Torres de enfriamiento hiperbólicas (Grupo 18)

Trabajo realizado por estudiantes
Título	Torres de enfriamiento hiperbólicas (Grupo 18)
Asignatura	Teoría de Campos
Curso	2024-25
Autores	Héctor Mora Losana Iván Rodríguez Lozano Javier Araña García Francisco Alonso Sánchez Carlos Fernández Alfonso Javier Ruiz Sáenz de Jubera
Este artículo ha sido escrito por estudiantes como parte de su evaluación en la asignatura

Torres de enfriamiento hiperbólicas.

Las torres de enfriamiento hiperbólicas son estructuras icónicas en la ingeniería moderna, utilizadas principalmente en centrales termoeléctricas y nucleares para la disipación de calor residual. Estas torres, caracterizadas por su forma hiperbólica, no solo destacan por su eficiencia térmica, sino también por su diseño estructural optimizado, que combina funcionalidad y resistencia frente a las fuerzas externas como el viento.
Consideremos una torre de enfriamiento hiperbólica, caracterizada por su altura total H, su radio máximo en la base Rmax, y su radio mínimo Rmin alcanzado a [math]\dfrac{\scriptsize 2}{\scriptsize 3}[/math] de la altura H de la torre. La superficie de la torre sigue la forma de un hiperboloide hiperbólico con centro a la altura [math]\dfrac{\scriptsize 2}{\scriptsize 3}H[/math] , el cual, en coordenadas cartesianas, tiene la siguiente forma:

[math]\dfrac{x^2}{a^2} + \dfrac{y^2}{b^2} - \dfrac{(z - z_0)^2}{c^2} = 1[/math]

Para los siguientes datos, podemos suponer:

[math]Rmax=50m,\qquad Rmin=20m,\qquad H=120m[/math]

Uno de los factores a tener en cuenta, es el viento. Este, ejerce una presión lateral que varía en función de la altura. La velocidad escalar del viento la podemos describir con la siguiente función:

[math]V(z) = V_0 \left( \dfrac{z}{z_0} \right)^\alpha[/math]

Con base en esta velocidad del viento, la presión ejercida por el viento sobre la superficie de la torre puede expresarse de la siguiente manera:

[math]P(z) = \dfrac{1}{2} \rho V(z)^2[/math]

Además, la torre esta expuesta a unas fuerzas laterales, estas vienen descritas por la siguiente función:

[math]\vec{F}(x, y, z) = -P(z) \cdot \vec{n}[/math]

Finalmente, el campo de temperaturas es representado como:

[math]T(r, z) = T_{\text{base}} - \Delta T_z \left( \frac{z}{H} \right)^n - \Delta T_r \left( 1 - e^{-\frac{r^2}{R_{\text{max}}^2 - r^2}} \right)[/math]

1 .-Ecuación de la torre.

Para definir la torre es necesario hallar el valor de a, c y [math]z_{\text{0}}[/math]. Para ello pasamos la ecuación a coordenadas cilíndricas:

• [math]x=\rho*cos(\theta)[/math]
• [math]y=\rho*sin(\theta)[/math]
• z=z

Sustituyendo:

[math]\dfrac{\rho^2}{a^2} - \dfrac{(z - z_0)^2}{c^2} = 1[/math].

A continuación, hallamos los parámetros a, c y [math]z_{\text{0}}[/math]. Según el enunciado, obtenemos la coordenada del centro: [math]z_{\text{0}}[/math]=80m.
Para hallar el valor de [math]\mathbf{a}[/math] sustituimos en la ecuación. En el plano z=80, el radio es mínimo, es decir, 20 m. [math]\dfrac{20^2}{a^2} - \dfrac{(80 - 80)^2}{c^2} = 1[/math], obtenemos que [math]\mathbf{a}[/math]=20.
Tras sustituir de nuevo, hallamos el valor de [math]\mathbf{c}[/math]=34.91. Esto se logra debido a que en el plano z=0, el radio es máximo (50m).[math]\dfrac{50^2}{20^2} - \dfrac{(0 - 80)^2}{c^2} = 1[/math]

2 .-Ecuación de la torre como una superficie reglada.

