Charla de la torre: Una guía de selección para ingenieros de campo, Diseño, y por qué las cosas se caen

Mirar, Puedes leer todos los folletos brillantes de los fabricantes.. Puede ejecutar todos los paquetes de análisis de elementos finitos del mercado hasta que su estación de trabajo se incendie. Pero al final del día, levantar una torre y mantenerla en pie durante veinte, treinta años—se reduce a sudar, suciedad, y una buena dosis de paranoia. Ahora me llaman Ingeniero Estructural Senior. Título elegante. Pero todavía me considero el tipo que tiene que firmar el “tal como está construido” dibujos y luego se para en la parte inferior mientras un equipo levanta una antena de 200 libras con un viento de 30 nudos.

Así que, Quiere saber sobre la selección y el diseño de torres para estaciones base de comunicaciones.? Bien. Levanta una caja. hablemos.

No se trata sólo de elegir el mástil más alto del catálogo. Es un matrimonio entre lo que la RF (Radiofrecuencia) planificadores desear y que fisica, la junta de zonificación local, y tu presupuesto permitir. Nosotros somos los árbitros en esa pelea..

La primera pregunta: Autosuficiencia, guyed, o Monopolo?

Este es el primero, y lo mas importante, bifurcación en el camino. No es sólo estética; se trata de huella, carga, y costo. He visto proyectos descarrilados porque alguien eligió un bonito monopolo cuando una torre utilitaria arriostrada era lo único que podía soportar la carga del viento..

Aquí está el desglose, de mi cuaderno:

Tipo torre	Rango de altura típico	Ventajas	Contras	Mi instinto / Nota de campo
Autosuficiente (Enrejado)	30metro – 120M+	Alta capacidad, múltiples inquilinos, huella relativamente pequeña (3 o 4 piernas). Rígido.	Mayor costo de material, Requiere más terreno que un monopolo., visualmente imponente.	El caballo de batalla de la industria. Si tienes el terreno y el presupuesto, Esta suele ser la opción más preparada para el futuro.. los llamamos “camas con dosel.”
Mástil arriostrado	60metro – 600M+	Más económico para alturas muy altas., peso más ligero.	Enorme Huella terrestre para anclajes tensores., propenso al vandalismo (escalar chicos es un deseo de muerte), menos rígido (más influencia).	Tengo una relación de amor-odio con estos.. Son soluciones elegantes para transmisión o cobertura de área amplia.. Pero también he visto uno caer en una tormenta de hielo porque falló un cable tensor.. El campo de anclaje es una zona sagrada: mantenga alejados a los excavadores..
monopolo	10metro – 50metro	Huella más pequeña (genial para urbano), estéticamente preferido (“asta de bandera” estilo), más rápido de instalar.	Capacidad limitada, mayor deflexión (se balancea más), difícil de escalar internamente (si hueco), Los costos de cimentación pueden ser enormes..	El guerrero urbano. Perfecto para esconderse a plena vista. pero recuerda, eso “asta de bandera” es un voladizo gigante. Toda la fuerza se transfiere a un punto del suelo.. Ese muelle de hormigón tiene que ser absolutamente perfecto..

Caso en punto: Hace unos años, Estábamos realizando una actualización del sitio en las afueras de Austin para una importante aerolínea.. El sitio era de 120 pies monopolo, ya al máximo. El cliente quería agregar un nuevo y enorme panel 5G mmWave y un montón de cabezales de radio remotos. El análisis de carga de viento resultó rojo.. El monopolo fallaba en la deflexión.. El cliente se enfureció: le encantó el tamaño reducido. Terminamos teniendo que diseñar una enorme jaula externa y una base de muelle helicoidal para endurecer la base.. Les costó tres veces más de lo que les hubiera costado si hubieran puesto un autosuficiente flaco desde el principio.. Estaban centrados en el problema de hoy., no el del próximo año.

El diablo en los detalles: Parámetros de diseño (los “Por qué”)

Así que, has elegido tu tipo de torre. Ahora tenemos que asegurarnos de que no se pliegue como una silla barata.. Aquí es donde la ingeniería se vuelve granular. No sólo estamos haciendo dibujos bonitos; Estamos definiendo un conjunto de reglas para el viento., el hielo, y el acero a seguir.

1. las cargas: No es sólo el peso de la torre
Vivimos según la fórmula.: Carga total = Carga muerta + Carga viva + Carga ambiental.

• Peso muerto (re): El peso de la propia torre.. Simple, pero no trivial.

• Carga viva (L): Las cosas que le pones. antenas, cables coaxiales, guías de ondas, escudos de hielo, escaleras, plataformas. Siempre agrego un factor dulce aquí. yo lo llamo “Fudge para futuros inquilinos.” Los planificadores de RF son optimistas. Te dirán que están poniendo tres antenas. en cinco años, tendrán ocho, además de un plato de microondas apuntando a una torre de agua. Diseño para la expansión, o volverás más tarde con un equipo de soldadura.

• Carga ambiental (W para viento, T para hielo): Aquí es donde ganamos nuestro dinero..

