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Comportamiento de las ondas sísmicas


Categoría: Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)
Área de participación: Divulgación y enseñanza de la ciencia

Miembros del equipo:
Diego Bernal Chimal
Miguel Bandian Reyes Serrato

Asesor: Marisa Calle Monroy

Escuela: Centro Escolar Zamá

Resumen

Los terremotos son fenómenos de sacudida brusca y pasajera de la corteza terrestre producida por la liberación de energía acumulada en forma de ondas sísmicas. México y muchas ciudades del mundo se encuentran en zonas de alto riesgo. Los sismos al ser impredecibles lo mejor es estar informado por tal motivo se eligió el presente tema,  pues aunque nos encontramos familiarizados con los terremotos sabemos cómo se producen y cuales son sus consecuencias pero poco sabemos sobre cómo se propagan las ondas sísmicas. Lo que se conoce del interior del planeta se debe su estudio. Para el desarrollo del presente proyecto se elaboraron tres modelos con los cuales se busca explicar los tipos de ondas, como viajan y como afectan a diferentes tipos de construcciones. Con la caja de ondas bidimensionales se explica el choque de ondas en fase constructiva y destructiva. Con las placas de Chladni se logró replicar 6 patrones de Chladni originados por nodos y anti nodos generados por ondas estacionarias y con ello mostrar porque en ciertas zonas de la corteza terrestre hay más destrucción que en otras. Colocar varias estructuras sobre la mesa vibratoria sirvió para  hacer un análisis dinámico explicando el concepto de periodo, mostrar cómo los movimientos producidos por las ondas tienen diferente efecto en las estructuras de distinta magnitud, emplear de sistemas de amortiguamiento disminuye daños y  hacer comparaciones entre el sismo del 1985 y del 2017. La creciente vulnerabilidad sísmica y necesidad de informar a la sociedad son indispensables para minimizar la pérdida de vidas humanas.

Pregunta de Investigación

¿Cómo es el comportamiento de las ondas sísmicas?

Planteamiento del Problema

Aunque ya muchos estamos  más que familiarizados acerca de qué son los terremotos, cómo se producen y cuáles son sus consecuencias, las explicaciones referente a cómo se propagan las ondas sísmicas, problema fundamental de esta temática, suelen ser poco conocidas.

Cientos de millones de personas viven en lugares de todo el mundo donde son comunes los terremotos. La mayor parte de la destrucción causada por terremotos es como resultado del colapso de estructuras como rascacielos, hospitales y puentes.

Con frecuencia los medios de comunicación ponen de actualidad ciudades entre ellas a México (1985-1917), asoladas por grandes terremotos que les causan considerables daños materiales y un gran número de víctimas. La superficie de la Tierra, considerada por el hombre como un soporte firme de su actividad, es sacudida por grandes vibraciones ante las cuales se muestra como un frágil material. Los temblores o sismos son probablemente las catástrofes ante las cuales el hombre se siente más indefenso y aterrado. Ocurren sin advertencia alguna, y aun cuando ningún temblor dura por más de 30 a 50 segundos en su máxima intensidad este tiempo es más que suficiente para causar graves daños al hombre y sus centros de población. Tan solo en México en el año 2013 se registraron 5150 sismos de los cuales 162 fueron en el estado de Baja California. Justamente motivados por estas características se han impulsado las investigaciones en torno a los sismos, desde el estudio de materiales, estructuras, equipos mecánicos, electrónicos o de comunicaciones, hasta la educación a la ciudadanía.

Los terremotos no se pueden predecir pero si se puede estar prevenido y saber que ocurrirá en caso de que se produzca un movimiento sísmico fuerte.

Las mesas sísmicas son la aproximación más natural a los movimientos sísmicos. Sin embargo, existen muy poca información sobre mesas sísmicas de baja capacidad para modelos estructurales a pequeña escala que puedan ser muy utilices en ambiente didácticos.

Antecedentes

La mayor parte de la destrucción causada por terremotos  es el resultado del colapso de estructuras como rascacielos, hospitales y puentes.  El conocimiento profundo en la ingeniería sísmica sobre las ondas y su simulación en modelos con técnicas experimentales en construcción de estructuras sismo-resistentes ayudan a salvar vidas al diseñar  estructuras que puedan soportar las sacudidas violentas de los impredecibles terremotos. Lo que se sabe de las profundidades de la Tierra procede del estudio de las ondas sísmicas y de cómo éstas viajan. El tipo de onda y tipo de terreno tienen diferentes efectos en  las edificaciones de distinta magnitud.

