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FLEXIÓN PURA, FLEXIÓN SIMPLE Y FLEXIÓN COMPUESTA INTRODUCCIÓN Los diferentes esfuerzos que actúan sobre una sección son las fuerzas y momentos resultantes de las tensiones que actúan sobre dicha sección y deben cumplirse las condiciones de equilibrio: Σ x = 0 N = ∫Ω σx. dΩ Σ Μx = 0 M t = ∫Ω (τxz.y - τxy.z).dΩ Σ y = 0 QY = ∫Ω τxY.dΩ Σ Μy = 0 M y = ∫Ω σx. z .dΩ Σ z = 0 QZ = ∫Ω τYx.dΩ Σ Μz = 0 M z = ∫Ω σx .y. dΩ Una pieza está sometida a flexión pura cuando sus secciones están solicitadas únicamente por un momento flector M. Los esfuerzos normales N, cortante Q y momento torsor Mt son nulos en todas las secciones de la pieza. Una pieza está sometida a flexión simple cuando sus secciones están sometidas a momento flector variable acompañado de esfuerzo cortante. Una pieza está sometida a flexión compuesta cuando sobre ella actúa un momento flector y un esfuerzo normal. Una pieza está sometida a flexo-torsión cuando actúan a la vez momentos flectores y momento torsor. La flexión pura es el caso más sencillo de flexión que se puede plantear, aunque sea una forma de solicitación poco común en la práctica. Sin embargo, su interés se debe a que los resultados que se deducen de su estudio pueden aplicarse a los casos más corrientes de flexión simple o flexión compuesta, siempre que se tengan en cuenta, de forma adecuada, las diferencias entre cada caso. El voladizo de la FIG. 2 está sometido a flexión pura en toda su longitud, el de la FIG. 3 tiene parte de su longitud en flexión pura y parte en flexión simple. X Z Y σx τ x z τ xy dΩ ( 0; Y ; Z ) FIG. 1 M Flexión Pura Flexión Pura Flexión Simple a P P M = Pxa FIG. 2 FIG. 3 UTN INGENIERIA FRR MECANICA ESTABILIDD I Ing. Rodolfo A. Maggi 1 La FIG. 3 tiene su parte central sometida a flexión pura, mientras que las zonas entre los apoyos y las cargas están sometidas a flexión simple. Analizaremos la flexión pura para generalizar luego los resultados obtenidos al caso de flexión simple y de flexión compuesta. El caso de flexión pura con momentos flectores My y Mz constantes deben cumplirse las igualdades: N = ∫Ω σx. dΩ = 0 (1) M t = ∫Ω (τxz.y - τxy.z).dΩ = 0 QY = ∫Ω τxY.dΩ = 0 M y = ∫Ω σx. z .dΩ (2) QZ = ∫Ω τYx.dΩ = 0 M z = ∫Ω σx .y. dΩ (3) El objetivo en Resistencia de Materiales es encontrar los esfuerzos y su distribución. Estas ecuaciones de equilibrio no bastan para determinar la distribución de tensiones en la sección; es necesario establecer hipótesis relativas a la deformación de la sección. Estudiaremos primero el caso de flexión pura en vigas rectas, es decir, de sección con un plano de simetría longitudinal sobre el que actúa el momento flector para abordar después al caso general de sección arbitraria solicitada en un plano cualquiera (flexión oblicua). FLEXIÓN PURA RECTA Tenemos flexión pura recta cuando una viga de material homogéneo, isótropo y elástico, de sección constante y con un plano de simetría longitudinal, está sometida a cargas externas de flexión (MZ), según dicho plano. Llamaremos xy al plano de solicitación que, en este caso, coincide con el plano de simetría. Luego, el momento flector actuante, sólo tiene componente Mz (FIG. 5) En las FIG. 2, 3, y 4 vemos que en flexión pura el momento flector será constante a lo largo de la pieza donde actúa y, por tanto, la deformación producida será la misma en todas las secciones de la viga. En consecuencia, el eje de la viga se deformará Plano de carga y de simetría MZ Mz Mz Y Z X FIG. 5 P P a a Flexión Simple Flexión Simple Flexión Pura FIG. 4 M = Pxa UTN INGENIERIA FRR MECANICA ESTABILIDD I Ing. Rodolfo A. Maggi 2 con curvatura constante, es decir, en un arco de circunferencia de centro O y radio r, contenida en el plano de simetría de la pieza (FIG. 5) Consideremos ahora una sección plana S, cualquiera de la pieza sometida a flexión pura, contenida en el plano mm', que divide a la pieza en dos partes (A) y (B). Podemos imaginar que dicha sección se transforma en la sección S', al deformarse la parte (A). Análogamente, la sección S se transforma en S", al deformarse la parte (B). por continuidad de la pieza y del proceso de deformación, las secciones deformadas S' y S" deben poder superponerse. Por tanto, la sección S debe permanecer plana al deformarse la pieza. Además, la sección S era antes de la deformación perpendicular al eje de la pieza y siendo el MZ constante la misma se mantendrá normal al eje, en consecuencia, "en la deformación de una pieza recta sometida a flexión pura, las secciones rectas permanecen planas y normales a la deformada del eje de la misma". Esta es la hipótesis de deformación de Bernoulli-Navier, que, experimentalmente se ha comprobado se cumple en situaciones más generales. Según la hipótesis de deformación, el plano xy que contiene al eje de la pieza se curva transformándose en una curva plana y los planos xy que se encuentran por encima o por debajo del mismo se curvaran manteniéndose concéntricos al mismo. En este proceso de deformación, las fibras pueden aumentar o disminuir su longitud. En el primer caso, estarán sometidas a deformación y tensión axial (ó normal) de tracción, (sx > 0) y de compresión (sx<0) en el segundo. Recordando que: (1) N = ∫Ω σx. dΩ = 0 Se hace fácil deducir que los esfuerzos de tracción y los de compresión se compensan y en un plano serán nulos, es el plano que dividirá la sección en una parte traccionada y otra comprimida (plano neutro). En consecuencia, para casos de flexión pura la hipótesis de Bernoulli-Navier implica que cada sección gira con relación a una sección próxima alrededor de un eje llamado eje r FIG. 6 FIG. 7 Plano neutro Eje neutro UTN INGENIERIA FRR MECANICA ESTABILIDD I Ing. Rodolfo A. Maggi 3 neutro, manteniéndose plana en la deformación de manera que el plano de la sección pasa por el centro de curvatura O. Como trabajamos bajo la hipótesis que las deformaciones son pequeñas el giro de flexión que se produce en cada rebanada, dFZ, es pequeño y, por tanto, se pueden reemplazar por los arcos comprendidos por éste por sus correspondientes tangentes. Analicemos ahora, en detalle, la deformación de una rebanada de longitud diferencial dx, que se produce tal como se muestra en la FIG: 7. En la sección hemos tomado el eje (y) según el plano de simetría (eje principal de inercia de la sección), y el eje z, perpendicular al anterior, coincidente con el eje neutro nn', cuya posición por ahora desconocida es la que debemos encontrar, de la semejanza de los triángulos OAB y BED se deduce: Y siendo: AB = dx ; OA = ρz ; ED = eX ; BE = y Donde ρz es el radio de curvatura de las fibras situadas sobre el eje neutro, AB longitud del plano neutro en la rebanada dx, la coordenada (y) mide la distancia de una fibra genérica al eje neutro, εx representa la deformación longitudinal unitaria de esta fibra por tanto εx. dx el cambio de longitud de la fibra genérica. Es fácil observar que las deformaciones de las fibras son proporcionales a la distancia de éstas al eje neutro, y como trabajamos en el campo elástico, por hipótesis, las tensiones también lo serán (ley de Hooke) Por tanto, la distribución de tensiones es lineal, estando sometidos a la misma tensión todos los puntos situados sobre rectas paralelas al eje neutro nn', y será nula para los puntos situados sobre dicho eje neutro. z x x z ρ y = ε y dx • ε = ρ dx BE ED = OA AB ⇒⇒ BE ED = OA AB Fig. 8 Plano neutro Eje neutro -zz Y (4) zρ y• E = xε • E = xσ UTN INGENIERIA FRRMECANICA ESTABILIDD I Ing. Rodolfo A. Maggi 4 Integrando