Las estructuras hiperboloides son estructuras arquitectónicas diseñadas utilizando un hiperboloide en una sola hoja. A menudo se trata de estructuras altas, como torres, donde la fuerza estructural de la geometría hiperboloide se utiliza para soportar un objeto muy por encima del suelo. La geometría hiperboloide se utiliza a menudo para efectos decorativos y economía estructural. Las primeras estructuras hiperboloides fueron construidas por el ingeniero ruso Vladimir Shukhov (1853-1939), [1] incluida la Torre Shukhov en Polibino, distrito de Dankovsky, óblast de Lipetsk , Rusia.
Las estructuras hiperbólicas tienen una curvatura gaussiana negativa , lo que significa que se curvan hacia adentro en lugar de curvarse hacia afuera o ser rectas. Al ser superficies doblemente regladas , se pueden realizar con un entramado de vigas rectas, de ahí que sean más fáciles de construir que las superficies curvas que no tienen regla y deben construirse con vigas curvas. [2]
Las estructuras hiperboloides son superiores en estabilidad contra fuerzas externas en comparación con los edificios "rectos", pero tienen formas que a menudo crean grandes cantidades de volumen inutilizable (baja eficiencia espacial). Por lo tanto, se utilizan más comúnmente en estructuras con un propósito específico, como torres de agua (para soportar una gran masa), torres de enfriamiento y características estéticas. [3]
Una estructura hiperbólica es beneficiosa para las torres de enfriamiento . En la parte inferior, el ensanchamiento de la torre proporciona un área grande para la instalación de relleno para promover el enfriamiento por evaporación de película delgada del agua circulada. A medida que el agua se evapora y asciende primero, el efecto de estrechamiento ayuda a acelerar el flujo laminar y luego, a medida que se expande, el contacto entre el aire calentado y el aire atmosférico favorece la mezcla turbulenta . [ cita necesaria ]
En la década de 1880, Shukhov comenzó a trabajar en el problema del diseño de sistemas de techos para utilizar un mínimo de materiales, tiempo y mano de obra. Lo más probable es que sus cálculos se derivaran del trabajo del matemático Pafnuty Chebyshev sobre la teoría de las mejores aproximaciones de funciones. Las exploraciones matemáticas de Shukhov sobre estructuras de techos eficientes lo llevaron a la invención de un nuevo sistema que era innovador tanto estructural como espacialmente. Al aplicar sus habilidades analíticas a las superficies doblemente curvas que Nikolai Lobachevsky llamó "hiperbólicas", Shukhov derivó una familia de ecuaciones que condujeron a nuevos sistemas estructurales y constructivos, conocidos como hiperboloides de revolución y paraboloides hiperbólicos .
Las rejillas de acero de los pabellones de exposición de la Exposición Industrial y de Artesanía de toda Rusia de 1896 en Nizhny Novgorod fueron los primeros ejemplos públicamente destacados del nuevo sistema de Shukhov. Para la exposición de Nizhni Novgorod se construyeron dos pabellones de este tipo, uno de planta ovalada y otro circular. Los techos de estos pabellones eran rejillas de doble curvatura formadas enteramente por un entramado de barras de hierro rectas y planas. El propio Sujov los llamó azhurnaia bashnia ("torre de encaje", es decir, torre de celosía ). La patente de este sistema, que Shújov solicitó en 1895, fue concedida en 1899.
Sujov también centró su atención en el desarrollo de un sistema estructural eficiente y fácil de construir (gridshell) para una torre que soporta una gran carga en la parte superior: el problema de la torre de agua. Su solución se inspiró en la observación de la acción de una cesta tejida que soporta un gran peso. De nuevo, tomó la forma de una superficie doblemente curvada construida a partir de una red ligera de barras de hierro rectas y ángulos de hierro. Durante los siguientes 20 años, diseñó y construyó casi 200 de estas torres, no hay dos exactamente iguales, la mayoría con alturas en el rango de 12 a 68 m.
Al menos ya en 1911, Shújov comenzó a experimentar con el concepto de formar una torre a partir de secciones apiladas de hiperboloides. Apilar las secciones permitió que la forma de la torre se estrechara más en la parte superior, con una "cintura" menos pronunciada entre los anillos que definen la forma en la parte inferior y superior. Aumentar el número de secciones aumentaría la disminución de la forma general, hasta el punto de que comenzaría a parecerse a un cono.
En 1918, Shukhov había desarrollado este concepto en el diseño de una torre de transmisión de radio hiperboloide apilada de nueve secciones en Moscú. Sujov diseñó una torre de 350 m, que habría superado en altura a la Torre Eiffel en 50 m, utilizando menos de una cuarta parte de la cantidad de material. Su diseño, así como el conjunto completo de cálculos de soporte que analizaban la geometría hiperbólica y dimensionaban la red de miembros, se completó en febrero de 1919. Sin embargo, las 2200 toneladas de acero necesarias para construir la torre a 350 m no estaban disponibles. En julio de 1919, Lenin decretó que la torre debía construirse a una altura de 150 m y que el acero necesario debía obtenerse de los suministros del ejército. La construcción de la torre más pequeña con seis hiperboloides apilados comenzó en unos pocos meses, y la Torre Shújov se completó en marzo de 1922.
Antoni Gaudí y Shujov llevaron a cabo experimentos con estructuras hiperboloides casi simultáneamente, pero de forma independiente, entre 1880 y 1895. Antoni Gaudí utilizó estructuras en forma de paraboloide hiperbólico (hypar) e hiperboloide de revolución en la Sagrada Familia en 1910. [4] En la Sagrada Familia, hay algunos lugares en la fachada del Nacimiento , un diseño que no se equipara con el de Gaudí. diseño de superficie, donde surge el hiperboloide. Alrededor de la escena del pelícano hay numerosos ejemplos (entre ellos la cesta que sostiene una de las figuras). Hay un hiperboloide que agrega estabilidad estructural al ciprés (conectándolo al puente). Las agujas de la "mitra del obispo" están rematadas con hiperboloides. [ cita necesaria ]
En el Palau Güell , hay un conjunto de columnas interiores a lo largo de la fachada principal con capiteles hiperbólicos. La corona de la famosa bóveda parabólica es un hiperboloide. La bóveda de una de las caballerizas de la iglesia de la Colonia Güell es un hiperboloide. Existe una columna única en el Park Güell que es un hiperboloide. El famoso ingeniero y arquitecto español Eduardo Torroja diseñó una torre de agua de capa delgada en Fedala [5] y el techo del Hipódromo de la Zarzuela [6] en forma de hiperboloide de revolución. Le Corbusier y Félix Candela utilizaron estructuras hiperboloides ( hypar ). [ cita necesaria ]
Una torre de enfriamiento hiperboloide de Frederik van Iterson y Gerard Kuypers fue patentada en los Países Bajos el 16 de agosto de 1916. [7] La primera torre de enfriamiento Van Iterson fue construida y puesta en funcionamiento en la mina estatal holandesa ( DSM ) Emma en 1918. Seguiría toda una serie de diseños iguales y posteriores. [8]
El Georgia Dome (1992) fue el primer domo Hypart- Tensegrity que se construyó. [9]
más fácil construir un encofrado de madera para una estructura de hormigón o fabricar una estructura de acero si una superficie tiene una sola regla, y más aún si tiene dos reglas.
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