EARTHQUAKES STUDIES in
CLASSROOM
SEISMO-BOX: DO IT YOURSELF Franois Tilquin1 and Francesca Cifelli2 1Lyce
marie Curie, Echirolles, France 2Universit
degli Studi Roma TRE, Italy
El Committee on Education (CoE) de la
European Geosciences Union (EGU) promueve la planificacin y coordinacin de
las actividades de formacin de los proferores, incluyendo en su programa
general el workshop GIFT (Geosciences Information for Teachers), destinado a
los profesores de Ciencias y articulado en seminarios y actividades de
laboratorio (http://www.egu.eu/outreach/gift/). Entre las actividades de laboratorio
propuestas, el Kit de Educacin The Seismo-box: do it yourself es, sin
duda, la que ha tenido un mayor xito entre los profesores de Ciencias. El creador de esta curiosa 'caja ssmica' es un profesor francs,
Francois Tilquin, profesor de Ciencias ahora retirado, que fue recientemente
nombrado 'embajador de Educacin' de la European Geosciences Union (EGU).
Este kit tambin se utiliza en las escuelas italianas a travs del proyecto
LS-OSA en el que participan el Ministerio de Educacin (MIUR) y la
Universidad de Roma Tre (coordinado por Francesca Cifelli). El proyecto
LS-OSA est dedicado a promover la ciencia en la escuela, y tiene como
objetivo principal el desarrollo de laboratorios experimentales y actividades
prcticas en las escuelas como una herramienta para desarrollar las
habilidades de los estudiantes. El kit SEISMO-BOX: DO IT YOURSELF
contiene una serie de equipos y elementos para ser montado con el fin de
obtener el aparato para la realizacin de los experimentos. Para instalar el
software SISMO-LOGIC se puede utilizar el link http://sismobox.com . La primera vez que se
instala el software, ste se instala automticamente en una carpeta nueva
llamada Tilquin (c: / Tilquin). Una vez que todo est instalado, se podr
cambiar el nombre de esta carpeta. GUA PRCTICA PARA HACER EXPERIMENTOS Los experimentos que se proponen en el
Kit de Educacin 'Seismo-box: do it yourself' son de dos tipos. Una primera
serie de experimentos se dedica a la comprensin fsica del terremoto o
sismo. Las
experiencias propuestas en relacin a esta primera serie de experimentos son,
por ejemplo: el origen de los terremotos (como el registro de las ondas
ssmicas producidas por la rotura de una roca), la construccin de un
sismmetro, la medida de las ondas ssmicas, el fenmeno stick-slip (la
energa acumulada durante el movimiento ssmico y el tiempo de ocurrencia de
un terremoto). El segundo grupo de experimentos se dedica a los efectos de un
terremoto en funcin del tipo de construcciones o edificios y el terreno
sobre el que stos se asientan. En particular, se ilustra la resonancia en
edificios de diferentes alturas, ya que el efecto del terremoto vara
dependiendo del tipo de edificio, el fenmeno de la licuefaccin de suelos,
la respuesta ssmica local en funcin del tipo de suelo de fundacin (efecto
de sitio). Cada experimento se acompaa de
informacin sobre el material requerido y el procedimiento a seguir, y una
parte que explica el fenmeno fsico que se quiere observar. Para aquellos
que deseen explorar el potencial del kit puede consultar la siguiente pgina
web http://sismobox.com o contactar
con Francois Tilquin (francois.tilquin.38@gmail.com) y Francesca Cifelli (francesca.cifelli@uniroma3.it). 1. FAMILIARZAMOS CON LOS TERREMOTOS! 1A. Construimos un sismmetro Principios bsicos El terremoto o sismo es un temblor de la
superficie libre de la Tierra generado por una discontinuidad del campo
elstico localizada en un volumen de la corteza terrestre en un momento dado.
Dicha discontinuidad se asocia con la formacin de una nueva superficie denominada
"fractura"; la energa liberada por estas fracturas durante un
sismo se propaga por la superficie de la Tierra en forma de ondas elsticas y
movimiento. Las herramientas que registran este movimiento son los
sismmetros. Un sismmetro es un aparato electro-mecnico adaptado para medir
en el dominio de tiempo el desplazamiento, la velocidad o la aceleracin de
un punto de la Tierra. El sistema consta de un sistema de resorte-masa
magntica, oscilando en una bobina que consta de un nmero n de vueltas. Si el movimiento del terreno en el que
se apoya el sismmetro es lo suficientemente rpido, la masa permanecer
estacionaria, proporcionando un punto de referencia fijo en el espacio con
relacin al que se pueden medir los desplazamientos generados por el
movimiento de la Tierra. El movimiento de la masa magntica (movimiento
relativo) en la bobina genera una corriente en sus espiras (corriente
inducida); esta corriente se puede detectar en los extremos de la bobina. Este fenmeno se conoce como induccin
electromagntica. Los sismmetros son de dos tipos, dependiendo del
movimiento relativo de la masa magntica: si el movimiento es vertical el
sismmetro se define como vertical y la seal proporcionada describe la
dinmica de la componente vertical del movimiento del suelo. Si el movimiento
de la masa es horizontal, el sismmetro es horizontal y la seal
proporcionada describe la dinmica de la componente horizontal del movimiento
del suelo. El curso temporal del movimiento del suelo describe el sismograma. Objetivo de la experiencia Entender un sismmetro y cmo registra las ondas ssmicas. Qu es lo que tomamos de la caja? El kit contiene todas las piezas necesarias para la construccin de un
sismmetro. Para realizar el experimento se utiliza (los nmeros se refieren
a la Fig. 1): 1-2) soportes del sismmetro que deben ser fijados con los tornillos
suministrados; 3) apoyo para la fijacin de la bobina; 4) recipiente para el agua que sirve como un sistema de amortiguamiento
del movimiento (en el kit es el frasco que contiene los componentes del
sismmetro); 5) tubo de plstico perforado que se fija en el soporte 1; 6) tarjeta de sonido externa (no es necesario si est utilizando una
computadora de escritorio y no un ordenador porttil) 7) vara de madera que se fija en el tubo de plstico; 8) Masa que se une con el imn 9) cintas elsticas 10) imanes 11) bobina; 12) tornillo para ser aplicado a los imanes; 13) arandela de plstico que debe aplicarse a 12); 14) cinta elstica que sujetar el sistema de masa magntica-resorte
Fig. 1 Componentes usados en el
experimento. Experimento Se prepara el equipo como se muestra en la Fig. 2. Durante la preparacin
recuerde: - asegurar el apoyo del sismmetro sobre
la mesa con cinta adhesiva para sujetarlo. - Centrar los imanes con respecto a la
bobina de tal manera que stos queden en medio de la bobina. Para hacerlo,
enrollar o desenrollar la cinta elstica (14) alrededor de la vara de madera
(Fig. 2e.) con el fin de obtener la altura correcta - centrar el imn con respecto al dimetro
interior de la bobina, de modo que se puede mover verticalmente sin
obstculos; - Conectar la bobina a la tarjeta de
sonido externa (la primera vez que utilice la tarjeta de sonido externa tiene
que instalarla previamente en su ordenador) y la tarjeta al ordenador (Fig.
