Manual de diseno por sismo CFE- PDF

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2008 COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES DISEÑO POR SISMO MÉXICO | 2008 COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD DIRECTORIO I ng. Alfredo Elías Ayub Director General Dr. Florencio Aboytes García Subdirector de Programación Lic. Manuel Garza González Coordinador del Programa de...

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Manual de diseno por sismo CFEIngenieria Civil

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SECCIÓN 3.1 ESPECT ROS DE DISEÑO SÍSMICO PARA EL T ERRIT ORIO MEXICANO Subgerencia de Est udios Geot ecnicos CFE Sismo 08 VK Rafael Quiroga SISMO CFE Jesús Suárez

2008

COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES DISEÑO POR SISMO

MÉXICO | 2008

COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD DIRECTORIO I ng. Alfredo Elías Ayub Director General

Dr. Florencio Aboytes García Subdirector de Programación

Lic. Manuel Garza González Coordinador del Programa de Ahorro de Energía del Sector Eléctrico

I ng. Néstor Moreno Díaz Director de Operación

I ng. Luis Carlos Hernández Ayala Subdirector de Generación

I ng. Jesús A. Buentello García Subdirector de Energéticos y Seguridad

I ng. Noé Peña Silva Subdirector de Transmisión

I ng. José Abed Valdez Campoy Subdirector de Distribución

I ng. Gustavo Alonso Salvador Torres Subdirector del Centro Nacional de Control de Energía

Lic. Fernando José Bueno Montalvo Director de Administración

Lic. Francisco Javier Santoyo Vargas Director de Finanzas

I ng. Rodolfo Nieblas Castro Director de Modernización y Cambio Estructural

I ng. Eugenio Laris Alanís Director de Proyectos de Inversión Financiada

I ng. Alberto Ramos Elorduy Subdirector de Desarrollo de Proyectos

Lic. Carlos Ortíz y Farfán Subdirector de Contratación de Proyectos de Inversión Financiada

I ng. Benjamín Granados Domínguez Subdirector de Proyectos y Construcción

Dr. Humberto Marengo Mogollón Coordinador de Proyectos Hidroeléctricos

Fís. Juan Manuel Rodríguez Álvarez Coordinador de Proyectos Termoeléctricos

I ng. César Fernando Fuentes Estrada Coordinador de Proyectos de Trasmisión y Transformación

I ng. Gustavo Arvizu Lara Gerente de Estudios de Ingeniería Civil

I ng. Jesús Enrique Mena Sandoval Subgerente de Comportamiento de Estructuras

Lic. Rubén López Magallanes Órgano Interno de Control

PRÓLOGO El Manual de Diseño de Obras Civiles, desde su primera edición en 1969, incorpora los conocimientos tecnológicos y experiencia fruto del intenso trabajo de ingenieros y especialistas de la Comisión Federal de Electricidad, y de investigadores mexicanos de universidades y centros de investigación, derivados del diseño, ejecución y operación de las obras que realiza la CFE. Durante su vida, el Manual ha sido objeto de revisiones totales y parciales, hasta llegar a ser un documento de referencia indispensable para muchas de las obras de ingeniería que se construyen en el país y en Latinoamérica. El total de capítulos del Manual constituyen una obra de dimensiones incalculables para la ingeniería mexicana, ya que refleja lo mejor de sus experiencias y conocimientos. Su amplio contenido de vanguardia lo han convertido además en un texto complementario en universidades y centros educativos de las áreas de ingeniería. La presente edición revisada del capítulo de Diseño por Sismo incorpora la información sísmica de esta última década, así como los resultados de numerosos estudios de sus efectos en estructuras modernas, y constituye un ejemplo más del esfuerzo que la Comisión Federal de Electricidad realiza para consolidarse como una empresa de clase mundial.

