Requisiti acustici

Isolamento acustico

Nell'opinione comune l'isolamento acustico è spesso impropriamente considerato l'unico parametro descrittore delle prestazioni acustiche degli elementi strutturali dell'edificio. Invece, pochi sanno che l'isolamento acustico non esprime la proprietà intrinseca dell'elemento strutturale considerato, bensì è un parametro fortemente condizionato dalla specifica configurazione dell'ambiente in cui viene misurato, per il tipo di posa in opera e per tutte le altre condizioni al contorno, le quali influiscono sulla misurazione dei livelli di rumore presenti nei due locali (sorgente e ricevente), fra i quali:

Ciò considerato, l'isolamento acustico (D) è definito come la differenza tra i valori medi dei livelli di pressione sonora misurati nell'ambiente "sorgente" (L₁) e quelli rilevati nell'ambiente "ricevente" (L₂), secondo la seguente relazione:

Potere fonoisolante

Per comprendere come possa un elemento strutturale ostacolare la propagazione del rumore, è necessario analizzare, in maniera semplificata, il fenomeno fisico della propagazione del rumore aereo attraverso un divisorio.

Partendo dal principio fondamentale che "nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma", quando un'onda sonora incide su una parete, espressa sotto forma di potenza sonora (W_i), questa si scompone in più componenti: una parte viene riflessa nell'ambiente sorgente (W_r) e una parte penetra nella parete, trasformandosi in energia vibrazionale. Quest'ultima viene, a sua volta, scorporata: una parte si dissipa in calore (W_d), mentre l'altra viene trasmessa nell'ambiente ricevente (W_t).

Ripartizione dell'energia sonora incidente su una partizione

È quindi evidente che la quantità di energia che viene assorbita e trasmessa dalla partizione dipende dalle caratteristiche fisiche del materiale impiegato. Al riguardo, i parametri descrittori di tali fenomeni sono:

coefficiente di assorbimento acustico (alfa): esprime il valore numerico della frazione di energia sonora che viene assorbita da un materiale, compreso fra 0, nel caso in cui tutta l'energia sia riflessa, e 1, nel caso in cui tutta l'energia sia assorbita. Ad esempio, un valore di α pari a 0,7 indica che il 70% dell'energia sonora incidente sul materiale viene assorbita.

coefficiente di trasmissione acustica (tau): esprime, in percentuale, la quantità di energia, intesa come potenza sonora, che attraversa l'elemento divisorio, data dal rapporto fra potenza sonora trasmessa (W_t) e potenza sonora incidente sulla partizione (W_i).

Si deve tuttavia considerare, senza peraltro addentrarci ulteriormente nella spiegazione, che il coefficiente di trasmissione varia a seconda dell'angolo di incidenza del suono sulla partizione e, quindi, la relazione sopra esposta è valida esclusivamente per incidenza normale dell'onda sonora (angolo di incidenza θ = 0).

Per mezzo di t si definisce il potere fonoisolante (R), per angolo di incidenza θ = 0, il quale esprime la grandezza logaritmica, espressa in deciBel, data dalla relazione:

Il potere fonoisolante di un determinato componente edilizio viene misurato in laboratorio, in relazione alla norma ISO 140-3, ed è espresso in genere tramite una curva che riporta i diversi valori di R per le bande di frequenza di ottava o 1/3 di ottava.

Scheda del potere fonoisolante misurato in laboratorio

 

Qualora si proceda invece ad una misura in opera, il parametro misurato è indicato come potere fonoisolante apparente (R'), il quale differisce dal valore di laboratorio per la specifica posa in opera del componente e per effetto della trasmissione laterale, fattori che inducono ad una riduzione dei valori di fonoisolamento.

Avendo noti i principi fondamentali di propagazione del suono attraverso l'elemento strutturale, appare evidente da subito che, se da un verso è relativamente semplice la misura in campo, altrettanto non si può dire circa la valutazione analitica del fenomeno, specialmente per quanto attiene i meccanismi di vibrazione, i quali dipendendo dalla costruzione del divisorio, dalla dimensione, nonché dal tipo di vincoli laterali.

Tanto più il divisorio si discosta dal caso ideale (parete piana, sottile e omogenea con condizione di vincolo a incastro perfetto o appoggio semplice) tanto più risulta difficile applicare e risolvere le relazioni matematiche relative ai pannelli. Infatti, le caratteristiche di trasmissione acustica di un pannello dipendono essenzialmente dalla sua geometria e da tre grandezze principali: massa, rigidità e smorzamento. Una struttura vibrante possiede, infatti, sia energia cinetica, associata alla massa, sia energia di deformazione potenziale, legata alla rigidità, sia la capacità di dissipare parte dell'energia da cui è eccitata.

