ATENUAÇÃO DE VIBRAÇÕES CONFERIDA POR PAVIMENTOS FLUTUANTES EM INSTALAÇÕES DESPORTIVAS ABORDAGEM LABORATORIAL

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1 ATENUAÇÃO DE VIBRAÇÕES CONFERIDA POR PAVIMENTOS FLUTUANTES EM INSTALAÇÕES DESPORTIVAS ABORDAGEM LABORATORIAL J. ANTÓNIO A. TADEU Prof. Eng.ª Civil Prof. Eng.º Civil DEC-FCTUC DEC-FCTUC/ITECONS P. PINTO R. RIBEIRO Eng.º Mecânico Eng.º Mecânico CDM Portugal AMPLITUDE ACOUSTICS Lisboa; Portugal Maia; Portugal J. NASCIMENTO D. TADEU Eng.º Civil Estudante de Mestrado ITECONS DEC/FCTUC RESUMO No presente trabalho apresenta-se uma abordagem laboratorial, que possa ser adequada, para caracterizar a atenuação de vibrações conferida por soluções de pavimento flutuante aplicadas em instalações desportivas. A atenuação de vibrações, devida à aplicação de soluções de pavimento flutuante, nomeadamente em instalações desportivas, depende de vários factores, sobretudo da rigidez da base onde são aplicadas, da massa da própria solução e da frequência e tipo das cargas/excitações aplicadas. Os resultados que se apresentam neste trabalho referem-se à instalação de soluções de pavimento flutuante aplicadas sobre uma laje maciça de betão. O pavimento flutuante é constituído por apoios resilientes discretos, sobre os quais assenta um piso em camadas. Neste trabalho estudaram-se pisos leves, à base de painéis de contraplacado marítimo, telas resilientes e OSB, e pisos pesados constituídos por OSB e lajeta em betão. Embora durante os ensaios se tenham utilizado pesos com diferentes massas e diferentes alturas de queda para excitar o sistema, para facilitar a interpretação de resultados, apenas se apresentam resultados obtidos com pesos de 3 kg e uma altura de queda de.8 m. Registaram-se as vibrações geradas pela queda do peso na base da laje, com e sem as soluções de pavimento aplicadas, o que permite comparar as soluções e determinar a atenuação de vibrações em relação à situação de referência. 1. INTRODUÇÃO Os utilizadores dos edifícios, mencionam, frequentemente, a incomodidade provocada pelas vibrações como uma causa de desconforto. A vibração gerada por actividades humanas surge em diversas situações, como por exemplo, em ginásios, estúdios de dança, estádios e até em edifícios de escritórios. O aumento deste tipo de situações está relacionado com o aumento de actividades humanas como; com a diminuição das frequências naturais dos pavimentos devido ao aumento dos vãos; e com a diminuição da massa e do amortecimento dos pavimentos [1]. A necessidade de compreender melhor os fenómenos associados à vibração de pavimentos, e de definir e estudar soluções que atenuem as vibrações, tem dado origem a diversos estudos, quer numéricos, quer experimentais, desenvolvidos em laboratório ou in-situ [2-8]. A excessiva vibração dos pavimentos provoca desconforto aos seus utilizadores, mas também se propaga como ruído estrutural a outras partes do edifício, incomodando outras pessoas que não estão envolvidas nas actividades geradoras de vibração. Apesar de serem conhecidos critérios limite recomendados para a vibração dos pavimentos, muitas vezes na fase de projecto não é conhecido o tipo de utilização a dar aos espaços e não são efectuados estudos específicos para o efeito. Exemplo desta situação são espaços, em edifícios, destinados para lojas (espaços comerciais ou de serviços), em que na fase de construção não é previsível o tipo de ocupação. Nestes espaços são instalados, com frequência, ginásios onde decorrem diferentes tipos de actividade física que induz vibração. Nesta situação, é, muitas vezes, 1

