99
ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO ACÚSTICO SOBRE MAMPOSTERÍAS DE BLOQUES
DE HORMIGÓN EN INSTALACIONES DE FAENAMIENTO ANIMAL.
Bastidas, et al.
Reciena Edición Especial Vol.4 Núm. 1 (2024): 99-114
ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO ACÚSTICO SOBRE MAMPOSTERÍAS DE BLOQUES
DE HORMIGÓN EN INSTALACIONES DE FAENAMIENTO ANIMAL.
Bastidas, et al.
Reciena Edición Especial Vol.4 Núm. 1 (2024): 99-114
PRESENCIA DE MICOTOXINAS Y SUS METABOLITOS,
EFECTO DEL CONSUMO EN CEREALES
Vargas, et al.
Reciena Edición Especial Vol.4 Núm. 1 (2024): 87-98
Este trabajo de investigación se enfoca en las
instalaciones de faenamiento animal, cuyo propósito
es el sacrificio de animales para obtener carne para
el consumo humano. Estas instalaciones deben
cumplir con regulaciones sanitarias y acústicas
debido a que el ruido generado por máquinas
y animales puede ser perjudicial tanto para los
trabajadores dentro de las instalaciones como para
las personas que viven cerca. El estudio tiene como
objetivo determinar si el hormigón puede actuar
como un inhibidor acústico en este contexto. Para
ello, se realiza una búsqueda bibliográfica exhaustiva
relacionada con la propagación del sonido y las
propiedades del hormigón, centrándose en bloques
huecos fabricados con este material. Se llevan a cabo
ensayos experimentales siguiendo la norma NTE
INEN, donde se analizan las pérdidas de transmisión
se utilizan para realizar simulaciones utilizando el
software COMSOL Multiphysics. El software utiliza
el modelo matemático de Johnson-Champoux-
Allard, que caracteriza las propiedades acústicas del
hormigón en función del ángulo de incidencia de la
onda y la frecuencia, desde 0° hasta 45°. Para validar
el modelo, se comparan los valores de coeficiente de
absorción acústica simulados y la impedancia de la
superficie con los resultados analíticos obtenidos.
Con este estudio, se identifica el comportamiento
acústico del hormigón en forma de bloques huecos y
se obtienen los valores del coeficiente de absorción
acústica a través de las simulaciones y el diseño
experimental. De esta manera, se valida la aplicación
de este tipo de materiales en edificaciones destinadas
This research focuses on animal slaughter facilities,
whose purpose is to sacrice animals to obtain meat
for human consumption. These facilities must comply
with sanitary and acoustic regulations due to the
noise generated by machines and animals, which
can be harmful to both workers inside the facilities
and nearby residents. The study aims to determine if
concrete can act as an acoustic inhibitor in this context.
For this purpose, an exhaustive literature search
related to sound propagation and concrete properties
is conducted, focusing on hollow blocks made of this
material. Experimental tests are carried out following
the NTE INEN standard, where transmission losses
are analyzed and used for simulations using COMSOL
Multiphysics soware. The soware employs the
Johnson-Champoux-Allard mathematical model,
characterizing the acoustic properties of concrete
based on the angle of incidence of the wave and
frequency, ranging from 0° to 45°. To validate the
model, simulated acoustic absorption coecient
values and surface impedance are compared with
analytical results. This study identies the acoustic
behavior of hollow concrete blocks and obtains acoustic
Facultad de
Ciencias Pecuarias
ARTÍCULO ORIGINAL
Recibido: 31/07/2023 · Aceptado: 23/11/2023 · Publicado: 04/01/2024
ABSTRACT:
RESUMEN
a actividades de faenamiento animal, ayudando a
mitigar el impacto acústico.
Palabras clave: faenamiento animal, absorción
acústica, simulación, ruido, hormigón, modelado
matemático.
https://reciena.espoch.edu.ec/index.php/reciena/index
ISSN 2773 - 7608
Analysis of acoustic behavior on concrete block masonry in animal
slaughter facilities.
 Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Mecánica, GISAI, Riobamba, Ecuador.
 Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Mecánica, GIDETER, Riobamba, Ecuador.
E-mail: * lidia.castro@espoch.edu.ec
Fabián Bastidas-Alarcón
Lidia Castro-Cepeda*
Andrés Noguera
Christian Flores-Arévalo
iD
iD
iD
iD
ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO ACÚSTICO SOBRE
MAMPOSTERÍAS DE BLOQUES DE HORMIGÓN EN INSTALACIONES DE
FAENAMIENTO ANIMAL.
EdiciOn Especial
fabian.bastidas@espoch.edu.ec
lidia.castro@espoch.edu.ec
andres.noguera@espoch.edu.ec
giovanni.flores@espoch.edu.ec
100
ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO ACÚSTICO SOBRE MAMPOSTERÍAS DE BLOQUES
DE HORMIGÓN EN INSTALACIONES DE FAENAMIENTO ANIMAL.
Bastidas, et al.
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absorption coecient values through simulations and
experimental design. Thus, it validates the application
of these materials in buildings dedicated to animal
slaughter activities, helping to mitigate the acoustic
impact.
Keywords: acoustic absorption, simulation, noise,
concrete, mathematical modelling..
1. INTRODUCCIÓN
Los alimentos de origen animal, especialmente
ovinos y porcinos, son altamente demandados en
las sociedades debido a su valor nutricional. Por esta
razón, a lo largo de la historia, se han establecido
lugares en las ciudades con el propósito de recibir y
sacricar animales para obtener carne destinada al
consumo humano.[1]
La producción de carne debe cumplir estrictos controles
sanitarios y acústicos. En el aspecto sanitario, se debe
evitar la contaminación del producto y proteger la salud
de los consumidores y el medio ambiente. En cuanto
al aspecto acústico, el ruido generado por máquinas
y animales es signicativo y puede afectar tanto a los
trabajadores dentro de las instalaciones como a las
personas que viven cerca [2]. Es esencial encontrar
materiales adecuados para la construcción de estas
instalaciones, y se investiga si los bloques huecos de
hormigón pueden proporcionar aislamiento acústico.
