[論文レビュー] Auxetic-like metamaterials as novel earthquake protections

Bogdan Ungureanu, Younes Achaoui+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2015

Cellular and Composite Structures被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、負の弾性パラメータ、局所共振、ブラッグ散乱を用いて波の伝播を制御する、アキシティックに似た機械的メタマテリアルを地震防護に用いることを提案している。大規模でデカメートルスケールの基礎を構築することで、地震波（1–40 Hz）に対して完全なバンドギャップを形成し、従来のコンクリート基礎と比較して波の伝送を顕著に低減する。数値シミュレーションにより、このメタマテリアルが地震波（1–40 Hz）に対して完全なバンドギャップを形成でき、従来のコンクリート基礎と比較して波の伝送を顕著に低減することが示された。

ABSTRACT

We propose that wave propagation through a class of mechanical metamaterials opens unprecedented avenues in seismic wave protection based on spectral properties of auxetic-like metamaterials. The elastic parameters of these metamaterials like the bulk and shear moduli, the mass density, and even the Poisson ratio, can exhibit negative values in elastic stop bands. We show here that the propagation of seismic waves with frequencies ranging from 1Hz to 40Hz can be influenced by a decameter scale version of auxetic-like metamaterials buried in the soil, with the combined effects of impedance mismatch, local resonances and Bragg stop bands. More precisely, we numerically examine and illustrate the markedly different behaviors between the propagation of seismic waves through a homogeneous isotropic elastic medium (concrete) and an auxetic-like metamaterial plate consisting of 64 cells (40mx40mx40m), utilized here as a foundation of a building one would like to protect from seismic site effects. This novel class of seismic metamaterials opens band gaps at frequencies compatible with seismic waves when they are designed appropriately, what makes them interesting candidates for seismic isolation structures.

研究の動機と目的

• アキシティックに似たメタマテリアルが土木インfra構造物における地震波伝播を軽減する可能性を探る。
• 表面波による破壊的地震地盤効果から建物を保護するという課題に取り組む。
• 地震周波数帯（1–40 Hz）に対して完全なバンドギャップを形成する大規模メタマテリアル基礎を設計する。
• 従来のコンクリート基礎と比較して、メタマテリアル基礎を通した波の伝送を比較する。

提案手法

• 64個のユニットセルから成る、40m × 40m × 40m のアキシティックに似たメタマテリアル板を通した波動伝播の数値シミュレーション。
• 調整可能な弾性パラメータ（負の体積弾性率、剪断弾性率、および負のポisson比）を有するメタマテリアルのモデル化。
• メタマテリアルのスペクトル特性を活用し、地震周波数帯に対して完全なフォトニクスに似たバンドギャップを生成する。
• 周期的なマイクロ構造設計により、インピーダンスマッチとブラッグ散乱効果を実装する。
• メタマテリアル基礎を通した波の伝送と、均質的・等方的コンクリート媒体を通した波の伝送を比較する。
• 有限要素法を用いて伝送損失と波の抑制を評価するため、システムを解析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アキシティックに似たメタマテリアルは、1–40 Hzの地震波周波数帯域で完全なバンドギャップを形成できるか？
• RQ2 メタマテリアル基礎を通した波の伝送は、従来のコンクリート基礎と比較してどのように異なるか？
• RQ3 局所共振とブラッグ散乱は、大規模メタマテリアルにおける地震波伝播の抑制にどのような役割を果たすか？
• RQ4 負の弾性パラメータ（例：負のポisson比）は、土壌埋込型メタマテリアルにおける地震波遮断を強化できるか？
• RQ5 インピーダンスマッチは、これらのメタマテリアル系における波の反射と伝送にどのような影響を及えるか？

主な発見

• アキシティックに似たメタマテリアル基礎は、局所共振とブラッグ散乱の併用効果により、1–40 Hzの地震帯域で強力な波の抑制を示し、完全なバンドギャップを形成する。
• メタマテリアルを通した波の伝送は、均質的コンクリート基礎と比較して顕著に低減しており、効果的な地震防護が実現している。
• 停止帯域では体積弾性率、剪断弾性率、およびポisson比の負の値が出現し、従来の材料では実現できない独自の波動制御が可能になる。
• インピーダンスマッチと周期的マイクロ構造のおかげで、ターゲット周波数帯域で高い伝送損失を達成し、効果的な波フィルタリングが実現する。
• 40m × 40m × 40m のメタマテリアル板構造は地震波を効果的に遮断でき、大規模地震防護システムとしての実現可能性が裏付けられた。
• 数値結果により、メタマテリアルのスペクトル特性が波動制御をターゲットに合わせて設計可能であることが確認され、土木工学分野における地震防護の有力候補であることが示された。