Estructura
Contenido
Las primeras columnas se construyeron con piedra, algunas de una sola pieza de piedra. Las columnas monolíticas se encuentran entre las piedras más pesadas utilizadas en la arquitectura.
Otras columnas de piedra se crean a partir de múltiples secciones de piedra, con mortero o con juntas en seco (grapas). En muchos sitios clásicos, las secciones (tambores) de columnas se tallaron con un orificio central o una depresión para poder unirlas con pasadores (clavijas) "Clavija (carpintería)") de madera, piedra o metal.
El diseño de la mayoría de las columnas clásicas incorpora entasis (la inclusión de una ligera curva hacia afuera en los lados) más una reducción en el diámetro a lo largo de la altura de la columna, de modo que la parte superior sea tan solo el 83 % del diámetro inferior. Esta reducción imita los efectos de paralaje que el ojo espera ver, y tiende a hacer que las columnas parezcan más altas y rectas de lo que son, mientras que el éntasis se suma a ese efecto.
Hay flautas y filetes que suben por el fuste de las columnas. La flauta es la parte de la columna que está indentada con forma semicircular. El filete de la columna es la parte entre cada una de las flautas de las columnas de orden jónico. El ancho de la ranura cambia en todas las columnas cónicas a medida que sube por el fuste y permanece igual en todas las columnas no cónicas. Esto se hizo con las columnas para agregarles interés visual. El jónico y el corintio son los únicos órdenes que tienen filetes y flautas. El estilo dórico tiene flautas pero no filetes. Las flautas dóricas están conectadas en un punto afilado donde se ubican los filetes en las columnas de orden jónico y corintio.
Nomenclatura
La mayoría de las columnas clásicas surgen de una base, que descansa sobre el estilóbato, o cimentación&action=edit&redlink=1 "Cimentación (ingeniería) (aún no redactado)"), excepto las del orden dórico, que suelen descansar directamente sobre el estilóbato. La base puede constar de varios elementos, comenzando con una losa ancha y cuadrada conocida como zócalo "Zócalo (arquitectura)"). Las bases más simples consisten en el basamento solo, a veces separado de la columna por un cojín circular convexo conocido como toro. Las bases más elaboradas incluyen dos toros, separados por una sección cóncava o canal conocido como escocia (Scotiae) o troquilo. Scotiae también podría ocurrir en pares, separados por una sección convexa llamada astrágalo, o cuenta, más estrecha que un toro. A veces, estas secciones iban acompañadas de secciones convexas aún más estrechas, conocidas como anuletes&action=edit&redlink=1 "Annulet (arquitectura) (aún no redactado)") o filetes.[3][4].
En la parte superior del eje hay un capitel, sobre el cual descansan el techo u otros elementos arquitectónicos. En el caso de las columnas dóricas, el capitel suele consistir en un cojín redondo y ahusado, o echinus, que sostiene una losa cuadrada, conocida como ábax o ábaco. Los capiteles jónicos presentan un par de volutas "Voluta (arquitectura)"), mientras que los capiteles corintios están decorados con relieves en forma de hojas de acanto. Cualquier tipo de capitel podía ir acompañado de las mismas molduras que la base.[3][4] En el caso de las columnas exentas, los elementos decorativos sobre el fuste se conocen como remate.
Las columnas modernas pueden construirse con acero, hormigón vertido o prefabricado, o ladrillo, dejándose desnudas o revestidas con una cubierta arquitectónica o chapa. Usado para soportar un arco, una imposta&action=edit&redlink=1 "Imposta (arquitectura) (aún no redactado)"), o pilar, es el miembro superior de una columna. La parte más inferior del arco, llamada salto, descansa sobre la imposta.
Equilibrio, inestabilidad y cargas
A medida que aumenta la magnitud de la carga axial sobre una columna esbelta perfectamente recta con propiedades de material elástico, esta columna ideal pasa por tres estados: equilibrio estable, equilibrio neutral e inestabilidad. La columna recta bajo carga está en equilibrio estable si una fuerza lateral, aplicada entre los dos extremos de la columna, produce una pequeña deflexión lateral que desaparece y la columna vuelve a su forma recta cuando se elimina la fuerza lateral. Si la carga de la columna se incrementa gradualmente, se alcanza una condición en la que la forma recta de equilibrio se convierte en el llamado equilibrio neutro, y una pequeña fuerza lateral producirá una deflexión que no desaparece y la columna permanece en esta forma ligeramente doblada cuando se elimina la fuerza lateral. La carga a la que se alcanza el equilibrio neutro de una columna se denomina carga crítica o de pandeo. El estado de inestabilidad se alcanza cuando un ligero aumento de la carga de la columna provoca deflexiones laterales crecientes e incontrolables que conducen al colapso total.