Anche in questa circostanza, è necessario giungere ad una semplificazione del fenomeno, consapevoli che ciò induce, inevitabilmente, ad un'approssimazione del risultato. Tuttavia, tale condizione è ampiamente giustificata dalla necessità di dover contenere l'impegno del progettista nella fase di ideazione dell'edificio.

A tale scopo, risulta utile analizzare il comportamento di una struttura semplice, qual è un pannello omogeneo, e osservare l'andamento tipico del potere fonoisolante al variare della frequenza. Ciò che otterremo è qualcosa di molto simile a quanto riportato nella seguente figura.

Andamento alle diverse frequenza del potere fonoisolante di una lastra
 

Il diagramma sopra riportato è contraddistinto da due zone in cui il valore di R diminuisce bruscamente: una zona in corrispondenza della frequenza di risonanza (risonanza) del pannello e l'altra in corrispondenza della frequenza critica (coincidenza).

La risonanza di un pannello, ad una determinata frequenza del campo sonoro incidente, interessa l'azione di forze (onde sonore) che agiscono perpendicolarmente rispetto al piano del pannello determinando la risonanza dell'elemento stesso producendo in esso vibrazioni più consistenti rispetto a quanto si verifica alle alte frequenze. Occorre precisare che le frequenze di risonanza interessate sono quelle più basse, legate ai modi più semplici di vibrare, le quali hanno un contenuto energetico rilevante e quindi significativo ai fini della riduzione del potere fonoisolante.

La coincidenza ha origine a causa dell'azione di forze (onde sonore) che agiscono secondo una direzione molto inclinata rispetto al pannello ed in particolare quando la lunghezza d'onda del suono incidente presenta lo stesso valore della lunghezza d'onda delle onde flessionali del pannello. In questo caso, le vibrazioni flessionali vengono favorite dall'onda acustica che determina un incremento dell'energia sonora trasmessa nell'ambiente ricevente, con conseguente riduzione, anche in questo caso, del potere fonoisolante (vedi figura seguente).


 

Strutture a singolo strato

Nel caso di un pannello a singolo strato, è possibile considerare che, per frequenze comprese fra la frequenza di risonanza e quella di coincidenza, il potere fonoisolante vari soprattutto in funzione della massa superficiale del pannello, con un incremento di circa 6 dB per ogni ottava o per ogni raddoppio della massa superficiale. Tale relazione, valida nel caso in cui il campo sonoro incidente sul pannello è di tipo diffuso, va sotto il nome di legge di massa ed è regolata dalla seguente relazione:

dove m' è la massa superficiale del pannello (kg/m²), f è la frequenza (Hz) e ρ₀ è la densità dell'aria (pari a 1,21 kg/m³ a 20°C) e c₀ è la velocità del suono nell'aria (pari a 343 m/s a 20°C).

Per frequenze superiori alla frequenza critica, il potere fonoisolante cresce in frequenza di circa 9 dB per ottava e cresce all'aumentare dello smorzamento interno del pannello.

Appare quindi evidente che ridurre la valutazione del potere fonoisolante alla sola legge di massa è oltremodo semplificativo e può indurre ad errori considerevoli, specie quando le frequenze del rumore emesso dalla sorgente sonora cadono oltre la frequenza di coincidenza. Pertanto, è necessario valutare dapprima il valore della frequenza di coincidenza di un elemento strutturale secondo la seguente relazione:

dove c_b è la velocità di propagazione delle onde longitudinali sul pannello, E è il modulo di Young, ρ è la densità dell'aria, d è lo spessore in metri e v è il rapporto di Poisson.

A titolo semplificativo, si può considerare che, nel caso di pareti pesanti, la frequenza critica è localizzata alle basse frequenza, attorno ai 100-200 Hz, quindi all'estremità dello spettro di frequenze d'interesse (di solito è compreso fra i 100 Hz e 3,15 KHz), ne consegue che l'andamento del potere fonoisolante è di tipo risonante e cresce con una pendenza di circa 8-10 dB per ottava; pertanto, la relazione di calcolato da impiegare è la seguente:

dove η_tot è lo smorzamento totale del pannello.

Per strutture edilizie massicce lo smorzamento totale (η_tot) può essere approssimativamente calcolato con la seguente formula.

