Сейсмическая защита зданий и сооружений с применением метаматериалов: текущее состояние и перспективы развития

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Ввиду уплотнения и увеличения этажности городской застройки в мире растет число исследований в области защиты зданий и сооружений от сейсмических волн, поскольку распространяющийся в массиве грунта волновой сейсмический фронт способен привести к колоссальным разрушениям и массовым жертвам. Наиболее распространенными методами сейсмозащиты зданий и сооружений в гражданском строительстве в настоящее время являются конструктивные и территориальные способы. Первый метод включает комплекс конструктивных мероприятий, среди которых важное место занимает применение сейсмоизоляторов – специальных устройств, вводимых в фундамент и снижающих инерционные сейсмические воздействия на строительные конструкции. Второй способ предполагает использование различных барьеров на пути распространения сейсмических волн. В последние годы явно обозначилась тенденция поиска новых подходов к территориальной сейсмозащите. Анализ академических баз данных позволил выявить большое число исследований (преимущественно зарубежных), посвященных разработке способов защиты зданий и сооружений от волнового воздействия с помощью различного рода композиционных структур – метаматериалов. Эти способы некоторые исследователи условно делят на две группы: одни выполняют задачи маскировки, когда волновой фронт отклоняется и огибает защищаемый объект, другие создают искусственную теневую зону, в которой сейсмические волны затухают, не оказывая существенного влияния на здания и сооружения. Так как для российской науки разработка сейсмических метаматериалов пока является новым, но, безусловно, перспективным направлением исследований, целью данного обзора была систематизация имеющихся сведений о способах эффективной защиты зданий и сооружений от волновых воздействий.

Об авторах

В. А. Митрошин

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)

Email: mitroshinva@mgsu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4776-5118