2i.); - Abrir en el men emergente de
SISMO-LOGIC Audacity for speed wave (Fig. 3). El experimento consiste en iniciar la grabacin (figura 4) golpeando la
mesa con el puo (Fig. 5) y observar la pista de grabacin que se produce
(Fig. 10). Cuando se golpea la mesa (simulando un terremoto), el sistema masa-imn
permanece inmvil (por el principio de inercia), mientras que la carcasa del
sismmetro se mueve junto con el suelo que se ha movido (Fig. 5). Esta
variacin del movimiento relativo entre el imn y la bobina genera una
corriente registrada por el ordenador. Trate de realizar el experimento con y
sin agua en el recipiente en la base del sismmetro y describa lo que sucede.
Para ver el video copiar y pegar el siguiente link https://dl.dropboxusercontent.com/u/4712533/GUIDA
SISMOBOX/SISMOMETRO.mp4 en su navegador.
Fig. 2. Preparacin del sismmetro.
Fig. 3 Audacity for speed wave.
Fig. 4 Cmo utilizar el software. 1) Si
usted tiene ordenador porttil, el micrfono interno tiene que ser excluidos.
Para asegurarse de que el sistema funciona, al mover el imn dentro de la
bobina tiene que producirse la seal.
Fig. 5 Cuando golpee la mesa (simulando un terremoto), el sistema masa-imn permanece inmvil (por el principio de inercia), mientras que la carcasa del sismmetro se mueve junto con el suelo que se ha movido.
Fig. 6 Grabacin del movimiento de tierra
(sismogramas). El agua acta como un "sistema de amortiguamiento'
reduciendo la amplitud de las seales. Para ampliar los sismogramas debe
hacer clic situando el cursor sobre lo que desee ampliar y utilizar los smbolos
de la lente en la parte superior derecha de la pantalla del programa. 1B. Cmo se originan los terremotos? Principios bsicos Como se observa en el experimento anterior, el terremoto es una vibracin
ms o menos fuerte de la tierra causado por una liberacin rpida de la
energa mecnica en profundidad. El terremoto se genera cuando las rocas que
son sometidas a un esfuerzo (ligado al movimiento de las placas litosfricas)
se rompen repentinamente. Esta ruptura ocurre a lo largo de un plano (llamado
plano de falla), nuevo o existente (que est temporalmente 'bloqueado' por
las fuerzas de friccin). La ruptura genera vibraciones (ondas ssmicas) que
se propagan desde el punto de origen del sismo (hipocentro) y que se atenan
con la distancia. Objetivo de la experiencia La comprensin de cmo se origina un terremoto, registrarla en dos
estaciones a diferente distancia del epicentro a fin de comprender cmo se
propagan las ondas ssmicas en los medios. Qu es lo que tomamos de la caja? Materiales requeridos (Fig. 7): - bloque de Syporex - papel de lija - un trozo de lmina de lasaa rgido - sensor piezoelctrico - tarjeta de sonido externa
Fig. 7 Material necesario para el
experimento sobre terremotos. Experimento Se utiliza el mismo programa usado para la construccin del sismmetro.
Abra en el men desplegable SISMO-LOGIC Audacity for speed wave
(Fig. 3), pero seleccionar la configuracin 2 (stereo) canales de ingreso
(Fig.4). Iniciar la grabacin con el botn rojo, y aplicar una fuerte presin en
la lmina de lasaa de modo que se rompa (Fig. 8). Esta experiencia simula la
formacin de una nueva superficie de fractura (falla). Los dos sensores
piezoelctricos tienen la funcin de transformar la energa mecnica debido a
la vibracin de la mesa (tierra) en energa elctrica. La seal as detectada
se transmite al ordenador y se muestra como un sismograma. Obtenemos dos
sismogramas, uno para cada sensor piezoelctrico (Fig. 9). Si se mide la distancia entre los dos sensores piezoelctricos Ds y la diferencia de tiempo entre la
llegada de la seal detectada por cada uno de los dos sensores Dt, es posible evaluar la velocidad v de
propagacin de las ondas elsticas en el medio del estudio: v = Ds/ Dt (en el experimento de la foto, la mesa de
trabajo).
Fig. 8 Configuracin y ejecucin del
experimento. Para
ver el video copiar y pegar el siguiente link https://dl.dropboxusercontent.com/u/4712533/GUIDA
SISMOBOX/ORIGINE DEI TERREMOTI.mp4 en su navegador. Notas Para calcular la velocidad de propagacin de las
ondas en el medio, se debe conocer el tiempo entre la llegada de las ondas en
los dos sismogramas. Seleccione en el monitor (Fig. 9) el intervalo de tiempo
entre los dos sensores piezoelctricos (clicando en la primera llegada de la
primera onda del sismograma y arrastrando el cursor a la primera llegada de
la segunda onda del sismograma). A continuacin, se lee en la parte inferior
izquierda de la pantalla el nmero de diferencia y se multiplica x 1/22050
(velocidad de adquisicin establecida para el proyecto). El resultado es el
valor del tiempo en segundos. Puesto que la velocidad de las ondas ssmicas
vara en funcin del medio, se puede repetir el experimento usando diferentes
superficies de apoyo (mesa de madera, poliestireno, hormign, etc.) para
apreciar cmo la velocidad vara en funcin del medio.
