Discussion sur la tour: Guide de sélection de l'ingénieur de terrain, Conception, et pourquoi les choses tombent

Regarder, vous pouvez lire toutes les brochures sur papier glacé des fabricants. Vous pouvez exécuter tous les logiciels d'analyse par éléments finis du marché jusqu'à ce que votre poste de travail prenne feu.. Mais à la fin de la journée, ériger une tour et la maintenir en place pendant vingt, trente ans, ça revient à transpirer, saleté, et une bonne dose de paranoïa. On m'appelle maintenant ingénieur principal en structures.. Titre fantaisiste. Mais je me considère toujours comme celui qui doit signer le “tel que construit” dessins, puis restez au bas de la chose pendant qu'un équipage treuille une antenne de 200 livres dans un vent de 30 nœuds.

Donc, vous voulez en savoir plus sur la sélection et la conception des tours pour les stations de base de communication? Bien. Tirez une caisse. Parlons.

Il ne s’agit pas seulement de choisir le mât le plus haut du catalogue. C'est un mariage entre ce que le RF (Radiofréquence) planificateurs vouloir et quelle physique, le conseil de zonage local, et votre budget sera permettre. Nous sommes les arbitres de ce combat.

La première question: Autonomie, haubané, ou Monopôle?

C'est le premier, et le plus important, bifurcation sur la route. Ce n'est pas seulement une question d'esthétique; c'est une question d'empreinte, charge, et le coût. J'ai vu des projets dérailler parce que quelqu'un avait choisi un joli monopôle alors qu'une tour haubanée utilitaire était la seule chose capable de supporter la charge du vent..

Voici la répartition, de mon carnet:

Type de tour	Plage de hauteur typique	Avantages	Inconvénients	Mon instinct / Note de terrain
Autoportant (Treillis)	30m – 120m +	Haute capacité, plusieurs locataires, empreinte relativement faible (3 ou 4 jambes). Rigide.	Coût matériel plus élevé, nécessite plus de terrain qu'un monopole, visuellement imposant.	Le cheval de bataille de l'industrie. Si vous avez le terrain et le budget, c'est généralement le choix le plus évolutif. Nous les appelons “lits à baldaquin.”
Mât haubané	60m – 600m +	Le plus économique pour les très grandes hauteurs, poids le plus léger.	Énorme empreinte terrestre pour les ancres de haubanage, sujet au vandalisme (grimper les gars est un souhait de mort), moins rigide (plus d'influence).	J'ai une relation amour-haine avec eux. Ce sont des solutions élégantes pour la diffusion ou la couverture étendue. Mais j’en ai aussi vu un tomber lors d’une tempête de verglas parce qu’un hauban était tombé en panne.. Le champ d'ancrage est une zone sacrée : éloignez les creuseurs.
monopôle	10m – 50m	La plus petite empreinte (idéal pour la ville), esthétiquement préféré (“mât de drapeau” style), plus rapide à installer.	Capacité limitée, déflexion plus élevée (se balance davantage), difficile à gravir intérieurement (si creux), les coûts de fondation peuvent être énormes.	Le guerrier urbain. Parfait pour se cacher à la vue de tous. Mais souviens-toi, que “mât de drapeau” est un porte-à-faux géant. Toute la force est transférée à un point du sol. Cette jetée en béton doit être absolument parfaite.

Exemple concret: Il y a quelques années, nous effectuions une mise à niveau du site à l'extérieur d'Austin pour un transporteur majeur. Le site était un 120 pieds monopôle, déjà au maximum. Le client souhaitait ajouter un nouveau panneau massif 5G mmWave et un ensemble de têtes radio distantes.. L'analyse de la charge de vent est revenue en rouge. Le monopôle échouait en déviation. Le client a fait une crise : il a adoré le faible encombrement. Nous avons fini par devoir concevoir une cage externe massive et une fondation à piliers hélicoïdaux pour rigidifier la base.. Cela leur a coûté trois fois plus que s'ils avaient simplement mis en place un maigre partisan dès le départ. Ils étaient concentrés sur le problème d’aujourd’hui, pas celui de l'année prochaine.

Le diable dans les détails: Les paramètres de conception (le “Pourquoi”)

Donc, vous avez choisi votre type de tour. Maintenant, nous devons nous assurer qu'elle ne se plie pas comme une chaise bon marché. C'est là que l'ingénierie devient granulaire. Nous ne faisons pas que dessiner de jolies images; nous définissons un ensemble de règles pour le vent, la glace, et l'acier à suivre.

1. Les charges: Ce n'est pas seulement le poids de la tour
Nous vivons selon la formule: Charge totale = charge morte + Charge en direct + Charge environnementale.

• Poids mort (ré): Le poids de la tour elle-même. Simple, mais pas anodin.

• Charge en direct (L): Les trucs que tu mets dessus. antennes, câbles coaxiaux, guides d'ondes, boucliers de glace, échelles, plates-formes. J'ajoute toujours un facteur fudge ici. je l'appelle “Fudge du futur locataire.” Les planificateurs RF sont optimistes. Ils vous diront qu'ils installent trois antennes. Dans cinq ans, ils en auront huit, plus un plat à micro-ondes pointé vers un château d'eau. Conception pour l'expansion, ou tu reviendras avec un poste de soudage plus tard.

