Innovative devices for seismic isolation of structures

Abstract

The topic of the current dissertation is the configuration of novel devices, which would efficiently contribute to the absorption of seismic and other shear waves in various infrastructure assets, such as wind turbines and bridges. These devices are based on pentamodes, a new class of metamaterials, known for featuring an almost zero shearmodulus. This property is based on their geometrical configuration, which gives rise to five zero-energy deformation modes and a single non-zero one. Using pentamode lattices, pentamode bearing are constructed, which act as seismic isolation devices. First, the modelling of pentamode lattices using beam finite elements is discussed. In order to do so, an equivalent diameter should be calculated which would provide the lattices with a shear and compressive stiffness equivalent to the ones obtained via 3D finite element analysis. In the current dissertation an elastoplastic material is used, in contrast to many existing studies in the literature, where an elastic one was assumed. The bearings’ efficiency and failure mechanisms are investigated. Moreover, the possible deviation from the reality caused by using an elastic material is illustrated. The pentamodes are characterized by an anisotropy, which is attributed to their lack of centrosymmetry. This property is further investigated, to highlight how the arbitrary direction of a seismic load may influence the bearing’s response. The case of bearings composed of layers of different orientation, in order to overcome the aforementioned anisotropy is examined. Finally, an alternative configuration is suggested, in which the pentamode lattices are placed in a polymer matrix. This would improve the response of the bearings, since it would enable the loads to be transferred within the layers and be carried by the strongest one according to the loading direction. Meanwhile, the device would maintain its low weight and its durability would be increased. The efficiency and the feasibility of the proposed seismic isolation devices are based on real life illustrating examples. Using models of wind turbines and bridges and inducing various seismic excitations the applicability of the pentamode bearings is highlighted. According to the results, the suggested configurations could constitute a realistic alternative to the conventional bearings.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διαμόρφωση καινοτόμων διατάξεων με στόχο την απορρόφηση σεισμικών και άλλων διατμητικών κυμάτων σε έργα υποδομών, όπως για παράδειγμα γέφυρες ή ανεμογεννήτριες. Οι διατάξεις αυτές βασίζονται στα pentamodes, μια νέα κατηγορία μεταϋλικών, η οποία χαρακτηρίζεται από σχεδόν μηδενικό μέτρο διάτμησης. Η ιδιότητα τους αυτή βασίζεται στη γεωμετρική τους δομή χάρη στην οποία χαρακτηρίζονται από πέντε ιδιομορφές μηδενικής ενέργειας και μόνο μια μη μηδενική. Χρησιμοποιώντας ράβδους pentamodes μπορούν να κατασκευαστούν εφέδρανα από pentamodes, τα οποία λειτουργούν ως διατάξεις για τη σεισμική μόνωση κατασκευών. Αρχικά, συζητάται η προσομοίωση ράβδων pentamodes χρησιμοποιώντας ραβδωτά πεπερασμένα στοιχεία. Για να επιτευχθεί αυτό πρέπει να υπολογιστεί μια ισοδύναμη διάμετρος, η οποία θα προσφέρει στα pentamodes οριζόντια και κατακόρυφη στιβαρότητα ίσες με αυτες που θα είχαν αν προσομοιώνονταν με τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία. Στην παρούσα διατριβή ένα ελαστοπλαστικό υλικό χρησιμοποιείται για τα pentamodes, σε αντίθεση με την υπάρχουσα βιβλιογραφία όπου συχνά χρησιμοποιούνταν ένα ελαστικό. Διερευνάται η αποδοτικότητα καθώς και οι μηχανισμοί αστοχίας των προτεινομένων εφεδράνων. Επιπλέον, σκιαγραφείται η πιθανή απόκλιση από την πραγματικότητα που οφείλεται στη χρήση ενός ελαστικού υλικού.Τα pentamodes χαρακτηρίζονται από ανισοτροπία, η οποία οφείλεται στην έλλειψη κεντρικής συμμετρίας. Λόγω αυτής της ιδιότητας τους πρέπει να διερευνηθεί η απόκριση τους σε σεισμική φόρτιση τυχαίας διεύθυνσης. Προκειμένου να υπερπηδηθεί το πρόβλημα της ανισοτροπίας, διερευνάται η περίπτωση εφεδράνων, τα οποία αποτελούνται από στρώσεις pentamodes με διαφορετική διεύθυνση. Επίσης προτείνεται μια παραλλαγή των εφεδράνων pentamodes, στην οποία τα pentamodes εγκιβωτίζονται σε μια μήτρα από πολυμερές. Στόχος είναι η βελτίωση της απόκρισης τους, καθώς υποτίθεται ότι τα φορτία θα μπορούν να μεταφερθούν μεταξύ των στρώσεων και να αναληφθούν από την ισχυρότερη στρώση ανάλογα με τη διεύθυνση της φόρτισης. Παράλληλα, η διάταξη μπορεί να διατηρεί το χαμηλό της βάρος και η ανθεκτικότητα της αυξάνεται. Η αποδοτικότητα και η δυνατότητα υλοποίησης των προτεινομένων διατάξεων σεισμικής μόνωσης αποδεικνύεται μέσω παραδειγμάτων πραγματικών φορτίσεων. Εξετάζοντας προσομοιώματα ανεμογεννητριών και γεφυρών σε πραγματικές σεισμικές φορτίσεις υπογραμμίζεται η δυνατότητα εφαρμογής των εφεδράνων από pentamodes. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι οι προτεινόμενες διατάξεις θα μπορούσαν να αποτελέσουν μια εφικτή εναλλακτική στα υπάρχοντα εφέδρανα.