• شماره ركورد
    34364
  • پديد آورنده

    سيد هاشم مدحت صفوتي

  • عنوان
    ارائه يك فراماده لرزه‌اي جديد به منظور كاهش انتشار مواج سطحي
  • مقطع تحصيلي
    كارشناسي ارشد
  • رشته تحصيلي
    مهندسي خطوط راه آهن
  • سال تحصيل
    1401
  • تاريخ دفاع
    1404/07/29
  • استاد راهنما
    سيد جواد ميرمحمد صادقي
  • استاد مشاور
    رضا رفيعي دهخوارقاني
  • دانشكده
    مهندسي راه آهن
  • چكيده
    انتشار امواج سطحي ناشي از زلزله و ارتعاشات حاصل از فعاليت‌هاي انساني مانند حمل‌ونقل ريلي، يكي از چالش‌هاي اساسي در مهندسي ژئوتكنيك لرزه‌اي به شمار مي‌آيد. اين امواج به‌دليل دامنه زياد و فركانس پايين، نقش مهمي در انتقال انرژي و بروز آسيب در سازه‌ها و زيرساخت‌هاي حساس دارند. روش‌هاي سنتي كنترل ارتعاشات در مسير انتشار، مانند ايجاد موانع صلب يا ترانشه‌ها ، غالباً هزينه‌بر بوده و در كاهش امواج با فركانس‌هاي پايين كارايي محدودي دارند. يكي از رويكردهاي نوين در كنترل ارتعاشات، بهره‌گيري از متامتريال‌هاي لرزه‌اي است كه مي‌توانند با ايجاد باندهاي توقف، از انتشار امواج سطحي در محدوده‌هاي فركانسي مشخص جلوگيري كنند. در همين راستا، پژوهش حاضر به معرفي و تحليل يك متامتريال لرزه‌اي يك‌بعدي جديد با هدف كاهش امواج سطحي در محيط‌هاي خاكي مي‌پردازد. سلول واحد اين متامتريال از تركيب بلوك نيوجرسي و ستون خاكي تشكيل شده و در دو حالت خاك تك‌لايه و چندلايه مورد بررسي قرار گرفته است. مزيت اصلي اين سلول واحد در سادگي هندسي، در دسترس بودن مصالح، قابليت اجراي عملي در مقياس واقعي و امكان استفاده در پروژه‌هاي عمراني موجود است. لازم به ذكر است كه در اين مطالعه تحليل‌ها با استفاده از روش اجزاي المان محدود و در قالب مدل دوبعدي با فرض كرنش مسطح در نرم‌افزار كامسول انجام گرفته است. در مسير پژوهش حاضر، ابتدا، اعتبار مدل‌سازي عددي از طريق بازسازي و تطبيق نتايج دو ساختار متامتريالي معتبر تأييد شده است. سپس به منظور استخراج منحني‌هاي پراكندگي سلول‌هاي واحد تحليل فركانس ويژه گشته و با جداسازي امواج سطحي از امواج حجمي با استفاده از تركيب روش مخروط صدا و روش‌هاي توزيع انرژي كرنشي و نسبت مشاركت معكوس، باندهاي توقف به دست آورده شده‌اند. پس از آن، با در نظر گرفتن تعداد محدود سلول واحد، تحليل حوزه فركانس و تحليل حوزه زمان براي اعتبارسنجي باندهاي توقف استخراج شده و بررسي عملكرد واقعي متامتريال در كاهش امواج سطحي انجام گرفته است. در پايان، مجموعه‌اي از مطالعات پارامتريك جهت ارزيابي اثر ويژگي‌هاي فيزيكي خاك و ابعاد هندسي نيوجرسي بر موقعيت و پهناي باندهاي توقف صورت پذيرفته است. ساختار پيشنهادي در مدل خاك تك‌لايه قادر به ايجاد دو باند توقف براي امواج سطحي در بازه‌هاي فركانسي 8.63 تا 11.26 هرتز و 12.72 تا 15.61 هرتز مي‌باشد. در مدل خاك لايه‌بندي‌شده نيز باندهاي توقفي در محدوده‌هاي 9.40 تا 12.58 هرتز و 14.06 تا 17.32 هرتز توليد مي‌شوند. همچنين، در تحليل حوزه فركانس، حداكثر مقدار كاهندگي دامنه ارتعاش قائم به حدود 21 دسي‌بل براي خاك تك‌لايه و حدود 17 دسي‌بل براي خاك چندلايه مي‌رسد. علاوه بر اين، در تحليل حوزه زمان مطابق با فركانس‌هاي مركزي باندهاي توقف، كاهش 70 درصدي جابه‌جايي قائم براي خاك تك‌لايه و 55 درصدي براي خاك چندلايه مشاهده مي‌شود. در مجموع، از نتايج حاصله مي‌توان گفت كه كه ساختار متامتريال پيشنهادي بر پايه‌ بلوك‌هاي نيوجرسي، مي‌تواند راهكاري مؤثر، اقتصادي و عملي براي كاهش امواج سطحي در محدوده فركانس‌هاي پايين (زير 30 هرتز) ارائه دهد و از قابليت بالايي براي استفاده در پروژه‌هاي عمراني واقعي برخوردار است.
  • تاريخ ورود اطلاعات
    1404/10/21
  • عنوان به انگليسي
    A Novel Seismic Metamaterial to Mitigate Surface Waves
  • تاريخ بهره برداري
    10/21/2026 12:00:00 AM
  • دانشجوي وارد كننده اطلاعات