Fig. 9 a) Sismogramas producidos por la
ruptura de una lmina de lasaa. Los dos sensores piezoelctricos registran
la llegada de las ondas. Se puede medir la diferencia de tiempo entre las dos
llegadas de las ondas desde los sensores piezoelctricos (el superior ms
cerca del hipocentro). b) Si se conoce la diferencia t y la distancia entre
los dos sensores piezoelctricos es posible calcular la velocidad de
propagacin de las ondas en el medio. 1C. La dinmica "stick-slip" en el proceso sismognico: 'se
pueden predecir los terremotos? Principios bsicos La friccin es un "ingrediente" esencial de nuestra vida
diaria. Si nicamente nos centramos en la friccin de contacto, su funcin es
obvia cuando queremos empujar o arrastrar un objeto pesado. Es bien sabido que es mucho ms difcil mover un objeto a partir de su
posicin de reposo (cuando acta la fuerza de friccin esttica) que
mantenerlo en movimiento una vez que el movimiento ha comenzado (cuando acta
la fuerza de friccin dinmica). La alternancia de etapas de friccin estticas y dinmicas caracteriza a
una gran cantidad de fenmenos naturales, en los que la interaccin de
contacto entre dos materiales es mediada por las propiedades elsticas del
sistema. En estos fenmenos, durante el dominio de la friccin esttica se acumula
energa potencial elstica que es seguido por una fase en la que la energa
almacenada se transforma en energa cintica, hasta que el sistema vuelve a
la fase de reposo y comienza un nuevo ciclo. Esta peculiar dinmica, que se
llama stick-slip (es decir, traccin-antideslizante), tambin caracteriza a
las fallas ssmicas, fracturas en la roca que muestran evidencias de un
rpido movimiento relativo que resulta en la liberacin de energa. A lo largo de una falla sismognica, solo cuando la acumulacin de
energa elstica producida por esfuerzos tectnicos es suficientemente grande
para superar las fuerzas de friccin esttica, las masas de roca en contacto
a lo largo de la falla se movilizan y se produce liberacin de energa
cintica y trmica. La energa
total liberada, E, es dada por la relacin E=sAd donde s es la tensin media
liberada durante el movimiento de la falla, A es el rea de la falla y d es el desplazamiento producido a
lo largo de la falla. El ejemplo ms claro para representar la dinmica de stick-slip se conoce
como spring block y se propone en esta experiencia donde se
realizarn las especulaciones especficas sobre la dinmica del terremoto. Objetivo de la experiencia -
ilustrar los principios
fundamentales de la dinmica stick-slip -
verificar experimentalmente
si hay una proporcionalidad entre la energa almacenada por el resorte
(elstico) durante su alargamiento y la energa liberada desde el bloque
durante el paso de deslizamiento que simula el terremoto; - comprobar la proporcionalidad entre el tiempo interssmico y la energa
liberada por el terremoto e identificar si la secuencia de eventos se
caracteriza por la periodicidad. Basado en los resultados obtenidos, ser posible verificar si es posible
predecir terremotos. Qu es lo que tomamos de la caja? De la caja es necesario tomar (Fig. 10): - Taladro inalmbrico y su soporte - papel de lija - bloque de syporex; - sensor piezoelctrico - tarjeta de sonido externa - clavo (8 cm); - hilo y elstico. El elstico es el equivalente
al resorte elstico.
Fig. 10 Configuracin del experimento
stick-slip.
Experimento La experiencia consiste en la grabacin de datos
en relacin con la energa acumulada en el elstico (resorte) y la energa
liberada por el sismo. Antes de iniciar el experimento verificar que: - el sensor piezoelctrico se fija en el
bloque con un peso para fijar el sensor (en el video el operador pone dos)
(Para ver el video copiar y pegar el siguiente link https://dl.dropboxusercontent.com/u/4712533/GUIDA
SISMOBOX/STICK-SLIP.mp4 en su navegador) -
el ordenador porttil se ha
desconectado de la corriente elctrica (ya que vas de corrientes parsitas
pueden interferir con el registro). -
En el men desplegable
Sismo Logic hace clic Audacity for stick-slip (1ch, 16bits; 1000Hz) Local
(Fig. 11)
Fig. 11 Audacity for stick-slip (1ch, 16bits; 1000Hz)
Local
Se pone en marcha el taladro atornillador inalmbrico de tal manera que
el sistema hilo-elstico (en lnea con el bloque) comienza a expandirse.
Superado un umbral de friccin esttica, el bloque se mover de un tirn
(friccin dinmica) y luego volver al estado de reposo. Si se contina
estirando el sistema hilo-elstico comenzar un nuevo ciclo. El resultado
final de la adquisicin stick-slip se muestra en la Fig. 12.
Fig. 12 Resultado final de la
adquisicin. Cuando el bloque se mueve, el sensor piezoelctrico detecta la
aceleracin vertical. Al final del registro, exportar el archivo a travs de Archivo / Exportar
(Fig. 13). Despus de haber dado el nombre al archivo .wav (el programa le
pide que verifique alguna informacin antes de la exportacin, ver detalle en
la Fig. 14) el programa SISMO-LOGIC lee automticamente el archivo (Fig. 15).
Fig. 13 Exportacin de archivos.
Fig. 14 El programa pide que verifique
que las lneas rojas (indicando el inicio de cada deslizamiento) estn
configuradas correctamente (el programa las genera automticamente). Despus
de la verificacin haga clic en Aceptar (OK).
Fig. 15 El programa SISMO-LOGIC lee automticamente el
archivo y se puede razonar acerca de los resultados
El grfico permite
visualizar la tendencia de la curva azul (Block energy). Esta curva describe
las fases de almacenamiento de energa (fase stick) y las fases de liberacin
rpida (fase de slip, el terremoto). La energa liberada durante cada uno de
los eventos se calcula como cuadrado del desplazamiento registrada durante
los eventos de deslizamiento (proporcional a la energa cintica _ m v2).
Es posible observar cmo la curva azul est muy lejos de la curva roja de
equilibrio (energa terica). Si hace clic con el
botn derecho se muestra un nuevo men (Fig. 16). Si seleccionamos See the correlations.
Fig. 16 El
comando para visualizar las correlaciones entre los parmetros.
