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Modelo computacional com interface gráfica para análise de perda na transmissão sonora em painéis de fechamento simples e duplos
Tipologia: Teses (TCC)
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2018
Escola de Minas Programa de Pós-Graduação em Construção Metálica Mestrado Profissional em Construção Metálica (MECOM)
Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Civil Programa de Pós-Graduação em Construção Metálica Mestrado Profissional em Construção Metálica - MECOM
Ouro Preto, Dezembro de 2018.
Structured steel constructions are designed to offer minimal conditions of comfort to the human, associated with lighting, thermal behavior and attenuation of external noise. Problems arising from poor acoustic performance are complex and when not considered in project design, need costly corrective approaches. Improvements are obtained by applying, during the design phase, concepts and technologies aimed at balancing thermal and acoustic comfort. The industrialized closure systems applied to structured steel buildings have their acoustic parameters difficult to characterize, since this requires standardized procedures and specific laboratories. However, the knowledge of the acoustic performance of the closing systems assists in the proper choice of the closing material used in the construction and this performance can be verified by the loss in the sound transmission provided by the closing system. In this context, the objective of this work is to elaborate a computational model in JAVA language with graphic interface, which seeks adequate interaction with the user, to determine the loss in sound transmission as a function of frequency in industrialized closing panels. The modeling is based on the Law of mass and a graphic method, applied in simple and double industrialized panels, with and without sound absorbers between the plates that make up the double panels, allowing the simple and rapid analysis of the acoustic behavior of the closing system. The developed software allows the user to insert new materials, prepare test configurations, plot the individual or multiple analyzes for comparison. In addition to generating a report with the data and results of the analysis. The validation of the computational model is quantitative, comparing the results with published works that analyzed the acoustic performance based on loss in sound transmission, whether analytical, numerical or experimental. In general, the software presents results with a difference of less than 0.5% and 1.5% for the law of mass and graphical method applied in simple panels. In the double panels, for all analyzed configurations, it presents less than 1.5% of difference, when compared with values of other works, making possible its use in the analysis of single and double closing panels, due to loss in sound transmission.
Keywords: Steel construction. Closing panels. Sound transmission loss. Sound absorption.. Computational model.
Figura 1. Material fibroso (a); Material poroso (b). ................................................................. 19 Figura 2: Alternativa para colocação de material fonoabsorvente ........................................... 20 Figura 3: Caminhos de transmissão sonora entre duas salas adjacentes .................................. 21 Figura 4: Esquema de transmissão através de paredes simples ................................................ 22 Figura 5: Curva típica de perda na transmissão sonora ............................................................ 23 Figura 6: Fenômeno da coincidência ........................................................................................ 25 Figura 7: Gráfico para determinação da frequência crítica de painéis ..................................... 27 Figura 8: Acoplamento do campo acústico no ar com o movimento de flexão do painel: f<fc (a) e para f≥fc (b) ...................................................................................................................... 28 Figura 9: Estimativa da perda na transmissão sonora em painéis isotrópicos .......................... 29 Figura 10: Estimativa da perda na transmissão sonora em painéis ortotrópicos ...................... 30 Figura 11: Esquema de transmissão sonora através de paredes duplas .................................... 31 Figura 12: PT média em paredes duplas com distâncias diferentes entre painéis montados em caibros ....................................................................................................................................... 32 Figura 13: (a) Painéis fixados em perfis metálicos por meio de barras resilientes; (b) Detalhes da fixação do painel em caibro por meio da barra resiliente. ................................................... 33 Figura 14: Gráfico para estimativa da PT em paredes duplas com painéis fixados no mesmo caibro ou perfil metálico ........................................................................................................... 34 Figura 15: Painel simples (a); Painel duplo sem absorvedor (b); Painel duplo com absorvedor sonoro (c) .................................................................................................................................. 41 Figura 16: Fluxograma para determinação da perda na transmissão sonora em painéis simples pela Lei da massa...................................................................................................................... 42 Figura 17: Fluxograma para determinar a perda na transmissão sonora em painéis simples pelo Método gráfico.................................................................................................................. 43 Figura 18: Fluxograma para determinar a perda na transmissão sonora em painéis duplos pelo Método gráfico ......................................................................................................................... 