PROYECTO DE GRADO(ENTREGA FINAL 093013)

DETERMINACIÓN DEL GRADO DE INCERTIDUMBRE TOTAL ASOCIADO A LAS DIFERENTES VARIABLES CONSIDERADAS EN EL PROCESO DE SIMULACIÓN DE MAPAS DE RUIDO

AUTOMOTOR EN LOS SOFTWARE CadnaA Y SoundPLAN

JOSÉ JULIÁN TÉLLEZ GARCÍA JOHN FELIPE VASQUEZ RESTREPO

INFORME

Asesor:

Diego Mauricio Murillo Gómez Docente Investigador

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍAS

INGENIERÍA DE SONIDO MEDELLÍN

2013

II

Agradecimientos

A Dios por permitirnos seguir aprendiendo y aportando en la Ingeniería. Al docente Diego M. Murillo Gómez por la paciencia, asesoría y su constante dedicación. A nuestros padres por su ayuda y esfuerzos realizados. A la Universidad de San Buenaventura - Seccional Medellín. Por último no menos especial a todas las personas que influyeron en este proceso de aprendizaje desde docentes, compañeros y amistades las cuales son parte de esto tanto como nosotros mismos.

III

INTRODUCCIÓN

El ruido ambiental es un contaminante que puede tener efectos nocivos en la salud tanto fisiológica como emocional [5]. Dentro de la sociedad actual existen diferentes factores como: el crecimiento poblacional, el desarrollo socioeconómico y tecnológico que han elevado notablemente la contaminación por ruido. La ciudad de Medellín en su crecimiento continuo no es ajena a este tipo de factores. El mapa de ruido se utiliza como herramienta cartográfica que arroja información visual sobre el comportamiento acústico en un área geográfica dentro de un período de tiempo determinado. A partir de la elaboración de estos mapas de ruido se pueden establecer acciones preventivas o soluciones de acústica ambiental con base a las normativas vigentes de cada región. En el contexto suramericano se han realizado estudios con el fin de implementar modelos de predicción en la estimación de los niveles de ruido [1], Los ingenieros Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto y Maysa Daniela Moreno Mardones efectuaron el estudio a la ciudad de Rio de Janeiro en la que evaluaron los niveles de ruido a los cuales estaba expuesta la población por medio del modelo de cálculo alemán RLS 90 a través del cual se puede determinar el nivel de ruido de tráfico rodado teniendo en cuenta las principales características que influyen en la propagación del ruido [22]. Dicho estudio fue realizado con el software CadnaA y posteriormente se hizo la validación del modelo a partir de la comparación con los valores medidos de ruido in situ. De igual forma, otro ingeniero reconocido a nivel suramericano es el Ph.D Miguel Ausejo de Chile, este se ha destacado por haber realizado una metodología para el cálculo de incertidumbre de mapas de ruido. En Colombia de la misma manera se han adelantado investigaciones con resultados positivos, donde se ha utilizado el modelo de cálculo alemán RLS 90 y su posterior simulación como lo demuestran los ingenieros C. A. Echeverri, D. M. Murillo y G. M. Valencia [19]. Es por esto, que a partir de investigaciones previas, este trabajo pretende aportar en identificar las variables más relevantes asociadas al proceso de simulación las cuales sean de mayor interés e importancia a la hora de obtener los datos de entrada para la realización de un mapa de ruido y evaluar cuantitativamente el aporte en la incertidumbre total. Estas variables están relacionadas al modelo acústico, al método y motor de cálculo. Para determinar las variables de mayor importancia asociadas al proceso de simulación del mapa de ruido, se definieron en orden de mayor a menor según su incertidumbre expandida total, determinadas a partir de la comparación entre valores medidos experimentalmente y los valores simulados expresos por los diferentes escenarios planteados. Para la elaboración de la investigación se tomó como zona piloto la comuna 11 (sector estadio) de Medellín Colombia, debido a que es una zona residencial altamente afectada por la contaminación acústica donde su principal fuente de ruido está asociada al flujo vehicular.

iv

INDICE GENERAL

INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………………..….…III INDICE DE FIGURAS………………………………………………………….………….…………………...vi INDICE DE TABLAS………………………..………………………………………………….……………...vii 1. MARCO NORMATIVO………………………………….....…………….…………….………….…………1 2. MARCO TEÓRICO…………………………………………………………………….………….…………2 3. DESARROLLO…..…………...……………………………………..……………….………….………...…14

3.1. Descripción Zona de Medición…………………………..……..………………………….………14 3.2. Condiciones Predominantes……………………….……...……………………………….………15 3.3. Descripción de escenarios..…………..……………………….……...…………………….………16 3.4. Metodología Predictiva……………………………………....…………………………….………18

3.4.1. Calibración y Validación de valores medidos y simulados para el escenario base (CadnaA)..………….………...………….…….…22

3.4.2 Calibración y Validación de valores medidos

y simulados para el escenario base (SoundPLAN)..…………...………….………..…25

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS……………..………………………….………….………….………….…29 5. CONCLUSIONES………………………………………………………..………….………………….……35 BIBLIOGRAFÍA………………………………………….……………………………….……………………37

v

ANEXOS A1. Resultados de las mediciones A2. Diferencia entre valores medidos y escenarios simulados SoundPLAN A3. Diferencia entre valores medidos y escenarios simulados CadnaA

vi

INDICE DE FIGURAS

Fig. 2-1. Curvas de ponderación correspondientes a los filtros “A”, “B”, “C” y “D”……………...……………..4 Fig. 2-2. Rayos de búsqueda para una sección de carretera……...……………….……………………………….7 Fig. 2-3. Altura media de la propagación por encima del suelo…………….………….………………….………8 Fig. 2-4. Longitud extra del camino…………………………………………………….……………………........8 Fig. 3-1. Mapa de Medellín sectorizado por número de comunas………………….……………………………14 Fig. 3-2. Zona de estudio. Barrio Estadio, Medellín, Colombia……………...…….….………………...…....…15 Fig. 3-3. Puntos de seleccionados para efectos de cálculo de incertidumbre…………….………………………19 Fig. 3-4. Valores medidos con su incertidumbre asociada. ………….…………...………….…………………..23 Fig. 3-5. Validación del mapa de ruido…………………………………………..………….…………………...24 Fig. 3-6. Valores medidos con su incertidumbre asociada…………………………...…….…………………….26 Fig. 3-7. Validación del mapa de ruido………………………………………………..….….…………………..27 Fig. 4-1. Comparativo normalizado de la Incertidumbre total expandida del mapa de ruido

de tráfico rodado U(t) para los escenarios simulados en SoundPLAN y CadnaA……………….....……34

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INDICE DE TABLAS

Tabla 2-1. Adiciones y substracciones por superficie de carretera (dB).………….….………………...……........6 Tabla 2-2. Contribuciones a la incertidumbre de “Tipo B”.……………………..….….………………...……...10 Tabla 2-3. Características referente al Método de Cálculo …………………………………………………..….12 Tabla 2-4. Características referente al Modelo Acústico …………………………..………………………...….13 Tabla 2-5. Características referente al Motor de Cálculo.…………… …………………………...……….…….13 Tabla 3-1. Incertidumbre estándar “Tipo A”.…………………………………………….......….………………19 Tabla 3-2. Temperaturas en cada punto de medición en °C………………….…………….………………….…20 Tabla 3-3. Aporte de Incertidumbre “Tipo B” debido al Equipo de Medición…..………..….………………….20 Tabla 3-4. Incertidumbre Estándar “Tipo B”.…………………………..………………….….………………....21 Tabla 3-5. Incertidumbre combinada de medición…………………………………..…….………………….….21 Tabla 3-6. Incertidumbre expandida de medición…………………………………………….………………….21 Tabla 3-7. Valores medidos con su incertidumbre asociada…………………....……….……………………….21 Tabla 3-8. Valores medidos y simulados con su respectiva desviación (dBA)…..………….…………………..22 Tabla 3-9. Incertidumbre asociada al modelo de tráfico rodado del

“Barrio Estadio” (CadnaA)…...………………………………..……….……….…………………25 Tabla 3-10. Valores medidos y simulados con su respectiva desviación (dBA)…………….…………………..26 Tabla 3-11. Incertidumbre asociada al modelo de tráfico rodado del

“Barrio Estadio” (SoundPLAN)..………………………………………..….………………...…...28 Tabla 4-1. Índices de determinación Vs. Incertidumbre expandida del modelo de tráfico

rodado (SoundPLAN) …………...…………………...……………………….…………………...29 Tabla 4-2. Índices de determinación Vs. Incertidumbre expandida del modelo de tráfico

rodado (CadnaA) ………...……………………………………………….………………………..31 Tabla 4-3. Tabla comparativa de valores simulados en ambos software (escenarios base)……………………...33

1

1. MARCO NORMATIVO

• Resolución 0627 del 2006 Por la cual se establece la norma nacional de emisión de ruido y ruido ambiental. • Estándar internacional ISO 1996-1 2003. Descripción, medición y evaluación del ruido ambiental - Parte 1:

Magnitudes básicas y procedimientos de evaluación • Estándar International IEC 61672-1 Electroacústica. Sonómetros. Especificaciones. • WG-AEN. European Commission Working Group. Assessment of Exposure to Noise. Good Practice Guide

for Strategic Noise Mapping and the Production of Associated Data on Noise Exposure, Version 2; January 2006

• RLS 90. Richtlinien für den Larmshutz an Strassen. Norma Alemana sobre predicción de ruido de tráfico

rodado. • Guidelines for Comunity Noise. London, United Kingdom: WHO, 1999.

