Projeto Hybrid Log Shield
Barreira acústica do tipo cristal sónico
O projeto
A "Barreira acústica do tipo cristal sónico" é uma solução inovadora e sustentável para mitigar o ruído do tráfego rodoviário e a exposição a radiações eletromagnéticas.
Baseada em troncos de madeira circulares, possui configuração periódica que cria "band gaps" para atenuação sonora.
Através de modelagem e simulação numérica, foram otimizadas as características e a altura da barreira. Ensaios em laboratório e medições in situ confirmaram o desempenho acústico, mostrando elevado isolamento sonoro e atenuação em frequências relevantes.
Essa solução valoriza troncos de madeira como um recurso abundante e até então subutilizado.
Barreira acústica para mitigação do ruído de tráfego rodoviário
A partir de meados do século XX, tomou-se consciência dos efeitos nefastos do ruído causado pela circulação rodoviária e ferroviária sobre os utentes nas proximidades das vias de comunicação. Estudos relativamente recentes da Organização Mundial de Saúde apontam para a perda anual de 1 milhão de anos de vida saudável, só na Europa Ocidental como consequência da exposição ao ruído ambiente e, em particular, ao ruído de tráfego.
As preocupações com este ruído têm levado ao desenvolvimento e implementação de medidas para a sua mitigação. Uma solução amplamente implementada, desde há algumas décadas, tem sido a de sistemas físicos de atenuação sonora, posicionados na vizinhança das vias de comunicação, designados por barreiras acústicas. Atualmente existem diversas soluções no mercado destinadas à atenuação de ruído proveniente de tráfego rodoviário e ferroviário, a grande maioria delas baseadas numa estrutura vertical e contínua, geralmente opaca, soluções que se encontram já amplamente estudadas, sendo assim conhecido o seu comportamento e os seus limites de desempenho.
Em paralelo com a problemática da exposição ao ruído aéreo gerado pelo tráfego rodoviário e ferroviário, sobretudo na última década, tem vindo a surgir uma muito forte preocupação social no que respeita à exposição às radiações eletromagnéticas e, em particular, com as radiações geradas pelos sistemas de comunicações móveis e pessoais, fruto da sua generalizada utilização, também conhecida por poluição eletromagnética, sendo que hoje em dia existe o receio legítimo da população em geral (embora ainda não confirmado cientificamente) de que este tipo de poluição eletromagnética excessiva possa acarretar efeitos nocivos muito significativos, sendo associado frequentemente ao desenvolvimento de tumores.
Conceito de CRISTAL SÓNICO
Em acústica, os cristais sónicos são considerados uma solução promissora, principalmente para a atenuação seletiva de sons, usados, por exemplo, como barreiras acústicas para mitigação do ruído de tráfego. Fenómenos similares são igualmente observáveis na área da propagação das ondas eletromagnéticas e da blindagem seletiva proporcionada por este tipo de dispositivos com estrutura periódica/cristalina.
