Presa de arco

Una presa de arco es una presa de hormigón curvada en planta, orientada aguas arriba. ^{[ 1 ]} Está diseñada para que la fuerza del agua contra ella, conocida como presión hidrostática , ejerza presión sobre el arco, provocando que este se enderece ligeramente y reforzando la estructura al presionar contra sus cimientos o estribos. Las presas de arco son más adecuadas para cañones o desfiladeros estrechos con paredes empinadas de roca estable que soporten la estructura y las tensiones. ^{[ 2 ]} Al ser más delgadas que cualquier otro tipo de presa, requieren mucho menos material de construcción, lo que las hace económicas y prácticas en zonas remotas.

En general, las presas de arco se clasifican en función de la relación entre el espesor de la base y la altura estructural (b/h) como: ^{[ 1 ]}

• Delgado, para b/h menor que 0,2,
• De grosor medio, para b/h entre 0,2 y 0,3, y
• Grueso, para una relación b/h superior a 0,3.

Las presas de arco clasificadas según su altura estructural son: ^{[ 1 ]}

• Presas bajas de hasta 30 metros (100 pies ) , 
• Presas de altura media entre 100 y 300 pies (30 y 91 m) ,  
• Presas altas de más de 300 pies (91 m) .  

El desarrollo de las presas de arco a lo largo de la historia comenzó con los romanos en el siglo I a. C. y, después de que se desarrollaron varios diseños y técnicas, se logró una uniformidad relativa en el siglo XX. La primera presa de arco conocida, la presa de Glanum , también conocida como presa de Vallon de Baume, fue construida por los romanos en Francia y data del siglo I a. C. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} La presa tenía unos 12 metros (39 pies) de altura y 18 metros (59 pies) de longitud. Su radio era de unos 14 m (46 pies) y constaba de dos muros de mampostería. Los romanos la construyeron para abastecer de agua a la cercana Glanum . La presa de Monte Novo en Portugal fue otra presa de arco temprana construida por los romanos en el año 300 d. C. Tenía 5,7 metros (19 pies) de altura y 52 m (171 pies) de longitud, con un radio de 19 m (62 pies) . Los extremos curvos de la presa se unían a dos muros alados que posteriormente fueron reforzados con dos contrafuertes. La presa también contaba con dos salidas de agua para accionar molinos aguas abajo. ^{[ 6 ]}         

La presa de arco más antigua que se conserva es la Puerta de Hierro sobre Antioquía , que combinaba las funciones de puente de carretera , acueducto , muralla y presa. La Puerta de Hierro sigue funcionando como presa en la actualidad. ^{[ 7 ]} La presa de Dara fue otra presa de arco construida por los romanos. El historiador Procopio escribió sobre su diseño: «Esta barrera no se construyó en línea recta, sino que se curvó en forma de media luna, de modo que la curva, al oponerse a la corriente del río, pudiera ofrecer aún más resistencia a la fuerza del agua». ^{[ 3 ]}

Los mongoles también construyeron presas de arco en el actual Irán. La más antigua fue la presa de Kebar , construida alrededor del año 1300, que tenía 26 m (85 pies) de altura y 55 m (180 pies) de longitud, con un radio de 35 m (115 pies) . Su segunda presa, construida alrededor del año 1350, se llama presa de Kurit . Tras añadirle 4 m (13 pies) en 1850, alcanzó los 64 m (210 pies) de altura y siguió siendo la presa más alta del mundo hasta principios del siglo XX. La presa de Kurit era de mampostería y se construyó en un cañón muy estrecho. El cañón era tan angosto que la longitud de su cresta representa solo el 44 % de su altura. La presa aún se mantiene en pie, aunque parte de su cara inferior aguas abajo se desprendió. ^{[ 4 ]}          

La presa de Tibi, en Tibi , España, fue una presa de arco posmedieval construida entre 1579 y 1594, la primera en Europa desde la época romana. La presa tenía 42,7 metros (140 pies) de altura y 65 metros (213 pies) de longitud. Esta presa de arco se asienta sobre las laderas de la montaña. ^{[ 4 ]}  

A principios del siglo XX, se construyó la primera presa de arco de radio variable del mundo en Salmon Creek, cerca de Juneau , Alaska . La cara aguas arriba de la presa de Salmon Creek se abombaba aguas arriba, lo que aliviaba la presión sobre los arcos inferiores, más resistentes y curvos, cerca de los estribos. La presa también tenía una punta más grande, lo que compensaba la presión sobre el talón aguas arriba, que ahora se curvaba más aguas abajo. La tecnología y los beneficios económicos de la presa de Salmon Creek permitieron el diseño de presas más grandes y altas. Por lo tanto, la presa fue revolucionaria, y diseños similares pronto fueron adoptados en todo el mundo, en particular por la Oficina de Recuperación de los Estados Unidos . ^{[ 4 ]}

En 1920, el ingeniero y diseñador de presas suizo Alfred Stucky desarrolló nuevos métodos de cálculo para presas de arco, ^{[ 8 ]} introduciendo el concepto de elasticidad durante la construcción de la presa de arco de Montsalvens en Suiza, mejorando así el perfil de la presa en la dirección vertical mediante el uso de una forma de arco parabólico en lugar de una forma de arco circular.

