Disegno e analisi acustica di una sala trasformabile

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EEEgEttE pEE SALA TRASFORMABILE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE

1.0.0 | Prime riflessioni

L'oggetto dei nostri studi è il progetto per una sala trasformabile.

Attraverso accorgimenti progettuali, vogliamo riuscire a conferire flessibilità allo spazio, sfruttandolo al meglio e mutandone configurazione per accogliere diverse funzioni: conferenze, proiezioni, mostre. Dunque individuiamo due possibili variabili: la variabile spaziale e la variabile acustica.

Diversamente da come ci si immagina convenzionalmente una sala, ovvero un insieme di postazioni fisse, immaginiamo uno spazio estremamente versatile. Le sedute possono o presentarsi nella classica configurazione a scaloni (adatta alla convegnistica) oppure possono completamente sparire ripiegandosi e impacchettandosi sul fondo della sala ottenendo grandi spazi a tutta altezza. Attraverso dei montanti telescopici posti su diversi livelli i sedili vengono raccolti scorrendo uno dentro l'altro fino a completa apertura o chiusura.

A corredo delle variazioni spaziali al fine di creare una sala polivalente e multiuso di grandi dimensioni abbiamo pensato a rendere il tutto flessibile anche dal punto di vista acustico impiegando dei pannelli sospesi che, attraverso la loro configurazione consentono di assorbire o riflettere il suono a seconda degli scopi desiderati.

Focalizzandoci quindi su quest’ultimo aspetto siamo partiti a fare i nostri ragionamenti osservando il funzionamento di un’installazione LivingSculpture creata da WHITEvoid come pezzo principale dello stand fieristico Philips alla fiera Light + Building 2012 di Francoforte.

L'installazione cinetica è stato creato da WHITEvoid come il pezzo centrale per lo stand fieristico Philips a Light + Building fiera 2012 a Francoforte. L'impianto è composto da 24 telai mobili triangolari in alluminio triangolari ricoperti da una superficie di OLED. I telai Computer controllato lentamente cambiando ed evolvendo il movimento e luminosità accento modelli di superficie dello specchio OLED specifico e texture leggera.

Il sistema che consente il funzionamento dell’installazione è il Kinetic Lights costituito da motorini ad argano che regolano gli oggetti appesi individualmente in altezza, velocità, colore e luminanza direttamente da un software di controllo. Sincronizzando la posizione e l'animazione della luce, i moduli vengono coordinati tra loro per formare forme complesse.

Il sistema di controllo è costituito da un'interfaccia software e da un hardware per la distribuzione del segnale. Ciò consente pieno controllo in tempo reale su tutti gli elementi e il movimento di ogni singolo modulo collegato.

La nostra proposta è quindi tesa a seguire questo modello ma adattandone forma e funzione. Intendiamo infatti focalizzarci sull’aspetto acustico piuttosto che su quello illuminotecnico-rappresentativo. Variando parametricamente la giacitura dei pannelli cercheremo di far variare superficie riflettente e assorbente in modo tale da adattarle alla conformazione della sala e quindi alla funzione svolta.

Fabio Mantuano | Francesco Scilla

1.0.1 | Prime riflessioni Come è possibile far variare la giacitura degli oggetti sospesi?

Per rispondere alla domanda siamo partiti dal riferimento sopra citato notando che i pannelli vengono agganciati alle funi regolate dai motori in 3 punti (i 3 vertici del triangolo che ne individuano il piano di giacitura).A questo punto per comprendere e simulare la fisica del movimento di un piano appeso per 3 punti occorre seguire dei procedimenti teorici: Partendo dal piano orizzontale eseguiamo la proiezione della nostra forma su una generica superficie curva. La nuova forma proiettata sarà dunque diversa da quella di riferimento e pertanto dovendola sostituire con una superficie identica a quella iniziale dovremo disporre la nostra forma originaria in modo che il suo baricentro coincida con quello della proiezione e la sua giacitura coincida con il piano ortogonale alla normale alla superficie curva uscente dal baricentro della proiezione.

In questo modo riusciamo a ricavare la posizione esatta del pannello che sarà possibile ottenere attraverso l’accorciamento/allungamento dei cavi di sostegno.

Come sfruttare questa logica in funzione della flessibilità acustica?

Il nostro scopo è quello di realizzare uno spazio che riesca ad adattarsi alla funzione svolta al suo interno. I pannelli che intendiamo realizzare saranno composti su un lato di materiale fonoassorbente mentre sull’altro riflettente; dunque attraverso il loro posizionamento riusciremo a variare le condizioni acustiche dell’ambiente.