44 Figura 19: Interface principal – PERDA NA TRANSMISSÃO SONORA............................. 48 Figura 20: Interface secundária para selecionar os materiais ................................................... 49 Figura 21: Perda na transmissão sonora pela Lei da massa para PLC(100), GEA(12,5) e ATC(150) ................................................................................................................................. 54 Figura 22: Perda na transmissão sonora pelo Método gráfico aplicado aos painéis PLC(100), GEA(12,5) e ATC(150) ............................................................................................................ 55 Figura 23: Perda na transmissão sonora do painel duplo de materiais iguais, sem absorvedor sonoro: PLC(12)-ar(90)-PLC(12) ..................................................................................... 57 Figura 24: Perda na transmissão sonora do painel duplo de materiais iguais com absorvedor sonoro: PLC(12)-LVI(50)-ar(40)-PLC(12) ........................................................................ 59
Tabela 1: Fatores de amortecimento internos típicos de materiais estruturais, à temperatura ambiente, em movimento vibratório de pequena amplitude e frequências na faixa de áudio .. 30 Tabela 2: Nível de critério de avaliação NCA para ambientes externos, em dB(A) ................ 36 Tabela 3: Níveis de ruído para conforto acústico em alguns ambientes internos, em dB(A) .. 36 Tabela 4: Materiais utilizados nos painéis avaliados................................................................ 49 Tabela 5: Configurações de painéis duplos com painéis iguais sem absorvedor ..................... 50 Tabela 6: Configurações de painéis duplos com painéis iguais com absorvedor..................... 50 Tabela 7: Configurações de painéis duplos com painéis diferentes sem absorvedor ............... 51 Tabela 8: Configurações de painéis duplos com painéis iguais sem absorvedor ..................... 51 Tabela 9: Valores da perda na transmissão sonora em painéis simples pela Lei da Massa, utilizados na validação do software .......................................................................................... 52 Tabela 10: Resultados da perda na transmissão sonora em painéis simples pela Lei da Massa, obtidos pelo software ................................................................................................................ 53 Tabela 11: Valores da perda na transmissão sonora em painéis simples pelo Método gráfico, utilizados na validação do software .......................................................................................... 54 Tabela 12: Resultados da perda na transmissão sonora em painéis simples pelo Método gráfico, obtidos pelo software .................................................................................................. 55 Tabela 13: Valores da perda na transmissão sonora em painéis duplos com materiais iguais e sem absorvedor - Frequências em Hertz (Hz) e as perdas na transmissão sonora em (dB). .... 56 Tabela 14: Resultados obtidos da perda na transmissão sonora em painéis duplos com materiais iguais e sem absorvedor sonoro - Frequências em Hertz (Hz) e as perdas na transmissão sonora em (dB). .................................................................................................... 57 Tabela 15: Valores da perda na transmissão sonora em painéis duplos com materiais iguais com absorvedor sonoro - Frequências em Hertz (Hz) e as perdas na transmissão sonora em (dB). .......................................................................................................................................... 58 Tabela 16: Resultados obtidos da perda na transmissão sonora em painéis duplos com materiais iguais e absorvedor sonoro - Frequências em Hertz (Hz) e as perdas na transmissão sonora em (dB). ........................................................................................................................ 58 Tabela 17: Valores da perda na transmissão sonora em painéis duplos com materiais diferentes, sem absorvedor sonoro - Frequências em Hertz (Hz) e as perdas na transmissão sonora em (dB). ........................................................................................................................ 60 Tabela 18: Resultados obtidos da perda na transmissão sonora em painéis duplos com materiais diferentes, sem absorvedor sonoro - Frequências em Hertz (Hz) e as perdas na transmissão sonora em (dB). .................................................................................................... 60 Tabela 19: Valores da perda na transmissão sonora em painéis duplos com materiais diferentes, com absorvedor sonoro - Frequências em Hertz (Hz) e as perdas na transmissão sonora em (dB). ........................................................................................................................ 61 Tabela 20: Resultados obtidos da perda na transmissão sonora em painéis duplos com materiais diferentes, com absorvedor sonoro - Frequências em Hertz (Hz) e as perdas na transmissão sonora em (dB). .................................................................................................... 61
No Brasil tem ocorrido um aumento da demanda na construção civil, principalmente de edifícios estruturados em aço. O estudo do desempenho acústico se faz necessário devido à preocupação com o conforto ambiental do homem. Quando o nível acústico recomendado não é respeitado, o usuário é prejudicado pelo ruído externo, causando transtornos e reclamações. Os ruídos dentro de uma edificação são percebidos pelo seu usuário devido a alguns fatores, tais como: pouca isolação acústica, vibrações transmitidas pelas estruturas, equipamentos eletrônicos ruidosos, localização das edificações, falta de tratamento adequado, redução de custos, entre outros (SANTOS NETO, 2006).