2 J. António, A. Tadeu, P. Pinto, R. Ribeiro, J. Nascimento, D. Tadeu, Atenuação de vibrações conferida por pavimentos necessário adaptar os espaços introduzindo soluções construtivas adicionais que permitam mitigar as vibrações. Estas soluções são constituídas por isoladores de vibração, mantas resilientes e massas adicionais. No entanto, não é simples definir uma solução a partir de cálculos puramente teóricos com a garantia de um bom desempenho. É vantajoso testar as soluções em laboratório para poder prever de forma mais aproximada o seu comportamento in situ. Com este objectivo, no presente artigo apresentam-se resultados laboratoriais da avaliação da transmissão de vibrações através de soluções de pavimentos desenhadas para a aplicação em espaços para o funcionamento de ginásios. 2. TRABALHO LABORATORIAL 2.1 Soluções e montagem As soluções de melhoria a implementar foram montadas sobre uma laje de betão apoiada sobre vigas de madeira, para poder formar uma caixa-de-ar sob esta e simular uma laje apoiada nos bordos. Sobre este suporte são, então, aplicadas as soluções de melhoria. As soluções são constituídas por apoios resilientes discretos aplicados sob uma calha metálica. Foram ensaiados apoios com duas alturas distintas (5 mm e 3 mm). Sobre estas linhas de apoios é aplicado um piso. Nalgumas situações aplicaram-se barrotes de madeira sobre os apoios para aumentar a caixa-de-ar sob o piso. A caixade-ar pode, então, apresentar 3 mm (apoio de 3 mm), 1 mm (apoio de 3 mm com barrote de 7 mm), 5 mm (apoio de 5 mm) ou 1 mm (apoio de 5 mm com barrote de 7 mm) de espessura. A caixa-de-ar pode estar parcialmente preenchida com lã de rocha de 3 mm de espessura e massa volúmica de kg/m 3. Os pisos ensaiados foram de duas categorias: soluções leves e soluções pesadas. As soluções leves são constituídas por camadas de contraplacado marítimo, OSB e telas amortecedoras. As soluções pesadas são constituídas por uma camada de OSB e uma lajeta de betão. A Figura 1 apresenta um esquema genérico do tipo de soluções estudadas e a Figura 2 exibe o pormenor de um dos apoios e da montagem de um dos sistemas. Os apoios a utilizar sob as soluções leves têm uma capacidade de carga inferior à dos apoios a usar sob a solução de piso pesado. piso barrote apoio resiliente Figura 1: Esquema do tipo de soluções estudadas Soluções Leves Figura 2: Tipo de apoios e pormenores da montagem. As soluções pesadas foram designadas como L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7 e L8: L1: solução com apoios resilientes de 5 mm de espessura, barrotes de madeira de 7 mm de altura, uma camada de contraplacado marítimo de 19 mm, uma camada de 18 mm de OSB, uma tela amortecedora e uma camada de OSB de 18 mm; caixa-de ar vazia; L2: solução semelhante à L1, com a caixa-de ar parcialmente preenchida com lã de rocha; L3: solução L1 com reforço; com mais uma camada de tela amortecedora e uma camada de OSB; L4: solução L2 com reforço; com mais uma camada de tela amortecedora e uma camada de OSB; L5: solução L2, sem os barrotes; L6: solução L4, sem os barrotes; 2

3 J. António, A. Tadeu, P. Pinto, R. Ribeiro, J. Nascimento, D. Tadeu, Atenuação de vibrações conferida por pavimentos L7: solução com apoios resilientes de 3 mm de espessura, uma camada de contraplacado marítimo de 19 mm, uma camada de 18 mm de OSB, uma tela amortecedora e uma camada de OSB de 18 mm; caixa-de ar parcialmente preenchida com lã de rocha; L8: solução L7 com reforço; com mais uma camada de tela amortecedora e uma camada de OSB Soluções pesadas As soluções pesadas foram designadas como H1, H2, H3, H4, H5 e H6: H1: solução com apoios resilientes de 5 mm de espessura, barrotes de madeira de 7 mm de altura, uma camada de OSB de 18 mm e uma lajeta de betão de 7 mm; caixa-de vazia; H2: solução semelhante à H1, com a caixa-de-ar parcialmente preenchida por lã de rocha; H3: solução H2, com uma tela amortecedora entre o OSB e a lajeta de betão; H4: solução H2, sem os barrotes de madeira; H5: solução com apoios resilientes de 3 mm de espessura, barrotes de madeira de 7 mm de altura, uma camada de OSB de 18 mm e uma lajeta de betão de 7 mm; caixa-de ar parcialmente preenchida com lã de rocha; H6: solução H5 sem os barrotes de madeira. 