Arco (arquitectura) para niños
Un arco, que viene del latín arcus, es una parte de una construcción con forma curva o poligonal. Su función principal es cubrir un espacio entre dos soportes, como pilares o muros. El arco transmite el peso que soporta hacia sus apoyos, usando una fuerza inclinada llamada empuje.
Desde hace mucho tiempo, los constructores han buscado maneras de cubrir los espacios entre dos puntos de apoyo. Antes de que existieran el hormigón armado y las vigas de acero, la forma más sencilla era usar una sola pieza grande, como un dintel de madera o piedra. Si no había piezas tan grandes, se usaban varias piezas más pequeñas. Estas piezas se unían de tal forma que pudieran soportar el peso de lo que estaba encima.
Un arco se construye en una pared para coronar una abertura o hueco. Tradicionalmente, los arcos se hacen con piezas de piedra tallada, ladrillo o adobe. Estas piezas se llaman dovelas y trabajan siempre a compresión, es decir, se aprietan unas contra otras. Los arcos son muy útiles para cubrir espacios grandes usando piezas pequeñas.
Aunque el arco es un elemento de construcción antiguo y sencillo, su funcionamiento no se estudió a fondo hasta el siglo XIX. Antes, los constructores usaban métodos prácticos basados en la geometría para saber qué tan gruesos debían ser los soportes. Estos métodos no tenían una base científica y se basaban en hacer los soportes muy grandes. A mediados del siglo XIX, nuevos estudios ayudaron a entender mejor cómo funcionan los arcos y por qué a veces se caen. Con la llegada de nuevos materiales como el hierro, el acero y el hormigón armado a principios del siglo XX, se pudieron construir arcos mucho más grandes. Esto hizo que su construcción pasara más al campo de la ingeniería que al de la arquitectura.
Contenido
¿Cómo funciona un Arco?
Estructuralmente, un arco hecho con dovelas funciona como un conjunto de piezas que transmiten el peso, ya sea el suyo propio o el de otros elementos, hacia los muros o pilares que lo sostienen. Así, el arco es un sistema en equilibrio. Por su forma, las dovelas están sometidas principalmente a fuerzas de compresión. Sin embargo, también transmiten empujes horizontales hacia afuera en los puntos donde se apoyan, lo que tiende a separar los soportes. Para evitar esto, se suelen añadir otros arcos para equilibrarlos, o muros muy fuertes en los extremos. También se usan contrafuertes o arbotantes, que son soportes externos. A veces se usan tirantes de metal o madera para sujetar las dovelas de abajo.
Un arco es una estructura compleja de analizar, pero entender cómo se comporta ayuda a saber cuánto peso puede soportar antes de fallar.
A partir de la estructura de un arco, se crean otros elementos comunes en la arquitectura, como las bóvedas y las cúpulas. Una bóveda se forma al repetir arcos iguales y unirlos correctamente para crear una superficie. Si los arcos son de medio punto, la superficie será semicilíndrica. Una cúpula se puede construir uniendo arcos iguales que se apoyan en un círculo. Si los arcos son de medio punto, la superficie será semiesférica.
Materiales de Construcción
Generalmente, se han usado materiales que resisten bien la compresión pero no tanto la tracción (estiramiento). Estos materiales son la piedra tallada en bloques (llamada 'arco pétreo'), el adobe y el ladrillo. La forma más natural de cubrir grandes espacios es usando arcos. Si el arco tiene la forma correcta, todas las dovelas trabajan a compresión. Las estructuras de arco hechas con estos materiales forman una parte muy importante del patrimonio arquitectónico del pasado. Su uso fue dominante durante miles de años hasta que el hierro apareció como una alternativa viable en la segunda mitad del siglo XIX.
