7. Flexión pura

7.1. Introducción.

Viga para flexión pura

Sea la viga de la figura, los diagramas de solicitaciones son los que se muestran a continuación:

Un trozo de viga se dice que trabaja a flexión pura cuando en cualquier sección de ese trozo solo existe momento flector.

Un trozo de viga se dice que trabaja a flexión simple cuando en cualquier sección de ese trozo existe momento flector y esfuerzo cortante.

Un trozo de viga se dice que trabaja a flexión compuesta cuando en cualquier sección de ese trozo existe momento flector, esfuerzo cortante y esfuerzo normal.

7.2. Hipótesis de NAVIER o de SECCIONES PLANAS.

Para el estudio dela flexión pura, vamos a plantear la siguiente hipótesis de Navier: “Las secciones planas y perpendiculares al eje de la viga antes de la deformación, siguen siendo planas y perpendiculares al eje de la viga después de la deformación”.

Secciones en vigaPlanteada esta hipótesis, vamos a ver como se deforma el trozo de viga comprendido entre las secciones 1-1 y 2-2.

Flexión de la vigaSe observa que hay fibras tales como las de arriba que se acortan y otras tales como las de abajo que se alargan. También existen un conjunto de fibras que ni se acortan ni se alargan. A éstas se las llama fibras neutras. Todas las fibras neutras forman la superficie neutra de la viga.

Se llama línea neutra de una sección, a la intersección de esa sección con la superficie neutra. Se puede demostrar que la línea neutra pasa por el c.d.g. de la sección.

Trozo de vigaTomemos un trozo de viga que antes de deformarse mida la unidad. Después de la deformación solo la fibra neutra continuará midiendo la unidad.

Una fibra situada a una distancia y, por debajo de la fibra neutra, medirá más de la unidad, puesto que está traccionada, y su alargamiento será el alargamiento unitario ε.

En la figura:

Alargamiento

Para un radio de curvatura dado, el alargamiento de una fibra es proporcional a la distancia de una fibra a la fibra neutra.

7.3. Diagrama de ε y σ para una sección de la viga.

Diagramas

El diagrama de ε es triangular siempre que se cumplan las hipótesis de secciones planas. Si se cumple la ley de Hooke, el diagrama de σ será triangular como el de ε, dado a que se obtiene a partir del diagrama de ε, ya que ε = σ / E .

7.4. Fórmula de NAVIER.

Supongamos que el material sigue las hipótesis de Navier y la ley de Hooke. Entonces el diagrama de σ es triangular.

Fórmula de Navier

Apartir de esta figura, podemos obtener: Tensión; de donde: Tensión máxima

Si M es el momento flector que actúa en una sección de la viga e ILN es el momento de inercia de esa sección respecto a la línea neutra, se cumple: Tensión; por tanto Tensión

En la fórmula se ve que el signo de σ depende del de M e y, ya que ILN no tiene signo. El signo de M ya hemos visto en temas anteriores cuándo es positivo (+) o negativo (-).

Respecto al signo de y, tenemos que: y es positivo para puntos situados por debajo de la línea neutra, y es negativo para puntos situados encima de la línea neutra.

Signo

7.5. Módulo resistente.

Se ha visto que: Tensión máxima, donde:

M = Momento flector

W = módulo resistente de la sección. Las unidades de W son L3.

Cuando la sección es simétrica respecto de la LN, entonces existe un único W, en el caso de que la sección sea asimétrica, existirán dos módulos resistentes.

EJEMPLO 1: Módulo resistente de la sección rectangular.

ejemplo1Cuando la sección es simétrica respecto de la línea neutra (LN), existen un único módulo resistente, y su valor es:

formula

EJEMPLO 2: Módulo resistente de la sección triangular.

AsimétricaCuando la sección es asimétrica respecto de la línea neutra (LN), existen dos módulos resistentes, sus valores son:

Asimétrica

7.6. Curvatura de una viga en función del momento flector.

Se ha visto que: formula; pero formulaluego formula

7.7. Secciones ideales de la flexión.

Si el material resiste igual a tracción que a compresión, el mejor tipo de sección es la simétrica respecto de la LN. Si no sucediera así, el mejor tipo de sección sería la asimétrica respecto de la LN (p. ej.: la triangular).

EJEMPLO: Supongamos que el material es hormigón, que resiste poco a tracción.

ssDe las dos posibilidades que hay de poner la viga (ver figura), es preferible la de la izquierda, ya que para un momento flector positivo los puntos que van a trabajar a tracción son los de abajo, y en ellos v es menor y, por tanto, W mayor.

Siempre se ha de procurar utilizar vigas con gran módulo resistente, ya que para una tensión de trabajo dada, mayor será el momento flector que puede soportar la sección.

ss

Dado que en la fórmula del módulo resistente W interviene ILN, e interesa que sea grande, se deduce que conviene que el material de la sección esté alejado de la LN. Esto se comprueba comparando dos secciones de igual área (y por tanto, igual peso y coste), de manera que una sea cuadrada y la otra rectangular.

formula

Como h > a, se deduce que Wrect > WcuaVeamos cómo se puede mejorar el W de la sección rectangular conservando el mismo área y la misma altura.

El módulo resistente W depende de ILN y de v. Como v va a permanecer constante, la única forma de mejorar W es aumentando ILN. Para ello quitamos material por el centro y lo situamos alejado de la LN. Como se ve, se obtiene la sección doble T, que a igualdad de peso con la rectangular tiene mayor W.
Conviene que el material se encuentre lejos de la LN, ya que el que se encuentra cerca es poco eficaz porque está trabajando por debajo de las posibilidades del material.

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