Architectural Acoustics - Room and Building Acoustics:
FIA2016-67
Influence of the compression conditions in the
acoustic performance of resilient layers of floors
Letícia K. Zuchetto(a), Maria Fernanda de O. Nunes(b), Jorge V. Patrício(c) (a)
itt Performance, Brazil, lkauer@unisinos.br (b)
itt Performance, Bolsista PDE CNPq Brazil, mariaon@unisinos.br (c)
LNEC, Portugal, jpatricio@lnec.pt
Abstract
The acoustic performance of floor systems is directly linked to the specific characteristics of each material, but the behavior of these materials can be changed along time with the common use of the building. Therefore, the reduction of the resilient layer thickness of the floating floors represents a loss in efficiency of the acoustic system, which can be caused either by compressions along the life cycle of the building or the compressive loads resulting from accidental loads. These conditions may indicate that a same product can sometimes present different performances due to the different compositions of floating floor systems. This paper presents a study based on five different underlayers of floating floors. The underlayers were polymeric fibrous materials with densities between 180 and 1000 kg/m² which was evaluated before and after compression 122 days.
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Influence of the compression conditions in the
acoustic performance of resilient layers of floors
1 Introdução
O som de impacto é produzido a partir de uma excitação mecânica que origina uma vibração, que é irradiada pela estrutura dos edifícios. Usualmente, o ruído de impacto é percebido no ambiente imediatamente abaixo do piso onde ocorrem atividades como, por exemplo, caminhar de pessoas, arrastar de móveis e queda de objetos. Para que o som decorrente dessas atividades seja minimizado, os sistemas de pisos devem contar com materiais que conformem camadas em toda sua área, com características que contemplem o amortecimento do impacto mecânico e rompimento dos vínculos rígidos com a estrutura.
Nesse sentido, os pisos flutuantes constituem a solução mais eficaz para a redução dos sons de impacto e são caracterizados pela ação do tipo massa-mola, na qual atuam uma placa rígida na forma de contrapiso e uma base elástica composta por um material resiliente. A camada caracterizada como base elástica pode ser especificada por uma ampla diversidade de materiais, para os quais o comportamento frente ao amortecimento do impacto mecânico apresenta relevantes diferenças em relação aos materiais utilizados no isolamento ao som aéreo.
Os sistemas de pisos se destinam ao atendimento de diversas funções como, por exemplo, estruturais, de vedação, de segurança ao tráfego e de isolamento acústico, para as quais devem ser contemplados requisitos que assegurem a adequada união entre elementos, estabilidade para assegurar o caminhar e a manutenção de suas propriedades ao longo da vida útil do sistema de piso.
Além da diversidade na combinação de materiais que podem constituir as camadas de um sistema de piso, as estimativas de isolamento ao som de impacto pode apresentar outras complexidades, decorrentes da caracterização dos materiais utilizados nessas camadas. A principal característica que define a eficiência de um material resiliente é a rigidez dinâmica, que apresenta correlação com a capacidade de redução do som de impacto de um sistema de piso flutuante. Para um mesmo material a rigidez dinâmica é inversamente proporcional à espessura, sendo que os valores até 10 MN/m³ são encontrados em materiais caracterizados como eficientes na utilização em bases elásticas [1]. No entanto, por estarem submetidos à cargas acidentais ao longo de toda a sua vida útil, as camadas resilientes sofrem deformações e consequentes reduções na sua espessura inicial, o que pode comprometer sua eficiência no amortecimento das vibrações.
3 A correlação entre fluência na compressão, rigidez dinâmica da base elástica e redução ao ruído de impacto em materiais resilientes utilizados com base elástica de pisos flutuantes pode ser definida em ensaios com a projeção do tempo de uso. Estudos indicam que se a deformação relativa a 7 anos for menor que 20%, s’ pode ser considerada constante e a variação em ΔL é menor que 3 dB, por outro lado, se a deformação relativa em 7 anos for maior que 20% a variação em ΔL é maior que 3 dB [2].
Este trabalho apresenta um estudo com cinco diferentes materiais utilizados como camada resiliente em pisos flutuantes com a análise da eficiência na redução do ruído de impacto antes e após a fluência na compressão para estimativa de uso de 10 anos.
2 Materiais
Foram ensaiados materiais fibrosos poliméricos de 1cm de espessura, com características conforme Tabela 1.
Tabela 1: Materiais resilientes
Material Tipo de fibra Espessura Fibra Densidade (kg/m²)
M1 Poliéster Fino 180 M2 Poliéster Fino 240 M3 Poliéster Fino 320 M4 Polipropileno Grosso 500 M5 Polipropileno Grosso 1000
3 Método
3.1 Rigidez dinâmica
A rigidez dinâmica é calculada através da frequência de ressonância, obtida conforme a ISO 9052-1. Para este estudo, foram conduzidos três métodos para a obtenção da frequência de ressonância.
