SPERIMENTAZIONE DI NUOVI ELEMENTI IN LATERIZIO PER LA CORREZIONE ACUSTICA DI AMBIENTI INTERNI

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1 Associazione Italiana di Acustica 4 Convegno Nazionale Pisa, 7-9giugno 204 SPERIMENTAZIONE DI NUOVI ELEMENTI IN LATERIZIO PER LA CORREZIONE ACUSTICA DI AMBIENTI INTERNI Alice Fruzzetti (), Simone Secchi (2), Nicolò Zuccherini Martello (3) () Architetto libero professionista (2) Dipartimento di Ingegneria Industriale Università di Firenze (3) Dipartimento di Ingegneria Università di Ferrara. Introduzione Il cotto è un materiale ampiamente usato in Italia fin dai tempi antichi per gli elementi strutturali e per le finiture degli edifici. Ancora oggi, i rivestimenti in cotto vengono diffusamente impiegati sia per ambienti interni che per le facciate degli edifici quando si desideri attribuire particolari valenze estetiche o richiamare le forme delle architetture tradizionali. Tuttavia, le proprietà fisiche del cotto ne fanno un materiale non sempre ottimale dal punto di vista acustico, sia per la sua compattezza che per la rigidità. L esperienza presentata nella memoria riporta i risultati di uno studio eseguito in collaborazione con una importante azienda italiana produttrice di elementi in cotto (Vivaterra spa) e finalizzata a caratterizzare forma e dimensione di elementi di rivestimento per attribuire loro rilevanti caratteristiche di assorbimento acustico. Lo studio è stato condotto in una prima fase attraverso l ottimizzazione della forma di elementi già in produzione mediante l uso del software Zorba per la stima teorica del coefficiente di assorbimento acustico. Successivamente per alcuni elementi è stato misurato in laboratorio il coefficiente di assorbimento acustico. Infine è stata verificata l efficacia acustica degli elementi ideati per la correzione acustica di una piccola sala conferenze. 2. Progettazione di elementi fonoassorbenti in laterizio Le aziende produttrici di elementi in laterizio, negli ultimi anni, stanno sperimentando soluzioni innovative che prevedono l utilizzo di questo materiale nei campi più svariati. Da anni ormai, accanto alla produzione di elementi più tradizionali (tipo pianelle per pavimenti, mattoni pieni/forati, coppi e tegole, etc.) si affianca quella di lastre di basso spessore, corredate da profili metallici di supporto, da impiegare come facciate ventilate. Esistono alcune ditte produttrici di elementi fonoassorbenti in laterizio già commercializzati, che propongono prodotti modificati con fenditure o fori e l aggiunta di materiale fonoassorbente molto performante (tipo lana di roccia) che

2 viene inserito all interno delle cavità o posto dietro la lastra, a diretto contatto con essa o a una distanza stabilita: queste soluzioni conferiscono interessanti proprietà di fonoassorbimento ai componenti in laterizio [] che richiedono tuttavia un ottimizzazione basata su un analisi previsionale e di laboratorio del comportamento acustico dei prodotti. 2. Il modello di calcolo Le analisi acustiche per studiare le caratteristiche fonoassorbenti dei singoli elementi sono state eseguite utilizzando il software Zorba. Il programma analizza le prestazioni acustiche di alcuni semplici sistemi fonoassorbenti, ipotizzando l uso di materiali localmente reagenti le cui proprietà sono determinate a partire dalla resistività al flusso d aria,, che quantifica la dissipazione energetica all interno del materiale. () σ= p vd Pa s m 2 dove: p è la perdita di carico che si verifica all interno del materiale in Pa; v è la velocità del flussa d aria che attraversa il materiale in m/s; d è lo spessore del materiale in m. Tra i vari modelli di calcolo per sistemi fonoassorbenti implementati in Zorba, il più attendibile sembra essere quello proposto da Delany e Bazley nel 97[2], specifico per i materiali fibrosi quali lana di roccia e lana di vetro e basato su misure sperimentali. Il software è basato infatti sulle stesse ipotesi di partenza postulate da Delany e Bazley, che negli altri modelli sono insufficienti per ottenere previsioni attendibili: materiali localmente reagenti; materiali altamente porosi; materiali a struttura rigida. Il modello Delany-Bazley permette di calcolare l impedenza caratteristica complessa Z c e la costante di propagazione c partendo dalla densità dell aria 0, dalla velocità dell onda sonora nell aria c 0 e dalla resistività al flusso dell aria 0. Il modello è applicabile ad un certo range in frequenza, in funzione del rapporto tra la densità dell aria e la resistività al flusso d aria, perché se il rapporto f/è troppo basso decade l ipotesi di superficie localmente reagente a causa di fenomeni vibrazionali generati dall onda sonora all interno della struttura del materiale. (2) 0.0 ρ 0 f σ dove: 0 è la densità dell'aria in kg/m 3 ; f è la frequenza limite in Hz da calcolare; è la resistività al flusso d aria in Pas/m 2. 2