en toda la sección esta distribución de tensiones (4) y considerando que el esfuerzo normal sobre la sección es nulo (1) se tiene: N = ∫Ω σx dΩ = E/rz ∫Ω y dΩ = 0 Tanto E como ρz son valores reales, es decir que no pueden ser cero, luego para que se cumpla la igualdad debe ser ∫Ω y dΩ = 0 que es el momento estático de la sección respecto al eje neutro. Por tanto, el eje neutro debe pasar por el centro de gravedad de la sección, luego, necesariamente el eje y es eje principal de inercia de la sección Por este motivo y estando sometidos a la misma tensión todos los puntos situados sobre rectas paralelas al eje neutro nn', es que My será cero: M y = ∫Ω σx. z .dΩ = 0 (5) Y el momento resultante de las tensiones respecto al eje neutro (3) debe ser igual al momento flector actuante, reemplazando (4) en (3): M z = ∫Ω σx .y. dΩ = E/rz ∫Ω y2 dΩ = E. Iz /rz (6) Iz (momento de inercia de la sección con respecto al eje Z) Despejando de (4) y (6) rz e igualando tenemos: Expresión conocida como ley de Navier que permite calcular, conocida su distancia al eje neutro, la tensión normal en un punto de la sección y que pone nuevamente de manifiesto la distribución lineal de las tensiones normales de flexión. Es obvio que las tensiones máximas se darán en los puntos de la sección más alejados del eje neutro y que la tensión máxima de compresión es igual a la tensión máxima de tracción cuando las distancias son iguales (FIG. 9) y, que la tensión máxima de compresión no es igual a la tensión máxima de tracción cuando las distancias no son iguales (FIG. 10), queda claro que el eje neutro se desplaza debido a que la igualdad N = ∫Ω σx. dΩ = 0 sigue confirmándose. La hipótesis de distribución lineal de las deformaciones de las fibras y la correspondiente de distribución lineal de las tensiones normales son válidos para secciones suficientemente alejadas de las secciones donde se aplican los momentos (Principio de Saint-Venant). Finalmente: y se denomina curvatura de la flexión UTN INGENIERIA FRR MECANICA ESTABILIDD I Ing. Rodolfo A. Maggi 5 z z z E.I M ρ 1 = zρ 1 y = y = • = z z x xz z z I M σσ •E M IE ρ ⇒ dx (x) • = ∆Φ ∫ L Z z z I E M La expresión obtenida indica que la curvatura varía proporcionalmente al momento flector actuante Mz e, inversamente proporcional al producto E.Iz, llamado rigidez a flexión de la sección. De LA FIG. 7 y por hipótesis de deformaciones pequeñas, se tiene: Donde dFz es el ángulo relativo girado por dos secciones que delimitan la rebanada de longitud dx. El giro relativo total entre las dos secciones extremas de la pieza de longitud L se obtiene integrando el giro relativo a lo largo de toda la pieza, es decir: Donde Iz(x) es el momento de inercia de la sección con respecto al eje z variable según la posición de la misma dada por x. Si la viga es de sección constante la rotación total DFZ de una de las secciones extremas respecto a la otra será igual a: dx E.I M = ρ dx = Φd dx = Φd • ρ z z z zzz ⇒ ∫ L Z • • =dx • = ∆Φ z z z z IE L M IE M M M smáx smáx Plano neutro Plano de simetría y de carga FIG. 9 n n’ m m ’ Eje de carga (m; m’) Eje neutro (n; n’) X Y Z FIG. 10 UTN INGENIERIA FRR MECANICA ESTABILIDD I Ing. Rodolfo A. Maggi 6 Flexión Pura Según Un Plano Principal De Inercia Analizamos el caso de una viga que tiene un plano longitudinal de simetría en el que actúan los momentos externos. Esta simetría permite afirmar que el momento de la resultante de las tensiones normales respecto al eje (y) se anula (5) Supongamos ahora que la pieza está solicitada a flexión pura por un par de momentos Mz contenidos en el plano formado por los ejes x e y, pero que éste no es un plano de simetría longitudinal de la pieza. Si, sigue siendo válida la hipótesis de Bernoulli-Navier y se cumple la ley de Hooke, las