Método 1
Este método consistiu na utilização de um osciloscópio marca Tektronix TDS 2024B para a aquisição de dados, com a vibração vertical causada pela excitação da placa de carregamento, através do impacto de um martelo. Foram utilizados dois acelerômetros Bruel & Kjaer 4383, acoplados em duas extremidades opostas da placa, de modo a se obter uma média dos dois valores, sendo o impacto causado no centro geométrico da placa. Os sinais, adquiridos através dos acelerômetros, foram processados em uma FFT, para a obtenção das frequências naturais
4 dos materiais resilientes. Optou-se por realizar as medições em três amostras de mesmo material sobrepostas, a fim de facilitar a leitura da frequência de ressonância. Posteriormente, encontrou-se por cálculo o valor para uma amostra, considerando-se a terça parte do valor total. Os ensaios foram realizados no LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil, em Lisboa/ Portugal.
Método 2
Este método seguiu os mesmos procedimentos do anterior, entretanto, para a aquisição de dados, foi utilizado um analisador Pulse Bruel & Kjaer, conectado a um computador. Estes ensaios também foram realizados no LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil, em Lisboa/ Portugal.
Método 3
Para o terceiro método utilizado, a vibração vertical foi feita na placa base, através de um
shaker L315M da ETS Solution, enquanto dois acelerômetros 3035B2 da Dytran transmitiram
os sinais para um data logger. Para tanto, um acelerômetro foi acoplado na placa base, e o outro na placa de carregamento, de forma a se obter a transmissibilidade da vibração. A amplitude do ensaio foi mantida constante, em 0,5mm, e o sinal foi do tipo sinusoidal. Este ensaio foi conduzido no laboratório itt Fuse – UNISINOS.
Este método também foi utilizado para a obtenção dos valores de rigidez dinâmica após o ensaio de 122 dias de fluência à compressão.
A Figura 1 mostra as configurações dos três métodos de ensaio para a obtenção da rigidez dinâmica.
Método 1 Método 2 Método 3
Figura 1: Métodos utilizados para a obtenção da rigidez dinâmica
3.2 Fluência à compressão
Para a verificação da influência de carregamentos nos materiais resilientes no comportamento acústico, foi realizado o ensaio de fluência à compressão, de acordo com a norma ISO 20392
5 [3]. Para tanto, foram utilizadas duas amostras de 20x20cm de cada material, as quais foram submetidos a cargas de 4kg e 8kg respectivamente. A norma estabelece intervalos de tempo em escala logarítmica para as leituras das deformações, sendo assim, as medições foram feitas através de um paquímetro digital, com exatidão de 0,01mm. Foram estabelecidos pontos de medição para cada amostra, desta forma, todas as leituras foram conduzidas nestes pontos. O ensaio foi realizado em uma base robusta, de forma que as vibrações externas não influenciassem no mesmo, no laboratório do itt Performance – UNISINOS. Este ensaio foi conduzido por 122 dias. Os valores de deformação, obtidos após o tempo de ensaio, foram extrapolados 30 vezes, conforme permite a norma, a fim de verificar o comportamento dos materiais ao longo de sua vida útil.
3.3 Ruído de impacto
O estudo do desempenho acústico dos sistemas de piso flutuante, utilizando os materiais resilientes desta pesquisa, foi realizado através de ensaios laboratoriais na câmara de ruído de impacto do LNEC, em Lisboa – Portugal, de acordo com a ISO 10140-3 [4]. O ruído foi gerado na sala de emissão através de uma máquina de impacto padrão 3207 Bruel & Kjaer em bandas de frequência de um terço de oitava, enquanto três microfones foram utilizados para adquirir os dados, na sala receptora. Os sinais foram processados em um multianalisador Pulse TM Bruel & Kjaer de oito canais. Adotou-se duas posições da máquina de impacto e duas posições por microfone, por ensaio, totalizando, desta forma, doze medições por sistema.
Os materiais resilientes foram colocados sobre a laje do laboratório e sob um contrapiso de argamassa de 4cm de espessura e 100kg/m² de densidade superficial. As mantas, assim como o contrapiso flutuante, foram todos de 1m².
4 Resultados
A comparação entre o desempenho ao ruído de impacto dos materiais utilizados como base elástica em pisos flutuantes pode ser observada na Figura 2. Pode-se indicar que as maiores diferenças ocorreram nas bandas de frequências menores que 500 Hz e que os materiais testados apresentaram aumento na eficiência do isolamento sonoro com o aumento da densidade.
A Tabela 2 expressa os valores médios de rigidez dinâmica encontrados através dos três métodos de ensaio, as espessuras iniciais, logo após a colocação das cargas estáticas, bem como as deformações correspondentes a 10 anos de estimativa de utilização da manta sob uma carga estática, obtidas através da extrapolação dos valores. Os valores de rigidez dinâmica obtidas através do Método 3 após a fluência à compressão também estão expressas na Tabela a seguir.
