[논문 리뷰] Experimental evidence of auxetic features in seismic metamaterials: Ellipticity of seismic Rayleigh waves for subsurface architectured ground with holes

Stéphane Brûlé, Stéfan Enoch외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 16.

Acoustic Wave Phenomena Research참고 문헌 27인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 토양 내에 위치한 원통형 구멍의 표면 아래 격자 구조가 레일리 파의 비틀림을 유도함으로써 파동 모드 변환과 등效 매질 효과로 인해 보행성과 유사한 거동을 유도함을 실험적으로 입증한다. 주요 발견은 구멍 메쉬가 입자 운동 궤적을 국소적으로 수정함으로써 등效 푸아송 비율의 변화로 해석될 수 있으며, 이는 공학적 지반 구조물에서 지진파 제어를 위한 새로운 메커니즘을 제공한다.

ABSTRACT

Structured soils with regular meshes of metric size holes implemented in first ten meters of the ground have been theoretically and experimentally tested under seismic disturbance this last decade. Structured soils with rigid inclusions embedded in a substratum have been also recently developed. The influence of these inclusions in the ground can be characterized in different ways: redistribution of energy within the network with focusing effects for seismic metamaterials, wave reflection, frequency filtering, reduction of the amplitude of seismic signal energy, etc. Here we first provide some time-domain analysis of the flat lens effect in conjunction with some form of external cloaking of Rayleigh waves and then we experimentally show the effect of a finite mesh of cylindrical holes on the ellipticity of the surface Rayleigh waves at the level of the Earth's surface. Orbital diagrams in time domain are drawn for the surface particle's velocity in vertical (x,z) and horizontal (x,y) planes. These results enable us to observe that the mesh of holes locally creates a tilt of the axes of the ellipse and changes the direction of particle movement. Interestingly, changes of Rayleigh waves ellipticity can be interpreted as changes of an effective Poisson ratio. However, the proximity of the source is also important to explain the shape of the ellipses. We analyze these observations in terms of wave mode conversions inside the mesh and we propose to broaden the discussion on the complexity of seismic wave phenomena in structured soils such as soils foundations and on the coupling effects specific to the soil-structure interaction.

연구 동기 및 목표

• 표면 레일리 파의 편광도와 비틀림을 영향을 미치는 주기적인 표면 아래 원통형 구멍의 배열이 어떻게 작용하는지 조사하기.
• 고정된 포함체를 가진 공학적 지반에서 등효율 매질 거동의 이론적 예측을 실험적으로 검증하기.
• 파동 비틀림 변화와 푸아송 비율과 같은 등효율 재료 성질 간의 관계 탐색하기.
• 원천과의 거리와 파동 모드 변환이 입자 운동 궤적 형상에 미치는 역할 분석하기.
• 이와 같은 구조적 토양이 파동 조작 및 에너지 재분배가 가능한 지진 메타물질로 기능할 잠재성 평가하기.

제안 방법

• 표면 입자 속도 성분의 시간 영역 분석을 통해 수직( x,z) 및 수평( x,y) 평면에서 궤도 운동 복원하기.
• 상부 10미터 내에 매립된 원통형 구멍의 유한한 메쉬를 포함한 토양층의 축소 모델을 이용한 실험 설정.
• 레일리 파 입자의 궤도 궤적(타원) 측정 및 시각화를 통해 비틀림도 및 방향 변화 정량화하기.
• 관측된 입자 운동 패턴 변화를 설명하기 위해 파동 모드 변환 분석 사용하기.
• 실험적 비틀림 데이터를 메타물질의 등효율 매질 이론에 의한 이론적 예측과 비교하기.
• 파동 편광 변화를 설명하기 위해 등효율 푸아송 비율 개념 적용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 아래 주기적인 원통형 구멍 배열이 레일리 파 입자 운동의 비틀림도와 방향에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 레일리 파 비틀림 변화가 푸아송 비율의 등효율적 변화로 해석될 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 지진원과의 거리가 관측된 타원형 입자 궤적 형상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 구멍 메쉬 내에서의 파동 모드 변환이 관측된 파동 편광 변화에 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ5 주기적인 구멍 배열을 가진 구조적 토양이 파동 조작이 가능한 지진 메타물질로 작용할 수 있는가?

주요 결과

• 원통형 구멍 메쉬는 입자 운동 궤도의 축을 국소적으로 수정하여 레일리 파의 궤도 궤적이 측정 가능한 기울임을 유도한다.
• 비틀림 변화는 실험적으로 관측되었으며, 지반의 등효율 푸아송 비율의 이동과 상관관계가 있음을 나타내어 보행성과 유사한 거동을 나타낸다.
• 원천과의 거리가 입자 운동 궤도의 형태와 방향에 상당한 영향을 미치며, 이는 등효율 매질 성질의 해석에 영향을 준다.
• 시간 영역 궤도도는 메쉬 내에서 파동 모드 변환이 발생하여 복잡한 입자 운동 패턴이 유도됨을 확인한다.
• 실험 결과는 주기적 포함체를 가진 토양에서의 지진 메타물질 이론 프레임워크를 검증하며, 파동 집중 및 방향 전환 효과를 나타낸다.
• 이 연구는 공학적 표면 하부 구조가 등효율 매질 공학을 통해 레일리 파 전파를 제어할 수 있음을 직접적인 실험적 증거로 제시한다.