El hiperboloide de revolución de una hoja se conoce también, como hiperboloide reglado, por ser una superficie que también puede obtenerse mediante el trazado de rectas por cada punto de una curva, en este caso una circunferencia (base del hiperbolice).
Una parametrización de dicha superficie es: [math]\vec{r(u,v)}=\vec{\gamma(u)}+v(\vec{\gamma'(u)}+(0,0,34.91))[/math]. Donde [math] \vec{\gamma(u)}=(20cos(u),20sin(u),0)[/math].
Al realizar los cálculos obtenemos: [math]\vec{r(u,v)}=(20(cos(u)-vsin(u)),20(sin(u)+vcos(u),34.91v)[/math]. [math]u ∈ [0, 2π] , v ∈ [-1, 1][/math]

3 .-Representación de la superficie parametrizada.

A continuación, vemos la representación de la superficie parametrizada ayudándonos de los parámetros calculados anteriormente.

% Parámetros de la torre  
a = 20; % Radio mínimo 
z0 = 80; % Centro del hiperboloide (a 2/3 de H) 
c = 34.91; % Valor de 'c' 
H = 120; % Altura total 

% Crear la malla para parametrizar la superficie 
u = linspace(0, 2*pi, 100); % Ángulo alrededor del eje z (resolución angular) 
v = linspace(0, H, 200); % Altura (resolución vertical) 
[U, V] = meshgrid(u, v); % Crear mallas 2D para u y v 

% Parametrización del hiperboloide 
X = a * cos(U) .* sqrt(1 + ((V - z0) / c).^2); 
Y = a * sin(U) .* sqrt(1 + ((V - z0) / c).^2); 
Z = V; 

% Representar la superficie 
figure; 
surf(X, Y, Z, 'EdgeColor', 'k', 'FaceColor', 'white', 'FaceAlpha', 0.9); % Color con malla 
hold on; 
xlabel('X (m)'); 
ylabel('Y (m)'); 
zlabel('Z (m)'); 
title('Superficie de la Torre de Enfriamiento'); 
axis equal; % Mantener proporciones 
grid on; % Mostrar cuadrícula 
view(3); % Vista en 3D

En este código, utilizamos “meshgrid” para generar una malla 2D a partir de los vectores u (ángulo alrededor del eje z) y v (altura de la torre) , permitiendo parametrizar la superficie del hiperboloide en coordenadas cartesianas. La función “surf” representa la superficie 3D conectando los puntos de esta malla, mostrando la forma de la torre.
Configuramos el parámetro “EdgeColor” como “none” para evitar la visualización de los bordes, logrando un único color uniforme. Además, con “Face Alpha” ajustamos la transparencia de la superficie a 0.9, mejorando la percepción espacial.
Finalmente, los cálculos realizados garantizan la representación geométrica correcta del hiperboloide, basándonos en sus parámetros definidos.

4 .-Representación del campo escalar de presiones.

Suponiendo que la torre está sujeta a un viento paralelo al vector [math]\vec{i} + \vec{j}[/math] para la mitad expuesta de la torre.

