Misurazione della riduzione del rumore da impatto nei progetti di solai sostenibili

I solai leggeri sono sempre più utilizzati nella progettazione di edifici sostenibili, ma spesso risultano carenti nell'isolamento dal rumore da impatto. In questo articolo esploriamo come i rivestimenti realizzati con pneumatici fuori uso (PFU/NFU) possano migliorare le prestazioni acustiche riducendo al contempo i rifiuti ambientali. Utilizzando il sistema DAQ SIRIUS Mini di Dewesoft, accelerometri e una macchina a impatto, i ricercatori hanno sviluppato e validato una nuova metodologia per valutare la riduzione del rumore in modelli in scala di solai leggeri.

Introduzione

Presso la Scuola di Ingegneria Industriale dell'Università di Valladolid, abbiamo studiato il miglioramento dell'isolamento acustico ai rumori d'urto ottenuto utilizzando diversi spessori di rivestimenti negli "pneumatici fuori uso" (PFU) su solai leggeri.

Nel 2009, la Scuola di Ingegneria Industriale dell'Università di Valladolid (EII) è stata istituita attraverso la fusione di diverse scuole tecniche e facoltà, tutte precedentemente parte dell'Università di Valladolid. 

L'Università di Valladolid è un'università pubblica situata nella città di Valladolid, nella regione autonoma spagnola di Castiglia e León. Fondata nel XIII secolo, è una delle università più antiche del mondo. Conta circa 30.000 studenti universitari e oltre 2.000 professori.

Utilizzando accelerometri, un sistema di eccitazione, il sistema di acquisizione dati (DAQ) SIRIUS Mini di Dewesoft e il relativo software, abbiamo misurato e analizzato il livello di accelerazione su modelli in scala ridotta.

Abbiamo utilizzao una nuova metodologia, sviluppata a partire dalle normative e dagli studi correlati sui solai pesanti, per valutare l'isolamento acustico nei solai leggeri. Il nostro studio facilita la valutazione acustica delle proposte costruttive e fornisce una potenziale soluzione per il trattamento dei rifiuti PFU, riducendone l'impatto ambientale.

Il problema e gli standard di misura

Passivhaus è uno standard internazionale e un processo di certificazione per edifici a bassissimo consumo energetico, sviluppato in Germania negli anni '90. Lo standard garantisce consumi energetici estremamente ridotti per il riscaldamento e il raffrescamento impiegando principi quali l'alto isolamento, un involucro edilizio ermetico, l'utilizzo dell'energia solare e un sistema di ventilazione meccanica con recupero di calore. L'obiettivo è creare edifici confortevoli e sani che utilizzino fino al 90% in meno di energia rispetto agli edifici convenzionali.

Lo standard Passivhaus è un esempio dell'evoluzione dell'edilizia. Basandosi su questo concetto, gli edifici sono più sostenibili e resilienti di fronte alle condizioni atmosferiche avverse. Tuttavia, un team di ricerca multidisciplinare dell'Università di Valladolid ha stabilito che le strutture leggere e flessibili negli edifici multipiano presentano prestazioni inadeguate di isolamento acustico da impatto [1].

Per affrontare questo problema, abbiamo analizzato due standard che delineano come misurare l'isolamento acustico in solai pesanti in calcestruzzo:

• ISO 10140 (1-5) per misurazioni in camere omologate [2]. 

La serie di standard ISO 10140 si applica alla misurazione in laboratorio e in opera dell'isolamento acustico di elementi e prodotti per l'edilizia. Fornisce un quadro unitario per testare vari componenti, come pareti, pavimenti, finestre e porte. Tuttavia, questi test sono costosi e complessi.

• ISO 16251-1 per modelli in scala ridotta [3]. 

La norma ISO 16251-1 delinea un metodo di laboratorio per valutare la riduzione del rumore da calpestio trasmesso dai rivestimenti per pavimentazioni su un piccolo modello di solaio standardizzato, offrendo un'alternativa a strutture di prova più grandi e complesse.