El objetivo es mejorar las condiciones de trabajo para
el personal en los mataderos y la calidad de vida de
quienes viven cerca de estas instalaciones. [3]
En los últimos años, la contaminación acústica
ha sido un problema de gran importancia a nivel
internacional. El ruido ambiental ha aumentado debido
al crecimiento de diversas actividades económicas,
sociales e industriales. En muchas ciudades pobladas,
se ha registrado que los niveles de ruido superan los 65
dB(A), afectando a al menos 130 millones de personas
durante el día, según la OCDE. Muchas de estas
personas enfrentan niveles de contaminación acústica
que exceden los límites establecidos por la OMS [4], [5],
[6], [7].
El ruido, que se origina por la cantidad de sonido que
generan las actividades humanas, puede representar
una amenaza para la salud auditiva a largo plazo si no
se controla adecuadamente. Además, puede afectar el
bienestar físico y mental de las personas, dicultando
mantener un estilo de vida relajado y saludable. En este
contexto, encontrar soluciones para reducir el ruido
contribuirá a mejorar el ambiente tanto físico como
mental [5], [8], [9].
A partir de este análisis bibliográco surge la necesidad
de proporcionar soluciones constructivas que protejan
a los individuos de choques acústicos, que mejoren
directamente la calidad de vida y los estándares de
salud auditiva [10]. Los materiales utilizados en la
construcción poseen distintas propiedades, las mismas
que los caracterizan y son de utilidad para su selección,
tomando en cuenta su forma, resistencia, dureza,
versatilidad y tamaño.
Esta investigación se enfoca en analizar el coeciente
de absorción en bloques huecos de hormigón y
su capacidad como inhibidor acústico a través de
simulaciones. Se destaca la falta de consideración de las
propiedades acústicas y absorbentes de los materiales
de construcción en el momento de iniciar una obra,
lo que puede resultar en una alta contaminación
sonora y excesivo ruido ambiental en industrias y
zonas habitacionales. La necesidad de evaluar el
comportamiento acústico de los bloques de hormigón
se resalta, ya que podrían ser una solución para reducir
el impacto del ruido en la población, especialmente en
zonas industriales donde los niveles de ruido pueden
superar los límites permisibles [11].
La investigación consta de tres fases: un análisis
inicial de la problemática, una revisión bibliográca
exhaustiva para establecer antecedentes, y la
obtención de resultados y su discusión, seguida de
las conclusiones. Para medir los niveles sonoros, se
consideran la presión, intensidad y frecuencia del
sonido, lo que permite determinar su intensidad. Se
utiliza el Método de Elementos Finitos (FEM) con
la función de dominio poroacústica basada en el
modelo matemático de Johnson-Champoux-Allard
para la simulación. Esto permitirá denir cómo el
hormigón actúa como inhibidor acústico y su posible
uso en construcciones expuestas a altos niveles de
ruido, creando ambientes estructuralmente seguros y
reduciendo la contaminación acústica
1.1 Simulación y comportamiento de ondas sonoras en
materiales de construcción.
Los investigadores buscan mejorar las propiedades
acústicas de los materiales de construcción para
crear espacios con mejores condiciones de vida en
zonas con altos niveles de ruido. Para lograrlo, se
identican las propiedades acústicas y se realiza
un modelado matemático de las cargas acústicas de
exposición. La atenuación del material dependerá de
su porosidad y volumen. Se analiza la geometría de los
poros y se considera la posibilidad de utilizar aditivos
para mejorar la dispersión y atenuación de las ondas
acústicas [12].
101
ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO ACÚSTICO SOBRE MAMPOSTERÍAS DE BLOQUES
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El hormigón es un material ampliamente utilizado en
la construcción y es crucial considerar tanto su diseño
estructural como sus propiedades acústicas. Estas
características permiten crear espacios habitables
cómodos y mejorar el confort de las personas. Los
hormigones con diferentes composiciones tienen
distintos comportamientos como conductores del
sonido, siendo las mezclas densas reectoras de sonido
y las ligeras absorbentes. La reexión del sonido en el
hormigón depende de los agregados y de los cambios
en el diseño de la mezcla. Para mejorar la absorción
acústica del hormigón con aislamiento acústico (AIC),
se pueden hacer cambios en su conguración y agregar
elementos porosos o agentes de espuma [13], [14].
En su investigación, Pereira introduce el concepto de
"hormigón meta poroso", un absorbente de sonido
que consiste en hormigón poroso con resonadores
acústicos incorporados. Se implementan dos modelos
de elementos nitos con la teoría de uido equivalente
para describir las soluciones del hormigón meta poroso.
Mediante un Resonador de Helmholtz y técnicas de tubo
de impedancia, se realizan pruebas experimentales en
muestras de hormigón poroso y probetas de hormigón
para obtener las propiedades del uido equivalente y
validarlas con datos experimentales y predicciones
analíticas. Los modelos numéricos y la metodología
utilizada permiten predecir la absorción acústica en
el hormigón meta poroso, lo que lo convierte en un
material útil para el control del ruido en construcciones
civiles exteriores [15].