Fig. 17
Correlaciones entre los parmetros. Como se puede ver, la correlacin entre
el retraso temporal entre dos desplazamientos y la energa acumulada entre dos desplazamiento es mnima (Fig. 17). Esto significa que no
existe una correlacin entre la intensidad de deslizamiento y el tiempo
transcurrido entre dos desplazamientos sucesivos. A veces puede ocurrir que el retraso entre dos terremotos es
grande, pero el terremoto es de baja energa. O bien, puede suceder a la
inversa, es decir, an cuando el retardo entre los dos eventos es pequeo, el
terremoto sea de gran magnitud. Esto significa que no se puede predecir
cundo ocurrir un terremoto ni se puede predecir la cantidad de energa que
se liberar! Los expertos del software Excel pueden
visualizar los resultados con este programa (Fig. 18).
Fig. 18 Existe la posibilidad de
visualizar los resultados con Excel. Notas Los parmetros libres del experimento se pueden variar fcilmente
mediante la adicin de pesos en el bloque Syporex para cambiar su masa,
mediante el uso de diferentes resortes en lugar del elstico, cubriendo la
superficie de contacto del bloque con un material diferente para cambiar los
valores de los coeficientes de friccin, cambiando la velocidad del
atornillado de perforacin, etc. Una actividad adicional a esta experiencia, para llamar la atencin a los
alumnos, es utilizar el otro sensor piezoelctrico y pedir a un estudiante
que durante el experimento golpee sobre la mesa cuando piensa que el bloque
se va a mover. Lo ms probable es que no exista correspondencia entre el
bloque deslizante y el golpe del estudiante! (Fig. 19).
Fig. 19 Intentar predecir un terremoto
con la mano! Recuerde cambiar la grabacin de un canal (MONO) a dos canales
(STEREO). 2. EFECTOS DEL TERREMOTO EN EDIFICIOS Principios bsicos La respuesta dinmica de un edificio
cuando se tensiona por el movimiento de tierra (suelo) generado por un
terremoto es uno de los factores ms importantes que controlan el dao que
sufren los edificios durante un terremoto. Cuando se genera un terremoto, el
movimiento a lo largo del plano de falla libera gran cantidad de energa que
viaja a travs de la tierra en forma de ondas ssmicas (Fig. 20). Estas ondas
pueden viajar largas distancias antes de disipar toda su energa. Cuando las
ondas llegan a la superficie de la tierra, producen una sacudida de tierra.
Si se produce el temblor en las zonas urbanizadas (y si la agitacin es lo
suficientemente fuerte), ste se trasladar a los edificios, a partir de sus
bases y propagar de manera compleja y producir, en condiciones particulares,
daos a los mismos.
Fig. 20. Un ejemplo de cmo se genera un
terremoto. Durante un terremoto, los movimientos de
tierra en la parte inferior de un edificio son complejos. Esta complejidad se
debe principalmente al hecho de que las ondas (que ya no se originan en el
plano de falla), antes de llegar desde el hipocentro al edificio a travs de
las rocas y suelos adquieren diferentes caractersticas. Por otra parte, una
vez que las ondas llegan a la construccin, se someten a modificaciones
adicionales en relacin con las caractersticas de los terrenos de
cimentacin bajo el edificio. Las caractersticas del temblor de
tierra que tienen mayor relevancia para los edificios son la duracin,
amplitud (desplazamiento, velocidad y aceleracin), la direccin de la
vibracin y la frecuencia de los temblores. En particular, la
frecuencia se define como el nmero de ciclos completos de vibracin
realizados por la onda en un segundo y una longitud de onda completa (Fig.
21). La frecuencia se mide en Hertz (Hz); si dos ondas pasan completas en un
segundo, la frecuencia es de 2 Hz.
Fig. 21. Forma simplificada de una onda
ssmica. La respuesta de los edificios a un
temblor de tierra es tan compleja como el temblor en s. El edificio empieza
a vibrar, con una distribucin de sus frecuencias. Sin embargo, las
vibraciones del edificio tienden a distribuirse alrededor de una frecuencia
especfica, conocida como la frecuencia natural o la frecuencia fundamental. En general, cuanto ms bajo sea el
edificio, ms alta es su frecuencia natural, y cuanto ms alto es un
edificio, menor es su frecuencia natural. A menudo se habla tambin del
perodo natural del edificio, que es la inversa de la frecuencia. La
frecuencia es el nmero de veces por segundo que un edificio vibra hacia
atrs y adelante, el perodo es el tiempo necesario para que el edificio haga
una vibracin completa. Cuando se habla de perodo, por lo
tanto, cuanto mayor sea un edificio, mayor es su perodo y vice versa. Hay
una regla que estima el perodo de oscilacin de los edificios (T) en
relacin con el nmero de pisos (n) del edificio: T = 0.1 n Esto implica que cuantos ms pisos tiene
un edificio, ms largo es su periodo de oscilacin. Por ejemplo, un edificio
de 10 pisos tendr un perodo de oscilacin de 1 segundo mientras que un
edificio de 5 pisos tendr su propio perodo de oscilacin de 0,5 segundos. (Para ms informacin sobre los efectos de los
terremotos en edificios, se pueden consultar los sitios: http://mceer.buffalo.edu/infoservice/Education/educationOutreach.asp; http://www.iris.edu/hq). 2A. La resonancia de edificios Principios bsicos Cada edificio, en funcin de su estructura, se caracteriza por una frecuencia
de oscilacin especfica f (o de un perodo de oscilacin T) que depende de
su forma y sus dimensiones, especialmente su altura L. Cuando la distribucin
de frecuencias (o perodos) de la onda que genera el temblor coincide con la
frecuencia (perodo) natural del edificio, se produce el fenmeno de la
resonancia y el edificio comienzan a oscilar, pudiendo provocar graves
consecuencias para su estabilidad. Un ejemplo claro de esto ocurri en la Ciudad de Mxico durante el
terremoto del 19 de septiembre de 1985. A pesar de que el epicentro del
terremoto estaba a cientos de kilmetros de la ciudad, sta sufri un dao
masivo. En particular, la mayor parte de los edificios que se derrumbaron
durante el terremoto fueron los edificios con varios pisos, entre 5 y
15 pisos. Edificios ms altos (o inferiores) y con diferentes caractersticas
de frecuencia no fueron destruidos, aunque stos estuvieran situados cerca de
los edificios destruidos. Los edificios colapsaron debido a que entraron en
resonancia con la distribucin de sus frecuencias de terremotos (que a esa
distancia del hipocentro se centr en las frecuencias bajas) y es por eso que
fueron destruidos. Para explicar la resonancia, cuando hay un terremoto, la onda de
superficie se propaga siguiendo un patrn sinusoidal. En el momento en que la
onda pasa a travs del edificio, siendo esto anclado al suelo a travs de sus
bases y siendo de dimensiones finitas, no permite que la onda se propague,
causando un incremento de la amplitud y una oscilacin en el edificio (Fig.