Nel caso invece di pannelli con massa superficiale contenuta, quali ad esempio pannelli in cartongesso, la frequenza critica si attesta su frequenze elevate (attorno ai 2,5-3,15 KHz) e, pertanto, la struttura risponde alla legge di massa.
 

Strutture a doppio strato

Il calcolo del potere fonoisolante di una struttura a singolo strato è un'operazione complessa, resa ancor più difficile dal fatto che, spesso, non sono reperibili tutti i termini richiesti dall'algoritmo di calcolo; ne consegue che, il grado di difficoltà del calcolo del potere fonoisolante di partizioni a due o più strati sia inevitabilmente maggiore, tanto più che le relazioni impiegate offrono, in ogni caso, una scarsa affidabilità.

A causa della complessità degli argomenti trattati, non si ritiene utile, in questo lavoro, addentrarci ulteriormente nella descrizione dei metodi di calcolo, ritenendo la materia di pertinenza, quasi esclusiva, di ambienti accademici. Ciò nonostante, nei successivi capitoli saranno descritti dei metodi di calcolo semplificati utili a definire, con una certa approssimazione, il valore del potere fonoisolante e del potere fonoisolante apparente delle doppie pareti.
 

Potere fonoisolante apparente (R')

Il potere fonoisolante apparente (R') differisce dal potere fonoisolante semplice in quanto, oltre a considerare l'attenuazione prodotta dalla trasmissione diretta attraverso la partizione (parete o solaio), tiene anche conto delle componenti di trasmissione del rumore attraverso le strutture laterali. L'introduzione di tale termine è utile per fornire una descrizione delle reali prestazioni acustiche dell'edificio. Tuttavia, è necessario considerare che il grado di isolamento acustico offerto da una partizione, oltre ad essere influenzato dalle caratteristiche del materiale, quali: spessore, densità, rigidezza, ecc., è fortemente condizionato dal grado di vincolo con gli altri elementi dell'edificio. Per questo motivo, le prestazioni acustiche in opera possono differire, anche in maniera rilevante, dai corrispettivi valori ottenuti in laboratorio.

Ciò considerato, la verifica del potere fonoisolante apparente può essere svolta sia attraverso calcoli empirici, sia attraverso delle misurazioni in opera, secondo la procedura definita dalla norma ISO 140-4.

La valutazione delle trasmissioni laterali, ossia del flusso di energia che passa attraverso i vincoli strutturali del pannello, è di difficile soluzione, sia perché è complicato schematizzare il fenomeno di accoppiamento strutturale con le pareti laterali, sia perché detto contributo può variare, anche in modo considerevole, in base all'accuratezza con cui è stata realizzata l'opera. Ciò nonostante, alcuni modelli di calcolo consentono di ricavare l'effettivo isolamento acustico tra due ambienti a partire dalle caratteristiche di accoppiamento tra gli elementi strutturali; quali:

La metodologia di calcolo proposta di seguito si basa sulle indicazioni dalla norma europea EN 12354-1. In particolare, il calcolo del potere fonoisolante apparente (R') tra due ambienti adiacenti, escludendo i contributi dovuti ai coefficienti di trasmissione sonora di piccoli elementi posti sulla partizione, può essere desunto dalla seguente relazione.

dove R_Dd, R_Ff , R_Df e R_Fd sono i valori del potere fonoisolante per trasmissione che avviene attraverso il percorso diretto (Dd) e per i percorsi laterali (Ff, Df e Fd).

Ai fini del calcolo del potere fonoisolante per i suddetti percorsi laterali è necessario determinare il potere fonoisolante per ogni singolo percorso di trasmissione del rumore nelle strutture coinvolte, secondo la seguente relazione.

dove le lettere i e j rispecchiano le lettere D, d, F e f utilizzate nella precedente espressione, ΔRij è l'incremento del potere fonoisolante dovuto all'apposizione di strati di rivestimento lungo il percorso i-j, Kij è l'indice di riduzione delle vibrazioni attraverso il giunto, S è la superficie della partizione (m²), l0 è la lunghezza di riferimento (1 metro) e lij è la lunghezza del giunto in metri.
 

Indice di riduzione delle vivrazioni (Kij)

L'indice di riduzione delle vibrazioni (Kij), definito dalla menzionata norma EN, è correlato alla potenza sonora, trasmessa per vibrazione strutturale da una giunzione, tra i due elementi costruttivi, ad esempio tra pareti e solai. Tale termine è, quindi, una caratteristica intrinseca della giunzione che deriva dalla differenza di velocità media di vibrazione che si crea tra le due strutture esaminate quando una sola delle due è direttamente sollecitata.