1.2 Comportamiento de las ondas como inhibidores
acústicos
En la búsqueda de soluciones para problemas de
resonancia acústica, se han empleado diversas
estrategias, como la colocación de elementos
absorbentes en las esquinas de salas y el diseño de
resonadores de Helmholtz. La eciencia de estas
estrategias depende de la gestión de las bandas de
frecuencia [16]. Investigaciones recientes se han
enfocado en el uso de láminas perforadas de cerámica,
basadas en el principio de resonadores de Helmholtz,
para lograr una absorción acústica efectiva en bandas
de frecuencia estrechas. Estas láminas son perforadas
y montadas en una supercie rígida. Para medir el
coeciente de absorción acústica a incidencia normal,
se utiliza un tubo de impedancia o tubo de Kundt con
ciertas dimensiones especícas. Las investigaciones
también han abordado el problema de las zonas de
atenuación con diferentes frecuencias en materiales,
particularmente en losas perforadas con diferentes
conguraciones geométricas. Utilizando el soware de
elementos nitos ANSYS, se han analizado las ondas de
exión y las propiedades de la zona de atenuación en
losas con perforaciones en forma de cruz, cuadrados
y agujeros en forma de diamante. Para analizar el
comportamiento acústico de las muestras, se emplea
un método numérico y se desarrolla un código para
simular la estructura en 3D. Se calculan la tortuosidad y
dos longitudes características en un soware numérico
y se utiliza el modelo Johnson-Champoux-Allard (JCA)
para predecir los coecientes de absorción acústica
en diferentes frecuencias. Los resultados muestran
el comportamiento acústico de los paneles acústicos
optimizados en términos de tiempo de reverberación
y coeciente de absorción aleatoria en una sala de
reverberación [16], [17], [18], [19].
1.3 Métodos de simulación numérica de propagación
de ondas
En las investigaciones actuales se utilizan los modelos
matemáticos, que tienen como objetivo principal el de
caracterizar el campo sonoro y esquematizar la réplica
impulsiva del recinto formándose en una herramienta
muy valiosa para el diseño y análisis acústico.
Según Cravero, en su estudio presenta resultados de
mediciones de tiempo de reverberación y propiedades
acústicas en aulas mediante el método de la respuesta
integrada según IRAM 4109-2. Como siguiente paso
se comparar los valores medidos con los simulados
mediante herramientas de cálculo computacional.
Finalmente, en el análisis de resultados contrasta
las mediciones con la recomendación dada en la
norma ANSI S12.60 y referencias bibliográcas a nivel
internacional [20]. Otro modelo matemático para el
análisis vibro acústico de una estructura de 17 pisos,
muestra una buena correlación con los resultados
de los datos medidos. Se debe considerar que para la
selección de un método numérico depende del dominio
de frecuencia, para un dominio de baja frecuencia se
preere el FEM o el método de elementos de contorno
(BEM). Cabe señalar que se considera el FEM para las
simulaciones computacionales ya que la investigación
se limita a regiones de baja frecuencia [21].
Uno de los métodos numéricos más utilizados para
análisis de porosidad y absorbentes es el modelo
Johnson – Champoux – Allard – Lafarge (JCAL), aplicado
para calcular los cinco parámetros de transporte del
modelo JCAL, en los que se incluyen la permeabilidad
viscosa, permeabilidad térmica, tortuosidad, longitud
característica viscosa y longitud característica térmica.
Estos valores permiten modelar los tubos rugosos
en el material poroso, como tubos rugosos paralelos
que tienen morfologías sinusoidales idealizadas.
102
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Finalmente, los resultados han evidenciado que la
existencia de la rugosidad en los tubos debilita el efecto
térmico, pero refuerza drásticamente el efecto viscoso
en la disipación de la energía del sonido, lo que resulta
en el mejoramiento de absorción del sonido [22].
2.1 Equipos y materiales
2.1.1 Bloques huecos de hormigón
La norma usa para la fabricación de los bloques huecos de hormigón es: Bloques Huecos de hormigón.
Deniciones, Clasicaciones y Condiciones. En la Tabla 1, se indica los tipos de bloques huecos existentes en el
mercado y sus dimensiones, para este estudio se ha seleccionado al bloque de hormigón tipo B [23].
2.1.2 Normas para la realización de los ensayos
En la Tabla 2 se detallan las normas a ser aplicadas en la fase experimental, para la realización de ensayos como:
densidad, porosidad y resistencia mecánica, en los ladrillos y bloques de hormigón, parámetros necesarios para
la realización de las simulaciones acústicas.
Las dimensiones del bloque que se va a utilizar son las siguientes, largo = 40 cm, ancho = 15 cm, altura = 19 cm y
un peso aproximado de 8.5 kg como se muestra en la Figura 1, la normativa menciona que los bloques deben tener
dimensiones uniformes, aunque no debe tener una variación de sus longitudes mayor a 5 mm [23].
2. MATERIALES Y MÉTODOS
DIMENSIONES NOMINALES DIMENSIONES REALES
USOS
Tipo de bloque largo ancho alto largo ancho alto
A, B 40
20
15
10
20 39
19
14
09
19
Paredes exteriores de carga, sin
revestimiento.
Paredes exteriores de carga, con
revestimiento
Paredes interiores de carga, con o sin
revestimiento
C, D 40
10
15
20
20 39
09
14
19
19
Paredes divisorias exteriores sin
revestimiento.
Paredes divisorias exteriores, con
revestimiento.
Paredes divisorias interiores, con o sin
revestimiento.
E 40
10
15
20
25
20 39
09
14
19
24
20 Losas alivianadas de hormigón armado
Tabla 1. Tipos de bloques huecos de hormigón y sus usos.
Figura 1. Longitudes muestras de bloques huecos de hormigón.
