Seismic metamaterials as barrier for ground-borne vibration attenuation

Ground-borne vibrations can have negative effects on human comfort inside buildings. They can also produce cosmetic or minor damage of buildings and may have considerable impact on historical monuments or buildings with special low-vibration level requirements. The search for more effective ground-borne vibration attenuation measures is still an on-going activity. Trenches and pile barriers have proven to give interesting results on seismic wave screening. In particular, piles can be constructed to greater depths and hence be more effective in shielding low-frequency surface waves. The recent introduction of the concept of ‘Seismic Metamaterials’ has allowed the conception of new ideas on seismic shielding and on wave analysis and control. In this thesis, a seismic wave barrier conformed by multiple rows of piles is considered as a ‘Seismic Metamaterial’ able to exhibit frequency bandgaps within which attenuation effects can be obtained. The wave barrier made by multiple rows of piles can be considered as a composite periodic domain. The study of wave propagation in such domains can be done relying on periodicity concepts developed in the field of solid state physics for infinitely periodic systems. Making use of these concepts, this work presents a numerical parametric study on frequency bandgap formation within the periodic pile barrier. Furthermore, the attenuation effectiveness for different pile arrangements is analysed through numerical transient analysis.

Le vibrazioni del suolo possono avere effetti negativi sulla vivibilità all’interno degli edifici. Possono anche produrre danni di tipo estetico o lievi danneggiamenti strutturali e avere un impatto considerevole su monumenti storici o edifici con particolari requisiti di livello di piccole vibrazioni. La ricerca di interventi per una migliore attenuazione delle vibrazioni del suolo è ancora in corso. Trincee e barriere di pali hanno dato risultati interessanti per quanto riguarda la schermatura delle onde. In particolare i pali possono essere costruiti raggiungendo maggiori profondità in modo da schermare con maggiore efficacia le onde superficiali a bassa frequenza. La recente introduzione del concetto di “Metamateriali sismici” ha permesso lo svilupparsi di nuove idea nel campo della schermatura, dell’analisi e del controllo delle onde. In questa tesi, una barriera antisismica costituita da più file di pali viene considerata come “Metamateriale sismico” capace, per certe bande di frequenza, di far ottenere alti livelli di attenuazione. La barriera antisismica formata da file multiple di pali può essere considerata come un dominio periodico composto. Lo studio della propagazione delle onde in domini di questo tipo può essere effettuato basandosi su concetti di periodicità sviluppati nel campo della fisica dei solidi per sistemi infinitamente periodici. Partendo da questi concetti, l’oggetto del lavoro è uno studio parametrico sulla formazione delle bande di frequenza nella barriera di pali. Infine, l’efficacia dell’attenuazione è studiata per diverse conformazioni dei pali della barriera tramite analisi numeriche in transitorio