tensiones estarán dadas por la ecuación (4). Para que se cumpla la igualdad la integral ∫Ω y.z .dΩ debe ser cero es decir que es decir que los ejes (y, z) son los ejes principales de inercia de la sección. M y = ∫Ω σx. z .dΩ = 0 = E/rz ∫Ω y.z .dΩ IYZ (momento de inercia polar) Por tanto, la teoría de flexión desarrollada para secciones con plano de simetría será también válida en secciones sin plano de simetría, siempre que el momento flector actúe en un plano que contenga a uno de los ejes principales de inercia. Los planos que contienen los ejes principales de la sección se llaman planos principales de flexión y forman entre sí un ángulo de 90º. Luego el vector M será colineal al eje conjugado del que contiene el plano de carga. Dado que toda sección tiene al menos dos ejes principales de inercia, siempre es posible solicitar una pieza a flexión pura recta Además de las deformaciones longitudinales ex se producen otras deformaciones transversales, ey y ez ey = ez = n.ex ( n: coeficiente de Poisson) estrechándose transversalmente la parte de la pieza en que las fibras están longitudinalmente traccionadas (FIG. 11) y ensanchándose transversalmente la parte comprimida longitudinalmente, al tiempo que se curvan las líneas paralelas al eje neutro. Esta curvatura transversal está definida en el eje neutro por el valor: 1/rt = n/ r FIG. 11 UTN INGENIERIA FRR MECANICA ESTABILIDD I Ing. Rodolfo A. Maggi 7 ρ y• E = ε • E = σ z xx FLEXIÓN PURA OBLICUA Ó ASIMETRICA Se dice que una pieza está solicitada a flexión pura oblicua cuando, sobre sus secciones, actúa un momento flector uniforme a lo largo de la misma, contenido en un plano distinto de los planos principales de flexión de la pieza. Es decir, tal que el vector momento no coincide con ninguno de los ejes principales de inercia de las secciones como muestra la FIG. 12 . Supongamos una pieza recta sometida a flexión pura oblicua por la acción de un par de momentos de módulo M aplicados en sus extremos y contenidos en un plano llamado plano de carga o plano de solicitación,. Descomponiendo el vector momento flector M (perpendicular al plano de carga) en sus dos componentes, según los ejes principales de inercia de la sección, se tienen las componentes del vector momento según dichos ejes: Mz = M cosa y My = M sena donde a es el ángulo formado por el vector M con el eje z Aplicando el principio de superposición se estudian los efectos que las componentes Mz y My producen por separado sobre la sección. La componente Mz actúa en el plano xy y produce sobre un punto de la sección de coordenadas (y, z) una tensión normal igual a: La componente My actúa en el plano xz y produce sobre un punto de la sección de coordenadas (y, z) una tensión normal igual a: Sumando los efectos de las dos componentes del momento flector M se obtiene: y = z z x I M σ z = y y x I M σ Y• + Z • = Z Z Y Y X I M I M σ X Z Y (l) plano de carga M M FIG. 12 λ⊥M a MZ MY UTN INGENIERIA FRR MECANICA ESTABILIDD I Ing. Rodolfo A. Maggi 8 La distribución de tensiones obtenida es lineal en el plano (y,z) luego la suma de la distribución de tensiones será lineal La ecuación del eje neutro se obtiene como lugar geométrico de los puntos en los que la tensión normal es nula, es decir: Esta es la ecuación de una recta que pasa por el centro de gravedad de la sección y tiene una pendiente: donde b es el ángulo formado por el eje neutro con el eje z. En este caso el eje neutro no es normal. En general, a la traza del plano de solicitación o plano de carga mm'y tiene una pendiente respecto al eje z, tan b= (MY/MZ) (IZ/IY) mientras que el eje normal a mm’ tiene una pendiente tana = MY/MZ. Este resultado fue obtenido por primera vez por Saint-Venant (~1864) junto con una interesante relación geométrica