Ing. Alfredo Elías Ayub Director General

México, D.F., diciembre de 2008

COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES SECCIÓN C. ESTRUCTURAS TEMA 1. CRITERIOS DE DISEÑO CAPÍTULO 3:

DISEÑO POR SISMO

Diseño de Portada: Departamento de Difusión, IIE

DIRECTORIO Elaboración Colaboración

Colaboración Externa

Comité Técnico de CFE

Coordinación Revisión Técnica

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)

Dr. Ulises Mena Hernández Dr. Luis Eduardo Pérez Rocha

(1) (1)

Dr. Alberto López López M. I. Jorge Iván Vilar Rojas M. I. Miguel Ángel Guzmán Barriga M. I. Nicolás Melchor García M. I. Oliver Elimelec Nava Tristán Ing. Ismael Eduardo Arzola Nuño

(1) (1) (1) (1) (1) (1)

Dr. Arturo Tena Colunga Dr. Hugo Hernández Barrios Dr. Javier Avilés López Dr. José de Jesús Álvarez Sereno Dr. José Manuel Jara Guerrero Dr. Juventino Carlos Reyes Salinas Dr. Manuel Jara Díaz Dr. Mario Ordaz Schroeder Dr. Xiangyue Li Liu M. I. Claudia Marcela González Blandón Ing. José Alejandro Gómez Hernández

(5) (3) (6) (3) (3) (8) (3) (4) (6) (4) (9)

Ing. Alejandro Razo Hernández Ing. Elisa Andrade Ocádiz Ing. Enrique Domínguez García Ing. Federico Hach Gómez Llanos Ing. Fernando De Artola Noble Ing. Gherman Castellanos Román Ing. Jorge Ocampo Toledo Ing. José Francisco Fernández Romero Ing. Luis Enrique Hernández Cruz Ing. Martín Sánchez Muñoz Ing. Oscar Luna González

(2) (2) (2) (2) (2) (2) (2) (2) (2) (2) (2)

M. I. Enrique Mena Sandoval Dr. Vicente Alfredo Guerrero Flores

(2) (1)

Dr. Enrique Tamez González Dr. Fortunato Espinoza Barreras Dr. Francisco José Sánchez Sesma Dr. Luis Esteva Maraboto Dr. Roberto Meli Piralla Dra. Sonia Ruiz Gómez

(9) (7) (4) (4) (4) (4)

Instituto de Investigaciones Eléctricas Comisión Federal de Electricidad Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo Instituto de Ingeniería. Universidad Nacional Autónoma de México Universidad Autónoma Metropolitana Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Universidad Autónoma de Baja California Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Consultor

Diseño de Portada: Departamento de Difusión, IIE

Agradecimientos Est a obra ha sido elaborada gracias al apoyo y aport ación financiera de la Gerencia de Est udios de I ngeniería Civil, de la Com isión Federal de Elect ricidad. In memóriam La realización de la act ualización del Capít ulo de Diseño por Sism o, fue gracias al im pulso t enaz y perseverant e del Dr. Vicent e Alfredo Guerrero Flores

quien

fuera

Gerent e

de

I ngeniería

Civil

del

I nst it ut o

de

I nvest igaciones Eléct ricas y coordinador de est os t rabaj os. Con gran reconocim ient o de sus am igos y colaboradores se concluyó la present e obra.

Derechos reservados por: Comisión Federal de Electricidad. Río Ródano núm. 14, Col. Cuauhtémoc, Del. Cuauhtémoc, C. P. 06598, México, D. F. Esta edición y sus características son propiedad de la Comisión Federal de Electricidad, México. Impreso en México, 2008

Copyright 2008.