La carga de viento se rige por la fórmula clásica.:

$$F=q_z\ast \mathrm{GRAMO}\ast {\mathrm{do}}_F\ast {\mathrm{UN}}_{\mathrm{mi}}$$F=qz​∗GRAMO∗doF​∗UNmi​

Analicemos eso como si estuviéramos en el sitio:

• $q_z$

  qz​ es la presión de velocidad. Se basa en la velocidad básica del viento. (de los códigos de construcción locales, como ASCE 7 en los estados unidos), pero modificado para la altura sobre el suelo y la categoría de exposición. ¿Está esta torre en el centro de Dallas? (Exposición B con todos los edificios.) o en las llanuras de Kansas (Exposición C, sin nada que frene el viento)? Gran diferencia.

• $\mathrm{GRAMO}$

  GRAMO es el factor de efecto de ráfaga. Un autoportante rígido maneja una ráfaga de manera diferente que un monopolo flexible. Calculamos esto para tener en cuenta el látigo dinámico del viento..

• ${\mathrm{do}}_F$

  doF​ es el coeficiente de fuerza. Básicamente, el factor de forma. Un monopolo redondo tiene un menor

  ${\mathrm{do}}_F$

  doF​ que una torre de hierro angular enrejada. El hielo cambia completamente de forma: un elemento redondo se convierte en una placa plana que el viento puede agarrar..

• ${\mathrm{UN}}_{\mathrm{mi}}$

  UNmi​ es el área proyectada. los “zona de vela” de todas esas antenas y la torre misma.

Aquí hay una verdad que no te enseñan.: El hielo suele dar más miedo que el viento. Una carga de hielo radial de 1/2 pulgada puede triplicar el área efectiva de sus miembros estructurales y cables.. Ahora el viento actúa sobre una superficie mucho mayor., más pesado, objeto de forma extraña. Tenemos que revisar la torre para (un) el peso del hielo (Muerto + Hielo), y (segundo) la carga de viento sobre la estructura cubierta de hielo. Esta combinación a menudo gobierna el diseño en los estados del norte.. Una vez hice un trabajo en Minnesota donde el código requería una carga de hielo de 1 pulgada con viento concurrente. era una bestia.

2. La Fundación: Donde la goma se encuentra con el camino (Literalmente)
No me importa lo perfecto que sea tu acero.; si el suelo se mueve, tu torre es chatarra. Nos basamos en gran medida en los informes geotécnicos.. No puedes saltarte esto.

Para un monopolo estándar de 80 pies, Podríamos diseñar un muelle perforado simple con una placa base y tuercas niveladoras..

$${\mathrm{METRO}}_{\mathrm{la}v\mathrm{mi}\mathrm{riñonal}tu\mathrm{riñonal}\mathrm{norte}\mathrm{yo}\mathrm{norte}\mathrm{gramo}}=F_{w\mathrm{yo}\mathrm{norte}\mathrm{re}}\ast H_{\mathrm{un}\mathrm{riñonal}\mathrm{metro}}$$METROlavesturiñonaldegramo​=Fwenre​∗Hunriñonalmetro​

Ese momento de vuelco en la base tiene que ser resistido por la presión pasiva del suelo sobre el muelle y el peso del hormigón y el tapón de suelo.. La fórmula para la profundidad requerida. (re) es iterativo, pero a menudo se reduce a un equilibrio de momentos:

$$\mathrm{re}\ge \sqrt[3]{\frac{2.34\ast {\mathrm{METRO}}_{\mathrm{la}}}{S\ast \mathrm{segundo}}}$$re≥3S∗segundo2.34∗METROla​​​

Dónde

$S$S es la presión permitida del suelo y

$\mathrm{segundo}$segundo es el diámetro del muelle.

Para un gran autosuficiente, Estamos hablando de zapatas o encepados masivos.. Cada pata se apoya sobre un enorme bloque de hormigón., atados con vigas de grado. Una vez vi una serie de dibujos en los que el diseño de los cimientos ignoraba la existencia de un nivel freático alto.. Seis meses después de la instalación, un pie se había asentado a seis pulgadas. La torre estaba visiblemente inclinada. Tuvimos que apuntalar todo el maldito asunto con micropilotes.. UN $50,000 geotech report would have saved a $500,000 reparar.

Selección de materiales: Historias de acero

Usamos acero. Específicamente, Vivimos en el mundo de grado ASTM A36 y A572. 50. Pero no todo el acero es igual.

• Galvanizar es Dios. La galvanización en caliente según ASTM A123 es nuestra religión. Esa capa de zinc es lo único que se interpone entre esa hermosa torre y un montón de polvo rojo.. Inspecciono el galvanizado como un halcón. Cualquier punto desnudo, cualquier “gris” parches donde el zinc no tomó? Ese es un punto de fracaso en cinco años.. Recuerdo a un proveedor que intentaba ahorrar dinero utilizando “como enrollado” Acero para arriostrar miembros en un sitio costero en Florida.. Rechazamos todo el envío.. El aire salado lo habría devorado en una década.