En los arcos de piedra, las dovelas tienen forma de cuña. A menudo, estas dovelas forman parte del muro cercano. Algunos expertos, como el arquitecto italiano León Baptista Alberti, aconsejaban que las dovelas fueran grandes y muy parecidas entre sí. La clave, la piedra central, debía ser la más pesada. Las uniones entre las dovelas deben ser perpendiculares a la curva interior del arco. Las piedras tienen una gran resistencia a la compresión, por eso se han usado desde la antigüedad para construir arcos. A veces, las dovelas de piedra se unían con un mortero para darles más agarre. La resistencia de los ladrillos suele ser menor que la de las piedras.
La Teoría detrás del Arco
En un arco, el peso propio y las cargas que soporta se transmiten como fuerzas laterales. Por eso, los arcos deben construirse junto a elementos que actúen como soportes, como muros de contención. Las dovelas del arco, por su forma, transforman las fuerzas verticales en dos componentes: uno horizontal y otro vertical. Calcular el empuje de un arco y decidir el tamaño necesario del soporte para que el arco sea estable es uno de los problemas más importantes en la construcción. Algunos lo han llamado el "enigma de la arquitectura".
No toda estructura curva es un arco verdadero. Por ejemplo, un voladizo curvo o una viga curva empotrada son "falsos arcos". Aunque son estructuras curvas o poligonales, no transmiten empuje horizontal y se consideran estructuras más simples. La mayoría de los arcos de fábrica son estructuras complejas. Entender este fenómeno ayudó a comprender cómo se caen los arcos y a determinar las cargas máximas que pueden soportar.
Desde mediados del siglo XIX, la teoría más común para entender los arcos ha sido la de la "línea de empujes" dentro de la estructura. Sin embargo, como este cálculo matemático era muy laborioso, se solía hacer usando métodos gráficos o maquetas a pequeña escala. Hoy en día, para diseñar los elementos de un arco, se usa el "método de los estados límite".
Construcción de Arcos
Desde la antigüedad, los arcos se construían con la ayuda de cimbras. Una cimbra es una estructura auxiliar de madera que sostiene las dovelas del arco antes de colocar la clave. Esta estructura tiene forma de celosía y su misión es soportar el peso de los elementos del arco hasta que se encaja la clave. La clave es la dovela central que "cierra" el arco y une todas las piezas. Generalmente, esta última pieza se encaja a martillazos, cerrando la estructura por completo.
Una vez que la clave está en su lugar, se procede al "descimbrado", que es el desmontaje de la estructura auxiliar de madera. Justo en ese momento, el arco, ya sin su cimbra, empieza a soportar su propia carga. Las cimbras se hacían de madera y su uso solía encarecer la construcción de arcos. Gran parte del estudio de los arcos consistía en poder construirlos con cimbras sencillas. Al retirar las cimbras, las dovelas del arco comienzan a comprimirse unas con otras. Por eso, el descimbrado se hacía con mucho cuidado y en un orden preciso, para no someter el arco a tensiones adicionales o desequilibradas. Hay ejemplos en la historia de arcos que se cayeron durante el proceso de descimbrado.
¿Por qué se caen los Arcos?
Un arco se derrumba cuando sus dovelas dejan de estar en equilibrio y se convierten en un mecanismo que puede moverse. El ingeniero francés Philippe de la Hire fue el primero en analizar cómo se agrieta un arco. El proceso de descimbrado siempre causa pequeñas grietas en la estructura del arco, debido al ligero descenso de la clave y al asentamiento de las partes. La estructura tiende a "bajar" después del descimbrado, lo que hace que aparezcan grietas en la parte interior de la clave y en los tercios superiores del arco. Estas grietas de "acomodamiento" son muy normales y dan lugar a una situación de equilibrio diferente a la calculada inicialmente. Generalmente, un arco se derrumba por un cálculo incorrecto de los soportes, que al ser débiles, no pueden contener el empuje del arco.