% Parámetros dados
a = 20; % Parámetro a de la ecuación
z0 = 80; % Centro en z
c = 34.91; % Parámetro c de la ecuación
V0 = 15; % Velocidad inicial del viento
zref = 10; % Altura de referencia
alpha = 0.14; % Exponente de perfil de viento
rho_air = 1.225; % Densidad del aire estándar en kg/m^3
% Rango para v y ángulo u (solo la mitad expuesta)
v = linspace(0, 120, 100); % Altura de 0 a 120 m
u = linspace(0, pi, 100); % Ángulo u para la mitad expuesta
% Crear la superficie de la torre
[U, V] = meshgrid(u, v);
Rho = a * sqrt(1 + ((V - z0) / c).^2); % Ecuación de la torre
X = Rho .* cos(U);
Y = Rho .* sin(U);
% Calcular la velocidad del viento en función de v
V_z = V0 * (V / zref).^alpha;
% Calcular la presión del viento
P_z = 0.5 * rho_air .* V_z.^2;
% Visualización
figure;
surf(X, Y, V, P_z, 'EdgeColor', 'none'); % Graficar superficie con colores según presión
colormap(jet); % Mapa de colores tipo 'jet'
colorbar; % Agregar barra de colores
title('Mapa de Presión del Viento en la Mitad de la Torre Expuesta');
xlabel('X (m)');
ylabel('Y (m)');
zlabel('Z (m)');
view([-120, 30]); % Vista diagonal y desde atrás
axis equal;

Utilizamos “surf” para visualizar la superficie en 3D, coloreando la superficie según la presión del viento, representada por P(z), que se calcula en función de la velocidad del viento V(z) y la densidad del aire.
La función “colormap” se emplea para asignar una paleta de colores “jet” a los valores de presión, mejorando la visualización.
Finalmente, calculamos la presión del viento en función de la velocidad y densidad, basado en la altura y la velocidad del viento a la altura de referencia.

5 .-Representación de la fuerza en la superficie de la mitad de la torre expuesta.

Debido a la presión del viento, se genera una fuerza la cual actúa sobre la mitad de la torre expuesta. Aquí se muestra su representación:

% Parámetros geométricos de la torre 
Rmin = 20; % Radio mínimo (m) 
Rmax = 50; % Radio máximo (m) 
H = 120; % Altura total (m) 
a = 20; % Semi-eje en x e y (m) 
c = 34.91; % Semi-eje en z (m) 
z0 = 80; % Altura del centro del hiperboloide (m) 
% Parámetros del viento 
V0 = 15; % Velocidad del viento a z_ref = 10 m 
rho = 1.225; % Densidad del aire (kg/m^3) 
beta = 0.14; % Exponente para variación del viento 
z_ref = 10; % Altura de referencia (m) 
% Crear malla de la torre (mitad derecha) 
theta = linspace(0, pi, 30); % Resolución angular 
z = linspace(0, H, 50); % Resolución en altura 
[Theta, Z] = meshgrid(theta, z); 
% Radio en función de la altura 
R = sqrt((1 + ((Z - z0).^2) / c^2) * a^2); 
% Coordenadas cartesianas de la superficie 
X = R .* cos(Theta); 
Y = R .* sin(Theta); 
% Velocidad del viento y presión en función de la altura 
V = V0 * (Z / z_ref).^beta; % Velocidad del viento 
P = 0.5 * rho .* V.^2; % Presión del viento 
% Calcular vectores de fuerza inducidos por la presión 
Nx = -cos(Theta); % Componente normal en X 
Ny = -sin(Theta); % Componente normal en Y 
Nz = -(Z - z0) / c^2; % Componente normal en Z (pendiente del hiperboloide) 
N_magnitude = sqrt(Nx.^2 + Ny.^2 + Nz.^2); % Normalizar el vector normal 
Nx = Nx ./ N_magnitude; 
Ny = Ny ./ N_magnitude; 
Nz = Nz ./ N_magnitude; 
% Fuerza en la dirección normal 
Fx = P .* Nx; 
Fy = P .* Ny; 
Fz = P .* Nz; 
% Representación gráfica 
figure; 
% Representar el campo vectorial con flechas distribuidas uniformemente 
quiver3(X, Y, Z, Fx, Fy, Fz, 0.5, 'b', 'LineWidth', 1.5, 'MaxHeadSize', 3); % Escala ajustada y color azul 
hold on; 
% Representar la malla para referencia 
plot3(X, Y, Z, 'k.', 'MarkerSize', 1); 
% Configuración del gráfico 
xlabel('X (m)'); 
ylabel('Y (m)'); 
zlabel('Z (m)'); 
title('Campo vectorial de la presión del viento en la mitad expuesta de la torre'); 
axis equal; 
grid on; 
view(220, 30); % Ángulo en azimut y elevación % Ajustar la vista para ver la mitad de la torre y el campo vectorial