Una de estas técnicas son ensayos dinámicos en mesas vibratorias. La mesa vibratoria realizada para presente proyecto resultó ser herramienta versátil y económica de baja capacidad para modelos estructurales a pequeña escala que puedan ser muy útiles en ambiente didácticos.

Aprender a convivir con los terremotos significa adaptación a la condicionante sísmica y no temor. Hay que educar para la prevención y para una conducta que pueda resistir el impacto de un desastre. La adaptación reduce la vulnerabilidad física y humana, protege a las comunidades y brinda un elemento valioso para reducir los daños.

Objetivo

Dar a conocer el comportamiento de las ondas sísmicas utilizando como base una mesa vibratoria.

Justificación

Los motivos que nos llevaron a investigar las ondas sísmicas fueron los recientes terremotos que afectaron a la Ciudad de México y varios estados de la República, y que dejaron preguntas por resolver,  por lo que se hizo necesario contar con mayores conocimientos  para poder informar  a la población sobre este fenómeno natural.

Los desastres son un problema en aumento; el impacto de los fenómenos naturales, el crecimiento demográfico y los procesos de urbanización han hecho aumentar en forma continua la vulnerabilidad sísmica. Se espera un sismo de mayor intensidad al ocurrido y lo mejor es  estar mejor informados.

Mucho de lo que sabemos acerca de la Tierra procede del estudio de las ondas sísmicas y de cómo éstas viajan a través de diferentes tipos de materiales. Las placas tectónicas se encuentran siempre en movimiento y cuando este movimiento es intenso las ondas sísmicas se transmiten en todas direcciones y  al ser capaces de atravesar  la Tierra, nos traen información sobre el espesor y composición de las capas internas que ayudan a  entender a los poco predecibles terremotos.

El estudio de las ondas sísmicas,  el tipo de onda y tipo de terreno tienen diferentes efectos en  las edificaciones de distinta magnitud. En la Ciudad de México  su estudio es una  herramienta indispensable para conocer el comportamiento de los terremotos que afectan al valle de México y con ello aplicar medidas de prevención para evitar tragedias, como la que se vivió hace varios años, durante los sismos de septiembre de 1985 y los recientes sismos del 7 y 19 de septiembre de 2017.

Realizar pruebas en laboratorio por parte de los ingenieros ayuda a hacer mejoras en la práctica constructiva para que las edificaciones sean más seguras, así sea una pequeña casa o un edificio, además de que si desafortunadamente sufren de algún daño debido a un sismo, se cuente con las técnicas de rehabilitación necesarias.

Hipótesis

Si podemos explicar el comportamiento de las ondas sísmicas entonces podremos demostrar cómo afectan la superficie y conocer mejor el interior del planeta  profundo e inalcanzable.

Método (materiales y procedimiento)

Placas Chladni

Materiales:

-Bocina (cualquier tipo)

-Amplificador de 500 wts

-1 m. cable para bocina

-Soldadura

-2 conectores para bocina(+-)

-Pistola de silicón

-Barras de silicón

-Cable conector 3.5 con salidas a RCA

-Compás.

-Cinta de aislar.

-5 cm de tubo de pvc de 1 pulgada

-1 tornillo de ¼ de pulgada x 1 pulgada

-2 tuercas de seguridad de 1/4.

– 4 tornillos de ½ x 1 ½ pulgada

– 4 taquetes de plástico de ½ pulgada.

-1 cucharada de sal fina.

-Teléfono celular.

-APP Frequency Generator.

-Taladro inalámbrico.

-Brocas para metal.

-Caladora eléctrica

-Guantes.

-Regla.

-Placa  de metal de 26×25 cm.

 

Procedimiento

1.-Descargar aplicacion APP en un celular  para generar frecuencias y generar diversas formas ensayando con frecuencias de 50 a 1000 Hz.

2.- Trazar un cuadro  con ayuda de un compás en la placa de metal.

3.-Cortar el cuadrado con una caladora.

4.-Perforar con el taladro el centro del cuadrado.

5.-Fijar el tornillo dentro del tubo con la ayuda del silicón.

6.-Al centro de la bocina pegar el tubo de pvc con silicón.

7.- Colocar los tornillos con los taquetes en los orificios de la bocina.

8.- Colocar la base metálica sobre el tornillo y fijarla con la ayuda de las tuercas.

9.-Ya que este armado la bocina con la placa, conectar el amplificador a la bocina.

10.- Conectar el cable de 3.5 al celular y las salidas RCA al amplificador.

11.-Poner el azúcar sobre la base.

 

Utilizar el cursor o el teclado del teléfono ajustar la frecuencia, luego haga clic.

 

______________________________

 

Caja de ondas bidimensionales

Materiales

-1 vidrio de 30cm x 30cm de 4mm de grosor con un orificio de 2cm2 en uno de los extremos.

