6 Flexion Pura PDF
6 Flexion Pura PDF
6 Flexion Pura PDF
6.1.- INTRODUCCIÓN
En el tema anterior vimos cómo las cargas al actuar sobre una viga generan acciones internas
en forma de esfuerzos cortantes y momentos flectores. En este tema y siguientes estudiaremos las
tensiones y las deformaciones relacionadas con esos esfuerzos cortantes y momentos flectores.
De esta forma, estaremos en disposición de abordar los problemas de diseño y comprobación de
las vigas sometidas a flexión.
El efecto de la aplicación de un sistema de cargas sobre una viga se traduce en que esta se
flexiona de forma que su eje longitudinal, inicialmente recto, adopta una forma curva llamada
curva de deflexión o curva elástica.
A
B
y
v B
x
A
Como sistema de referencia adoptamos unos ejes coordenados (Figura 6.1), con el origen
localizado en un punto sobre el eje longitudinal de la viga, el eje x positivo se dirige hacia la
derecha y el eje y positivo, hacia arriba. El eje z se orienta de manera que los tres ejes forman un
sistema coordenado dextrógiro.
Resistencia de Materiales
Suponemos que las vigas son simétricas respecto al plano xy, lo que significa que el eje y es
un eje de simetría de la sección transversal; además, todas las cargas actúan en el plano xy, y por
tanto la deflexión ocurre en este mismo plano, conocido como plano de flexión.
y y
Vy My
V Mf
R M
N x x
Vz Mz Mx
z z
La flexión pura se refiere a la flexión de una viga bajo un momento flector constante, por
tanto ocurre sólo en regiones donde el esfuerzo cortante es cero (C= dM/dx). Por el contrario, la
flexión no uniforme se refiere a flexión en presencia de esfuerzos cortantes, lo que significa que
el momento varía a lo largo del eje longitudinal de la viga.
Otros tipos de flexión que no cumplen las condiciones anteriores y que se estudiaran en los
próximos temas son:
Flexión esviada, desviada o asimétrica: Momento con dos componentes en los ejes y, z
locales y principales de inercia de la sección.
M f Mzk My j
Flexión compuesta: Combinación de esfuerzo axil y flector.
Mf N
Flexión simple: Combinación de esfuerzo axil, cortante y flector.
Mf N V
Flexión alabeada: Combinación con momento torsor.
126
Tema 6 Flexión Pura Simétrica
Como ejemplos de flexión pura, consideremos una viga simplemente apoyada cargada con
dos pares M1 que tienen la misma magnitud, pero actúan en direcciones opuestas (Figura 6.3.a.).
Estas cargas producen un momento flector constante M = M1 , a todo lo largo de la viga, siendo
nulo el esfuerzo contarte.
En la figura 6.3.b. se muestra otro ejemplo de flexión pura, en ella la viga en voladizo está
sometida a un par horario M2 en el extremo libre. En esta viga no existe esfuerzo cortante y el
momento flector es constante en toda su longitud (M = - M2).
En las figuras 6.3.c, d. se muestran ejemplos de vigas cuyos estados de carga originan
valores no nulos de esfuerzos cortantes y axiles dando lugar a solicitaciones de flexión no
uniforme.
M1 M1 M2
A B A B
M1 M2
a) b)
A B P A B
F P
FL
PL
F P
c) d)
Figura 6.3. a) y b) Vigas en flexión pura, c) y d) Vigas en flexión no uniforme.
127
Resistencia de Materiales
La viga simple de la figura 6.4 es un ejemplo de una viga que está parcialmente en flexión
pura, en flexión no uniforme. La región central de la viga está en flexión pura al ser el esfuerzo
cortante cero y el momento flector constante. Las partes de la viga cercana a los extremos se
encuentran en flexión no uniforme porque están presentes esfuerzos cortantes y axiles y los
momentos flectores varían.
P P
a a
F
A B
-P
Pa
F
Mf =cte
Mf +V+N Mf +V
Figura 6.4. Viga simple con su región central en flexión pura y sus regiones extremas en flexión no uniforme.
