INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS Sección de Estudios de Posgrado e Investigación COMPORTAMIENTO NO-LINEAL DE MARCOS ESTRUCTURALES DE CONCRETO DE PUENTES URBANOS UBICADOS EN ZONAS SÍSMICAS T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN ESTRUCTURAS PRESENTA MARCELINO CRUZ GONZÁLEZ DIRECTOR DR. HÉCTOR A. SÁNCHEZ SÁNCHEZ MÉXICO, D.F. 2008 Dar gracias es admitir el valor de lo que se ha recibido Dar gracias es aceptar lo necesario que ha sido el apoyo Dar gracias es reconocer a quienes han participado para lograr el objetivo Por lo cual agradezco al jurado, integrado por el Dr. Francisco Casanova del Angel, Dr. Maria de la Consolación Gómez Soberon, Dr. Esteban Flores Méndez, Dr. Norberto Domínguez Ramírez y al Dr. Jorge Luis Alamilla López quien proporciono los registro sísmicos sintéticos empleados en esta tesis, a los que participaron en la comisión revisora Dr. Joel A. García Vargas y Dr. Esteban Astudillo de la Vega. Agradezco al Dr. Héctor Sánchez Sánchez, director de esta tesis, por el apoyo invaluable en mi formación profesional. De manera muy especial agradezco al M.I. José Raúl Vélez Martínez, así como al M.I. José Eduardo Romero López por su incondicional apoyo en la culminación de esta tesis. A las instituciones que me apoyaron, como CoSNET, IPN, y DIICSA. Margarita González Estrada Roberto Cruz López para quienes me dieron el don de la vida Laura Cruz González Estela Cruz González para mis queridas hermanitas Jesús Antonio David Andrés Andrea Jaqueline Rafael Ángel Víctor Emmanuel para los que hoy son niños y mañana serán adultos íntegros y felices Margarita García Pérez para quien me tiene un inmenso amor RESUMEN En 1989, durante el sismo de Loma Prieta, varias estructuras de puentes se vieron fuertemente dañadas. El viaducto Cypress Street, formado por un marco estructural de dos niveles, fue seriamente dañado debido a que muchos de sus tramos presentaron colapso. Esto ha llamado la atención de varios investigadores que han tratado de explicar cómo se originó la falla. Algunos resultados en el análisis en el tiempo han indicado que el colapso se inició por una falla en la región del pedestal. Los marcos estructurales de dos niveles han sido empleados en la construcción en los viaductos de la Ciudad de México. Uno de ellos es el viaducto San Antonio, que une al viaducto Miguel Alemán con el Periférico Sur. Las estructuras construidas en zonas altamente sísmicas, como la zona del lago de la Ciudad de México, pueden manifestar un alto riesgo, por lo que es necesario estudiar a este tipo de sistemas, para considerar las fallas a las que pudieran estar sujetos y que permitan prever el colapso, como sucedió en el viaducto Cypress Street. La estructura en estudio es un marco rígido de dos niveles, el cual se modeló como un ensamble de elementos bidimensionales. Las columnas fueron modeladas como elementos de sección constante, con zonas rígidas en las uniones con los nodos, y los cabezales se modelaron como elementos de sección variable, con zonas rígidas en las uniones con los nodos. El modelo fue discretizado en pequeños elementos que cambian sus propiedades mecánicas y geométricas. Para realizar el análisis no lineal se utilizaron seis registros sísmicos simulados mediante procesos estocásticos, modulados en amplitud y frecuencia, con propiedades evolutivas dependientes de las características de las fuentes sísmicas cercanas (magnitud y distancia). Los resultados del análisis en el tiempo indican que, los actuales procedimientos de cálculo de desplazamientos inelásticos, no contemplan una adecuada estimación por comportamiento no-lineal, lo que provoca que el marco presente menores distorsiones a las recomendadas por el Reglamento de Construcciones del Distrito Federal (RCDF-2004), con un daño permanente. Además, la respuesta de la estructura fue diferente, debido a que depende de la fuente y origen de los registros sísmicos. - ix - ABSTRACT In 1989, some bridges structures presented major damage during the Loma Prieta earthquake at California. Cypress Street Viaduct was a two-level elevated freeway structure, which collapsed catastrophically crushing cars and trucks as the second level pancaked onto the first level. For research community, the study of performance of this kind of viaduct is very important to understand bridge behavior and to improve design practice. The results of time-history analyses indicate that collapse was initiated by a shear failure of the pedestal regions. At the present, two-level elevated viaducts have been built in the Mexico City. San Antonio Viaduct is part of the transport system, and it is linking Miguel Alemán Viaduct with south Periférico. Structures placed in seismic areas, as soft soil México valley, can hope their performance very affected. Therefore they could be vulnerable to damage in future earthquakes, and so, it provides an excellent opportunity to evaluate their seismic response and prevent collapsed. This research is focused to study the behavior and structural response of the viaducts type frame of prestressed concrete placed in the typically soft soil of the Mexico valley. The structures were modeled as an assemblage of small members where they modify their geometrical and mechanical properties. The columns were modeled as constant section members with rigid zones in joint regions, and the hammer heads were modeled as tapered members with rigid zones in joint regions. The model was analyzed by six synthetic ground acceleration records to obtain time-histories. The synthetic records were obtained from a stochastic process modulated in amplitude and frequency with evolutionary properties that it depends on the characteristics of source (magnitude and distance). The numerical results obtained in this research, show that procedures implemented in the regulations or codes to estimate the total inelastic deformations do not take into account a rational nonlinear behavior, therefore it provides minor lateral deformations (drifts) than those allowed by Reglamento de Construcciones del Distrito Federal (RCDF-2004), with a permanent structural damage. - xi - CONTENIDO GENERAL Pág. ix RESUMEN Xi ABSTRACT Contenido xiii Lista de figuras xvii Lista de tablas xxi Simbología xxiii CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS ESTRUCTURAS DE PUENTES 1.1. Introducción 2 1.2. Antecedentes 3 1.2.1. Evolución de la ingeniería de puentes 3 1.2.2. Daño en el viaducto de dos niveles Cypress Street 8 1.2.3. Estudios de las estructuras de puentes urbanos 11 1.3. Objetivo general 16 1.3.1. Objetivos específicos 16 1.4. Metas 17 1.5. Justificación 17 1.6. Contenido de la tesis 18 CAPÍTULO 2 ASPECTOS DE LOS PUENTES URBANOS VEHICULARES EN MÉXICO 2.1. Introducción 20 2.2 Configuraciones estructurales 20 2.2.1. Tipo árbol ó péndulo 20 2.2.2. Tipo marco 22 2.2.3. Tipo marcos de dos niveles 24 2.3. Elementos del sistema estructural 26 2.3.1. Infraestructura ó cimentación 27 2.3.2. Subestructura 28 2.3.3. Superestructura 29 2.4. Características de los puentes urbanos vehiculares en la Ciudad de México 33 2.4.1. Red del sistema de transporte colectivo 34 2.4.2. Sistema de transporte vehicular urbano 36 - xiii -