[논문 리뷰] Auxetic-like metamaterials as novel earthquake protections

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

Cellular and Composite Structures인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 음성 탄성 계수, 국소 공진 및 브라거 산란을 통해 파동 전파를 조작하는 보조성 유사 기계적 메타물질을 활용하여 지진 방재를 위한 대규모, 헥타미터 규모의 기초를 설계함으로써 지진파를 억제하는 방법을 제안한다. 수치 시뮬레이션 결과, 이러한 메타물질은 지진파(1–40 Hz)에 대해 완전한 금속역대를 생성할 수 있으며, 기존 콘크리트 기초에 비해 파동 전파를 크게 감소시킴을 보여준다.

ABSTRACT

We propose that wave propagation through a class of mechanical metamaterials opens unprecedented avenues in seismic wave protection based on spectral properties of auxetic-like metamaterials. The elastic parameters of these metamaterials like the bulk and shear moduli, the mass density, and even the Poisson ratio, can exhibit negative values in elastic stop bands. We show here that the propagation of seismic waves with frequencies ranging from 1Hz to 40Hz can be influenced by a decameter scale version of auxetic-like metamaterials buried in the soil, with the combined effects of impedance mismatch, local resonances and Bragg stop bands. More precisely, we numerically examine and illustrate the markedly different behaviors between the propagation of seismic waves through a homogeneous isotropic elastic medium (concrete) and an auxetic-like metamaterial plate consisting of 64 cells (40mx40mx40m), utilized here as a foundation of a building one would like to protect from seismic site effects. 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

• 보조성 유사 메타물질이 도시 인프라 내 지진파 전파를 완화하는 데 잠재력을 갖추고 있는지 탐색하기.
• 표면파에 의한 파괴적인 지진 현상 효과로 인한 건물 보호 문제를 해결하기.
• 지진 주파수(1–40 Hz)에 대해 완전한 금속역대를 생성하는 대규모 메타물질 기초를 설계하기.
• 기존 콘크리트 기초와 비교하여 메타물질 기초를 통한 파동 전파 특성 분석하기.

제안 방법

• 64개의 단위 세포로 구성된 40m × 40m × 40m 보조성 유사 메타물질 판에서의 파동 전파 수치 시뮬레이션.
• 조절 가능한 탄성 계수(음성 체적 및 전단 계수 포함, 정지대 내에서 음성 푸아송 비)를 갖춘 메타물질 모델링.
• 메타물질의 스펙트럼 특성을 활용해 지진 주파수에 대응하는 완전한 광학 유사 금속역대 생성.
• 주기적인 마이크로구조 설계를 통해 임피던스 불일치 및 브라거 산란 효과 구현.
• 메타물질 기초와 균질 등방성 콘크리트 매질을 통한 파동 전파 비교.
• 유한 요소 방법을 활용한 시스템 분석을 통해 전파 손실 및 파동 억제 성능 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보조성 유사 메타물질이 1–40 Hz 주파수 범위의 지진파에 대해 완전한 금속역대를 생성할 수 있는가?
• RQ2 메타물질 기초를 통한 파동 전파가 기존 콘크리트 기초에 비해 어떻게 다른가?
• RQ3 국소 공진과 브라거 산란이 대규모 메타물질에서 지진파 전파 억제에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 음성 탄성 계수(예: 음성 푸아송 비)가 토양에 묻힌 메타물질에서 지진파 격리 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 임피던스 불일치가 이러한 메타물질 시스템에서 파동 반사 및 전파에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 보조성 유사 메타물질 기초는 1–40 Hz 지진 대역에서 국소 공진과 브라거 산란의 병합 효과로 인해 강력한 파동 억제를 보이며, 완전한 금속역대를 형성한다.
• 균질 콘크리트 기초에 비해 메타물질 기초를 통한 파동 전파가 크게 감소하여 효과적인 지진 격리가 가능함을 입증한다.
• 정지대 내에서 체적 계수, 전단 계수 및 푸아송 비의 음성 값이 나타나, 기존 재료에서는 구현할 수 없는 고유한 파동 조작이 가능해진다.
• 임피던스 불일치와 주기적 마이크로구조를 통해 효과적인 파동 필터링이 이루어져 목표 주파수 대역에서 높은 전파 손실을 달성한다.
• 40m × 40m × 40m 메타물질 판 구조는 지진파를 효과적으로 격리함으로써 대규모 지진 방재 시스템으로서의 실현 가능성을 입증한다.
• 수치 결과는 메타물질의 스펙트럼 특성이 맞춤형 파동 제어를 가능하게 하여, 건설공학 분야에서 지진 격리에 있어 유망한 후보임을 확인한다.