22).
Fig. 22. Ondas estacionarias y resonancia
Se genera una onda estacionaria (standing wave), una onda que no se
propaga en el espacio, pero permanece localizada, en nuestro caso en el
edificio. En particular, observe los puntos que no fluctan en funcin del
tiempo, los nodos, y desde puntos en los que la oscilacin es siempre mxima,
los antinodos (o vientres) (Fig. 22). La frecuencia de resonancia, y por lo tanto la manera en que un edificio
puede oscilar, depende de su altura L. En particular, el fenmeno de
oscilacin se produce cuando la longitud de onda de la perturbacin se
aproxima a la longitud del edificio. Dada la relacin inversa entre la
longitud de onda y la frecuencia se puede deducir que: altas frecuencias, y por lo tanto bajas longitudes de onda, son
potencialmente dainas para edificios de baja altura; Las bajas frecuencias, y por lo tanto grandes longitudes de onda, son
potencialmente perjudiciales para los edificios ms altos. Objetivo de la experiencia Mostrar el fenmeno de resonancia de los edificios mediante la relacin
de la variacin de la frecuencia con la diferente respuesta ssmica de
edificios de diferentes alturas. Qu es lo que tomamos de la caja? De el Kit es necesario tomar (Fig. 23): 1) Taladro inalmbrico 2) Soporte para el taladro 3) pequea varilla para la transmisin 4) Excntrico 5) mesa de vibracin con varillas de madera
(x 2) 6) base de poliestireno para el
establecimiento de los edificios 7) 3 edificios de diferentes alturas 8) piezas de caucho necesarios para
bloquear el movimiento excntrico (amplitud de la sacudida).
Fig. 23. Materiales necesarios para el
experimento de la resonancia de edificios. Experimento Antes de comenzar el experimento, debe asegurarse de que los diferentes
componentes del kit estn dispuestos adecuadamente (Fig. 24). En particular: - el soporte del taladro debe ser fijado a
la mesa con cinta adhesiva; - asegurarse de que la varilla de
transmisin est firmemente unida a la excntrica de tal manera que no cambie
la amplitud de la sacudida (esto se hace con las piezas de caucho); la
amplitud de la sacudida se puede cambiar moviendo la transmisin a lo largo
de la excntrica (ms cerca o ms lejos de el taladro); - la batera del taladro no est
completamente insertada en el taladro de tal manera que puede ser encendido y
apagado jugando con el movimiento de la batera (ver figura 24); - la mesa de vibracin se debe colocar en
la mejor ubicacin (en funcin de la varilla de transmisin entre el taladro
y la mesa vibratoria), y se sujeta a la mesa con cinta adhesiva; - para asegurar los edificios de la mesa
vibratoria se puede poner un poco de cinta adhesiva sobre los
"cimientos" (detalle en la Fig. 24).
Fig. 24. Configuracin apropiada para el
experimento de la resonancia de edificios. Se procede a la prueba experimental que consiste en hacer funcionar el
taladro atornillador a diferentes velocidades (aumentando o disminuyendo) y
observar el comportamiento de los edificios individuales. La variacin de
velocidad corresponde a la variacin de la frecuencia de la sacudida. Durante
el experimento es posible observar cmo el edificio ms alto (4 pisos) vibra
ms a bajas velocidades (frecuencias ms bajas), el edificio intermedio (3
pisos) vibra ms a velocidades intermedias (frecuencias medias), mientras el
edificio ms bajo (2 pisos) vibra a ms alta velocidad (frecuencia ms
altas). Observe los nodos y vientres (anti nodos) en diferentes edificios
durante el experimento! (Para ver el video copiar y pegar el siguiente link https://dl.dropboxusercontent.com/u/4712533/GUIDA
SISMOBOX/RISONANZA.m4v en su navegador). 2B. Efectos
de sitio Las ondas ssmicas que se propagan
durante un terremoto viajan a una velocidad determinada. Cuando, durante su
camino, pasan de rocas duras (roca madre) a los depsitos poco o nada
consolidados (como por ejemplo los depsitos aluviales de un ro), lo que sucede,
para almacenar la energa transmitida, es que la velocidad de estas ondas
disminuye drsticamente, pero al mismo tiempo, aumenta fuertemente la
amplitud de sus oscilaciones. Se habla de efecto de sitio, que es uno
de los factores de riesgo ms peligrosos en las zonas que se caracterizan por
este tipo de depsitos (Fig. 25). El ejemplo del terremoto que sacudi a
la Ciudad de Mxico en 1985 (como se inform en el experimento de
resonancia), describe muy bien el fenmeno del efecto de sitio (siempre conectado
con el concepto de resonancia cuando se habla de los edificios). Esta ciudad,
de hecho, est a cientos de kilmetros del epicentro del terremoto que
sacudi el centro de Mxico en 1985. A pesar de esta considerable distancia,
800 edificios colapsaron. Estudios geolgicos mostraron evidencias de que la
mayor parte de la Ciudad de Mxico est construida en un cuenca de un antiguo
lago hecho de depsitos poco consolidados. Cuando las ondas llegaron a estos
depsitos, disminuy bruscamente su velocidad aumentando la amplitud y
causando una fuerte sacudida en los sedimentos. Adems, la frecuencia de
sacudida de estos suelos poco consolidados era muy similar a la de los
edificios de 10 pisos, que resultaron los ms daados por el terremoto. Esto
sucedi porque la frecuencia de resonancia de la tierra y la del edificio que
se encuentra encima son iguales.
Fig. 25 Efecto de sitio (Terremoto e
rischio sismico (ISBN: 978-88-230-1803-7). Qu es lo que tomamos de la caja? El material requerido es (Fig. 26): 1.
Taladro inalmbrico 2.
Soporte para el taladro 3.
pequea varilla para la
transmisin 4.