2

2. MARCO TEÓRICO

Se entiende por ruido un caso particular de sonido no deseado, una emisión de energía emitida por un fenómeno vibratorio que puede causar sensación de molestia (efectos psicofisiológicos) [2, 3]. El término de ruido ambiental está asociado al ruido emitido por las fuentes sonoras propias de las actividades humanas, incluyendo el ruido de tráfico rodado, ferroviario y aéreo, las actividades en industrias y construcciones, entre otras [4]. Una fuente sonora es un elemento que genera energía mecánica vibratoria definida anteriormente como sonido o ruido y puede considerarse como un conjunto de causantes que pueden tener características físicas diferentes, distribuidas en el tiempo y en el espacio [3]. Las principales fuentes de ruido ambiental dadas por las actividades humanas ejecutadas a diario, son el transporte (tráfico vehicular, ferroviario y aéreo) y las labores de construcción [5]. El ruido de tráfico rodado es considerado la principal fuente sonora de contaminación acústica en las zonas urbanas de los países desarrollados, incluido el tráfico rodado, ferroviario y aéreo, ya que se considera como la que produce mayores molestias sobre los habitantes de los sectores urbanos. Los vehículos de mayor volumen y más pesados emiten niveles de presión mayores que los vehículos de menor volumen y más livianos [5, 6]. El ruido o exceso de presión sonora que llega al oído puede provocar una gran variedad de efectos nocivos (efectos auditivos, efectos fisiológicos no auditivos y efectos psicosociales) que van desde simples molestias o sensaciones incomodas hasta problemas clínicos no reversibles [7]. La pérdida de la audición o deficiencia auditiva es considerado el efecto del ruido de mayor interés considerado en la legislación sobre ruido, el cual se define como un incremento en el umbral de audición que puede estar acompañado de un zumbido y se produce principalmente en una banda de frecuencia de 3kHz a 6kHz [5, 7]. La exposición a niveles de ruido muy altos por largos períodos de tiempo pueden generar daños en la salud, en general desde la auditiva hasta otro tipo de efectos que perjudican notablemente la calidad de vida y salud en las personas. Cuando se habla de ruido se tratan temas sensibles de algunos efectos de los altos niveles de presión sonora como: la hipoacusia, la cual se refiere a la pérdida parcial de la capacidad auditiva, también la deficiencia auditiva o la pérdida progresiva de audición siendo el riesgo más grave que puede sufrir el ser humano, entre otros efectos como la fatiga, depresión, trastornos del sueño en general y estrés [8]. Existen unos indicadores que son empleados para la medición y evaluación del ruido ambiental: Nivel de presión sonora: Se define como 10 veces el logaritmo de base 10 de la razón entre la intensidad sonora medida y la intensidad acústica de un valor de referencia y se evalúa en función de una escala logarítmica debido a la amplitud del rango auditivo humano. El nivel de presión sonora (NPS) de un sonido está expresado en función de la presión sonora ! como se denota a seguir [9].

!"# = 10 !"#!"!!"#

!

!!!(!")

Considerando que !!"# representa el valor eficaz de la presión sonora y !! la presión de referencia 20 !"#. Nivel de presión sonora continuo equivalente (Leq): Es el nivel sonoro de un ruido constante que corresponde a la misma cantidad de energía acústica que el ruido medido, en un punto determinado durante un lapso de tiempo ! [7].

(1)

3

!!",! = 10 !"# !!∗ !!(!)

!!!!"!

! (!") Donde !(!) representa la presión sonora en función del tiempo, ! el periodo de medición y !! la presión de referencia 20 !"#. Nivel de presión sonora máximo (Lmax): Nivel sonoro ponderado más alto que se registra durante un periodo de medición y no considera el factor temporal de la medición (dB) [7, 9]. Nivel de presión sonora mínimo (Lmin): Nivel sonoro ponderado menor que se registra durante un intervalo de medición (dB) [7]. Nivel eficaz (RMS): Es una medida de la energía transportada por la señal, refiriéndose al valor cuadrático medio [7]. El sonómetro es un equipo o instrumento de medición, compuesto de un elemento transductor (micrófono de medida cuya respuesta en frecuencia sea plana y abarque un rango de frecuencias amplio (20 Hz a 20kHz)), encargado de transformar las variaciones de energía acústica en señal eléctrica. Está compuesto por amplificador, filtros de ponderación e indicador de medida, destinado a la medida exclusiva de niveles de presión sonora. Las mediciones efectuadas con sonómetros de distintas marcas y modelos pueden generar resultados diferentes en las mediciones efectuadas, por ende, existen unas normas internacionales que rigen la fabricación de tales instrumentos con el fin de reducir al máximo las posibles diferencias [3, 6, 10]. Anatómicamente, el oído humano exhibe una respuesta en frecuencia no lineal, por lo que usualmente se quiere asemejar con qué sonoridad los niveles medidos serán percibidos. Para tal fin, surgen unos filtros de ponderación frecuencial que se aplican a los niveles de presión captados por los medidores acústicos (sonómetro). Primeramente fueron definidas las curvas “A”, “B” y “C”, correspondiendo cada una a un rango de niveles de sonoridad. La curva de ponderación “A” corresponde a la medida más significativa de cómo responde el oído humano, fue concebida para niveles bajos (del orden de los 40dB en 10kHz), la “B” para valores medios (del orden de los 60dB en 10kHz) y la “C” para los contornos de sonoridad superiores (aproximadamente 90dB en 10kHz) [7].

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FIGURA. 2-1. Curvas de ponderación correspondientes a los filtro “A”, “B”, “C” y “D”.

Fuente: Michael Möser, José Luis Barros. Ingeniería Acústica. Teoría y Aplicaciones. 2da Edición Se entiende por mapa de ruido, la representación cartográfica de los datos sobre una situación acústica existente o pronosticada en una zona, ciudad o región en función de un indicador de ruido, en la que se indica la superación de cualquier valor límite pertinente vigente, el número de personas afectadas o el número de viviendas, centros educativos y hospitales en una zona específica expuestas a determinados valores permitidos en dicha zona y datos sobre costos y beneficios, u otros datos económicos sobre las medidas correspondientes o los modelos para la mitigación del ruido. Los diferentes propósitos con los que cuenta la elaboración de un mapa son definir zonas aptas para diferentes usos, estimar la exposición al ruido de los habitantes de una zona en específico, comparar los niveles sonoros medidos con los niveles establecidos en normas de cada país y determinar la necesidad de aplicar o dar prórroga de medidas de control de ruido existentes [3, 4]. Los modelos de tráfico rodado han presentando una evolución contundente desde mediados del siglo XX, lo que implica un aumento del interés por la modelización del ruido que provoca dicha fuente. Constantemente, se vienen realizando desarrollos de modelos de los fenómenos físicos de propagación, los efectos de la climatología y otras fuentes de ruido, como los ferrocarriles, aviones e industrias. Los modelos: francés NMPB (Nouvelle Methode de Prevision de Bruit), Ingles CoRTN (Calculation of Road Traffic Noise), Alemán RLS90 (Richtlinien für den Lärmschutz an Straben) y Escandinavo SP69 (Statens Planverk) son algunos de los modelos de predicción de ruido por tráfico rodado más comunes en Europa [12]. Como se mencionó anteriormente, el modelo Alemán RLS90, utiliza el método de fuente puntual con propagación, atenuación de terreno, proyección y reflexión. La normativa consiste en dos modelos separados. El modelo de la fuente, el cual utiliza la información de tráfico y el nivel de ruido de referencia (L25) o nivel medio de emisión (LME para SoundPLAN) a 25 metros de distancia de la carretera y a 4 metros por encima del suelo y el modelo de propagación utiliza los niveles de ruido de referencia o nivel medio de emisión de día y de noche como información de entrada y los niveles ruido en el receptor para el día y la noche como el resultado.