Список литературы

  1. Pendry, J. B. Controlling electromagnetic fields / J. B. Pendry, D. Schurig, D. R. Smith. – doi: 10.1126/science.1125907. – Текст : непосредственный // Science. – 2006. – No. 312 (5781). – P. 1780–1782.
  2. Дубинов, А. Е. Маскировка материальных тел методом волнового обтекания / А. Е. Дубинов, Л. А. Мытарева. – doi: 10.3367/ufnr.0180.201005b.0475. – Текст : непосредственный // Успехи физических наук. – 2010. – Т. 180, № 5. – С. 475–501.
  3. Розанов, Н. Н. Невидимость: за и против / Н. Н. Розанов. – Текст : непосредственный // Природа. – 2008. – № 6. – C. 3–10.
  4. Schurig, D. Calculation of material properties and ray tracing in transformation media / D. Schurig, J. B. Pendry, D. R. Smith. – doi: 10.1364/oe.14.009794. – Текст : непосредственный // Optics Express. – 2006. – Vol. 14, Issue 21. – P. 9794–9804.
  5. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies / D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice. – doi: 10.1126/science.1133628. – Текст : непосредственный // Science. – 2006. – Vol. 314, Issue 5801. – P. 977–980.
  6. Material parameter equation for elliptical cylindrical cloaks / H. Ma, S. Qu, Z. Xu– DOI 10.1103/ PhysRevA.77.013825. – Текст : непосредственный // Physical Review A – Atomic, Molecular and Optical Physics. – 2008. – No. 77 (1). – P. 1–4.
  7. Electromagnetic Concentrators with Reduced Material Parameters Based on Coordinate Transformation. / W. Wang, L. Lin, J. Ma. – doi: 10.1364/oe.16.011431. – Текст : непосредственный // Optics Express. – 2008. – Vol. 16, Issue 15. – P. 11431–11437.
  8. Full-wave analysis of prolate spheroidal and hyperboloidal cloaks / Y. Luo, J. Zhang, H. Chen, B.-I. Wu. – doi: 10.1088/0022-3727/41/23/235101. – Текст : непосредственный // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2008. – Vol. 41, Issue 23. – P. 5101.
  9. Interaction of an electromagnetic wave with a cone-shaped invisibility cloak and polarization rotator. / Y. Luo, J. Zhang, B.-I. Wu, H. Chen. – doi: 10.1103/PhysRevB.78.125108. – Текст : непосредственный // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. – 2008. – No. 78:125108.
  10. Kim, S. H. Artificial seismic shadow zone by acoustic metamaterials / S. H. Kim, M. P. Das. – DOI 10.1142/ S0217984913501406. – Текст : электронный // Modern Physics Letters B. – 2013. – Vol. 27, No. 20:1350140.
  11. Forests as a natural seismic metamaterial: Rayleigh wave bandgaps induced by local resonances. / A. Colombi, P. Roux, S. Guenneau. – doi: 10.1038/srep19238. – Текст : непосредственный // Scientific Reports. – 2016. – No. 6(1):19238.
  12. Experiments on seismic metamaterials: Molding surface waves. / S. Brûlé, E. H. Javelaud, S. Enoch, S. Guenneau. – doi: 10.1103/PhysRevLett.112.133901. – Текст : непосредственный // Physical Review Letters. – 2013. – No. 112:133901.
  13. Brûlé, S. Emergence of seismic metamaterials: Current state and future perspectives / S. Brûlé, S. Enoch, S. Guenneau. – doi: 10.1016/j.physleta.2019.126034. – Текст : электронный // Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics. – 2020. – No. 384(1):126034.
  14. Walser, R. M. Metamaterials: What are they? What are they good for? – Текст : непосредственный // APS March Meeting Abstracts. – 2000. – No. 1. – P. 5001.
  15. Direct calculation of permeability and permittivity for a left-handed metamaterial / D. R. Smith, D. C. Vier, N. Kroll, S. Schultz. – doi: 10.1063/1.1314884. – Текст : непосредственный // Applied Physics Letters. – 2000. – No. 77(14). – P. 2246–2248.
  16. Walser, R. M. Electromagnetic metamaterials. Complex Mediums II: beyond linear isotropic dielectrics / R. M. Walser. – doi: 10.1117/12.432921. – Текст : непосредственный // International Society for Optics and Photonics. – 2001. – No. 4467. – P. 1–15.
  17. Strutt, J. W. On the Remarkable Phenomenon of Crystalline Reflexion described by Prof. Stokes. / J. W. Strutt. – doi: 10.1017/cbo9780511703980.010. – Текст : непосредственный // Scientific Papers : Cambridge Library Collection – Mathematics. – Cambridge : Cambridge University Press. – 2011. – P. 204–212.
  18. Могилевский, И. Е. Математическое моделирование метода волнового обтекания в задачах маскировки / И. Е. Могилевский, В. В. Ровенко. – Текст : непосредственный // Физические основы приборостроения. – 2014. – Т. 3, № 4 (13). – С. 28–39.
  19. Ohtaka, K. Energy band of photons and low-energy photon diffraction / K. Ohtaka. – doi: 10.1103/PhysRevB.19.5057. – Текст : непосредственный // Physical Review B. – 1979. – Vol. 19, Issue 10:5057.
  20. Sajeev, J. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices / J. Sajeev. – DOI 10.1103/ PhysRevLett.58.2486. – Текст : непосредственный // Physical Review Letters. – 1987. – Vol. 58, No. 23. – P. 2486–2489.