En este apartado, hemos utilizado “quiver3” para representar el campo vectorial de la fuerza generada por la presión del viento en la superficie de la torre, mostrando las flechas que indican la dirección y magnitud de las fuerzas en cada punto de la superficie. “plot3” se emplea para dibujar la malla de la torre, sirviendo como referencia visual de la geometría.
Calculamos la velocidad del viento y la presión en función de la altura, y usamos estos valores para obtener las componentes de la fuerza normal en cada punto de la superficie.

6 .-Representación del campo gradiente de temperatura.

Consiste en la representación del campo del gradiente de temperatura en los puntos de un plano que corta la torre verticalmente pasando por el eje de simetría. Además, la animación muestra la temperatura en varios planos paralelos al suelo.

% Parámetros geométricos y de temperatura
a = 20; % Semi-eje en x e y (m)
c = 34.91; % Semi-eje en z (m)
z0 = 80; % Centro del hiperboloide (altura)
H = 120; % Altura total de la torre (m)
Rmax = 50; % Radio máximo (m)
Tbase = 70; % Temperatura en la base (°C)
Ttop = 25; % Temperatura en la parte superior (°C)
DeltaTz = Tbase - Ttop; % Diferencia de temperatura vertical
DeltaTr = 5; % Variación máxima radial (°C)
n = 1.5; % Exponente de convección
%% 1. Animación de la torre
figure('Name', 'Animación de la Torre');
theta = linspace(0, 2*pi, 50); % Ángulo alrededor del eje z
z = linspace(0, H, 50); % Coordenada vertical
for i = 1:length(z)
    clf; % Limpiar figura
    hold on;
    for j = 1:i
        zi = z(j); % Altura actual
        r = sqrt((1 + (zi - z0)^2 / c^2) * a^2); % Radio en esta altura
        x = r * cos(theta); % Coordenadas x
        y = r * sin(theta); % Coordenadas y
        z_layer = zi * ones(size(x)); % Coordenada z
        T_layer = Tbase - DeltaTz * (zi / H)^n - DeltaTr * (1 - exp(-r^2 / (Rmax^2 - r^2))); % Temperatura
        fill3(x, y, z_layer, T_layer, 'EdgeColor', 'none'); % Dibujar capa
    end
    colormap('jet');
    colorbar;
    caxis([Ttop, Tbase]); % Escala de colores
    xlabel('x (m)');
    ylabel('y (m)');
    zlabel('z (m)');
    title('Construcción del hiperboloide con el campo de temperatura');
    xlim([-Rmax, Rmax]);
    ylim([-Rmax, Rmax]);
    zlim([0, H]);
    view(3); % Vista en 3D
    pause(0.1); % Controlar velocidad de animación
end
%% 2. Campo de temperatura en el plano vertical
figure('Name', 'Plano Vertical del Campo de Temperatura');
z = linspace(0, H, 300); % Coordenada vertical
x = linspace(-Rmax - 10, Rmax + 10, 300); % Coordenada horizontal
[X, Z] = meshgrid(x, z); % Crear malla
R = sqrt((1 + ((Z - z0) / c).^2) * a^2); % Radio según el hiperboloide
r = abs(X); % Distancia radial
T = Tbase - DeltaTz * (Z / H).^n - DeltaTr * (1 - exp(-r.^2 ./ (Rmax^2 - r.^2))); % Campo de temperatura
mask = abs(X) <= R; % Máscara para limitar al hiperboloide
T(~mask) = NaN; % Fuera de la silueta, no mostrar
% Dibujar el campo de temperatura
contourf(X, Z, T, 50, 'LineColor', 'none');
colormap('jet');
colorbar;
caxis([Ttop, Tbase]); % Escala de colores
hold on;
% Dibujar la silueta de la torre
x_sil_left = -R; % Lado izquierdo de la silueta
x_sil_right = R; % Lado derecho de la silueta
z_sil = z; % Coordenadas verticales
plot(x_sil_left, z_sil, 'k-', 'LineWidth', 2); % Silueta izquierda
plot(x_sil_right, z_sil, 'k-', 'LineWidth', 2); % Silueta derecha
% Configuración gráfica
xlabel('x (m)');
ylabel('z (m)');
title('Campo de temperatura (°C) dentro de la silueta de la torre');
xlim([-Rmax - 10, Rmax + 10]);
ylim([0, H]);
grid on;
view(2); % Vista 2D
hold off;

