[논문 리뷰] Seismic auxetic metamaterials as novel earthquake protections

Bogdan Ungureanu, Younes Achaoui외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 29.

Cellular and Composite Structures참고 문헌 45인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 지반 내에서 지진파를 차단하기 위해 인공 금속 띠역대를 생성하는 새로운 유형의 지진 보조성 메타물질을 제안한다. 포isson 비율과 전단율 등의 음수 탄성 매개변수를 설계하여, 미터 규모의 메타물질이 지진 주파수에서 파동 전파를 억제함으로써, 스펙트럼 띠역대 설계를 통한 지진 방재를 위한 새로운 메커니즘을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지반 내에서 지진파 전파를 완화하는 데 있어 보조성 메타물질의 잠재력을 탐색하기 위해.
• 구조물이 파괴적인 지진파로부터 보호되도록, 타이밍 조절된 탄성 특성을 가진 재료를 설계함으로써 도전 과제를 해결하기 위해.
• 보조성 메타물질의 공학적 띠역대가 건물의 지진 주파수에서 효과적으로 고립시키는 데 성공함을 입증하기 위해.
• 기존 콘크리트와 보조성 메타물질 간의 파동 전파 및 반사 특성을 비교하여 성능 우월성을 부각시키기 위해.

제안 방법

• 기준 비교를 위한 연속성 등방성 탄성 매질(콘크리트)을 대상으로 한 파동 전파의 수치 시뮬레이션.
• 조절 가능한 탄성 매개변수를 갖춘 미터 규모의 보조성 메타물질 설계, 음수 포isson 비율 및 전단율 포함.
• 파동 전파가 억제되는 영역인 탄성 정지대를 식별하기 위해 스펙트럼 분석 사용.
• 특정 주파수 범위에서의 음수 효과적 매질과 질량 밀도를 모델링하여 음수 효과적 매개변수 달성.
• 지반 내에서 특정 주파수의 파동 감쇠를 만들기 위해 띠역대 공학 원리의 구현.
• 기존 콘크리트와 보조성 메타물질 간의 파동 전송 및 반사 특성 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공학적으로 설계된 탄성 매개변수를 갖춘 보조성 메타물질이 지진파 전파를 억제하는 띠역대를 형성할 수 있는가?
• RQ2 보조성 메타물질의 스펙트럼 특성은 기존 재료와 비교해 지반 내에서 파동 전파에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 포isson 비율과 전단율 등의 음수 탄성 매개변수는 효과적인 지진 띠역대 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 지반에 임bed된 미터 규모의 보조성 메타물질이 구조물에 대해 얼마나 효과적으로 지진 고립을 제공할 수 있는가?
• RQ5 지진 자극 하에서 보조성 메타물질 내의 파동 거동은 표준 콘크리트와 어떻게 다를까?

주요 결과

• 특정 주파수 대역에서 보조성 메타물질은 포isson 비율과 전단율 등의 음수 탄성 매개변수를 나타내며, 이로 인해 파동 억제가 가능하다.
• 메타물질은 지진파 주파수와 호환되는 곳에 인공 띠역대를 형성하여 파동 전파를 효과적으로 차단한다.
• 수치 결과에 따르면, 기존 콘크리트에 비해 보조성 메타물질 내에서의 파동 전파가 크게 감소함을 확인할 수 있다.
• 띠역대 형성은 메타물질의 공학적 스펙트럼 특성, 특히 음수 효과적 탄성 모odulus와 직접적으로 연관되어 있다.
• 제안된 설계로 인해, 지반에 임베디드된 미터 규모의 메타물질을 사용해 건물 기초 수준에서 지진파 고립이 가능하다.
• 메타물질의 성능은 음수 탄성 매개변수와 타이밍 조절된 질량 밀도의 고유한 조합 덕분이다.