The category of “extremal materials” has been introduced in the literature to define materials that simultaneously show very soft and very stiff deformation modes (unimode, bimode, trimode, quadramode and pentamode materials, depending on the number of soft modes). This definition applies to a special class of mechanical metamaterial – composite materials, structural foams, cellular materials, etc. – which feature special mechanical properties. Pentamode materials have been proposed for transformation acoustics and elasto-mechanical cloak, but their potential in different engineering fields is still only partially explored. We here present novel versions of pentamode materials: artificial structural crystals showing shear moduli markedly smaller than the bulk modulus. Novel pentamode lattices with tensegrity architecture are designed, through the insertion of actuated struts and/or prestressed cables within basic pentamode lattices. Such systems are proposed as tunable seismic base-isolation devices, profiting from their low and adjustable shear moduli, which can be easily adapted to the dynamic properties of the structure to be isolated.

La categoria dei “metamateriali estremi” è stata introdotta in letteratura per definire materiali che esibiscano, contemporaneamente, modi di deformazione molto “soffici” e modi “rigidi” (materiali unimode, bimode, trimode, quadramode e pentamode, a seconda del numero di modi soffici). Questa definizione può essere applicata a classi speciali di metamateriali meccanici, quali, ad esempio, materiali compositi, schiume strutturali, materiali cellulari, ecc., che siano dotati di proprietà meccaniche speciali, non rinvenibili nei materiali ordinari. Sistemi pentamode sono stati proposti per realizzare l’isolamento dalle onde meccaniche dei corpi (“elasto-mechanical cloak”), mediante avvolgimento del corpo da isolare con membrane elastiche a struttura reticolare pentamode. Tuttavia, il potenziale ingegneristico di tali materiali è stato sinora solo parzialmente esplorato. Il presente lavoro presenta nuove versioni di materiali pentamode, ossia cristalli strutturali artificiali che esibiscano moduli di elasticità tangenziale marcatamente più bassi dei moduli di comprimibilità uniassiale e volumetrica. Architetture tensegrity sono impiegate per controllare i modi soffici e le proprietà meccaniche dei reticoli pentamode, attraverso l'inserimento di attuatori e cavi precompressi all'interno delle celle unitarie. Tali strutture sono proposte come dispositivi di isolamento sismico di tipo innovativo, che presentino proprietà di isolamento regolabili in base alle proprietà dinamiche struttura da isolare.

Seismic application of pentamode lattices

AMENDOLA, ADA;FRATERNALI, Fernando
2015-01-01

Abstract

La categoria dei “metamateriali estremi” è stata introdotta in letteratura per definire materiali che esibiscano, contemporaneamente, modi di deformazione molto “soffici” e modi “rigidi” (materiali unimode, bimode, trimode, quadramode e pentamode, a seconda del numero di modi soffici). Questa definizione può essere applicata a classi speciali di metamateriali meccanici, quali, ad esempio, materiali compositi, schiume strutturali, materiali cellulari, ecc., che siano dotati di proprietà meccaniche speciali, non rinvenibili nei materiali ordinari. Sistemi pentamode sono stati proposti per realizzare l’isolamento dalle onde meccaniche dei corpi (“elasto-mechanical cloak”), mediante avvolgimento del corpo da isolare con membrane elastiche a struttura reticolare pentamode. Tuttavia, il potenziale ingegneristico di tali materiali è stato sinora solo parzialmente esplorato. Il presente lavoro presenta nuove versioni di materiali pentamode, ossia cristalli strutturali artificiali che esibiscano moduli di elasticità tangenziale marcatamente più bassi dei moduli di comprimibilità uniassiale e volumetrica. Architetture tensegrity sono impiegate per controllare i modi soffici e le proprietà meccaniche dei reticoli pentamode, attraverso l'inserimento di attuatori e cavi precompressi all'interno delle celle unitarie. Tali strutture sono proposte come dispositivi di isolamento sismico di tipo innovativo, che presentino proprietà di isolamento regolabili in base alle proprietà dinamiche struttura da isolare.
The category of “extremal materials” has been introduced in the literature to define materials that simultaneously show very soft and very stiff deformation modes (unimode, bimode, trimode, quadramode and pentamode materials, depending on the number of soft modes). This definition applies to a special class of mechanical metamaterial – composite materials, structural foams, cellular materials, etc. – which feature special mechanical properties. Pentamode materials have been proposed for transformation acoustics and elasto-mechanical cloak, but their potential in different engineering fields is still only partially explored. We here present novel versions of pentamode materials: artificial structural crystals showing shear moduli markedly smaller than the bulk modulus. Novel pentamode lattices with tensegrity architecture are designed, through the insertion of actuated struts and/or prestressed cables within basic pentamode lattices. Such systems are proposed as tunable seismic base-isolation devices, profiting from their low and adjustable shear moduli, which can be easily adapted to the dynamic properties of the structure to be isolated.
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