Optimización topológica evolutiva multiobjetivo aplicada al diseño de metamateriales para el aislamiento sísmico de edificaciones

Abstract

Colombia enfrenta un escenario crítico de riesgo sísmico, con aproximadamente el 83% de su población ubicada en zonas clasificadas con amenaza sísmica media o alta. Esta situación se ve agravada por el alto porcentaje de edificaciones informales, lo que incrementa considerablemente la vulnerabilidad del entorno. En este contexto, los sistemas de protección sísmica son una herramienta fundamental para mitigar los daños estructurales y no estructurales durante eventos sísmicos. No obstante, investigaciones recientes han explorado enfoques innovadores que incorporan materiales avanzados y enfoques novedosos para mejorar su desempeño.

Entre estos enfoques emergen los metamateriales mecánicos, que, gracias a su topología, permiten alcanzar propiedades mecánicas extremas o poco comunes que no es posible lograr con materiales convencionales. Estas propiedades incluyen relaciones de Poisson negativas, relaciones elevadas entre el módulo volumétrico y el módulo de corte (K/G), y la capacidad de generar bandas de parada en frecuencias menores a 20Hz que bloquean la propagación de vibraciones sísmicas. La incorporación de metamateriales mecánicos en el diseño de sistemas de protección sísmica abre la posibilidad de desarrollar dispositivos de aislamiento altamente eficientes, capaces de redirigir, atenuar o bloquear ondas sísmicas.

Esta investigación aborda dos desafíos fundamentales en el área: 1) la generación y optimización de topología del metamaterial, y 2) su implementación en el desarrollo de sistemas de protección pasivos. Para el primer desafío, se propone una metodología que integra optimización topológica, homogenización numérica, haciendo un análisis lineal y no lineal geométrico mediante el método de elementos finitos, y una estrategia de diseño dirigida para la generación de celdas unitarias. En cuanto al segundo desafío, se explora la implementación de estos metamateriales en sistemas de aislamiento de base, proponiendo así una nueva vía para el desarrollo de sistemas de protección pasivos con capacidades mejoradas de mitigación sísmica.