5

Emisión de la fuente La siguiente información es necesaria para calcular el nivel de la fuente:

• Información vehicular (número de vehículos por hora, porcentaje de vehículos pesados). • Velocidad de las carros y de los camiones. • Ajustes de la superficie de carretera. • Gradientes de carreteras. • Adición de reflexiones Múltiples.

El nivel de la fuente (Lm,e) se calcula de la siguiente manera:

!!,! = !! 25 + !!"#$%&'(' + !!"#$%&'('$()%%$*$%) + !!"#$%&'(& + !!"# En el cual !!,! es el nivel estandarizado para las siguientes condiciones:

• Velocidad 100 km/h para autos y 80 km/h para camiones. • Superficies de carreteras sin surcos. • Gradiente <5%. • Propagación a campo libre.

!!(!") = 37.7+ 10 ∗ !"# ! ∗ (1+ 0.082 ∗ !

En el cual M es el valor medio de vehículos por hora y P es el porcentaje de camiones que exceden las 2.8 toneladas. Corrección de velocidad:

!!"#$%&'(' = !!"#$% − 37.3+ 10 ∗ !"#(100+ (10!.!∗!) ∗ !100+ 8.23 ∗ !

!!"#$% = 27.8+ 10 ∗ log 1+ (0.02 ∗ !!"#$%

!!"#$%&'( = 23.1+ 12.5 ∗ log !!"#$%&'(

! = !!"#$%&'( − !!"#$%

En el cual !!"#$% es la velocidad de automóviles (min. 30 km/h, max. 130 km/h) y !!"#$%&'( es la Velocidad de los camiones (min. 30 km/h, max. 80 km/h) Adición de superficie a la carretera !!"#$%&'('$)*%%$+$%* = Adiciones y substracciones acorde a la TABLA 2-1. RLS 90. (En dB).

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TABLA. 2-1. Adiciones y substracciones por superficie de carretera (dB).

Tipo de superficie Máxima velocidad permitida en km/hora 30 km/h 40 km/h >50 km/h >60 km/h

Asfalto no ranurado 0 0 0 0 Concreto o asfalto ranurado 1 1,5 2 2 Superficie pedregosa con textura lisa 2 2,5 3 3 Superficie pedregosa con estructura rugosa 3 4,5 6 6

Hormigón con tratamiento escoba metal 1 1 1 1 Asfalto hormigón sin grietas 0 0 0 -2 Asfalto poroso con más de 15% de poros tipo 0/11

0 0 0 -4

Asfalto poroso con más de 15% de poros tipo 0/8

0 0 0 -5

Adición del gradiente de carretera !!"#$%&'(& = Adición por gradientes de carretera 0 dB(A) para gradientes menores al 5% 0.6 ∗ ! − 3 = Para gradientes >5% con g=gradiente de carretera Adición de reflexiones múltiples !!"# = Corrección por reflexiones múltiples entre muros de contención Superficies o fachadas paralelas: !!"# =4 * (Altura de la pared) / (distancia entre las muros de contención) Esta corrección no debe ser mayor a 3.2 dB. Superficies o fachadas absorbentes: !!"# =2 * (altura de la pared) / (distancia entre las muros de contención) Esta corrección no debe ser mayor a 1.6 dB. Propagación El nivel sonoro en el lugar del receptor, se deriva de los niveles sonoros de todas las fuentes en la carretera. Todas las contribuciones de cálculos seccionadas mayores que 0 dB se agregan energéticamente por el nivel de ruido. Además de los niveles de ruido calculados, la adición de 1, 2 o 3 dB puede darse a las contribuciones de una carretera si el receptor se encuentra a 100, 70 o a 40 metros de distancia de un semáforo. En cuanto el receptor esté más cerca, mayor es la adición para compensar por ruptura o aceleración.

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En el método del triángulo de búsqueda, una sección de carretera se calcula como una fuente separada. La fuente se localiza a 0.5 metros por encima de la superficie de la carretera y el nivel de contribución. Ver Figura 2-2

FIGURA. 2-2. Rayos de búsqueda para una sección de carretera

Fuente: Braunstein + Berndt GmbH. SoundPLAN. User`s Manual El nivel de contribución se calcula con la siguiente fórmula:

!! = !!"#$#%&"'(#) + !!"#$$%&' + !!"#!$%$&'#( + !!"#$% + !!"#$ Corrección de longitud de sección: incremento acorde a la distancia de la sección de la carretera evaluada

!!"#$$%&' = 10 ∗ log ! En el cual ! es el largo de la carretera en metros dentro del triángulo de búsqueda. Propagación y absorción del aire La atenuación por divergencia geométrica y por la absorción del aire se combinan en una fórmula en función de la distancia.

!!"#!$%$&'ó! = 11.2− 20 ∗ log !"#$%&'"% )− !!"#$

!!"#$ = Distancia /200 En la cual la distancia se calcula desde la fuente (medio de la sección) hasta el receptor. Atenuación de terreno y absorción meteorológica.

!!"#$% = !"#$%& !"#$%&'#

!"#$%&'"% ∗34+ 600!"#$%&'"% − 4.8 < 0

La altura promedio es la altura media de la línea de visión sobre el terreno, cuando hay proyección, la absorción del terreno no se evalúa. La RLS ignora la impedancia del terreno (coeficiente de absorción). Ver Figura 2-3

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FIGURA. 2-3. Altura media de la propagación por encima del suelo. Fuente: Braunstein + Berndt GmbH. SoundPLAN. User`s Manual

Proyección o apantallamiento (por topografía o barreras acústicas)

!!"#$%&&'#( = 10 ∗ log 3+ 80 ∗ !"#$%&'( !"#$% !" !"#$%& ∗ !!"# Longitud extra del camino = A + B + D – (distancia directa). La proyección sólo se evalúa en la zona de la sombra. Los obstáculos no interfieren con la línea de visión que se tiene en cuenta. Ver Figura 2-4

FIGURA. 2-4. Longitud extra del camino Fuente: Braunstein + Berndt GmbH. SoundPLAN. User`s Manual

Corrección meteorológica.

!!"# = !! !!"""∗ (!∗!∗!"#$%&'"% !"#$%&')/(!∗!"#$%&'( !"#$% !"# !"#$%&)

El factor de corrección meteorológica asume que el ruido se desplaza en una trayectoria curva desde la fuente al receptor. A medida que la densidad de la atmósfera disminuye con el aumento de la altitud, el ruido se dobla de nuevo a la tierra. Inversiones y situaciones a favor del viento aumentan este efecto [13]. Caracterizar un mapa de ruido con el modelo adecuado es de suma importancia a la hora de obtener resultados confiables, sin embargo hay otros aspectos en el proceso de la realización de mapas de ruido que se deben tener en cuenta para poder garantizar la validez de los resultados obtenidos de simulación, esto se hace por medio de la incertidumbre asociada a cada proceso de la realización de este [12]. Se entiende como incertidumbre de forma general, un parámetro unido al proceso de obtención de resultados que caracteriza el intervalo de valores en los cuales los resultados se ajustan a una medida [3, 14]. La palabra “incertidumbre” se refiere a la duda, por tanto, en un sentido más amplio “incertidumbre de medida” significa

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9

duda sobre la precisión (definida como el grado de concordancia entre ensayos independientes obtenidos bajo unas condiciones estipuladas) del resultado de una medición [14]. La incertidumbre de medida relacionada con las dimensiones de entrada se evalúa teniendo en cuenta la evaluación Tipo A encargada de evaluar la incertidumbre mediante el análisis estadístico de una serie de mediciones y Tipo B que evalúa la incertidumbre mediante un procedimiento distinto al análisis estadístico por medio análisis de los instrumentos de medida [15]. Cálculo de la incertidumbre de medida. La metodología que expone la GUM (Guide to the expression of uncertainty in measurement), consiste en calcular de forma separada las contribuciones de Tipo A y Tipo B con el fin de calcular la incertidumbre combinada posteriormente [12]. Así mismo, la incertidumbre estándar Tipo A se determina definiendo la varianza !!(!) de la siguiente manera [16].

!! !! = !!!!

(!! − !)!!!!!

Donde:

- n es el número de muestras independientes. - !! es cada nivel de ruido obtenido en medición. - ! es el promedio de los niveles de ruido.