Excntrico 5.
piezas de caucho necesarias
para bloquear el movimiento del excntrico (amplitud de la sacudida). 6.
mesa de vibracin con
varillas de madera (x 2) 7.
Elemento que
"simula" la presencia de sedimentos poco consolidados (por ejemplo,
los depsitos aluviales) 8.
base de poliestireno para
el establecimiento de los edificios 9.
3 edificios de diferentes alturas
Fig. 26. Experimento de los efectos de
sitio. Experimento El procedimiento experimental es muy similar al del experimento de la
resonancia. La diferencia consiste en la configuracin ya que en este
experimento se aade un elemento (depsitos aluviales) entre la mesa
vibratoria y la base de los edificios (Fig. 26). Se opera el taladro atornillador, a partir de la velocidad mxima (de
alta frecuencia). La variacin de velocidad corresponde a la variacin de la
frecuencia de la sacudida. Durante el experimento, ser posible observar
cmo, al disminuir la velocidad (frecuencia), primero se sacude el edificio
ms bajo (de 2 pisos), despus el intermedio (3 pisos), y luego el edificio
de ms altura (4 pisos). Al mismo tiempo que oscila el edificio de 4 plantas, comienza a oscilar
el elemento depsitos aluviales', lo que indica que la frecuencia de
resonancia de la tierra es exactamente la que se consigue con la velocidad
del taladro inalmbrico. En este punto, las oscilaciones son muy fuertes y todos
los edificios se desestabilizan, debido a la fuerte sacudida de la tierra que
est en resonancia. Para ver el video copiar y pegar el siguiente link https://dl.dropboxusercontent.com/u/4712533/GUIDA
SISMOBOX/EFFETTO DI SITO.MPG en su navegador. 2C.
La licuefaccin de suelo Principios bsicos El trmino "licuefaccin" se refiere a la prdida de
resistencia en un suelo saturado en agua (generalmente de arena o
arena/arcilloso), monogranular y no cohesivo, como resultado de las
vibraciones horizontales de la tierra producida por un terremoto. La licuefaccin es uno de los fenmenos ms evidentes que pueden ser
provocados por un terremoto en las zonas cuyos suelos consisten en depsitos
de arena y/o suelos franco arenosos (tales como las llanuras de inundacin o
zonas costeras). En estos depsitos, por lo general poco consolidados y
saturados en agua (que es incompresible), el temblor relacionado con un terremoto
puede causar la transformacin del suelo desde el estado slido al lquido,
con graves consecuencias en caso de presencia de edificios ubicados en este
suelo. Esto por lo general se lleva a cabo cuando, por el efecto de las
tensiones cortantes inducidas por la propagacin de las ondas ssmicas, la
presin del agua en los poros del suelo, la presin intersticial, aumenta
gradualmente hasta ser igual a la presin total de confinamiento, es decir
cuando los esfuerzos efectivos a expensas de esqueleto slido del material,
que determinan la resistencia al cizallamiento, se reducen a cero. Los suelos susceptibles a la licuefaccin son por lo tanto aquellos en
los que la resistencia a la deformacin se lleva a cabo solamente por la
friccin entre las partculas, y luego los suelos sueltos (arenas y limos).
El agua se elimina entre un grano y el otro y se eleva a la superficie (Fig.
27).
Fig. 27 El fenmeno de la licuefaccin
Qu es lo que tomamos de la caja? De el kit es necesario tomar (Fig. 28): 1) Taladro inalmbrico y su soporte 2) Excntrico 3) pequea varilla para la transmisin 4) box para la arena 5) bloque de syporex 6) mesa de vibracin 7) soporte con gancho para poner el
box de arena 8) varillas de madera 9) Arena
Fig. 28. Materiales necesarios para el experimento de licuefaccin de suelos. Experimento Debe llenar la caja con la arena totalmente saturada en agua (el agua no
debe escapar de la arena, pero al mismo tiempo, la arena debe estar
completamente mojada y saturada). Debe tener el bloque syporex encima de la
arena. Si se intenta empujar el bloque verticalmente se dar cuenta que no se
hunde y que es estable frente al esfuerzo vertical. Si se pone en marcha el
taladro atornillador con una velocidad media-baja (figura 29a), el esfuerzo
horizontal producido en el suelo hace cero la resistencia al cizallamiento.
El suelo ya no es capaz de mantener el bloque (la casa). Tenga en cuenta que
el agua est subiendo a la superficie despus del temblor de la tierra (Fig.
29b). Para ver el video copiar y pegar el siguiente link https://dl.dropboxusercontent.com/u/4712533/GUIDA
SISMOBOX/LIQUEFAZIONE.MPG en su navegador.
Fig. 29. Experimento de licuefaccin de
suelos. 2D. La estabilidad de los edificios Principios bsicos En una zona afectada por un terremoto,
se observa como los edificios que han sufrido el mismo temblor, presentan
diferentes daos. Como hemos visto, cada edificio responde de manera
diferente a las tensiones ssmicas, tanto por el tipo de construccin como
por la naturaleza del terreno sobre el que se construye. Estos elementos se combinan para definir
la vulnerabilidad ssmica, que se evala como la propensin de los
edificios a daarse despus de un evento ssmico. Si la vulnerabilidad se
combina con el peligro ssmico se define el riesgo ssmico. No debe
confundirse el concepto de riesgo ssmico con el de peligro ssmico, que mide
la probabilidad de que se produzca una cierta aceleracin del suelo por
causas ssmicas. Mientras que los humanos no pueden intervenir en la
peligrosidad ssmica debido a que el peligro est relacionado con la
configuracin geolgica de una zona (y por lo tanto la fuerza de la
naturaleza que genera terremotos), el hombre puede intervenir en la
vulnerabilidad y de este modo disminuir el riesgo ssmico. Objetivos de la experiencia Los objetivos de los experimentos propuestos son principalmente dos: 1) entender que, para la misma energa
liberada por un terremoto, los edificios sismo resistentes son ms seguros
que edificios construidos de forma inadecuada. 2) comprender la importancia de las
caractersticas geolgicas de los terrenos de base en la estabilidad de los
edificios. 2D.1 Edificios construidos de diferentes maneras Qu es lo que tomamos de la caja? Es necesario tomar (Fig. 30-31): 1) varillas de polipropileno alveolares (8) para la
construccin de dos edificios de 4 pisos 2) planos de cartn pluma (8) para la construccin
de 2 edificios de 4 pisos 3) hilo 4) clavos con una cabeza esfrica (o similar) (Fig.
