Analisi numerica e confronto sperimentale per il calcolo della Transmission Loss di un pannello sandwich

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INTRODUZIONE 
Il progetto di ricerca PIROS (Progettazione Integrata di componenti multifunzionali per 
applicazioni in sistemi del settore ferrotranviario e dei vettori di medie dimensioni, 
associata alla RealizzaziOne di Speciali “facilities” per prove e qualificazioni di 
materiali in condizioni di fiamma) ha come obiettivo lo sviluppo di sistemi strutturali 
multifunzionali in materiale composito a matrice polimerica o ibrida, ad elevate 
prestazioni meccaniche/vibro acustiche e di resistenza al fuoco, da adoperare in 
applicazioni del settore ferrotranviario o dei vettori di medie dimensioni. 
Tali componenti strutturali, grazie alla loro peculiare combinazione e composizione, 
devono essere in grado di fornire proprietà meccaniche specifiche (rigidezza, resistenza) 
quantomeno paragonabili alle più comuni strutture realizzate in leghe metalliche in 
modo tale da prospettarsi come eccellenti candidati nelle future applicazioni “high tech” 
nell’ambito dei trasporti. 
D’altro canto, l’impiego di materiali di origine organica o sintetica, e perciò 
infiammabili, in veicoli destinati al trasporto passeggeri, è associato al rischio di 
incendi; risulta quindi particolarmente importante studiare il comportamento di tali 
materiali in presenza di fiamma.  
Durante la fase di progettazione preliminare di tali componenti si è reso dunque 
necessario sia sviluppare modelli analitici-numerici dei materiali, dei singoli 
componenti strutturali e del sistema “assemblato” finito, quanto di ricercare delle 
procedure sperimentali affidabili per prevedere il comportamento di tali sistemi 
strutturali multifunzione di reazione e resistenza al fuoco e alla presenza di fiamma.
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Poiché le caratteristiche meccaniche, termiche ed acustiche del pannello sandwich 
multifunzione dipendono dalla scelta dei costituenti principali disposti e legati tra loro, è 
naturale quindi attendersi una stretta dipendenza delle proprietà finali del prodotto con 
le metodologie adoperate in fase di progettazione e soprattutto dal processo di 
fabbricazione utilizzato. 
In tale ottica, la realizzazione dell’obiettivo finale è legato in particolar modo alla scelta 
dei materiali costituenti il pannello sandwich che deve corrispondere alle seguenti 
caratteristiche: 
 ; 
 ; 
 ; 
 ; 
  
Scopo del progetto è quindi una illustrazione dello sviluppo e l’applicazione di una 
tecnica che combini l’utilizzo di un modello strutturale numerico ed un modello 
acustico numerico-analitico al fine di stimare le specifiche strutturali di progetto ed i 
valori di Transmission Loss di un pannello sandwich multifunzione e successivamente 
di caratterizzare il comportamento a fuoco (elevate temperature) di tali modelli. 
Tale tecnica, pur con delle limitazioni che verranno evidenziate in seguito, permette di 
valutare sia le caratteristiche meccaniche del pannello sandwich multifunzione sia il 
livello di isolamento acustico teorico di pannelli caratterizzati da qualsivoglia 
configurazione strutturale (permettendo di variare geometrie, moduli di elasticità del 
materiale, smorzamento interno dello stesso) purché si disponga di modelli agli
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elementi finiti in grado di rappresentare il comportamento dinamico dei pannelli stessi 
con adeguata accuratezza fino alle frequenze di analisi richieste. 
Nella procedura, il comportamento dinamico strutturale è, infatti, rappresentato 
mediante l’approccio modale ovvero mediante le frequenze proprie (reali) dei pannelli e 
le corrispondenti forme modali reali. 
Questi dati rappresentano l’input per la parte acustica modellata analiticamente, che è in 
grado di ricostruire i rapporti energetici che caratterizzano la trasmissione del rumore 
per il pannello esaminato, nell’ipotesi di campo acustico normale alla superficie del 
pannello. 
Quest’ultima ipotesi è la più limitante al momento per l’utilizzo del metodo al fine di 
una progettazione “quantitativa”, tuttavia, considerando che il passaggio da isolamento 
per campo acustico normale ad isolamento per campo acustico diffuso comporta 
variazioni dei valori di Transmission Loss dipendenti quasi esclusivamente dal campo 
acustico stesso (e non dalle caratteristiche del pannello), è plausibile confrontare da un 
punto di vista relativo i risultati ottenuti mediante l’approccio di seguito descritto al fine 
di selezionare la configurazione strutturale che assicura i maggiori valori di TL tra 
quelle investigate. 
Ricordiamo la definizione di pannello sandwich, così come spesso adoperata nella 
letteratura specialistica: “Una struttura sandwich e una particolare specie di laminato 
composito caratterizzato dalla combinazione di diversi materiali che sono connessi 
l’uno all’altro combinando le caratteristiche di ogni materiale”.
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Un pannello sandwich è composto da tre parti principali illustrate nella figura 1.1.  
Due facce sottili e rigide separate da uno strato leggero detto core.  
Le facce sono connesse al core tramite adesivi in modo tale da poter trasferire le 
sollecitazioni. 
 