Luego, se calcula la varianza de la media !!(!):

!! ! =!!(!!)!

Finalmente la incertidumbre estándar Tipo A, u(L), se define como la desviación estándar de la media:

!!(!) = !! ! → ! ! = ! ! Para efectos de cálculo de la incertidumbre estándar Tipo B, u(E), se tiene en cuenta los instrumentos de medida utilizados para realizar las mediciones de los niveles sonoros los cuales son manufacturados acorde a los estándares internacionales IEC 60651, IEC 60804 y IEC 61672 para el caso de la investigación presente. En estos estándares internacionales mencionados anteriormente se identifican las contribuciones más importantes debidas al equipo. Las contribuciones de Tipo B, asociadas a los instrumentos de medida utilizados, se encuentran contenidos en la TABLA 2-2 [6].

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TABLA. 2-2. Contribuciones a la incertidumbre “Tipo B”

δPFE Corrección de calibración eléctrica del nivel de presión sonora con ponderación A

δPFA Corrección de calibración acústica del nivel de presión sonora con ponderación A

δLS Corrección asociada con la linealidad del sonómetro en su rango de referencia

δRMS Corrección asociada con detector RMS del sonómetro evaluada eléctricamente

δPT Corrección asociada con la función de ponderación temporal

δCA Corrección asociada con el ajuste inicial del sonómetro utilizando un calibrador acústico

δCC Corrección de utilización del calibrador acústico sobre su valor certificado

δES Corrección asociada a la resolución finita del valor de la indicación del sonómetro

δTS Corrección asociada a las variaciones de temperatura Fuente: “Evaluación de la incertidumbre de medida en un supuesto aislamiento in situ a ruido aéreo” Javier Castillo Cid

Una vez se ha establecido las contribuciones a la incertidumbre de cada elemento, se puede determinar la incertidumbre estándar Tipo B, u(E) [16].

! ! = !!!

Donde:

- !! son todas las aportaciones a la incertidumbre debidas a las correcciones mencionadas. El cálculo de la incertidumbre combinada, !! , utiliza la siguiente expresión teniendo en cuenta las contribuciones de Tipo A y Tipo B [16].

!!! = !! ! + !! ! → !! = !! ! + !! ! Por último, el cálculo de la incertidumbre expandida ! se determina al multiplicar por un factor de cobertura ! = 2, que implica que el valor indicado está incluido en la incertidumbre calculada con un 95,45% de confianza [12, 16]

! = !! ∗ !; !"#$"#%& !" !!"#$% ! = 2, ! = !! ∗ 2 Cálculo de la incertidumbre total. Partiendo del cálculo de incertidumbre Tipo A y Tipo B, se obtiene una incertidumbre combinada de medición analíticamente y se calcula la incertidumbre expandida a partir del producto de incertidumbre combinada con un factor de cobertura k=2. Posterior a esto, se toma el segundo valor mayor a partir del cual se garantiza un nivel de confianza de 95.45% denominada incertidumbre expandida total de medición !(!) [12].

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A partir de la diferencia aritmética entre los valores medidos in situ y los valores simulados, se toma el segundo valor mayor que indica el nivel de confianza de 95.45% obteniendo de esta manera la incertidumbre expandida total de mapa ruido de tráfico rodado !!, luego se obtiene la incertidumbre combinada total de simulación !(!) a partir de las incertidumbres combinadas totales de mapa de ruido de tráfico rodado !!" y de medición !(!). Por último se multiplica por el factor de cobertura k=2 para obtener la incertidumbre expandida total de simulación ! ! [12]:

!! = !!" . !

!(!) = !!"! + !!(!)

! ! = ! ! . ! Donde:

• !! es la incertidumbre expandida total del mapa de ruido, determinada empíricamente.

• !!! es la incertidumbre combinada total del mapa de ruido, calculada a partir de !!.

• !(!) es la incertidumbre combinada debida a las medidas, determinada analíticamente.

• !(!) es la incertidumbre combinada debida a la simulación, obtenida mediante !!! y !(!)

• !(!) es la incertidumbre expandida debida a la simulación, calculada a partir de !(!).

Teniendo en cuenta un factor de cobertura k=2, se determina empíricamente la incertidumbre expandida total de medición a partir de l mapa, por ende, la probabilidad de que los datos tengan una dispersión menor al 95,45% Validación de mapa de ruido Para validar el modelo se utilizó la metodología para el cálculo de incertidumbre planteada por Miguel Ausejo [12], el cual propone que la incertidumbre asociada a un mapa de ruido tiene en cuenta las contribuciones aportadas por el proceso de medida ! ! y por el proceso de simulación !(!). Para el cálculo de la incertidumbre de medida se consideraron las directrices de la guide to the expression of uncertainty in measurement (G.U.M), en la cual se establecen las normas generales para la evaluación y la expresión de la incertidumbre. Como condición para un valor aceptable se determinó una máxima diferencia aritmética de 3 dB entre el valor simulado y el medido [12, 17, 18, 19].

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Datos de entrada para realizar una simulación acústica La directiva europea designó a la European Commission Working Group Assessment of Exposure to Noise (WG-AEN) para la elaboración de un documento guía que referencie procedimientos recomendados para adquirir la información requerida en la elaboración de un mapa de estratégico de ruido. Este documento tiene como propósito dar una directriz con el fin de que los datos sean obtenidos adecuadamente y así asegurar la validez del mapa [19]. Esta guía dicta una serie de (Echeverri, Murillo, & Valencia, 2011) parámetros, entre estos, establece valores por defecto y soluciones alternativas para la obtención de los datos necesarios para la realización de los mapas [12]. Dichos datos se pueden dividir en tres grandes grupos:

• Datos relacionados con la fuente de ruido. • Datos relacionados con la propagación del sonido. • Datos relacionados con el receptor de ruido

Método de Cálculo: Dependiendo de la fuente de ruido se realiza el método de cálculo, para este caso específico, ruido automotor, donde están las diferentes variables necesarias para el software ejecutar el modelo de propagación para la fuente.

TABLA 2-3. Características referentes al Método de cálculo.

!"#$#%&#$%#'()$*!+,#-%.#.!/'!(!$()%)-%*,!(%$)&$)()-.!.,*!(*!/#$)(%$)+#0)-1!1#(%23%!)-

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Modelo acústico: Este parámetro hace referencia al entorno de la zona, a esas características como; el terreno, edificios, condiciones climáticas como la temperatura y la humedad.

TABLA 2-4. Características referentes al Modelo Acústico.

Motor de Cálculo: Este parámetro es propio de cada software y hace referencia a la interpretación del software del modelo acústico y método de cálculo, considerando diferentes variables como el orden de reflexión, el radio de búsqueda de fuentes, entre otras.

TABLA 2-5. Características referentes al Motor de Cálculo

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14

3. DESARROLLO

3.1. Descripción zona de medición. Para el trabajo se escogió como zona de medición la comuna 11 (sector Estadio) en la capital del departamento de Antioquia, Medellín. Esta zona se encuentra ubicada en la parte centro occidental de la ciudad delimitando por el norte con la comuna 7 (Robledo), por el oriente con la comuna 10 (La Candelaria), por el sur con la comuna 16 (Belén), y por el occidente con la comuna 12 (La América). Ver Figura 3-1

FIGURA. 3-1. Mapa de Medellín sectorizado por número de comunas

Fuente: http://www.medellin.gov.co/irj/go/km/docs/wpccontent/Sites/Subportal%20del%20Ciudadano/ Cultura/Secciones/Mapas/Documentos/2010/Mapas%20tur%C3%ADsticos/mmhct.gif

Como criterio de selección de la zona, se tuvieron en cuenta datos proporcionados por la alcaldía de Medellín como; el uso de los suelos y la organización del plan de ordenamiento territorial para la comuna 11. Por ende, se realizó una descripción de la zona que permitió identificar factores que influyeran en la realización del mapa de ruido, en la Figura 3-2. se muestra la zona de medición. El Plan de Ordenamiento Territorial de Medellín establece las áreas de tipo residencial, comercial, mixto y de espacio público en la ciudad de Medellín (POT, 2010), el criterio principal de selección fue un área residencial en donde la fuente de ruido predominante fuera el tráfico rodado. Con base en lo anterior, Hay diversas zonas que cumplen con este criterio principal, sin embargo por cercanía y seguridad se eligió el sector Estadio. Luego de la selección de 17 puntos de medición distribuidos sobre la zona, el procedimiento de medición se llevó a cabo según lo establecido por la norma vigente colombiana resolución 0627 de 2006. Estas mediciones fueron realizadas utilizando dos tipos de sonómetro, un Sonómetro CESVA SC310 integrador Tipo 1 de precisión y analizador de espectros y un Sonómetro integrador 01dB-Metravib BLUE SOLO 01, Tipo 1 con un

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tiempo de 30 minutos totales para cada medición donde se hicieron registros para ponderación frecuencial A y C con una ponderación temporal slow e impulsive. Luego se realizaron análisis por espectro de frecuencia y su comportamiento temporal con el fin de determinar correcciones tonales o por impulso en las mediciones. Estas mediciones fueron realizadas a 4m de altura y a una distancia superior de 1,5m de las fachadas mas cercanas. Asimismo se registró el flujo vehicular de todas las calles correspondientes a la zona de medición con el fin de obtener una base de datos, donde se tuvo en cuenta una discriminación para vehículos livianos y pesados, considerando livianos como motos y carros, y pesados busetas, buses, camiones y mulas, Las mediciones realizadas in situ se realizaron en dos tipos de horarios diferentes, cuando el flujo era bajo se denominó medición Valle y cuando era alto se denominó medición pico.

