Метаматериальная основа ослабления сейсмических волн в низком и широком диапазоне частот

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2293 (2023) Цитировать эту статью

1663 Доступа

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Метаматериалы — это периодические структуры, созданные путем повторения элементарной ячейки. Такая структура демонстрирует поведение затухания волн в зависимости от частоты. В данной работе предлагается 2D фундамент из метаматериалов для сейсмической защиты зданий. Первостепенной задачей является обеспечение низкочастотного затухания (~ 2–8 Гц), которое является основным источником возбуждения во время землетрясения. На основе проведенных параметрических исследований предложен новый тип структуры метаматериала. Установлено, что основание, состоящее из повторяющихся круговых рассеивателей из стали и свинца, заделанных в резиновую матрицу, может обеспечить затухание волн низкой и широкой частоты от 2,6 до 7,8 Гц. Расчетная модель конструкции подвергалась кратковременному возбуждению на фоне трех заранее зарегистрированных землетрясений. Результат показал, что новый фундамент может противостоять распространению сейсмической волны на строение. Кроме того, реакция 2D-каркаса здания с фундаментом из метаматериала сравнивалась с бетонным фундаментом, подвергающимся различным сейсмическим воздействиям. Результаты очень многообещающие, поскольку вибрация рамы на фундаменте из метаматериала была значительно меньше, чем та же рама на бетонном фундаменте. Представленная работа открывает путь к новым исследованиям и разработкам основы сейсмических метаматериалов для ослабления землетрясений.

Ежедневно по всему миру возводится более десяти тысяч сооружений. Эти жесткие на вид конструкции, изготовленные из множества бетона, стали и других строительных материалов, подвержены землетрясениям. Вибрационная энергия, образующаяся во время землетрясений, наносит ущерб этим структурам, что приводит к огромным потерям для человечества. Один из способов избежать структурных повреждений — использовать фундаменты из метаматериалов. Метаматериалы, как следует из названия, представляют собой превосходные материалы со свойствами, превосходящими природные материалы. Недавние исследования1,2,3 показывают, что эти метаматериалы, также называемые периодическими материалами, могут снижать вибрации в элементах конструкций. Эти метаматериалы могут быть использованы для проектирования фундамента здания для устранения последствий землетрясения4,5. Качин и др.6 изучили сейсмический метаматериал с треугольной решетчатой ​​структурой с использованием моделирования методом конечных элементов и подтвердили результаты экспериментами. Исследование показывает, что представленный метаматериал эффективно ослабляет поверхностную волну частотой 8 Гц. Брюле и др.7 пробурили цилиндрическое включение в почве и проверили его эффективность против поверхностных волн частотой 50 Гц и боковой амплитудой 0,014 м. Периодическая постоянная пробуренных пустот в грунте была сравнима с длиной волны падающей волны. Было обнаружено, что структурированный грунт с глубокими скважинами действует как эффективный экран для поверхностных волн частотой 50 Гц. Фундаменты конструкций, изготовленные из периодических материалов, являются новым методом сейсмической изоляции и обладают способностью препятствовать передаче энергии сейсмических волн на надстройку8,9,10. Эта способность периодического фундамента запрещать передачу энергии сейсмических волн обусловлена ​​тем, что энергия распространяется в твердом теле в виде волн, а периодические материалы не пропускают через себя волны определенной частоты. Тхакур и др.11 изучали запрещенную зону трехмерных периодических структур. Исследование показало, что трехмерная периодическая структура, имеющая определенные зоны затухания, снижает амплитуду волн, частота которых лежит в зонах затухания. Ноу и др.12 исследовали пучок метаматериала, состоящий из периодически расположенных вязкоупругих мембранных элементарных ячеек. Результаты показали, что структура обеспечивает значительное ослабление амплитуды волн в очень низких частотных диапазонах. Особые частотные промежутки, называемые запрещенной зоной, генерируются, когда волны проходят через эти периодические материалы. Если бегущие волны имеют частоту в запрещенной зоне, то периодический материал не позволяет этой волне проходить через себя. Хуанг и др.13 разработали метаматериал для структурной вибрации и поглощения упругих волн. Они использовали систему «масса в массе», чтобы создать элементарную ячейку метаматериала. Результаты показали ширину запрещенной зоны на низких частотах с отрицательной эффективной массой и отрицательной эффективной плотностью в этом конкретном диапазоне частот. Периодический материал — это композитный материал, состоящий из бесконечных повторений одной элементарной ячейки, где элементарная ячейка является наиболее фундаментальным строительным блоком периодического материала. Элементарная ячейка состоит из комбинации различных материалов, изготовленных с определенной геометрией, отражающей характеристики ее зон запрещенной полосы частот. Шарма и др.14 разработали пучок, состоящий из периодически расположенных внутренних резонаторов. Результат показал две запрещенные зоны; один связан с брэгговской запрещенной зоной, а второй — с резонансной частотой резонаторов. Периодические основы, которые используются для решения реальных инженерных задач, состоят из конечных повторений элементарной ячейки и обещают зону затухания, перекрывающуюся с шириной запрещенной зоны элементарной ячейки. Сюй15 использовал серию ступенчатых резонаторов на тонкой пластине для проектирования фононного кристалла и провел исследование методом конечных элементов для расчета спектров пропускания структуры. Было обнаружено, что структура имеет низкочастотную запрещенную зону, которую можно перестраивать, изменяя резонирующую структуру и периодическую симметрию структуры16. Йенсен17 исследовал влияние граничных условий и затухания на колебательные характеристики периодической структуры. Было показано, что умеренное затухание не влияет на ширину запрещенной зоны. Напротив, сильное затухание приводило к исчезновению наличия запрещенной зоны, а свойства зон были чувствительны к различным граничным условиям. Чжао и др.18 разработали двойной вибратор с использованием периодической структурной пластины со столбиками. Результат показал, что высота периодических единиц оказывает большое влияние на положение запрещенных зон. Оудич и др.19 провели экспериментальное исследование двумерной фононной заглушенной пластины. Периодический блок представлял собой тонкую алюминиевую пластину с заглушками из силиконовой резины. Предложенная структура показала наличие локальной резонансной щели на низких частотах. Цянь и др.20 исследовали двухпанельную систему с периодическим расположением пружинных резонаторов. Результат показал, что добавление пружины рядом с резонаторами приводит к расширению полосы пропускания на более низких частотах.