Alguns problemas são potencializados de acordo com a magnitude do ruído. Mesmo em níveis que não prejudiquem o sistema auditivo, algumas doenças podem ser desenvolvidas pela exposição ao ruído, como doenças cardiovasculares, estresse, distúrbios psicológicos, entre outras. Existe a preocupação com a estética das fachadas dos edifícios, mas além da arte e beleza, há também precauções com as características acústicas, procurando-se aplicar fechamentos que conferem isolamento acústico a ruídos externos. A mesma preocupação se tem com o ruído proveniente do interior de ambientes, que se propaga entre os diferentes compartimentos, necessitando de uma atenção maior onde requisitos como bem-estar, capacidade de concentração e inteligibilidade da palavra devem ser garantidos, principalmente em locais como hospitais, escolas, teatros, cinemas, entre outros (ROCHA, 2014).
Os fechamentos industrializados utilizados em construções estruturadas em aço tendem a ser mais leves e de montagem rápida, porém a capacidade de isolamento acústico deve ser avaliada. Além do desempenho acústico, considera-se também o desempenho térmico e a resistência estrutural do painel, o que pode resultar em menor capacidade de isolamento acústico, diminuindo as condições de conforto (SALES, 2001).
Assim, as propriedades térmicas e acústicas dos materiais podem apresentar comportamentos contraditórios, pois muitos materiais que possuem boas características acústicas, com boa isolação sonora, têm baixa resistência térmica. É desejável que o material de fechamento tenha um equilíbrio entre essas duas características, proporcionando maiores condições de conforto térmico e acústico (CITHERLET; MACDONALD, 2003 apud RIBAS, 2013).
Nos projetos de edifícios deve-se considerar o conforto acústico. Para isso recomenda-se respeitar os requisitos acústicos impostos pela norma da Associação Brasileira de Normas
Técnicas - NBR 15575 (ABNT, 2013). Esse regulamento visa à melhoria das condições acústicas não só da envolvente do edifício, como também do seu interior.
A norma NBR 15575 (ABNT, 2013) estabelece que uma edificação deve apresentar isolamento acústico adequado dos sistemas de fechamento externos, no que se refere aos ruídos aéreos e ruídos gerados por impactos ou equipamentos, que sejam provenientes do exterior e entre ambientes no interior da edificação.
1.1 Objetivos
O objetivo geral do trabalho é elaborar um modelo computacional com interface gráfica para uma melhor interação com o usuário, para a determinação da perda na transmissão sonora em função da frequência, com a finalidade de avaliar e comparar o desempenho acústico de painéis de fechamentos utilizados na construção civil.
Os objetivos específicos são:
i. Elaborar um modelo computacional em Java, visando: a. Fazer um levantamento dos principais sistemas de painéis industriais utilizados no mercado; b. Avaliar a perda de transmissão (PT) de forma simplificada, a partir da Lei da massa e do Método gráfico; c. Elaborar o modelo de forma sistemática, com boa interação com o usuário; d. Possibilitar a inserção de novos materiais na lista de cadastro; e. Plotar gráficos para a análise da perda na transmissão sonora; f. Emitir relatórios ao final da análise; ii. Fazer um levantamento de trabalhos relevantes relacionados à análise da perda na transmissão sonora em fechamentos industrializados; iii. Validar o modelo computacional de forma quantitativa.