(a) (b)

FIGURA. 3-2. Zona de estudio. Barrio Estadio, Medellín, Colombia Fuente: Extraído por medio de la herramienta Google Maps

3.2. Condiciones predominantes Condiciones atmosféricas Durante el proceso de medición cabe resaltar la importancia que tuvieron factores externos que no pueden ser manipulados como es el caso de las condiciones meteorológicas, las cuales representan una variable significativa para tener en cuenta en el proceso. Los factores que se tuvieron en cuenta durante todo el proceso de medición fueron la temperatura, la humedad relativa, la presión atmosférica y la velocidad del viento. Debido a que las mediciones se realizaron en diferente días, se presenta a continuación valores promedios los cuales representan de forma general todo el proceso. Para la temperatura se registró un valor máximo de 33,6 °!, un valor mínimo de 21,1 °!. Con los registros obtenidos se halló una temperatura promedio durante el período de mediciones de 26 °!. Para la humedad relativa el IDEAM (instituto de hidrología, meteorología y estudios ambientales de Colombia) da a conocer un valor promedio anual de 68% para la ciudad de Medellín; durante este proyecto se registraron valores entre 41% y 74% siendo estos valores los mínimos y máximos respectivamente. Se calculó un promedio durante el periodo de medición y se llegó a un valor de 58,1%. La presión atmosférica fue el valor más constante durante todo el período de medición, los valores están entre 1007 Hpa y 1012 Hpa. Para la medición del viento se siguieron las indicaciones de la resolución 0627, se obtuvieron valores entre 0,4 m/s y 2,7m/s. Se destaca que nunca alcanzó 3m/s.

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3.3. Descripción de escenarios La experimentación en este proyecto se basa en la implementación de un mapa de ruido base con condiciones óptimas para el cálculo del nivel de emisión de ruido de tráfico. Las características de este escenario se describen a continuación: Escenario base de simulación El flujo de tráfico se tomó por observación total, esta observación consiste en hacer un conteo del número de vehículos pesados y livianos durante el tiempo de la medición de nivel de presión sonora, la velocidad de conducción promedio de los vehículos pesados y livianos se midió recorriendo cada una de las vías y tomando registros de las velocidades reales en las vías. La superficie de la carretera se realizó determinando el tipo de pavimento y sus características por medio del software comparando con los datos que más se ajustaran a los proporcionados por el Área Metropolitana del Valle del Aburra. El gradiente de la carretera se calculó de acuerdo a las variaciones de alturas del modelo digital de terreno. El ancho de las vías se tomó de acuerdo a una medición con Google Earth(r) y la distancia de la banda de emisión de las vías se referenció con la distancia recomendada por la guía WG-AEN. En cuanto al modelo acústico, la elevación del terreno se obtuvo de una base de datos oficial. El tipo de reflexión del terreno se basó en la guía WG-AEN para elaboración de mapas de ruido. La altura de los edificios, se calculó de acuerdo al número de pisos y al promedio de la altura de pisos de un edificio de la zona, se tiene en cuenta la adición energética por fachadas de los edificios para el cálculo del nivel de ruido ambiental, esta adición se configura desde el software donde se considera la reflexión por fachadas reflectivas. El coeficiente de absorción de las fachadas se configuró de acuerdo a la guía WG-AEN según fachadas mixtas, las condiciones meteorológicas de humedad y temperatura se midieron, y se corroboraron los datos con estadísticas del aeropuerto local Enrique Olaya Herrera. El efecto de difracción de los objetos se incluyó en el cálculo. En cuanto a las configuraciones del motor de cálculo, el orden de reflexión es de tres, el máximo radio de búsqueda, la máxima distancia de reflexión y la máxima distancia de reflexión de la fuente se configuraron abarcando toda la zona (464 metros). A partir de este escenario, se comenzó a variar los parámetros para llegar a 30 mapas de ruido simulando diferentes escenarios, en todos los casos, las variables permanecen iguales al escenario base excepto la que se menciona a continuación, con el fin de poder determinar el aporte al modificar cada variable en la incertidumbre total de un mapa de ruido: Descripción de los diferentes escenarios Escenario 2: El flujo de tráfico se basó en las vías representativas, es decir, se seleccionaron vías que según la experiencia y las características de la zona representaran importancia en el parque automotor y las demás vías de la cercanía tomaron ese valor.

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Escenario 3: Se tomó un valor de flujo de tráfico rodado recomendado por la guía WG-AEN para las diferentes vías del sector. Escenario 4: Se modificó la velocidad promedio de conducción por la velocidad permitida por el ministerio de transporte. Escenario 5: Para la superficie de la carretera se tomó la clasificación recomendada por la WG-AEN. Escenario 6: Se usó la recomendación de la WG-AEN de clasificar todas las vías con el tipo de pavimento asfalto denso. Escenario 7: Se eliminó el modelo digital de terreno, de modo que los objetos se encuentran a la misma altura. Escenario 8: No se tuvo en cuenta la adición energética por fachadas de edificios. Escenario 9: Para el ancho de la mediana, se utiliza una referencia del estándar internacional. Escenario 10: La distancia de la banda de emisión se reduce al 50% de la recomendada por la norma alemana. Escenario 11: La distancia de la banda de emisión se reduce al 75% de la recomendada por la norma alemana. Escenario 12: La elevación del terreno fue obtenida desde Google Earth(r). Escenario 13: No se tiene en cuenta las variaciones en el gradiente de elevación de las vías. Escenario 14: El terreno se tiene en cuenta como totalmente reflectivo. Escenario 15: Se configura una altura promedio para todos los edificios. Escenario 16: El coeficiente de reflexión de las fachadas de los edificios representa fachadas reflectantes. Escenario 17: La humedad se tomó de fuentes en internet. Escenario 18: La temperatura se tomó de fuentes en internet. Escenario 19: No se tiene en cuenta la difracción de los objetos del modelo acústico. Escenario 20: Orden de reflexión: 2. Escenario 21: Orden de reflexión: 1. Escenario 22: Orden de reflexión: 0. Escenario 23: Máximo radio de búsqueda abarcando la mitad de la zona (232 metros). Escenario 24: Máximo radio de búsqueda abarcando un cuarto de la zona (116 metros).

18

Escenario 25: Máxima distancia de reflexión abarcando la mitad de la zona (232 metros). Escenario 26: Máxima distancia de reflexión abarcando un cuarto de la zona (116 metros). Escenario 27: Máxima distancia de reflexión de la fuente abarcando la mitad de la zona (232 metros). Escenario 28: máxima distancia de reflexión de la fuente abarcando un cuarto de la zona (116 metros). Escenario 29: Adición energética teórica, se refiere al valor teórico del modelo de predicción. Escenario 30: se modificó la tolerancia “1” del motor de cálculo. 3.4. Metodología Predictiva Para efectos de cálculo de incertidumbre, se escogieron 17 puntos distribuidos en la zona de medición utilizados para calibrar el Mapa de Ruido de la Comuna 11 [19]. Esta selección de puntos de medición se hace con el propósito de hacer una comparación entre valores medidos y simulados. Esta metodología posee la ventaja de que si la caracterización de la zona no se efectuó de forma adecuada, los niveles divergirán con respecto a los medidos. En la Figura 3-3., se muestran los puntos seleccionados para efectos de cálculo de incertidumbre del mapa de ruido de la Comuna 11, Sector Estadio.