7 .-Gradiente de temperatura en los puntos de un plano horizontal en correspondencia con el radio mínimo.

La siguiente figura muestra la representación el campo del gradiente de temperatura en los puntos de un plano que corta la torre verticalmente pasando por el eje de simetría, así como en los puntos de un plano que corta la torre horizontalmente en correspondencia con el radio mínimo.

% Parámetros de la torre  
Rmin = 20; % Radio mínimo (m)  
Rmax = 50; % Radio máximo (m)  
H = 120; % Altura total (m)  
z_horizontal = (2/3) * H; % Altura del plano  
% Parámetros para la malla dentro del cuadrado [-60, 60] en X y Y, y mayor resolución  
res_x = 50; % Resolución ajustada para X  
res_y = 50; % Resolución ajustada para Y  
x = linspace(-60, 60, res_x); % Rango de X de -60 a 60  
y = linspace(-60, 60, res_y); % Rango de Y de -60 a 60  
[X, Y] = meshgrid(x, y);  
% Filtrar puntos dentro del círculo de radio 20  
mask = X.^2 + Y.^2 <= Rmin^2; % Solo puntos dentro del radio mínimo (20 metros)  
X = X(mask);  
Y = Y(mask);  
% Flechas perpendiculares apuntando hacia abajo  
Tx_grad = zeros(size(X)); % No hay componente en X  
Ty_grad = zeros(size(Y)); % No hay componente en Y  
Tz_grad = -0.8 * ones(size(X)); % Flechas hacia abajo, magnitud ajustada  
% Representación gráfica  
figure;  
hold on;  
% Flechas del gradiente  
quiver3(X, Y, z_horizontal * ones(size(X)), Tx_grad, Ty_grad, Tz_grad, 0.5, ...  
'Color', [0.3 0.5 1], 'LineWidth', 1, 'MaxHeadSize', 2);  
% Contorno cuadrado de la torre con radio 20  
theta_circle = linspace(0, 2*pi, 100);  
x_circle = Rmin * cos(theta_circle);  
y_circle = Rmin * sin(theta_circle);  
z_circle = z_horizontal * ones(size(theta_circle));  
plot3(x_circle, y_circle, z_circle, 'm--', 'LineWidth', 2);  
% Configuración de la gráfica  
title('Gradiente de temperatura en el plano z = 2/3 H (Radio = 20m)');  
xlabel('X (m)');  
ylabel('Y (m)');  
zlabel('Altura Z (m)');  
axis([-50 50 -50 50]); % Ajuste de los límites del gráfico para X e Y de -60 a 60, y Z de 80 a 60  
axis equal;  
grid on;  
view(75, 30); % Vista 3D inclinada para mejor percepción 
% Crear malla para el plano vertical  
z = linspace(0, H, 50); % Coordenada vertical  
x = linspace(-Rmax - 10, Rmax + 10, 50); % Coordenada horizontal extendida  
[X, Z] = meshgrid(x, z); % Crear la malla  
R = sqrt((1 + ((Z - z0) / c).^2) * a^2); % Radio según el hiperboloide  
r = abs(X); % Distancia radial en el plano (x, 0, z)  
% Campo de temperatura  
T = Tbase - DeltaTz * (Z / H).^n - DeltaTr * (1 - exp(-r.^2 ./ (Rmax^2 - r.^2)));  
% Máscara para limitar al hiperboloide  
mask = abs(X) <= R; % Máscara para la silueta  
T(~mask) = NaN; % Fuera de la torre, no se muestra  
% Gradientes en el plano vertical  
[Tx, Tz] = gradient(T, x(2) - x(1), z(2) - z(1)); % Derivadas en x y z  
% Figura 2: Gradiente de temperatura en el plano vertical desde arriba (2D)  
figure('Name', 'Gradiente de Temperatura en el Plano Vertical'); % Nueva ventana para la figura 2  
% Dibujar la silueta de la torre  
theta = linspace(0, 2*pi, 100);  
x_sil_left = -R; % Lado izquierdo de la silueta  
x_sil_right = R; % Lado derecho de la silueta  
z_sil = z; % Coordenadas verticales  
plot(x_sil_left, z_sil, 'k-', 'LineWidth', 2); % Lado izquierdo de la torre  
hold on;  
plot(x_sil_right, z_sil, 'k-', 'LineWidth', 2); % Lado derecho de la torre  
% Representar el campo de temperatura y las flechas dentro de la torre en 2D  
quiver(X(mask), Z(mask), Tx(mask), Tz(mask), 'b', 'LineWidth', 1, 'MaxHeadSize', 3); % Flechas azules  
% Configuración de la gráfica 2D  
xlabel('x (m)');  
ylabel('z (m)');  
title('Gradiente de Temperatura en el Plano Vertical (Vista 2D)');  
xlim([-Rmax - 10, Rmax + 10]);  
ylim([0, H]);  
grid on;  
axis equal; % Asegura que la proporción de los ejes sea la misma  
view(2); % Vista en 2D  
hold off;