1.2 Justificativa
Na atualidade, edificações devem abordar em seus projetos conceitos relacionados a ruídos e vibrações, pois são problemas comuns. O som pode ser transmitido tanto pelo ar como pela estrutura, causando desconforto para os usuários, que são cada vez mais exigentes, desejando maior privacidade e conforto acústico em suas residências (SANTOS NETO, 2006).
1.3 Estrutura do trabalho
Para facilitar o entendimento da pesquisa, este trabalho está organizado em cinco capítulos. Neste primeiro capítulo são feitas algumas considerações sobre o desempenho acústico de edificações estruturadas em aço. Aborda ainda os objetivos e a justificativa da pesquisa.
No capitulo 2 é feita uma revisão bibliográfica sobre os conceitos básicos de acústica, parâmetros acústicos utilizados e as normas brasileiras sobre acústica, bem como uma abordagem sobre perda na transmissão sonora em painéis simples e duplos. Apresenta ainda os materiais de fechamentos empregados na construção civil, além de estudos relevantes na área da acústica no quesito perda na transmissão sonora em fechamentos.
No capitulo 3 é mostrado o procedimento metodológico aplicado na pesquisa para atender os objetivos propostos, contemplando o equacionamento para obter a perda na transmissão sonora pelos métodos simplificados da Lei da massa e Método gráfico, aplicados nos painéis simples e duplos. Mostra-se também como o equacionamento é inserido no modelo computacional e como é realizada a validação do software desenvolvido.
No capitulo 4 apresentam-se os resultados da perda na transmissão sonora entre outros dados relevantes para a análise do conforto acústico. Esses dados são referentes aos materiais utilizados na validação do modelo, abordados no capítulo 3. Os resultados gerados são analisados e comparados com outras pesquisas.
No capitulo 5 relatam-se as conclusões do trabalho e são feitas sugestões para trabalhos futuros. Em seguida, são mostradas as referências utilizadas na pesquisa e os apêndices.
2.1 Acústica
O sistema auditivo do ser humano é responsável por perceber o som, que quando é indesejado é classificado como ruído. Os sons percebidos são vibrações das partículas do ar que se propagam a partir de estruturas vibrantes como autofalantes, tambores, entre outros. Os sons são gerados de forma adequada e harmônica a partir de fontes vibrantes, o que não ocorre com os ruídos. Mesmo sendo indesejáveis, os ruídos podem ser processados e analisados como solução ou detecção de um problema, no funcionamento de máquinas, por exemplo (GOMES, 2015).
O sistema auditivo percebe o som pela variação de pressão. Ao nível do mar, a uma pressão de 101.350 Pa (1 atm), a variação percebida da pressão ambiente é da ordem de 2 x 10-5^ Pa, valor que determina a limiar da audição. O limiar da dor é determinado como sendo a variação da pressão entre 20 a 200 Pa. Teoricamente, para obter uma mesma variação do limiar da audição e limiar da dor, é necessária uma variação da altitude de 0,17 μm e 83 m respectivamente (BISTAFA, 2011).
Para que o ser humano identifique o som, a propagação depende de um meio com inércia e elasticidade. A energia sonora se propaga rapidamente, podendo viajar longas distâncias, produzindo mudanças extremamente pequenas na pressão atmosférica (SOUZA; ALMEIDA; BRAGANÇA, 2012).
A frequência de um determinado som a uma variação da pressão ambiente cíclica é obtida por meio do período (T) e da amplitude (A), quando maiores do que o limiar da audição. Aplicando o inverso do período (T) obtém-se a frequência () (BISTAFA, 2011; Eq. 1).
= ( ) (1)
Sendo f a frequência do som; T o período (m).
