[논문 리뷰] Seismic metamaterial: how to shake friends and influence waves?

Stéphane Brûlé, Emmanuel Javelaud외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 31.

Acoustic Wave Phenomena Research참고 문헌 27인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 지반에 뚫린 수직, 원통형, 빈 포함체의 격자로 구성된 지진 메타물질을 제안하여 지진파 전파를 조작한다. 근사판 모델과 현장 시험을 통해 이러한 구조가 지반 진동의 증폭을 줄여 현장 효과를 완화함으로써 지진 에너지를 재분배함으로써 지속 가능한 지진 방지 전략을 제시한다. 이는 미터 스케일의 공학적 지반 미세구조를 통해 실현 가능한 새로운 접근법이다.

ABSTRACT

Materials engineered at the micro- and nano-meter scale have had a tremendous and lasting impact in photonics and phononics, with applications ranging from periodic structures disallowing light and sound propagation at stop band frequencies, to subwavelength focussing and cloaking with metamaterials. Here, we present the description of a seismic test held on a soil structured at the meter scale using vibrocompaction probes. The most simplistic way to interact with a seismic wave is to modify the global properties of the medium, acting on the soil density and then on the wave velocity. The main concept is then to reduce the amplification of seismic waves at the free surface, called site effects in earthquake engineering. However, an alternative way to counteract the seismic signal is by modifying the distribution of seismic energy thanks to a metamaterial made of a grid of vertical, cylindrical and empty inclusions bored in the initial soil, in agreement with numerical simulations using an approximate plate model.

연구 동기 및 목표

• 공학적 지반 구조를 통해 표면에서의 지역적 지진파 증폭인 현장 효과를 완화하기 위해.
• 지구물리학 분야에서 메타물질 원리를 응용하여 지진파 제어 가능성을 탐색하기 위해.
• 진동압축 프로브를 활용한 현장 시험을 통해 이론적 예측을 검증하기 위해.
• 지반 내 주기적인 포함체가 파동 전파를 변화시키고 표면 변위를 감소시킬 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 지반 내 주기적인 수직, 원통형, 빈 포함체를 활용해 지진 메타물질을 설계하기 위해.
• 파동 전파 및 에너지 분포를 시뮬레이션하기 위해 근사판 모델을 사용하기 위해.
• 미터 스케일의 주기성으로 구조화된 지반을 만들기 위해 진동압축 프로브를 활용한 현장 시험 수행하기 위해.
• 수치 시뮬레이션 결과와 실험 데이터를 비교하여 메타물질 성능을 검증하기 위해.
• 포함체 형상과 간격에 따른 자유 표면에서의 파동 증폭 감소 분석하기 위해.
• 구조 공학을 통해 지반 밀도와 파동 속도를 조작하여 파동 거동에 영향을 미치기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지반 내 주기적인 빈 원통형 포함체의 배열이 표면 지진파 증폭을 줄일 수 있는가?
• RQ2 포함체의 배열이 지반 매체 내 지진 에너지 재분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 마이크로 및 나노 스케일 원리에 기반한 메타물질 접근법이 미터 스케일 지구물리학 응용으로 얼마나 잘 확장될 수 있는가?
• RQ4 판 모델에서 예측된 파동 밴드 갭 행동이 실제 지진 성능으로 이어지는가?
• RQ5 현장 시험이 이러한 메타물질이 지진 발생 시 현장 효과를 줄이는 데 효과적인지 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 지진 메타물질은 시험된 지반 구조에서 표면파 증폭을 현저히 감소시켜 현장 효과를 완화시켰다.
• 근사판 모델을 사용한 수치 시뮬레이션은 구조화된 지반 내 파동 거동을 정확하게 예측하였다.
• 현장 시험은 공학적으로 설계된 포함체가 파동 전파를 변화시켜 표면 최대 지반 가속도를 감소시킴을 확인하였다.
• 증폭 감소는 지반의 주기적 비균질성으로 인한 지진 에너지 재분포 탓이다.
• 메타물질 개념을 대규모 지구물리 시스템에 적용하는 것이 가능함을 입증하였다.
• 결과적으로 주기적인 지반 구조가 능동적인 지진 보호 전략으로서의 잠재력을 검증하였다.