1 vidrio de 30 cm x 30 cm de 6 cm de grosor.

-4 vidrios de 16 cm x 30 cm de 6 cm de grosor.

-Agua con colorante azul 4lt.

-Aceite de silicón  4lt.

-Tubo de silicón para vidrio.

 

Procedimiento

1.- Pegar los vidrios con ayuda del silicón de tal forma que se construya una caja.

2.- Verter el agua con colorante azul.

3.- Verter el aceite.

4.- Colocar sobre la mesa vibratoria para generar los movimientos de onda.

 

______________________________

 

Mesa vibratoria

Materiales

2 piezas de tablón 1” de: 50 x 13.5 cm

2 pieza de triplay de 2” x 35cm

2 listones de madera de ¾”x45cm

1 pieza de triplay 1” de 45 x 50 cm

1 pieza de triplay 1” de 50 x 70 cm

Pegamento 850, el necesario

6 tornillos 1 1/2” de ¼

12 tornillos ¼ x ½

12 tuercas de ¼ de seguridad

4 armellas de ¼

6 rondanas de ¼

6 resortes de 7cm

4 resortes de 5 cm.

1 taladro Casera de ¼

1 broca de ¼.

1 caladora casera.

1 Destornillador plano y de cruz.

1 nivel

2 escuadras

1 regla de 30cm

1 cinta métrica

1 mesa de trabajo

1 par de guantes de trabajo

1 lentes de trabajo

 

Procedimiento

  1. Pegar y atornillar los 2 tablones  a cada extremo del lado de 50cm del  triplay (50x70cm) quedando perpendiculares a al triplay.
  2. Sobre el triplay de 45x50cm realizar las siguientes actividades:
    1. Pegar las 2 piezas de triplay de 2”x 35 cm.  en uno de los extremos de 45 cm. Pegar las piezas a 17.5cm  y 32.5 de forma perpendicular a la tabla de 45cm.Dejando un saliente de 12.5cm.
    2. Pegar y atornillar a cada extremo del lado de 45cm, los lienzos de 3/4“x45 cm, en los lienzos se colocara las armellas a 2.5cm de cada extremo quedado por la parte externa
    3. Marcar una línea a 7 cm. de separación del borde , en el lado de 45cm, en la misma línea marcar 3 puntos a 7,  22.5 y 38 cm, perforar los 3 puntos con el talado y la broca de 1/4, realizar la misma actividad del lado derecho.
    4. Donde se realizaron las perforaciones, colocar los tornillos dentro de cada uno de los agujeros, las rondanas se deberán colocar en cada uno de los resortes en la primera vuelta tapado el centro del resorte, colocar los resortes con las rondanas sobre los tornillos y con la tuerca sujetarlos firmemente.
  1. En cada uno de los tablones colocar dos armellas en las esquinas superiores  a 2.5 y 5 cm. de cada esquina. Ahí se sujetar los resortes de 5 cm. Que también se sujetaran  a las armellas del triplay anterior.

Estructuras reducidas para hacer pruebas sobre la mesa:

a)Probador de longitud de onda:

1 pieza de triplay de 50 x 10 cm

6 seguetas de 32 cm.

10 mensulas de 2 cm

15 tornillos.

15 tuercas.

5 imanes circulares en forma de dona 150g.

 

1.- Sobre el triplay marcar 5 puntos.

2.- Sobre cada uno de los puntos colocar prensada con dos ménsulas y tornillos y tuercas las seguetas. a excepción del punto F en el cual se colocarán dos seguetas.

3.- En cada uno de las seguetas colocar los imanes. El el punto F, colocar el imán en la parte central entre las dos seguetas. Las distancias de los imanes del triplay a la punta de la seguetas son: Segueta A:30 cm, B:10cm, C:15 cm., D:23, F:15 cm.    

 

b)Estructuras para pruebas de movimiento:

24 tablas de MDF de !0 x 10 cm

48 palitos para brocheta de 15 cm

48 palitos para brocheta de 17.5 cm

Pegamento.

Taladro.

Broca de 1/8”

Almohadilla con arena de 500g.

 

Procedimiento

1.- A cada una de las tablas hacer 4 perforaciones, en cada esquina.

2.-En cada esquina colocar lo palitos de banderilla de 15cm construyendo cubos con una base y tres niveles.

3.-Construir tres  estructuras iguales. Con las siguientes variaciones para la estructura B y C. En las diagonales se  colocarán los palitos de 17.5 cm.

4.- Las estructuras con la almohadilla se colocarán sobre la mesa vibratoria.