Objetivos
- Criar um novo conceito de barreira acústica e/ou eletromagnética altamente sustentável, baseada em materiais naturais;
- Desenvolver um sistema que seja competitivo do ponto de vista económico com as soluções existentes no mercado, garantindo, para isso, que o processo industrial associado à produção dos vários elementos seja simples e que possa ser plenamente dominado pela empresa promotora;
- Garantir que, do ponto de vista acústico, o sistema apresente níveis de desempenho acústico comparáveis ou superiores às soluções tradicionais existentes no mercado, permitindo atenuações acústicas da ordem dos 15 dB;
- Desenvolver soluções que garantam uma eficiência como barreira acústica e que simultaneamente seja mais transparente à propagação de ondas de rádio, sobretudo nas bandas de frequência habituais (das redes móveis e pessoais), evitando efeitos de sombra em cenários de aplicação em autoestradas;
- Desenvolver soluções que garantam uma eficiência como barreira à radiação eletromagnética nas bandas de frequência habituais (das redes móveis e pessoais), seletiva ou não, da ordem dos 25 a 30 dB;
- Encontrar soluções de barreira híbrida acústica e eletromagnética que conjuguem boas prestações no controlo da exposição a estes dois tipos de solicitação;
- Propor soluções que sejam paisagística e esteticamente interessantes, por serem facilmente enquadráveis em zonas protegidas sem criar uma rutura visual com a paisagem natural;
- Simplificar a implementação das barreiras propostas em obra, desenvolvendo processos construtivos simples e céleres, e minimizando aspetos usualmente morosos e dispendiosos, como a preparação de fundações em betão (por vezes, relativamente profundas) utilizadas para a fixação de barreiras tradicionais;
- Garantir que o conceito desenvolvido seja único a nível nacional e internacional, abrindo a porta à entrada das soluções em mercados internacionais onde as preocupações com a exposição ao ruído acústico e à radiação eletromagnética são ainda mais valorizadas do que em Portugal
Atividades e Resultados
Estudos preliminares
No âmbito desta atividade procedeu-se à definição de requisitos e de condicionantes técnicas para o novo tipo de barreira acústica a desenvolver bem como à identificação de estratégia de produção. Ainda no âmbito desta atividade, que se encontra concluída, foram produzidos modelos 3D.
3D de painel junto a autoestrada
Exemplo inicial de modelo 3D renderizado de forma foto-realista em paisagem junto a autoestrada.
Modelos 3D foto-realistas com a introdução de barreiras de cristais sónicos junto de autoestrada
Paisagem original, sem barreira e paisagens com barreira de cristais sónicos.
Paisagem original, sem barreira
Parâmetros como a extensão da barreira, a sua “transparência” entre elementos da barreira e o tipo de tratamento superficial dos troncos de madeira influenciam significativamente o impacto visual provocado pela construção das barreiras acústicas, sendo mais reduzido no tipo de barreiras em análise no âmbito do presente projeto.
Paisagem original, sem barreira
Paisagem com barreira de cristais sónicos (troncos não tratados)
Paisagem com barreira de cristais sónicos (impregnação)
Modelos 3D foto-realistas com a introdução de barreiras de cristais sónicos junto de autoestrada.
Paisagem original, sem barreira
Paisagem com barreira de cristais sónicos (troncos não tratados)
Paisagem com barreira de cristais sónicos (troncos com tratamento por impregnação)
Modelos 3D foto-realistas com a introdução de barreiras de cristais sónicos junto de autoestrada.
Paisagem original, sem barreira
Paisagem com barreira de cristais sónicos (troncos não tratados)
Paisagem com barreira de cristais sónicos (impregnação)
Conceção, desenvolvimento e otimização acústica de soluções
No âmbito desta atividade foi efetuado o desenvolvimento e implementação de modelos numéricos eficientes para a simulação acústica do comportamento de barreiras baseadas no conceito de cristais sónicos. Foram utilizados diferentes métodos numéricos, nomeadamente o método dos Elementos Finitos (FEM), o método dos Elementos de Fronteira (BEM) e o método das Soluções Fundamentais (MFS), sendo todos os métodos reconhecidamente adequados para o estudo de fenómenos acústicos no domínio da frequência. Para permitir a realização de distintos tipos de análises (por exemplo, paramétrica e comparativa com dados experimentais), foram implementadas formulações dos modelos bidimensionais (2D) e modelos tridimensionais (3D).
Com os modelos numéricos implementados, realizaram-se diversos estudos paramétricos relativos ao comportamento acústico das barreiras, possibilitando a análise de diferentes parâmetros relacionados com as estruturas periódicas a usar.
Deste modo, inicialmente, foi avaliado o efeito da influência de algumas caraterísticas geométricas da estrutura como o espaçamento entre elementos e a dimensão dos mesmos, a influência da forma dos elementos, recorrendo a elementos mais simples como círculos e semicírculos, triângulos e quadrados. Foi ainda avaliado o efeito da influência da presença aberturas e cavidades para induzir efeitos de ressonância (i.e., ressoadores de Helmholtz), em algumas destas geometrias mais simples, como elementos de secção circular. Para cada uma das simulações foi criada uma geometria e criada a respetiva malha de elementos finitos. Em relação à geometria, de forma a garantir a periodicidade e a simetria necessárias, a largura do retângulo é igual ao espaçamento entre os elementos de cada configuração geométrica. Quanto à malha de elementos finitos, composta por elementos triangulares, esta tem pelo menos 8 elementos por cada comprimento de onda.