FIGURA. 3-3. Puntos de seleccionados para efectos de cálculo de incertidumbre

Fuente: Elaboración propia por medio del software de simulación CadnaA

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Para los cálculos de incertidumbre correspondientes se dividieron las mediciones valle y las mediciones pico en 4 muestras, para un total de 8 muestras por punto, para un tiempo de medición de una hora. (Ver Anexo “A1. Resultado de las mediciones”) A continuación se presenta la metodología de cálculo de incertidumbre estándar tipo “A” y tipo “B” la cual es común para ambos software. Se calculó la incertidumbre estándar “Tipo A” experimental de medición por medio de las ecuaciones (12 a 14) y se presentan los resultados en la TABLA 3-1.

TABLA 3-1. Incertidumbre estándar “Tipo A”

Para efectos de cálculo del Aporte de la incertidumbre Tipo B, se registró en cada punto medido la temperatura en °C

TABLA 3-2. Temperaturas en cada punto de medición en °C.

Conforme a los valores de las contribuciones de los instrumentos de medida obtenidos de los certificados de calibración del sonómetro y del calibrador, a partir de los estándares internacionales IEC 60651, IEC 60804 e IEC 61672 y los valores de temperatura para cada punto de medición señalados en la Tabla 3-2; se procedió a calcular por medio de la ecuación (15) la incertidumbre debida al instrumento de medida como se muestra la Tabla 3-3.

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20

TABLA 3-3. Aporte de Incertidumbre “Tipo B” debido al Equipo de Medición.

Con base en lo anterior, se puede determinar la incertidumbre estándar “Tipo B”.

TABLA 3-4. Incertidumbre Estándar “Tipo B”.

Una vez obtenidos los valores de incertidumbre “Tipo A” y “Tipo B”, se halla la incertidumbre combinada de medición a partir de la ecuación (16) contenida en la Tabla 3-5.

TABLA 3-5. Incertidumbre combinada de medición.

P2 P7 P14 P19 P21 P30 P36 P48 P61 !PFE 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 !PFA 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 !LS 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 !RMS 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 !PT 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 !CA 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 !CC 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 !ES 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 !TS -0,048 -0,023 -0,002 -0,016 -0,032 -0,059 -0,063 0,003 -0,074

P64 P72 P75 P81 P87 P91 P93 P96

!PFE 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 !PFA 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 !LS 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 !RMS 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 !PT 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 !CA 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 !CC 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 !ES 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 !TS -0,060 -0,040 0,001 -0,040 -0,077 -0,063 -0,049 -0,042

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P2 P7 P14 P19 P21 P30 P36 P48 P61 !PFE 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 !PFA 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 !LS 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 !RMS 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 !PT 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 !CA 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 !CC 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 !ES 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 !TS -0,048 -0,023 -0,002 -0,016 -0,032 -0,059 -0,063 0,003 -0,074

P64 P72 P75 P81 P87 P91 P93 P96

!PFE 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 !PFA 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 !LS 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 !RMS 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 !PT 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 0,058 !CA 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 !CC 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 !ES 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 !TS -0,060 -0,040 0,001 -0,040 -0,077 -0,063 -0,049 -0,042

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P2 P7 P14 P19 P21 P30 P36 P48 P61!"#$%&'() !"#$ !"%& !"%% !"%# !"%! !"#' !"#( !"%) !"#*

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21

Teniendo en cuenta la ecuación (17), al multiplicar por el factor de cobertura k=2, cada uno de los valores de la incertidumbre combinada de medición, se obtuvo la incertidumbre expandida de medición consignada en la Tabla 3-6.

TABLA 3-6. Incertidumbre expandida de medición.

Tras realizar los cálculos de incertidumbre, se presentan los niveles medidos con su respectiva incertidumbre asociada como se muestra en la Tabla 3-7.

TABLA 3-7. Valores medidos con su incertidumbre asociada.

Se puede observar que el valor de incertidumbre más pequeño es 0,62 !", y el más grande de 2,18 !". Por lo que se puede determinar que todas las incertidumbres tienen un valor inferior a 3 !". Para fijar la incertidumbre expandida total de la medida y cubriendo de esta manera el 95,45 %, se tomó el segundo valor más alto que corresponde a ±1,85 !", con el fin de determinar la incertidumbre expandida de la simulación. 3.4.1. Calibración y Validación de valores medidos y simulados para el escenario base (CadnaA). A continuación se presenta la tabla de las diferencias aritméticas entre los valores medidos y escenarios simulados. Ver Anexo “A3. Diferencia entre valores medidos y escenarios simulados CadnaA”

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P36 P48 P61 P64 P72 P75

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LAeq(dB) 63,45±1,08 69,35±1,33 74,35±1,33 73,60±1,26 73,70±1,23 !

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LAeq(dB) 65,55±0,82 67,05±2,18 63,30±,62 61,40±0,76 74,85±0,95 58,15±1,12 P81 P87 P91 P93 P96

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En la Tabla 3-8. Se hizo un diferencia aritmética entre los valores medidos y simulados.

TABLA 3-8. Valores medidos y simulados con su respectiva diferencia aritmética (dBA).

En la Figura 3-4. Se presentan los valores medidos con su incertidumbre asociada.

Receptores Medidos

[dBA] Simulados

[dBA] Diferencia

[dBA] 2 69,95 70,4 !"#$%7 71,15 70 &#'%

14 67,80 62,5 $#(%19 76,15 74,3 &#)%21 67,50 63,7 (#*%30 60,80 60,4 "#+%36 65,55 59,2 ,#(%48 67,05 66,3 "#*%61 63,30 62,2 &#&%64 61,40 60,8 "#,%72 74,85 70,4 +#+%75 58,15 58,9 !"#*%81 63,45 65,2 !&#*%87 69,35 68,5 "#*%91 74,35 75,4 !&#&%93 73,60 72,6 &#"%96 73,70 74,2 !"#$%

!

R² = 0,83487

55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79

55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79

Medidos (dBA)

Simulados (dBA)

Valores medidos con su incertidumbre asociada

Medidos Medidos+INC Medidos-‐INC Ideal

23

FIGURA 3-4. Valores medidos con su incertidumbre asociada. El coeficiente de determinación se obtiene realizando una comparación entre los valores simulados y los medidos, y agregando una línea de tendencia para éstos. (Mientras más consistentes sean los valores, mayor será el coeficiente). En la Figura 3-4, se observa que el coeficiente de determinación (!!) expresa un valor aceptable, ya que los valores medidos y simulados no arrojan diferencias significativas. Se puede establecer la incertidumbre expandida total de mapa de ruido en ±5,3 !", con un factor de cobertura ! = 2 (95.45% de confianza). Ver Figura 3-5.

FIGURA 3-5. Validación del mapa de ruido.

Una vez ajustada la recta de regresión a las muestras, es importante disponer de un coeficiente que indique el ajuste realizado (coeficiente de determinación !!), a la vista del resultado se puede decir del modelo que es adecuado para describir la relación que existe entre estas variables, ya que !! = 0,83 es cercano a 1. Finalmente, se calculó la contribución a la incertidumbre expandida total de simulación ! ! , utilizando las ecuaciones (18 a 20). Dado que !! es igual a 5,3, entonces se obtiene de la ecuación (19) la incertidumbre combinada total del mapa de ruido !!" = 2,65. Luego, teniendo ! ! = 1,85, se calculó la incertidumbre combinada total de medición ! ! = 0,925 a partir de la división con un factor de cobertura k=2. Partiendo de las ecuaciones (19) y (20) se obtuvo la incertidumbre combinada total de simulación ! ! = 2,48 y la expandida total de simulación ! ! = 4,96.

R² = 0,83487 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82

52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82

Simulados (dBA)

Medidos (dBA)

Validación del mapa de ruido

Simulados Inc+5,3 Inc-‐5,3 Ideal

24

En la Tabla 3-9, se muestran los valores de incertidumbre combinada y expandida total, tanto para los valores medidos, simulados y del mapa de ruido de tráfico rodado del sector Estadio de la ciudad de Medellín.

TABLA 3-9. Incertidumbre asociada al modelo de tráfico rodado del “Barrio Estadio”.

3.4.2. Calibración y Validación de valores medidos y simulados para el escenario base (SoundPLAN). A continuación se presentan las tablas de las diferencias entre los valores medidos y escenarios simulados. Ver Anexo “A2. Diferencia entre valores medidos y escenarios simulados SoundPLAN” En la Tabla 3-10. Se hizo un diferencia aritmética entre los valores medidos y simulados

TABLA 3-10. Valores medidos y simulados con su respectiva diferencia aritmética (dBA).