PREFACIO MANUAL DE DISEÑO POR SISMO, EDICIÓN 2008 La int ensidad del m ovim ient o sísm ico es uno de los peligros al que est án expuest as las const rucciones. Para t om ar en cuent a el peligro sísm ico, frecuent em ent e se recurre al uso de espect ros de diseño que dependen, ent re ot ros aspect os, de la cercanía del sit io a las fuent es generadoras de t em blores y de las condiciones locales del t erreno. En el pasado, est o se resolvió m ediant e una regionalización sísm ica del t errit orio m exicano que consist ía en cuat ro zonas, y una clasificación en t res t ipos de t erreno. Se proporcionó una form a funcional del espect ro de cinco parám et ros consignados en una t abla en que se at endía la zona sísm ica y el t ipo de t erreno. El usuario det erm inaba la zona sísm ica en una cart a de Regionalización Sísm ica de la República Mexicana. Cuando la det erm inación era am bigua, se recom endaba t om ar los parám et ros est ipulados para la zona de m ayor sism icidad. Se procedía con una clasificación del t ipo de t erreno en función de dos parám et ros: el periodo dom inant e y la velocidad de propagación de ondas de cort e en el sit io. Com o result ado se t enían doce espect ros de diseño regionales, que cubrían grandes sect ores de la República y una gran variedad de condiciones del t erreno. En part icular, para t errenos t ipo I I y I I I se t om aban

en

cuent a,

im plícit am ent e,

los

efect os

de

am plificación

dinám ica y de no linealidad. Si se conocía el periodo del t erreno se prem ian algunas m odificaciones en los lím it es de la m eset a espect ral. Est a form a de proceder fue bien acept ada en la com unidad porque, a pesar de su sim plicidad, fue un gran avance en la descripción de las variaciones de las int ensidades sísm icas debidas a la cercanía del sit io a las fuent es sísm icas y al t ipo de t erreno. Adem ás, sent ó las bases del diseño sísm ico ópt im o.

No obst ant e, es posible y convenient e hacer una descripción del peligro sísm ico con m ayor refinam ient o porque, ent re ot ros aspect os: a) se t ienen avances recient es en m at eria de sism ología y sism icidad, b) los avances en t ecnología com put acional y la disponibilidad de recursos de cóm put o convencionales en el sect or eléct rico, en em presas de servicios de ingeniería y en inst it uciones de educación superior lo perm it en y c) en la práct ica de la ingeniería en México se reconoce que las fuerzas sím icas varían m exicano y

significat ivam ent e dent ro

que no pueden ser

del t errit orio

descrit as, con det alle, con una

regionalización sísm ica de cuat ro zonas. En est a versión, se sum inist ran espect ros de diseño sísm ico con variaciones cont inuas dent ro del t errit orio m exicano que se aj ust an a la m ayoría de las condiciones del t erreno com unes en la práct ica. Est os espect ros son t ransparent es, es decir, carecen de reducciones aj enas al peligro sísm ico. Por ello pueden parecer significat ivam ent e m ayores que los propuest os en el capít ulo de diseño por sism o de la edición de 1993 del MDOC. En el cuerpo del present e capít ulo se explica com o t om ar en cuent a reducciones debidas a la sobrerresist encia est ruct ural en for m a explícit a. Los espect ros así reducidos son com parables con los recom endados en el pasado.

De est a m ism a form a, los avances en m at eria de ingeniería sísm ica e ingeniería est ruct ural, han perm it ido refinar los crit erios de diseño sísm ico de est ruct uras, basándose en m odelos m at em át icos m ás com plej os,

pero que gracias a la nueva era inform át ica pueden

resolverse rápidam ent e. Adem ás, los avances t ecnológicos han hecho posible corroborar los result ados de los m odelos m at em át icos con m odelos en laborat orio a escala real, lo que le da una m ayor validez a las recom endaciones propuest as en las norm as.

El present e capít ulo, ha sido elaborado de acuerdo con el form at o original de la serie del m anual, que consist e en recom endaciones, com ent arios y ayudas de diseño. Adicionalm ent e, se proporciona el program a PRODI SI S ( Program a para Diseño Sísm ico) , par a la obt ención del valor de la aceleración m áxim a del t erreno rocoso en cualquier part e del país, generación de acelerogram as sint ét icos y espect ros de diseño.