Após o referido, procedeu-se à construção e ensaio de protótipos laboratoriais para validação. Para realizar inicialmente uma validação experimental de alguns dos modelos numéricos apresentados anteriormente, utilizou-se, em laboratório do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Coimbra, um modelo da barreira acústica finita construída em escala reduzida (1:6). A barreira acústica foi construída utilizando tubos de PVC (tubos VD) com diâmetro de 2 cm e espaçados entre centros de 3.33 cm, com esses tubos posicionados entre duas placas de XPS, para que os mesmos ficassem nas posições desejadas e se mantivessem alinhados verticalmente. Sendo as amostras construídas à escala 1:6, estes tubos representam elementos dos cristais sónicos com 12 cm de diâmetro. Duas das amostras representam cristais sónicos com 20 cm de espaçamento entre os seus elementos e as outras duas amostras representam os cristais sónicos com espaçamento de 17 cm entre os seus elementos. Foram feitas duas amostras com cada espaçamento, uma vez que, em ambos os casos, uma das amostras tem 3 fiadas de elementos e a outra tem 4 fiadas de elementos. As diversas configurações ensaiadas estão representadas na Figura 32.
Os ensaios experimentais foram realizados numa câmara semi-anecóica (com dimensões úteis de 4.20 x 3.50 x 2.35 m3), com o seu piso coberto com material absorvente para evitar as reflexões que ocorrem no pavimento e para tentar simular condições de propagação em campo livre. A configuração esquemática foi igual para todos os ensaios e está representada nas imagens abaixo.
Barreira acústica do tipo cristal sónico, em escala reduzida 1:6
Com vista à melhoria do desempenho acústico das barreiras de cristais sónicos, têm sido estudadas estratégias de otimização, apoiadas nos modelos numéricos de simulação desenvolvidos, apresentando-se, em seguida alguns resultados preliminares, designadamente, tirando partido da absorção superficial dos elementos das barreiras.
O seguinte gráfico exibe um conjunto de curvas de IL calculadas para estruturas de cristais sónicos rígidos, para frequências entre 100 Hz e 3150 Hz, para dispersores com diâmetros diferentes (50%, 75% e 90% do diâmetro máximo possível). Como pode ser visto nesta figura, conforme o diâmetro dos elementos aumenta, a perda de inserção proporcionada pela barreira torna-se maior. Além disso, em torno da frequência de 1000 Hz, o efeito band gap típico dos cristais sónicos (associado ao efeito Bragg) torna-se mais intenso, e nessa frequência muito pouca energia é capaz de viajar através da barreira. Na mesma figura, uma linha verde representa a perda por inserção prevista para uma barreira de ruído convencional (parede plana rígida, 2.0 m de altura). Comparando os dois tipos de barreira, comportamentos claramente distintos podem ser observados, com a barreira convencional exibindo um aumento progressivo no desempenho à medida que frequências mais altas são consideradas, enquanto o cristal sónico exibe claramente desempenho aumentado em bandas de frequência específicas, que podem superar a convencional barreira, mas com desempenho muito inferior nas frequências restantes.