    سيدهاشم مدحت صفوتي

  • چكيده به لاتين
    The propagation of surface waves caused by earthquakes an‎d human-induced vibrations, especially those generated by railway transportation, is one of the major challenges in geotechnical earthquake engineering. Owing to their large amplitudes an‎d low-frequency content, these waves play a significant role in energy transmission an‎d can cause substantial damage to structures an‎d infrastructure systems. Conventional vibration mitigation measures implemented along the wave propagation path such as rigid barriers an‎d trenches are often costly an‎d show limited effectiveness in attenuating low-frequency surface waves. Therefore, seismic metamaterials, which can generate ban‎d gaps to suppress surface wave propagation within specific frequency ranges, have gained significant attention as a modern vibration control strategy. Motivated by the growing interest in seismic metamaterials, the present study introduces a one-dimensional seismic metamaterial for mitigating surface waves in soil media. The unit cell of the presented metamaterial consists of a New Jersey block an‎d a soil column. To investigate the effect of soil layering, both single- an‎d layered soil media are considered. The main advantages of this unit cell are its simple geometry, the availability of materials, an‎d feasibility for real-scale civil engineering applications. Numerical analyses are performed using the finite element method within a two-dimensional plane strain model in COMSOL Multiphysics. In the course of this study, the numerical modeling approach is first validated by reproducing an‎d comparing the results of two well-established seismic metamaterial structures. Subsequently, eigenfrequency analysis is conducted to obtain the dispersion curves of the unit cells, an‎d surface-wave ban‎d gaps are identified using two surface-wave separation methods: (i) a combination of the sound cone an‎d energy-based method, an‎d (ii) a combination of the sound cone an‎d the inverse participation ratio (IPR) method. Then, both frequency-domain an‎d time-domain analyses are conducted for cases with an‎d without a finite number of unit cells, an‎d the results are compared to verify the existence of ban‎d gaps an‎d eva‎luate the practical performance of the proposed metamaterial in mitigating surface waves. Finally, a series of parametric studies are carried out to assess the influence of the soil properties an‎d the geometrical dimensions of the New Jersey block on the position an‎d width of the ban‎d gaps. Two ban‎d gaps are observed at 8.63-11.26 Hz an‎d 12.72-15.61 Hz for the unit cell consisting of a surface New Jersey block an‎d a single-layer soil column, an‎d at 9.40-12.58 Hz an‎d 14.06-17.32 Hz for the unit cell consisting of a surface New Jersey block an‎d a layered soil column. In the frequency-domain analysis, the maximum reduction of vertical vibration amplitude reaches approximately 21 dB for the single-layer soil an‎d 17 dB for the layered soil. Additionally, in the time-domain analysis, reductions of 70% an‎d 55% in vertical displacements are observed for the single-layer an‎d layered soil profiles, respectively. Based on the obtained results, the proposed New Jersey-based seismic metamaterial offers an effective, feasible solution to surface wave attenuation in the low-frequency range (below 30 Hz) an‎d demonstrates high potential for implementation in real-world civil engineering projects.
  • كليدواژه هاي فارسي
    فراماده‌ لرزه‌اي , امواج سطحي , دست‌كاري امواج , كاهش ارتعاشات
  • كليدواژه هاي لاتين
    Seismic metamaterial , Surface waves , Wave manipulation , Vibration mitigation
  • Author
    Seyed Hashem Medhat Sefvati
  • SuperVisor
    Javad Sadeghi