[論文レビュー] Innovative seismic isolation devices based on lattice materials: A review

Fernando Fraternali, Ada Amendola+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Cellular and Composite StructuresEngineering参考文献 36被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、パラメータモード格子と補強プレートの交互な層構造を用いて、ほぼゼロのせん断剛性と高い垂直剛性を実現する格子ベースの地震応答制御装置についてレビューしている。3Dプリンティングで製造されたこれらのデバイスは、圧縮とせん断の併用荷重下でも効果的なエネルギー散逸と減衰を示し、低コストで高性能な地震防護システムとして有望である。

ABSTRACT

This paper reviews recent literature results on the mechanics of structures formed by layers of pentamode lattices alternating with stiffening plates, which can be effectively employed for the development of seismic isolation devices and vibration attenuation tools, with nearly complete band gaps for shear waves. It is shown that such structures, named pentamode bearings, can respond either in the stretching-dominated regime, or in the bending-dominated regime, depending on the nature of the joints connecting the different members. Their response is characterized by high vertical stiffness and theoretically zero shear stiffness in the stretching dominated regime, or considerably low values of such a quantity in the bending dominated regime. Available results on the experimental response of 3d printed models to combined compression and shear loading highlight that the examined structures are able to exhibit energy dissipation capacity and effective damping that are suitable for seismic isolation devices. Their fabrication does not necessarily require heavy industry, and expensive materials, being possible with ordinary 3-D printers.

研究の動機と目的

• パラメータモード格子と補強プレートを用いた格子ベースの地震応答制御装置の機械的挙動を調査すること。
• これらの構造における引張支配と曲げ支配の変形状態の遷移を分析すること。
• 圧縮とせん断の併用荷重下における3Dプリンティングプロトタイプのエネルギー散逸および減衰特性を評価すること。
• 特殊な産業基盤や高価な材料を必要とせず、標準的な3Dプリンティング技術でこれらのデバイスを製造可能かどうかを実証すること。

提案手法

• 本研究は、引張支配状態においてほぼゼロのせん断剛性を実現可能なパラメータモード挙動を示す周期的格子材料の構造力学を分析する。
• 格子プレート系の応答は、接合部の柔軟性に応じて引張支配または曲げ支配としてモデル化され、主要な機械的特性は構造力学の原則から導出される。
• 剛性、減衰、エネルギー散逸を評価するために、圧縮とせん断の併用荷重を受ける3Dプリンティングモデルを用いた実験的検証が実施された。
• 増加製造技術を活用して、制御された接合部挙動を有する複雑な格子幾何形状を製造し、調整可能な機械的応答を実現した。
• 理論的分析には、周期的格子系におけるせん断波の有効弾性率およびバンドギャップ特性の導出が含まれる。
• 数値的および実験的結果の比較により、機械的モデルの妥当性を検証し、実世界での性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パラメータモード格子プレート構造の機械的特性は、引張支配と曲げ支配の変形状態の間でどのように変化するか？
• RQ2 圧縮とせん断の併用荷重下における3Dプリンティングによる格子ベースの地震応答制御装置のエネルギー散逸容量はいかほどか？
• RQ3 これらのデバイスは、効果的な地震応答制御に求められるように、ほぼゼロのせん断剛性を維持しながら高い垂直剛性を達成できるか？
• RQ4 標準的な3Dプリンティング技術は、特殊な材料や産業基盤を必要とせず、機能的な地震応答制御装置を製造できる程度まで到達できるか？
• RQ5 接合部の柔軟性は、変形モードの支配的状態および格子系全体の動的応答に果たす役割は何か？

主な発見

• パラメータモード格子プレート構造は、引張支配状態において理論的にゼロのせん断剛性を示し、効果的な地震応答制御が可能である。
• 曲げ支配状態においても、せん断剛性は著しく低く保たれ、振動制御に適している。
• 3Dプリンティングプロトタイプは、圧縮とせん断の併用荷重下でも測定可能なエネルギー散逸と効果的な減衰を示した。
• これらのデバイスは高い垂直剛性を維持しながら低い水平剛性を実現しており、地震応答制御装置に不可欠な要件を満たしている。
• 標準的な3Dプリンタを用いた製造は実現可能であり、重い産業基盤や高価な材料の必要性が排除された。
• せん断波のバンドギャップに関する理論的予測は、観察された動的挙動と一致しており、振動低減の可能性が裏付けられた。