Para una columna recta cargada axialmente con cualquier condición de apoyo en los extremos, la ecuación de equilibrio estático, en forma de ecuación diferencial, se puede resolver para la forma desviada y la carga crítica de la columna. Con condiciones de apoyo articulado, fijo o de extremo libre, la forma flexionada en equilibrio neutro de una columna inicialmente recta con sección transversal uniforme en toda su longitud siempre sigue una forma de curva sinusoidal parcial o compuesta, y la carga crítica está dada por.
donde E = módulo elástico del material, I = el momento mínimo de inercia de la sección transversal, y L = longitud real de la columna entre sus dos soportes extremos. Una variante de (1) viene dada por.
donde r = radio "Radio (geometría)") de giro de la sección transversal de la columna que es igual a la raíz cuadrada de (I/A), K = relación de la mitad más larga de onda de seno "Seno (trigonometría)") a la longitud real de la columna, E = módulo tangente en la tensión F, y KL = longitud efectiva (longitud de una columna articulada-articulada equivalente). De la Ecuación (2) se puede observar que la resistencia al pandeo de una columna es inversamente proporcional al cuadrado de su longitud.
Cuando el estrés crítico, F (F =P/A, donde A = área de la sección transversal de la columna), es mayor que el límite proporcional del material, la columna está experimentando pandeo inelástico. Dado que en este esfuerzo la pendiente de la curva de esfuerzo-deformación del material, E (llamada el módulo tangente")), es menor que el que está por debajo del límite proporcional, se reduce la carga crítica en el pandeo inelástico. Se aplican fórmulas y procedimientos más complejos para tales casos, pero en su forma más simple, la fórmula de la carga crítica de pandeo se da como Ecuación (3),.
Tipos de fallas en columnas
Existen diferentes tipos de fallas estructurales en columnas, estas pueden originarse por diferentes criterios por ejemplo: corrosión, mala calidad de los materiales constructivos, malos procesos de colado (en caso de concreto)/instalación (en caso de acero), entre otros. Los principales tipos de falla que se pueden observar en columnas son las fallas por compresión, fallas por adherencia de las varillas de refuerzo, falla por flexo-compresión, falla por torsión, falla por efecto de columna corta, esfuerzos por cortante, entre otros. El nivel de peligro que cada uno efectúa dentro de un sistema estructural varía, desde un mal funcionamiento de la estructura hasta el colapso. Cuando un miembro estructural sufra daños estos deben de ser monitoreados para evitar el colapso del mismo miembro.
Extensiones
Cuando una columna es demasiado larga para construirla o transportarla en una sola pieza, debe extenderse o empalmarse en el sitio de construcción. Una columna de hormigón armado") se extiende haciendo que las barras de refuerzo de acero sobresalgan unas pocas pulgadas o pies por encima de la parte superior del hormigón, luego se coloca el siguiente nivel de barras de refuerzo para que se superpongan y se vierte el hormigón del siguiente nivel. Una columna de acero se extiende soldando o atornillando placas de empalme en las alas y almas o paredes de las columnas para proporcionar unos pocos centímetros de transferencia de carga desde la sección superior a la inferior de la columna. Una columna de madera generalmente se extiende mediante el uso de un tubo de acero o una placa de chapa de metal envuelta atornillada a las dos secciones de madera de conexión.
Bases
Una columna que lleva la carga hasta una cimentación debe tener medios para transferir la carga sin sobrecargar el material de la cimentación. Las columnas de hormigón armado y mampostería generalmente se construyen directamente sobre cimientos de hormigón. Cuando se asienta sobre una base de hormigón, una columna de acero debe tener una placa base para distribuir la carga sobre un área más grande y, por lo tanto, reducir la presión de carga. La placa base es una placa de acero rectangular y gruesa, generalmente soldada al extremo inferior de la columna.