Fuente: Norma NTE-INEN [24] [23]
103
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2.1.3 Soware Comsol Multiphysics
Comsol Multiphysics, es un soware que se presenta
un entorno ecaz de simulación utilizado para modelar
y resolver problemas cientícos y de ingeniería. Este
soware utiliza el FEM y ecuaciones diferenciales
parciales. La interfaz se puede observar en la Figura 2.
[34][35].
2.1.4 Cálculo del Módulo de Young
El módulo de elasticidad es la razón entre el
incremento de esfuerzo y el cambio correspondiente a
la deformación unitaria, si el esfuerzo considerado es
una tensión o una compresión el módulo se denomina
de Young [37]. Para los bloques huecos de hormigón
analizados se realizaron ensayos a compresión, donde
se recolectaron datos del último esfuerzo aplicado y la
deformación, la Ecuación 1 permite el cálculo. Donde,
E representa el Módulo de Young, σ es la tensión o
fuerza uniaxiales por unidad de supercie y
es la
deformación. El valor de la deformación (
) se muestra
en la Ecuación 2, donde ∆L variación de longitud y L es
2.1.5 Velocidad del sonido
La velocidad del sonido es aquella que se propaga
mediante una onda sonora a través de un medio
material, como el aire, el agua o un sólido. La velocidad
del sonido depende de las propiedades del medio a
través del cual se propaga y de la temperatura de ese
medio. La expresión utilizada en el análisis de las
muestras de hormigón y está en función del Módulo de
Young E y de la densidad p, como resultado se tiene la
Ecuación 3.
2.1.6 Impedancia acústica
La impedancia acústica como una propiedad que brinda
información sobre el medio y el tipo de onda que se va a
propagar, este cálculo de gran importancia involucra la
transmisión de ondas acústicas de un medio a otro [38].
La siguiente expresión permite calcular la impedancia
acústica (Z). Donde, p es la presión acústica y v la
velocidad asociada a las partículas oscilantes en un
medio.
2.1.7 Cálculo del coeciente de absorción en
COMSOL Multiphysics
El coeciente de absorción acústica se reere a la
capacidad que poseen todos los materiales para
mitigar la propagación de las ondas de sonido cuando
éstas inciden sobre ellos, por esto se debe considerar
las bandas de octava, debido a que el oído humano
escucha de manera logarítmica, y las frecuencias se
dividen de esta forma, a esto se le conoce como octavas,
E
v
s
(1)
(3)
E
(2)
=
=
=
σ
E
p
∆L
L
Tabla 2. Normas NTE INEN usadas para la realización de los ensayos
Figura 2. Interfaz COMSOL Multiphysics
Fuente: [36] [34]
Fuente: Normas NTE INEN [25][26] , [27][28], [29][30], [31][32], [33]
Ensayo Norma utilizada Parámetros
Densidad
Materiales Refractarios. Determinación De La Porosidad, absorción De Agua Y Densidad
Aparente. NTE INEN 857:2010.
Bloques de hormigón. Requisitos y métodos de ensayo. NTE INEN 3066-2016
Densidad de las
probetas
Porosidad
Materiales Refractarios. Determinación De La Porosidad, absorción De Agua Y Densidad
Aparente. NTE INEN 573.
Bloques de hormigón. Requisitos y métodos de ensayo. NTE INEN 3066-2016
Porcentaje de
porosidad total
Resistencia
mecánica
Ladrillos Cerámicos. Parte 5: Métodos De Ensayo. NTE INEN 3049 Parte 5:2019.
Bloques huecos de Hormigón, unidades relacionadas y prismas para mampostería.
Refrentado para el ensayo de compresión. NTE INEN 2619:2012
Esfuerzo
Z (4)=
p
v
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Reciena Edición Especial Vol.4 Núm. 1 (2024): 99-114
[39], donde una octava se dene como el intervalo que
separa a una frecuencia de otra de manera doble.
Según la norma NTE INEN 266 [40] , que se indica la
Tabla 3, que indica lo valores de octavas más utilizados.
En esta investigación, la propiedad será calculada
mediante simulaciones del comportamiento acústico
en el soware Comsol Multiphysics, y se ha considerado
que para mayor precisión y resolución del fenómeno la
frecuencia desarrollada se dará en tercios de octava.
Para lo cual se ha tomado como modelo de referencia
el Porous Absorber, uno de los modelos en función
del dominio Poro acústicos de la interfaz de presión
acústica, descritos en la Guía del usuario del Módulo
de Acústica, [41], que utiliza el modelo Johnson-
Champoux-Allard como solucionador numérico para la
caracterización de las propiedades de absorción de un
ladrillo común en términos del ángulo de incidencia
del sonido y frecuencia, [42].
De manera general este modelo analiza matrices
porosas Johnson-Champoux-Allard (JCA), está denido
por la densidad rígida equivalente Prig (ω) y el módulo
volumétrico equivalente Kω, a continuación, se
describen sus expresiones matemáticas. Donde: T
∞
= factor
de tortuosidad (límite de alta frecuencia), p
f
= densidad
del uido,
p
= porosidad, R
f
= resistividad del ujo, =
viscosidad dinámica, P
A
= presión inactiva, = relación
de calores especícos, L
v
= longitud característica
viscosa, P
th
= longitud característica térmica, Pr =
número de Prandtl [41]:
Frecuencias centrales de las bandas de octava
16 31.5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000
Tabla 3. Bandas de octava más utilizadas en Hz.
Figura 3. Muestras de bloques sumergidas en agua, para
el cálculo de la densidad y porcentaje de absorción.