Il valore di Kij , per giunti tra strutture omogenee, può essere calcolato in funzione del rapporto delle masse areiche delle strutture che vi convergono. Attraverso misure sperimentali, è stato verificato che Kij varia in funzione del tipo di giunto e del valore di M, il quale è calcolato con la seguente relazione:

dove m'_i è la massa areica della struttura considerata e m'_^i è la massa areica della struttura perpendicolare a quella considerata.

Di seguito sono riportate le formule per il calcolo di Kij per i principali tipi di giunzione.

Giunto rigido a croce tra strutture omogenee

K13 =8,7 + 17,1M + 5,7M2 (dB)

K12 = K23 = 8,7 + 5,7M2 (dB)

Giunto rigido a T tra strutture omogenee

K13 =5,7 + 14,1M + 5,7M2 (dB)

K12 = K23 = 5,7 + 5,7M2 (dB)

Giunto tra strutture omogenee e facciate leggere

K13 =5 + 10M (dB) (Kmin = 5)

K12 = K23 = 10 + 10|M| (dB)

 

Il valore minimo che può assumere Kij non è 0 ma deve essere considerato almeno uguale a:

dove l_ij è la lunghezza del giunto in metri, l₀ è pari a 1 metro e S_i e S_j sono le superfici delle strutture in esame, in mq.

Nel caso di strutture comuni aventi una superficie di 10 mq, giuntate per una lunghezza di 2,7 metri, si ha un valori di Kij min pari a -5,7 dB.
 

Differenza di potere fonoisolante (ΔR)

La differenza di potere fonoisolante (ΔR) esprime l'incremento delle prestazioni apportato da strati di rivestimento fonoisolanti quali: pavimenti galleggianti, contropareti, controsoffitti, ecc.. In particolare, se su un divisorio viene applicato uno strato addizionale su supporto elastico si determina un sistema risonante a doppio strato che produce un miglioramento del potere fonoisolante complessivo. L'entità del miglioramento può essere determinato in funzione della frequenza di risonanza f₀ del sistema costituito dalla struttura di base e dal rivestimento.

Nel caso di un pavimento galleggiante, caso tipico, la frequenza di risonanza è data dalla seguente relazione:

dove m'₁ è la massa areica del solaio, m'₂ è la massa areica del pavimento galleggiante e s' (MN/m³) è la rigidità dinamica per unità di superficie del supporto elastico.

Nel caso di contropareti e controsoffittature è considerata invece la rigidità dinamica dell'aria s'a contenuta nel materiale elastico, la quale per materiali porosi o fibrosi, assumendo l'ipotesi che la propagazione sonora al loro interno sia isotermica, è pari a:

dove P₀ è la pressione atmosferica (pari a 105 Pa), h_p è la porosità del materiale (volume dei pori/volume totale dello strato) e d è lo spessore del materiale in metri.

DR può essere calcolata con la seguente equazione.

La normativa di riferimento, che sarà trattata in seguito, richiede tuttavia la valutazione dell'indice del potere fonoisolante Rw, pertanto è necessario considerare il miglioramento dell'indice del potere fonoisolante globale ΔRw determinato con la seguente formula empirica, valevole per valori di f₀ compresi fra 40 e 200 Hz e valori di R_w,m1 compresi fra 20 e 50 dB.

dove R_w,m'1 è l'indice del potere fonoisolante della struttura esistente, avente massa m'₁.
 

Isolamento acustico di facciata

L'isolamento acustico di facciata D_2m è dato dalla differenza tra il valore medio del livello di pressione sonora a 2 metri dal piano della facciata (L_1,2m) e il valore medio del livello di pressione sonora nell'ambiente ricevente (L2), misurato nelle condizioni previste dal d.P.C.M. 5 dicembre 1997 trattato nel successivo capitolo.

In particolare, il menzionato d.P.C.M. richiede la verifica dell'indice di valutazione dell'isolamento acustico normalizzato rispetto al tempo di riverberazione (D_2m,nT,w), come indicato dalla norma UNI EN ISO 717-1, con sorgente di rumore costituita da traffico veicolare, se prevalente, o da un altoparlante con angolo di incidenza di 45°, secondo la seguente:

dove T è il tempo di riverberazione nell'ambiente ricevente in secondi e T₀ è il tempo di riverberazione di riferimento, assunto pari a 0,5 s.