Para analizar por qué se caen los arcos, se usan tres ideas básicas. Primero, se asume que el material del arco es infinitamente resistente a la compresión, es decir, que puede soportar cualquier carga sin desmoronarse. Segundo, se asume que el material no tiene resistencia a la tracción (no soporta estiramientos). Y tercero, que las dovelas no se deslizan entre sí, lo que significa que la fricción o la unión entre ellas es suficiente para mantener la forma del arco. Con estas ideas, se formulan principios sobre la estabilidad y el derrumbe de los arcos.
Un principio dice: "Un arco cargado no se derrumbará si, en cada momento en que soporta una carga, es posible encontrar una forma de equilibrio que sea estable". Esto significa que un arco es seguro si hay una "línea de empujes" estable dentro de él. Esta idea surgió al observar arcos agrietados que duraron siglos, manteniendo un equilibrio diferente al original.
Otro principio dice: "Un arco se derrumbará si puede encontrarse una 'configuración de colapso' que permita el movimiento". Esto significa que un arco se cae cuando aparecen tantas grietas que se convierte en un mecanismo que puede moverse. La aparición de grietas hace que el arco se vuelva inestable. Este principio llevó a estudiar en detalle la aparición de grietas y su relación con otros conceptos de la física.
Historia del Arco
El arco se hizo muy popular en la Antigua Roma y se extendió principalmente por la influencia europea, aunque ya se conocía y se usaba ocasionalmente desde antes. Muchas arquitecturas antiguas, como las vikingas e hindúes, no usaban arcos.
La historia del arco en la construcción abarca unos seis mil años. Apareció por primera vez en la arquitectura de Mesopotamia y llegó a Europa a través del Imperio Romano, alcanzando su mayor esplendor en el siglo XVI. Esto se debe a la gran intuición de los constructores medievales, quienes, sin conocer la teoría científica del arco, construyeron catedrales y puentes que siguen en pie hoy en día. La historia del arco se puede dividir en tres etapas: una primera en la que se construían arcos por intuición y experiencia, una segunda en la que se usaban propiedades prácticas en modelos geométricos (algunos sin base científica), y una tercera en la que los modelos analíticos modernos permiten entender cómo "funciona un arco".
Primeros Usos y Desarrollo
En la naturaleza existen arcos naturales, como los que se forman en el paso de una montaña por el derrumbe de piedras, o en las cuevas por la erosión del viento y el agua. Estos arcos naturales quizás inspiraron a los primeros humanos a colocar piedras imitando su forma curva. Los arcos tuvieron significados especiales debido a su capacidad de sostenerse "por sí mismos". En algunas culturas, los grandes arcos de los puentes se atribuían a obras mágicas. El uso constante de arcos en las construcciones de algunas culturas fue creando un conocimiento práctico que más tarde se convertiría en leyes geométricas. Muchos escritos antiguos muestran este conocimiento sobre la construcción de arcos mediante dibujos geométricos.
El arco apareció en Mesopotamia y en la cultura del valle del Indo. Se usó en el Antiguo Egipto, Asiria, Etruria y más tarde en la Roma Antigua. Los antiguos romanos aprendieron el arco semicircular de los etruscos (ambas culturas adoptaron el diseño de forma independiente en el siglo IV a.C.), lo perfeccionaron y fueron los primeros constructores en Europa en aprovechar todo su potencial para edificios en la superficie. Los romanos fueron los primeros en Europa, y quizás en el mundo, en apreciar completamente las ventajas del arco, la bóveda y la cúpula.
El arco se usaba en edificios auxiliares, estructuras subterráneas y de drenaje. Los romanos fueron los primeros en usarlos en edificios importantes, aunque se cree que los arquitectos romanos aprendieron su uso de los etruscos. El arco romano es semicircular y se construye con un número impar de dovelas, para que haya una dovela central o clave. Los romanos usaron este tipo de arco de medio punto en muchas de sus estructuras tradicionales, como acueductos, palacios y anfiteatros. Este arco romano fue considerado por arquitectos posteriores (hasta el siglo XVIII) como el más estable. Un ejemplo de construcción práctica era la popular "regla del tercio", que decía que en los arcos de medio punto bastaba con que el soporte tuviera un tercio del grosor del hueco.
