CDT El Servicio de Información Comunitario sobre Investigación y Desarrollo de la Unión Europea (Cordis, por sus siglas en inglés) ha presentado recientemente el proyecto VirBAcous que ha creado herramientas informáticas específicas para que el sector de la construcción las pueda utilizar en el diseño de edificios más silenciosos. Estas herramientas permiten diseñar y probar virtualmente las propiedades de aislamiento de nuevos componentes de construcción complejos, todo ello desde un ordenador portátil, lo que agiliza el proceso de diseño.
Fuente: Construible
Liderado por la Universidad KU Leuven, ubicada en Bélgica, la iniciativa comenzó en agosto de 2017 y finalizó en enero de 2023, y cuenta con un presupuesto de 1.386.875 euros íntegramente financiados con fondos europeos.
Aislamiento acústico de los edificios
Lograr un aislamiento acústico suficiente de los edificios es un problema complejo, ya que las múltiples rutas de transmisión son importantes y los requisitos de rendimiento acústico a menudo entran en conflicto con los requisitos estructurales y térmicos. Además, el modelado vibroacústico preciso en todo el rango de frecuencias acústicas del edificio requiere un gran esfuerzo computacional.
Como resultado, el desarrollo acústico de los sistemas de construcción se ha basado típicamente en reglas generales de diseño, modelos de predicción insuficientemente precisos y muchas pruebas de prototipos experimentales. Este desarrollo es costoso, requiere mucho tiempo y conduce a diseños subóptimos.
A diferencia del aislamiento térmico, el aislamiento acústico no se consigue con una sola capa de material, sino que depende del sistema de construcción en su conjunto. El sonido se propaga no solo a través de una pared común con una habitación vecina, sino también a través de vías flanqueantes como un techo continuo. Por eso, el aislamiento acústico debe incluir todos los elementos de las paredes y suelos, e incluso como están conectados. Como resultado, los requisitos acústicos no se corresponden de forma natural con los requisitos estructurales y térmicos de un edificio.
Con el apoyo del proyecto VirBAcous, Edwin Reynders, catedrático de Ingeniería Civil en la Universidad KU Leuven, ha creado métodos de ingeniería para diseñar edificios con buen aislamiento acústico.
Análisis de alta frecuencia y de los sistemas construidos
El objetivo del primer paquete de trabajo era superar limitaciones cruciales en el análisis de alta frecuencia cambiando fundamentalmente la forma en que se conciben y modelan los subsistemas vibroacústicos. Junto al desarrollo de modelos de subsistemas difusos basados en campo en lugar de basados en energía, se derivó una generalización de frecuencia cruzada de la relación de reciprocidad de campo difuso, y se abordó el análisis de subsistemas deterministas complejos con el objetivo de lograr el equilibrio adecuado entre precisión y eficiencia computacional.
Asimismo, se desarrollaron métodos dedicados para analizar subsistemas con un comportamiento de material complejo pero con una geometría en capas y para subsistemas espacialmente periódicos.
El segundo paquete de trabajo se ocupó del análisis de los sistemas construidos. Así, se ha desarrollado un método general para el análisis de covarianza promediado por banda híbrida de sistemas vibroacústicos con subsistemas difusos haciendo un uso extensivo de la reciprocidad de campo difuso de frecuencia cruzada.
El método se ha utilizado como base para cuantificar la incertidumbre de campo difuso en el aislamiento acústico y la absorción acústica. El análisis de los sistemas vibroacústicos construidos a menudo se basa en la suposición de que los subsistemas están débilmente acoplados. Por ello, se ha desarrollado una metodología de aplicación general para evaluar la validez del supuesto de acoplamiento débil en toda la gama de frecuencias.
Rendimiento acústico
En el tercer paquete de trabajo, los parámetros inciertos que afectan el rendimiento acústico de los sistemas de construcción se trataron mediante la incorporación de modelos de subsistemas difusos basados en campo en un enfoque de Monte Carlo que da cuenta de la incertidumbre paramétrica adicional. El método es computacionalmente eficiente ya que las frecuencias naturales y las formas de los modos de los subsistemas difusos se extraen directamente de las distribuciones de probabilidad universales condicionales.
Cuando los subsistemas se acoplan en un área de unión, los componentes de forma de modo difuso se necesitan en un gran número de ubicaciones, por lo que se ha desarrollado una descomposición analítica rápida basada en funciones de onda esferoidales alargadas. La prueba virtual de turnos de aislamiento de ruido aéreo se desarrolló como un escaparate práctico.
Optimización del diseño
El cuarto paquete de trabajo se ocupó de la optimización del diseño a partir de los modelos de predicción desarrollados. En primer lugar, la optimización de la topología obtuvo la distribución optimizada del material de los paneles simples y dobles para maximizar el aislamiento acústico de banda estrecha.
A continuación, se aumentó la complejidad hacia la optimización del aislamiento del sonido aéreo de muros complejos en todo el rango de frecuencias acústicas del edificio, con la determinación de la forma óptima de la sección transversal de los montantes metálicos en muros de doble hoja bajo restricciones de fabricación y costos como práctica escaparate. Finalmente, se logró una mayor generalización hacia los sistemas distribuidos. La optimización de banda ancha de metamateriales vibroacústicos localmente resonantes con estructuras anfitrionas ortotrópicas ha sido seleccionada como un caso objetivo.
Gracias a los desarrollos metodológicos resumidos anteriormente, se superaron limitaciones cruciales en el paradigma actual de análisis estadístico de energía para el modelado de sistemas construidos con componentes de onda difusa, como la suposición de que los subsistemas deben estar débilmente acoplados, la pérdida de información de fase, y la incapacidad de realizar un análisis probabilístico completo, especialmente para cantidades promediadas en frecuencia.
Se pueden modelar subsistemas con un alto grado de complejidad geométrica y material. La incertidumbre paramétrica ahora se puede incorporar de una manera directa y natural, lo que permite tener en cuenta todas las incertidumbres relevantes. La fuerza de acoplamiento entre subsistemas en un sistema construido arbitrariamente complejo que puede analizarse rigurosamente. Se han dado pasos pioneros en la optimización vibroacústica de banda ancha.
Diseño de componentes de construcción a medida
Los ingenieros, arquitectos y otros profesionales de la construcción pueden utilizar las herramientas de modelización numérica del proyecto para diseñar componentes del edificio a medida, como paredes, suelos y juntas con propiedades de aislamiento acústico optimizadas.
Por ejemplo, los investigadores utilizaron el programa informático para optimizar la forma de la sección transversal de montantes metálicos flexibles en paredes de cartón-yeso de doble hoja. A continuación, demostraron que estos montantes, que utilizan una cantidad de material similar a la de sus homólogos comerciales, ofrecen un aumento significativo del aislamiento acústico.
En el sector de la construcción existe una clara necesidad de programas informáticos de predicción del aislamiento acústico que sean suficientemente rápidos y precisos para el diseño y la optimización. Las herramientas numéricas creadas en este proyecto son la base de este tipo de programas, pero deben complementarse con investigación traslacional para salvar la distancia con la práctica de ingeniería.
En la actualidad, el equipo del proyecto sigue desarrollando y perfeccionando sus herramientas para que los ingenieros puedan utilizarlas en la elaboración de innovaciones para la transmisión acústica por flancos en edificios de madera contralaminada. Esta madera es un material de construcción en auge con importantes ventajas ecológicas y económicas, pero su poco peso la convierte en un gran desafío acústico. Al aumentar su rendimiento acústico, VirBAcous puede contribuir al avance de nuevos métodos de construcción más sostenibles.
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