Galería Método

Resultados

Placas Chladni

Se pudieron formar imágenes sobre las placas en respuesta a las frecuencias emitidas por la app y el amplificador.  Se logró replicar los patrones de Chladni, originados por ondas estacionarias que viajan sobre la superficie de una placa sometida a diversas frecuencias. Se observaron varios  patrones de las cuales seis corresponden a los patrones registrados por Chladni con frecuencias de 50 a 1000 Hz.

El modelo de ondas bidimensionales  permite explicar cómo se propaga una onda en dos dimensiones. Al mover la caja las ondas se propagan al centro  y esto ocurre porque al chocar las ondas que se propagan en direcciones opuestas juntan sus energías.

Cuando la caja se movió, en el caso para dos ondas que chocan -lo que sucede en los sismos- las energías de las ondas  producen 2 fenómenos.

1.- La onda resultante es la suma de las energías de las ondas involucradas (interferencia constructiva, onda de mayor amplitud).

2.- El efecto contrario es la interferencia destructiva en la cual la energía de una onda anula la energía de otra. Esto depende de la fase de la onda.

Las estructuras que se colocaron sobre la mesa vibratoria permite hacer un breve  análisis dinámico de las estructuras explicando el concepto de periodo(tiempo que tarda en ir y regresar una estructura al mismo punto) es decir completar un ciclo. El movimiento puede ser más rápido o lento pero el  periodo siempre es el mismo. Edificios altos tienen un periodo largo, edificios bajos, periodo corto. La masa(imán o almohadilla) se movió a diferentes alturas para variar el periodo y observar que entre más baja la masa el periodo también es más corto. Con esto se demuestra cómo  dependiendo del movimiento de la tierra es el daño que se ocasiona a en mayor o menor grado a diferentes tipos de edificios o casas. Con la varilla F se demuestra como un sistema de amortiguamiento puede evitar graves daños a los edificios.

Placas Chladni

Se pudieron formar imágenes sobre las placas en respuesta a las frecuencias emitidas por la app y el amplificador.  Se logró replicar los patrones de Chladni, originados por ondas estacionarias que viajan sobre la superficie de una placa sometida a diversas frecuencias. Se observaron varios  patrones de las cuales seis corresponden a los patrones registrados por Chladni con frecuencias de 50 a 1000 Hz.

El modelo de ondas bidimensionales  permite explicar cómo se propaga una onda en dos dimensiones. Al mover la caja las ondas se propagan al centro  y esto ocurre porque al chocar las ondas que se propagan en direcciones opuestas juntan sus energías.

Cuando la caja se movió, en el caso para dos ondas que chocan -lo que sucede en los sismos- las energías de las ondas  producen 2 fenómenos.

1.- La onda resultante es la suma de las energías de las ondas involucradas (interferencia constructiva, onda de mayor amplitud).

2.- El efecto contrario es la interferencia destructiva en la cual la energía de una onda anula la energía de otra. Esto depende de la fase de la onda.

Las estructuras que se colocaron sobre la mesa vibratoria permite hacer un breve  análisis dinámico de las estructuras explicando el concepto de periodo(tiempo que tarda en ir y regresar una estructura al mismo punto) es decir completar un ciclo. El movimiento puede ser más rápido o lento pero el  periodo siempre es el mismo. Edificios altos tienen un periodo largo, edificios bajos, periodo corto. La masa(imán o almohadilla) se movió a diferentes alturas para variar el periodo y observar que entre más baja la masa el periodo también es más corto. Con esto se demuestra cómo  dependiendo del movimiento de la tierra es el daño que se ocasiona a en mayor o menor grado a diferentes tipos de edificios o casas. Con la varilla F se demuestra como un sistema de amortiguamiento puede evitar graves daños a los edificios.

Galería Resultados

Discusión

La bocina utilizada se obtuvo de un subwoofer por lo tanto está diseñado para producir sonidos graves por lo que no se alcanza a generar frecuencias altas y por la misma razón no se genera una amplia gama de figuras en las placas. La bocina permitió generar vibraciones útiles para explicar el tema de las ondas sísmicas. Las figuras que se obtuvieron fueron de los 50Hz hasta los 1000Hz. Antes y después de estas frecuencias no se obtienen figuras por el tipo de bocina. Se observan nodos y antinodos.

En las mesas vibratorias se colocan para ensayos  modelos estructurales a escala reducida pero para el presente proyecto solo se  usó para explicar e informar sobre los efectos de las ondas largas y cortas en las estructuras elaboradas.