  21. Classical vibrational modes in phononic lattices: Theory and experiment. / M. Sigalas, M. S. Kushwaha, E. N. Economou. – doi: 10.1524/zkri.2005.220.9-10.765. – Текст : непосредственный // Zeitschrift fur Kristallographie. – 2005. – Vol. 220, No. 9–10. – P. 765–809.
  22. Bao, J. Dynamic Responses of a Structure with Periodic Foundations. / J. Bao, Z. Shi, H. Xiang. – DOI 10.1061/ (asce)em.1943-7889.0000383. – Текст : непосредственный // Journal of Engineering Mechanics. – 2012. – Vol. 138, Issue 7. – P. 761–769.
  23. Periodic materials-based vibration attenuation in layered foundations: experimental validation / H. J. Xiang, Z. F. Shi, S. J. Wang, Y. L. Mo. – doi: 10.1088/0964-1726/21/11/112003. – Текст : непосредственный // Smart Materials and Structures. – 2012. – No. 21(11):112003.
  24. Cheng, Z. Novel composite periodic structures with attenuation zones. / Z. Cheng, Z. Shi. – DOI 10.1016/j. engstruct.2013.07.003. – Текст : непосредственный // Engineering Structures. – 2013. – Vol. 56. – P. 1271–1282.
  25. Cheng, Z. Locally resonant periodic structures with low-frequency band gaps. / Z. Cheng, Z. Shi, Y. L. Mo, H. Xiang. – doi: 10.1063/1.4816052. – Текст : непосредственный // Journal of Applied Physics. – 2013. – No. 114: 033532.
  26. Huang, J. Application of periodic theory to rows of piles for horizontal vibration attenuation / J. Huang, Z. Shi. – doi: 10.1061/(asce)gm.1943-5622.0000193. – Текст : непосредственный // International Journal of Geomechanics. – 2013. – Vol. 13, No. 2 – P. 132–142.
  27. Seismic isolation of two dimensional periodic foundations / Y. Yan, A. Laskar, Z. Cheng. – doi: 10.1063/1.4891837. – Текст : непосредственный // Journal of Applied Physics. – 2014. – No. 116(4):044908.
  28. Yan, Y. Three dimensional periodic foundations for base seismic isolation / Y. Yan, Z. Cheng, F. Menq. – doi: 10.1088/0964-1726/24/7/075006. – Текст : непосредственный // Smart Materials and Structures. – 2015. – Vol. 24, No. 7:075006.
  29. Large scale mechanical metamaterials as seismic shields / M. Miniaci, A. Krushynska, F. Bosia, N. M. Pugno. – doi: 10.1088/1367-2630/18/8/083041. – Текст : непосредственный // New Journal of Physics. – 2016. – No. 18(8):083041.
  30. Krödel, S. Wide band-gap seismic metastructures / S. Krödel, N. Thomé, C. Daraio. – doi: 10.1016/j.eml.2015.05.004. – Текст : непосредственный // Extreme Mechanics Letters. – 2015. – No. 4. – P. 111–117.
  31. Dertimanis, V. K. Feasibility analysis on the attenuation of strong ground motions using finite periodic lattices of mass-in-mass barriers / V. K. Dertimanis, I. A. Antoniadis, E. N. Chatzi. – doi: 10.1061/(asce)em.1943-7889.0001120. – Текст : непосредственный // Journal of Engineering Mechanics. – 2016. – Vol. 142, Issue 9. – P. 1–10.
  32. Robust-to-uncertainties optimal design of seismic metamaterials / P.-R. Wagner, V. K. Dertimanis, E. N. Chatzi, J. L. Beck. – doi: 10.1061/(asce)em.1943-7889.0001404. – Текст : непосредственный // Journal of Engineering Mechanics. – 2018. – Vol. 144, Issue 3. – P. 1–17.
  33. Cacciola, P. Vibrating barrier: A novel device for the passive control of structures under ground motion / P. Cacciola, A. Tombari. – doi: 10.1098/rspa.2015.0075. – Текст : непосредственный // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. – 2015. – No. 471:2179.
  34. Engineered metabarrier as shield from seismic surface waves / A. Palermo, S. Krödel, A. Marzani, C. Daraio. – doi: 10.1038/srep39356. – Текст : непосредственный // Scientific Reports. – 2016. – No. 6(1):39356.
  35. Seismic cloaking protection from earthquakes / R. W. Haupt, V. Liberman, M. Rothschild, C. G. Doll. – doi: 10.1109/THS.2018.8574152. – Текст : непосредственный // 2018 IEEE International Symposium on Technologies for Homeland Security (HST). – 2018. – P. 1–7.
  36. Geng, Q. Issues in design of one-dimensional metamaterials for seismic protection / Q. Geng, S. Zhu, K. P. Chong. – doi: 10.1016/j.soildyn.2018.01.028. – Текст : непосредственный // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. – 2018. – No. 107 (14). – P. 264–278.
  37. Flat lens effect on seismic waves propagation in the subsoil / S. Brûlé, E. H. Javelaud, S. Enoch, S. Guenneau. – doi: 10.1038/s41598-017-17661-y. – Текст : непосредственный // Scientific Reports. – 2017. – No. 7(1): 18066.
  38. Seismic metamaterial: how to shake friends and influence waves? / S. Brûlé, E. Javelaud, S. Enoch, S. Guenneau. – doi: 10.58550/arXiv.1301.7642. – Текст : непосредственный // arXiv. – 2013. – No. 1301.7642.
  39. A seismic metamaterial: The resonant metawedge / A. Colombi, D. Colquitt, P. Roux. – doi: 10.1038/srep27717. – Текст : непосредственный // Scientific Reports. – 2016. – No. 10(6):27717.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».