!"#$%&'()'#%*)&$+&"',-.'/)(0("' 102+3"#045'

/"6"'()'7+0(%'()'$&890#%'&%("(%':0;)3'()'#%590"5<"'=>?@>A'

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#B'C5#)&$0(+2*&)')J6"5(0("'D(EF'

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!

Receptores Medidos

[dBA] Simulados

[dBA] Diferencia

[dBA] 2 69,95 71,7 !"#$%7 71,15 68,7 &#'%

14 67,8 64,6 (#&%19 76,15 74,8 "#)%21 67,5 65,2 &#(%30 60,8 62,1 !"#(%36 65,55 63,9 "#*%48 67,05 67,9 !+#,%61 63,3 61,7 "#-%64 61,4 61,7 !+#(%72 74,85 74,9 !+#"%75 58,15 60,3 !&#&%81 63,45 66,1 !&#*%87 69,35 69,7 !+#)%91 74,35 75 !+#*%93 73,6 71,8 "#$%96 73,7 74,1 !+#)%

!

25

En la Figura 3-6. Se presentan los valores medidos con su incertidumbre asociada.

FIGURA 3-6. Valores medidos con su incertidumbre asociada.

En la Figura 3-6, se observa que el coeficiente de determinación (!!) expresa un valor aceptable, ya que los valores medidos y simulados no arrojan diferencias significativas. Se puede establecer la incertidumbre expandida total de mapa de ruido en ±2,6 !", con un factor de cobertura ! = 2 (95.45% de confianza). Ver Figura 3-7.

R² = 0,8971 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80

56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80

Medidos (dBA)

Simulados (dBA)

Valores medidos con su incertidumbre asociada

Medidos Medidos+INC Medidos-‐INC Ideal

26

FIGURA 3-7. Validación del mapa de ruido.

El resultado del modelo se consideró apropiado para describir la relación que existe entre estas variables, ya que !! = 0,89 es cercano a 1. Posteriormente, se calculó la contribución a la incertidumbre expandida total de simulación ! ! , utilizando las ecuaciones (18 a 20). Dado que !! es igual a 2,6, entonces se obtiene de la ecuación (19) la incertidumbre combinada total del mapa de ruido !!" = 1,3. Finalmente, teniendo ! ! = 1,85, se calculó la incertidumbre combinada total de medición ! ! = 0,925 a partir de la división con un factor de cobertura k=2. Partiendo de las ecuaciones (19) y (20) se obtuvo la incertidumbre combinada total de simulación ! ! = 0,91 y la expandida total de simulación ! ! = 1,82. En la Tabla 3-11, se muestran los valores de incertidumbre combinada y expandida total, tanto para los valores medidos, simulados y del mapa de ruido de tráfico rodado del sector Estadio de la ciudad de Medellín.

TABLA 3-11. Incertidumbre asociada al modelo de tráfico rodado del “Barrio Estadio”.

R² = 0,8971 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80

54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80

Simulados (dBA)

Medidos (dBA)

Validación del mapa de ruido

Simulados Inc+2,6 Inc-‐2,6 Ideal

!"#$%&'()'#%*)&$+&"',-.'/)(0("' 102+3"#045'

/"6"'()'7+0(%'()'$&890#%'&%("(%':0;)3'()'#%590"5<"'=>?@>A'

!"B'C5#)&$0(+2*&)'#%2*05"("'D(EF'

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!

27

4. ANALISIS DE RESULTADOS

La incertidumbre expandida total de medida es 1,85dB que representa un 95,45% bajo un factor de cobertura k=2 para un nivel de confianza, esto se interpreta como que el procedimiento y el tiempo de muestreo utilizado para la medición son apropiados, teniendo en cuenta un criterio de aceptación de 3dB [17, 18, 19]. Analizando los valores finales de incertidumbre expandida total de ambos modelos, se percibe que la utilización de un modelo alemán (RLS 90) en un país suramericano no arroja grandes diferencias aritméticas mientras se mantenga la calidad de los datos de entrada y cumple con los requerimientos estipulados por la 0627 de 2006 [19]. La elección del valor conservador para efectos de cálculo de la incertidumbre donde se tomaron 17 puntos, está basado en la comparación con el mapa de ruido realizado por el Área Metropolitana en el 2010, el cual representa una muestra más representativa y por lo tanto asegura un poco más confiabilidad en los resultados obtenidos. La determinación del flujo de vehículos se realizo por método de observación y conteo, la velocidad vehicular empleada para la creación del modelo acústico ha sido calculada experimentalmente recorriendo las vías del sector y a partir de los criterios expuestos en el Código nacional de transito artículo 106 y 107, sin embargo es necesario mejorar el proceso de adquisición de estos datos para una mayor precisión. Las TABLA 4-1 y TABLA 4-2, están ordenas en forma descendente a partir de la incertidumbre expandida total de mapa de ruido, la cual determina la importancia de la variable a la hora de realizar una simulación. SoundPLAN

TABLA 4-1. Coeficiente de determinación e Incertidumbre expandida total del mapa de tráfico rodado (SoundPLAN)

ESCENARIO VARIABLE R^2 U(t)PARAMETROS DE

SIMULACION

2 Vias respresentativas 0,014 18,4 Método de Cáculo

3Valor flujo de tráfico rodado recomendado por

la WG-AEN 0,530 11,6 Método de Cáculo

8No se contempla la adición energética por

fachadas de edificios 0,913 5,4 Método de Cáculo

10Distancia de la banda de emisión reducida al

50% de la recomendada. 0,872 3,3 Método de Cáculo

13No se tiene en cuenta las variaciones en el

gradiente de elevación de las vías 0,860 3,2 Modelo de Cálculo

11Distancia de la banda de emisión reducida al

75% de la recomendada 0,885 3,1 Método de Cáculo

4Velocidad permitida por el ministerio de

transporte 0,894 3 Método de Cáculo

22 Orden de reflexión 0 0,922 2,9 Motor de Cálculo

28

Continuación de la TABLA 4-1. Coeficiente de determinación e Incertidumbre expandida total del mapa de tráfico rodado (SoundPLAN)

5Superficie de la carretera recomendada por la

WG-AEN 0,882 2,8 Método de Cáculo

15 Altura promedio para todos los edificios 0,897 2,8 Modelo de Cálculo

20 Orden de reflexión 2. 0,893 2,8 Motor de Cálculo

30 Tolerancia “1” del motor de cálculo 0,905 2,8 Motor de Cálculo

16El coeficiente de reflexión de las fachadas de los

edificios representa fachadas reflectantes. 0,885 2,7 Modelo de Cálculo

25Máxima distancia de reflexión abarcando la

mitad de la zona (232 metros). 0,896 2,7 Motor de Cálculo

26Máxima distancia de reflexión abarcando un

cuarto de la zona (116 metros) 0,896 2,7 Motor de Cálculo

27Máxima distancia de reflexión abarcando la

mitad de la zona (232 metros) 0,896 2,7 Motor de Cálculo

1 Escenario base 0,897 2,6

6Recomendación de la WG-AEN, clasificar todas las vías con el tipo de pavimento asfalto denso 0,897 2,6 Método de Cáculo

7 Elimina el modelo digital de terreno 0,897 2,6 Método de Cáculo

9Ancho de la mediana por referencia del estándar

internacional 0,894 2,6 Método de Cáculo

12Elevación del terreno, obtenida desde Google

Earth® 0,897 2,6 Método de Cáculo

14 Terreno totalmente reflectivo 0,897 2,6 Modelo de Cálculo

17 Humedad tomada de fuentes en internet. 0,897 2,6 Modelo de Cálculo

18 Temperatura tomada de fuentes en internet. 0,897 2,6 Modelo de Cálculo

19No se tiene en cuenta la difracción de los

objetos del modelo acústico 0,897 2,6 Modelo de Cálculo


23Máximo radio de búsqueda abarcando la mitad

de la zona (232 metros) 0,898 2,6 Motor de Cálculo

24Máximo radio de búsqueda abarcando un cuarto

de la zona (116 metros). 0,897 2,6 Motor de Cálculo

28Máxima distancia de reflexión abarcando un

cuarto de la zona (116 metros). 0,897 2,6 Motor de Cálculo

29 Adición energética teórica 0,897 2,6 Motor de Cálculo

29

Escenario base Es importante destacar que los datos de entrada del escenario base se consideran ideales para simular, ya que se suponen condiciones óptimas de simulación. Por consecuencia de esto, se arrojan valores aceptables entre los valores medidos y simulados que no han superado los 2,6 dB teniendo en cuenta el factor de cobertura k=2 para garantizar un nivel de confianza del 95.45%. El coeficiente de determinación tiene un valor de !! = 0,897, por lo cual se puede decir que hay buena relación entre las variables. Otros escenarios Es importante considerar que los escenarios que más aportan al mapa de ruido en su incertidumbre se pueden determinar a partir de su bajo coeficiente de determinación. Por esto, observando los diferentes escenarios, se puede determinar que los datos que aportan mayor incertidumbre al modelo son los relacionados con la fuente de ruido, relacionando de buena manera otros estudios [12, 21]. El escenario 2 y 3 tienen un coeficiente de determinación bajo, lo cual quiere decir que el aporte de la variable es significativo en el mapa de ruido. Ver Tabla 4.1 Cuando se consideró la WG-AEN se utilizaron valores recomendados por esta para la modelación de diferentes escenarios como el mapa 3, 5 y 6, y se obtuvieron coeficientes de determinación de “0,53” “0,88” y “0,89” respectivamente, esto indica que los valores considerados en la norma no son los más adecuados para realizar predicciones de ruido en Colombia, específicamente los valores recomendados para el flujo vehicular que no se ajustan a la realidad acústica medida. CadnaA