2.2 Equipamento Para realizar os ensaios usaram-se 6 acelerómetros DeltaTron da marca Brüel & Kjær, Tipo (ver Figura 2a). Os acelerómetros são ligados a um sistema de aquisição da HBM com 8 canais, modelo QuantumX MX8A (ver Figura 2b). Este sistema está ligado a um computador portátil com o software HBM catman Easy que permite visualizar e guardar os dados. Para gerar a vibração no pavimento usaram-se halteres de ginásio (ver Figura 2c). c) Figura 2: Equipamento utilizado: a) acelerómetros; b) sistema de aquisição; c) pesos. 2.3 Descrição do ensaio e tratamento de resultados Para simular a vibração do pavimento, este é solicitado através da queda de um peso (haltere). Durante a campanha experimental foram usados halteres com diferentes massas e deixados cair de diferentes alturas. No entanto, neste artigo, para facilitar a interpretação dos resultados, apenas se vão apresentar os resultados obtidos quando se usou um haltere de 3 kg e uma altura de queda de.8 m. As vibrações do pavimento foram registadas em 3 acelerómetros colocados no topo do piso e 3 acelerómetros colocados na base da laje de betão, em posições homólogas. Dois dos acelerómetros foram colocados perto do centro do pavimento e um deles mais próximo de um canto. Neste artigo apenas se vão apresentar os resultados registados na base da laje. A solução que conduza a menores vibrações na base da laje será a mais eficaz. O sistema de aquisição de sinal adquire o registo da aceleração no domínio do tempo. Posteriormente é efectuada uma transformada rápida de Fourier para passar a aceleração para o domínio da frequência. O sinal é posteriormente integrado podendo ser apresentado em bandas de frequência previamente selecionadas. Alguns dos resultados são apresentados em níveis de aceleração, tendo-se usado como aceleração de referência 1-6 m/s 2. Os resultados são apresentados de uma forma geral, como a média dos três acelerómetros. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados são apresentados em bandas de um terço de oitava entre as bandas de 3.15 Hz e Hz. Na figura 3 apresenta-se o nível de vibração registado para quatro das soluções de piso leve, L1, L2, L3 e L4. Pretende-se verificar o efeito da lã de rocha na caixa-de-ar neste tipo de soluções. Este efeito não é muito notório nas soluções analisadas. Para as soluções mais leves (Figura 3a), o efeito da lã de rocha na atenuação das vibrações verifica-se em frequências 3

4 aceleração na base da laje (m/s 2 ) aceleração na base da laje (m/s 2 ) J. António, A. Tadeu, P. Pinto, R. Ribeiro, J. Nascimento, D. Tadeu, Atenuação de vibrações conferida por pavimentos muito baixas até cerca dos 1 HZ. Na restante gama de frequências existem frequências para as quais a colocação de lã de rocha não se mostra benéfica, aumentando a transmissão da vibração. Quando a solução leve é reforçada (as soluções L3 e L4 possuem mais uma placa de OSB e uma tela amortecedora), o facto de ter lã de rocha introduz benefícios nomeadamente nas frequências a partir dos 125 Hz. Nas frequências mais baixas verifica-se, na maior parte dos casos, um aumento de vibração devido à introdução da lã de rocha na caixa-de-ar. Nas Figuras 4a e 4b podemos apreciar o registo da vibração em banda mais estreita. Estas figuras permitem verificar que a introdução da lã de rocha pode alterar o modo de vibração, alterando a posição dos picos e a sua amplitude que para algumas frequências aumenta. As quatro soluções têm um comportamento bastante próximo. Em termos globais, a solução que apresenta um melhor comportamento é a L4 (solução reforçada com lã de rocha na caixa-de-ar), embora