ARCO

Es el elemento constructivo de directriz en forma curvada  o poligonal , que salva el espacio abierto entre dos pilares o muros. Depositando toda la carga que soporta el arco en los apoyos, mediante una fuerza  oblicua que se denomina empuje.

  

CARACTERÍSTICAS 

Estructural mente , un arco funciona como un conjunto de elementos que transmiten las cargas, ya sean propias o provenientes de otros elementos, hasta los muros o pilares que lo soportan. De esta forma el arco es un sistema en equilibrio. Por su propia morfología las dovelas están sometidas a esfuerzos de comprensión, fundamentalmente, pero transmiten empujes  horizontales en los puntos de apoyo, hacia el exterior, de forma que tiende a provocar la separación de éstos. Para contrarrestar estas acciones se suelen adosar otros arcos, para equilibrarlos, muros de suficiente masa en los extremos, o un sistema de arriostra miento mediante contrafuertes o arbotantes (dando lugar a los arcos apuntados y a la bóvedas de crucería ). Algunas veces se utilizan   metálicos, o en algunas ocasiones de madera, para sujetar las dovelas inferiores. 

Un arco desde el punto de vista del análisis estructural   es en definitiva una estructural (o estéticamente indeterminada) de tercer grado  Es por esta razón por la que que tres articulaciones harían de un arco una estructura estéticamente determinada (estática). Esta idea permite averiguar el valor de la carga de rotura, o desplome de un arco.

A partir de la estructura de un arco se deducen otros elementos constructivos habituales en la arquitectura como lo son: las bóvedas y las cúpulas. Una bóveda se genera mediante transacciones,  el espacio de arcos iguales, adecuadamente trabados, para obtener finalmente un elemento constructivo "superficial".  Si los arcos son de medio punto la superficie será semicilíndrica. Una cúpula se puede construir mediante la conjunción de arcos iguales que se apoyan en una circunferencia; si los arcos son de medio punto la superficie será semiesférica.

MATERIALES

 Tales materiales son: la piedra tallada en bloques (denominado: arco pétreo), adobe y el ladrillo Como la forma más natural de salvar vanos es mediante el empleo de arcos. En este caso todas las dovelas deben trabajar a compresión, si la forma del arco es la correcta. Las estructuras en arco elaboradas con aparejo de fábrica constituyen una parte fundamental del patrimonio arquitectónico del pasado . Su empleo milenario en la construcción de arcos ha sido dominante hasta que hiciera en la segunda mitad del siglo 19 aparición el hierro como alternativa constructiva viable.En los casos de arcos de piedra, las dovelas forman parte de un sólido en forma de cuña truncada. Estas dovelas en muchos casos forman parte del aparejo del muro colindante. Algunos autores hacen escuela sobre la construcción de arcos, como el arquitecto león baptista alberti  que aconseja que las dovelas sean de gran tamaño y muy similares entre sí. La clave debe ser la piedra más pesada de todas. Formando las juntas entre dovelas un plano perpendicular a la línea curva del intradós. Las piedras suelen tener una muy elevada resistencia a la compresión, además de una baja comprensibilidad. Es por esta razón por la que se emplea desde antiguo las piedras como elemento de fábrica en la construcción de arcos. Dichas dovelas pétreas se trababan en algunos casos con un mortero  que proporciona una adherencia extra entre los elementos de la fábrica. La resistencia a la compresión de los    de los ladrillos, es por regla general, inferior de las piedras

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CONSTRUCCIÓN

 Desde lo  antiguo se elaboran los arcos mediante la colocación de una estructura axilar que ofrece el soporte inicial de las dovelas antes de la colocación de la clave. Dicho soporte o armadura en forma de cercha(celosía de madera), que tradicionalmente, se le ha denominado cimbra  tiene como misión soportar el peso de los elementos del arco hasta que se encaja la clave.Tras la colocación de la dovela central que cierra el arco (denominada clave) y permite el encaje de las piedras. Por regla general este último elemento del arco se suele encajar entre las contra-dovelas del arco a martillazos (generalmente con un martillo de madera) cerrando la estructura por completo.

