[論文レビュー] Seismic auxetic metamaterials as novel earthquake protections

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

Cellular and Composite Structures参考文献 45被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、土壌内に人工的なバンドギャップを形成して地震波を遮断する、新しい種類の地震用アキシウティックメタマテリアルを提案する。ポisson比や剪断弾性率といった負の弾性パラメータを設計することで、メートルスケールのメタマテリアルが地震周波数帯で波の伝播を抑えることができ、周波数バンドギャップ工学による地震防護の新たなメカニズムを提供する。

ABSTRACT

We propose that wave propagation through a class of elastodynamic metamaterials opens unprecedented avenues in seismic wave protection based on spectral properties of auxetic metamaterials. The elastic parameters of these metamaterials, like the Poisson ratio { u}, bulk modulus B, shear modulus G, or the mass density {ho}0, are known to exhibit negative values in elastic stop bands. We show here that the propagation of seismic waves with different frequencies can be influenced by a meter scale version of auxetic metamaterials buried in the soil. More precisely, we numerically examine and illustrate the markedly different behaviors between the propagation of seismic waves through a continuum isotropic elastic medium (concrete) and our seismic auxetic metamaterials utilized here like a foundation of the building one would like to protect. 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

• 土壌内を通過する地震波の伝播を軽減するアキシウティックメタマテリアルの可能性を調査すること。
• 特定の弾性特性を有する材料を設計することで、破壊的な地震波から構造物を保護する課題に取り組むこと。
• 設計されたバンドギャップを有するアキシウティックメタマテリアルが、建物を地震周波数から効果的に分離できることを実証すること。
• 従来のコンクリートとアキシウティックメタマテリアルにおける波の伝播特性を比較し、性能上の優位性を浮き彫りにすること。

提案手法

• 比較の基盤として、連続的・等方的弾性体（コンクリート）を用いた波動伝播の数値シミュレーション。
• 負のポisson比や剪断弾性率を含む、調整可能な弾性パラメータを有するメートルスケールのアキシウティックメタマテリアルの設計。
• 波動伝播が抑制される領域（弾性ストップバンド）を特定するためのスペクトル解析の使用。
• 特定周波数帯で負の等価パラメータを達成するために、体積弾性率と質量密度のモデリング。
• 土壌内での周波数特化型波の減衰を実現するためのバンドギャップ工学の原則の実装。
• 従来のコンクリートとアキシウティックメタマテリアルの間での波の透過および反射特性の比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 設計された弾性パラメータを有するアキシウティックメタマテリアルは、地震波の伝播を抑えるバンドギャップを形成できるか？
• RQ2 アキシウティックメタマテリアルのスペクトル特性は、従来の材料と比較して土壌内での波の伝播にどのように影響するか？
• RQ3 負の弾性パラメータ（例：ポisson比や剪断弾性率）は、効果的な地震バンドギャップ形成に果たす役割は何か？
• RQ4 土壌に埋め込まれたメートルスケールのアキシウティックメタマテリアルは、構造物の地震的分離にどの程度効果を発揮できるか？
• RQ5 地震励振下におけるアキシウティックメタマテリアルと標準コンクリートとの波動挙動にどのような相違が生じるか？

主な発見

• アキシウティックメタマテリアルは、特定周波数帯域でポisson比や剪断弾性率といった負の弾性パラメータを示し、波の抑制を可能にする。
• メタマテリアルは地震波と整合性のある周波数帯に人工的なバンドギャップを形成し、波の伝播を効果的に遮断する。
• 数値結果から、従来のコンクリートと比較して、アキシウティックメタマテリアル内での波動伝播が著しく低減されていることが示された。
• バンドギャップの形成は、とりわけ負の等価モジュラスに起因する、設計されたスペクトル特性と直接関連している。
• 提案された設計により、土壌に埋め込まれたメートルスケールのメタマテリアルを用いて、建物の基礎レベルでの地震波の分離が可能になった。
• メタマテリアルの性能は、その特異な負の弾性パラメータと調整された質量密度の組み合わせに起因する。