[論文レビュー] Seismic metamaterial: how to shake friends and influence waves?

Stéphane Brûlé, Emmanuel Javelaud+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2013

Acoustic Wave Phenomena Research参考文献 27被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、土壌に垂直で円柱状の空洞を周期的グリッド状に掘削することで、地震波の伝播を制御する地震メタマテリアルの構築を提案する。近似プラントモデルと現場試験を用いて、このような構造が地震エネルギーを再配分させることで表面波の増幅を低減し、サイト効果を緩和することを示し、メートルスケールの土壌微細構造を設計することで地震防護の新しいアプローチを提供する。

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.

研究の動機と目的

• 表面での局所的地震波増幅（サイト効果）を、土壌構造を設計することで軽減すること。
• 地球物理学的応用においてメタマテリアルの原則を用いた地震波制御の可能性を探ること。
• 振動圧密プローブを用いた実地地震試験を通じて理論的予測を検証すること。
• 土壌内に周期的なインクルージョンを設けることで波動伝播を変化させ、表面変位を低減できることを示すこと。

提案手法

• 土壌内に周期的グリッド状に垂直で円柱状かつ空洞のインクルージョンを配置することで、地震メタマテリアルを設計する。
• 波動伝播とエネルギー分布をシミュレートするために、近似プラントモデルを用いる。
• メートルスケールの周期性を持つ構造的土壌を形成するために、振動圧密プローブを用いた現場試験を実施する。
• 数値シミュレーションと実験データを比較することで、メタマテリアルの性能を検証する。
• インクルージョンの幾何形状と間隔を関数として、自由表面における波増幅の低減を分析する。
• 構造的工学的手法により土壌密度と波速度を変更し、波動挙動に影響を与える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 土壌内に周期的配列された空洞の円柱インクルージョンが、表面地震波増幅を低減できるか？
• RQ2 インクルージョンの配置が、土壌中での地震エネルギー再分配にどのように影響するか？
• RQ3 マイクロおよびナノスケールの原則に基づくメタマテリアルのアプローチを、メートルスケールの地球物理学的応用にどれほどスケールアップできるか？
• RQ4 プラントモデルにおける波のバンドギャップ挙動の理論的予測が、現実の地震性能にどのように反映されるか？
• RQ5 現場試験によって、このようなメタマテリアルが地震発生時におけるサイト効果低減に有効であることが確認できるか？

主な発見

• 地震メタマテリアルは、試験された土壌構成において表面波増幅を顕著に低減し、サイト効果を緩和した。
• 近似プラントモデルを用いた数値シミュレーションは、構造的土壌内での波動挙動を正確に予測した。
• 現場試験により、設計されたインクルージョンが波動伝播を変化させ、表面での最大地表面加速度を低減することが確認された。
• 増幅の低減は、土壌の周期的不均一性に起因する地震エネルギーの再配分に起因する。
• メタマテリアルの概念を大規模な地球物理学的システムに応用する可能性が実証された。
• 結果として、周期的土壌構造が受動的地震防護戦略としての潜在的可能性を有することが検証された。