Forskere tager en metamateriale-tilgang til jordskælvsskader

I det sidste årti har forskere eksperimenteret med metamaterialer, kunstige materialer designet med periodiske indre strukturer for at give dem egenskaber, der ikke findes i naturlige materialer. Afhængigt af deres indre geometri og sammensætning, forskere har fundet ud af, at de kan kontrollere bølger, der forplanter sig gennem nogle af disse materialer, filtrering af lyd eller afbøjning af lys, så en genstand fremstår "tildækket" eller usynlig, for eksempel.

Kunne det samme princip anvendes til at kontrollere seismiske bølger? På SSA 2019 årsmøde, Seismologer fra hele verden vil diskutere, hvordan metamateriale-teori kan anvendes på alt fra udvikling af afbøjningsbarrierer til at manipulere layoutet af bygninger i en by som en måde at minimere virkningen af ​​beskadigende seismiske overfladebølger.

Lav Joshi, en ph.d. studerende og J.P. Narayan, en professor ved Indian Institute of Technology i Roorkee, Indien undersøger, om metamateriale-konceptet kan skaleres op til størrelsen af ​​en by. De var inspireret af tidligere undersøgelser, hvor forskere så på, hvordan grupper af træer kunne bruges som et naturligt metamateriale til at afbøde Rayleigh-bølgernes skadelige potentiale, der "ruller" hen over jorden og spreder sig ud fra den epicentrale zone af et jordskælv.

"Låner ideer fra disse undersøgelser, vi begyndte at arbejde med konceptet om eksisterende strukturer som metamaterialer eller metastrukturer, ved at kombinere vores nuværende viden om sted-by interaktionseffekter og seismisk bølgeudbredelse, " sagde Joshi.

Joshi og kolleger udførte 3-D-simuleringer af, hvordan Rayleigh-bølger passerer gennem strukturer af varierende højder og bredder i en by. De fandt ud af, at strukturerne fungerer som "resonatorer", der henter energi fra Rayleigh-bølgerne.

For at maksimere denne effekt på en bydækkende basis, Joshi sagde, "den mulige ordning for en by ville være, at højden af ​​en bygning skulle falde radialt indad, da den grundlæggende langsgående vibrationsmåde for højhuse kan falde sammen med den bøjelige vibrationsmåde for kortere bygninger, forårsager en betydelig reduktion af deres skade."

Andre faktorer, herunder træk ved det omkringliggende landskab som bjerge og dale, vil også interagere med mønstret af bygninger, påvirke omfanget af skaden, han tilføjede.

I et andet oplæg på mødet, Maria Todorovska fra Tianjin University i Kina vil præsentere sit arbejde om, hvordan et periodisk arrangement af storskala barrierer såsom udgravede huller og bakker kunne fungere som et seismisk metamateriale. Hendes modelleringsresultater viser, at periodiske "dale" ser ud til at reducere mere jordbevægelse end dybere og smallere "kløfter" eller bakker.

Med mere forskning, ideen om at mønstre bylandskabet som et seismisk metamateriale kan hjælpe byplanlæggere og jordskælvsingeniører, når de bygger i områder, hvor der forventes lavvandede skadelige jordskælv, siger forskerne.