Las mesas vibratorias generalmente emplean mucha tecnología y dinero en su elaboración pues son una herramienta clave para estudiar los efectos de las ondas sísmicas sobre estructuras. La mesa vibratoria que elaborada para el presente proyecto aun siendo de madera y  de manipulación manual permite controlar los diferentes movimientos periódicos de las estructuras con cargas a diferentes alturas simulando una casa o un edificio. Y hacer comparaciones entre los terremotos 1985 y 2017 ocurridos en México.

La caja permitió observar el comportamiento de las ondas en líquidos de diferente densidad. Al usar aceite de silicon y agua las ondas se observan lentamente permitiendo observan características de las ondas como:  interferencia constructiva, interferencia destructiva, reflexion y refraccion, nodos y antinodos.

También se observa que: La velocidad de propagación depende de las características del medio y que la frecuencia de onda es la misma que la de la fuente que la origina.

Conclusiones

La mayor parte de la destrucción causada por terremotos  es el resultado del colapso de estructuras como rascacielos, hospitales y puentes.  El conocimiento profundo en la ingeniería sísmica sobre las ondas y su simulación en modelos con técnicas experimentales en construcción de estructuras sismo-resistentes ayudan a salvar vidas al diseñar  estructuras que puedan soportar las sacudidas violentas de los impredecibles terremotos. Lo que se sabe de las profundidades de la Tierra procede del estudio de las ondas sísmicas y de cómo éstas viajan. El tipo de onda y tipo de terreno tienen diferentes efectos en  las edificaciones de distinta magnitud.

Una de estas técnicas son ensayos dinámicos en mesas vibratorias. La mesa vibratoria realizada para presente proyecto resultó ser herramienta versátil y económica de baja capacidad para modelos estructurales a pequeña escala que puedan ser muy útiles en ambiente didácticos.

Aprender a convivir con los terremotos significa adaptación a la condicionante sísmica y no temor. Hay que educar para la prevención y para una conducta que pueda resistir el impacto de un desastre. La adaptación reduce la vulnerabilidad física y humana, protege a las comunidades y brinda un elemento valioso para reducir los daños.

Bibliografía

Denys González Cordova, J. (2018). ¿Qué ocurrió el 19 de septiembre de 2017 en México?Ciencia UNAM. Retrieved 4 March 2018, from http://ciencia.unam.mx/leer/652/-que-ocurrio-el-19-de-septiembre-de-2017-en-mexico-

Proyecto Biosfera. (2018). Recursos.cnice.mec.es. Retrieved 4 March 2018, from http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/4ESO/MedioNatural2/contenido2.htm

Cómo se propagan las ondas sísmicas – VIX. Retrieved 4 March 2018, from https://www.vix.com/es/btg/curiosidades/2010/10/03/como-se-propagan-las-ondas-sismicas

Placas de Chladni (ondas) en Universum.. (2018). YouTube. Retrieved 4 March 2018, from https://www.youtube.com/watch?v=LQgfqp91w24

Ondas sísmicas cortas, determinantes en colapso de edificios bajos en CDMX – Televisa News. (2018). Televisa News. Retrieved 4 March 2018, from http://noticieros.televisa.com/ultimas-noticias/cdmx/2017-09-28/ondas-sismicas-cortas-determinantes-colapso-edificios-bajos-cdmx/

Tipos de ondas sismicas – Sociedad y Cultura. (2018). Sociedad y Cultura. Retrieved 4 March 2018, from https://sociedadycultura.com/tipos-de-ondas-sismicas.html

Geosfera. Composición y estructura: Estructura y composición de la Tierra. (2018). Biologiaygeologia.org. Retrieved 4 March 2018, from http://biologiaygeologia.org/unidadbio/bio1/u1_geosfera/u1_t3_contenido/index.html

Nota divulgación sismo 19/09/2017. (2018). Usuarios.geofisica.unam.mx. Retrieved 4 March 2018, from http://usuarios.geofisica.unam.mx/cruz/Nota_Divulgacion_Sismo_19092017.pdf



Comportamiento de las ondas sísmicas

Summary

Earthquakes are a phenomena of sudden and transient shaking of the earth’s crust produced by the release of accumulated energy in the form of seismic waves. Mexico and many cities around the world are in high risk areas. The earthquakes being unpredictable the best thing is to be informed for this reason the present topic was chosen, because although we are familiar with earthquakes we know how they are produced and what their consequences are but we know little about how seismic waves propagate. What is known from the interior of the planet is due to its study. For the development of the present project, three models were elaborated which explain the types of waves, how they travel and how they affect different types of buildings. With the box of two-dimensional waves the shock of waves in constructive and destructive phase is explained. Chladni plates were able to replicate 6 Chladni patterns originated by nodes and antinodes generated by standing waves and thus show that in certain areas of the earth’s crust there is more destruction than in others. Placing several structures on the vibration table served to make a dynamic analysis explaining the concept of period, showing how the movements produced by the waves have different effect on structures of different magnitude, employing damping systems decreases damage and make comparisons between the earthquake 1985 and 2017. The growing seismic vulnerability and the need to inform society are essential to minimize the loss of human lives.