Fuente: Norma NTE INEN 266[40]
Pring
Absorción
Absorción
1000
100
K
T
M
M
M
M
M
M
M
-
-
-
8
16
1
Kg
%
m
(
1
1
+
1
1
1
1
1
+
+ +
P
P
R
p
p
p
p
th
th
p
p
p
p
v
2
2
2
2
2 2
f
s
s
3
s
d
d
d
i
A
f
f
f
f
f
f
∞
∞
∞
(5)
(7)
(8)
(7)
=
=
=
x
x
=
ω
ω
ω
ω
i
i
i
4
T
L
L
P
P
r
r
T
R L
2.1.8 Ensayos para cálculo de propiedades de los
bloques.
Los ensayos realizados permitirán obtener datos por
medio de experimentación que permiten su validación
con los parámetros encontrados, para nalmente
evaluar su comportamiento mediante la ejecución
de las simulaciones en soware especializado se
describen a continuación:
Densidad y Absorción del bloque:
Este ensayo se realiza bajo la Norma NTE INEN
3066:2016-11 [32], Bloques de Hormigón. Requisitos y
Métodos de Ensayo, Absorción, Densidad y otros. El
cual permite determinar la densidad de las muestras,
los pasos necesarios para su ejecución se describen a
continuación,[31]:
- Se deben considerar 3 muestras completas para
los ensayos sin defectos.
- Se necesitará de una balanza con una exactitud
de ± 1g de masa.
Para el procedimiento de saturación se deben sumergir
las muestras a una temperatura entre 16° C y 27° C,
durante un tiempo de 24 a 28 horas, en un recipiente
que permita cubrirlas totalmente y registrar este valor
como M
l
.
A continuación, se debe sacar las muestras del agua
y dejarlas escurrir durante 60 s, sobre una malla
metálica, y secarlas con un paño húmedo, determinar
la masa y registrarlo. Repetir el procedimiento cada 24
horas hasta que la diferencia en el pesaje sea inferior
al 0.2 %. Registrar el resultado como M
S (masa de la
muestra saturada). Secar las muestras en un horno
ventilado, entre 100 °C y 115 °C, realizar las mediciones
de peso cada 24 horas, hasta que la diferencia de peso
sea inferior al 0.2 %. Se debe registrar este valor como
M
d (Masa de la muestra seca al horno).
Las ecuaciones para el cálculo de la densidad y la
absorción según la norma [31], en bloques de hormigón
se detallan a continuación:
Absorción:
105
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. RESULTADOS
Tabla 4. Tipo y dimensiones de bloques huecos de
hormigón en cm.
Tabla 5. Valores de densidad muestras de bloques huecos
de hormigón.
Tabla 6. Valores de absorción total [%]
Fuente: Elaborado por autor, según Norma NTE INEN [24]
Densidad
1000
M M
M
Kg m
3
s i
d
(9)
=
x
Donde, Ms masa de la unidad saturada,Mi masa de la
unidad sumergida,M
d masa de la unidad seca al horno,
las unidades están dadas en [kg].
- Ensayos resistencia mecánica: Ensayo de
compresión para el bloque hueco de hormigón.
Para realizar este ensayo se consideran las
recomendaciones Norma NTE INEN 640. Bloques
huecos de hormigón. Determinación de la Resistencia
a la compresión, que indica los siguientes pasos, [43]:
- Utilizar bloques enteros seleccionados de
acuerdo con la norma INEN 639 [32].
- Los bloques deben ser sumergidos en agua
por un periodo de 24 horas y luego recubiertos
con mortero de cemento-arena con una
capa no mayor a 6 mm de espesor, para que
las supercies ensayadas sean regulares y
paralelas.
Para ensayar las muestras, estas deben ser colocadas
con respecto al centro de la rótula de aplicación de la
carga. La aplicación de la carga será gradual, en un
tiempo no menor a 1 min ni mayor a dos, considerando
una velocidad constante.
- Simulación del comportamiento acústico en
Comsol Multiphysics V. 5.6, de las muestras
bloques (B1, B2).
Para la realización de las simulaciones se tomó como
referencia el modelo de absorción acústica mediante
una espuma acústica de celda abierta porosa (Porous
Absorber), de donde se describen las instrucciones de
modelado. [43].
- Variables respuesta o resultados alcanzados
La investigación se centra en la transmisión de
ondas sonoras en materiales de construcción y sus
propiedades acústicas, como absorción, transmisión
y reexión del sonido. El objetivo es determinar
el coeciente de absorción acústica para bloques
huecos de hormigón mediante simulaciones en el
soware COMSOL Multiphysics. Se caracterizarán las
propiedades de absorción en términos del ángulo de
incidencia del sonido y la frecuencia. Los resultados
del modelo serán comparados con datos analíticos
para determinar si el ladrillo tradicional y el bloque
hueco de hormigón cumplen con los requisitos para
ser considerados como inhibidores acústicos.
3.1 Resultados obtenidos de ensayos
3.1.1 Bloques huecos de hormigón
Los bloques huecos de hormigón tienen una
gran presencia en construcciones por su gran
maniobrabilidad, los seleccionados para este estudio
siguen la siguiente norma de construcción [24]. Bloques
Huecos de hormigón. Deniciones, Clasicaciones y
Condiciones. Las dimensiones y tipo de bloque usado
en los ensayos y simulaciones se indican en la Tabla 4.
3.1.2 Ensayo de Porosidad
Para el cálculo de la absorción se considera la norma
NTE INEN 3066-2016, Bloques de hormigón. Requisitos
y métodos de ensayo, ANEXO D (normativo) Absorción,
Densidad y otros. Los resultados se muestran en la
Tabla 6.