6.3.- DEFORMACIONES
Cuando se aplican cargas a una viga, el eje longitudinal adopta la forma de una curva. Las
deformaciones y las tensiones resultantes en la viga se relacionan directamente con la curvatura
de la curva de deflexión o curva elástica.
Consideremos de nuevo una viga en voladizo sometida a una carga P que actúa en su
extremo libre (Figura 6.5). Para el análisis identificaremos dos puntos m1 y m2 , sobre la curva de
deflexión. El punto m1 se selecciona a una distancia arbitraria x del origen de coordenadas y el
punto m2 se localiza infinitamente próximo a una pequeña distancia ds medida a lo largo de la
curva. En cada uno de estos puntos dibujamos una línea perpendicular a la tangente a la curva de
deflexión; es decir, perpendicular a la misma curva. Estas líneas, llamadas radios de curvatura
se cortan en el punto O´ , que es el centro de curvatura de la curva de deflexión.
128
Tema 6 Flexión Pura Simétrica
A
B
m2
B
m1
x
A ds
x dx
La curvatura nos da una medida de la agudeza de la deformación de una viga. Si la carga que
actúa sobre la viga es pequeña, ésta permanecerá casi recta, el radio de curvatura será muy
grande y la curvatura muy pequeña. Si la carga se incrementa, aumentará la flexión, el radio de
curvatura será más pequeño y la curvatura será mayor.
d ds (a)
1 d
(6.2)
ds
Si la curvatura es constante (al ser Mf = Cte.), el radio de curvatura también será constante y
la curva de deflexión será un arco de circunferencia.
Las deflexiones de una viga suelen ser muy pequeñas comparadas con su longitud, lo que
significa que las curvas de deflexión son casi planas. En consecuencia, la distancia ds a lo largo
129
Resistencia de Materiales
1 d
(6.3)
dx
Más adelante, en el estudio de las tensiones normales en vigas veremos que la curvatura en
un punto particular sobre el eje de una viga depende del momento flector en dicho punto y de las
propiedades mecánicas de la viga; forma de la sección transversal de la viga y tipo de material,
por tanto, si la viga es prismática y el material es homogéneo, la curvatura variará sólo con el
momento flector. En consecuencia una viga sometida a flexión pura tendrá curvatura constante y
una viga sometida a flexión no uniforme, curvatura variable.
y y
+ -
Curva Curva
positiva negativa
x x
(1) El hecho de que las secciones transversales de una viga sometida a flexión pura permanezcan planas es tan
fundamental para la teoría de vigas que a menudo se considera como una hipótesis; sin embargo, podríamos llamarlo
también un teorema, porque puede demostrarse de manera rigurosa basados en la simetría de la viga y su carga que
implica que todos los elementos de la viga (como el elemento mnpq) deben deformarse de manera idéntica, lo que es
posible sólo si las secciones transversales permanecen planas durante la flexión.
130
Tema 6 Flexión Pura Simétrica
Los planos que contienen las secciones transversales mm y pq en la viga deformada (Figura
6.7c) se interceptan en una línea que pasa por el centro de curvatura O’. El ángulo entre esos dos
planos se denota con d y la distancia de O’ a la superficie neutra ss es el radio de curvatura .
La distancia inicial dx entre los dos planos (Figura 6.6a ) no cambia en la superficie neutra
(Figura 6.6c), por lo que;
d dx
Sin embargo, el resto de las fibras longitudinales entre los dos planos se alargan o se acortan,
con lo que se generaran deformaciones unitarias longitudinales x. Para evaluar estas
deformaciones, consideremos una fibra característica ef de longitud dx situada a una distancia y
de la superficie neutra en la viga inicialmente recta. Estamos suponiendo ahora que el eje x se
encuentra a lo largo de la superficie neutra de la viga no deformada. Por supuesto, cuando la viga
se flexiona, la superficie neutra se mueve con la viga, pero el eje x permanece fijo en su posición.
