thumb|Arco de un puente, Córcega. thumb|Esquema de un arco1.Clave 2.Dovela 3.Trasdós 4.Imposta 5.Intradós 6.Flecha 7.Luz, Vano 8.Contrafuerte. thumb|Arcos ojivales en las ruinas de la abadía de Bolton () en el condado de North Yorkshire, Inglaterra. thumb|El Arco de Triunfo de París thumb|Arcos bajo la cubierta de la Casa Milá (o La Pedrera) en Barcelona, España. Diseño de Antonio Gaudí. thumb|En el Antiguo Egipto, los almacenes del Ramesseum fueron construidos con arcos de adobe.
Un arco (del latín arcus, derivado del indoeuropeo arkw,Muy interesante 2010, núm. 08, p. 22. 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.
En arquitectura siempre se ha presentado el problema de salvar los vanos entre dos apoyos; antes de la invención del hormigón armado y de las vigas de acero, el modo más sencillo de hacerlo era mediante una sola pieza, dintel, que podía ser de madera o de piedra y, cuando no había piezas del tamaño requerido, mediante varias piezas pequeñas, trabadas de modo que puedan resistir las cargas que gravitan sobre el vano.
Funcionalmente un arco se realiza en el lienzo de un muro como coronación de una abertura o vano. Tradicionalmente un arco está compuesto por piezas, hechas de piedra tallada, ladrillo o adobe. Denominadas dovelas que trabajan siempre a compresión y puede adoptar formas curvas diversas. Este tipo de elemento constructivo es muy útil cuando se desea salvar espacios relativamente grandes mediante el aparejo de piezas de reducidas dimensiones.
A pesar de ser un elemento sencillo, y que aparece de forma natural en la construcción de estructuras desde antiguo, su funcionamiento no fue estudiado científicamente hasta el primer tercio del . 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 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 , 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.
Características
Estructuralmente, un arco con dovelas 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.
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 superposición 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.
Fábrica
Por regla general se han empleado materiales que resisten bien a la compresión y poco a la tracción. Tales materiales son: la piedra tallada en bloques (denominado: arco pétreo), adobe y ladrillo. La forma más natural de salvar grandes vanos es mediante el empleo de arcos. Si la forma del arco es la correcta, todas las dovelas trabajan a compresión. 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 aparición el hierro como alternativa constructiva viable.
En los arcos de piedra, las dovelas tienen la forma de un sólido denominado cuña truncada. Estas dovelas en muchos casos forman parte del aparejo del muro colindante. Algunos autores crearon escuela escribiendo sobre la construcción de arcos, como el arquitecto italiano 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 compresibilidad. Es por esta razón por la que se emplea desde antiguo la piedra 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 ladrillos es, por regla general, inferior al de las piedras.
Teoría del arco
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 uno de los problemas fundamentales constructivos. Algunos lo han definido el "enigma de la arquitectura".
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 iso-estática. 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 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.
Construcción
thumb|Cimbra de madera. Desde la antigüedad se elaboraban los arcos auxiliándose de cimbras: una estructura auxiliar de madera que ofrece el soporte inicial de las dovelas antes de la colocación de la clave. Dicho soporte o armadura tiene forma de celosía y tiene como misión soportar el peso de los elementos del arco hasta que se encaja la clave. La colocación de la dovela central que cierra el arco (denominada clave) genera el encaje solidario de las dovelas. 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 auxiliar 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 con cimbras sencillas. Al ser retiradas las cimbras de madera, las dovelas del arco empiezan 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.
Desplome y fisuras
Un arco se derrumba cuando las dovelas que lo sostienen, pasan de ser una estructura en equilibrio, a ser un mecanismo. El ingeniero francés Philippe de la Hire es el primero en analizar como se fisura un arco. 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 los tercios del extradós (riñones). Estas fisuras de acomodamiento de las dovelas son muy naturales, y dan lugar a una situación de equilibrio distinta de la calculada inicialmente. Por regla general el desplome de la estructura se produce por un inadecuado cálculo de los estribos que deben soportar al arco que, por débil, acaba produciendo su desencastramiento.
Dentro del análisis plástico de las estructuras con forma de arco, para el análisis de desplomes se parte de tres hipótesis básicas. En primer lugar se supone que la resistencia a la compresión es 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 tercero que el desplome por deslizamiento de las dovelas sea 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 formula en una serie de principios acerca de la estabilidad y desplome de los arcos. El primero de ellos se enuncia de la siguiente forma:
En la teoría del derrumbe de arcos se puede decir que es un arco seguro cuando existe una línea de empujes estáticamente admisible en su interior. La expresión: estáticamente admisible, viene a indicar que la estructura de carga es acorde con las leyes de la estática. Este principio nace de la observación de arcos agrietados que perduraron durante siglos con una configuración de equilibrio, diferente a la diseñada inicialmente. Dentro de la misma línea se tiene un segundo principio del derrumbe de un arco:
Una configuarción de derrumbe es una estructura en la que surge un cierto número de rótulas (o articulaciones). Es decir, un arco se desploma cuando aparecen en él tantas grietas que acaba convirtiéndose en un mecanismo (cinemático o con movimiento). La aparición de grietas causa que el arco se encuentre en equilibrio inestable. Este principio hizo que se estudiase con detalle la aparición de grietas, así como su relación con el principio de los trabajos virtuales.
Historia