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Figura 2: Resultados dos ensaios de ruído de impacto
Os valores de rigidez dinâmica determinados a partir dos três métodos apresentaram variações, sendo que, todos os valores calculados a partir da frequência de ressonância obtida pelo Método 3, com o uso do shaker, ficaram a baixo dos demais.
A deformação relativa estimada após 10 anos de uso dos materiais apresentou variações entre 11% e 96%. Os materiais M1, M2 e M3 compostos por poliéster com fibras finas apresentaram as menores deformações, enquanto que nos materiais M4 e M5, compostos por polipropileno com fibras grossas a deformação estimada foi maior. Pode-se indicar que a deformação apresenta relações com a densidade para materiais com a mesma espessura de fibra, pois quanto maior a densidade, menor será a deformação ao longo do tempo de uso do material utilizado como base elástica em sistemas de pisos flutuantes.
Após os 122 dias de ensaio de fluência na compressão a rigidez dinâmica calculada em função da determinação da frequência de ressonância apresentou valores maiores que os calculados para as mesmas amostras antes da compressão. O aumento nos valores da rigidez dinâmica foi variável com incremento de aproximadamente 18% no material M3, composto por fibras de poliéster, e de aproximadamente 78% para o material M5, composto por fibras de polipropileno. Apesar dessa diferença de incremento, os valores estimados ainda podem ser considerados adequados, pois são inferiores a 10 MN/m³.
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Tabela 2: Resultados de rigidez dinâmica antes e após o carregamento e a estimativa de deformação para 10 anos de uso
Materiais
Rigidez dinâmica antes do
carregamento (MN/m³) Estimativa da deformação em 10 anos (mm) Rigidez Dinâmica após carregamento (MN/m³) Método 1 Método 2 Método 3
M1 5,4 4,6 2,5 3,9 4,3
M2 4,0 3,9 2,0 1,5 3,2
M3 3,0 2,7 2,2 1,1 2,6
M4 4,3 4,6 2,5 9,6 4,1
M5 3,2 3,6 1,8 6,5 3,2
A comparação entre os valores de rigidez dinâmica podem ainda ser comparados a partir do gráfico na Figura 3, no qual as diferenças obtidas a partir dos três métodos de determinação da frequência de ressonância são diferenciadas pelos valores mais elevados dos resultados obtidos a partir da excitação com o martelo.
Figura 3: Resultados de rigidez dinâmica antes e após a compressão
A redução do som de impacto ΔL estimada a partir dos valores de rigidez dinâmica evidenciaram as diferenças indicadas anteriormente, com queda na eficiência dos materiais após a compressão de aproximadamente 4 dB nos materiais M1 e M5 e de 3 dB para os demais (Figura 4). Os seja, estima-se que após 10 anos de uso sob condições padrão de carga acidental, os sistemas de pisos flutuantes compostos pelos materiais deste estudo tenham uma perda de desempenho entre 3 e 4 dB.
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Figura 4: Redução do ruído de impacto estimado e medido
5 Considerações finais
O comportamento dos materiais que compõem os pisos flutuantes pode definir sua eficiência no isolamento ao ruído de impacto e os estudos que caracterizam as alterações decorrentes do tempo de utilização são fundamentais para estimativas de vida útil desses materiais.
Neste trabalho foram avaliados cinco materiais fibrosos utilizados como camada resiliente em pisos flutuantes. Para a análise da influência da compressão no desempenho ao ruído de impacto, os materiais adotados foram de mesma espessura. Com variações nas densidades e espessura das fibras poliméricas.
A redução na espessura dos materiais resilientes pode ser indicada como um dos mais importantes aspectos a serem considerados, pois a forma como as fibras desses materiais sofre a acomodação em função da compressão pode determinar sua eficiência ao longo de sua vida útil. Nesse sentido, os materiais utilizados nesse estudo apresentaram comportamentos distintos em função da espessura das fibras. No entanto, não foi verificada uma relação direta entre espessura das fibras e/ou densidade com a redução na eficiência global dos materiais. As estimativas indicaram que após 10 anos de uso, os sistemas de pisos flutuantes compostos pelos materiais deste estudo podem apresentar uma perda de desempenho entre 3 e 4 dB.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela Bolsa PDE (Número do Processo 201973/2015-4).
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Referências
[1] A. Cripps, J. Fovargue, Crops in Construction Handbook, CIRIA, London, 2004.
[2] M. Caniato, F. Bettarello, L. Marsich, A. Ferluga, O. Sbaizero, C. Schmid, Time-depending performance of resilient layers under floating floors, Constr. Build. Mater. 102 (2016) 226–232. doi:10.1016/j.conbuildmat.2015.10.176.
[3] ISO, ISO 20392. Thermal-insulating materials - Determination of compressive creep, Geneva, 2007.
[4] ISO, ISO 10140: Acoustics - Laboratory measurement of sound insulation of building elements, Geneva, 2010.