Una vez encajada esta última piedra se procede al descimbrado, es decir al desmontaje de la estructura auxilar de madera. Justo en ese instante el arco, ya liberado de su cimbra, entra en carga. Las cimbras se elaboraban de madera y su empleo, por regla general encarecía la construcción de arcos. Gran parte del estudio de elaboración de arcos, consistía en poder hacerlos sin la necesidad de estas cimbras. Al ser retiradas las cimbras de madera, las dovelas del arco caen empezando a entrar en compresión unas con otras. Es por esta razón por la que el descimbrado se realizaba con sumo cuidado, y en un orden preciso. De esta forma no se sometía al arco a tensiones añadidas o descentradas. Existe en la literatura ejemplos de desplome de arcos en el proceso de descimbrado.

COLAPSO DE UN ARCO

Un arco se colapsa cuando las dovelas que lo sostienen, pasan de ser una estructura en equilibrio, a ser un mecanismo. El proceso de descimbrado genera necesariamente fisuras en la estructura de un arco, debido al descenso de la clave y al asentamiento de las partes del mismo. La fábrica tiende a 'bajar' tras el descimbrado, esta operación hace que aparezcan grietas en el interior de la clave y en el los tercios del extradós (riñones).Estas fisuras de acomodamiento de las dovelas es muy natural, y da lugar a una situación de equilibrio fuera de la inicialmente calculada. Por regla general el desplome de la estructura se produce por un inadecuado cálculo de los estribos que deben soportar el arco, que por débil acaba produciendo su desencastramiento. Dentro del análisis plástico de las estructuras en forma de arco. Para el análisis de desplomes se parte de tres hipótesis básicas. En primer lugar se supone que la resistencia a la compresiónes infinita, lo que supone entender que realmente el material del arco es capaz de soportar cualquier carga sin que se desmorone. Por el contrario la segunda hipótesis es que el material posea una resistencia a la tracción nula, y el  tercero que el desplome por deslizamiento de las dovelas es imposible, lo que supone que la resistencia o adhesión entre ellas es suficiente como para mantener la estructura del arco en su forma inicialmente diseñada. A partir de estas tres hipótesis se formulan una serie de principios acerca de la estabilidad y desplome de los arcos.

ELEMENTOS

Tradicionalmente se ha puesto denominación a ciertos elementos constituyentes de los arcos. En el caso de los arcos construidos con elementos de fábrica existen algunas denominaciones empleadas en la mayoría de los tratados de construcción. 

 En ocasiones el arco se combina entre sí como un elemento constructivo de refuerzo. . Los arcos estaban compuestos de diversos elementos. Algunos de ellos poseían denominaciones propias que se han ido comunicando en los diversos tratados de construcción. Los elementos principales que componen un arco de piedra son:

*Las dovelas, son las piezas en forma de cuña que componen el arco y se caracterizan por su disposición radial. Las dovelas de los extremos y que reciben el peso del arco, se llaman salmer (es la primera dovela del arranque). La parte interior de una dovela se llama intradós y el lomo que no se ve por estar dentro de la construcción, traslados. El despiece de dovelas es la manera como están dispuestas las dovelas en relación con su centro. Cuando las dovelas siguen los radios de un mismo centro se llama arco radial aunque ese centro no siempre coincida con el centro del arco . Cuando las dovelas se colocan horizontales hasta cierta altura se llama arco enjardado.

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 *La clave (a veces denominada también como corona o dovela central) es la dovela del centro, que cierra el arco. Es la última que se coloca en la cimbra, completando el proceso constructivo del arco. La clave suele ser la dovela de mayor tamaño, y para proporcionar estabilidad al arco es la más pesada. Las dos dovelas adyacentes a la clave se denominan contraclaves.

