El arco es el elemento constructivo de directriz en forma curvada o poligonal, que salva el espacio abierto entre dos pilares o muros transmitiendo toda la carga que soporta a los apoyos, mediante una fuerza oblicua que se denomina empuje, apareció primeramente en Mesopotamia, y en la cultura del valle del Indo. Se utilizó en el Antiguo Egipto, Asiria, Etruria y más adelante en la Roma Antigua donde adquirió gran popularidad.Fue una novedosa solución solución estructural para su época, ya que, resiste las cargas que actúan sobre ella trabajando exclusivamente a compresión, minimizando todo lo posible los esfuerzos de flexión. Para ello, la forma del arco debe aproximarse a la del antifunicular del sistema de fuerzas.
El arco permite el uso de materiales no resistentes a tracción, como la piedra o fábrica, que resisten bien a compresión y algo a esfuerzos cortantes. Esta forma de trabajo minimiza la cantidad de material a emplear, con el consiguiente ahorro.
Los apoyos del arco deben estar coaccionados tanto horizontal como verticalmente si no queremos comprometer la estructura. En arcos continuos, aparecerían flexiones que los transformarían en una viga curva y ya no podríamos hablar de arco.
La componente horizontal de las reacciones en los apoyos dependen de la esbeltez del arco (relacion flecha máxima/luz). A mayor esbeltez, mayor componente horizontal de la reacción. Por este motivo, esta tipología estructural sólo es adecuada en terrenos consistentes con gran resistencia a los empujes horizontales.
ARCOS ROMANOS
El arco del triunfo romano puede que sea una de las estructuras monumentales más emblemáticas del Imperio. como el arco deTito, el Arco de Septimio y el Arco de Constantino, antiguos arcos de triunfo que aún pueden contemplarse en la actual ciudad de Roma.
A pesar de ser un elemento sencillo, y que aparece de forma natural en la construcción de estructuras desde la antigüedad, su funcionamiento no fue estudiado científicamente hasta el primer tercio del siglo XIX. Con anterioridad, para su diseño se empleaban métodos empíricos geométricos que determinaban el grosor de los estribos, o de la resistencia necesaria de los firmes machones. Estos métodos constructivos carecían de fundamento científico y se basaban en la capacidad sobredimensionada de las estructuras de soporte, generalmente los estribos, o el uso de tirantes. El nacimiento de nuevos estudios a mediados del siglo XIX resolvió en gran medida la teoría del arco, de su trabajo, y de las causas de su desplome. El empleo de nuevos materiales constructivos, a comienzos del siglo XX, como era el hierro, el acero y el hormigón armado permitió igualmente la construcción de arcos continuos de gran tamaño, recayendo su construcción más en el área de la ingeniería que en el de la arquitectura.
FUNCIONALIDAD
Estructuralmente, 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 compresión, fundamentalmente, pero transmiten empujes horizontales en los puntos de apoyo, hacia el exterior, de forma que tiende a provocar la separación de estos. Para contrarrestar estas acciones se suelen adosar otros arcos, para equilibrarlos, muros de suficiente masa en los extremos, o un sistema de arriostramiento mediante contrafuertes o arbotantes (dando lugar a los arcos apuntados y a la bóvedas de crucería). Algunas veces se utilizan tirantes 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 estructura hiperestática (o estáticamente indeterminada) de tercer grado. Por esta razón tres articulaciones harían de un arco una estructura estáticamente determinada (isoestática). Esta idea permite averiguar el valor de la carga de rotura, o desplome de un arco.
COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL
En un arco, las fuerzas de compresión verticales (el peso propio y sobrecargas), se transmiten como fuerzas laterales; por esto, deben construirse los arcos junto a algún elemento que haga de estribo, tal y como un muros de contención. Las dovelas del arco, por su forma, transmiten las fuerzas verticales convirtiéndolas en dos componentes: uno horizontal y otro vertical. Calcular el empuje de un arco, y poder decidir qué dimensión deberá tener el estribo, para que el arco sea estable, es una de los problemas fundamentales constructivos.
No toda estructura curva es un arco, un ejemplo puede ser el pescante, un voladizo curvo o una simple viga curva empotrada (ménsula): todas ellas son falsos arcos. Todas ellas siendo estructuras curvas o poligonales, no transmiten empuje horizontal y se consideran más bien una estructura isoestática. En la mayoría de los casos un arco de fábrica es una estructura hiperestática de tercer grado. La comprensión de este fenómeno hizo que se pudiera comprender los mecanismos de desplome, así como la determinación de las cargas límite que debe soportar un arco.
La definición de una línea de empujes en el interior de la estructura del arco ha sido desde mediados del siglo XIX la teoría más habitual en los tratados de construcción. Sin embargo, dada la laboriosidad de este procedimiento matemático se solía realizar el cálculo de la línea de empujes mediante el empleo de métodos gráficos o, mediante modelos realizados a pequeña escala. En la actualidad se aplica en la determinación de los elementos de un arco el denominado método de los estados límites.
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