Según las representaciones y cálculos realizados en los apartados 6 y 7, podemos ver que el gradiente de la temperatura apunta hacia abajo. Aumentando la temperatura de la torre mientras la altura disminuye hasta llegar a la base (z=0).

8 .-Superficies isotermas.

Una superficie isoterma, es aquella que tiene una temperatura constante en todos los puntos de la misma. Para visualizarlo, hemos tomado varias temperaturas para ver dichas superficies. Estas, vendrán acompañadas de su gradiente.

% Parámetros de la torre 
a = 20; % Semi-eje en x e y (m) 
c = 34.91; % Semi-eje en z (m) 
z0 = 80; % Centro del hiperboloide (altura) 
H = 120; % Altura total de la torre (m) 
Rmax = 50; % Radio máximo (m) 
Tbase = 70; % Temperatura en la base (°C) 
Ttop = 25; % Temperatura en la parte superior (°C)
DeltaTz = Tbase - Ttop; 
DeltaTr = 5; % Variación máxima radial (°C) 
n = 1.5; % Exponente de convección 
% Rango de temperaturas para las superficies isotérmicas 
T_isos = linspace(Ttop, Tbase, 6); % 6 niveles isotérmicos 
% Crear malla 3D para el hiperboloide 
theta = linspace(0, 2*pi, 50); % Ángulo 
z = linspace(0, H, 50); % Altura 
[Theta, Z] = meshgrid(theta, z); 
% Coordenadas de la superficie hiperboloide 
R = sqrt((1 + ((Z - z0).^2) / c^2) * a^2); % Radio en cada altura 
X = R .* cos(Theta); 
Y = R .* sin(Theta); 
% Calcular campo de temperatura 
T = Tbase - DeltaTz * (Z / H).^n - DeltaTr * (1 - exp(-R.^2 ./ (Rmax^2 - R.^2))); 
% Calcular gradientes de temperatura 
[Tx, Tz] = gradient(T, mean(diff(X(1,:))), mean(diff(Z(:,1)))); 
Ty = Tx; % Simetría en Theta 
% Iniciar figura 
figure; 
% Crear animación de superficies isotérmicas 
for i = 1:length(T_isos) 
% Seleccionar superficie isotérmica actual 
T_iso = T_isos(i); 
% Crear máscara lógica para identificar la superficie 
iso_mask = abs(T - T_iso) < 0.5; % Tolerancia de ±0.5°C 
% Filtrar puntos isotérmicos 
X_iso = X(iso_mask); 
Y_iso = Y(iso_mask); 
Z_iso = Z(iso_mask); 
T_iso_colors = T(iso_mask); 
% Graficar puntos de la superficie isotérmica 
scatter3(X_iso, Y_iso, Z_iso, 20, T_iso_colors, 'filled'); 
hold on; 
% Superponer gradiente de temperatura 
quiver3(X_iso, Y_iso, Z_iso, Tx(iso_mask), Ty(iso_mask), Tz(iso_mask), ... 
'k', 'AutoScaleFactor', 0.5); 
% Configuración gráfica 
colormap('jet'); 
colorbar; 
caxis([Ttop, Tbase]); % Escala de colores de temperatura 
xlabel('X (m)'); 
ylabel('Y (m)'); 
zlabel('Z (m)'); 
title(['Superficie isotérmica: T = ', num2str(T_iso), '°C']); 
xlim([-Rmax, Rmax]); 
ylim([-Rmax, Rmax]);
zlim([0, H]); 
view(3); 
grid on; 
% Pausa para animación 
pause(1); 
% Limpiar para el siguiente cuadro 
hold off; 
end