Para el cálculo de la densidad en las muestras de
bloques se considera la norma NTE INEN 3066-2016,
Bloques de hormigón. Requisitos y métodos de ensayo,
Anexo D (normativo) Absorción, Densidad y otros. En
la Tabla 5 se muestran los resultados.
Densidad:
-
DIMENSIONES NOMINALES DIMENSIONES REALES
Tipo de bloque Largo Ancho Alto Largo Ancho Alto
A, B 40 20,15,10 20 39 19,14,09 19
Muestras
Masas [kg]
Densidad
[kg/m3]
Masa de
la unidad
saturada [Ms]
Masa de la
unidad seca al
horno [Md]
Masa de
la unidad
sumergida
[Mi]
B1 10.05 8.21 10.01 205205
B2 10.00 8.43 9.96 210750
Muestras
Masas [kg]
Absorción
[%]
Masa de
la unidad
saturada [Ms]
Masa de la
unidad seca
al horno [Md]
Masa de
la unidad
sumergida [Mi]
B1 10.05 8.21 10.01 22.41
B2 10.00 8.43 9.96 18.62
106
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Tabla 7. Resultados ensayo de compresión (Esfuerzo y
deformación)
Tabla 8. alores Modulo de Young y velocidad del sonido
Figura 4. (a) Simulación de la Muestra B1. (b) Muestra
B1 en el plano YZ.
3.1.3 Ensayos resistencia mecánica
En los bloques huecos de hormigón el ensayo de
resistencia mecánica que se recomienda es el dado
por la norma NTE INEN 2619:2012 Bloques huecos
de Hormigón, unidades relacionadas y prismas
para mampostería. Refrentado para el ensayo de
compresión. La Tabla 7 indica los resultados obtenidos
en el ensayo de compresión sobre los bloques.
3.1.4 Resultados de la simulación en COMSOL
Multiphysics para la obtención del coeciente
de absorción acústica (
)
Los resultados se obtuvieron mediante simulaciones
de muestras en bloques huecos de hormigón (B1 y
B2). La simulación consideró un rango de frecuencias
de 10 Hz a 10 KHz, con una incidencia angular de la
onda de 0° a 45°. Se generaron grácas de presión
sonora vs frecuencia, impedancia vs frecuencia y
coeciente de absorción vs frecuencia en 2D, aplicadas
a la cara principal del bloque. También se realizaron
simulaciones en 3D para vericar la incidencia de
la onda acústica sobre el material de construcción,
obteniendo resultados adicionales.
(a)
(b)
Los valores obtenidos del módulo de Young y la
velocidad del sonido para los bloques huecos de
hormigón, se observan en la Tabla 8, estos parámetros
son necesarios en la realización de las simulaciones.
La distribución del nivel de presión sonora sobre la
muestra B1, se observa en la Figura 5, resultado de
la simulación 3D, donde la frecuencia propia que
tiene un valor de 99. 989 Hz incide sobre las caras de
Muestras Probeta
Esfuerzo (σ) Deformación (ε)
[N/m2] [mm]
B1
1 225356.22 2.33
2 174451.25 1.39
3 157371.48 1.63
Promedio 185726.31 1.78
B2
1 226371.64 1.08
2 197663.65 1.62
3 166402.81 1.55
Promedio 196812.70 1.42
Muestras
Módulo de
Young
Velocidad sonido (c)
[Pa] [m/s]
B1 104145.59 0.71
B2 138926.61 0.81
- Resultados de la simulación 2D y 3D de las
muestras de bloques huecos de hormigón B1 y B2
Simulaciones en muestra de bloque B1 en 3D
La simulación 3D de la muestra de bloque hueco de
hormigón B1, se observa en la Figura 4, en donde la
incidencia de la onda a 45°, con una frecuencia propia
de 99.986 Hz, dando como resultado valores máximos
de presión acústica (en color rojo) desde 2 a 4 [Pa],
considerar que estos valores de concentración de
presión se presentan en las caras del bloque donde
existe mayor incidencia acústica. Además, se muestra
el cuerpo estudiado en el plano YZ que permite
identicar de mejor manera la incidencia de la presión
sonora sobre la muestra simulada.
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Figura 5. (a) Distribución del nivel de presión sonora
sobre la muestra B1. (b) Distribución del nivel de presión
sonora en el plano XZ.
Figura 6. (a) Simulación de la Muestra B1 con malla
renada. (b) Muestra B1 en el plano XY con renamiento
de malla.
(a)
(a)
(b)
(b)
la muestra B1, generando valores de nivel de presión
sonora sobre los huecos del bloque entre los 90 a 100
dB, es importante mencionar zonas de color amarillo
en la totalidad de la muestra simulada con un valor
aproximado de 70 dB. Estos valores pueden ir variando
principalmente por la velocidad del sonido incidente
sobre el material. La zona amarilla de la muestra se
puede observar de mejor forma en el plano XZ.
Para obtener mejores resultados de nivel presión sonora
en la simulación de la muestra B1, se procede a renar
la malla, con un valor de frecuencia propia de 99,996
Hz. Como se puede observar en la barra de colores de
la Figura 4-13, estos valores están entre 85 a 100 dB,
además se ve una trama diferente de la incidencia de
la onda acústica sobre el bloque, estas imágenes se han
producido principalmente por el número de elementos
Simulaciones en 2D
La muestra B1 simulada en 2D permite los
siguientes resultados:
Presión sonora vs la Frecuencia
En la Figura 7 se representa la presión sonora donde se
relaciona la frecuencia [Hz] y la presión acústica total
[Pa] considerando la incidencia de la onda, para lo cual
se han analizado dos ángulos incidentes (
) = 0° y (
) = 45°. El ángulo incidente (AI) ( ) = 45° presenta un
comportamiento irregular en comparación a la curva
que describe el ángulo incidente (AI) (
) = 0°, además
como resultado se tiene un valor máximo de 4.83 [Pa]
de presión acústica total con una frecuencia de 250
que tiene la malla después del renamiento, ayudando
a la convergencia en la simulación.
