Metamateriali auxetici attivi a topologia chirale: proprietà costitutive globali e controllo della propagazione di onde elastiche

Abstract

I materiali auxetici sono particolari materiali che si differenziano da quelli tradizionali in quanto possiedono la capacità di espandersi trasversalmente se estesi longitudinalmente e viceversa. Questa loro particolare caratteristica fa sì che presentino molteplici vantaggi funzionali in molti campi dell’ingegneria. In confronto ai materiali tradizionali, infatti, spesso risultano più leggeri, più resistenti agli urti e alla frattura, più duri a sollecitazioni puntuali d’indentazione e capaci di dissipare l’energia meccanica in maniera molto efficiente. Le branche ingegneristiche nelle quali, negli ultimi anni, questi materiali sono stati studiati spaziano dall’ambito medico all’ambito aeronautico. Negli ultimi anni è in continuo aumento il numero di studi effettuati sull’utilizzo di questi materiali in ambito sismico come dissipatori o smorzatori d’onda, che possono proteggere le costruzioni antropiche dagli effetti devastanti causati dai terremoti. I materiali auxetici si dividono principalmente in due grandi macrocategorie a seconda che siano di origine artificiale o di origine naturale; quelli artificiali, chiamati anche metamateriali, solitamente sono realizzabili tramite delle microstrutture che possono avere differenti organizzazioni spaziali che distinguiamo in periodiche e non periodiche All’interno di questo lavoro di tesi si è andato a studiare il comportamento di due tipologie di strutture periodiche chirali a blocchi. Le due tipologie considerate sono quella tetrachirale, formata da blocchi quadrati, e quella esachirale, composta da blocchi esagonali; in entrambe le geometrie, i blocchi sono collegati tra loro mediante un’interfaccia elastica lineare.

Auxetic materials are materials that differ from traditional ones because they can expand transversely if extended longitudinally. This feature means that they have multiple functional advantages in many engineering fields. Compared to traditional materials, they are often lighter, more resistant to impact and fracture, harder to punctual indentation stresses and able to dissipate mechanical energy very efficiently. The engineering fields where these materials have been studied range from the medical field to the aeronautical field. In recent years has continued to increase the number of studies on the use of these materials in the seismic field as heatsinks or wave dampers, which can protect buildings or infrastructure from the devastating effects caused by earthquakes. Auxetic materials are mainly divided into two large macro-categories: artificial or natural origin; artificial ones, also called metamaterials, are usually achievable through microstructures that can have different spatial organizations that we classify into periodic and non-periodic. Within this thesis, the behavior of two types of periodic chiral block structures was studied. The two typologies considered are the tetrachyral one, made up of square blocks, and the hexachiral one, made up of hexagonal blocks; in both geometries, the blocks are connected to each other through a linear elastic interface.