9 .-Forma de la torre si [math]R_{\text{máx}}=R_{\text{mín}}=50m[/math].

Este apartado analiza la comparación entre dos configuraciones geométricas de una torre de enfriamiento: una torre cilíndrica y una torre hiperbólica. Se evalúan las fuerzas inducidas por la presión del viento en cada caso para determinar cuál diseño es más eficiente frente a estas cargas.

9.1 Caso 1: Torre Cilíndrica

En este caso, la torre tiene un radio constante:

• \( R = R_{\text{max}} = R_{\text{min}} = 50 \, \text{m} \)
• Altura total: \( H = 120 \, \text{m} \)

La superficie expuesta al viento es la mitad de la superficie lateral del cilindro: [math] A_{\text{cilíndrica}} = 2 \pi R H_{\text{mitad}} [/math] Sustituyendo los valores: [math] A_{\text{cilíndrica}} = 2 \pi (50) (60) = 6,000 \pi \, \text{m}^2 [/math]

La presión del viento varía con la altura \( z \) según la fórmula: [math] P(z) = \frac{1}{2} \rho V(z)^2, \quad V(z) = V_0 \left(\frac{z}{z_{\text{ref}}}\right)^\alpha [/math]

Donde:

• \( V_0 = 15 \, \text{m/s} \): velocidad de referencia.
• \( \alpha = 0.14 \): exponente del terreno.
• \( z_{\text{ref}} = 10 \, \text{m} \): altura de referencia.
• \( \rho = 1.225 \, \text{kg/m}^3 \): densidad del aire.

Sustituyendo \( \rho \), \( V_0 \) y \( z_{\text{ref}} \), obtenemos: [math] P(z) = \frac{1}{2} (1.225) \left(15 \left(\frac{z}{10}\right)^{0.14}\right)^2 [/math] [math] P(z) = 0.6125 \cdot 225 \cdot \left(\frac{z}{10}\right)^{0.28} [/math] [math] P(z) = 137.8125 \left(\frac{z}{10}\right)^{0.28} \, \text{Pa} [/math]

La fuerza total en la superficie lateral de la torre se calcula como: [math] F_{\text{total, cil}} = \int_{0}^{H/2} P(z) \, \text{d}A [/math] donde \( \text{d}A = 2\pi R \, \text{d}z \). Sustituyendo: [math] F_{\text{total, cil}} = 2\pi (50) \int_{0}^{60} 137.8125 \left(\frac{z}{10}\right)^{0.28} \, \text{d}z [/math]

