Fondazione metamateriale per l'attenuazione delle onde sismiche per la banda di frequenza bassa e ampia

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2293 (2023) Citare questo articolo

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I metamateriali sono strutture periodiche realizzate ripetendo una cella unitaria. Tale struttura mostra un comportamento di attenuazione dell'onda specifico della frequenza. In questo lavoro viene proposta una fondazione metamateriale 2D per la protezione sismica degli edifici. La sfida principale è offrire un’attenuazione a bassa frequenza (~ 2–8 Hz), che è l’eccitazione dominante durante un terremoto. Sulla base dello studio parametrico eseguito, è stato proposto un nuovo tipo di struttura metamateriale. Si è scoperto che la fondazione costituita da diffusori circolari ripetuti in acciaio e piombo incorporati in una matrice di gomma può fornire un'attenuazione delle onde a bassa e ampia frequenza da 2,6 a 7,8 Hz. Il modello computazionale della struttura è stato sottoposto ad eccitazione transitoria rispetto a tre eccitazioni sismiche preregistrate. Il risultato ha dimostrato che la nuova fondazione può resistere alla propagazione dell’onda sismica alla struttura. Inoltre, la risposta di un telaio di un edificio 2D con fondazione in metamateriale è stata confrontata con una fondazione in calcestruzzo esposta a diverse eccitazioni sismiche. I risultati sono molto promettenti poiché la vibrazione del telaio sulla fondazione in metamateriale era significativamente inferiore rispetto allo stesso telaio sulla fondazione in cemento. Il lavoro presentato apre la strada a una nuova ricerca e sviluppo di basi metamateriali sismiche per l'attenuazione dei terremoti.

Ogni giorno vengono costruite più di diecimila strutture in tutto il mondo. Realizzate con una pletora di cemento, acciaio e altri materiali da costruzione, queste strutture apparentemente rigide sono suscettibili ai terremoti. L'energia vibrazionale prodotta durante i terremoti provoca danni a queste strutture portando a un'enorme perdita per l'umanità. Un modo per evitare danni strutturali è utilizzare fondazioni costituite da metamateriali. I metamateriali, come suggerisce il nome, sono materiali superlativi con proprietà che vanno oltre i materiali naturali. Studi recenti1,2,3 mostrano che questi metamateriali, detti anche materiali periodici, possono ridurre le vibrazioni negli elementi strutturali. Questi metamateriali possono essere utilizzati per progettare le fondamenta di un edificio per eliminare l'effetto del terremoto4,5. Kacin et al.6 hanno studiato un metamateriale sismico con struttura reticolare triangolare utilizzando la simulazione degli elementi finiti e hanno convalidato i risultati con gli esperimenti. Lo studio mostra che il metamateriale presentato attenua efficacemente l'onda superficiale a 8 Hz. Brule et al.7 hanno perforato l'inclusione cilindrica nel terreno e ne hanno testato l'efficacia contro le onde superficiali di frequenza 50 Hz con ampiezza laterale 0,014 m. La costante periodica dei vuoti scavati nel suolo era paragonabile alla lunghezza d'onda dell'onda incidente. Si è scoperto che il terreno strutturato con un foro profondo fungeva da scudo efficace per le onde superficiali a 50 Hz. Essendo una nuova tecnica di isolamento sismico, le fondazioni strutturali realizzate con materiali periodici possiedono la capacità intrinseca di impedire la trasmissione dell'energia delle onde sismiche alla sovrastruttura8,9,10. Questa capacità della fondazione periodica di impedire la trasmissione dell'energia delle onde sismiche deriva dal fatto che l'energia viaggia nei solidi sotto forma di onde, e i materiali periodici non consentono il passaggio di onde di una certa frequenza. Thakur et al.11 hanno studiato i gap di banda delle strutture periodiche tridimensionali. Lo studio ha dimostrato che la struttura periodica tridimensionale con zone di attenuazione specifiche riduce l'ampiezza delle onde la cui frequenza si trova nelle zone di attenuazione. Nouh et al.12 hanno studiato un fascio di metamateriali composto da cellule unitarie di membrana viscoelastica disposte periodicamente. I risultati hanno mostrato che la struttura fornisce una notevole attenuazione dell’ampiezza dell’onda a gamme di frequenza molto basse. Lacune di frequenza specifiche chiamate bandgap vengono generate quando le onde viaggiano attraverso questi materiali periodici. Se le onde viaggianti hanno frequenza nella regione del gap di banda, il materiale periodico non consente all'onda di attraversarla. Huang et al.13 hanno progettato un metamateriale per le vibrazioni strutturali e l'assorbimento delle onde elastiche. Hanno utilizzato il sistema massa in massa per creare la cellula unitaria del metamateriale. I risultati hanno mostrato le bande proibite a bassa frequenza con massa effettiva negativa e densità effettiva negativa in quel particolare intervallo di frequenza. Un materiale periodico è un materiale composito composto da infinite ripetizioni di una cella unitaria, dove una cella unitaria è l'elemento fondamentale di un materiale periodico. La cella unitaria è costituita da una combinazione di diversi materiali fabbricati secondo una particolare geometria, che riflette le caratteristiche delle sue zone di gap di banda di frequenza. Sharma et al.14 hanno progettato una trave composta da risonatori interni disposti periodicamente. Il risultato ha mostrato due band gap; uno è associato al gap di banda di Bragg e il secondo è associato alla frequenza di risonanza dei risonatori. Le basi periodiche utilizzate per risolvere problemi ingegneristici reali sono costituite da ripetizioni finite della cella unitaria e promettono una zona di attenuazione che si sovrappone al gap di banda di frequenza di una cella unitaria. Hsu15 ha utilizzato una serie di risonatori a gradini su una lastra sottile per progettare un cristallo fononico ed ha eseguito uno studio agli elementi finiti per calcolare gli spettri di trasmissione della struttura. Si è scoperto che la struttura presentava una zona proibita a bassa frequenza, che poteva essere sintonizzata modificando la struttura risonante e la simmetria periodica della struttura16. Jensen17 ha studiato l'effetto delle condizioni al contorno e dello smorzamento sulle caratteristiche vibrazionali di una struttura periodica. È stato dimostrato che una moderata quantità di smorzamento non influisce sul bandgap. Al contrario, un forte smorzamento ha portato alla scomparsa della presenza di bandgap e le proprietà della banda erano sensibili alle varie condizioni al contorno. Zhao et al.18 hanno progettato un doppio vibratore utilizzando una piastra strutturale periodica a pilastri. Il risultato ha mostrato che l’altezza delle unità periodiche ha avuto un effetto importante sulla posizione dei gap di banda. Oudich et al.19 hanno eseguito uno studio sperimentale su una piastra stubbed fononica 2-D. L'unità periodica era composta da una sottile piastra di alluminio ricoperta di gomma siliconica. La struttura proposta ha mostrato l'esistenza di un gap di risonanza locale alle basse frequenze. Qian et al.20 hanno studiato un sistema a doppio pannello con disposizione periodica di risonatori a molla di massa. Il risultato ha mostrato che l’aggiunta di una molla vicino ai risonatori porta ad ampliare la larghezza di banda alle frequenze più basse.