Neste outro gráfico, são apresentados alguns resultados relativos ao desempenho de uma barreira de cristal sónico com dispersores absorventes, no sentido de otimizar o comportamento das barreiras anteriormente descritas. Dispersores com 75% do diâmetro máximo possível são considerados e duas curvas de absorção sonora diferentes são testadas para sua superfície. O caso mais simples analisado corresponde a coeficientes de absorção variando linearmente entre 0.1 (a 100 Hz) e 0.5 (a 3150 Hz), em que são simuladas barreiras com 3 ou 4 fiadas de elementos dispersores. Comparando a barreira com 3 dispersores, com e sem absorção superficial, torna-se claro que uma melhoria global é visível, em toda a faixa de frequência e, para este caso, melhorias de pelo menos 5 dB são observadas acima de 500 Hz. Mesmo na frequência de Bragg, essa melhora é bastante acentuada. À medida que uma linha adicional é acrescentada, o desempenho é melhorado e o cristal sónico demonstra um desempenho significativamente melhor do que a barreira convencional para todas as frequências acima de 500 Hz. Na frequência de Bragg, uma perda por inserção acima de 30 dB é registrada, o que é um resultado muito bom para qualquer tipo de barreira. Claramente, o efeito da absorção superficial é bastante significativo, e este tipo de solução pode ser de grande interesse prático.
Barreira infinita de cristais sónicos com absorção superficial nos elementos dispersores, curvas de perda por inserção (IL, dB).
Desenvolvimento de soluções estruturais e construtivas
Nesta atividade, numa fase inicial foi recolhida uma amostra de 40 toros de pinheiro bravo, que foi sujeita a ensaios não destrutivos para determinação do módulo de elasticidade dinâmico (Edyn), usando o equipamento MTG (imagem abaixo). Posteriormente, foram efetuados ensaios destrutivos para determinação das propriedades mecânicas dos toros da amostra. O objetivo deste procedimento foi averiguar o potencial de estabelecer critérios de seleção da matéria-prima por via de metodologia não destrutiva, tendo por base regressões lineares simples entre os parâmetros destrutivos e não destrutivos. Os valores obtidos são bastante elevados e vão ao encontro dos disponíveis na literatura também para outras espécies. A título de exemplo, o coeficiente de correlação entre o valor de Edyn e Eestatico foi na ordem de 0,77. Isto vem demonstrar o rigor deste processo na previsão das propriedades mecânicas. Ao nível da previsão da resistência à flexão, o coeficiente de correlação reduziu ligeiramente para 0,74.
No âmbito desta atividade está a ser efetuado o estudo do sistema construtivo da barreira bem como o seu procedimento de montagem em obra. Foram abordadas diversas hipóteses, desde a cravação direta das estacas no terreno ao uso de sapatas em betão ou em ferro. A solução definitiva ainda não foi definida.
Estudo da atenuação de ondas eletromagnéticas
No âmbito desta atividade foi efetuada a caracterização e modelização eletromagnética de barreira acústicas. Assim, foram obtidos os seguintes resultados:
- Desenvolvimento de algoritmos em MATLAB® para a conceção do modelo eletromagnético realista em ambiente computacional (CST Microwave Studio);
- Desenvolvimento do modelo (Figura 63) em CST Microwave Studio para a caracterização e parametrização de variáveis referentes ao modelo.
Exemplo de modelo gerado em CST Microwave Studio.
Ainda no âmbito desta atividade foram estudadas técnicas de blindagem eletromagnéticas e de aumento da transparência eletromagnética, onde foram obtidos os seguintes resultados:
- Resultados de simulações com base na parametrização de variáveis relacionadas com o espaçamento entre postes de madeira, onde se verifica na Figura 64 que com o aumento do espaçamento, a atenuação é reduzida para frequências mais altas;
- Resultados de simulações com base na parametrização de variáveis relacionadas com o diâmetro da secção transversal dos postes, onde se verifica na Figura 65 que, com o aumento do raio, a atenuação é reduzida para frequências mais altas;
- Resultados de simulações com base na parametrização de variáveis relacionadas com a rugosidade da superfície dos postes, onde se verifica na Figura 66 a influência da parametrização de variáveis relacionadas com rugosidade da superfície dos troncos.
- Resultados de simulações com base na parametrização de variáveis relacionadas com gradiente de humidade no interior dos postes, onde se verifica na Figura 67 uma maior atenuação ao longo do espetro eletromagnético com o aumento da humidade nos postes;
- Resultados de simulações com base na parametrização de variáveis relacionadas com o empeno dos postes, com 5 modelos distintos apresentados e o resultado da simulação nas figuras abaixo.