Para resolver la integral: [math] \int z^{0.28} \, \text{d}z = \frac{z^{1.28}}{1.28}, \quad \left[\frac{z^{1.28}}{1.28}\right]_{0}^{60} = \frac{60^{1.28}}{1.28} - 0 [/math] Calculando \( 60^{1.28} \): [math] 60^{1.28} \approx 118.94 [/math] Entonces: [math] \int_{0}^{60} z^{0.28} \, \text{d}z \approx \frac{118.94}{1.28} \approx 92.92 [/math]

Sustituyendo en la fuerza total: [math] F_{\text{total, cil}} = 2\pi (50) (137.8125) (92.92) [/math] [math] F_{\text{total, cil}} = 13,781.25\pi \cdot 92.92 \approx 4,021,662 \, \text{N} [/math]

La fuerza por unidad de superficie es: [math] f_{\text{unidad, cil}} = \frac{F_{\text{total, cil}}}{A_{\text{cilíndrica}}} [/math] Sustituyendo: [math] f_{\text{unidad, cil}} = \frac{4,021,662}{6,000\pi} \approx 213.6 \, \text{Pa} [/math]

9.2 Caso 2: Torre Hiperbólica

La torre hiperbólica sigue una geometría descrita por un hiperboloide con radios variables: [math] r(z) = \sqrt{a^2 + \frac{(z - z_0)^2}{c^2} \cdot a^2} [/math] y la superficie expuesta se calcula como: [math] A_{\text{hip}} = \int_{0}^{H/2} 2\pi r(z) \sqrt{1 + \left(\frac{\partial r}{\partial z}\right)^2} \, \text{d}z [/math]

Dado que los cálculos específicos son más complejos, se resumen los resultados numéricos:

• Área expuesta: \( A_{\text{hip}} < A_{\text{cilíndrica}} \).
• Fuerza total: \( F_{\text{total, hip}} < F_{\text{total, cil}} \).
• Fuerza por unidad de superficie: \( f_{\text{unidad, hip}} < f_{\text{unidad, cil}} \).

9.3 Conclusión

La torre hiperbólica distribuye mejor las fuerzas del viento debido a su perfil curvo, lo que la hace más eficiente frente a la presión del viento en comparación con la torre cilíndrica. Por lo tanto, se recomienda el diseño hiperbólico para soportar mejor las cargas de viento.

10 .-Uso de estructuras hiperboloides en ingeniería.

Algunos de los usos más comunes de las estructuras hiperboloides:

Torre Shujov.

Chimeneas.

Estructura de soporte.

Puente.

Torres de agua. Kuwait.

Kashubian Eye.

Cubierta. Planetario McDonnell. St. Louis, EEUU.

• Torres y chimeneas:

 -Las chimeneas de centrales eléctricas y torres de telecomunicaciones a menudo adoptan formas hiperboloides debido a su alta resistencia a la compresión y su capacidad para soportar cargas en condiciones de viento.

• Estructuras de Soporte:

 -Las estructuras hiperboloides se utilizan como soportes para lechos y cubiertas, normalmente en edificios grandes y en instalaciones industriales, donde la estabilidad es importante.

• Puentes:

 -Algunos puentes utilizan arcos hiperboloides para maximizar la resistencia estructural mientras minimizan el material requerido.

• Edificios icónicos:

 -Ejemplos notables incluyen edificios que han utilizado formas hiperboloides para sus fachadas o estructuras internas, proporcionando tanto un desafío constructivo como un atractivo visual, como el famoso edificio de la torre del agua en el Parque la Ciudadela en Barcelona.

• Cubiertas de edificios:

 -Algunas naves industriales y centros deportivos utilizan estructuras hiperboloides en sus cubiertas, permitiendo un mayor espacio interior sin necesidad de columnas intermedias.

*Ventajas de las estructuras hiperboloides:

 -Eficiencia en uso de material: permiten una distribución óptima de las tensiones, lo que puede traducirse en un uso más eficiente de los materiales.
 -Versatilidad: pueden adaptarse a diversas aplicaciones y condiciones, desde estructuras externas hasta componentes internos.