l'aliquota di energia sonora che scavalca la barriera, o che passa ai suoi lati, è quantificabile considerando fattori come le dimensioni fisiche della barriera (altezza rispetto al piano stradale, distanza dalla sorgente, distanza dal punto di ricezione, altezza del punto di ricezione rispetto al piano stradale, spessore della barriera) mentre è sostanzialmente indipendente dalle caratteristiche acustiche di isolamento. 2. Attenuazione per trasmissione: l'aliquota di energia sonora che attraversa la barriera acustica è anch'essa calcolabile, note le caratteristiche di isolamento acustico dei pannelli. In genere questo valore nel calcolo dell attenuazione complessiva della barriera è trascurabile. SAN PAOLO_RODOANEL

3 I calcoli dei contributi all attenuazione complessiva si riferiscono sempre a condizioni meteorologiche standard, e cioè assenza di vento ed assenza di gradienti termici con l'altezza. La differenza dei livelli sonori rilevabili in un punto, con e senza barriera acustica, in presenza di terreno riflettente, è indicata come perdita di inserzione IL (ovvero attenuazione prodotta dalla barriera) ed è il termine che definisce e quantifica l'abbattimento del rumore prodotto dalla barriera stessa. Att. = IL = L eq, b Leq, g dove L eq,b è il livello di pressione sonora con la barriera e l effetto del terreno presente L eq,g è il livello di pressione sonora dovuto all effetto del solo terreno senza la barriera trascurabile. SAN PAOLO_RODOANEL

4 In generale per uno schermo finito vale la relazione, con riferimento alla Fig. 2 ILa ILb ILc IL = 10 log dove i singoli contributi rappresentano la frazione di energia sonora diffratta dal bordo superiore (raggio sonoro a) e dai bordi laterali della barriera (raggi Att. = IL = L b eq g sonori b e c) eq, L, Fig. 2 - Raggi sonori diffratti da uno schermo di lunghezza finita

5 Schematicamente, come detto, la barriera acustica è un ostacolo fisico alla propagazione del rumore dalla sorgente S al punto di ricezione R (Fig. 3). b b R S a α a Fig. 3 Principio fisico di funzionamento di una barriera acustica Il raggio diretto a S R risulta fortemente attenuato dall isolamento acustico del pannello che costituisce la barriera. Si genera un secondo percorso b b per diffrazione del bordo superiore della barriera che raggiunge il ricettore R. Più ampio è l angolo α più attenuato è il raggio diffratto dal bordo superiore e dai bordi laterali della barriera acustica

6 Dal punto di vista fisico è immediata la riduzione del raggio diretto a, è sufficiente che la barriera acustica abbia una massa adeguata. E difficile, invece, ridurre il raggio diffratto b in quanto la legge di diffrazione di Fresnel impone precise regole all energia sonora diffratta. Infatti, il Numero di Fresnel N definisce l attenuazione della barriera ed è funzione della differenza di cammino del raggio sonoro diffratto e del raggio sonoro diretto. Il calcolo dei singoli contributi di attenuazione introdotti dalla barriera (bordo superiore e laterale) è quindi correlato direttamente con il numero N di Fresnel; si osserva, infine, che più grande è la lunghezza d onda maggiore è l entità dell energia sonora diffratta. In letteratura sono disponibili numerosi modelli analitici ed empirici che descrivono tale relazione. I metodi di calcolo dell attenuazione di una barriera acustica sono: 1. Approccio semplificato per la stima dell attenuazione Grafici di Maekawa 2. Formula di Kurze Anderson 3. Norma ISO 9613

7 Confronto tra risultati forniti dai metodi per la stima dell attenuazione della barriera Si calcola l abbattimento di rumore mediante barriera acustica con i tre metodi descritti secondo le ipotesi barriera avente lunghezza infinita barriera sottile barriera con coefficiente di trasmissione infinito sorgente puntiforme terreno con riflessione nulla Le caratteristiche geometriche sono le seguenti h S : Altezza della sorgente, in metri 0,5 d S : Distanza della sorgente dalla barriera, in metri h R : Altezza del ricevitore, in metri 1,5 d R : Distanza del ricevitore dalla barriera, in metri h B : Altezza della barriera, in metri

8 Confronto tra risultati forniti dai metodi per la stima dell attenuazione della barriera 30 Perdita di inserzione DL (Kurze - Anderson) DL (Yamamoto - Takagi) (iii) DL (ISO ) 25 Attenuazione [db] Frequenza [Hz]

9 Confronto tra risultati forniti dai metodi per la stima dell attenuazione della barriera Perdita di inserzione Kurze - Anderson Yamamoto - Takagi [Hz] [db] [db] [db] Frequenza ISO I metodi Kurze Anderson e Maekawa in pratica coincidono. Il risultato prodotto dalla ISO sottostima l attenuazione su tutta la banda di frequenze di un entità pari a circa 3 db. Si osserva che il dimensionamento ed il calcolo delle barriere deve tenere conto dello spettro del rumore del traffico in quanto le attenuazioni sono in funzione della frequenza.

