Columnas y castillos: Comparación detallada y sus fines de uso en estructuras

Ingeniería estructural: Columna Vs Castillo y sus diferencias principales

Columnas y castillos: Comparación detallada y sus fines de uso en estructuras

Analizamos las diferencias entre las columnas y los castillos en términos de características físicas y funciones en estructuras.

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En el campo de la construcción, ingeniería estructural o civil intervienen numerosos y distintos elementos, muchos de los cuales a simple vista parecen ser iguales y con similar función. 

No obstante cada pieza tiene su propio carácter, rol y diferencia. Un caso particular que veremos hoy son las columnas y castillos con una comparación detallada y sus fines de uso en estructuras.

Desconocer la función de cada columna y/o castillo en una construcción, puede conllevar a consecuencias fatales

En ingeniería estructural es fundamental manejar las diferencias principales entre estos elementos, para construir edificaciones sólidas, seguras y erigidas, es decir, que la estructura sea capaz de soportar las fuerzas y cargas a las que será sometida.

Sigue leyendo, conoce la importancia y función de estos elementos estructurales, y en qué se diferencia una columna de un castillo. Con esta información podrás diseñar y ejecutar tu proyecto constructivo como un profesional.

Columna Vs castillo: ¿Son iguales?

Antes de abordar las diferencias entre una columna Vs castillo en la ingeniería estructural o construcción civil en general, es importante tener claro su conceptualización. 

En este sentido, a continuación se definen ambos términos para tener una idea más precisa de ambos elementos constructivos fundamentales en cualquier proyecto arquitectónico.

Tanto columnas como castillos, son claves para toda construcción, puesto que sin estas piezas la obra se desploma, por lo tanto, ambos elementos son fundamentales en cualquier construcción. Sin embargo, dada su similitud se suele confundir y colocarse de manera incorrecta, siendo importante conocer sus diferencias para ejecutar una obra constructiva exitosa y segura:

Columnas

Se puede definir como columnas, aquellos elementos estructurales verticales necesarios en toda edificación o proyecto constructivo, estas nacen o se plantan desde la cimentación de la edificación, de tal manera que son parte fundamental de cualquier tipo de construcción

Las columnas tienen la importante función de distribuir y soportar las fuerzas más grandes que se ejercen en toda la estructura, son por tanto responsables de transmitir a dicha estructura las cargas de la edificación, además de servir de  amarre para los muros o paredes. 

Indistintamente de las razones para ubicar una columna, aunque sea de interés funcional o estética tiene distintos formatos: cuadrangulares, rectangulares, circulares o poligonales; al igual que el tipo de material de su construcción, pues una columna puede ser de acero, madera, piedra, concreto, mixtas, entre otros.

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  • Definición técnica según el Reglamento de construcciones mexicano

Una columna se define en la norma técnica complementaria del Reglamento de construcciones mexicano sobre el diseño de estructuras de concreto, se plantea como un elemento estructural con relación altura entre menor dimensión lateral y mayor a 3, usado generalmente para resistir cargas axiales de compresión

En esta normativa de gran importancia para el sector de la construcción, se marca la pauta entre la altura de este importante elemento y la menor de sus dimensiones. Su uso extendido se orienta principalmente para soportar las cargas de compresión. 

  • Aspectos importantes sobre las columnas

Es importante discutir algunos aspectos interesantes sobre las columnas como elementos estructurales en una construcción. Pues, conocer su función y comportamiento es fundamental para lograr proyectos sólidos, seguros y eficientes. 

Aunque ciertamente las columnas tienen como principal función el trabajo de carga axial de compresión, al analizar esta pieza dentro de un sistema de marcos rígidos se evidencia que las asimetrías en las distribuciones de las crujías y los cambios de altura o de cargas de cada elemento, lleva consigo momentos de desequilibrio entre las trabes.

Dicho momento pasará a formar parte del efecto de flexión a la columna. Esto responde a buena parte de la inquietud sobre el origen de los momentos flexionantes en las columnas. 

En este sentido, cabe mencionar que dichos momentos de desequilibrio entre las vigas que se conectan a una columna, precisamente dicho momento es lo que se transfiere a este elemento.

  • Momento de desequilibrio

Por ejemplo, en un marco plano la diferencia se observa en claro y en carga entre las 2 crujías que generará un momento de desequilibrio, mismo que se transferirá totalmente a la columna dispuesta en esa dirección. 