3 I valori di Z c e c vengono impiegati dal software per stimare con il metodo delle impedenze in serie. 2.2 I dati di input: le proprietà fisiche dei materiali In letteratura non esistono molti dati relativi ai valori di resistività al flusso d aria dei vari materiali comunemente usati come assorbitori acustici. Il motivo di questa carenza è dovuto alla difficoltà di trovare laboratori attrezzati per effettuare correttamente la misura di e dal fatto che è un valore di scarso interesse per i produttori, dato che ritengono più conveniente effettuare direttamente misure di dei loro materiali finiti [3] piuttosto che stimarlo da complessi calcoli analitici. Zorba fornisce di default alcuni valori di in funzione della tipologia di materiale scelto e della densità dello stesso. Si tratta di una approssimazione grossolana della realtà in quanto specialmente per materiali fibrosi e porosi varia notevolmente anche per diversi provini dello stesso materiale [4]. Per le simulazioni oggetto del presente studio è stato scelto un valore di per lana di roccia di densità =80 kg/m 3 pari a: (3) Pa s/m 2 Per l aria è stato inserito 40 Pas/m 2. Dal ipotizzato sono stati ricavati, mediante la (2), i limiti in frequenza per l applicabilità del modello di calcolo, considerando la densità dell aria a 20 C, 0 =.205 kg/m 3 : (4) Limite inferiore: [Hz] (5) Limite superiore: 3535 [Hz] Il limite superiore è praticamente ininfluente. 2.3 I dati di input: la geometria dei pannelli La progettazione delle lastre in cotto fonoassorbenti parte dalla modifica di alcuni elementi prodotti da Palagio Engineering (Vivaterra spa), in modo tale da creare meccanismi di fonoassorbimento di sistemi misti costituiti dal risonatore di Helmholtz abbinato a materiale fonoassorbente, quale fibra di poliestere o lana di roccia. Le modifiche geometriche progettate sugli elementi si suddividono nelle seguenti tipologie, applicate di volta in volta ai vari prodotti: fenditure da 8 mm; fenditure longitudinali da 4 mm; fenditure trasversali da 4 mm; fori con diametro da 2 mm; fori con diametro da 5 mm; fori con diametro da 20 mm. 3

4 Le lastre studiate si suddividono in due categorie: lastre monostrato, caratterizzate da uno spessore ridotto di 6 mm; lastre con spessore variabile da 40 a 50 mm, con intercapedini longitudinali alla lastra stessa. Il software usato è in grado di analizzare vari sistemi fonoassorbenti comunemente usati, quali pannelli rigidi con fori o fenditure di varie forme e dimensioni, posti davanti a differenti combinazioni di materiali fonoassorbenti e aria, variabili in spessore e resistività al flusso d aria. Non si può considerare l esistenza di molte cavità divise da setti rigidi all interno dell elemento, ipotizzando l esistenza di una unica: è necessario quindi assimilare la struttura reale ad una equivalente senza lo spessore dei setti, che non partecipano al fenomeno di assorbimento acustico (Fig. ). Figura : situazione reale e rispettivo modello equivalente Per lo stesso motivo non è possibile considerare le dimensioni finite degli elementi studiati, quindi è stato necessario ponderare il valore di ottenuto con il software, per ogni frequenza, rispetto alla superficie affettivamente assorbente di ogni elemento. Questa valutazione è stata considerata sia per la sezione dell elemento che per l intera lunghezza (sempre Fig. ). Tabella : esempio di ponderazione dei valori di (ottenuti dal software) rispetto alla superficie effettivamente fonoassorbente della lastra. Tabella di esempio riferita alla Figura. Prototipo C A abs /A tot = (220/290)(0/90)=0.7 Hz k.25k.6k 2k 2.5k 3.5k 4k (A abs /A tot ) A causa dei limiti del modello Delany-Bazley e per le approssimazioni geometriche applicate per questo studio, il software ha permesso di confrontare più soluzioni differenti, stimate dalle stesse ipotesi di partenza, agevolando la scelta dei tre prototipi realizzati e successivamente testati in laboratorio. 4

5 3. I risultati delle prove in laboratorio Dall analisi preliminare è stato possibile scegliere i tre prototipi che presentavano le migliori caratteristiche di assorbimento acustico in relazione alla facilità di realizzazione (Fig. 2): PROTOTIPO A: lastra monostrato di spessore di 6 mm, di dimensioni b594h294 mm con fenditure orizzontali da 4 mm, posta davanti ad una intercapedine d aria di 37 mm seguita da uno strato di 50 mm di lana di roccia di densità =80 kg/m 3 ; PROTOTIPO B: lastra monostrato di spessore di 6 mm, di dimensioni b594h294 mm con fenditure orizzontali da 4 mm, posta davanti ad una intercapedine d aria di 37 mm seguita da uno strato di 00 mm di lana di roccia di densità =80 kg/m 3 ; PROTOTIPO C: lastra di spessore di 50 mm, di dimensioni b90h30 mm con fenditure orizzontali da 4 mm sulla faccia anteriore e con le intercapedini longitudinali riempite con lana di roccia di densità =80 kg/m 3. Figura 2: dimensioni dei prototipi realizzati e sottoposti a misura di a in laboratorio secondo UNI EN ISO 354 [3]. I valori previsionali ottenuti per sono stati quindi confrontati i valori misurati in laboratorio (figure 3, 4 e 5). Tutte le misure sono state eseguite in un laboratorio di acustica che rispetta gli standard previsti dalla norma UNI EN ISO 354 [3]. Figura 3: Prototipo C (a sinistra) e di tipo A e B (a destra) in laboratorio. 5