 
Figura 1.1 - Schema di un pannello sandwich 
 
Il modo di operare per un sandwich è lo stesso che per una trave, nel nostro caso il core 
e le plies del sandwich sono costituiti da materiali differenti.  
Le facce sopportano momenti di flessione e torcenti assorbendoli per sforzo normale, il 
core resiste al taglio e ristabilisce le facce contro l’inarcamento o la piegatura.  
Il legame tra facce ed il core deve essere resistente al taglio per questo l’adesivo 
utilizzato per legare le facce e il core ha un’importanza predominante. 
Nei modelli di sandwich considerati di seguito le facce generalmente sono sottili, 
mentre il core è rigido. 
La scelta dei materiali dipenderà dal tipo di uso e dalle caratteristiche richieste.
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Il design di una struttura sandwich oltre che variare per il tipo di materiale da utilizzare 
varierà anche per la geometria. 
I pannelli sandwich sono caratterizzati da elevate prestazioni di rigidezza e resistenza 
specifiche. 
Il maggiore vantaggio, di un pannello sandwich, è proprio nei valori del rapporto peso – 
rigidezza e peso - resistenza (alte prestazioni meccaniche con pesi contenuti) ciò unito 
alla possibilità di utilizzare per la sua realizzazione anche dei materiali compositi 
(leggeri e resistenti) rende tale struttura particolarmente performante. 
Tali proprietà di questa particolare categoria di elementi strutturali derivano 
dall’applicazione di un concetto estremamente semplice. 
In una struttura sottoposta a flessione le superfici esterne risultano essere quelle più 
sollecitate e tanto più le superfici esterne sono distanti dal piano neutro tanto più la 
struttura è rigida e resistente.  
Risulta pertanto evidente come un pannello sandwich, con pelli esterne rigide e 
resistenti incollate ad un’anima interna compatta ma a bassa densità, rappresenti la 
naturale soluzione al problema.  
È risulta evidente che all’aumentare dello spessore dell’anima ci sia un notevolissimo 
incremento della rigidezza a fronte di un aumento di peso estremamente contenuto. 
Materiali tipici per la realizzazione degli skins sono i laminati in materiale composito, i 
pannelli multistrato in legno e a volte fogli sottili di lega leggera di alluminio.  
Per l’anima (core) vengono utilizzate schiume polimeriche espanse oppure honeycomb 
(nido d’ape) in lega leggera di alluminio oppure aramidico. 
Gli elementi sandwich possono essere prodotti in fogli grandi, lasciando zone molto 
lisce senza l’utilizzo di rivetti e bulloni.
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Ciò significa che l’assemblaggio delle varie parti componenti il sandwich è semplificato 
e come conseguenza si ottengono minori costi di produzione. 
Il fatto che ogni struttura può essere realizzata come un unico pezzo, non solo riduce i 
costi di produzione ma elimina le concentrazioni di stress dovute alla discontinuità dei 
pannelli rivettati.
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CAPITOLO 1 
OBIETTIVI E DESCRIZIONE DEL TEST ARTICLE 
Obiettivi 
L’obiettivo della tesi è la caratterizzazione vibro-acustica di un pannello sandwich che 
avrà la sua applicazione in campo ferroviario per la realizzazione di pianali e fiancate di 
treni. 
I pannelli multistrato testati sono caratterizzati da due strati di Cytec 977 + Priform 
(fibra di carbonio) separati tra di loro da uno strato di balsa trattata. 
Si procederà quindi al calcolo della Transmission Loss a livello sperimentale e 
numerico, da cui si valuterà quindi un confronto dei risultati ottenuti assieme ad un 
ulteriore confronto con la specifica di progetto iniziale. 
Si definisce potere fonoisolante o transmission loss la seguente grandezza misurata 
in  
                                                                                                                                 
 che caratterizza le proprietà di una parete divisoria dal punto di vista della trasmissione 
del suono.  è il coefficiente di trasmissione della potenza acustica ed equivale al 
rapporto fra la potenza  dell’onda sonora trasmessa al di là della parete divisoria e la 
potenza  dell’onda incidente. Assumendo un’onda piana progressiva che incide 
ortogonalmente su una parete circondata dal medesimo fluido si dimostra che , 
dove  è il coefficiente di trasmissione della pressione acustica, ovvero il rapporto fra
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la pressione  dell’onda sonora trasmessa e la pressione  dell’onda incidente. Si ha 
dunque 
 
Nella seguente figura è rappresentato qualitativamente l’andamento complessivo del 
potere fonoisolante di una singola parete divisoria in funzione della frequenza dell’onda 
sonora incidente. 
             
Curva rappresentativa dell’andamento del potere fonoisolante di una singola parete omogenea in 
funzione della frequenza.