SALA CONVEGNI: In questo caso occorrerà modellare la superficie riflettente in modo da convogliare le onde sonore provenienti dal palco su tutta la platea. Realizziamo dunque una shoe box adatta agli standard funzionali.

SALA PROIEZIONI: A differenza dalla tipologia precedente non c’è più la necessità di incanalare le onde sonore provenienti dal palco bensì attraverso una specifica conformazione si dovrà aumentare la componente assorbente in modo tale da evitare il riverbero del suono della proiezione diffuso uniformemente in tutta la sala.

SALA RIUNIONI: L’utilizzo dello spazio si focalizza in determinati punti. Pertanto vengono adottati degli accorgimenti che consentono di migliorare le caratteristiche acustiche in funzione delle diverse zone.

SALA PER ATTIVITA’ VARIE: Attraverso le molteplici forme ottenute riusciamo a modellare lo spazio e a ricreare delle volumetrie che possono venire in contro alle esigenze dell’utenza.

Nel nostro caso i pannelli non avranno forma triangolare bensì quadrangolare per consentire una maggiore copertura della superficie della sala. Il principio di variazione della giacitura però rimane invariato in quanto anche in questo caso appenderemo i nostri oggetti in tre punti. Il passo successivo sarà quello di cominciare ad approfondire la modellazione degli elementi attraverso la programmazione in Grasshopper e Rhino.

Fabio Mantuano | Francesco Scilla

1.1.0 | Creazione Cluster base Nell'intervento precedente abbiamo visto come è possibile modificare la giacitura di pannelli sospesi attraverso lo studio della fisica di un corpo sostenuto su tre punti. Ora vogliamo mettere “in pratica” quanto approfondito dal punto di vista teorico e per fare questo ci avvaliamo del software Rhinoceros e del suo editor di programmazione Grasshopper.

Iniziamo quindi col realizzare nel software di modellazione i due elementi fondamentali: -la forma del nostro pannello di base; -la superficie di riferimento su base della quale verrà determinata la giacitura finale del nostro pannello.

Da questo punto in poi incominciamo ad avvalerci della programmazione per effettuare tutte le operazioni che ci condurranno direttamente al risultato finale ovvero al pannello sospeso nella giacitura corrispondente alla superficie di riferimento desiderata.

Per fare questo creiamo in grasshopper un CLUSTER ovvero un elemento base, equivalente ad una famiglia di Revit, che consente immettendo degli INPUT di ottenere degli OUTPUT .

Nel nostro caso la serie di operazioni che saranno svolte al suo interno andranno a simulare la fisica del movimento dell’oggetto appeso per 3 punti e immettendo come dati i nostri due elementi fondamentali riusciremo ad ottenere non solo il pannello nella sua giacitura finale ma anche le informazioni che verranno poi comunicate al software di gestione dei motori di sostegno (il sistema kinetic lights) ovvero la lunghezza dei cavi.

Vediamo ora passo passo come è composto il cluster e quali passaggi vengono svolti al suo interno.

Partendo dalla superficie del pannello ne vengono estrapolate le informazioni: - Le coordinate dei tre punti che la individuano; - Il piano nel quale è inserita.

Ora separando le informazioni delle diverse coordinate è possibile: individuarne il relativo centro (baricentro della nostra superficie del pannello iniziale) ed effettuare l’estrusione della nostra superficie creando il pannello vero e proprio.

Ritornando invece alla superficie di riferimento iniziale e sfruttando anche come informazione la superficie del nostro pannello effettuiamo la proiezione di quest’ultima sulla superficie curva. Il risultato sarà nel nostro caso un triangolo sferico dal quale mediante successive operazioni verranno estrapolate informazioni relative ai suoi vertici.

Fabio Mantuano | Francesco Scilla

1.2.0 | Simulazione Philips WHITEvoid

Creato il nostro CLUSTER come elemento fondamentale, che regola il comportamento fisico di un oggetto appeso per 3 punti, passiamo a realizzare una simulazione dinamica di un insieme di pannelli che si adattano a una superficie di riferimento in evoluzione.

Definiti quindi anche in questo caso i nostri pannelli di base e la superficie di riferimento passiamo nell’editor e fissiamo i passaggi che ci consentono di far funzionare l’insieme.

