Fundação metamaterial para atenuação de ondas sísmicas para banda de frequência baixa e larga

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2293 (2023) Cite este artigo

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Metamateriais são estruturas periódicas feitas pela repetição de uma célula unitária. Tal estrutura mostra um comportamento de atenuação de onda específico de frequência. Neste trabalho é proposta uma fundação metamaterial 2D para a proteção sísmica de edifícios. O principal desafio é oferecer atenuação de baixa frequência (~ 2–8 Hz), que é a excitação dominante durante um terremoto. Com base no estudo paramétrico realizado, foi proposto um novo tipo de estrutura metamaterial. Verificou-se que a base composta por espalhadores circulares repetidos feitos de aço e prumo embutidos em matriz de borracha pode fornecer atenuação de onda de baixa e ampla frequência de 2,6 a 7,8 Hz. O modelo computacional da estrutura foi submetido a excitação transiente contra três excitações sísmicas pré-gravadas. O resultado mostrou que a nova fundação pode resistir à propagação da onda sísmica para a estrutura. Além disso, a resposta de uma estrutura de construção 2D com fundação de metamaterial foi comparada a uma fundação de concreto exposta a diferentes excitações sísmicas. Os resultados são muito promissores, pois a vibração da estrutura na fundação de metamaterial foi significativamente menor do que a mesma estrutura na fundação de concreto. O trabalho apresentado abre caminho para novas pesquisas e desenvolvimento de fundações metamateriais sísmicas para atenuação de terremotos.

Diariamente, mais de dez mil estruturas são construídas em todo o mundo. Fabricadas por uma infinidade de concreto, aço e outros materiais de construção, essas estruturas aparentemente rígidas são suscetíveis a terremotos. A energia vibracional produzida durante os terremotos causa danos a essas estruturas levando a uma tremenda perda para a humanidade. Uma forma de evitar danos estruturais é a utilização de fundações constituídas por metamateriais. Metamateriais, como o nome sugere, são materiais superlativos com propriedades além dos materiais naturais. Estudos recentes1,2,3 mostram que esses metamateriais, também chamados de materiais periódicos, podem reduzir vibrações em elementos estruturais. Esses metamateriais podem ser usados ​​para projetar uma fundação de construção para eliminar o efeito do terremoto4,5. Kacin et al.6 estudaram um metamaterial sísmico com estrutura de treliça triangular usando simulação de elementos finitos e validaram os resultados com os experimentos. O estudo mostra que o metamaterial apresentado efetivamente atenua a onda de superfície em 8 Hz. Brule et al.7 perfuraram a inclusão cilíndrica no solo e testaram sua eficácia contra onda de superfície de frequência 50 Hz com amplitude lateral 0,014 m. A constante periódica de vazios perfurados no solo era comparável com o comprimento de onda da onda incidente. Verificou-se que o solo estruturado com furo profundo atuou como um escudo eficaz para as ondas de superfície de 50 Hz. Como uma nova técnica de isolamento sísmico, as fundações estruturais feitas com materiais periódicos possuem a capacidade inerente de impedir a transmissão da energia das ondas sísmicas para a superestrutura8,9,10. Essa capacidade da fundação periódica de proibir a transmissão de energia das ondas sísmicas vem do fato de que a energia viaja no sólido na forma de ondas, e os materiais periódicos não permitem que ondas de uma certa frequência passem por eles. Thakur et al.11 estudaram bandgaps de estruturas periódicas tridimensionais. O estudo mostrou que a estrutura periódica tridimensional com zonas de atenuação específicas reduz a amplitude das ondas cuja frequência se encontra em zonas de atenuação. Nouh et al.12 estudaram uma viga de metamaterial composta por células unitárias de membrana viscoelástica dispostas periodicamente. Os resultados mostraram que a estrutura fornece uma notável atenuação da amplitude da onda em faixas de frequência muito baixas. Gaps de frequência específicos chamados bandgaps são gerados quando as ondas viajam através desses materiais periódicos. Se as ondas viajantes têm frequência na região do bandgap, então o material periódico não permite que a onda viaje através dele. Huang et al.13 projetaram um metamaterial para vibração estrutural e absorção de ondas elásticas. Eles usaram massa em sistema de mola de massa para fazer célula unitária do metamaterial. Os resultados mostraram as lacunas de banda em baixa frequência com massa efetiva negativa e densidade efetiva negativa naquela faixa de frequência específica. Um material periódico é um material composto de infinitas repetições de uma célula unitária, onde uma célula unitária é o bloco de construção mais fundamental de um material periódico. A célula unitária consiste em uma combinação de diferentes materiais fabricados para uma geometria particular, refletindo as características de suas zonas de gap de frequência. Sharma et al.14 projetaram um feixe composto de ressonadores internos dispostos periodicamente. O resultado mostrou dois intervalos de banda; um está associado ao intervalo de banda de Bragg e o segundo está associado à frequência de ressonância dos ressonadores. As bases periódicas que são usadas para resolver problemas reais de engenharia são feitas de repetições finitas da célula unitária e prometem sobreposição da zona de atenuação com o bandgap de frequência de uma célula unitária. Hsu15 usou uma série de ressonadores escalonados em uma placa fina para projetar um cristal fonônico e realizou um estudo de elementos finitos para calcular os espectros de transmissão da estrutura. Verificou-se que a estrutura exibia uma zona proibida de baixa frequência, que poderia ser sintonizada alterando a estrutura ressonante e a simetria periódica da estrutura16. Jensen17 estudou o efeito das condições de contorno e amortecimento nas características vibracionais de uma estrutura periódica. Foi demonstrado que uma quantidade moderada de amortecimento não afeta o bandgap. Em contraste, o forte amortecimento levou ao desaparecimento da presença de bandgap, e as propriedades da banda foram sensíveis às várias condições de contorno. Zhao et al.18 projetaram um vibrador duplo usando placa estrutural periódica com pilares. O resultado mostrou que a altura das unidades periódicas teve um efeito importante na posição dos gaps. Oudich et al.19 realizaram um estudo experimental de uma placa stubbed fonônica 2-D. A unidade periódica era composta por uma fina placa de alumínio aparafusada com borracha de silicone. A estrutura proposta mostrou a existência de gap de ressonância local em baixas frequências. Qian et al.20 estudaram um sistema de painel duplo com arranjo periódico de ressonadores de mola de massa. O resultado mostrou que adicionar mola perto dos ressonadores leva a um aumento da largura de banda em frequências mais baixas.