Os sons graves e agudos são percebidos a baixa e alta frequência respectivamente. O ser humano consegue perceber o som na faixa de frequência de 20 a 20 kHz. A variação da pressão ambiente denominada de pressão sonora ( ) em função do tempo é determinada pela Eq. 2 que descreve o comportamento temporal da pressão sonora.
( ) = cos( ) () (2)
Ondas planas não são representativas para os sons que são percebidos pelo ser humano. As ondas representativas são ondas esféricas, em que a amplitude diminui com o aumento da
representa a propagação de ondas esféricas.
((, ) = )* cos( − ( + %) (7)
Sendo A amplitude da pressão sonora na superfície da esfera pulsante (m); r o raio da esfera (m); ω a frequência angular (rad/s); t o tempo (s); k o numero de onda; ϕ o ângulo de fase.
Ondas sonoras apresentam perdas de energia quando atravessam um obstáculo. Parte da energia incidente, gerada pela fonte sonora, é refletida, transmitida e/ou absorvida (GOMES, 2015).
2.1.2 Intensidade sonora
A quantidade média temporal da energia sonora que se desloca por uma área unitária normal à direção de propagação da onda é chamada de intensidade sonora (I). A intensidade sonora de ondas esféricas com distância ( da esfera pulsante é representada pela Eq. 8 (GERGES, 2000).
.* = /
) (^1) * 02 3 /^
4 502 (8)
Sendo A/r² a amplitude da pressão sonora à distância ( da esfera pulsante (m); ;< a característica do meio de propagação (kg/(m².s)); ; a massa específica do meio de propagação ( @/ ³); < a velocidade de propagação da onda no material ( /B).
Em termos de valor eficaz da pressão sonora, a expressão é descrita pela Eq. 9.
.* = CDEFGHI
0 3 /^
4 502 (9)
distância ( da esfera pulsante (BISTAFA, 2011).
2.1.3 Potência sonora
Segundo Bistafa (2011), a potência sonora pode ser obtida pela multiplicação da intensidade sonora a uma distância r da esfera pulsante, versus área da esfera pulsante (4πr²). A expressão da potência sonora é dada pela Eq.10.
Q = .* .4( ^ (R) (10)
Sendo w a potência sonora ( W ); Ir à intensidade sonora ( W/m^2 ); r o raio da esfera (m).
A relação entre a potência, intensidade e pressão sonora de ondas esféricas pode ser visualizada na Eq.11. Obtida a partir das equações 9 e 10.
.* = (^) T S* 0 = CDEFGHI
0 3 (11)
A Lei do inverso do quadrado da distância pode ser observada na Eq.11, onde a potência sonora (R), a intensidade sonora (I) e o quadrado do valor eficaz da pressão sonora são inversamente proporcionais ao quadrado da distância (BISTAFA, 2011).
2.1.4 Absorção sonora
O controle do ruído em um ambiente é realizado por meio da capacidade de absorção sonora dos materiais que são utilizados como fechamento ou isolamento. A perda de energia sonora do material indica sua capacidade de absorção, que depende de algumas propriedades físicas do material, tais como: estrutura (material fibroso ou poroso) e densidade (GERGES, 2000).
Segundo Flach (2012), os materiais fibrosos e porosos são utilizados como absorvedores acústicos e devido a suas cavidades são bons materiais acústicos. Os materiais fibrosos são constituídos por fibras cruzadas, e os porosos são compostos por inúmeros poros vazios de ar.
Ainda segundo esse autor, os materiais porosos e fibrosos fazem com que a energia acústica incidente seja dissipada em calor devido ao condicionamento de ar, perdas de escoamento dentro do material e perdas pelo atrito interno das fibras. O coeficiente de absorção sonora (α) está diretamente relacionado ao tamanho, à forma, à densidade e às fibras que constituem o material.
Materiais absorventes são então tipicamente fibrosos ou porosos, não apresentam características estruturais e são mais leves (Figura 1). A absorção sonora é uma característica especifica de cada material.