Miriamo a sviluppare una metodologia simile a quella utilizzata per i modelli di solai pesanti, adattata ai cosiddetti solai leggeri (utilizzati nello standard "Passivhaus"), utilizzando la letteratura focalizzata su test di questo tipo. Inoltre, utilizziamo il metodo sviluppato per caratterizzare il miglioramento ottenuto nell'isolamento acustico dai rivestimenti realizzati con scarti di pneumatici fuori uso (NFU).

Preparazione dei test sui modelli

Lo studio acustico effettuato è un'analisi del segnale (chiamata anche analisi dinamica), che confronta i diversi casi (modelli che simulano un solaio leggero con rivestimenti), pertanto viene misurata solo la risposta. Abbiamo creato modelli in legno e uno strato di calcestruzzo più sottile rispetto ai tradizionali solai pesanti (vedere Figura 1).

Attraverso queste misurazioni, il miglioramento dell'isolamento acustico è caratterizzato dal livello di accelerazione, misurato tramite accelerometri in punti specifici sul lato inferiore del modello, in risposta a un'eccitazione causata da una macchina da impatto standardizzata.

Collegando gli accelerometri all'apparecchiatura di acquisizione dati (DAQ) Dewesoft SIRIUS Mini e utilizzando il software "DewesoftX", abbiamo registrato la risposta alle vibrazioni del sistema sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza. La Figura 2 illustra la catena di misura.

Per definire questa metodologia, abbiamo utilizzato due modelli: un "modello standard" e un "modello NFU", di dimensioni 120 cm (±1 cm) x 80 cm (±1 cm) e del peso rispettivamente di 102,1 kg e 85,7 kg. Questi modelli erano composti da vari elementi (vedere Figura 3).

In primo luogo, abbiamo utilizzato un pannello di legno a strati incrociati (CLT) di pioppo spesso 55 mm. In secondo luogo, abbiamo utilizzato due tipi di solette in calcestruzzo, che distinguono questi due modelli. Infine, abbiamo applicato fino a tre strati di pneumatici fuori uso (NFU) come rivestimento, con spessori di 4 mm, 10 mm e 20 mm.

Abbiamo creato un totale di sei diversi campioni, combinando il pannello in CLT, le due solette e i tre rivestimenti (vedere Figura 4).

Per quanto riguarda il calcestruzzo, uno dei modelli presenta il dosaggio appropriato per ottenere un calcestruzzo di resistenza "H25", noto come "solaio standard". La seconda soletta è composta da graniglia di NFU, che sostituisce parte della sabbia normalmente utilizzata (nota come "solaio NFU"). La Figura 5 mostra le immagini del processo di cassaforma, del rinforzo del calcestruzzo (con barre d'acciaio B500S da 6 mm) e il risultato finale delle solette, con il calcestruzzo ancora fresco.

Questi modelli poggiano su supporti in legno situati ai quattro angoli, di dimensioni 13,8 cm x 13,8 cm. Abbiamo disposto dei listelli di legno orizzontalmente per unire questi supporti, insieme a listelli aggiuntivi che li uniscono diagonalmente per rinforzare il sistema e limitare il movimento.

Infine, su ogni supporto sono state collocate fino a tre piastre elastiche antivibranti "Sylomer®" per disaccoppiare il modello/campione dall'ambiente. Queste piastre resistono a carichi fino a 1000 t/m² [4], un fattore da considerare quando si posizionano pesanti solette di calcestruzzo sopra i pannelli in CLT. La Figura 6 mostra gli aspetti descritti in questo paragrafo.

La Figura 7 mostra l'assemblaggio finale della struttura di supporto con uno dei modelli completati, insieme a un'illustrazione che dettaglia i supporti elastici creati dalle piastre soprastanti e la disposizione della catena di misura nel test.

Metodologia di misurazione delle vibrazioni

Come accennato in precedenza, i livelli di vibrazione (dBre10-6 m/s2) sono determinati utilizzando piccoli accelerometri piezoelettrici monoassiali prodotti da "Brüel & Kjær", posizionati in tre punti casuali sul lato inferiore del pannello CLT (punti a, c e d). La lettera "b" è riservata all'indicazione della misura del rumore di fondo. Abbiamo contrassegnato fino a otto posizioni per misurazioni future, lasciando uno spazio di 10 cm dal perimetro del modello (vedere Figura 8).

