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Metamaterial-based Foundation System endowed with Non-Linear Oscillators

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Academic year: 2021

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(1)

Metamaterial-based Foundation

System endowed with Non-Linear

Oscillators

M

ORITZ

W

ENZEL

, R

OBERTO

A

NDREOTTI

, O

RESTE

S. B

URSI

DEPARTMENT OFCIVIL, ENVIRONMENT ANDMECHANICALENGINEERING, UNIVERSITY OFTRENTO, VIAMESIANO77, 38123, TRENTO, ITALY.

(2)

1

5

m

8 m

6 mm

Foundation

(3)
(4)
(5)
(6)

P-Δ Relationship

Mechanism in Motion

(7)

P-Δ Relationship

𝐹𝑟(𝑣) = 𝑣 −𝑃 + 𝑘𝑝 𝑙 − 𝑙 1 −𝑣2 𝑙2 𝑙 1 −𝑣2 𝑙2 𝐹𝑟 𝑣 = 𝑣 ∙ 𝑎𝑁𝑆𝐸 + 𝑣3∙ 𝑏𝑁𝑆𝐸 𝐹𝑟 𝑣 = 𝑣 ∙ 𝑎𝑁𝑆𝐸

(8)

P-Δ Relationship

𝐹

𝑇𝑅𝑈

(𝑣) =

𝑣 −𝑃 + 𝑘

𝑝

𝑙 − 𝑙 1 −

𝑣

2

𝑙

2

𝑙 1 −

𝑣

2

𝑙

2

𝐹

𝑃𝑂𝐿

(𝑣) = 𝑣 ∙ 𝑎

𝑁𝑆𝐸

+ 𝑣

3

∙ 𝑏

𝑁𝑆𝐸

𝐹

𝐿𝐼𝑁

(𝑣) = 𝑣 ∙ 𝑎

𝑁𝑆𝐸

𝑎

𝑁𝑆𝐸

= −

𝑃

𝑙

𝑏

𝑁𝑆𝐸

=

𝑘

𝑃

²

𝑙(2 ∙ 𝑘

𝑃

∙ 𝑙 − 𝑃)

True Relationship

Polynomial Approximation

Linearized Path

(9)

Band Gaps

𝑚1𝑚2𝜔4− 𝑚1+ 𝑚2 𝑘2+ 2𝑚2𝑘1 1 − cos 𝑞𝑅 𝜔2 + 2𝑘1𝑘2 1 − cos 𝑞𝑅 = 0 𝑚1𝑚2𝜔4− −𝑘𝑛𝑚1− 2𝑘1𝑚2− 𝑘𝑛𝑚2− 𝑘2 𝑚1+ 𝑚2 + 2𝑘1𝑚2cos 𝑞𝑅 𝜔2 + 4 𝑘2𝑘𝑛+ 𝑘1 𝑘2+ 𝑘𝑛 sin 𝑞𝑅 2 = 0

(10)

Band Gaps

𝐶𝑜𝑠 𝑞 = 2k1k2− k2m1𝜔 )

2− 2k

1m2𝜔2− k2m2𝜔2+ m1m2𝜔4+ 𝑎(2k1+ 2k2− (m1+ m2)𝜔2) + 3𝑏B1ഥB1(2k1+ 2k2− (m1+ m2)𝜔2

ഥ 2

Harmonic Balance Method – Poly. Non-Linearity

B1 =0.01

B1 =1

(11)

FRF Numerical

(12)

FRF Numerical

(13)

FRF Numerical

(14)

Time History Analysis

(15)

Time History Analysis

(16)
(17)

Acknowledgements:

XP-Resilience

Ref: 721816

https://r.unitn.it/en/dicam/xp-resilience

Conclusion

Metafoundation feasible

Negative Stiffness element

improves the performance

Economic design?

Details of the

(18)

FRF Numerical

(19)

Fourier Transformation of EOMs

Optimization

𝑴 (−𝜔

2

𝑿(𝜔)) +

C

(𝑖𝜔

X

(𝜔)) +

K

(

X

(𝜔))=

P

(𝜔)

(−𝑴𝜔

2

+ 𝑖𝜔

C

+

K

)

X

(𝜔) =

P

(𝜔)

𝑯(𝜔) = (−𝑴𝜔

2

+ 𝑖𝜔

C

+

K

)

−1

Transmission Matrix

𝑺

𝑸

(𝜔, 𝑘

2

, 𝑐

2

) = 𝑯(𝜔, 𝑘

2

, 𝑐

2

)

2

𝑺

ሷ𝒖𝒈

𝑯(𝜔, 𝑘

2

, 𝑐

2

) = (−𝑴𝜔

2

+ 𝑖𝜔

C

(𝑐

2

)+

K

(𝑘

2

))

−1

𝑯(𝜔) numerical Optimization

Power Spectral Density - Response

𝜎

𝑞𝑖2

𝑘

2

, 𝑐

2

= ׬

−∞+∞

𝑆

𝑄𝐼

𝜔, 𝑘

2

, 𝑐

2

𝑑𝜔

Variance of the Response

(20)

Optimization

Ground Motion Model

(21)
(22)

Motivation

Economic Loss

Human Lifes

(23)

Stability Issue

1

𝑘

1

+

1

𝑘

𝑛

+

1

𝑘

F

+

1

−𝑘

n

≥ 0

𝑘

𝑛

𝑘

𝐹

2

𝑘

𝐹2

4

+ 𝑘

1

𝑘

𝐹

𝑘

𝑛

= −

𝑃

𝑙

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