Ahora, en caso de tener ejes o un marco tridimensional en la otra dirección a la columna, ocurrirá lo mismo, es decir, sólo habrá flexo compresión uniaxial, ya que sólo habrá un momento de desequilibrio. 

Pero de existir ejes en la otra dirección, se presentará un momento adicional al que ocurre en el otro plano del eje perpendicular; teniendo acciones flexo compresión biaxial.

  • Preparar las columnas previamente

Todas las columnas deben estar diseñadas y acondicionadas previamente, no sólo para que tengan la capacidad correcta para soportar la carga axial de compresión a las que serán sometidas, sino también para las eventuales flexo compresiones uniaxiales o viga axial recibidas.

Castillos

Por otra parte, los castillos en construcción son elementos estructurales que pueden construirse en vertical u horizontal, y también se fabrican en acero de refuerzo o concreto

Al mismo tiempo pueden ser complementos y/o refuerzos para muros y/o paredes, con la finalidad de confinar áreas y absorber los refuerzos por la tensión y compresión estructural.  

Esto significa que al prescindir de los castillos en  muros/paredes en una edificación, no habría la fuerza necesaria para soportar determinados movimientos propios de una construcción.

Por ello, los castillos siempre se ubican al inicio y final de un muro, así como a lo largo de su desarrollo; estos elementos se ubican a una distancia máxima de 3mts de separación

Igualmente se colocan en cada cambio de dirección, además de servir de elemento vertical de refuerzo y confinamiento en puertas y marcos de ventanas.

  • Conceptualización técnica del castillo

La misma normativa técnica mexicana de la construcción y mampostería 2020, define el castillo como un elemento complementario de mampostería estructural vertical, de concreto reforzado, se coloca en los bordes de los muros y sus huecos. 

En el caso de muros se mezclan con las dalas para ofrecer confinamiento; los castillos pueden ser externos o internos al muro.

Se puede decir entonces, que los castillos son elementos de unión entre las dalas de remate y arranque para generar espacios de mampostería. Cuya ausencia crearía solo muros/paredes altamente vulnerables al volteo o derrumbe por falta de liga o amarre a la cimentación de la edificación.

  • Función estructural

La función estructural de los castillos, es precisamente confinar los bloques o ladrillos de la pared, o bien el muro de mampostería completo. 

La norma señala en este sentido, los castillos se ubican en los extremos/bordes o hueco/aberturas, es decir, alrededor de las ventanas y puertas para confinar espacios y evitar agrietamientos en aberturas de 45º.

Diferencia estructural entre columna y castillo 

Conceptualmente existen diferencias que separan la columna y el castillo en términos estructurales. Son estructuras que suelen generar confusiones en estudiantes de ingeniería y arquitectura, incluso, a nivel profesional en cuanto a su uso, lenguaje y diseño de ambos elementos.

Sin embargo, son elementos estructurales que tienen distintas funciones específicas en una edificación, según se indica a continuación:

Diferencias más importantes

Columna

Castillo

  • Transfiere los efectos de carga  axial a consecuencia de cargas de un sistema de marcos rígidos.
  • Presenta momentos flexores.
  • Soporta los esfuerzos o cargas estructurales de las edificaciones.
  • Transmiten las cargas provenientes de las vigas hacia la cimentación.
  • Son de mayor tamaño y requieren más cantidad de acero.
  • Se diseñan en longitudes mínimas de 25 x 25cm.
  • Se diseña y construye con vigas.
  • Se diseña con zapatas por lo general.  
  • Es un elemento confinatorio de sistemas estructurales basado en mampostería, muros y/o paredes.
  • Puede ser de uso externo o interno, es decir, ser visible o no en una edificación.
  • Funcionan como refuerzos rígidos verticales u horizontales para confinar interiores o exteriores.
  • Se puede colar concreto en su interior.
  • Pueden tener longitudes diversas y menores a 25 x 25cm.
  • No lleva ningún sistema de viga por lo general.
  • Se colocan en muros de carga.
  • Se fundamenta en una base.

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Columna Vs castillo: caso práctico de estudio 

La citada norma técnica complementaria del Reglamento de construcciones mexicano sobre el diseño de estructuras de concreto, señala algunos requisitos mínimos para el diseño de las columnas y los castillos como elementos estructurales en cualquier edificación.