Finalm ent e, est a nueva versión del Capít ulo de Diseño por Sism o incorpora la revisión y act ualización de los t em as cont enidos en la versión de 1993 ( edificios, péndulos invert idos y apéndices, m uros de ret ención, chim eneas, t anques, naves indust r iales, puent es, t uberías y presas de concret o) e incluye los t em as de aislam ient o sísm ico y disipación

de

energía,

t orres

de

t elecom unicación,

t úneles,

cim ent aciones y presas de t ierra y enrocam ient o.

DR. ULI SES MENA HERNÁNDEZ DR. LUI S EDUARDO PÉREZ ROCHA Gerencia de Ingeniería Civil Instituto de Investigaciones Eléctricas Diciembre, 2008

ÍNDICE GENERAL

SECCIÓN 3.1.

ESPECTROS DE DISEÑO SÍSMICO PARA EL TERRITORIO MEXICANO ..................................................... 1

SECCIÓN 3.2.

CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS .......................... 21

SECCIÓN 3.3.

ESTRUCTURAS TIPO 1: ESTRUCTURAS DE EDIFICIOS ............................................................................. 33

SECCIÓN 3.4.

ESTRUCTURAS TIPO 2: PÉNDULOS INVERTIDOS Y APÉNDICES ....................................................................... 59

SECCIÓN 3.5.

INTERACCIÓN SUELO–ESTRUCTURA ............................... 69

SECCIÓN 3.6.

ESTRUCTURAS TIPO 3: MUROS DE RETENCIÓN ............ 89

SECCIÓN 3.7.

ESTRUCTURAS TIPO 4: CHIMENEAS, SILOS Y SIMILARES ............................................................................ 101

SECCIÓN 3.8.

ESTRUCTURAS TIPO 5: TANQUES, DEPÓSITOS Y SIMILARES ............................................................................ 115

SECCIÓN 3.9.

ESTRUCTURAS TIPO 6: ESTRUCTURAS INDUSTRIALES ..................................................................... 135

SECCIÓN 3.10. ESTRUCTURAS TIPO 7: PUENTES ..................................... 147 SECCIÓN 3.11. ESTRUCTURAS TIPO 8: TUBERÍAS .................................... 169 SECCIÓN 3.12. ESTRUCTURAS TIPO 9: PRESAS ....................................... 187 SECCIÓN 3.13. AISLAMIENTO SÍSMICO Y DISIPACIÓN DE ENERGÍA ............................................................................... 241 SECCIÓN 3.14. ESTRUCTURAS TIPO 11: TORRES DE TELECOMUNICACIÓN ......................................................... 279 SECCIÓN 3.15. ESTRUCTURAS TIPO 12: TÚNELES ................................... 297 SECCIÓN 3.16. ESTRUCTURAS TIPO 13: CIMENTACIONES ...................... 309

SECCIÓN 3.1 ESPECTROS DE DISEÑO SÍSMICO PARA EL TERRITORIO MEXICANO

1

SECCIÓN 3.1

2

ESPECTROS DE DISEÑO SÍSMICO PARA EL TERRITORIO MEXICANO

ÍNDICE NOMENCLATURA .................................................................................................. 5 3.1.1

INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 7

3.1.2

PELIGRO SÍSMICO EN MÉXICO .......................................................................... 8

3.1.3 3.1.3.1

DISEÑO ÓPTIMO ................................................................................................... 8 Factor de Importancia estructural y estado límite de servicio ................................. 10

3.1.4 3.1.4.1 3.1.4.2 3.1.4.3

RESPUESTA DINÁMICA DEL TERRENO ............................................................ 10 Caracterización del sitio .......................................................................................... 11 Determinación de las propiedades dinámicas del suelo ........................................ 11 Determinación del periodo dominante del sitio y de la velocidad efectiva ............. 12

3.1.5 3.1.5.1 3.1.5.1.1

FACTORES DEPENDIENTES DEL SITIO ............................................................. 12 Factores de terreno rocoso .................................................................................... 13 Aceleración máxima en terreno rocoso a 0r ............................................................ 13