30 e 31) 5) edificio de 4 pisos ya contenida en el Kit 6) 4 tiras del mismo material (plstico
transparente) del edificio de 4 pisos contenidas en el kit para construir un
edificio de 4 pisos sin muros de carga 7) planos de cartn pluma (4) para la construccin
de 1 edificio sin muros de carga 8) pequeas pesas para 'estabilizar' edificios.
Fig. 30. Experimento con dos edificios de
4 plantas cada uno, uno con los muros de carga perpendiculares y uno con
muros de carga dispuestos en paralelo. Para ver el video copiar y pegar el
siguiente link https://dl.dropboxusercontent.com/u/4712533/GUIDASISMOBOX/STABILITA%27EDIFICI.m4v en su navegador.
Fig. 31. Experimento con dos edificios de
4 pisos, uno con muros de carga y otra sin muros de carga (el ms adecuado en
la Fig. 31a). Los edificios estn hechos con las 'paredes' paralelas a la
direccin de movimiento de la mesa vibratoria. Para ver el video copiar y
pegar el siguiente link https://dl.dropboxusercontent.com/u/4712533/GUIDASISMOBOX/STABILITA%27EDIFICI.m4v
en su navegador. Experimento Se procede a construir los edificios utilizando el material tomado del
kit para obtener los edificios que se muestran en las Figuras 30 y 31 (slo
los edificios de 4 pisos). Los edificios estn dispuestos en la base
(compartidos por los dos mtodos diferentes de la realizacin del
experimento). En el caso de los dos edificios con muros de carga dispuestas
de una manera diferente, ver Fig. 30. En el caso de los dos edificios, uno de
los cuales no hay muros de carga, ver Fig. 30. Cuando se induce una vibracin a los edificios se dar cuenta de las
siguientes cosas: - en el experimento con muros de carga
dispuestos de manera diferente, mientras el edificio con paredes en ngulo
recto queda en pie, aquel con las paredes colocadas paralelas se cae. - de la misma manera, en el experimento
con un edificio sin muros de carga, ste caer al primer estrs, mientras que
el otro permanecer firmemente de pie. Este comportamiento muestra como los edificios cados no se construyen
para que tengan una resistencia a la cizalla necesaria para soportar el
temblor inducido por el paso de las ondas ssmicas. Repetir estos experimentos varias veces con el fin de verificar que los
dos edificios sin apoyo se caen sistemticamente. A continuacin,
intervenimos "estructuralmente" en estos dos edificios de la
siguiente manera. Se coloca un refuerzo, representada por el hilo
contenido en el kit. El hilo se coloca cruzando entre las dos paredes tay y
como se muestra en las figuras 30 y 31. Este procedimiento garantiza que los
edificios se endurezcan y adquieran resistencia a los esfuerzos que van a ser
impartidos de nuevo. Se puede observar, que reproduciendo de nuevo el experimento,
y aplicando una nueva tensin a los edificios, todos ellos resistirn de pie,
lo que confirma que la intervencin estructural ha trado una mayor
estabilidad a la estructura. Este tipo de intervencin es comn en los
edificios que deben soportar los esfuerzos inducidos por los terremotos (Fig.
32).
Fig. 32. Ejemplo de intervencin estructural
para fortalecer los edificios sometidos a estrs ssmico 2D.2
Amortigua el terremoto! Uno de los criterios ssmicos utilizado
durante aos en Japn es el aislamiento ssmico. Simplista, el aislamiento
ssmico consiste en una coleccin de elementos estructurales para separar
una superestructura del edificio del terreno donde se asienta. La separacin
no es total pero disminuye en gran medida el efecto del terremoto en la
estructura aislada. El aislamiento ssmico ofrece muchos beneficios, tales como la proteccin
contra el dao de las estructuras de soporte, paredes, pisos, y en especial
de los humanos. Qu es lo que tomamos de la caja? El material requerido es (Fig. 33): 1) Taladro inalmbrico 2) Soporte para el taladro 3) pequea varilla para la transmisin 4) Excntrico 5) piezas de caucho necesarios para
bloquear el movimiento excntrico (amplitud de la sacudida). 6) mesa de vibracin con varillas de madera
(x 2) 7) Soporte para el aislamiento ssmico con
los dos tubos 8) 3 edificios de diferentes alturas Adems, se debe tener la base de poliestireno para fijar los edificios
(no se muestra en la Fig. 33).
Fig. 33. Material requerido para el experimento
en lo aislamiento ssmico. Experimento El Procedimiento experimental es muy similar a la del experimento 2A. La
diferencia consiste en que en este experimento se aade un sistema de
amortiguacin (o amortiguamiento) (sistema de aislamiento) entre la mesa
vibratoria y la base de los edificios (Fig. 34). Al iniciar el experimento, se podr observar que los edificios se
balancean pero el sistema de amortiguacin reduce el efecto del terremoto en
la estructura aislada. Para ver el video copiar y pegar el siguiente link https://dl.dropboxusercontent.com/u/4712533/GUIDA
SISMOBOX/AMMORTIZZATORI.MPG en su navegador.
Fig. 34. Configuracin de la instrumentacin para el
experimento del aislamiento ssmico. Tenga en cuenta que el sistema tiene su
frecuencia de resonancia. As que hay que encontrar una frecuencia con el
taladro atornillador que no sea la misma que la del sistema que amplifica el
movimiento, pudiendo producir el efecto contrario!)
A1.1 MATERIAL
NECESARIO
Adems, es necesario tener algunas herramientas para la
realizacin de las diferentes partes del kit (probablemente son herramientas
que ya estn presentes en los laboratorios escolares).
A1.2
CONSTRUCCIN DE COMPONENTES DE LA SEISMO-BOX ACCESORIOS
DEL SISMOMETRO Construccin de la bobina
Para la
realizacin de la bobina es necesario: -
Alambre de cobre ultra fino
(0.15 mm) -
Tubo de plstico rgido (
16 mm) -
1 Cable Jack Conector da
3.5 mm (mono o stereo) -
Pistola de pegamento
caliente -
Peridico -
Cinta aislante -
Tijeras -
Taladro inalmbrico -
Un accesorio que permita
enrollarse la bobina (foto 5 Fig. A1.2_1 y texto) Para la
realizacin de la bobina, siga las instrucciones que aparecen en la Fig.
