Análise vibroacústica da transmissão indireta do ruído de impacto em lajes de pisos de edificações por meio de modelo FEM/SEA

Abstract

Dentre as formas de transmissão do ruído em edificações, a principal é a transmissão estrutural devido ao ruído de impacto em pisos entre apartamentos. Este tipo de fenômeno vem entrando cada vez mais em foco de discussão devido principalmente às mudanças na forma como as edificações são construídas, em que estruturas pesadas com grandes espessuras (lajes maciças de concreto e paredes de alvenaria) passaram a serem substituídas por elementos leves que ocupam menos espaço (lajes nervuradas e paredes de gesso). O objetivo desta proposta de pesquisa foi analisar a influência dos principais parâmetros (propriedades mecânicas dos materiais, tipos de conexões estruturais e geometria) que interferem no comportamento vibroacústico de estruturas civis convencionais (lajes de concreto). A primeira etapa do trabalho consistiu em realizar uma análise modal experimental com base na metodologia da Operating Deflection Shape (ODS) de uma bancada em escala reduzida configurada com uma laje de concreto armado (1,20 m x 0,80 m x 0,20 m) apoiada sobre quatro pilares de concreto armado (0,20 m x 0,20 m x 0,40 m), testando a aplicabilidade de quatro tipos de fontes diferentes (marretas de 1 e 4 kg, máquina de impactos e impactos de pessoa pulando) para este tipo de estudo. Os resultados destes experimentos serviram para a validação do modelo numérico da bancada com fundamentação no Método de Elementos Finitos (FEM) que, com embasamento na correlação dos quatro primeiros modos de vibrar da estrutura, teve suas propriedades mecânicas (módulos de elasticidade e cisalhamento, e coeficiente de Poisson) e densidade ajustadas por algoritmo genético NSGA II baseado no modelo de Deb. Os experimentos e simulações ajustadas apresentaram alta correlação dos frequências naturais da bancada (> 90%) divergindo em relação ao modelo analítico de propagação da onda bidimensional em placas (>20%), seja pela teoria de placa fina ou com a correção para placas espessas proposta por Mindlin, diferença esta relacionada às condições de contorno da bancada apoiada apenas nos cantos. Na segunda etapa foi utilizada a bancada para estimar o índice de transmissão de vibração (Kij) entre laje e pilares, sendo feitas análises experimental, numérica e também analítica com base no modelo de Gerretsen. Também foram modificadas as configurações da bancada, alterando a forma de conexão da laje com os pilares (tipo de conexão e inserção de material de isolamento) e também inserindo uma parede de alvenaria abaixo da laje. Foi possível concluir que o modelo em FEM apresentou boa convergência nos resultados (> 90%) quando comparado com os experimentos do Kij, com o mesmo variando ao longo da frequência, diferindo do que é proposto no modelo analítico e normativas internacionais. Por fim, na terceira etapa foram determinados os níveis de pressão sonora (NPS) em uma cavidade utilizando simulação computacional com base em Análise Estatística de Energia (SEA),validando esta por meio de modelos analíticos e experimentos de campo realizados em uma edificação residencial construída com tipologia convencional (laje de concreto maciça e paredes de alvenaria) utilizando como fonte de força a máquina de impactos padrão. Nas análises do NPS foram observadas altas correlações (> 90%) entre simulação e modelos analíticos com base em SEA, apresentando diferenças (>20%) em relação ao experimento devido à baixa densidade modal das estruturas civis na região de baixas frequências (0 a 500 Hz), o que acaba inviabilizando os modelos SEA para o caso de estruturas civis espessas (pisos e paredes).

Abstract: Among the forms of noise transmission in buildings, the main is a structural transmission due to impact noise on floors between apartments. This type of phenomenon is becoming the focus of discussion due to changes in the constructive forms of buildings, in which heavy structures with large thicknesses (massive concrete slabs and masonry walls) have become replaced by lightweight elements that take up less space (ribbed slabs and plaster walls). The purpose of this research was to analyze the influence of the main parameters (mechanical properties of the materials, types of structural connections and geometry) that interfere with the vibroacoustic behavior of conventional civil structures (concrete slabs). The first stage of the work consisted of conducting an experimental modal analysis based on the Operating Deflection Shape (ODS) methodology of a small scale workbench configured with a reinforced concrete slab (1,20 m x 0,80 m x 0, 20 m) supported on four reinforced concrete pillars (0,20 m x 0,20 m x 0,40 m), testing the applicability of four different source types (1 and 4 kg mallets, impact machine and person impacts jumping) for this type of study. The results of these experiments served to validate the numerical model of the workbench based on the Finite Element Method (FEM), which based on the correlation of the first four modes of structure vibration, had its mechanical properties (modulus of elasticity and shear, and coefficient Poisson) and density adjusted by NSGA II genetic algorithm based on the Deb model. The experiments and adjusted simulations showed a high correlation of the bench modes (> 90 %) diverging from the two-dimensional plate wave propagation analytical model (> 20 %), either by the thin plate theory or the plate correction proposed by Mindlin, a difference related to the boundary conditions of the bench supported only at the corners. In the second stage, the bench was used to estimate the vibration transmission index (Ki j) between slab and pillars, being made experimental, numerical and also analytical analyzes based on the Gerretsen model. Bench configurations were also modified by changing the way the slab was connected to the columns (type of connection and insertion of insulation material) and also by inserting a masonry wall below the slab. It was possible to conclude that the model in FEM presented good convergence in the results (> 90 %) when compared with the experiments of the Ki j, with the same varying over the different frequency of what is proposed in the analytical and international normative model. Finally, in the third stage, the sound pressure levels (SPL) in a cavity were determined using computer simulation based on Statistical Energy Analysis (SEA), validating this through analytical models and field experiments performed in a residential building built with conventional typology (solid concrete slab and masonry walls) using as a source of force the standard impact machine. In the NPS analysis, high correlations (> 90%) were observed between simulation and analytical models based on SEA, presenting differences (> 20%) in relation to the experiment due to the low modal density of civil structures in the low frequency region ( 0 to 500 Hz), which makes the SEA models unfeasible for thick civil structures (floors and walls).