Eco-design of airborne sound insulation in Recycled Lightweight Concrete walls for Brazilian social housing: A reliability-based approach
Eco-design do isolamento acústico aéreo em paredes de Concreto Leve Recrutado para Habitação Social Brasileira: Uma abordagem baseada em confiabilidade.
Autores:
- Rodrigo Scoczynski Ribeiro
- Rubia Mara Bosse
- Gustavo de Miranda Saleme Gidro
- Laura Silvestro
- Marc Arnela
- Elias Ze
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Publicado em: 26 de novembro de 2024
Abstract
In Brazil, normal strength concrete (NSC) and steel bars are commonly used to construct residential buildings with concrete walls. However, recent discussions have highlighted the environmental impact of these traditional methods, particularly in terms of carbon footprint and the use of virgin materials. In response, alternative materials such as lightweight recycled coarse aggregates are promising. While Eco-design often focuses on structural and material aspects, acoustic efficiency is often neglected. This paper focuses on the airborne sound insulation of a single-story house in a Brazilian housing program constructed using a concrete wall system made of NSC. An accurate experimental validation was carried out in this house, recording a measured and simulated Weighted Standardized Level Difference (DnT,w) of 50 dB for a partition wall between two living rooms, outperforming the national standard requirement of 40 dB. With the simulation data validated, an innovative assessment using reliability methods was proposed to analyze the sensitivity of the problem in terms of the main variables using three alternative wall materials: NSC, Lightweight Concrete (LC), and Recycled Lightweight Concrete (RLC). A sensitivity analysis using Sobol’s indices identified wall thickness, density, and Young’s modulus as the most critical input parameters to the model. Monte Carlo Simulation (MCS) was used to calculate the failure probability of each assumed thickness, and Reliability-Based Design Optimisation (RBDO) was used to determine the optimum thickness to meet the standard requirement. Through RBDO, we determined optimal wall thicknesses for the concrete mixes studied, aiming at a sound reduction index (Rw) of 43 dB, following the Brazilian standard ABNT NBR 15575-4 and ISO 12354-1. The optimal thicknesses were 7.3 cm for NSC, 11.15 cm for LC, and 10.27 cm for RLC. Innovative acoustic-carbon efficiency indices are proposed to evaluate the studied materials: the Carbon-Acoustic Efficiency Index (CAEi) and the Recyclability-Acoustic-Carbon Efficiency Index (RACEi), which are used for a comprehensive assessment of both sustainability and acoustic performance between materials. Using these indices, the study shows that RLC can definitively replace NSC for airborne sound insulation, offering additional environmental benefits such as recyclability.
Resumo
No Brasil, concreto de resistência normal (NSC) e barras de aço são comumente usados para construir edifícios residenciais com paredes de concreto. No entanto, discussões recentes destacaram o impacto ambiental desses métodos tradicionais, particularmente em termos de pegada de carbono e uso de materiais virgens. Em resposta, materiais alternativos, como agregados reciclados leves, são promissores. Embora o Ecodesign frequentemente se concentre nos materiais de construção e aspectos estruturais, a eficiência acústica é frequentemente negligenciada. Este artigo se concentra no isolamento acústico aéreo de uma casa térrea com parede de concreto feito de NSC construída por um programa habitacional brasileiro. Uma validação experimental precisa foi realizada nesta casa, registrando uma diferença de nível padronizada ponderada (DnT;w) de 50 dB entre medida e simulação para uma parede divisória entre duas salas de estar, superando o requisito padrão nacional de 40 dB. Com os dados de simulação validados, uma avaliação inovadora usando métodos de confiabilidade foi proposta para analisar a sensibilidade do problema em termos das principais variáveis usando três materiais de parede alternativos: NSC, concreto leve (LC) e concreto leve reciclado (RLC). Uma análise de sensibilidade usando os índices de Sobol identificou a espessura da parede, a densidade e o módulo de Young como os parâmetros de entrada mais críticos para o modelo. A Simulação de Monte Carlo (MCS) foi usada para calcular a probabilidade de falha de cada espessura assumida, e a Otimização de Projeto Baseada em Confiabilidade (RBDO) foi usada para determinar a espessura ótima para atender ao requisito padrão. Por meio da RBDO, determinamos espessuras de parede ótimas para as misturas de concreto estudadas, visando um índice de redução sonora (Rw) de 43 dB, seguindo a norma brasileira ABNT NBR 15575-4 e ISO 12354-1. As espessuras ótimas foram 7,3 cm para NSC, 11,15 cm para LC e 10,27 cm para RLC. Índices inovadores de eficiência acústica-carbono são propostos para avaliar os materiais estudados: o Índice de Eficiência Carbono-Acústica (CAEi) e o Índice de Eficiência Reciclabilidade-Acústica-Carbono (RACEi), que são usados para uma avaliação abrangente da sustentabilidade e do desempenho acústico entre materiais. Usando esses índices, o estudo mostra que o RLC pode substituir definitivamente o NSC para isolamento de som aéreo, oferecendo benefícios ambientais adicionais, como reciclabilidade.
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
