저주파 및 광대역 주파수 대역의 지진파 감쇠를 위한 메타물질 기반

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2293(2023) 이 기사 인용

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메타물질은 단위 셀이 반복되어 만들어진 주기적인 구조입니다. 이러한 구조는 주파수별 파동 감쇠 동작을 보여줍니다. 본 연구에서는 건물의 지진 보호를 위한 2차원 메타물질 기반을 제안합니다. 가장 중요한 과제는 지진 중 지배적인 자극인 저주파 감쇠(~2~8Hz)를 제공하는 것입니다. 수행된 파라메트릭 연구를 기반으로 새로운 유형의 메타물질 구조가 제안되었습니다. 강철로 만들어진 반복적인 원형 산란체와 고무 매트릭스에 내장된 연추로 구성된 기초는 2.6~7.8Hz의 저주파 및 넓은 주파수 파 감쇠를 제공할 수 있는 것으로 나타났습니다. 구조물의 계산 모델은 사전에 기록된 3개의 지진 가진에 대해 일시적인 가진을 받았습니다. 결과는 새로운 기초가 구조물로의 지진파 전파를 저항할 수 있음을 보여주었습니다. 또한, 메타물질 기초를 갖춘 2D 건물 프레임의 반응을 다양한 지진 자극에 노출된 콘크리트 기초와 비교했습니다. 메타물질 기초의 프레임 진동이 콘크리트 기초의 동일한 프레임보다 훨씬 적기 때문에 결과는 매우 유망합니다. 제시된 작업은 지진 감쇠를 위한 지진 메타물질 기초에 대한 새로운 연구 및 개발의 길을 열어줍니다.

매일 전 세계적으로 1만 개 이상의 구조물이 건설됩니다. 수많은 콘크리트, 강철 및 기타 건축 자재로 제작된 이 견고해 보이는 구조물은 지진에 취약합니다. 지진 중에 생성되는 진동 에너지는 이러한 구조물을 손상시켜 인류에게 막대한 손실을 초래합니다. 구조적 손상을 방지하는 한 가지 방법은 메타물질로 구성된 기초를 사용하는 것입니다. 메타물질은 이름에서 알 수 있듯이 천연 물질 이상의 특성을 지닌 최상급 물질이다. 최근 연구1,2,3에서는 주기적 물질이라고도 불리는 이러한 메타물질이 구조 요소의 진동을 감소시킬 수 있음을 보여줍니다. 이러한 메타물질은 지진의 영향을 제거하기 위한 건물 기초를 설계하는 데 사용될 수 있습니다4,5. Kacin et al.6은 유한 요소 시뮬레이션을 사용하여 삼각형 격자 구조를 갖는 지진 메타물질을 연구하고 실험을 통해 결과를 검증했습니다. 연구는 제시된 메타물질이 8Hz에서 표면파를 효과적으로 감쇠시키는 것을 보여줍니다. Brule et al.7은 토양에 원통형 함유물을 뚫고 측면 진폭 0.014m, 주파수 50Hz의 표면파에 대한 효율성을 테스트했습니다. 토양의 천공 공극의 주기 상수는 입사파의 파장과 비슷했습니다. 깊은 시추공을 갖는 구조화된 토양이 50Hz 표면파에 대해 효과적인 차폐 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 새로운 지진 격리 기술로서 주기적인 재료로 만들어진 구조 기초는 지진파 에너지가 상부 구조로 전달되는 것을 방지하는 고유한 능력을 가지고 있습니다8,9,10. 지진파 에너지 전달을 방지하는 주기 기초의 이러한 능력은 에너지가 파동의 형태로 고체로 이동하고 주기 물질이 특정 주파수의 파동이 통과하는 것을 허용하지 않는다는 사실에서 비롯됩니다. Thakur et al.11은 3차원 주기 구조의 밴드갭을 연구했습니다. 이 연구는 특정 감쇠 구역을 갖는 3차원 주기 구조가 주파수가 감쇠 구역에 있는 파동의 진폭을 감소시키는 것으로 나타났습니다. Nouh et al.12은 주기적으로 배열된 점탄성 막 단위 셀로 구성된 메타물질 빔을 연구했습니다. 결과는 구조가 매우 낮은 주파수 범위에서 현저한 파동 진폭 감쇠를 제공한다는 것을 보여주었습니다. 파동이 이러한 주기적인 물질을 통과할 때 밴드갭이라고 불리는 특정 주파수 갭이 생성됩니다. 진행파가 밴드갭 영역에 주파수를 갖는 경우 주기성 물질은 해당 파동이 밴드갭을 통과하는 것을 허용하지 않습니다. Huang et al.13은 구조적 진동과 탄성파 흡수를 위한 메타물질을 설계했습니다. 그들은 메타물질의 단위 셀을 만들기 위해 질량 스프링 시스템의 질량을 사용했습니다. 결과는 특정 주파수 범위에서 음의 유효 질량과 음의 유효 밀도를 갖는 저주파에서의 밴드 갭을 보여주었습니다. 주기성 물질은 하나의 단위 셀이 무한히 반복되어 구성된 복합 물질로, 단위 셀은 주기성 물질의 가장 기본적인 구성 요소입니다. 단위 셀은 주파수 밴드 갭 영역의 특성을 반영하여 특정 형상으로 제작된 다양한 재료의 조합으로 구성됩니다. Sharma 등14은 주기적으로 배열된 내부 공진기로 구성된 빔을 설계했습니다. 결과는 두 개의 밴드 갭을 보여주었습니다. 하나는 브래그 밴드 갭과 연관되어 있고, 두 번째는 공진기의 공진 주파수와 연관되어 있습니다. 실제 엔지니어링 문제를 해결하는 데 사용되는 주기 기반은 단위 셀의 유한 반복과 단위 셀의 주파수 밴드갭과 겹치는 약속 감쇠 영역으로 구성됩니다. Hsu15는 얇은 슬래브에 일련의 계단식 공진기를 사용하여 음파 결정을 설계하고 유한 요소 연구를 수행하여 구조의 전송 스펙트럼을 계산했습니다. 구조는 구조의 공진 구조와 주기적인 대칭을 변경하여 조정할 수 있는 저주파 금지 구역을 나타내는 것으로 나타났습니다. Jensen17은 경계 조건과 감쇠가 주기적 구조의 진동 특성에 미치는 영향을 연구했습니다. 적당한 양의 감쇠는 밴드갭에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다. 대조적으로, 강한 감쇠는 밴드갭의 존재를 사라지게 하고 밴드 특성은 다양한 경계 조건에 민감합니다. Zhao et al.18은 기둥형 주기 구조 판을 사용하여 이중 진동기를 설계했습니다. 그 결과, 주기 단위의 높이가 밴드갭의 위치에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. Oudich et al.19는 2차원 음파 스터브 플레이트에 대한 실험적 연구를 수행했습니다. 주기 단위는 실리콘 고무로 채워진 얇은 알루미늄 판으로 구성되었습니다. 제안된 구조는 저주파에서 국부적인 공명 갭이 존재함을 보여주었다. Qian 등20은 질량 스프링 공진기를 주기적으로 배치한 이중 패널 시스템을 연구했습니다. 결과는 공진기 근처에 스프링을 추가하면 더 낮은 주파수에서 대역폭이 넓어지는 것으로 나타났습니다.