La presa de Pensacola , terminada en el estado de Oklahoma en 1940, fue considerada la presa de arcos múltiples más larga de los Estados Unidos. Diseñada por WR Holway , cuenta con 51 arcos y una altura máxima de 46 m (150 pies) sobre el lecho del río. La longitud total de la presa y sus secciones es de 2001 m (6565 pies ), mientras que la sección de arcos múltiples mide 1306 m (4284 pies ) de largo y su combinación con las secciones del aliviadero mide 1568 m (5145 pies ) . Cada arco de la presa tiene una luz libre de 18 m (60 pies) y cada contrafuerte tiene 7,3 m (24 pies) de ancho. ^{[ 9 ]}            

Los diseños de presas de arco continuarían probando nuevos límites y diseños como la doble y la múltiple curva. Alfred Stucky y la Oficina de Recuperación de los Estados Unidos desarrollaron un método de distribución de peso y tensión en la década de 1960, y la construcción de presas de arco en los Estados Unidos vería su último auge entonces con presas como la presa Morrow Point de doble curva de 143 metros en Colorado, terminada en 1968. ^{[ 10 ]} A finales del siglo XX, el diseño de presas de arco alcanzó una uniformidad relativa en el diseño en todo el mundo. ^{[ 4 ]} Actualmente, la presa de arco más alta del mundo es la presa Jingpin-I de 305 metros (1001 pies) en China , que se terminó en 2013. ^{[ 11 ]} La presa de arco múltiple con contrafuertes más larga del mundo es la presa Daniel-Johnson en Quebec , Canadá . Tiene 214 metros (702 pies) de altura y 1314 metros (4311 pies) de largo en su cima. Se completó en 1968 y se puso en servicio en 1970. ^{[ 12 ]}   

La presa de Pensacola fue una de las últimas presas de arcos múltiples construidas en Estados Unidos. Su solicitud para ser incluida en el Registro Nacional de Lugares Históricos (NRHP) indica que esto se debió a que tres presas de este tipo fallaron: (1) la presa de Gem Lake, la presa de St. Francis (California) y la presa de Lake Hodges (California). Ninguna de estas fallas fue causada intrínsecamente por el diseño de arcos múltiples. ^{[ 9 ]}

El diseño de una presa de arco es un proceso muy complejo. Comienza con un trazado inicial de la presa, que se mejora continuamente hasta que se alcanzan los objetivos de diseño dentro de los criterios de diseño. ^{[ 1 ] [ 13 ]}

Cargas

Las principales cargas para las que se diseña una presa de arco son: ^{[ 1 ] [ 13 ]}

• Carga muerta
• Carga hidrostática generada por el embalse y el agua de descarga.
• Carga de temperatura
• carga sísmica

Otras cargas diversas que afectan a una presa incluyen: cargas de hielo y sedimentos, y presión de elevación. ^{[ 1 ] [ 13 ]}

Generalmente, la presa de arco se construye de hormigón y se ubica en un valle en forma de V. Los cimientos o estribos de una presa de arco deben ser muy estables y proporcionales al hormigón. Existen dos diseños básicos para una presa de arco: presas de radio constante , que tienen un radio de curvatura constante, y presas de radio variable , que presentan curvas aguas arriba y aguas abajo cuyo radio disminuye sistemáticamente por debajo de la cresta. Una presa con doble curvatura tanto en su plano horizontal como vertical se denomina presa de domo . Las presas de arco con más de un arco o plano contiguo se describen como presas de arcos múltiples . Ejemplos tempranos incluyen la presa romana de Esparragalejo, y ejemplos posteriores como la presa Daniel-Johnson (1968) y la presa de Itaipú (1982). Sin embargo, como resultado del colapso de la presa de Gleno poco después de su construcción en 1923, la construcción de nuevas presas de arcos múltiples se ha vuelto menos popular. ^{[ 14 ]}

Las juntas de contracción se colocan normalmente cada 20 m en la presa de arco y posteriormente se rellenan con lechada una vez que el control se enfría y fragua. ^{[ 15 ]}

presa de arco de radio constante

La cara aguas arriba de la presa tiene un radio constante, lo que le confiere una forma lineal a lo largo de toda su altura. Sin embargo, en las curvas interiores, el radio disminuye a medida que descendemos desde la parte superior hasta la inferior, formando así en sección transversal un triángulo.

Presa de arco variable

El radio de las caras interna y externa del arco de la presa varía de abajo hacia arriba. El radio del arco es mayor en la parte superior y menor en las elevaciones inferiores. El ángulo central del arco también se ensancha a medida que ascendemos.

Presa de arco de ángulo constante

Este es el tipo más económico de construcción. Sin embargo, para el tercer tipo de presa de arco se requiere una cimentación más robusta, ya que implica voladizos en las secciones de los estribos. La presa de arco de ángulo constante es aquella en la que los ángulos centrales de los anillos horizontales del arco tienen la misma magnitud en todas las elevaciones.

• Presa de arco-gravedad
• Presa de gravedad
• Arco parabólico

• PBS.org: Conceptos básicos sobre las represas
• Desarrollo histórico de las presas de arco. Desde arcos de piedra tallada hasta diseños modernos de hormigón.
• Desarrollos clave en la historia de las presas de arco , de archive.org