*La imposta (o arranque): Es una moldura o saledizo sobre la cual se asienta un arco o una bóveda. A veces transcurre horizontalmente por la fachada o los muros del edificio, separando las diferentes plantas. Al conjunto de dovelas desde el arranque hasta la clave se le denomina riñón.

 

*La enjuta (o albanega) es la parte de fábrica que cubre el estrados  del arco (es decir descansa sobre los riñones del arco), por regla general se denomina a la fábrica entre dos arcadas sucesivas. La rosca es faja de material de fábrica que, sola o con otras con céntricas, forma un arco o bóveda. Se considera rosca a la porción de material constructivo entre el intradós y estrados del arco.

HISTORIA 

 El arco apareció en Metoposcopia , y en la cultura del valle indio. Se utilizó en el antiguo Egipto ,Asiria  y Etruria, más adelante en la Roma antigua. El arco se utilizaba en edificaciones auxiliares, estructuras subterráneas y de drenaje; fueron los romanos los primeros en usarlos en edificios monumentales, aunque se pensaba que los arquitectos romanos  aprendieron su uso de los etruscos . El denominado arco romano es de forma semicircular y construido a partir de un número impar de dovelas, para que haya una dovela central o clave. Los romanos emplearon este tipo de arco semicircular  en muchas de sus estructuras tradicionales, como acueductos, palacios y anfiteatros. Este arco de medio punto romano fue considerado por los arquitectos posteriores (hasta llegado el siglo XVIII) como el más estable de los arcos.Un ejemplo de construcción empírico, era la popular "regla del tercio" que en los arcos de medio punto bastaba con dimensionar un estribo con el grosor de la tercia parte de su hueco.

En la Edad media, el uso del arco con dovelas de piedra alcanzó un elevado desarrollo técnico en la construcción de catedrales; todavía se usa hoy en día en algunas estructuras como en los puentes, aunque con variados materiales. En el siglo XII la arquitectura gótica comienza a emplear un tipo de arco apuntado que aprende de las experiencias anteriores medievales. Las reglas para construir arcos se encuentran en la tradición verbal de las logias de canteros  góticos. En muchos casos estas reglas eran complejas de entender y pocas de estas reglas han llegado directamente desde escritos a nuestros días.En algunos tratados se describe el tamaño de los estribos mediante trazados de hexágonos  inscritos en el arco. Este método fue muy popular y daba resultados exitosos.

En España hubo teoricos que desarrollaron ideas acerca de su construcción en el siglo XVI, entre ellos destaca Rodrigo gil dehontañon y posteriormente tomas Vicente toscas. No obstante, el surgir del análisis de las estructuras abovedadas de fábrica se produce a finales del siglo XVII. Se puede afrmar que en la segunda mitad del siglo XVIII, la estabilidad del arco construido con fábrica estaba ya suficientemente resuelto a efectos prácticos y existían diversos métodos suficientemente desarrollados y tablas publicadas de uso relativamente sencillo. Fue el físico italiano Galileo galilei uno de los primeros en averiguar que los fundamentos empíricos en el diseño de arcos podría tener una causa física.Haciendo ver que la teoría del arco podría explicarse mediante leyes de la estática.

TEORÍAS CIENTÍFICAS 

El primero en determinar una teoría acerca de como funciona un arco, recae sobre leonardo da vinci, pero no es hasta que en 1670 el físico Robert Hooke formula el problema en términos científicos y menciona al final de uno de sus libros, en forma de anagrama, como se asemeja el arco a la catenaria invertida. El anagrama descifrado, rezaba en latín:

Robert Hooke menciona esta conclusión, justo tras haber colaborado con christopher wren  la realización de la Cúpula de la catedral de san pablo. Hooke se da cuenta que un arco se sostiene si en su espesor hay contenida una catenaria invertida. De la misma forma años después el matemático Gregory proporciona una forma de dimensionar un estribo, demostrando que si en la catenaria las fuerzas empujan hacia el interior, en el arco de una catenaria invertida lo hacen hacia afuera. El matemático francés philippe  de la hiere realiza una aproximación distinta en su Traite de Mécanique intentando averiguar cual es el peso apropiado de las dovelas con el objeto de mejorar la estabilidad del arco. Empleando por primera vez un polígono funicular en la descripción de un arco, con la hipótesis inicial de no existir resistencia entre las dovelas. Posteriormente en el año 1712 publica su memoria Sur la construction des voütes dans les edifices que influye a las generaciones posteriores de constructores europeos como en las tablas constructivas de arcos de puentes elaboradas por perronet . Tablas populares en la construcción empíricas de puentes europeos hasta la mitad del siglo XIX. en el último cuarto del siglo XVIII, con el advinimiento de la revolución industrial aparecen algunos ejemplos de arcos continuos elaborados con hierro fundido. Uno de los primeros es un arco de puente construido en 1779, y denominado Iron Bridge que cruza el río severn (reino unido)con treinta metros de luz.El hierro fundido abre paso al empleo posterior, ya en el siglo XIX, del hierro y con ello se aumenta considerablemente la luz de los puentes. Fue poncelet uno de los primeros en comprobar que los arcos eran estructuras hiperestáticas (o redundantes) para cuya solución se requuiere la solución de ecuaciones de compatibilidad y una ley que relacione las deformaciones con las tensiones.

El ingeniero Pierre couplet siguiendo una hipótesis diferente que de la Hire logra de forma analítica dar con un valor mínimo para el grosor de un arco.Por debajo de ese valor el arco coplapsa. La descripción más empleada posteriormente acerca de la estabilidad de un arco la realiza coulomb en el año 1773. En su trabajo muestra siete formas posibles de hacer colapso un arco. Entre 1830 y 1840 se desarrolla simultáneamente por diversos ingenieros investigadores la teoría de la linea de empujes . Uno de ellos es H. Moseley que describe la estabilidad de un arco. Resultados que fueron perfeccionados por julles carvallo, y Durand-Claye. Las investigaciones que se hacen con las nuevas teorías, comprobando la eficiencia de los antíguos métodos empíricos, muestran como a pesar de ser básicamente incorrectas los resultados constructivos fueran tan sorprendente mente buenos.

La aparición del hormigón y del hierro a comienzos del siglo XX hizo que la forma constructiva de los arcos dejase de ser mediante el trabazón de piezas, para llegar a construir arcos continuos. Pronto se alcanzan los centenares de metros en la luz de los puentes, debido al uso de etse material constructivo en los arcos: llegando al millar de metros (caso de los puentes atirantados). En este punto las teorías elaboradas sobre arcos necesitaban de nuevas investigaciones científicas. En esta línea trabajaron Kooharian (1952), y Heyman (1966).Los arcos continuos no poseen las propiedades mecánicas y estructurales de los viejos arcos de fábrica, su teoría era mucho más sencilla de tener en cuenta.

DIMENSIONES

En muchos casos, el diseño de arcos necesita de un conjunto de definiciones que permite describir las distancias relativas entre elementos. Además en la descripción de los arcos de piedra se usa la siguiente nomenclatura en la definición de ciertas partes de los arcos: Centro. Puede estar por encima o por debajo de la imposta. Puede haber más de un centro.Flecha. Altura del arco que se mide desde la línea en que arranca hasta la clave y anchura de un arco. En algunas ocasiones se denomina también intercolumnio Semiluz. Mitad de la anchura de un arco.Esbeltez. Relación entre la flecha y la luz. Se expresa generalmente como fracción (1/2, 1/4, etc.) vértice. Punto más alto del arco.Línea de arranque. Punto de transición entre la jamba o imposta y el arco.Durante el periodo histórico que va desde la edad media hasta finalizado el periodo de arquitectura gótica se han empleado estas dimensiones en los diseños de arcos. En muchos casos por mantener una proporción estética, en otros como una especie de regla empírica que permitía el diseño de los mismos, así como la transmisión del conocimiento en sucesivas generaciones de arquitectos.