I cavi dei trasduttori sono stati fissati al pannello con nastro adesivo, poiché possono interferire con la misurazione se si muovono, e sono stati fatti aderire alla superficie utilizzando cera d'api. Questo fissaggio saldo non introduce smorzamento e non influisce significativamente sulla riduzione della larghezza di banda dovuta a un cattivo fissaggio, come indicato nel corso Dewesoft "Vibration Measurement" [5].

La macchina da impatto, che provoca disturbo imitando un movimento di "picchiettio", deve essere posizionata in due punti sul campione, collocando i martelli che generano l'eccitazione meccanica all'interno del perimetro precedentemente stabilito (vedere Figura 9).

Una volta descritta la posizione della catena di misura, definiamo i parametri da raccogliere durante il processo. Attraverso il sistema di acquisizione dati, registriamo l'ampiezza (accelerazione nei valori quadratici medi, braccia) che interessa il modello nei punti dell'accelerometro. Registriamo l'ampiezza per 25 secondi, rispetto al suo stato di equilibrio. Utilizzando il software, otteniamo il livello di accelerazione in bande di terzo d'ottava, nell'intervallo da 50 Hz a 5000 Hz. 

Tuttavia, abbiamo dovuto correggere queste misurazioni eliminando il rumore di fondo. Pertanto, per ogni campione, abbiamo effettuato una misurazione del rumore di fondo con il rivestimento in posizione e la macchina da calpestio spenta. Con il rivestimento e la macchina accesa, abbiamo effettuato due misurazioni in due posizioni di disturbo (vedere Figura 10).

Inoltre, dobbiamo misurare il livello di accelerazione subito dai due modelli (solaio con pannello CLT, senza rivestimento). Il parametro che esprime l'isolamento ottenuto è la differenza di livelli. In questo modo, questa differenza di livelli (con e senza rivestimento) viene ottenuta in bande di terzo d'ottava, in ogni accelerometro "a" e nelle due posizioni di disturbo "t": ΔLt, a. 

Infine, calcoliamo la media spaziale (posizioni degli accelerometri e della macchina da impatto) di questo parametro, ottenendo ΔL in ogni banda.

Dopo aver chiarito i parametri di interesse e il ciclo di misurazione, stabiliamo la connessione tra i tre accelerometri e l'apparecchiatura di acquisizione dati e configuriamo il software "DewesoftX" come mostrato in Figura 11. Grazie alla connessione TEDS, i tre canali riconoscono e impostano automaticamente la configurazione richiesta da ciascun accelerometro.

La frequenza di acquisizione dinamica è di 15 kHz, il che significa che la frequenza massima che il sistema può misurare è la metà di questo valore, 7,5 kHz. Considerando che utilizziamo un filtro anti-aliasing, la larghezza di banda diventa infine di 5859 Hz.

Per questo studio utilizziamo principalmente il sottomodulo "Octave Analysis", che si trova in "Math", per calcolare (usando la "formula" nel software) ed esportare il livello di accelerazione in bande di terzo-d'ottava, sulla base dell'accelerazione misurata dagli accelerometri. D'altra parte, uno dei vantaggi del software è che può analizzare i dati in frequenza.

Pertanto, abbiamo preparato il modulo "FFT Analysis" nel caso in cui, in uno studio futuro, fosse necessario analizzare le frequenze di risonanza del sistema. In ogni caso, è utile vedere la trasformazione rapida di Fourier durante la raccolta delle misure, poiché può fornire informazioni sulla loro coerenza. Utilizziamo un totale di 1024 linee, che rappresentano l'ampiezza massima del sistema ("Peak Amplitude") ogni 7,32 Hz su un grafico lineare, e applichiamo una finestra "Transient".

Un altro grande vantaggio del software è la sua capacità di visualizzare le misurazioni effettuate. Consente di personalizzare l'aspetto della scheda dedicata in modo semplice e intuitivo, con un'ampia varietà di widget. Per visualizzare i risultati, utilizziamo registratori temporali che mostrano l'accelerazione misurata dai trasduttori, nonché grafici 2D per visualizzare lo spettro di frequenza (FFT Preview) e il grafico d'ottava (Octave Preview).