A1.2_1. Es recomendable realizar una bobina con un alto nmero de vueltas
(aproximadamente 2000). Para construir
la bobina toma el tubo rgido ( 16 mm) con una altura de 4 cm (1). Se
fabrican bordes pegando el tubo en un peridico con pegamento caliente (2), y
cortando el exceso de papel (3). Se fija, siempre con cola caliente, a un
extremo del tubo el comienzo del hilo de cobre (4). A travs de un
instrumento hecho a mano (el que est en 5 est hecho con una madera molida
fijada a un clavo para ser insertado en el controlador de taladro) la bobina
se fija al taladro (6). Cuando comience
a funcionar el taladro, vamos a tener que transferir el alambre de cobre al
tubo de plstico, teniendo mucho cuidado de mantener bien estirado el cable
de manera uniforme a lo largo de todo el tubo. Una vez terminado el bobinado se
fija la terminacin del alambre de cobre en el mismo extremo del tubo,
asegurndose de que los dos extremos no se tocan (7-8). Se toma el
cable conector, uno de dos hilos activos (el "blanco") y una masa
(si el cable es estreo) o los dos cables directamente (si el cable es mono,
como en la Figura) (9). Tiene que soldar los dos cables de cobre con los dos
hilos del cable (blanco + masa o los dos cables de alambre mono) (10-11-12).
Se aslan con la cinta aislante (13-14) y posteriormente se enrolla a travs
de la bobina con la cinta aislante (15).
Fig. A1.2_1 - Cmo se construye la bobina del sismmetro. Para ver el
video de cmo enrollar el hilo de cobre copiar y pegar el siguiente link https://dl.dropboxusercontent.com/u/4712533/GUIDA
SISMOBOX/ARROTOLAMENTO BOBINA.MPG en su navegador. Cmo lograr el
sistema de masa-imn
Para la
realizacin del sistema de masa-imn es necesario: - 1 tornillo de cabeza hexagonal
(5mm x 50 mm) - 1
tornillo con ojal ( = 2.5 mm x 10 mm) - 1 Plomo
de pesca perforado (75 g) - 1 perno
con cabeza avellanada (y 2 tuercas) - 1 tapn
de plstico - un
taladro - una
sierra - una
lima plana Los imanes y el
elstico (resorte) sern necesarios en el momento de montar el sismmetro. Para la
realizacin del sistema consulte las instrucciones en la Fig. A1.1_2. Configuracin de la
base y del soporte del sismmetro
Para la realizacin
de la base del sismmetro es necesario: -
poliestireno extruido - tubo de
plstico rgido ( 20 mm) - vara de
madera redonda ( = 8/9 mm) - panal
de policarbonato - 2
tornillos 3.5mm x 50 mm con pasadores - lima cilndrica abovedada - bandas
de goma Para la
realizacin de la base, consulte las instrucciones en la Fig. A1.1_3. El tubo de
plstico debe insertarse completamente en la base vertical, por lo que debe
estar completamente perforada. El agujero cilndrico en la base vertical
puede hacerse manualmente o con un punzn y luego terminarlo con la lima, o
cortando el poliestireno en dos partes y hacerlo por separado y despus pegar
las dos lminas de policarbonato celular. En ambos casos, el orificio debe
ser del dimetro apropiado como para permitir que el tubo sea colocado
slidamente con la estructura. El agujero en
el tubo de plstico para insertar la varilla de madera se puede hacer con un
taladro, con una punta adaptada al dimetro de la varilla. Se recomienda
realizar el orificio horizontal de modo que el tubo y la varilla sean
perpendiculares.
Fig. A1.2_2. Cmo se prepara el sistema masa/imn a
utilizar para el sismmetro. Se recomienda cortar el tornillo (3) de tal
manera que la superficie sea plana y perpendicular al tornillo para que los
imanes se adhieren adecuadamente.
Fig. A1.2_3. Cmo construir el apoyo del sismmetro. LA CONSTRUCCIN DE LOS MUROS DE EDIFICIOS
Se necesita:
panal de policarbonato, lminas de plstico translcido, dos escuadras, un
cortador, un lpiz. Muros de policarbonato: 8 piezas h = 37.5 cm, l = 1.5 cm Muros de plstico translcido: Edificios de 4 pisos (x2): 8 piezas h = 32 cm, l = 1.5 cm Edificios de 3 pisos (x1): 4 piezas h = 23.5 cm, l = 1.5 cm Edificios de 2 pisos (x1): 4 piezas h = 16 cm, l = 1.5 cm
Fig. A1.2_4. Construccin de los muros
de edificios. LA CONSTRUCCIN DE LOS PISOS DE EDIFICIOS
Se necesita la cartn pluma (fig. A1.2_5), dos
escuadras, un lpiz y un cortador. Tenemos que obtener rectngulos con dimensiones de 8,5 cm x 6,5 cm Se requiere 21 pisos.
Fig. A1.2_5. Construccin de los muros de edificios. EL MONTAJE DE LOS EDIFICIOS
Para montar
los edificios "estables" (1 edificio de 4 pisos, 1 edificio de 3
pisos y 1 edificio de 2 pisos (punto 1 de la Fig. A1.2_6) es necesario tener
pisos de cartn pluma, muros de plstico translcido de diferentes
longitudes, pegamento caliente, alfileres (2). Los muros y los pisos estn
pegados con pegamento caliente (3-4) y, posteriormente, fijados con alfileres
(5). Es necesario mantener la perpendicularidad entre pisos y muros (6- 7) y
una distancia entre los planos de los edificios individuales como se describe
en el paso 1 de la Fig. A1.2_6.
Fig. A1.2_6. Como montar los
edificios estables
CONSTRUCCIN DE BLOQUES EN SIPOREX
El syporex (hormign ligero) es fcil de cortar (por
ejemplo, con una sierra). Una vez que tenga estos bloques se hace un agujero
en un extremo (con un taladro a baja velocidad debido a la sensibilidad del
material) y se aplica un gancho (de alambre) soldada con pegamento caliente
en la bloque. El bloque puede ser pintado para que sea resistente al agua y
evitar que pierda polvo (Fig. A1.2_7). |
