[논문 리뷰] Innovative seismic isolation devices based on lattice materials: A review

Fernando Fraternali, Ada Amendola외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 05.

Cellular and Composite StructuresEngineering참고 문헌 36인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 유사 무한대의 전단 강성과 높은 수직 강성을 갖는, 교번하는 라티스 재료층과 보강 플레이트를 사용하는 펜타모드 라티스 기반 지진 격리 장치를 검토한다. 3D 프린팅으로 제작된 이 장치들은 압축과 전단의 병행 하중 조건에서 효과적인 에너지 소산과 진동 감쇠를 보이며, 저비용 고성능 지진 방호 시스템으로 유망하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 펜타모드 라티스와 보강 플레이트를 사용한 라티스 기반 지진 격리 장치의 기계적 거동을 조사하기 위해.
• 이 구조물에서 인장 주도 및 굽힘 주도 변형 영역 간의 전이를 분석하기 위해.
• 압축과 전단 하중이 병행 작용하는 조건에서 3D 프린팅 프로토타입의 에너지 소산 및 감쇠 능력을 평가하기 위해.
• 고도의 산업 기반 또는 고비용 재료 없이도 표준 3D 프린팅 기술로 이러한 장치를 제조할 수 있는지의 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 연구는 펜타모드 거동를 갖는 주기적 라티스 재료의 구조적 기계적 거동을 분석하며, 라티스 기하학이 인장 주도 영역에서 근사 무한대의 전단 강성을 가능하게 한다.
• 라티스-플레이트 시스템의 반응은 조인트의 유연성에 따라 인장 주도 또는 굽힘 주도로 모델링되며, 주요 기계적 특성은 구조역학 원리로부터 유도된다.
• 압축과 전단 하중을 병행 적용한 3D 프린팅 모델을 이용한 실험적 검증을 통해 강성, 감쇠 및 에너지 소산 능력을 평가한다.
• 적층 제조를 활용하여 복잡한 라티스 기하학을 제작하고, 조인트 거동을 제어함으로써 조절 가능한 기계적 거동을 가능하게 한다.
• 이론적 분석에는 주기적 라티스 시스템에서 전단파의 효과적 탄성 계수 및 밴드 갭 특성의 유도가 포함된다.
• 수치적 결과와 실험 결과를 비교하여 기계적 모델의 타당성을 검증하고 실제 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펜타모드 라티스-플레이트 구조물의 기계적 특성은 인장 주도 및 굽힘 주도 변형 영역 간에 어떻게 달라지나?
• RQ2 압축과 전단 하중이 병행 작용하는 조건에서 3D 프린팅된 라티스 기반 지진 격리 장치의 에너지 소산 능력은 어떠한가?
• RQ3 이러한 장치는 효과적인 지진 격리에 요구되는 바와 같이 근사 무한대의 전단 강성과 함께 높은 수직 강성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 표준 3D 프린팅 기술이 특수 재료나 산업 기반 인프라 없이도 기능성 있는 지진 격리 장치를 제조할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 조인트의 유연성은 라티스 시스템의 주로 변형 모드와 전체 동적 거동을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 펜타모드 라티스-플레이트 구조물은 인장 주도 영역에서 이론적으로 전단 강성이 0에 가까워 효과적인 지진 격리가 가능하다.
• 굽힘 주도 영역에서는 전단 강성이 여전히 상당히 낮게 유지되어 진동 격리에 적합하다.
• 3D 프린팅 프로토타입은 압축과 전단 하중이 병행 작용하는 조건에서 측정 가능한 에너지 소산과 효과적인 감쇠를 보였다.
• 장치는 낮은 수평 강성과 함께 높은 수직 강성을 확보하여 지진 격리 장치의 핵심 요구 조건을 충족시켰다.
• 표준 3D 프린터를 이용한 제조가 가능하여 고도의 산업 기반이나 고비용 재료가 필요 없어졌다.
• 전단파에 대한 이론적 예측된 밴드 갭 특성은 관측된 동적 거동과 일치하여 진동 감쇠 잠재력이 확인되었다.