para algumas frequências específicas a solução L3 (solução reforçada com caixa-de-ar vazia) apresente os melhores resultados L2 - cx ar lã mineral (1 mm) L1 - cx ar vazia (1 mm) L4 - cx ar lã mineral (1 mm) L3 - cx ar vazia (1 mm) Figura 3: Acelerações na base da laje, em bandas de terço de oitava, quando se compara um tipo de piso com e sem lã de rocha na caixa-de-ar: a) soluções L1 e L2; b) soluções L3 e L L2 L1.6 L4 L Figura 4: Acelerações na base da laje, em banda estreita, quando se compara um tipo de piso com e sem lã de rocha na caixa-de-ar: a) soluções L1 e L2; b) soluções L3 e L4. Para poder analisar o efeito da espessura da caixa-de-ar, mantendo o mesmo tipo de apoio, compararam-se as soluções L2, L4, L5 e L6. Os apoios nestas soluções são de 5 mm e a caixa-de ar está sempre parcialmente preenchida com lã de rocha. Na Figura 5a, verifica-se que quando se reduz a caixa-de-ar de 1 mm para 5 mm (retira-se o barrote) a transmissão da vibração diminui, de uma forma geral, com excepção das frequências entre os 5 Hz e os 1 Hz, onde o aumento da caixa-de-ar introduz algum benefício. Quando se compara a solução reforçada com a não reforçada, independentemente da espessura da caixa-de-ar, em termos globais, as soluções reforçadas apresentam um melhor comportamento. Comparou-se, também o comportamento dos apoios de 5 mm com os de 3 mm, sem aplicação de barrotes, o que conduz a caixas-de-ar de 5 mm e 3 mm de espessura, respectivamente. Na Figura 5b, observa-se que em geral a menor transmissão de vibração se dá quando se usam os apoios de 5 mm. Esta situação acontece para todas as frequências nas soluções não reforçadas. Nas soluções reforçadas, existem frequências pontuais onde isto não se verifica. A menor rigidez dos apoios de 5 mm, devido à maior espessura dos mesmos, conduz a um maior isolamento da vibração. A solução que apresenta pior comportamento é a solução com apoios de 3 não reforçada. 4

5 J. António, A. Tadeu, P. Pinto, R. Ribeiro, J. Nascimento, D. Tadeu, Atenuação de vibrações conferida por pavimentos Na Figura 6a, apresentam-se os resultados obtidos para as soluções com lajeta de betão, quando se usam apoios de 5 mm. Quando se compara a solução H1 com a H2, verifica-se que o efeito da presença da lã de rocha, na caixa-de-ar, é benéfico para frequências acima dos Hz. No entanto, observa-se que para frequências inferiores a presença da lã de rocha não tem um efeito significativo, ou o efeito até é prejudicial. A aplicação de uma tela amortecedora entre o OSB e a lajeta de betão não introduz efeitos significativos na atenuação nas vibrações, para as frequências mais baixas, como se pode ver ao comparar as curvas H2 e H3. Contudo, tem um efeito desfavorável para as frequências mais altas. A comparação da solução H2 com a H4 permite verificar que uma caixa-de-ar com maior espessura é apenas vantajosa nas frequências mais altas. Abaixo dos 5 Hz, a caixa-de-ar de menor espessura apresenta melhores resultados. Quando se comparam soluções com apoios de espessura diferente (H2 com H5 e H4 com H6, ver Figura 6b) verifica-se que a menor rigidez do apoio mais espesso (5 mm) contribui para uma maior atenuação das vibrações, na maior parte das frequências L6 - cx ar lã mineral (5 mm) reforço L5 - cx ar lã mineral (5 mm) L4 - cx ar lã mineral (1 mm) reforço L2 - cx ar lã mineral (1 mm) 3 L8 - cx ar lã mineral (3mm) reforço L7 - cx ar lã mineral (3 mm) L6 - cx ar lã mineral (5 mm) reforço L5 - cx ar lã mineral (5 mm) Figura 5: Acelerações na base da laje, em bandas de terço de oitava, para as soluções leves: a) apoios de 5 mm; b) apoios de 5 mm e 3 mm. 8 8 H4 - cx ar lã mineral (5 mm) H3 - cx ar lã mineral (1 mm) + tela H2 - cx ar lã mineral (1 mm) H1 - cx ar vazia (1 mm) H6 - cx ar lã mineral (3 mm) H5 - cx ar lã mineral (1 mm) H4 - cx ar lã mineral (5 mm) H2 - cx ar lã mineral (1 mm) Figura 6: Acelerações na base da laje, em bandas de terço de oitava, para as soluções pesadas: a) apoios de 5 mm; b) apoios de 5 mm e 3 mm. Na Figura 7 apresenta-se a atenuação da vibração, em relação à laje de referência, originada pelas soluções leves. Para obter a atenuação, ao nível de vibração registado na base da laje, sem qualquer solução instalada, foi subtraído o nível de aceleração, obtido na base da laje, com a solução instalada. Refira-se que nas frequências mais baixas, estas soluções são pouco eficazes na atenuação da vibração. Só acima dos 5 Hz é que a eficácia das soluções é visível. O comportamento das diferentes soluções vai variando com a frequência sendo difícil concluir qual a melhor solução. No entanto, uma das soluções que demonstra pior comportamento é a solução L7, que é aquela que tem os apoios mais rígidos (3 mm) e não tem reforço. Na Figura 8 observa-se a atenuação da vibração, em relação à laje de referência, originada pelas soluções pesadas. Verifica-se que a atenuação da vibração, conferida pelas várias soluções, não apresenta valores muito distintos. Refirase que a massa das várias soluções é também bastante semelhante. Abaixo dos 63 Hz existe uma série de ressonâncias que originam algumas amplificações da vibração conduzindo a atenuações da vibração negativas. É a partir da banda dos 63 Hz que começa a existir uma atenuação positiva das vibrações. Não existe uma solução que se destaque em 5

6 L a L a L a L a J. António, A. Tadeu, P. Pinto, R. Ribeiro, J. Nascimento, D. Tadeu, Atenuação de vibrações conferida por pavimentos relação às outras, pois acabam por ter um comportamento semelhante, e uma mesma solução pode ser melhor que as outras numa banda de frequência e pior noutra banda. Comparando a atenuação de vibrações conferida pelas soluções leves e pesadas, em conjunto, observa-se que algumas se destacam pela positiva e outras pela negativa. Até aos 1 Hz uma das melhores soluções é a H4 e uma das piores a L1. Entre os 1 e os 1 Hz, o comportamento é muito variável, correspondendo algumas das melhores soluções às soluções pesadas. Entre os 1 Hz e os Hz, as soluções pesadas começam a comportar-se pior, sendo piores ou igualando as soluções leves mais fracas. Entre os Hz e os 1 Hz as soluções pesadas continuam a ter. de forma geral um comportamento pior que as melhores soluções leves. Acima dos 1 Hz, as soluções aproximam-se mais umas das outras. Em termos globais pode concluir-se que as soluções pesadas apenas parecem apresentar vantagens nas frequências mais baixas. Em termos globais, a atenuação da vibração vai aumentando com a frequência até cerca dos 1258 Hz, diminuindo a partir desta frequência. Nas baixas frequências a atenuação conferida pelas soluções pesadas e pelas soluções leves é baixa e, devido aos vários fenómenos de ressonância que surgem, o comportamento de cada uma delas é muito variável. No entanto, com estas soluções leves ou pesadas conseguem-se atingir valores apreciáveis de atenuação da vibração. Na frequência dos 1 Hz, por exemplo, conseguem-se atenuações que vão dos 22 db aos 35 db, e na frequência dos 5 Hz atenuações que vão dos 37 db aos 5 db.. L8 L7 L6 L5 L4 L3 L2 L1 L8 L7 L6 L5 L4 L3 L2 L Figura 7: Atenuação da vibração conferida pelas soluções leves em relação à laje de referência: a) frequências entre os 3.5 Hz e os Hz; b) frequências entre os 3.5 Hz e os 1 Hz. H6 H5 H4 H3 H2 H1 H6 H5 H4 H3 H2 H Figura 8: Atenuação da vibração conferida pelas soluções pesadas em relação à laje de referência: a) frequências entre os 3.5 Hz e os Hz; b) frequências entre os 3.5 Hz e os 1 Hz. 4. CONCLUSÕES Neste artigo apresentaram-se resultados, obtidos em laboratório, da caracterização de soluções para atenuação de vibrações, a serem aplicadas sobre pavimentos existentes. Usou-se como base e referência uma laje estrutural maciça, em betão armado, sobre a qual forma instaladas as soluções. As soluções são constituídas por apoios resilientes discretos sobre os quais foram colocadas soluções de piso leves e pesadas. 6