En este aspecto, estipula que la dimensión transversal menor debe ser al menos de 250mm (duc media). Con esta ilustración se pueden apreciar mejor las diferencias entre una columna y un castillo como elementos estructurales, a cuyos fines didácticos proponemos la siguiente práctica tabla:

Columna

Castillo

En la ductilidad media de dimensión transversal de las columnas deben tener al menos 25cm y una base también de 25cm (h=25cm / b=25cm) en cada lado, para ser reconocidas como tales.

La dimensión transversal más pequeña debe tener por lo menos 15cm al igual que la base (h =15cm / b = 15cm), o bien del espesor del muro. Siendo muy diferentes comparativamente con relación a las columnas, mientras que el castillo se supedita al ancho del muro, como mínimo los citados centímetros.

Área de acero longitudinal mínimo (ductilidad media de la columna)

Área de acero longitudinal mínimo del castillo

  • Al calcular los mínimos de acero longitudinal que debe tener una columna, con un área de acero mínima de refuerzo longitudinal de 0,01 veces la base x altura o peralte  (As = 0,01 bxh).
  • Por lo cual si una columna tiene unas dimensiones mínimas de 25cm pedirá 6,25cm2
  • En caso de considerar 4 varillas Nº 5, es decir, 4 barras/cada esquina de la columna al menos.
  • En términos de fórmula para los cálculos sería: 

As = 0,01b h (2)(25cm)As = 6,25cm2As = 4 var Nº 5.

En cualquier caso, corresponde evaluar los efectos de corte y flexión para mitigar el área de acero longitudinal, puesto que el acero puede aumentar en función de las demandas particulares del proyecto constructivo.

  • Al igual que en las columnas, se ilustrarán los castillos con valores mínimos, que prevé la normativa de mampostería en construcción civil. 
  • En caso de optar por el acero de refuerzo a través de Armex o armazones prefabricados en acero longitudinal o transversal, sus esfuerzos generalmente son de 6.000. Para los castillos típicos se suelen usar F prima c de 150kg/cm2, y así lo pide la normativa.
  • Al usar estas variables, se observa que el acero longitudinal es mucho menor que el de una columna, incluso, se puede mitigar el área de acero con un Armex de 15 x 15 – 4. 
  • En términos formulados la ecuación respectiva quedaría como sigue:

As = 0,2 f´c/fy bc hcAs = 0,2 150kg/cm2 / 6.000kg/cm2 (15cm)(15cm) ⇒ As = 1,125cm2As = Armex 15 x 15 – 4.

De este modo quedaría el tamaño del refuerzo del castillo, lo que difiere y separa significativamente el tamaño del armado de refuerzo de ambos elementos(columna/castillo).

Refuerzo transversal (estribos) ductilidad media para columnas

Refuerzo transversal (estribos) ductilidad media para castillos

  • El refuerzo transversal también se le conoce en el campo de la construcción y la ingeniería civil como estribos. En este sentido se manejan 3 criterios básicos para calcular la separación máxima que debe tener un columna, misma que se plantea en 850 entre fy por el diámetro de la varilla longitudinal, de tal manera que para un mínima de 5 será de 20cm de separación.
  • Es decir, 48 veces el diámetro de la varilla a usar en el estribo, si es del Nº 3, serán 45cm como la dimensión más pequeña, pero se puede usar la que más convenga para construir la columna.

La respectiva fórmula es:

S = 850 / 4.200 (1,58cm) = 20,7cm ⇒ 48(0,95cm) = 45cm  ⇒ 25/2 = 12,5cm

  • El valor de 12,5cm es porque se eligió la varilla Nº 3.
  • La separación máxima en el centro de la columna será de 12,5cm, mientras que en los extremos se debe reducir a la mitad. 
  • Por lo tanto, una columna con estas dimensiones deberá tener estribos Nº 3 cada 12cm en el centro, y cada 6cm como límite de separación mínima en los extremos. 
  • Es importante tener en cuenta que para los estribos el número de varilla mínima es la Nº 2,5, muy poco usada, siendo la más comercial la Nº 3. 

Se observa entonces una considerable cantidad de acero de refuerzo transversal para una columna de 25cm por cada lado. 

