Двовимірні ґрунтові метаструктури та періодичні фундаменти для вібросейсмічного захисту: огляд.

Abstract

UK: У статті висвітлено актуальну інженерну проблему зменшення низькочастотних коливань у системі «ґрунт – фундамент – споруда», спричинених сейсмічними явищами та техногенними джерелами, такими як транспорт і промислове обладнання. Зазначено, що традиційні методи віброзахисту, включно із сейсмоізоляційними опорами та ґрунтовими екранами, мають суттєві обмеження: недостатню ефективність у низькочастотному діапазоні через великі довжини хвиль, відсутність можливості точного спектрального налаштування та складність поєднання з несучими елементами будівель. У роботі досліджуються можливості двовимірних (2D) ґрунтових метаструктур і періодичних фундаментів, здатних формувати керовані зони загасання та смуги непропускання для пружних хвиль. Детально проаналізовано ключові фізичні механізми: розсіювання хвиль на періодичних неоднорідностях за бреґґівським принципом, локальний резонанс субхвильових елементів, інерційне підсилення, а також ефекти перетворення поверхневих хвиль Релея в об’ємні моди. Систематизовано основні класи рішень, до яких належать ґрунтові метабар’єри, метаповерхні, періодичні пальові поля та метафундаменти. Розглянуто еволюцію методів моделювання від розрахунку дисперсійних діаграм для нескінченних середовищ до чисельного аналізу скінченних масивів із врахуванням дисипації енергії та динамічної взаємодії ґрунту і споруди. На основі огляду робіт 2020–2025 років показано, що для практичної реалізації критично важливим є розрізнення теоретичних заборонених зон та інженерних зон загасання, ефективність яких залежить від технологічних допусків і неоднорідності ґрунтового масиву. Метою статті є систематизація теоретичних та експериментальних даних для визначення меж застосування метаструктур і бар’єрів їх впровадження, а також обґрунтування переходу до методів проєктування, що враховують невизначеність, зокрема, на базі теорії нечітких множин. Висновок. Підтверджено, що 2D-метаструктури є перспективним напрямом розвитку систем вібросейсмічного захисту, що дозволяє створювати компактні та ефективні бар’єри для низькочастотних впливів. Результати огляду формують основу для розробки нових методик розрахунку, орієнтованих на створення надійних конструктивних систем, характеристики яких залишаються стабільними в умовах реальної мінливості властивостей ґрунту.

EN: The article addresses the pressing engineering issue of mitigating low-frequency vibrations in the soil – foundation – structure system caused by seismic events and man-made sources such as transportation and industrial machinery. It is noted that traditional vibration protection methods, including seismic isolation bearings and soil barriers, face significant limitations: insufficient effectiveness in the low-frequency range due to large wavelengths, lack of precise spectral tunability, and difficulties in integration with load-bearing building elements. The article explores the potential of two-dimensional (2D) soil metastructures and periodic foundations capable of creating controlled attenuation zones and stop bands for elastic waves. Key physical mechanisms are analyzed in detail: Bragg scattering on periodic inhomogeneities, local resonance of subwavelength elements, inertial amplification, and mode conversion effects of Rayleigh surface waves into bulk waves. The main classes of solutions are systematized, comprising soil metabarriers, metasurfaces, periodic pile fields, and metafoundations. The evolution of modeling methods is reviewed from dispersion diagram calculations for infinite media to numerical analysis of finite arrays considering energy dissipation and dynamic soil–structure interaction. Based on a review of studies from 2020–2025, it is shown that distinguishing between theoretical band gaps and engineering attenuation zones, whose effectiveness depends on construction tolerances and soil heterogeneity, is critical for practical implementation. The purpose of the article is to systematize theoretical and experimental findings to define the application limits and implementation barriers of metastructures, justifying the shift toward uncertainty-aware design methods, such as those based on fuzzy set theory. Conclusion. It is confirmed that 2D metastructures represent a promising direction in the development of vibro-seismic protection systems, enabling the creation of compact and effective barriers for low-frequency excitations. The review findings provide a basis for developing new calculation methodologies aimed at creating reliable structural systems capable of maintaining stable performance under the inherent variability of soil properties.