7 J. António, A. Tadeu, P. Pinto, R. Ribeiro, J. Nascimento, D. Tadeu, Atenuação de vibrações conferida por pavimentos Nas soluções leves o efeito da lã de rocha na caixa-de-ar não é muito notório, sendo os resultados com e sem lã de rocha muito semelhantes. Analisando os resultados com algum detalhe verifica-se que a de lã de rocha aumenta ligeiramente a atenuação da vibração apenas em frequências muito baixas, sendo por vezes até desfavorável para frequências mais altas. Quando a solução leve é reforçada o efeito da presença da lã de rocha é benéfico em frequências a partir dos 125 Hz e para frequências mais baixas é desfavorável em muitas frequências, aumentando a vibração. Analisou-se também o efeito da espessura da caixa-de ar quando se usa um determinado tipo de apoio (5 mm). Verificou-se que entre os 5 Hz e os 1 Hz é visível a diminuição da transmissão da vibração quando se aumenta a caixa-de ar. Verifica-se, que uma solução reforçada também apresenta sempre um melhor comportamento. Comparou-se também o desempenho das soluções quando se usam apoios de 3 mm ou 5 mm e conclui-se, de uma forma geral, que os apoios de 5 mm se comportam melhor devido à sua menor rigidez. Quando se ensaiaram as soluções mais pesadas constatou-se que, se verifica uma ligeira melhoria do desempenho, quando se introduz lã de rocha na caixa-de-ar, especialmente a partir dos Hz. Também se verificou que a introdução de uma tela amortecedora entre o OSB e a lajeta de betão não introduz um acréscimo significativo na atenuação da vibração. Observou-se que uma caixa-de-ar com maior espessura é apenas vantajosa nas frequências altas, existindo gamas de frequências onde a caixa-de-ar de menor espessura apresenta melhores resultados. Também nas soluções pesadas, quando se compara o desempenho dos apoios de 5 mm e de 3 mm, se verifica que, de uma forma geral, o apoio de 5 mm apresenta um melhor comportamento para a atenuação das vibrações. Tanto as soluções leves como as pesadas permitem atingir valores consideráveis de isolamento às vibrações. 5. AGRADECIMENTOS Os resultados apresentados neste artigo foram obtidos no âmbito de um programa de ensaios promovido pela empresa CDM. 6. REFERÊNCIAS [1] Allen, D. E., Building Vibrations from Human Activities, Concrete International: Design & Construction, 199 vol. 12, nº. 6, pp [2] Jarnerö, K. et al, Vibration properties of a timber floor assessed in laboratory and during building construction, INTERNOISE 1, Lisboa, Portugal, Junho, 1. [3] Crespo, J. A., Measurements of vibrations in wooden floors induced by walking, Bachelor s Dissertation, Lund University, 9. [4] Omenzetter, P. et al, Evaluation of timber-concrete floor performance under occupant induced vibrations using continuous monitoring, in B Basu (ed.), Damage assessment of structures X : selected peer reviewed papers from the 1th international conference on damage assessment of structures (DAMAS 13), July 8-1, 13, Dublin, Ireland. [5] Favor C. M., Evaluation of a floating aerobics floor, MSc Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, [6] Gartenburg, P., Comparing low frequency impact noise using a tapping machine and heavy/hard impact source on various fitness floor assemblies, INTERNOISE 14, Melbourne, Austrália, Novembro, 14. [7] Li; W.W. et al, Floor vibration due to human rhythmic activities: Tin Shui Wai Public Library Cum Indoor Recreation Centre Procedia Engineering, 11, nº14, pp [8] Ellis, B. R.; Ji, T., Floor vibration induced by dance type loads: verification, The Structural Engineer, 1994, vol. 72, nº 3/1, pp