6 .4.2 Misura LAB Software Frequenza [Hz] Figura 4: Confronto tra valori da calcolo e valori misurati di per il prototipo A..4.2 Misura LAB Software Frequenza [Hz] Figura 5: Confronto tra valori da calcolo e valori misurati di per il prototipo B..4.2 Misura LAB Software Frequenza [Hz] Figura 6: Confronto tra valori da calcolo e valori misurati di per il prototipo C. 6

7 Nei tre casi è evidente un deciso scostamento delle curve di stimate rispetto a quelle ottenute dalle misure in laboratorio. In primo luogo questo fatto è imputabile alle forzature imposte dal software già descritte nei paragrafi 2. e 2.2, ma probabilmente anche ad alcuni aspetti della procedura seguita per le misurazioni ed in particolare: i giunti tra i singoli elementi in prova non sono stati adeguatamente schermati per evitare gli effetti di bordo; il perimetro fonoassorbente dei prototipi non è stato schermato con una cornice acusticamente riflettente. Nel prototipo di tipo C è riscontrabile una ulteriore discrepanza tra l elemento progettato e quello effettivamente realizzato: è stato infatti praticamente impossibile riempire totalmente con la lana di roccia le intercapedini longitudinali che hanno mantenuto pertanto un perimetro di aria dello spessore di circa mm ai bordi. In definitiva la quantità di materiale fonoassorbente nella realtà è ridotta di circa il 0% rispetto a quanto previsto durante la simulazione. 4. Applicazione pratica dei prototipi realizzati Nonostante le sopra citate approssimazioni di stima e di misurazione i laboratorio, un applicazione pratica dei prototipi realizzati conferma la loro efficacia come assorbitori acustici. La sala conferenze della sede di Palagio Engineering presentava evidenti problematiche acustiche a causa della presenza di materiali molto riflettenti. Da misure effettuate nella sala era stato riscontrato un tempo di riverberazione mediamente alto (RT medio = 2,80 secondi), in particolare alle basse frequenze. L applicazione di 54 prototipi di tipo B (circa 9.7 m 2 ) e 8 prototipi di tipo C (circa 6.7 m 2 ), hanno portato ad un evidente miglioramento, raggiungendo un tempo di riverberazione medio di,68 secondi. I 6.4 m 2 di elementi fonoassorbenti in laterizio sono stati applicati come rivestimento di una delle due pareti minori della sala, (Fig.3). Figura 7: pianta della sala conferenze di Palagio Engineering. 7

8 RT [s] 5 4 RT misurato. Ante operam RT misurato. Post operam DM Frequenza [Hz] Figura 8: Andamento del tempo di riverbero nella sala misurato prima dell intervento e dopo l intervento con l indicazione del DM per RT ottimale per le aule scolastiche [5]. 5. Conclusioni Lo studio dimostra la possibilità di caratterizzare il cotto con proprietà fonoassorbenti, che per sua natura non avrebbe, con risultati soddisfacenti e con costi piuttosto contenuti. La realizzazione di alcuni prototipi dei quali è stato misurato il coefficiente di fonoassorbimento in camera riverberante ha dimostrato la loro fattibilità tecnica ed economica dal punto di vista della produzione. L applicazione dei prototipi in una sala conferenze ne ha confermato l efficacia come assorbitori acustici. 6. Bibliografia [] S. Baldini, R. Gulino, S. Secchi, L uso del laterizio per la correzione acustica degli ambienti, Costruire in Laterizio, 46 (Marzo/Aprile 202), pp [2] M. E. Delany, E. N. Bazley, Acoustics properties of fibrous absorbent materials, Applied Acoustics, 3 (97), pp [3] UNI EN ISO , Acustica - Misura dell assorbimento acustico in camera riverberante. [4] Pompoli F., Bonfiglio P., Indagine sperimentale sulle proprietà acustiche di materiali poliuretanici a cella aperta, in Atti del 33 Convegno Nazionale Associazione Italiana di Acustica, Ischia,0-2 maggio [5] Decreto Ministeriale 8 dicembre 975, Norme tecniche aggiornate relative all'edilizia scolastica, ivi compresi gli indici di funzionalità didattica, edilizia ed urbanistica, da osservarsi nella esecuzione di opere di edilizia scolastica. Gazzetta Ufficiale della Repubblica Italiana, Serie generale n. 338, 3/2/977. 8