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Hz. Estos valores obtenidos se encuentran dentro de
la norma que el oído humano recepta y tolera que va
desde los 20 a los 20000 Hz, la simulación ha permitido
demostrar que el bloque si funciona como un inhibidor
de sonido.
Figura 7. Presión acústica total vs Frecuencia en la
muestra B1.
Figura 9. Coeficiente de absorción vs Frecuencia con
los diferentes ángulos de incidencia: (AI) (
) = 0°. ,
(AI) (
) = 0°. ( analítica); (AI) ( ) = 45°. ; (AI) ( ) =
45°. (
analítica).
Figura 8. Impedancia Normal de la muestra B1, con los
diferentes ángulos de incidencia: Angulo incidente (AI)
(
) = 45°; Angulo incidente (AI) ( ) = 0°; (AI) ( ) = 0°.
Impedancia vs Frecuencia
Al ser la impedancia una propiedad importante que
relaciona la presión acústica y la velocidad con la que
las partículas oscilantes se desarrollan en un medio,
en una frecuencia determinada, la Figura 8, permite
identicar estos valores, para lo cual se ha considerado
la onda generada por el ángulo de incidencia (
) = 45°.
Impedancia normal de supercie especíca. (curva
color negro), donde se observa que la impedancia
decrece a medida que la frecuencia aumenta. Se tiene
un valor de Z = 21.63 (adimensional) en una frecuencia
de 10 Hz, este valor permanece estable, hasta un valor
de Z = 21.05 en la frecuencia de 40 Hz, por tanto, se
puede concluir que la velocidad de las partículas irá
disminuyendo cuando la frecuencia aumente.
Simulaciones en muestra de bloque B2 en 3D
En la Figura 10 se presenta el resultado de la simulación
en 3D de la segunda muestra de bloque hueco de
hormigón (B2), en donde se observa la incidencia de
la onda a 45°, con una frecuencia propia de 99. 987 Hz,
se pueden notar variaciones de presión que producen
áreas de mayor concentración de partículas (áreas
de color rojo) en las diferentes caras del material de
construcción y valores que están entre los 2 a 6 [Pa].
Además, se ha considerado al plano XZ para el estudio
que permite identicar de mejor manera la incidencia
de la presión sonora sobre la muestra simulada.
Coeciente de absorción vs Frecuencia
La Figura 9 presenta los resultados de la simulación
2D en referencia al coeciente de absorción [α] de la
muestra B1, donde se puede identicar los valores del
coeciente en la curva para el coeciente de absorción
con incidencia a 45º ((AI) (
) = 45° α) un valor máximo
α = 0.97, f = 1.0 KHz, y de α = 0.29, f = 10 KHz, que
corresponde a la linealización del ángulo de incidencia
a 45º (curva analítica para el coeciente de absorción
con incidencia a 45º. (AI) (
) = 45°. (α analítica)), esta
diferencia entre estos valores se da por la irregularidad
de la curva a 45° a partir de los 630 Hz, además del valor
de la velocidad del sonido y la densidad del material
propiedades de gran importancia en las simulaciones.
ZNORMAL Impedancia normal de supercie especíca;
(AI) (
) = 0°. ZNORMAL ANALITICA Impedancia
normal de supercie especíca (analítica); (AI) (
) = 45°.
Impedancia normal de supercie especíca; (AI) (
) = 45°.
Impedancia normal de supercie especíca (analítica).
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Figura 11. (a) Distribución del nivel de presión sonora
sobre la muestra B2. (b) Distribución del nivel de
presión sonora en el plano XZ.
Figura 12. a) Resultados del nivel de presión sonora en
la simulación de la muestra B2 con malla refinada. (b)
Muestra B2 en el plano XZ con refinamiento de malla.
Figura 10. (a) Simulación de la Muestra B2. (b)
Muestra M2 en el plano YZ.
La distribución del nivel de presión sonora sobre la
muestra B2, se observa en la Figura 4-18, resultado de
la simulación 3D, donde la frecuencia propia que tiene
un valor de 99. 991 Hz incide sobre las caras del bloque,
generando valores de nivel de presión sonora entre los
90 a 100 dB, (zonas de concentración de color rojo). Es
importante mencionar zonas de color amarillo que
están presentes en la totalidad del bloque que se repite
simultáneamente en función del tiempo (frecuencia)
con un valor aproximado de 70 dB. La zona amarilla
de la muestra se puede observar de mejor forma en el
plano XZ.
El renamiento de la malla permite observar los
resultados de nivel presión sonora en la simulación de la
muestra B2, con un valor de frecuencia propia de 99,995
Hz. Los valores de máxima concentración están entre 90
a 100 dB que se muestran en la barra de colores, además
en la Figura 12 se ve una trama diferente de la incidencia
de la onda acústica sobre el bloque, esto va a depender del
valor de la velocidad del sonido que para esta muestra está
en 0.81 m/s; cabe mencionar que estas imágenes se han
producido principalmente por el número de elementos
que tiene la malla después del renamiento.
(a)
(a)
(a)
(b)
(b)
(b)
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Simulaciones en 2D
Presión sonora vs la Frecuencia
La Figura 13 presenta la presión sonora considerando dos
ángulos incidentes (
) = 0° y ( ) = 45°. El ángulo incidente (AI)
(
) = 45° (curva color verde) presenta un comportamiento
irregular en comparación a la curva que describe el ángulo
incidente (AI) (
) = 0°, además como resultado se tiene un
valor máximo de 4.861 [Pa] de presión acústica total con
una frecuencia de 250 Hz. Estos valores variarán según la
velocidad del sonido que se tenga.