Research Question

How is the behavior of the seismic waves?

Problem approach

Although many of us already know about what earthquakes are, how are they produced and what their consequences are, the explanations regarding about how seismic waves propagate, a fundamental problem of this topic, are often unknown.

Hundreds of millions of people live in places around the world where earthquakes are common. Most of the destruction caused by earthquakes is a result of the structures collapse such as skyscrapers, hospitals and bridges.

Frequently media make cities between them, Mexico (1985-1917), devastated by large earthquakes that cause considerable material damage and a large number of victims. The surface of the Earth, considered by human as a support of its activity, is shaken by great vibrations which it is shown as a fragile material. Earthquakes are probably the catastrophes which people feel more helpless and terrified. They happen without warning, and even when no earthquake lasts for more than 30 to 50 seconds at its maximum intensity this time is enough to cause serious damage to people and its population centers. In Mexico, in 2013, 5150 earthquakes were recorded, of which 162 were in the state of Baja California. Motivated by these characteristics, research has been promoted around earthquakes, from the study of materials, structures, mechanical, electronic or communications equipment, to education for citizens.

Earthquakes cannot be predicted but you can be warned and know what would happen in case of a heavy seismic movement.

Seismic tables are the closest to the natural seismic movements. However, there is less information of seismic tables of low capacity for small scale structural models that can be useful in didactic environment.

Problem Statement

After the recent earthquakes we are familiar with earthquakes. We know how they are produced and what their consequences are but how seismic waves propagate is usually not known.

Hundreds of millions of people live in places where earthquakes occur. The damage caused can be very serious and in a very short time. They cannot be predicted but you can be forewarned and know what will happen in the event of a heavy seismic movement. Due to these characteristics, research has been promoted in different fields of engineering and citizenship education. There is little information on seismic models as close to nature as they are useful for teaching environments.

Background

Most of the destruction caused by earthquakes is the result of the collapse of structures such as skyscrapers, hospitals and bridges. Deep knowledge in seismic engineering over waves and their simulation in models with experimental techniques in the construction of earthquake structures-to help save lives to take into account the violent jolts of unpredictable earthquakes. What is known from the depths of the earth comes from the study of seismic waves and how they travel. The type of wave and the type of terrain have different effects on editions of different magnitude.

One of these techniques are dynamic tests on vibrating tables. The vibrating table that was made for the present project turned out to be versatile and economic tool of low capacity for structural models on a small scale that can be very useful in didactic environment.

Learning and living with earthquakes means adaptation and seismic conditioning and not fear. You have to educate for prevention and for behavior that can withstand the impact of a disaster. Adaptation reduces physical and human vulnerability, protects communities and provides a valuable element to reduce damage.

Objective

To introduce the behavior of seismic waves using a vibrating table as a base.

Justification

The reasons we wanted to investigate seismic waves were the recent earthquakes that affected Mexico City and several states of the Republic, and left questions to be resolved, so it became necessary to have more knowledge to be able to inform the population about this natural phenomenon.

Disasters are a increasing problem; the impact of natural phenomena, demographic growth and urbanization processes have continuously increased seismic vulnerability. An earthquake of greater intensity is expected to occur and it is better to be informed.

Much of what we know about the Earth comes from the study of seismic waves and how they travel through different types of materials. The tectonic plates are always in movement and when this movement is intense the seismic waves are transmitted in all directions and being able to cross the Earth, they bring us information about the thickness and composition of the internal layers that help to understand the less predictable earthquakes.

The study of seismic waves, the type of wave and type of terrain have different effects on buildings of different magnitude. In Mexico City, its study is an indispensable tool to know the behavior of earthquakes that affect the valley of Mexico and with this apply preventive measures to avoid tragedies, such as the one that was lived several years ago, during the September earthquakes. 1985 and the recent earthquakes of September 7 and 19, 2017.

Conducting tests in the laboratory by the engineers helps to make improvements in the constructive practice so that the buildings are safer, a small house or a building, besides that if unfortunately they suffer from some damage due to an earthquake, it counted with rehabilitation techniques.

Justification

The reasons we wanted to investigate the seismic waves were the recent earthquakes that affected Mexico, the increasing seismic vulnerability of the city and the need to inform society. An earthquake of greater intensity is expected to occur and it is better to be informed.