  • En el caso de la construcción de los castillos, la regla es mucho más sencilla, pues se requieren 200mm = 20cm ⇒  igual a 1,5 veces el espesor del muro. 
  • Con un espesor de muro de 15cm será de 22cm, optando por la más pequeña de ambas, para una separación máxima para un castillo será de 20cm.
  • Con relación al Armex x 15 x 15 – 4, arroja una separación de estribos de 15cm.
  • Si se sustituyen las variables fy que es 6.000 con una separación de 15cm con un lado también de 15cm, el requerimiento de refuerzo será de 16cm2.

La representación matemática quedaría entonces como sigue:

S = 200mm ⇒ 1,5t = 22,5cm  ⇒  

Asc = 1.000s / fy hc = 1.000(15cm) / 6.000kg / cm2 (15cm) = 0,166cm2.

Donde el Armex es de 15 x15 – 4.

De tal manera que se comprueba así que el área de acero transversal de los estribos se cumple a cabalidad con el Armex elegido para construir el castillo, cuya separación será de 15cm usando dicho Armex.

Al comparar la cantidad de acero transversal mínimo que requiere una columna, se observa una gran distancia entre esta y el castillo.

Capacidad axial de la columna

Capacidad axial del castillo

  • Para determinar la capacidad de carga axial de una columna, siguiendo con el mismo ejemplo de diseño de 15 x 15cm con acero de 4 varillas Nº 5, se puede obtener la resistencia axial sin factores de resistencia, es decir, en bruto.
  • Una columna con los requerimientos mínimos que debe tener, tiene una capacidad de resistencia de 164 toneladas sólo de carga axial de compresión. La correspondiente fórmula sería:

Po = ⦏f” c (Ag – As) + fy As ⟹ Po = ⦏212,5 kg / cm2 (625cm2 – 7, 91cm2) + 4.200 kg / cm2(7,91cm2)⦐ ⟹ Po = 164,3ton.

  • Aplicando el mismo procedimiento para calcular la capacidad de carga axial de un castillo con los requerimientos mínimos manejados en el caso práctico de estudio, la ecuación se presenta de forma similar, teniendo que el requerimiento mínimo de acero para es de 58,4 toneladas. La fórmula sería: 

Po = ⦏f” c (Ag – As) + fy As.

Po = ⦏127,5kg / cm2 (400cm2 – 1,27cm2) + 6.000 kg / cm2(1,27cm2)⦐  ⟹ Po = 58,4ton.

  • Por tanto, la resistencia o capacidad de carga axial de un castillo sería de 58 toneladas.

Es un valor importante sin duda, sin embargo al compararla con la columna se evidencia una significativa brecha entre ambas de casi un tercio de la capacidad de carga axial entre la columna y el castillo como elementos estructurales.

Razones técnicas y estructurales para tomar la mejor decisión para columnas y castillos

Independientemente de que se trate de un profesional graduado o estudiante de ingeniería civil o estructural, arquitectura, construcción civil o áreas afines a la industria de la construcción, es de vital importancia conocer estos datos, pues determinan los requerimientos mínimos de diseño y formulación necesarias, al plantearse un proyecto arquitectónico.

El objetivo es diseñar y construir columnas y castillos en una edificación, es que tengan la capacidad de resistencia y carga suficiente y necesaria que garanticen no sólo la integridad de la construcción, sino también la seguridad y bienestar de sus habitantes.

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¿Por qué es importante saber las diferencias entre una columna y un castillo?

Puesto que eventualmente, se observan proyectos constructivos con estructuras de mampostería o castillos y columnas con ciertas deficiencias estructurales.

El argumento de muchos profesionales del sector de la construcción es que un castillo resiste hasta 58 toneladas, optando por uno con un trabe de 5 ó 6mts con un muro sobre él, en cuyo caso, no se corresponde con un castillo.

Debe calificarse como una columna y no como un castillo, pues recibirá una carga axial desde un trabe, porque a través de dicho trabe recibirá también un momento flexionante adicional a la carga axial.

Este contexto amerita el análisis de los elementos estructurales, como el caso particular de la columna. 

La razón de esta consideración, es porque ya se sabe que el castillo es un elemento constructivo que sólo tiene como función central, el confinamiento de estructuras de mampostería, como en el caso de muros y paredes.

