Simulación numérica de la transmisión indirecta estructural y de la transmisión del ruido de impactos en edificios

Résumé

El diseño y construcción de edificios con un comportamiento acústico adecuado es una tarea a la que se están dedicando muchos esfuerzos de investigación, puesto que se están desarrollando modelos de predicción del comportamiento acústico que son más eficientes y precisos, tanto para los edificios en su conjunto, como para sus componentes. El método de los elementos finitos (FEM, Finite Element Method) es una herramienta ampliamente utilizada en ingeniería para simular algunos fenómenos físicos cuando la resolución analítica no es abordable, por ejemplo por la complejidad geométrica del problema. De esta forma se disminuye la necesidad de ensayos, que resultan especialmente costosos, con equipos altamente especializados, y que alargan mucho el tiempo de desarrollo de nuevas soluciones constructivas. La aplicación de códigos de elementos finitos para el cálculo de las transmisiones del sonido en edificios, puede facilitar la realización de proyectos, contribuyendo a la mejora de la predicción del comportamiento acústico, facilitando el cumplimiento de la normativa y permitiendo el uso de menos recursos económicos y medioambientales. En esta tesis se ha investigado la aplicación de códigos de cálculo por el método de los elementos finitos en la simulación numérica de dos problemas vibroacústicos en edificios: la transmisión indirecta estructural (transmisión por flancos), mediante la determinación del índice de reducción de vibraciones, y la transmisión del ruido de impactos, mediante la determinación de la reducción del nivel de presión del ruido de impactos. Para ello se ha realizado una revisión de las líneas de investigación abiertas, la normativa aplicable y las publicaciones científicas relacionadas con los diferentes enfoques del problema. Se han incluido los fundamentos teóricos más relacionados con los desarrollos de esta tesis, siguiendo el enfoque incorporado en la normativa vigente, para que dichos desarrollos estén orientados a su aplicación práctica. También se han desarrollado los conceptos relacionados con el análisis por el FEM en vibroacústica, prestando especial atención a los procesos de verificación y validación de los resultados, usados con el fin de valorar la fiabilidad, las limitaciones, las debilidades y las incertidumbres de las simulaciones computacionales. Respecto a los desarrollos realizados, se ha empezado por analizar problemas simples, como las uniones de barras en L, pasando a estudiar uniones de placas en L, e incorporando capas flexibles. A continuación se estudian aplicaciones relacionadas directamente con la normativa vigente, calculando el índice de reducción de vibraciones de una unión en cruz vertical y la reducción del nivel de presión del ruido de impactos mediante suelos flotantes. La respuesta vibroacústica obtenida mediante modelos FEM, en el caso de barras unidas en L, se ha evaluado mediante la determinación de la diferencia de nivel de velocidad entre el elemento excitado y el elemento no excitado, como estimación de la transmisión acústica a través de los elementos. Se ha prestado especial atención a la información sobre las mallas y los modos propios de vibración. Además, se ha realizado un proceso de validación de los resultados, incluyendo análisis de convergencia y medidas experimentales. También se ha analizado la respuesta vibroacústica obtenida mediante modelos FEM en el caso de placas unidas en L, mediante la determinación de la diferencia de nivel de velocidad entre el elemento excitado y el elemento no excitado. Se ha analizado la influencia de diferentes tipos de geometría, características del material, mallas y la incorporación de una capa elástica. Los resultados se han validado utilizando medidas experimentales y comparando diferentes modelos de cálculo. Se ha estudiado la aplicación del FEM para el cálculo del índice de reducción de vibraciones de una unión en cruz, tomando como referencia las normas EN ISO 10848-1 (2007), EN ISO 10848-4 (2011), EN ISO 10140-5 (2011) y EN 12354-1 (2000). Se analizaron diferentes espesores, condiciones de excitación y otros parámetros. Por último, se ha analizado la respuesta al ruido de impactos en los suelos mediante modelos con mallas de elementos 2D y de elementos 3D. También se ha estudiado la reducción del nivel de presión de ruido de impactos mediante modelos de elementos finitos, tomando como referencia el modelo de ensayo descrito en la norma EN ISO 16251-1 (2015). Se ha utilizado, entre otras, una excitación tipo máquina de martillos normalizada. El uso de modelos FEM con elementos 2D ha resultado adecuado, lo que permite abordar problemas en frecuencias más altas, con menor esfuerzo computacional. El proceso de validación y calibración ha permitido dar fiabilidad al modelo FEM adoptado, valorando su diferencia con las medidas experimentales y con otros modelos FEM. La aproximación obtenida con los modelos FEM ha sido buena, comparada con otros estudios, y se podrían utilizar estos modelos para evaluar la influencia de otros parámetros en la diferencia de nivel de velocidad, el índice de reducción de vibraciones, o la reducción del nivel de presión de ruido de impactos. El procedimiento seguido permite realizar estudios sobre los parámetros involucrados en la transmisión vibroacústica sin utilizar de forma intensiva modelos físicos, que suelen ser más costosos y lentos. Además, permite detectar algunos problemas, antes de construir las instalaciones de ensayo, y realizar comprobaciones cruzadas entre los resultados experimentales y numéricos, para dar mayor fiabilidad a los mismos.