En la Edad Media, el uso del arco con dovelas de piedra alcanzó un gran desarrollo técnico en la construcción de catedrales. Todavía se usa hoy en día en algunas estructuras como los puentes, aunque con diferentes materiales. En el siglo XII, la arquitectura gótica empezó a usar un tipo de arco apuntado, aprendiendo de experiencias anteriores. En las estructuras románicas, observaron que los arcos de medio punto no eran perfectos, ya que algunos fallaban por los "riñones" (la parte media de cada semiarco). Por eso, buscaron un arco en el que los riñones fueran menos salientes, lo que dio lugar al arco apuntado. Las reglas para construir arcos se transmitían de forma oral en las comunidades de canteros góticos. En muchos casos, estas reglas eran difíciles de entender y pocas han llegado directamente a nuestros días por escrito. Algunos tratados describen el tamaño de los soportes usando hexágonos inscritos en el arco. Este método fue muy popular y dio buenos resultados.
En España, hubo teóricos en el siglo XVI que desarrollaron ideas sobre la construcción de arcos, como Rodrigo Gil de Hontañón y Tomás Vicente Tosca. Sin embargo, el análisis de las estructuras de bóvedas de fábrica surgió a finales del siglo XVII. Se puede decir que en la segunda mitad del siglo XVIII, la estabilidad del arco construido con fábrica ya estaba bastante resuelta para fines prácticos, y existían varios métodos bien desarrollados y tablas publicadas de uso relativamente sencillo. El físico italiano Galileo Galilei fue uno de los primeros en darse cuenta de que los fundamentos prácticos en el diseño de arcos podrían tener una causa física, mostrando que la teoría del arco podría explicarse mediante las leyes de la estática.
Avances Científicos
Se atribuye a Leonardo da Vinci ser el primero en desarrollar una teoría sobre cómo funciona un arco. Pero no fue hasta 1670 que el físico Robert Hooke formuló el problema en términos científicos. Hooke mencionó, al final de uno de sus libros, en forma de un mensaje secreto, cómo un arco se parece a una catenaria invertida. El mensaje descifrado decía en latín: "Como cuelga un cable flexible, así se mantendrá un arco rígido invertido".
Robert Hooke llegó a esta conclusión después de colaborar con Christopher Wren en la construcción de la Cúpula de la catedral de San Pablo. Se dio cuenta de que un arco se mantiene si dentro de su grosor hay una catenaria invertida. Años después, el matemático David Gregory explicó cómo dimensionar un soporte, demostrando que si en la catenaria las fuerzas empujan hacia adentro, en el arco de una catenaria invertida lo hacen hacia afuera. El matemático francés Philippe de la Hire hizo un enfoque diferente en su libro Traite de Mécanique, tratando de averiguar el peso adecuado de las dovelas para mejorar la estabilidad del arco. Usó por primera vez un polígono funicular para describir un arco, asumiendo que no había resistencia entre las dovelas. Más tarde, en 1712, publicó su estudio Sur la construction des voütes dans les edifices, que influyó en generaciones posteriores de constructores europeos, como en las tablas para construir arcos de puentes de Perronet. Estas tablas fueron populares en la construcción práctica de puentes europeos hasta mediados del siglo XIX. En el último cuarto del siglo XVIII, con la Revolución Industrial, aparecieron los primeros ejemplos de arcos continuos hechos con hierro fundido. Uno de los primeros fue un puente de arco construido en 1779, llamado Iron Bridge, que cruza el río Severn con treinta metros de luz. El hierro fundido abrió el camino al uso posterior del hierro y, en el siglo XIX, permitió aumentar considerablemente la longitud de los puentes. Jean-Victor Poncelet fue uno de los primeros en comprobar que los arcos eran estructuras complejas que requerían ecuaciones para su solución.
