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