Огляд неоднорідних конструкцій та метаматеріалів для вібраційного і сейсмічного захисту будівель і споруд

Abstract

UK: У статті висвітлено актуальну проблему сейсмічного захисту будівель і споруд, з особливим акцентом на застосування періодичних матеріалів для створення інноваційних систем сейсмоізоляції та віброзахисту. Зазначено, що традиційні методи сейсмоізоляції, зокрема гумометалеві опори та інші пружні вставки, мають низку недоліків: значні відносні переміщення під час сильних поштовхів, обмежену довговічність, а також недостатню ефективність у вертикальному напрямку, що є критичним для об’єктів підвищеної відповідальності, включно з конструкціями атомних електростанцій. У статті досліджуються можливості використання періодичних матеріалів і конструкцій, здатних формувати заборонені зони для сейсмічних хвиль певних частот, що дає змогу послаблювати або блокувати їхнє поширення в ґрунтовому масиві та фундаментній частині споруди. Особливу увагу приділено розробці, оптимізації та експериментальній верифікації одновимірних, двовимірних і тривимірних періодичних фундаментів, а також оцінюванню їхньої роботи в умовах різних типів збуджень. Розглянуто результати випробувань на вібростендах і в польових умовах, які підтверджують ефективність таких систем у зниженні динамічних навантажень, амплітуд коливань і передавання енергії на надземні конструкції. Показано, що застосування періодичних фундаментів може забезпечити стабільні демпфувальні властивості без складних механічних пристроїв і суттєво зменшити ризик накопичення пошкоджень у несучих елементах. Мета статті полягає у всебічному аналізі теоретичних, чисельних та експериментальних досліджень у галузі періодичних матеріалів для розробки систем сейсмоізоляції, що не потребують постійного обслуговування, мають підвищену надійність і мінімізують відносні переміщення. Зокрема, дослідження зосереджене на перевірці теорії, уточненні основних параметрів проєктування таких систем та визначенні умов їхньої максимальної ефективності для реальних інженерних споруд. Висновок. Проаналізовано та підтверджено експериментально, що періодичні фундаменти є перспективним і ефективним способом зменшення пошкоджень конструкцій від сейсмічних збуджень. Результати досліджень можуть бути використані для розробки практичних рекомендацій, методик розрахунку та проєктних настанов щодо впровадження цієї інноваційної технології в цивільному й промисловому будівництві.

EN: The article addresses the pressing issue of seismic protection of buildings and structures, with a particular emphasis on the use of periodic materials for the development of innovative seismic isolation and vibration mitigation systems. It is noted that traditional seismic isolation methods, including rubber – metal bearings and other resilient inserts, have several drawbacks: large relative displacements during strong ground motions, limited durability, and insufficient effectiveness in the vertical direction, which is critical for high-responsibility facilities, including nuclear power plant structures. The article explores the potential of periodic materials and structural configurations capable of creating band gaps for seismic waves within specific frequency ranges, thereby enabling the attenuation or blocking of their propagation through the soil mass and the foundation system. Special attention is devoted to the design, optimization, and experimental verification of one-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional periodic foundations, as well as to assessing their performance under various excitation types. The results of vibration-table and field tests are presented, confirming the effectiveness of such systems in reducing dynamic loads, vibration amplitudes, and energy transmission to superstructures. It is shown that the use of periodic foundations can provide stable damping characteristics without complex mechanical devices and can significantly reduce the risk of cumulative damage in load-bearing elements. The purpose of the article is to provide a comprehensive analysis of theoretical, numerical, and experimental studies in the field of periodic materials aimed at developing seismic isolation systems that do not require continuous maintenance, offer enhanced reliability, and minimize relative displacements. In particular, the study focuses on validating the underlying theory, refining the key design parameters of such systems, and determining the conditions under which they achieve maximum effectiveness for real engineering structures. Conclusion. The analysis and experimental validation confirm that periodic foundations are a promising and efficient means of reducing structural damage caused by seismic excitations. The research findings can be used to develop practical recommendations, calculation methodologies, and design guidelines for implementing this innovative technology in civil and industrial construction.