3.1.5.1.2 3.1.5.2 3.1.5.2.1 3.1.5.2.2 3.1.5.3 3.1.5.3.1 3.1.5.3.2

Factor de distancia Fd .............................................................................................. 13 Factores de comportamiento lineal del suelo ......................................................... 13 Factor de sitio Fs ..................................................................................................... 13 Factor de respuesta Fr ............................................................................................ 14 Factores de comportamiento no lineal del suelo .................................................... 14 Factor de no linealidad Fnl ....................................................................................... 14 Factor de velocidad Fv ............................................................................................. 15

3.1.6 3.1.6.1 3.1.6.2 3.1.6.3 3.1.6.4 3.1.6.5 3.1.6.6 3.1.6.7 3.1.6.8

ESPECTROS DE DISEÑO ..................................................................................... 16 Aceleración máxima del terreno a0 .......................................................................... 17 Ordenada espectral máxima o coeficiente de diseño c........................................... 17 Periodos característicos del espectro Ta y Tb .......................................................... 17 Caída de la rama espectral descendente k............................................................. 18 Factor de amortiguamiento β .................................................................................. 18 Espectros de diseño para estructuras del Grupo A y A+ ....................................... 18 Espectros de diseño para el estado límite de servicio ............................................ 19 Espectro de desplazamiento Sd ............................................................................. 19

3.1.7

ACELEROGRAMAS REPRESENTATIVOS DEL PELIGRO SÍSMICO .................. 20

3

SECCIÓN 3.1

4

ESPECTROS DE DISEÑO SÍSMICO PARA EL TERRITORIO MEXICANO

NOMENCLATURA a a0 a

r 0

aref c Dmax fsd Fd Fnl Fs Fr Fv g Gn hn Hs k N ps r Ta

Aceleración espectral normalizada con la gravedad Aceleración máxima del terreno Aceleración máxima del terreno rocoso Aceleración de referencia igual a 400 cm/s2 Aceleración máxima espectral o coeficiente sísmico

Tb Tc

Te ie T

Desplazamiento máximo del terreno Función del periodo dominante del sitio Ts y del factor de distancia Fd Factor de distancia Factor de no linealidad Factor de sitio Factor de respuesta Factor de velocidad Aceleración de la gravedad Módulo de rigidez en cortante del n– ésimo estrato, igual a γ vs2/g Espesor del n–ésimo estrato Espesor total del estrato del terreno Parámetro que controla la caída de la ordenada espectral para Te ≥ Tb Número de estratos Contraste de impedancias mecánicas suelo–roca Parámetro que controla la caída de las ordenadas espectrales para Tb ≤ Te < Tc Límite inferior de la meseta del espectro de diseño

Ts T s′ Tr Tref Sa Sd v0 vi vs v s′

β γn γs γ0 ζe ζs

5

Límite superior de la meseta del espectro de diseño Periodo de inicio de la rama descendente en que los desplazamientos espectrales tienden correctamente al desplazamiento del terreno Periodo estructural Periodo estructural efectivo Periodo dominante del sitio Periodo equivalente del sitio (con efectos de no linealidad) Periodo de retorno Periodo de referencia Ordenada espectral de aceleración Ordenada espectral de desplazamiento Velocidad de propagación de ondas del semiespacio ≥ 720 m/s Velocidad de propagación de ondas de corte del i–ésimo estrato Velocidad efectiva de propagación de ondas de corte en el estrato Velocidad equivalente (con efectos de no linealidad) Factor de amortiguamiento Peso volumétrico del n–ésimo estrato Peso volumétrico del suelo o peso volumétrico promedio de los estratos Peso volumétrico de la roca Amortiguamiento estructural Amortiguamiento del suelo

SECCIÓN 3.1

6

ESPECTROS DE DISEÑO SÍSMICO PARA EL TERRITORIO MEXICANO

3.1.1

INTRODUCCIÓN

Para la concepción de los esp...