Application of a Periodic Building System to Reduce Ground Vibration

Abstract

Recently, great efforts have been made, including experimental and numerical studies, which demonstrate that the presence of a building cluster significantly influences ground motion. Furthermore, building clusters are recognized as meta-materials that behave as vibration resonators above the ground. This study aims to propose a ground vibration reduction solution using a periodic building system subjected to seismic waves. First, the governing equation of a periodic building system is derived by applying Floquet-Bloch theory, and two methods are proposed to obtain dispersion curves and frequency band gaps (FBGs). Secondly, a two-dimensional (2D) model of the whole system is constructed to verify the ground vibration reduction with the FBGs obtained from the corresponding unit cell. Finally, several key parameters of the system, including building number, building heights (uniform, increasing, and decreasing building heights), clear spacing between buildings, and foundation width of buildings, are sequentially investigated. The study results suggest a prospective solution to reduce ground vibration due to seismic waves. |최근 의 실험 및 해석적 연구를 통하여 건물군(群)의 존재가 지반운동과 건물군의 동적 거동에 큰 영향을 준다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 건물군은 공진 현상을 이용하여 진동을 감소시킬 수 있는 메타 물질임이 밝혀졌다. 이 연구는 지반 진동의 표면파와 주기적인 건물 시스템의 상호작용을 이용하여 지반 진동을 저감할 수 있는 방안을 제안하고자 한다. 우선, Floquet-Bloch의 이론을 적용하여 건물군 단위 요소의 분산 곡선과 진동수 대역의 간극을 얻고, 전체 건물군의 2차원 모델로부터 얻어진 지반 진동 감소와 비교하여 단위 요소의 진동수 대역 간극을 검증한다. 건물 수, 건물 높이의 분포, 건물 사이의 간격, 건물 기초의 크기를 포함한 시스템의 주요 매개 변수를 변화시켜 가며 그 영향을 조사하고, 주기적 건물 시스템을 사용하여 지반 진동이 효과적으로 감소함을 확인할 수 있다.