entre la traza del plano de solicitación mm', que tiene por ecuación: el eje neutro nn’, que tiene por ecuación: M M FIG. 15 0= y + z z z y y I M I M y z y z yz zy I I I I I . M I . M α tg = . α cos . α sen = = β tg 0 = z + y yz MM 0 = z + y y y z z M I M I m m’ n n’ M b a FIG. 14 Y Z 0 = y α cos + z α sen ZY II ⇒ X Y Z smáx. smín. PLANO NEUTRO m’ m n n’ EJE DE CARGA mm’ PLANO DE CARGA EJE NEUTRO nn’ M M FIG. 13 UTN INGENIERIA FRR MECANICA ESTABILIDD I Ing. Rodolfo A. Maggi 9 y la elipse central de inercia de la sección que tiene por ecuación: donde: rZ y rY son los radios de giro e la sección con respecto a los ejes principales de inercia. Esto permite hallar el eje neutro gráficamente, ( FIG. 16) basta trazar por el centro de gravedad de una sección una paralela a las tangentes a la elipse central de inercia en los puntos de intersección de ésta con la traza del plano de carga. Deformación En Flexión Pura Oblicua Análogamente al estudio tensional, se puede estudiar la deformación de una viga recta sometida a flexión pura oblicua o asimétrica descomponiendo el momento flector actuante en sus componentes según los ejes principales de inercia, y aplicando el principio de superposición de efectos. Los diferenciales de los ángulos de flexión que sufre una rebanada diferencial de anchura dx, debidos a los momentos Mz y My, son, respectivamente: y los angulos de flexión respectivos: Finalmente la rotación F será la suma vectorial de FZ y FY de modulo: OY OZ B A AB: eje de la viga sin deformación AB: deformación del eje de la viga en el plano YX causado por MZ AB: deformación del eje de la viga en el plano ZX causado por MY Z Y X rY FY FZ rZ FIG. 17 dx E.I M = Φd z z z dx E.I M = Φd Y Y Y AB E.I M = Φ Y Y YAB E.I M = Φ z Z Z 2 Z 2 Y Φ + Φ = Φ m m’ n n’ b Eje neutro Plano de carga Y Z FIG. 16 UTN INGENIERIA FRR MECANICA ESTABILIDD I Ing. Rodolfo A. Maggi 10 1 = r z + r y 2 y 2 2 z 2 Y la dirección del vertor rotación: Que coincide con el eje neuto, el plano de flexión sigue siendo normal al eje neutro como en la flexión pura recta. Ahora podemos trazar el diagrama de tensiones en la sección tomando tres (3) lÍneas auxiliares una perpendicular al eje neutro y dos paralelas al mismo tangentes a la sección por los puntos extremos A y B en los que tendremos los smax. (+) y smin.(-) que responde a la ecuación: donde: Mn = M.cos l In : es el momento de inercia de la sección con respecto al eje neutro w : la distancia a un punto cualquiera de la sección al eje neutro En resumen, en flexión pura oblicua, y de acuerdo con la hipótesis de Bernoulli-Navier, las secciones rectas se mantienen planas en la deformación, girando alrededor del eje neutro y manteniéndose perpendiculares a la deformada de la directriz. En consecuencia, y tal como se muestra en la FIG. 17, la deformada del eje de la pieza es un arco de circunferencia, contenido en el plano normal al eje neutro que, en general, no coincide con el plano de solicitación (el que contiene al momento flector actuante). De ahí el nombre de flexión oblicua o asimétrica. FLEXIÓN SIMPLE 00Hemos desarrollado el estudio del caso de solicitación que se denomina flexión pura, que corresponde a momentos flectores constantes a lo largo de la pieza. Sin embargo, el tipo de flexión más frecuente en vigas rectas con fuerzas normales a su eje es el de flexión simple, en la que, los momentos flectores, son variables. Tal como puede observarse en las FIG. 19, la variación del momento flector exige, por equilibrio de la rebanada diferencial, que sobre las secciones de la pieza actúe un esfuerzo cortante de componentes: El esfuerzo cortante da lugar a la aparición de distorsiones angulares y tensiones tangenciales en la sección. Como consecuencia de la existencia de estas distorsiones