Inizialmente occorre separare le informazioni dell’insieme dei pannelli in modo tale da poter regolare il comportamento di ogni singolo elemento.

A questo punto occorre semplicemente far lavorare il nostro CLUSTER dandogli in pasto i singoli pannelli e la superficie di riferimento.

Il risultato finale consisterà quindi negli elementi agganciati ai cavi e disposti nella giacitura finale. Rendendo dunque la superficie dinamica a nostro piacimento avremo una variazione continua della conformazione dei pannelli acustici.

Fabio Mantuano | Francesco Scilla

1.3.0 | Nuovo modello geometrico

Fabio Mantuano | Francesco Scilla

Al fine di contestualizzare il lavoro finora svolto al nostro caso, che per necessità acustiche richiede un maggior livello di superficie coprente, eseguiamo il passaggio dal telaio triangolare dei pannelli dell’installazione Philips WHITEvoid alla forma quadrangolare.

Il nostro intento è comunque quello di continuare a utilizzare il medesimo sistema a 3 sostegni e di adattarlo alla nuova forma. Per fare questo occorre che la forma triangolare e la forma quadrangolare abbiamo i due baricentri in comune e al fine di verificarlo procediamo geometricamente al calcolo di questi.

Mentre nel caso del triangolo il baricentro viene ricavato semplicemente come l’incrocio delle tre mediane nel caso del quadrilatero la procedura si complica leggermente in quanto bisognerà dapprima ricondursi alle forme triangolari costituenti il quadrilatero, e in seguito si procede analogamente ricavando il centro di massa dall’intersezione delle rette colleganti i baricentri delle parti.

Pannello scala 1:50 Area 1,75 m² Strato inferiore

MDF impiallacciato 4cm Strato assorbente

Lana di vetro 3cm

Questo ragionamento ci porta alla definizione dei punti di sostegno dei pannelli quadrangolari (corrispondenti ai vertici dei triangoli sovrapposti). Riusciamo quindi a comprendere quale è la definitiva collocazione dei cavi ed i relativi agganci ai motori.

1.2.0 | Simulazione Philips WHITEvoid

Creato il nostro CLUSTER come elemento fondamentale, che regola il comportamento fisico di un oggetto appeso per 3 punti, passiamo a realizzare una simulazione dinamica di un insieme di pannelli che si adattano a una superficie di riferimento in evoluzione.

Definiti quindi anche in questo caso i nostri pannelli di base e la superficie di riferimento passiamo nell’editor e fissiamo i passaggi che ci consentono di far funzionare l’insieme.

Inizialmente occorre separare le informazioni dell’insieme dei pannelli in modo tale da poter regolare il comportamento di ogni singolo elemento.

A questo punto occorre semplicemente far lavorare il nostro CLUSTER dandogli in pasto i singoli pannelli e la superficie di riferimento.

Il risultato finale consisterà quindi negli elementi agganciati ai cavi e disposti nella giacitura finale. Rendendo dunque la superficie dinamica a nostro piacimento avremo una variazione continua della conformazione dei pannelli acustici.

Fabio Mantuano | Francesco Scilla

1.3.1 | Nuovo modello geometrico

Fabio Mantuano | Francesco Scilla

1.3.1 | Nuovo modello geometrico

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1.4.0 | Analisi acustica Definiti gli elementi e le possibili variazioni formali realizzabili in funzione delle diverse configurazioni della sala effettuiamo lo studio di come questo si ripercuota a livello acustico sulla propagazione del suono.

Il suono, composto da un insieme di onde che si propagano a determinate frequenze con diverse pressioni sonore, viene emesso da una sorgente e si propaga all’interno di un ambiente in funzione delle forme e delle caratteristiche fonoassorbenti dei materiali che incontra.

L’assorbimento è infatti la capacità di un materiale di non riflettere i suoni ed è definito da un determinato coefficiente acustico che varia in relazione alla frequenza dei suoni stessi e dipende dalla natura del materiale, dallo spessore e dal suo modo di assemblaggio.

Il parametro che ci consente di individuare il corretto livello di assorbimento acustico all’interno della sala è il tempo di riverberazione, ovvero quel tempo in cui il suono, che incontra le superfici, si riflette e continua a propagarsi.

