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

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.

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 [et al.]. – 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 [et al.] – 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 [et al.]. – 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 [et al.]. – 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 [et al.]. – DOI 10.1524/zkri.2005.220.9-10.765. – Текст : непосредственный // Zeitschrift fur Kristallographie [Crystalline Materials]. – 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 [et al.]. – 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 [et al.]. – 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 [et al.]. – DOI 10.1038/srep27717. – Текст : непосредственный // Scientific Reports. – 2016. – No. 10(6):27717.