w = σX n n I M β tg = I • • = Φd Φd Z Y Y Z ZY M IM M Q FIG.16 m m’ n b Plano de carga n` Eje neutro B l M w A FIG. 18 UTN INGENIERIA FRR MECANICA ESTABILIDD I Ing. Rodolfo A. Maggi 11 dx dM =Q ; dx dM =Q yy z X angulares, además de producirse las elongaciones de las fibras longitudinales propias de la flexión, se produce cierta deformación de las secciones planas. Este fenómeno, que puede observarse en la FIG.20, se conoce con el nombre de alabeo de las secciones rectas. Recordando que los resultados obtenidos para la flexión pura se basan en la hipótesis de que las secciones permanecen planas, sin alabeo, cabe hacerse la pregunta de si estos resultados pueden aplicarse para este caso. En el caso de la flexión simple, se admite la hipótesis generalizada de Bernoulli- Navier, que expresa que: "dos secciones rectas infinitamente próximas experimentan alabeo en la deformación, pero cualquiera de ellas puede superponerse a la otra mediante una traslación y un giro." La hipótesis generalizada es sólo una aproximación porque, en general, la deformación producida por el esfuerzo cortante es mucho menor que la deformación producida por el momento flector. La aproximación es tanto mejor cuanto menor sea la relación Y/X de la pieza, es decir, cuanto más esbelta sea ésta. Para piezas muy esbeltas el efecto del alabeo es despreciable. Puede considerarse (FIG. 20) que la elongación de una fibra tal como la AB, que se deforma realmente en A" B" (con alabeo), es idéntica a la elongación que se produciría si la deformación fuese como A'B' (sin alabeo) y dado que todas las expresiones obtenidas para la flexión pura se basan en la magnitud de las elongaciones longitudinales de las fibras, es obvio que si se admite la hipótesis generalizada de deformación de Bernoulli-Navier, la totalidad de las expresiones halladas para el caso de la flexión pura pueden extenderse al caso más general de la flexión simple. Así por ejemplo, en el caso de flexión simple oblicua ó asimétrica son válidas las expresiones obtenidas. Cabe señalar que en flexión simple la deformada no es un arco de circunferencia, ya que la curvatura variará de sección a sección, al variar el momento flector actuante. Flexión pura Flexión simple Sin carga X Y FIG. 20 UTN INGENIERIA FRR MECANICA ESTABILIDD I Ing. Rodolfo A. Maggi 12 P P W Plano de carga y simetría FIG. 21 En general, esta deformada ni siquiera será una curva plana, salvo en el caso en que la flexión, aunque variable, se produzca siempre según el mismo plano de solicitación. En el caso particular de flexión simple recta (plano de solicitación coincidente siempre con uno de los planos principales de flexión de la pieza) la deformada de la línea media es necesariamente una curva plana, pero no de curvatura constante. FLEXIÓN COMPUESTA Consideramos una pieza cargada en un plano de simetría como muestra la FIG. 16 en la sección W tendremos actuando un momento M y una carga axial P (ver diagrama de cuerpo libre FIG. 17) donde: M = Pxd que producirá sobre W un esfuerzo: y P un esfuerzo: aplicando el Principio de superposición de efectos: si, la flexión pura fuese oblicua, es decir que el plano de carga no coincida con el de simetría la expresión anterior quedaría: Como puede verse en la FIG. 23 el eje neutro se desplazara según sean los valoresde sXf max. y sXN , pudiendo en algunos casos estar fuera de la sección. Todos estos resultados serán válidos siempre que se pueda aplicar el Principio de superposición y el Principio de Saint-Venant. P P M d Diagrama de cuerpo libre FIG.22 y = z z x I M σ f = N Ω P σx y + = z z x I M Ω P σ z + y + = y y z z x I M I M Ω P σ Eje neutro FIG. 23 UTN INGENIERIA FRR MECANICA ESTABILIDD I Ing. Rodolfo A. Maggi 13
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