Il tempo di riverberazione (T₆₀) è il tempo necessario affinché il livello di pressione sonora, in un ambiente confinato, possa ridursi di 60 dB dopo che la sorgente sonora che ha generato quel livello si è spenta.

Per ambienti sabiniani (ambienti di piccole dimensioni con campo sonoro diffuso e assorbimento acustico moderato), il tempo di riverberazione può essere calcolato nel modo seguente.

dove V è il volume dell'ambiente (m³) e A è l'assorbimento equivalente (m²) calcolato con la seguente espressione.

dove n è il numero di superfici i-esime di area S_i e coefficiente di assorbimento acustico a_i .
 

Livello di rumore da calpestio

Il livello di rumore da calpestio rappresenta il livello medio di pressione sonora che si rileva in un ambiente quando sul solaio sovrastante agisce un generatore di rumore da calpestio normalizzato (macchina da calpestio). In altri termini, il livello di rumore da calpestio esprime la risposta acustica del solaio a seguito della sollecitazione dello stesso. Tuttavia, trattandosi di una sollecitazione meccanica definita, tale risposta non esprime realisticamente il rumore che si avrebbe in un ambiente per effetto dei passi di una persona sul solaio sovrastante; ciò nonostante, il vantaggio offerto da questo approccio metodologico è notevole, poiché consente di confrontare strutture differenti, oltrechè impiegare modelli di calcolo previsionale.

Dal punto di vista dell'analisi empirica, il rumore da calpestio può essere assimilato a quello dell'eccitazione di una piastra con forze impulsive periodiche, da cui è possibile ricavare le seguenti considerazioni:

Per evitare quindi l'impiego di solai pesanti o di spessore elevato, il modo più conveniente per contenere il rumore da calpestio consiste nel ridurre l'eccitazione del pavimento. Tale soluzione è possibile inserendo uno strato di materiale resiliente fra il solaio e lo strato di rivestimento, creando un c.d. "pavimento galleggiante", il quale riduce la trasmissione della potenza meccanica trasmessa al solaio.

Affinché tale sistema sia efficace, il pavimento galleggiante deve essere separato elasticamente lungo tutto il perimetro delle pareti perimetrali che lo delimitano.

Il miglioramento acustico di un pavimento galleggiante (ΔL) dipende dalla rigidità dinamica (s') dello strato resiliente inserito sotto la pavimentazione oltre che dalla frequenza di risonanza dell'intera struttura (pavimento, strato elastico e solaio).

Nel caso di pavimenti galleggianti con massetto in calcestruzzo (c.l.s.) e frequenze comprese fra la frequenza di risananza (f₀) e 4 f₀ , è possibile impiegare la seguente relazione.

dove f è la frequenza considerata (Hz) e f0 è la frequenza di risonanza ricavabile con la seguente formula.

dove s' è la rigidità dinamica dello strato elastico (MN/m³) e m'₁ è la massa superficiale dello strato di rivestimento (Kg/m²).

La normativa di settore, che sarà trattata nel successivo capitolo, prende a riferimento il livello normalizzato di rumore da calpestio apparente, quindi in opera, il quale è dato dalla somma del rumore per trasmissione diretta e di quella laterale che, per ambienti adiacenti sovrapposti, è data dalla seguente relazione.

in cui il primo termine indica il livello normalizzato di rumore per trasmissione diretta, mentre il secondo termine indica la sommatoria dei livelli normalizzati di rumore per trasmissione laterale.
 

Indice di valutazione

I valori di isolamento acustico e il livello di rumore da calpestio sopra descritti sono riferiti alle singole bande di frequenza compresa nell'intervallo d'interesse, solitamente dai 100 ai 3.150 Hz. Tuttavia, qualora si intenda esprimere le prestazioni di uno specifico componente con un singolo numero, è necessario ricorrere all'indice di valutazione, il quale viene ricavato sovrapponendo la curva dell'andamento in frequenza della grandezza considerata (potere fonoisolante, isolamento acustico, ecc.), in bande di ottave o di 1/3 di ottava, con una curva di riferimento definita dalla norma UNI EN ISO 717-1. Il valore da considerare, corrisponde a quello che assume la curva di riferimento alla frequenza di 500 Hz. L'indice corrispondente, per ciascuna grandezza considerata, è indicato con la lettera w in pedice (es. R_w, D_2m,n,w , ecc.).

In mancanza dei valori spettrali, attraverso cui ricavare l'indice di valutazione, è possibile desumere lo stesso attraverso delle valutazioni empiriche basate sulla massa superficiale m', come riportato nel successivo capitolo 5.

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