TIPOS

Dependiendo de la forma geométrica del intradós en el frente del arco, existe una numerosa cantidad de denominaciones de arcos. Cada estilo arquitectónico se ha caracterizado por un tipo propio de arco, cada época o cultura. Incluso por cada arquitecto. Cabe la posibilidad de que el primer arco fuese el arco medio punto (semicircunferencia), y a partir de él se fuesen configurando los demás. Por ejemplo, aquellos arcos en los que la clave se encuentre por encima del arco de medio punto se denominan apuntados. Mientras en los que la clave se encuentre por debajo se denominan rebajados. Debido a la funcionalidad del arco a veces existen otras posibles clasificaciones, arcos estructurales con capacidad tectónica en la edificación (como son los arcos votantes, y ciegos), monumentales (como los arcos de triunfo), etc

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ARCOS CON MEMORATIVOS 

Los arcos conmemorativos son los monumentos erigidos para celebrar un acontecimiento de gran relevancia histórica, generalmente una importante victoria militar. De origen en la Antigua roma , su empleo se ha perpetuado hasta la actualidad. Normalmente, son grandes monumentos pétreos prismáticos, conformados a modo de una gran puerta rematada en forma arqueada. La misión del arco en este caso es meramente ornamental, careciendo de significación. Este tipo de arcos se ubica por regla general a la entrada de ciudades importantes, o de capitales. En muchos casos hacen de puerta de acceso.

ARCO CONTINUO

 Los arcos metálicos se diseñan según principios totalmente diferentes a los arcos de piedra. Esto se debe a que los metales son materiales que pueden resistir adecuadamente tanto tracción como comprensión a diferencia de las construcciones en piedra y otros materiales cerámicos que sólo pueden resistir compresiones de importancia. La complejidad de conocimientos y técnicas constructivas han ido creciendo con el tiempo por lo que ha sido necesaria la especialización. De este modo, los arcos que se incluyen en grandes obras públicas, como los puentes, se consideran arcos de ingeniería e incluso en ciertas obras, tradicionalmente arquitectónicas, como en algunos estadios, la gran luz de los arcos, hace necesario aportar soluciones, tanto de arquitectura, como de ingeniería . 

Existen básicamente dos tipologías de arcos metálicos:Los arcos metálicos rígidos en celosía, formado básicamente por multitud de barras unidas en sus extremos que trabajan sometidas a esfuerzos axiales  de tracción o compresión a lo largo de el eje longitudinal de las barras.Los arcos metálicos flexibles, formado por una pieza prismática  curva que trabaja predominantemente en flexión.

USOS

El uso más tradicional de un arco ha sido, ya desde antiguo como una forma de salvar un vano o abertura en el paramento de un edificio. Debido a su particular capacidad para transformar los empujes verticales del peso del edificio edificio, en componentes más 'horizontales', se ha empleado como soporte, al mismo tiempo que forma de apertura de muros. En muchos casos su existencia da lugar a una ventana, a una puerta o acceso en general. Tal es el caso de la función de los arcos como elementos de soporte en los contrafuertes de las catedrales. Su uso en la construcción de puentes (en los denominados arcos de puentes) ha sido fundamental. El empleo de conjuntos de arcos encadenados en una secuencia: pórticos 

Poco a poco con la aparición de nuevos materiales contructivos el arco fue reduciendo su uso exclusivo en ciertas obras de ingeniería civil. Los arcos en la actualidad se emplean en contadas ocasiones, muchos de los casos son elementos decorativos y ornamentales alejados de su función primordial. En algunos casos empleados como monumentos conmemorativos.