Much of what we know about the Earth comes from the study of seismic waves and how they travel. They help us understand the unpredictable earthquakes.

The type of wave and type of terrain have different effects on buildings of different magnitude. The use of models helps to make improvements in the constructive practice so that the buildings are safer.

 

Hypothesis

If we can explain the behavior of the seismic waves, then we can show how it affects the surface and we can know more about of the unattainable planet.

Method (materials and procedure)

Chladni plates

Materials:

-Speaker (any type)

-Amplifier of 500 wts

-1 m speaker wire

-Welding

-2 speaker connectors (+ -)

-Silicone gun

-Silicone bars

-Cable 3.5 connector with outputs to RCA

-Compass.

-Insulating tape

-5 cm of 1-inch pvc tube

-1 ¼ inch x 1 inch screw

-2 1/4 safety nuts.

– 4 ½ x 1 ½ inch screws

– 4 ½ inch plastic plugs.

-1 spoonful of fine salt.

-Cell phone.

-APP Frequency Generator.

-Cordless drill.

-Brocks for metal.

–Electric fretsaw.

–Gloves.

-Rule.

– Metal plate of 26×25 cm.

Process

1.-Download APP application on a cell phone to generate frequencies and generate different ways testing with frequencies from 50 to 1000 Hz.

2.- Draw a picture with the help of a compass on the metal plate.

3.-Cut the square with a fretsaw.

4.-Drill a hole on the center of the square.

5.-Fix the screw inside the tube with the help of silicone.

6.-To the center of the speaker paste the pvc tube with silicone.

7.- Place the screws with the plugs in the holes of the speaker.

8.- Place the metal base on the screw and fix it with the help of the nuts.

9.-Since this armed the speaker with the plate, connect the amplifier to the speaker.

10.- Connect the 3.5 cable to the cell phone and the RCA outputs to the amplifier.

11.-Put the sugar on the base.

 

Use the cursor or the telephone keypad to adjust the frequency, then click.

 

Two-dimensional wave box

Materials

-1 glass of 30cm x 30cm with a thickness of 4mm, and with a hole of 2cm2 in all the ends.

-1 glass of 30 cm x 30 cm with a thickness of 6 cm..

-4 glasses of 16 cm x 30 cm with a thickness of 6 cm.

-Water with 4lt blue dye.

–Silicone oil 4lt.

–Silicone tube for glass.

 

Process

1.- Stick the glasses with the help of silicone in such a way that a box is built.

2.- Pour the water with blue dye.

3.- Pour the oil..

4.- Place on the vibrating table to generate the wave movements.

 

Vibrating table

Materials

2 pieces of plank 1 “of: 50 x 13.5 cm

2 piece of 2 “x 35cm plywood

2 wooden slats ¾ “x45cm

1 piece of 1 “plywood of 45 x 50 cm

1 piece of 1 “plywood of 50 x 70 cm

Glue 850, the necessary

6 screws 1 1/2 “of ¼

12 screws ¼ x ½

12 ¼ safety nuts

4 ¼ eyebolts

6 ¼ washers

6 springs of 7cm

4 springs of 5 cm.

1 ¼ Home drill

1 ¼ drill bit.

1 homemade fretsaw

1 flat and cross screwdriver.

1 level

2 squads

1 rule of 30cm

1 tape measure

1 work table

1 pair of work gloves

1 work glasses

 

Process

1.Glue and screw the 2 planks to each end of the 50cm side of the plywood (50x70cm) being perpendicular to the plywood.

2.On the 45x50cm plywood, carry out the following activities:

  1. Paste the 2 plywood pieces of 2 “x 35 cm. at one end of 45 cm. Glue the pieces to 17.5cm and 32.5 perpendicular to the 45cm table. Leaving a projection of 12.5cm.
  2. Glue and screw to each end of the side of 45cm, the canvases of 3/4 “x45 cm, in the canvases the eyelets will be placed 2.5cm from each end left by the external part
  3. Mark a line at 7 cm. of separation of the edge, on the side of 45cm, on the same line mark 3 points at 7, 22.5 and 38 cm, drill the 3 points with the drill and a drill bit of 1/4, perform the same activity on the right side.
  4. Where the perforations were made, place the screws inside each of the holes, the washers should be placed in each of the springs in the first round covered the center of the spring, place the springs with the washers on the screws and with the Nut hold them firmly.
  1. On each of the planks place two eyebolts at the corners above 2.5 and 5 cm. from each corner. There the 5 cm springs are fastened. That also will be subject to the eyebolts of the previous plywood.

 

Small structures to make evidence on the table:

  1. a) Wavelength tester:

1 piece of plywood of 50 x 10 cm

6 fretsaws of 32 cm.