10 Nomogrammi per il calcolo delle barriere Si determinano grafici di aiuto al progetto preliminare di una barriera acustica, poste le seguenti condizioni Il coefficiente di trasmissione della barriera acustica è infinito, ovvero non si valuta il contributo del raggio sonoro che attraversa la barriera Non si calcolano i contributi dovuti alla riflessione del terreno, considerato assorbente e le attenuazioni dovute a fattori meteorologici nella propagazione atmosferica Sono considerati i seguenti casi Caso di studio 1: barriera infinitamente lunga, non si valuta il contributo prodotto dalla diffrazione ai bordi laterali della barriera Caso di studio 2: barriera infinitamente alta, non si valuta il contributo prodotto dalla diffrazione al bordo superiore della barriera

11 Lo schema di riferimento è riportato nella figura di seguito d SB d BR R S d SR Schema di riferimento per il calcolo dell attenuazione prodotta dall inserimento della barriera Ove si definiscono le seguenti grandezze Sorgente S Barriera B h S : Altezza, in metri d S : Distanza dalla barriera, in metri h B : Altezza, in metri Ricevitore R h R : Altezza, in metri d R : Distanza dalla barriera, in metri

12 d S B d R S h B Attenuazione prodotta da barrirera h B = 5 m, d s = 10 m Attenuazione per differenti distanze del ricettore (Alt. sorgente d S = 0,5 m - alt. barriera h B =5m) 12 d R = 100 m d R = 50 m 9 R Piano fuori terra d R = 20 m d R = 10 m Attenuazione [db]

13 Attenuazione per differenti altezze del ricettore (Alt. sorgente d S = 0,5 m - distanza ricettore d R = 20 m) d R h B 6 piano S B 3 piano 1 piano Si determinano le attenuazioni prodotte dalle barriere per differenti altezze A titolo di esempio, per ridurre il livello di 5 db occorre: una barriera alta circa 2,5m per il 1 piano una barriera alta circa 3,5m per il 3 piano una barriera alta circa 6,5m per il 6 piano Attenuazione [db] Attenuazione prodotta da una barriera piana sottile ( d S = 10 m, d R = 20 m) (Alt. 4 m - 1o piano) (Alt. 10 m - 3o piano) (Alt. 19 m - 6o piano) Altezza barriera [m]

14 d R h B 6 piano B 3 piano S 1 piano Attenuazione per differenti altezze del ricettore (Alt. sorgente d S = 0,5 m - distanza ricettore d R = 50 m) 35 Attenuazione prodotta da una barriera piana sottile ( d R = 50 m ) (Alt. 4 m - 1o piano) Si determinano le attenuazioni prodotte dalle barriere per differenti altezze. A titolo di esempio, per ridurre il livello di 5 db occorre: una barriera alta circa 1,5m per il 1 piano una barriera alta circa 3,2m per il 3 piano una barriera alta circa 5,8 m per il 6 piano Attenuazione [db] (Alt. 10 m - 3o piano) (Alt. 19 m - 6o piano) Altezza barriera [m]

15 RIFLESSA DIFFRATTA DIRETTA SORGENTE DI RUMORE BARRIERA ACUSTICA ABITAZIONE DISTURBATA La proprietà di uno schermo acustico di impedire il passaggio attraverso di esso dell energia sonora è espressa dal valore del potere fonoisolante (ricavato in campo diffuso) o dalla perdita di inserzione (ricavato per incidenza perpendicolare). La barriera acustica in pratica presenta un valore finito del potere fonoisolante per cui una aliquota di energia sonora che la attraversa si somma all energia sonora diffratta dal bordo superiore e dai bordi laterali.

16 In fase di progetto occorre calcolare, nel punto di ricezione, sia le energia sonora diffratta dai bordi della barriera stessa sia quella che la attraversa. Può definirsi potere fonoisolante limite il valore del potere fonoisolante che realizza l incremento di livello sonoro nel punto ricettore di soli 0.1 db per effetto dell aliquota di energia che attraversa lo schermo. Se si indica con LD l attenuazione dell energia sonora dovuta alla diffrazione del bordo della barriera e con LT l attenuazione dell energia sonora che attraversa la barriera, l attenuazione totale del rumore nel punto ricettore è dato dalla relazione: L= L D L 10Log T L D La scelta del valore limite di LT viene operata rendendo pari a 0.1 db il valore del secondo addendo. L attenuazione della barriera, in questo modo dipende in larghissima parte dalla diffrazione del bordo. /10

17 Questa condizione si mantiene se il valore del potere fonoisolante della barriera è superiore a LT. Si ricorda che la diffrazione è funzione della geometria del sito (distanza sorgente barriera, altezza barriera, distanza ricettore barriera, altezza ricettore etc.) e quindi dipende dai dati del progetto. Barriere che possono andare bene per alcune situazioni non sono, ad esempio, adatte per altre. Si riporta, di seguito, un caso reale di verifica di una barriera acustica alta 3 m e lunga 200 m posta al bordo di un autostrada a due corsie di marcia per carreggiata. Il ricettore è distante 42 m dalla barriera ed è alto 4 m. Si è misurato lo spettro di pressione sonora nel punto ricettore per bande di ottava. Si è calcolato lo spettro di potenza sonora apparente e da questo con le formule sopra descritte si è ricavato lo spettro del rumore a fronte del ricettore alto 4 m dal piano di campagna con e senza barriera.

18 I risultati per bande di ottava sono riportati nella seguente tabella: Frequenze Hz Senza barriera db Con barriera db potere fonoisolante minimo db A

19 Nel grafico che segue si confronta il valore del potere fonoisolante della barriera con il valore del potere fonoisolante minimo determinato per la barriera in progetto Il risultato dell esempio conferma l idoneità della barriera utilizzata per il caso in esame. Vi sono però situazioni di ricettori molto vicini al ciglio dell autostrada che subiscono elevati livelli di rumore e che, per la geometria del luogo, richiedono valori del potere fonoisolante più elevati in quanto risultano più alti i valori dell isolamento limite Potere fonoisolante R [db] potere fonoisolante minimo Barriera in metallo frequenze [Hz]