Sin embargo, la línea longitudinal ef en la viga deformada permanece a la misma distancia y de
la superficie neutra.
dx y
L1 y d haciendo d dx dx
dx
l L1 dx y
L1 dx y
x y (6.4)
dx
La ecuación anterior, conocida como Ley de Navier, muestra que las deformaciones
longitudinales en la viga son proporcionales a la curvatura y varían linealmente con la distancia y
a la superficie neutra. Cuando la fibra está arriba de la superficie neutra, la distancia y es
positiva, entonces x será una deformación negativa y representará un acortamiento. Por el
contrario, si la
131
Resistencia de Materiales
fibra está por debajo de la superficie neutra, la distancia y será negativa y la deformación x
será positiva y representará un alargamiento.
y y
A m p B
e f
M M
y
s dx s x z
O O
n q
(a) (b)
O´
d
A B
m p
M M
s s
e f
y
dx
n (c) q
y
z x
132
Tema 6 Flexión Pura Simétrica
Las deformaciones transversales provocan que el ancho de la sección transversal disminuya por
debajo del eje z y aumenta arriba.
La forma alterada de una viga rectangular sometida a flexión pura se muestran en la figura.
La curvatura en el plano xy es positiva y en el plano yz es negativa, es decir, de signos opuestos,
apareciendo superficies del tipo “silla de montar”.
Figura 6.8. Deformación total de una rebanada de viga de sección rectangular sometida a flexión pura
Como los elementos longitudinales de una viga están sometidos sólo a tracción o
compresión, podemos hacer uso ahora de la curva tensión-deformación del material para
determinar las tensiones a partir de las deformaciones.
Ey
x E x Eky (6.5)
Esta ecuación muestra que las tensiones normales que actúan sobre la sección transversal
varían linealmente con la distancia y desde la superficie neutra. Esta distribución de la tensión se
representa en al figura 6.9 para el caso en el que el momento flector M es positivo y la viga se
flexiona con curvatura positiva. En este caso, las tensiones x son negativas (de compresión)
arriba de la superficie neutra, y positivas (de tracción) debajo de ella.
Para que la ecuación (6.5) sea de valor práctico, debemos localizar el origen de coordenadas
de manera que podamos determinar la distancia y; es decir, debemos ubicar el eje neutro de la
sección transversal. También necesitamos obtener una relación entre la curvatura y el momento
flector, de manera que podamos sustituirla en la ecuación y obtener una ecuación que relacione
las tensiones con el momento flector. Estor dos objetivos se alcanzan determinando la resultante
de las tensiones x que actúan sobre la sección transversal.
133
Resistencia de Materiales
y
dA
x
c1
y
M
z
O x O
C2
Esta ecuación establece que el momento estático del área de la sección transversal, evaluado
con respecto al eje z, es cero, en otras palabras, el eje z debe pasar por el centro de gravedad de la
sección transversal. Puesto que el eje z también es el eje neutro, llegamos a la siguiente
conclusión: el eje neutro pasa por el centroide del área de la sección transversal cuando el
material obedece la ley de Hooke y no hay fuerza axial actuando sobre la sección transversal.
E
M x y dA y 2 dA kE y 2 dA
A A A
134
Tema 6 Flexión Pura Simétrica
My
x
I
Esta ecuación, llamada fórmula de la flexión, muestra que las tensiones son directamente
proporcionales al momento flector M e inversamente proporcionales al momento de inercia I de
la sección transversal. Además, las tensiones varían linealmente con la distancia y desde el eje
neutro.
Si el momento flector en la viga es positivo, las tensiones de flexión serán positivas (de
tracción) sobre la parte de la sección transversal donde y es negativa, es decir sobre la parte
inferior de la viga y negativas en la parte superior. Si el momento flector es negativo, las
tensiones se invertirán. Esas relaciones se ilustran en la figura 6.10.
+M
-M
M ys M M yi M
1 2
I Ws I Wi
135
Resistencia de Materiales
la viga en una sola cantidad. Esta cantidad se puede tabular en los manuales como una propiedad
de la viga.
Si la sección transversal de una viga es simétrica con respecto al eje z así como con respecto
al eje y (sección transversal doblemente simétrica), entonces ys = yi = y, siendo entonces las
tensiones máximas de tracción y compresión iguales en valor absoluto y el módulo resistente
único.