El ingeniero Pierre Couplet, siguiendo una idea diferente a la de la Hire, logró calcular un valor mínimo para el grosor de un arco. Por debajo de ese valor, el arco se derrumba. La descripción más usada posteriormente sobre la estabilidad de un arco la hizo Charles-Augustin de Coulomb en 1773. En su trabajo, mostró siete formas posibles en que un arco podía colapsar. Entre 1830 y 1840, varios ingenieros investigadores desarrollaron simultáneamente la teoría de la "línea de empujes". Uno de ellos fue H. Moseley, quien describió la estabilidad de un arco. Estos resultados fueron mejorados por Jules Carvallo y Durand-Claye. Las investigaciones con las nuevas teorías, al comparar la eficiencia de los antiguos métodos prácticos, mostraron que, a pesar de ser básicamente incorrectos, los resultados de construcción eran sorprendentemente buenos.
La aparición del hormigón y el hierro a principios del siglo XX hizo que la construcción de arcos dejara de basarse en la unión de piezas pequeñas para construir "arcos continuos". Pronto se lograron luces de cientos de metros en los puentes gracias al uso de este material, llegando años después a miles de metros (como en los puentes atirantados). En este punto, las teorías sobre arcos necesitaban nuevas investigaciones científicas. En esta línea trabajaron Kooharian (1952) y Heyman (1966). Los arcos continuos no tienen las mismas propiedades mecánicas y estructurales que los antiguos arcos de fábrica, y su teoría era mucho más sencilla de entender.
Partes y Medidas de los Arcos
Tradicionalmente, se han dado nombres a las diferentes partes de los arcos. En el caso de los arcos construidos con piezas, existen algunas denominaciones usadas en la mayoría de los libros de construcción.
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Elementos del Arco
Hasta la aparición de los arcos continuos en el siglo XX, los arcos estaban compuestos por varias partes. Algunas de ellas tenían nombres propios que se han transmitido en los diferentes libros de construcción. Los elementos principales que forman un arco de piedra son:
- Las dovelas: Son las piezas en forma de cuña que forman el arco y se caracterizan por su disposición radial. Las dovelas de los extremos, que reciben el peso del arco, se llaman salmer (es la primera dovela del inicio). La parte interior de una dovela se llama intradós y la parte superior que no se ve, por estar dentro de la construcción, se llama trasdós. El despiece de dovelas es la forma en que están dispuestas las dovelas en relación con su centro. Cuando las dovelas siguen los radios de un mismo centro, se llama arco radial. Cuando las dovelas se colocan horizontales hasta cierta altura, se llama arco enjarjado.
- La clave (a veces también llamada 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 de construcción del arco. La clave suele ser la dovela más grande y, para dar estabilidad al arco, es la más pesada. Las dos dovelas junto a la clave se llaman contraclaves.
- La imposta (o arranque): Es una moldura o saliente sobre el cual se apoya un arco o una bóveda. A veces recorre horizontalmente la fachada o los muros del edificio, separando los diferentes pisos. Al conjunto de dovelas desde el inicio hasta la clave se le llama riñón.
- La enjuta: Es la parte de la construcción que cubre la parte superior del arco (es decir, descansa sobre los "riñones" del arco). Generalmente, se refiere a la construcción entre dos arcos seguidos.
- La rosca: Es la franja de material de construcción que, sola o con otras concéntricas, forma un arco o bóveda. Se considera rosca a la porción de material constructivo entre la parte interior y exterior del arco.
Medidas del Arco
En muchos casos, el diseño de arcos necesita un conjunto de definiciones que permiten describir las distancias entre sus elementos. Además, para describir los arcos de piedra, se usa la siguiente terminología para definir ciertas partes:
- 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 donde empieza hasta la clave.