Modelização de 5 casos com empenos diferentes para simulação
Resultados de simulação para os 5 modelos com diferentes parametrizações de empeno
- Resultados de simulações com base na parametrização de número de camadas de postes, onde se verifica na Figura 70 o aumento da atenuação com o aumento de camadas;
Produção e teste de protótipos
Nesta atividade foi concebido e desenvolvido, com base em equipamentos existentes, um sistema para processamento de um dos terminais dos troncos através de uma ferramenta que os torne cónicos (na zona de ligação à base de suporte) bem como um sistema para a execução de bases pré-furadas, onde se encaixam os vários elementos para a produção de protótipos.
Troncos de madeira com terminais cónicos
Sistema para execução de bases pré-furadas para encaixe dos troncos de madeira
No âmbito desta atividade foi efetuada a construção de um protótipo sem processamento superficial. Este protótipo foi fabricado e posteriormente montado nas instalações do parceiro IPL
Construção de um protótipo sem processamento superficial.
Promotores
Cofinanciado por
Aspetos SOCIAIS (Sustentabilidade)
O conceito de barreira acústica do tipo cristal sónico recorre à utilização de materiais sustentáveis, na medida em que a estrutura formada por elementos cilíndricos discretos é constituída por troncos/toros de madeira, com processamento relativamente reduzido, tratando-se de um recurso natural, renovável e abundante.
A barreira acústica do tipo cristal sónico com toros de madeira verticais está claramente enquadrada nos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) da Agenda 2030 das Nações Unidas, aproximando-se principalmente de dois dos objetivos estratégicos, designadamente o “Objetivo 9: Indústria, inovação e infraestruturas” e o “Objetivo 11: Cidades e comunidades sustentáveis”.
“Objetivo 9: Indústria, inovação e infraestruturas”
“. Desenvolver infraestruturas de qualidade, de confiança, sustentáveis e resilientes, incluindo infraestruturas regionais e transfronteiriças, para apoiar o desenvolvimento económico e o bem-estar humano, focando-se no acesso equitativo e a preços acessíveis para todos.”
Relativamente ao ODS 9, relacionado com a Indústria, Inovação e Infraestruturas, importa referir que o principal objetivo do sistema apresentado é o desenvolvimento de uma nova solução tecnológica, para ajudar a enfrentar um importante desafio social e ambiental relacionado com as infraestruturas de transporte, que é o ruído emitido pelo tráfego rodoviário. Por outro lado, a conceção e o desenvolvimento do sistema contribuem claramente para a inovação, fazendo uso dos mais recentes conceitos científicos para desenvolver novas soluções sustentáveis e com baixo nível de processamento, com aplicação prática e interesse do mercado.
“Objetivo 11: Cidades e comunidades sustentáveis”
“. Até 2030, proporcionar o acesso a sistemas de transporte seguros, acessíveis, sustentáveis e a preço acessível para todos, melhorando a segurança rodoviária através da expansão da rede de transportes públicos, com especial atenção para as necessidades das pessoas em situação de vulnerabilidade, mulheres, crianças, pessoas com deficiência e idosos.”
“. Até 2030, reduzir o impacto ambiental negativo per capita nas cidades, inclusive prestando especial atenção à qualidade do ar, gestão de resíduos municipais e outros.”
No que diz respeito ao ODS 11, relacionado com cidades e comunidades sustentáveis, o sistema desenvolvido pretende dar um novo contributo, na forma de uma solução tecnológica eficiente, para potenciar a sustentabilidade ambiental dos aglomerados populacionais, do ponto de vista da poluição sonora gerada pelo tráfego rodoviário. Não é aceitável, na década de 2020, continuar a ignorar tal impacto, deixando milhares de pessoas expostas a níveis de ruído acima das recomendações atuais da OMS. Novas soluções como a barreira acústica do tipo cristal sónico desenvolvida podem contribuir para enfrentar este problema e permitir cidades mais sustentáveis, reduzindo um dos impactos mais importantes transporte automóvel (ruído) e melhorando globalmente o bem-estar dos cidadãos e a qualidade ambiental.