Para una sección transversal rectangular con ancho b y altura h el momento de inercia y el
módulo resistente son
b h3 b h2
I W
12 6
d4 d3
I W
64 32
El análisis realizado en este tema es para flexión pura de vigas prismáticas compuestas de
materiales elásticos con comportamiento lineal. Si la viga está sometida a flexión no uniforme,
los esfuerzos cortantes producen alabeo (distorsión fuera del plano) en las secciones
transversales. Entonces no se cumple la hipótesis de Navier-Bernoulli, pues una sección
transversal plana antes de la deformación deja de serlo. El alabeo debido a las deformaciones
tangenciales complica el comportamiento de la viga de manera considerable, sin embargo, la
experiencia demuestra que la presencia de las tensiones tangenciales y el alabeo asociado no
alteran significativamente las tensiones normales calculadas con la fórmula de la flexión.
El proceso de diseñar una viga requiere la consideración de muchos factores, entre ellos el
tipo de estructura, los materiales a utilizar, las cargas a soportar, las condiciones ambientales y el
coste. Sin embargo, desde el punto de vista resistente, la tarea se reduce a seleccionar una forma
y tamaño de viga tales que las tensiones que se generan no superen las tensiones admisibles del
material.
Considerando sólo las tensiones debidas al momento flector, el diseño de una viga se realiza
calculando el módulo resistente de sección requerido; por ejemplo, si la viga es de sección
doblemente simétrica y el material se comporte de igual forma a tracción que a compresión,
podemos calcular el módulo requerido dividiendo el momento flector máximo entre la tensión
admisible del material.
M max M max
max adm W (6.7)
W adm
Para garantizar que no se rebase esta tensión debemos escoger una viga que proporcione un
módulo resistente por lo menos tan grande como el obtenido con la ecuación (6.7).
136
Tema 6 Flexión Pura Simétrica
Para minimizar el peso y ahorrar material, debemos escoger una viga que tenga la menor
área transversal y que proporcione los módulos resistentes requeridos.
La viga más eficiente es aquella en la que el material se localiza tan lejos como sea posible
del eje neutro. Cuanto más lejos esté una cantidad dada de material del eje neutro, mayor resulta
el módulo resistente y cuanto mayor es el módulo resistente mayor es el momento flector que
puede resistir.
1 b h2 Ah
I b h3 W 0,167 A h
12 6 6
h ymax h
2
Figura 6.11
Esta ecuación muestra que la eficiencia de una sección transversal rectangular de área dada
aumenta conforme se incrementa la altura h (y el ancho b se reduce para mantener el área
constante). Por supuesto, existe un límite práctico para el incremento de la altura, porque la viga
se vuelve lateralmente inestable cuando la relación entre la altura y la anchura resulta muy
grande. Una viga muy esbelta fallará debido al pandeo lateral, no por falta de resistencia del
material.
A continuación comparemos una sección transversal circular de diámetro d (Fig. 6.12) con
una sección transversal cuadrada con la misma área. El módulo resistente del círculo es
d3 1 d2 1
Wc d Ad 0,125 A d
32 8 4 8
137
Resistencia de Materiales
d a
Figura 6.12
1 3 1 1
Wcd a Aa Ad 0,147 A d
6 6 6 2
de donde obtenemos
Wcd
1,18
Wc
Este resultado muestra que una viga de sección transversal cuadrada resiste mejor la flexión
que una viga circular con la misma área. La razón estriba en que en un círculo existe una
cantidad relativamente mayor de material cerca del eje neutro.
La forma ideal de la sección transversal para una viga de área A dada y altura h se obtendría
colocando la mitad del área a una distancia h/2 arriba del eje neutro y la otra mitad a una
distancia h/2 abajo del eje neutro (Fig. 6.13). Para esta forma ideal obtenemos
A/2
2
A h A h2
I 2
2 2 4
h I
W 0,5 A h
h2
A/2
Figura 6.13
Estos límites teóricos son aproximados, en la práctica por medio de secciones doble T y
secciones I, que tienen la mayor parte del material en las alas se consiguen módulos aproximados
W 0.35 A h
138