Inoltre, utilizziamo una "lampada spia" per indicare la memorizzazione della misura e un "misuratore digitale" per visualizzare la durata della misura. La Figura 12 illustra il design per la raccolta dati, dove ogni riga rappresenta un accelerometro (a, c, d) e si osservano i tre tipi di widget menzionati per ogni caso (1, 2, 3).

Esportiamo i livelli di accelerazione in ogni banda di terzo-d'ottava per ogni accelerometro dal software per elaborare i dati e ottenere i parametri relativi all'isolamento ottenuto.

Risultati principali

I risultati più rilevanti sono: innanzitutto, il rumore di fondo confrontato con il rumore ottenuto a macchina accesa. Successivamente, presentiamo i risultati del livello di accelerazione corretti e mediati. Infine, confrontiamo l'isolamento ottenuto con ogni campione nello stesso grafico, in bande di terzo d'ottava.

Negli spettri del livello di accelerazione, ogni campione rappresenta sei livelli di accelerazione. Questi si differenziano con i codici nfu4, nfu10 e nfu20 (a seconda del rivestimento) e se utilizziamo il "modello standard" o il "modello NFU". Inoltre, abbiamo altri due livelli nei due modelli (senza rivestimento), codificati come sin0.

La Figura 13 mostra la media spaziale del livello di accelerazione nel campione "modello standard + nfu4", in due situazioni: quando la macchina sta operando sul campione e quando è spenta. La figura mostra un solo campione, poiché la forma del grafico è molto simile in tutti.

Il grafico differisce quando non viene applicato alcun rivestimento, a causa del significativo aumento del livello di accelerazione quando la macchina è in funzione. Questa variazione evidenzia la validità delle misurazioni effettuate, data l'apparente differenza di livelli. Sono simili solo nelle bande più alte, con, ad esempio, una differenza di circa 10 dB nella banda dei 5 kHz.

D'altra parte, abbiamo studiato la ripetibilità della misura e l'impatto della posizione degli accelerometri sui risultati. Abbiamo riscontrato che le misurazioni della risposta alle vibrazioni sono indipendenti dal tempo e dalla posizione degli accelerometri all'interno del campione.

Chiarito ciò, la Figura 14 mostra la media spaziale delle tre posizioni degli accelerometri e delle due posizioni della macchina. I valori rappresentano i livelli di accelerazione corretti, eliminando il rumore di fondo, in bande di terzo d'ottava, per le quattro situazioni possibili ("nfu4", "nfu10", "nfu20" e "sin0") dei due modelli. Include anche la deviazione standard dei valori.

In questi spettri sono distinguibili diversi intervalli di frequenza. Alle basse frequenze, fino a 200 Hz nel modello standard e fino a 125 Hz nel modello NFU, il livello di accelerazione dei sei campioni è molto simile. Le differenze sono di 3-5 dB, nelle situazioni più favorevoli, rispetto al modello base ("sin0").

A partire da 250 Hz nel modello standard e 160 Hz nel modello NFU, iniziano ad apparire differenze evidenti tra i modelli e i campioni, persino tra il campione "nfu4" e i campioni "nfu10" e "nfu20". La differenza si accentua nelle bande superiori, raggiungendo fino a 60 dB-75 dB tra "sin0" e "nfu10"; e fino a 30,7 dB tra "nfu4" e "nfu10".

D'altra parte, osserviamo un'altra tendenza: sopra i 500 Hz, il livello di accelerazione in "nfu20" è superiore a quello in "nfu10". Logicamente, ci si aspetterebbe che se il rivestimento è più spesso, riduca maggiormente le vibrazioni e quindi isoli di più il suono.

Infine, la Figura 15 illustra l'isolamento acustico da calpestio ΔL ottenuto in tutti i campioni in bande di terzo d'ottava.

Alle basse frequenze (50 Hz-125 Hz), otteniamo il miglior isolamento con il rivestimento "nfu20", circa 2 dB in ogni banda. Da 125 Hz a 400 Hz, il rivestimento "nfu20" in entrambi i modelli continua a essere l'opzione migliore, con il rivestimento "nfu10" nel modello NFU che si avvicina a questi campioni.

