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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 Ing. Alfredo Elías Ayub Director General Dr. Florencio Aboytes García Subdirector de Programación Lic. Manuel Garza González Coordinador del Programa de ...

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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 Ing. 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

Ing. Néstor Moreno Díaz Director de Operación

Ing. Luis Carlos Hernández Ayala Subdirector de Generación

Ing. Jesús A. Buentello García Subdirector de Energéticos y Seguridad

Ing. Noé Peña Silva Subdirector de Transmisión

Ing. José Abed Valdez Campoy Subdirector de Distribución

Ing. 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

Ing. Rodolfo Nieblas Castro Director de Modernización y Cambio Estructural

Ing. Eugenio Laris Alanís Director de Proyectos de Inversión Financiada

Ing. Alberto Ramos Elorduy Subdirector de Desarrollo de Proyectos

Lic. Carlos Ortíz y Farfán

Subdirector de Contratación de Proyectos de Inversión Financiada

Ing. 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

Ing. César Fernando Fuentes Estrada Coordinador de Proyectos de Trasmisión y Transformación

Ing. Gustavo Arvizu Lara

Gerente de Estudios de Ingeniería Civil

Ing. 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 Esta obra ha sido elaborada gracias al apoyo y aportación financiera de la Gerencia de Estudios de Ingeniería Civil, de la Comisión Federal de Electricidad. In memóriam La realización de la actualización del Capítulo de Diseño por Sismo, fue gracias al impulso tenaz y perseverante del Dr. Vicente Alfredo Guerrero Flores

quien

fuera

Gerente

de

Ingeniería

Civil

del

Instituto

de

Investigaciones Eléctricas y coordinador de estos trabajos. Con gran reconocimiento de sus amigos y colaboradores se concluyó la presente 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 intensidad del movimiento sísmico es uno de los peligros al que están expuestas las construcciones. Para tomar en cuenta el peligro sísmico, frecuentemente se recurre al uso de espectros de diseño que dependen, entre otros aspectos, de la cercanía del sitio a las fuentes generadoras de temblores y de las condiciones locales del terreno. En el pasado, esto se resolvió mediante una regionalización sísmica del territorio mexicano que consistía en cuatro zonas, y una clasificación en tres tipos de terreno. Se proporcionó una forma funcional del espectro de cinco parámetros consignados en una tabla en que se atendía la zona sísmica y el tipo de terreno. El usuario determinaba la zona sísmica en una carta de Regionalización Sísmica de la República Mexicana. Cuando la determinación era ambigua, se recomendaba tomar los parámetros estipulados para la zona de mayor sismicidad. Se procedía con una clasificación del tipo de terreno en función de dos parámetros: el periodo dominante y la velocidad de propagación de ondas de corte en el sitio. Como resultado se tenían doce espectros de diseño regionales, que cubrían grandes sectores de la República y una gran variedad de condiciones del terreno. En particular, para terrenos tipo II y III se tomaban en cuenta, implícitamente, los efectos de amplificación dinámica y de no linealidad. Si se conocía el periodo del terreno se premian algunas modificaciones en los límites de la meseta espectral. Esta forma de proceder fue bien aceptada en la comunidad porque, a pesar de su simplicidad, fue un gran avance en la descripción de las variaciones de las intensidades sísmicas debidas a la cercanía del sitio a las fuentes sísmicas y al tipo de terreno. Además, sentó las bases del diseño sísmico óptimo.

No obstante, es posible y conveniente hacer una descripción del peligro sísmico con mayor refinamiento porque, entre otros aspectos: a) se tienen avances recientes en materia de sismología y sismicidad, b) los avances en tecnología computacional y la disponibilidad de recursos de cómputo convencionales en el sector eléctrico, en empresas de servicios de ingeniería y en instituciones de educación superior lo permiten y c) en la práctica de la ingeniería en México se reconoce que las fuerzas símicas varían significativamente dentro del territorio mexicano y que no pueden ser descritas, con detalle, con una regionalización sísmica de cuatro zonas. En esta versión, se suministran espectros de diseño sísmico con variaciones continuas dentro del territorio mexicano que se ajustan a la mayoría de las condiciones del terreno comunes en la práctica. Estos espectros son transparentes, es decir, carecen de reducciones ajenas al peligro sísmico. Por ello pueden parecer significativamente mayores que los propuestos en el capítulo de diseño por sismo de la edición de 1993 del MDOC. En el cuerpo del presente capítulo se explica como tomar en cuenta reducciones debidas a la sobrerresistencia estructural en forma explícita. Los espectros así reducidos son comparables con los recomendados en el pasado.

De esta misma forma, los avances en materia de ingeniería sísmica e ingeniería estructural, han permitido refinar los criterios de diseño sísmico de estructuras, basándose en modelos matemáticos más complejos, pero que gracias a la nueva era informática pueden resolverse rápidamente. Además, los avances tecnológicos han hecho posible corroborar los resultados de los modelos matemáticos con modelos en laboratorio a escala real, lo que le da una mayor validez a las recomendaciones propuestas en las normas.

El presente capítulo, ha sido elaborado de acuerdo con el formato original de la serie del manual, que consiste en recomendaciones, comentarios y ayudas de diseño. Adicionalmente, se proporciona el programa PRODISIS (Programa para Diseño Sísmico), para la obtención del valor de la aceleración máxima del terreno rocoso en cualquier parte del país, generación de acelerogramas sintéticos y espectros de diseño.

Finalmente, esta nueva versión del Capítulo de Diseño por Sismo incorpora la revisión y actualización de los temas contenidos en la versión de 1993 (edificios, péndulos invertidos y apéndices, muros de retención, chimeneas, tanques, naves industriales, puentes, tuberías y presas de concreto) e incluye los temas de aislamiento sísmico y disipación

de

energía,

torres

de

telecomunicación,

túneles,

cimentaciones y presas de tierra y enrocamiento.

DR. ULISES MENA HERNÁNDEZ DR. LUIS 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 espectros estipulados en este Manual se formuló la siguiente filosofía: ¾ Los espectros de diseño varían en forma continua dentro del territorio mexicano.

¾ La construcción de los espectros de diseño se inicia con un parámetro relacionado con el peligro sísmico, que es la aceleración máxima en terreno rocoso, y se continúa con factores con que se toman en cuenta las condiciones del terreno.

¾ Las aceleraciones máximas en roca están asociadas a coeficientes de diseño que son óptimos para el estado límite de colapso de estructuras del Grupo B y corresponden a periodos de retorno que varían espacialmente en forma continua. ¾ Los espectros de diseño son transparentes, es decir, carecen de factores de reducción ajenos al peligro sísmico.

¾ Las ordenadas espectrales corresponden al 5% del amortiguamiento crítico estructural. Podrán modificarse cuando se j...