TABLA 4-2. Coeficiente de determinación e Incertidumbre expandida total del mapa de tráfico rodado (CadnaA)

2 Vias respresentativas 0,039 16,9 Método de Cáculo

3 Valor flujo de tráfico rodado recomendado por la WG-AEN

0,304 11,3 Método de Cáculo

8 No se contempla la adición energética por fachadas de edificios


12 Elevación del terreno, obtenida desde Google Earth®


13 No se tiene en cuenta las variaciones en el gradiente de elevación de las vías

0,708 5,6 Modelo de Cálculo

15 Altura promedio para todos los edificios 0,834 5,6 Modelo de Cálculo

24 Máximo radio de búsqueda abarcando un cuarto de la zona (116 metros).

0,831 5,5 Motor de Cálculo

30

Continuación de la TABLA 4-2. Coeficiente de determinación e Incertidumbre expandida del mapa de tráfico rodado (CadnaA).

30 Tolerancia “1” del motor de cálculo 0,831 5,4 Motor de Cálculo

1 Escenario base 0,834 5,3

6 Recomendación de la WG-AEN, clasificar todas las vías con el tipo de pavimento asfalto denso


14 Terreno totalmente reflectivo 0,834 5,3 Modelo de Cálculo

16 El coeficiente de reflexión de las fachadas de los edificios representa fachadas reflectantes.


17 Humedad tomada de fuentes en internet. 0,834 5,3 Modelo de Cálculo

18 Temperatura tomada de fuentes en internet. 0,834 5,3 Modelo de Cálculo

19 No se tiene en cuenta la difracción de los objetos del modelo acústico


20 Orden de reflexión 2. 0,834 5,3 Motor de Cálculo



23 Máximo radio de búsqueda abarcando la mitad de la zona (232 metros)


25 Máxima distancia de reflexión abarcando la mitad de la zona (232 metros).


26 Máxima distancia de reflexión abarcando un cuarto de la zona (116 metros)


27 Máxima distancia de reflexión abarcando la mitad de la zona (232 metros)


28 Máxima distancia de reflexión abarcando un cuarto de la zona (116 metros).


29 Adición energética teórica 0,834 5,3 Motor de Cálculo

4 Velocidad permitida por el ministerio de transporte


5 Superficie de la carretera recomendada por la WG-AEN


7 Elimina el modelo digital de terreno 0,834 4,3 Método de Cáculo

9 Ancho de la mediana por referencia del estándar internacional


10 Distancia de la banda de emisión reducida al 50% de la recomendada.


11 Distancia de la banda de emisión reducida al 75% de la recomendada


31

Escenario base Al igual que en SoundPLAN es importante destacar que los datos de entrada se consideran ideales. Es relevante que ninguna diferencia entre los valores medidos y simulados ha superado los 5,3 dB teniendo en cuenta que un 90% de las diferencias son inferiores a 3 dB. El coeficiente de determinación da un valor de !! = 0,834, indicando que es adecuado para describir al relación entre variables. Otros escenarios De igual manera que en el SoundPLAN, en el escenario 2 y 3 se contempla la alteración del flujo vehicular obteniendo un coeficiente de determinación “0,039” y “0,304” respectivamente, lo cual indica la importancia del cambio en la fuente de ruido, como también el valor recomendado por la WG AEN para el flujo vehicular que no se ajusta a la realidad acústica de la zona. Es llamativo como no se da una variación importante entre los escenarios 20, 21 y 22 los cuales representan la variación en el orden de reflexión 0, 1 y 2 respectivamente. Esto se puede evidenciar posiblemente por las características de la zona. Marco comparativo entre ambos software En la Tabla 4-3 se muestra la diferencia entre el escenario base simulado en CadnaA y SoundPLAN, esto se hace con el fin de analizar sí ambos software representan de manera similar la realidad acústica de la zona. Dado que los resultados arrojan una diferencia aceptable y que el 90% de los receptores están por debajo de 3dB, se puede decir que ambos representan la realidad acústica de la zona analizada.

TABLA 4-3. Tabla comparativa de valores simulados en ambos software (escenario base)

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32

En la Figura 4-1 se muestran todos los escenarios simulados en ambos software, con el fin de hacer un comparativo del aporte que tiene cada variable simulada a la incertidumbre expandida total de mapa de ruido. Se puede apreciar como ambos software tienen un comportamiento similar frente a los diferentes escenarios, resaltando el 2, 3 y 8.

FIGURA 4-1. Comparativo normalizado de la Incertidumbre total expandida del mapa de ruido de

tráfico rodado U(t) para los escenarios simulados en SoundPLAN y CadnaA

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

U(t) normalizado

Escenario

Comparativo normalizado de la Incertidumbre expandida total del mapa de ruido de tráAico rodado U(t) para los

escenarios simulados en SoundPLAN y CadnaA

SoundPLAN CadnaA

33

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Es recomendable hacer una investigación a fondo por especialistas en el tema estadístico, que permitan determinar si las metodologías empleadas son adecuadas con el fin de establecer posibles falencias en esta. Es por esto, que los resultados obtenidos en esta investigación se consideran aproximados más no definitivos. La medición in situ de la comuna 11 (sector Estadio) de Medellín muestra experimentalmente que según las normativas vigentes (véase Marco normativo), se puede determinar que en el 64,7% de los puntos de medición aproximadamente se presentan niveles superiores a los estipulados a la resolución los cuales para el periodo diurno dan un valor de 65dBA. El trabajo se ha enfocado tanto en la calidad de los datos necesarios para crear modelos acústicos para su posterior simulación, como en la metodología empleada para la elaboración del mismo, haciendo énfasis principalmente en el proceso de cálculo de la incertidumbre expandida total de mapa de ruido. Determinando diferentes variables de simulación para establecer cuantitativamente el aporte por cada una, obteniendo como resultado valores apropiados asociados tanto al proceso de simulación como al proceso de medida, dado que la diferencia entre los valores medidos experimentalmente y simulados es baja, se puede decir que el proceso de simulación representa de buena manera la fuente de ruido modelada (tráfico rodado), y a partir de los valores de incertidumbre expandida total de mapa de ruido, el mayor aporte está relacionado con la fuente de ruido, específicamente el flujo vehicular. Durante el proceso de recolección de datos de entrada, específicamente el aforo y la velocidad del parque automotor realizada por observación, se determina que el proceso tiene gran margen de error debido a que no es muy preciso, esto es desfavorable para la simulación de los mapas de ruido de tráfico rodado, debido a que la variable de flujo vehicular tiene gran importancia a la hora de obtener dicho mapa. Por otro lado, para mantener una calidad de la recolección de los datos de entrada como la velocidad y flujo vehicular, se recomienda mejorar los procesos, esto garantiza mayor precisión en los resultados. Para futuros estudios se sugiere la implementación de tecnologías avanzadas para la recolección de datos. Dado que la repetibilidad de la medición, el número de muestras y el periodo de muestreo contribuyen a la incertidumbre expandida total de medición, se debe tener en cuenta que estos tiempos deben ser suficientemente representativos para caracterizar de forma adecuada la zona. En investigaciones futuras se recomienda establecer mayores tiempos de medición para mejorar su incertidumbre. Verificando ambos software tanto CadnaA como SoundPLAN, se puede decir que estos son más precisos debido a que los resultados arrojados por el software se ajustan a la realidad experimental, sin embargo la diferencia entre los resultados de simulación de ambos es mínima indicando la representación acústica apropiada del sector.

34

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PROYECTO DE GRADO(ENTREGA FINAL 093013)

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