¿Cuál es la función de una columna?

En toda construcción cada elemento es importante, por lo cual no hay que dejar ninguno de ellos al azar; pues cada pieza cumple un objetivo preciso de soporte o de fuerza

En el caso particular de las columnas, representan un elemento vertical clave, ya que soportan la carga de una edificación, además de crear espacios amplios de trabajo/habitación. 

Debiendo considerar también, el tamaño y espacio entre cada columna como parte importante para evaluar su capacidad de resistencia, de allí que la distancia entre columnas siempre será proporcional al sistema constructivo de la losa que se use, sea nervada, maciza, u otras. 

Por tanto, como las columnas son un elemento estructural variable, es de suma importancia realizar un análisis minucioso previo a su diseño y construcción, a fin de dimensionar correctamente su altura, área de acero, entre otros elementos constructivos. Sin dejar de lado el tipo de material que se usará en su construcción. 

En términos de materiales, el más usado es de concreto armado, porque ofrece las necesarias funciones de comprensión a la que será sometida la columna, pues el armado de acero interno, le aporta la rigidez estructural necesaria, mientras que el concreto contribuye a dispersar el peso por toda la estructura.

Función estructural de los castillos

Del estudio previo realizado sobre la capacidad de resistencia de los castillos, se concluye que aunque los muros/paredes tienen una buena capacidad para resistir cargas verticales; en aquellos casos de un castillo que será sometido a soportar cargas horizontales, son vulnerables a caerse y causar daños a las personas.

De allí entonces, que la función de los castillos son tan importantes como las columnas, en menor o mayor medida, debiendo por tanto adicionar a los muros castillos para reforzar las áreas confinadas en una construcción. 

Su objetivo es aumentar la capacidad de resistencia horizontal, debiendo considerar en este sentido, la separación máxima entre cada castillo, que no debe superar 3mts.

Los castillos en una construcción son los responsables de absorber los refuerzos de tensión y compresión, de tal manera que su omisión deja vulnerable el proyecto constructivo, ya  que la edificación no tendría la fuerza suficiente para soportar los usuales movimientos existentes en toda construcción.

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Columnas y castillos: conclusiones

En definitiva, se pudo observar a lo largo de este interesante post que tanto las columnas como los castillo son elementos vitales para cualquier construcción, ya que sin ambos elementos estructurales, la edificación se desplomaría

No obstante, en vista de sus semejanzas es muy fácil confundirse, omitirse o colocarlos incorrectamente.

Por ello, es fundamental disponer de toda la información necesaria antes de emprender cualquier proyecto constructivo, para no perder dinero, tiempo o peor aún, poner en riesgo a las personas y seres queridos. 

En su defecto, es mejor contratar los servicios o asistencia de un profesional que conozca todos los aspectos técnicos y  las diferencias entre la columna y castillo, diseñe y construya el proyecto con las garantías de seguridad necesarias. 

Tips para identificar un castillo de una columna

Aunque con toda la información aportada hasta este punto, ya debes tener un criterio más claro acerca de lo que significa y la función que cumplen las columnas y castillos en una construcción, nunca abunda el conocimiento. Por ello, a continuación ofrecemos unos sencillos pasos para saber cuando se trata de una columna o de un castillo:

  • Guiarse por el espesor, en caso de superar los 25cm por alguno de sus lados o cantos, seguramente se trate de una columna.

  • Cuando una obra constructiva tiene vigas, se debe recordar que las columnas cuentan con un sistema de marcos rígidos que requieren vigas (pese a que las losas aligeradas por lo general llevan ese elemento oculto a la vista).

  • Observar e identificar los muros de carga y áreas de confinamiento, porque suelen tener inmerso castillos.

  • Un área de la construcción clave para saber si tiene castillo o columna, es la cimentación; si tiene zapatas, tiene columnas, pero si posee una base, con seguridad es señal de que se trata de un castillo.

No obstante lo anterior, es importante recordar que la mejor forma para resolver las dudas sobre un proyecto arquitectónico, es acudir y consultar los planos estructurales

La revisión ayuda a determinar el área que corresponde a cada elemento, además de dejar claro la correcta ubicación y función en la estructura de las columnas y los castillos.

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Columnas y castillos: Comparación detallada y sus fines de uso en estructuras
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