• Pernos de alta resistencia. Utilizamos pernos ASTM A325 o A490.. Y la instalación es crítica.. No puedes simplemente golpearlos con una pistola de impacto hasta que chirrien.. Hay una especificación de tensión.. Para pernos A325, usamos el “vuelta de tuerca” método. Los acomodaste, luego déles un giro parcial específico para inducir la fuerza de sujeción correcta. Una conexión suelta permite el movimiento.. El movimiento crea desgaste.. El desgaste crea fracaso.

los “Cómo resolver el fracaso” la mentalidad

No puedes prevenir todos los fracasos. Pero se puede diseñar para lograr una degradación elegante y detectar los problemas a tiempo..

• Redundancia: En una torre de celosía, tienes múltiples rutas de carga. Si falla una riostra diagonal, los otros miembros a menudo pueden redistribuir la carga temporalmente. Diseñamos para esto. Un monopolo no tiene redundancia. una grieta, y se acabó el juego.

• Diseño de conexión: Los fallos casi siempre ocurren en las conexiones.. La soldadura entre la pata y la cartela.. El grupo de pernos que fija el soporte de la antena al tubo.. Diseñamos conexiones para que sean más fuertes que los miembros a los que se unen.. Este es el “columna fuerte-viga débil” Filosofía aplicada a las torres..

• El punto de montaje: Este es mi motivo favorito. El soporte de tubo para la antena.. He visto diseños en los que una antena pesada está suspendida a dos metros de la pata de la torre sobre un tubo de pared delgada.. El apalancamiento dinámico en una tormenta de viento es una locura. El momento flector en la base de ese soporte es:

$$\mathrm{METRO}=F_{\mathrm{un}\mathrm{norte}t\mathrm{mi}\mathrm{norte}\mathrm{norte}\mathrm{un}}\ast L_{\mathrm{un}\mathrm{riñonal}\mathrm{metro}}$$METRO=Funtminna​∗Lunriñonalmetro​

Necesitamos revisar ese soporte para pandeo local y los pernos para corte y tensión. simultaneamente. Es la parte más olvidada del diseño..

Últimas tendencias y un vistazo al futuro

Mi tableta está llena de notas de conferencias y proyectos recientes.. Esto es lo que tengo en mente ahora mismo:

1. 5G es un problema de peso: Esas nuevas unidades de antena activa (UCA) son pesados. Combinan la antena y la radio en una sola caja. y son grandes. Estamos viendo sitios donde la carga de equipos planificada se ha duplicado de la noche a la mañana.. Tenemos que volver a calificar miles de torres existentes. La industria está luchando.

2. Arquitectura oculta: Las ciudades son cada vez más duras. Estamos haciendo más “mono-palma” árboles (horrible, en mi opinión) y “campanario de la iglesia” se esconde. Es un desafío de diseño interesante: cómo mantener la integridad estructural y al mismo tiempo hacer que parezca el tronco de un árbol o una chimenea de ladrillo..

3. Gemelos digitales & Monitoreo de IA: Estamos empezando a colocar sensores en torres críticas: galgas extensométricas, acelerómetros, inclinómetros. Esto crea un “gemelo digital.” Podemos ver cómo se comporta la torre ante una tormenta real y compararlo con nuestros modelos.. Teníamos un proyecto en Chicago donde instrumentamos un alto, esbelta torre. La desviación del mundo real coincidió con nuestro modelo dentro 2%. ese fue un buen dia. Nos dice que nuestras suposiciones son correctas..

4. Ciencia de los materiales: Cada vez se habla más de acero de alto rendimiento e incluso de polímeros reforzados con fibra de vidrio. (PRFV) para plataformas y escaleras. no se oxida. es no conductor. ¿Pero puede soportar los rayos UV y el frío?? el tiempo lo dirá.

Una última palabra sobre la confiabilidad (Integridad)

Quieres una torre confiable? pagar por la inspeccion. No solo el diseño, pero la inspección de la construcción.

• Torque de perno: He visto equipos dejar los pernos apretados con los dedos. Hacemos controles de torque aleatorios..

• plomada: Después de la erección, Lo subimos y lo comprobamos con un teodolito.. deberia estar dentro 1:500 (por cada 500 pies de altura, puede estar apagado por 1 pie). Si se inclina más que eso, algo anda mal con los cimientos o el ensamblaje inicial.

• La primera subida: La prueba más honesta.. Subo a cada torre que diseño, al menos durante los primeros años de mi carrera. Sientes la vibración. Ves las conexiones de cerca.. Escuchas el viento en los chicos.. Es una perspectiva que no se puede obtener desde la pantalla de una computadora..

Así que, eso es todo lo largo y lo corto. El diseño de la torre no es mágico. es un cuidado, paranoico, y aplicación experimentada de la física y la ciencia de materiales. se trata de preguntar “Y si” hasta que te quedes sin respuestas. Porque cuando estás 200 pies arriba, atornillar un equipo de un millón de dólares, Lo último que quieres preguntarte es si el chico de la oficina hizo bien sus cálculos.. Tú quieres saber el lo hizo. Y esa es la confianza que construimos, una conexión a la vez.