PROGETTAZIONE E DIMOSTRAZIONE SPERIMENTALE DI METAPALI PER L’ATTENUAZIONE DI ONDE SISMICHE DI TAGLIO

The implementation of resonant metamaterials for the development of a new generation of seismic isolation systems is a very challenging field for engineering researchers. Even though many metamaterials-based strategies have been introduced in this context, most of them are highly invasive and might not be well suited for retrofitting. In this thesis we show that seismic waves can be attenuated via buried columns of resonators, called “metamaterial piles” or “metapiles”, arranged according to sparse patterns around a site to be isolated, rather than right underneath that same site. Our focus is on shear waves approaching the surface of a half-space from the depth direction, perpendicularly towards the surface itself. We begin by studying the fundamentals of our idea at a tabletop-scale, where we can compare numerical predictions to experimental results. In particular, we design a resonant metamaterial via numerical simulations using the Finite Element Method software, COMSOL Multiphysics. The results of these analyses are then post-processed in MATLAB, from which we extract their spectro-spatial characteristics of the dynamics of these systems. The dispersion relation curves and the transmissibility diagrams highlight the presence of a bandgap starting at 5.9 kHz, that corresponds to the resonant frequency of each resonator in the metamaterial. These results are then validated by testing 3D printed resonators using a tabletop experimental setup developed within the lab of Professor Chiara Daraio at the California Institute of Technology. Experimental tests support and validate our numerical simulations. After demonstrating that the proposed resonators work as we expect them to, we go on and validate the idea of wave attenuation via metapiles, by embedding columns of resonators in a large acrylic plate. These results are also validated via numerical simulations in COMSOL Multiphysics. After this preliminary study at a tabletop-scale, we provide a wider outlook by scaling-up the model and studying the behavior of different arrangements of resonators, that act as tuned mass dampers, planted in a soil-like half-space, this time using the Finite Element Method software, SAP2000, which allows to more easily implement civil engineering-oriented models. In particular, we perform a wide parametric study where we analyze the effects of the resonators characteristics and their arrangement into metapiles. The maps obtained through this study may be employed to choose resonators characteristics and arrangement based on a desired level of attenuation, with relevant implications in the study of wave propagation and attenuation.

La conoscenza approfondita del comportamento dei metamateriali risonanti per la progettazione di una nuova generazione di sistemi di isolamento sismico costituisce un importante argomento di attualità. Nel tempo, sono state introdotte molte strategie di isolamento sismico basate sull’impiego di metamateriali, ma la maggior parte di esse è altamente invasiva e non adatta per il retrofit. La presente tesi dimostra che le onde sismiche possono essere attenuate tramite colonne monodimensionali di risonatori, chiamate “pali di metamateriali” o “metapali”, installate attorno a un sito da isolare, piuttosto che proprio sotto quello stesso sito. Il nostro lavoro si incentra sullo studio dell’attenuazione delle onde di taglio che si propagano perpendicolarmente verso la superficie. La questione chiave è il progetto del design di un metamateriale sismico da impiegare come risonatore in grado di attenuare le onde in un certo intervallo di frequenza. Il progetto del metamateriale risonante è stato sviluppato e analizzato mediante simulazioni numeriche utilizzando il software agli elementi finiti, COMSOL Multiphysics. I risultati di queste analisi numeriche vengono poi elaborati in MATLAB, da cui si ottengono le loro caratteristiche spettro-spaziali. Le curve di dispersione ed i diagrammi di trasmissione evidenziano la presenza di un bandgap risonante a partire da 5.9 kHz, che corrisponde alla frequenza di risonanza di ciascun risonatore nel metamateriale. Questi risultati vengono quindi convalidati testando i risonatori stampati con la stampante 3D utilizzando il setup sperimentale da tavolo sviluppato nel laboratorio della Professoressa Chiara Daraio, presso il California Institute of Technology. I test sperimentali convalidano le simulazioni numeriche aumentando il livello di accuratezza e confermando la coerenza dei risultati ottenuti. Dopo aver dimostrato che i risonatori progettati sono in grado di attenuare i segnali di onde sismiche di taglio su quello specifico intervallo di frequenza, passiamo allo studio dell'attenuazione delle onde tramite metapali, inserendo colonne di risonatori in una grande lastra acrilica. Questi risultati vengono convalidati anche tramite simulazioni numeriche in COMSOL Multiphysics. Successivamente, dopo questo studio preliminare in piccola scala, viene fornita una prospettiva futura di applicazione sismica più ampia scalando il modello e studiando il comportamento di diverse configurazioni di risonatori, che agiscono come tuned mass dampers, piantati in un semispazio con proprietà simili al suolo, utilizzando il software agli elementi finiti, SAP2000, che consente di implementare più facilmente modelli orientati all'ingegneria civile. In particolare, effettuiamo un ampio studio parametrico dove analizziamo gli effetti delle caratteristiche dei risonatori e delle diverse configurazioni dei metapali. Questo studio parametrico è molto interessante perché pone le basi per progettare il design ottimale dei metapali. Le mappe ottenute attraverso questo studio possono essere utilizzate per scegliere le caratteristiche e la disposizione dei risonatori in base al livello di attenuazione desiderato, con implicazioni rilevanti nello studio della propagazione e attenuazione delle onde.