Nell'intervallo da 500 Hz a 2000 Hz, il rivestimento "nfu10" nel modello NFU fornisce il miglior isolamento possibile rispetto alle altre situazioni studiate (fino a 5,5 dB in più rispetto a "modello standard + nfu10" in una delle bande). Per l'isolamento dalla banda dei 2000 Hz in poi, l'opzione migliore è il rivestimento "nfu20" insieme al modello standard (una differenza fino a 5 dB rispetto alla linea più vicina, che è "modello standard + nfu4").

Conclusioni e lavori correlati

Attraverso queste misurazioni, abbiamo sviluppato una metodologia per lo studio dell'isolamento acustico da calpestio utilizzando modelli di solai leggeri. Il metodo apre una nuova linea di ricerca nel dipartimento, permettendoci di testare altri tipi di solai e rivestimenti. Il nostro secondo risultato è stato ottenere informazioni interessanti sul comportamento del NFU come rivestimento nei solai leggeri.

Per quanto riguarda il livello di accelerazione, alle basse frequenze (50-125 Hz), non abbiamo ottenuto alcun miglioramento con nessun rivestimento. Rispetto a sin0, le uniche differenze sono di circa 2 dB nella maggior parte dei casi, come visto in altri studi sull'argomento [6].

Per le medie e alte frequenze (125-5000 Hz), la presenza del rivestimento riduce significativamente i livelli di accelerazione, raggiungendo una riduzione fino a 75 dB a 5000 Hz. Per quanto riguarda il miglioramento dell'isolamento acustico da impatto, in generale, alle basse e medie frequenze (da 50 a 2000 Hz), il modello NFU attenua le vibrazioni in modo più efficace rispetto al modello standard.

Ringraziamenti

Desideriamo ringraziare il concorso "Desafío Universidad-Empresa", tenutosi in Castiglia e León, Spagna, per il terzo premio nell'edizione 2021 per aver proposto l'idea di questo studio e averne promosso la realizzazione. Alberto Gutiérrez ringrazia inoltre il team multidisciplinare responsabile del progetto: Marta Herráez, José Antonio Balmori Roiz, Milagros Casado Sanz e María Machimbarrena Gutiérrez, per aver permesso la sua partecipazione.

Riferimenti

Negli articoli di ricerca correlati, Arenas et al. [7] conducono test in stanze standardizzate e omologate [2], cercando un'espressione empirica che consenta la previsione dell'isolamento acustico da calpestio. D'altra parte, Foret et al. [8] conducono test con modelli in scala ridotta di solai pesanti [3] con rivestimenti, e correlano i risultati con quelli ottenuti utilizzando stanze omologate standardizzate.

1. Jayalath et al, ‘Airborne and impact sound performance of modern lightweight timber buildings in the Australian construction industry’, Case Studies in Construction Materials, volume 15, December 2021. Access: July 27, 2025. [Online].

2. ‘Acoustics. Laboratory measurement of the sound insulation of building elements, International Organization for Standardization, ISO 10140-2022.

3. ‘Acoustics — Laboratory measurement of the reduction of transmitted impact noise by floor coverings on a small floor mock-up’, International Organization for Standardization, ISO 16251-1-2014. 

4. “Sylomer”. Antivibration solution Sylomer. Access: July 27, 2025. [Online].

5. Dewesoft, ‘Vibration Measurement’, Access: July 27, 2025. [Online].

6. Martins, P. Santos et al., ‘Acoustic performance of timber and timber-concrete floors’, Construction and Building Materials, volume 101, part 1, 684-691 pages, December 2015. Access: July 27, 2025. [Online]. 

7. J.P. Arenas and L.F. Sepúlveda, ‘Impact sound insulation of a lightweight laminate floor resting on a thin underlayment material above a concrete slab’, Journal of Building Engineering, volume 45, 103537, January 2022. Access: July 27, 2025. [Online]. 

8. R. Foret, C. Jean-Baptiste, ‘A comparison of the reduction of transmitted impact noise by floor coverings measured using ISO 140-8 and ISO/CD 16251-1’, Forum Acusticum 2011, June 2011. Access: July 27, 2025. [Online].