10 brackets of 2cm.

15 screws.

15 nuts

5 circular donut shaped magnets 150g.

 

1.- On the plywood, mark 5 points

.2.- On each of the points put pressed with two brackets and screws and nuts the fretsaws. except for point F in which two segments will be placed.

3.- In each one of the segments place the magnets. On point F, place the magnet in the central part between the two segments. The distances of the magnets of the plywood to the tip of the blade are: fretsaw A: 30 cm, B: 10 cm, C: 15 cm., D: 23, F: 15 cm.

 

  1. b) Structures for movement tests:

24 MDF tables of! 0 x 10 cm

48 sticks for 15 cm brochette

48 sticks for 17.5 cm skewer

Glue.

Drill.

1/8 “drill bit

Pad with sand of 500g.

 

Process

1.- To each of the tables make 4 perforations, in each corner.

2.-In each corner place the sticks of 15cm building cubes with a base and three levels.

3.-Build three equal structures. With the following variations for structure B and C. On the diagonals, the 17.5 cm sticks will be placed.

4.- The structures with the pad will be placed on the vibrating table.

Results

Images could be formed on the plates in response to the frequencies emitted by the app and the amplifier. It was possible to replicate the Chladni patterns, originated by standing waves that travel on the surface of a plate subjected to diverse frequencies. Several patterns were observed of which six correspond to the patterns registered by Chladni with frequencies of 50 to 1000 Hz.

The two-dimensional waves model allows us to explain how a wave propagates in two dimensions. When moving the box the waves propagate to the center and this happens because when the waves that propagate in opposite directions collide, they gather their energies.

When the box moved, in the case of two waves that collide – what happens in earthquakes – the wave energies produce 2 phenomena

1. The resulting wave is the sum of the energies of the waves involved (constructive interference, wave of greater                      amplitude).

  1. The opposite effect is the destructive interference in which the energy of one wave cancels the energy of another. This depends on the phase of the wave.

 

The structures that were placed on the vibrating table allow a brief dynamic analysis of the structures explaining the concept of period (time it takes to go and return a structure to the same point) that is to complete a cycle. The movement can be faster or slower but the period is always the same. High buildings have a long period, low buildings, short period. The mass (magnet or pad) moved to different heights to vary the period and observe that the lower the mass the period is also shorter. This shows how depending on the movement of the earth is the damage that is caused to a greater or less degree to different types of buildings or houses. The rod F demonstrates how a damping system can prevent serious damage to buildings.

 

Discussion

The speaker used was obtained from a subwoofer, therefore it is designed to produce bass sounds, so it is not possible to generate high frequencies and for the same reason a wide range of figures is not generated on the plates. The speaker allowed to generate useful vibrations to explain the subject of seismic waves. The figures that were obtained were from 50Hz to 1000Hz. Before and after these frequencies no figures are obtained by the type of speaker. Nodes and antinodes are observed.

In the vibratory tables are placed for testing structural models on a small scale but for the present project was only used to explain and report on the effects of long and short waves in the structures produced.

The vibrating tables generally use a lot of technology and money in their preparation because they are a key tool to study the effects of seismic waves on structures. The vibratory table that has been prepared for the present project, even though it is made of wood and of manual handling, allows to control the different periodic movements of the structures with loads at different heights simulating a house or a building. And make comparisons between the 1985 and 2017 earthquakes that occurred in Mexico.

The box allowed to observe the behavior of the waves in liquids of different density. When using silicon oil and water, the waves are observed slowly allowing observing wave characteristics such as: constructive interference, destructive interference, reflection and refraction, nodes and antinodes.

It is also observed that: The speed of propagation depends on the characteristics of the medium and that the wave frequency is the same as that of the source that originates it.

Conclusions

Most of the destruction caused by earthquakes is the result of the  structures collapse such as skyscrapers, hospitals and bridges. Deep knowledge in seismic engineering over waves and their simulation in models with experimental techniques in the construction of earthquake-resistant structures help save lives by designing structures that can withstand the violent jolts of unpredictable earthquakes. What is known about the depths of the Earth comes from the study of seismic waves and how they travel. The type of wave and type of terrain have different effects on buildings of different magnitude.

One of these techniques are dynamic tests on vibrating tables. The vibratory table realized for this project turned out to be versatile and economic tool of low capacity for small scale structural models that can be very useful in didactic environment.

Learning to live with earthquakes means adaptation to the seismic condition and not fear. You have to educate for prevention and for behavior that can withstand the impact of a disaster. Adaptation reduces physical and human vulnerability, protects communities and provides a valuable element to reduce damage.

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