- Luz: Anchura de un arco. A veces también se llama intercolumnio.
- Semiluz: La mitad de la anchura de un arco.
- Esbeltez: Relación entre la flecha y la luz. Se expresa generalmente como una fracción (1/2, 1/4, etc.).
- Vértice: El punto más alto del arco.
- Línea de arranque: Punto de transición entre el soporte vertical y el arco.
Durante el periodo histórico que va desde la Edad Media hasta el final de la arquitectura gótica, estas medidas se usaron en los diseños de arcos. En muchos casos, para mantener una proporción estética, y en otros, como una especie de regla práctica que permitía el diseño y la transmisión del conocimiento a las siguientes generaciones de arquitectos.
Tipos de Arcos
Dependiendo de la forma geométrica de la parte interior del arco, existen muchísimos nombres para los arcos. Cada estilo arquitectónico se ha caracterizado por un tipo de arco propio, cada época o cultura, e incluso cada arquitecto. Es posible que el primer arco fuera el arco de medio punto (semicircunferencia), y a partir de él se crearon los demás. Por ejemplo, los arcos en los que la clave está por encima del arco de medio punto se llaman apuntados. Mientras que aquellos en los que la clave está por debajo se llaman rebajados. Debido a la función del arco, a veces existen otras clasificaciones posibles: arcos estructurales con capacidad de soporte en la edificación (como los arcos botantes, los arcos ciegos), monumentales (como los arcos de triunfo), etc.
Arcos Conmemorativos
Los arcos conmemorativos son monumentos construidos para celebrar un evento histórico muy importante, generalmente una gran victoria militar. Su origen está en la Antigua Roma, y su uso se ha mantenido hasta la actualidad. Normalmente, son grandes monumentos de piedra con forma de prisma, como una gran puerta con una parte superior arqueada. La función del arco en este caso es puramente decorativa, sin una función de soporte. Este tipo de arcos se ubica generalmente a la entrada de ciudades importantes o capitales. En muchos casos, sirven como puertas de acceso.
Arcos Modernos
Los arcos metálicos se diseñan con principios totalmente diferentes a los arcos de piedra. Esto se debe a que los metales son materiales que pueden resistir bien tanto la tracción (estiramiento) como la compresión (apretamiento), a diferencia de las construcciones de piedra y otros materiales cerámicos que solo pueden resistir compresiones importantes. La complejidad de los conocimientos y técnicas de construcción ha crecido con el tiempo, por lo que ha sido necesaria la especialización. Así, los arcos que se incluyen en grandes obras públicas, como los puentes, se consideran arcos de ingeniería. Incluso en algunas obras tradicionalmente arquitectónicas, como en algunos estadios, la gran luz de los arcos hace necesario combinar soluciones de arquitectura e ingeniería. Básicamente, existen dos tipos de arcos metálicos:
- Los arcos metálicos rígidos en celosía: Formados por muchas barras unidas en sus extremos que trabajan sometidas a fuerzas de tracción o compresión a lo largo del eje de las barras.
- Los arcos metálicos flexibles: Formados por una pieza curva que trabaja principalmente a flexión (curvatura).
Usos del Arco
El uso más tradicional de un arco ha sido, desde la antigüedad, como una forma de cubrir un hueco o abertura en la pared de un edificio. Debido a su capacidad especial para transformar los empujes verticales del peso del edificio en componentes más "horizontales", se ha usado como soporte, al mismo tiempo que permite abrir muros. En muchos casos, su existencia da lugar a una ventana, una puerta o un 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 llamados arcos de puentes) ha sido fundamental. También se usan conjuntos de arcos seguidos, formando pórticos.
Poco a poco, con la aparición de nuevos materiales de construcción, 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 principal. En algunos casos, se usan como monumentos conmemorativos.
Ver también
Véase también
En inglés: Arch Facts for Kids