Impedancia vs Frecuencia
La Figura 14 muestra los valores de la impedancia, esta
propiedad relaciona la presión acústica, la velocidad
y la frecuencia con la que las partículas oscilantes
se desarrollan en un medio, se ha considerado la
onda generada por el ángulo de incidencia (
) = 45°.
Impedancia normal de supercie especíca. (curva
color negro), donde se observa que la impedancia
decrece a medida que la frecuencia aumenta. Se tiene
un valor de Z = 21.63 (adimensional) en una frecuencia
de 10 Hz, este valor permanece estable, hasta un valor
de Z = 21.07 en la frecuencia de 40 Hz, por tanto, se
puede determinar que la velocidad de las partículas
que se desarrollan sobre un medio es un factor
determinante en el valor de la impedancia. Al referirnos a la densidad de los bloques huecos de
hormigón, la muestra B1 presenta la densidad más baja,
registrando un valor de 205,205 kg/m3. Cabe destacar
que, para calcular la densidad de este material de
construcción, se tomaron en cuenta valores de masa
tanto en condiciones de completa sequedad como
cuando se encuentra completamente saturado, es
decir, sumergido en agua. Estos valores de densidad
son fundamentales para entender cómo el material se
comporta cuando una onda acústica incide sobre él.
La porosidad es otro parámetro crucial para considerar
en las simulaciones de materiales de construcción, ya
que, si un material es muy poroso, permitirá el paso
de ondas acústicas, lo que signica que no funcionará
Coeciente de absorción vs Frecuencia
Los resultados del coeciente de absorción se observan
en la Figura 15 , donde se puede identicar el valor del
coeciente de absorción en la curva con incidencia
a 45º ((AI) (
) = 45° α) de α = 0.96, f = 1.6 KHz, y de α
= 0.28, f = 10 KHz, que corresponde a la linealización
del ángulo de incidencia a 45º (curva analítica para el
coeciente de absorción con incidencia a 45º. (AI) (
)
= 45°. (α analítica)), esta diferencia entre estos valores
se da por la variabilidad de la curva en especial a partir
de los 400 Hz, hay que considerar que la porosidad de
los materiales es un factor de gran importancia en las
simulaciones y por eso la disminución considerable del
valor del coeciente en la curva analítica a 45°.
Figura 13. Presión acústica total vs Frecuencia en la
muestra B2.
Figura 15. Coeciente de absorción vs Frecuencia con los
diferentes ángulos de incidencia: (AI) (
) = 0°. , (AI) (
) = 0°. ( analítica); (AI) ( ) = 45°. ; (AI) ( ) = 45°. (
analítica).
Figura 14. Impedancia Normal de la muestra B2, con los
diferentes ángulos de incidencia: Angulo incidente (AI)
(
) = 45°; Angulo incidente (AI) ( ) = 0°; (AI) ( ) = 0°.
ZNORMAL Impedancia normal de supercie especíca;
(AI) (
) = 0°. ZNORMAL ANALITICA Impedancia
normal de supercie especíca (analítica); (AI) (
) = 45°.
Impedancia normal de supercie especíca; (AI) (
) = 45°.
Impedancia normal de supercie especíca (analítica).
. CONCLUSIONES
111
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5. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
como aislante de sonido. Al analizar los datos obtenidos
de las muestras B1 y B2 de bloques huecos de hormigón,
se determinaron porcentajes de porosidad de 22.41 y
18.62, respectivamente. Es evidente que estos bloques
tienen una mayor porosidad en comparación con otros
materiales de construcción, como los ladrillos, lo cual se
traduce en que las simulaciones demostraron que estos
bloques no poseen propiedades acústicas destacadas,
afectando así el valor del coeciente de absorción.
Los ensayos de compresión en los bloques permitieron
calcular el valor del módulo de Young y la velocidad del
sonido, que son características muy importantes para
realizar las simulaciones de propagación acústica. Los
resultados mostraron velocidades del sonido de 2.24 y
2.71 m/s, y módulos de Young de 0.71 y 0.81 m/s para las
muestras B1 y B2, respectivamente. Estos parámetros
permiten determinar la impedancia acústica, siendo
el valor más bajo el del ladrillo B2, con un Z = 16.74. Es
relevante tener en cuenta que esta propiedad analiza el
movimiento de partículas en un medio.
Para llevar a cabo las simulaciones acústicas de las
muestras de materiales de construcción, se utilizó el
soware COMSOL Multiphysics. Esto permitió calcular
el coeciente de absorción acústica considerando
ángulos de incidencia de ondas de sonido de 0° y 45°,
lo que facilitó identicar qué elemento analizado se
comportaría mejor como inhibidor acústico. Los bloques
obtuvieron valores de absorción de sonido de B1 = 0.97
y B2 = 0.96, lo que indica que el bloque B1 muestra el
mejor comportamiento acústico, especialmente cuando
la onda incide a un ángulo de 45°.
Mediante la experimentación y las simulaciones, se pudo
determinar que los bloques de construcción estudiados
tienen diferentes comportamientos cuando se someten
a la incidencia de ondas de sonido, especialmente a un
ángulo de incidencia crítico recomendado de 45°.
En resumen, los resultados de esta investigación
muestran que el material estudiado, los bloques huecos
de hormigón, es adecuado para la aplicación prevista
debido a su alta tasa de absorción de ruido. Además, su
bajo costo de producción lo convierte en una alternativa
preferida para construir edicaciones destinadas al
faenamiento animal.
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