Questo intervallo è necessario affinchè il suono cali di pressione per un valore di 60 decibel e risulta influenzato dal volume della sala (V), dalle superfici di rivestimento (S) e dai loro coefficienti di assorbimento (a):

T60= 0,163 V/ Σ (a*S) Dunque procediamo a ricavarne i valori in riferimento alle due conformazioni principali della sala: 1- Con sedute: la classica configurazione a gradoni predispone 155 sedute in un volume di 1850 mc; 2- Senza sedute: viene ricavato un grande ambiente continuo con una superficie calpestabile di 273 mq e un volume di 2103 mc.

Nel primo caso, trattandosi di spazi per la musica, avremo bisogno di lunghe code sonore mentre nel secondo caso degli spazi per la convegnistica avremo necessità di un ambiente poco riverberante.

A seconda della funzione realizzata nell’ambiente e del suo volume la valutazione della corretta coda sonora risulterà influenzata, pertanto andiamo a ricavare i valori di riferimento per quanto riguarda il tempo di riverbero ottimale nel caso di spazi dedicati alla convegnistica oppure dedicati alla concertistica.

Fabio Mantuano | Francesco Scilla

1.4.1 | Analisi acustica

Dopo questa prima analisi basata sulle volumetrie e sulle superfici assorbenti procediamo approfondendo il tema acustico in maniera più accurata attraverso l’esame delle geometrie e del percorso delle particelle.

Anche in questo caso ricorriamo all’uso di Grasshopper che, attraverso un apposito plug in, ci consente di simulare quanto avverrebbe nella realtà. Inserendo infatti come dati le superfici, il punto sorgente ed i punti di ricezione otteniamo la simulazione della propagazione delle onde e dell’efficacia del sistema sonoro.

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1.4.2 | Analisi acustica

Inizialmente andiamo a definire le superfici della nostra sala andandone a specificare per ogni tipo il coefficiente di assorbimento acustico già visto in precedenza.

Una volta stabilito il nostro ambiente definiamo la sorgente sonora, che nel caso della convegnistica coinciderà con l’oratore, e ne andiamo a specificare gli angoli solidi di diffusione.

I punti di ricezione vengono invece individuati dagli spettatori che verranno collocati in corrispondenza delle sedute in precedenza determinate.

Attraverso l’elaborazione dei dati di input riusciamo quindi a visualizzare graficamente la propagazione sonora

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1.4.3 | Analisi acustica

Viene di conseguenza analizzata l’interazione tra le particelle ed i diversi punti di ricezione ponendo particolare interesse ai tempi di propagazione, alla pressione sonora e alle angolazioni della ricezione.

Infine è possibile seguire nel dettaglio il percorso di ogni singola particella, rimbalzo dopo rimbalzo, fino alla definitiva dissolvenza.

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1.5.0 | Verso un modello fisico Lo step seguente è quello di riuscire a fare un analisi con un modello fisico in scala.

L'idea è quella di creare un plastico della sala utilizzando gli stessi materiali scelti per il progetto ed utilizzare Arduino sia per il movimento dei pannelli che per la ricezione emissione delle onde sonore.

In questo post illustrerò in maniera semplificata come potrebbe funzionare una definizione Grasshopper capace di variare i movimenti del pannello, di generare il modello 3d e di inviare i dati ad Arduino attraverso il plug-in di Grasshopper FireFly

Questo è lo schema elettronico, nel nostro progetto preliminare ogni elemento del controsoffitto è mosso da tre motori, per il plastico è possibile utilizzare tre servo motori.

Lo schema è molto semplice, ogni motore ha tre cavi: il positivo, il negativo e uno per la trasmissione che indica la rotazione da effettuare (il valore va da 0° a 179°).

Passiamo quindi alla definizione in Grasshopper La prima parte è rimasta invariata, l'animazione è generata attraverso lo spostamento continuo della superficie di destinazione.

Il cluster del pannello è stato cambiato, adesso negli output c’è il valore della lunghezza dei singoli cavi.

La parte centrale riguarda la conversione dei dati, si passa dalla lunghezza in metri (da 0,00 a 2,25) a un valore in angoli (da 0° a 179°), questa conversione andrà verificata in base al meccanismo che si costruirà il plastico finale.

L'ultima parte riguarda l'invio delle informazioni ad Arduino e l'utilizzo dei nodi di FireFly. Quest'ultimo è un plug-in molto user-friendly e permette di utilizzare Arduino senza utilizzare il suo linguaggio di programmazione.

Per consentire la comunicazione è necessario solamente scaricare il codice di FireFly da inserire all'intero di Arduino con il suo software.

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1.5.1 | Verso un modello fisico

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