• Charge environnementale (W pour Vent, T pour Glace): C'est ici que nous gagnons notre argent.

La charge de vent est régie par la formule classique:

$$F=q_z*g*C_F*{\mathrm{UNE}}_e$$F=qz​*g*CF​*UNEe​

Décomposons cela comme si nous étions sur place:

• $q_z$

  qz​ est la pression de vitesse. C'est basé sur la vitesse de base du vent. (des codes du bâtiment locaux, comme l'ASCE 7 aux États-Unis), mais modifié pour la hauteur hors sol et la catégorie d'exposition. Cette tour est-elle située au centre-ville de Dallas ? (Exposition B avec tous les bâtiments) ou dans les plaines du Kansas (Exposition C, sans rien pour ralentir le vent)? Énorme différence.

• $g$

  g est le facteur d'effet de rafale. Un autoporteur rigide gère une rafale différemment d'un monopôle flexible. Nous calculons cela pour tenir compte du fouet dynamique du vent.

• $C_F$

  CF​ est le coefficient de force. Essentiellement, le facteur de forme. Un monopôle rond a un

  $C_F$

  CF​ qu'une tour en cornière grillagée. La glace change complètement de forme : un élément rond devient une plaque plate que le vent peut saisir.

• ${\mathrm{UNE}}_e$

  UNEe​ est la zone projetée. le “surface de voile” de toutes ces antennes et de la tour elle-même.

Voici une vérité qu'ils ne vous enseignent pas: La glace est souvent plus effrayante que le vent. Une charge de glace radiale de 1/2 pouce peut tripler la surface efficace de vos éléments structurels et de vos câbles. Maintenant, le vent agit sur une, plus lourd, objet de forme étrange. Nous devons vérifier la tour pour (une) le poids de la glace (Morte + La glace), et (b) la charge du vent sur la structure recouverte de glace. Cette combinaison régit souvent la conception dans les États du Nord. J'ai déjà travaillé dans le Minnesota où le code exigeait une charge de glace de 1 pouce. avec vent simultané. C'était une bête.

2. La Fondation: Là où le caoutchouc rencontre la route (Littéralement)
Je me fiche de la perfection de ton acier; si le sol bouge, ta tour est de la ferraille. Nous nous appuyons fortement sur les rapports géotechniques. Vous ne pouvez pas ignorer ça.

Pour un monopôle standard de 80 pieds, nous pourrions concevoir une simple pile forée avec une plaque de base et des écrous de nivellement.

$$M_{\mathrm{la}verturn\mathrm{je}ng}=F_{w\mathrm{je}n\mathrm{ré}}*H_{\mathrm{une}rm}$$Mlavestturdeg​=Fwdansré​*Hunerm​

Ce moment de renversement à la base doit être résisté par la pression passive du sol sur la pile et le poids du béton et du bouchon de sol.. La formule pour la profondeur requise (ré) est itératif, mais cela se résume souvent à un équilibre de moments:

$$\mathrm{ré}\ge \sqrt[3]{\frac{2.34*M_{\mathrm{la}}}{S*b}}$$ré≥3S*b2.34*Mla​​​

Où

$S$S est la pression du sol admissible et

$b$b est le diamètre de la jetée.

Pour un grand auto-supportant, nous parlons de semelles massives ou de semelles sur pieux. Chaque pied repose sur un énorme bloc de béton, attachés ensemble avec des poutres de qualité. J'ai vu une fois une série de dessins dans lesquels la conception des fondations ignorait l'existence d'une nappe phréatique élevée.. Six mois après l'installation, un pied s'était affaissé de six pouces. La tour était visiblement penchée. Il a fallu tout étayer avec des micro-pieux. UNE $50,000 geotech report would have saved a $500,000 réparation.

Sélection des matériaux: Histoires d'acier

Nous utilisons de l'acier. Plus précisément, nous vivons dans le monde des grades ASTM A36 et A572 50. Mais tous les aciers ne sont pas égaux.

• La galvanisation est Dieu. La galvanisation à chaud selon ASTM A123 est notre religion. Ce revêtement de zinc est la seule chose qui se trouve entre cette belle tour et un tas de poussière rouge.. J'inspecte la galvanisation comme un faucon. Tous les endroits nus, n'importe lequel “gris” zones où le zinc n'a pas pris? C'est un point d'échec en cinq ans. Je me souviens d'un fournisseur qui essayait d'économiser de l'argent en utilisant “tel que roulé” acier pour le renforcement des éléments sur un site côtier en Floride. Nous avons rejeté l'intégralité de l'envoi. L'air salin l'aurait rongé en une décennie.

• Boulons à haute résistance. Nous utilisons des boulons ASTM A325 ou A490. Et l'installation est critique. Vous ne pouvez pas simplement les secouer avec un pistolet à impact jusqu'à ce qu'ils grincent.. Il y a une spécification de tension. Pour boulons A325, nous utilisons le “tour d'écrou” méthode. Tu les serres contre eux, puis donnez-leur un tour partiel spécifique pour induire la force de serrage correcte. Une connexion lâche permet le mouvement. Le mouvement crée l’usure. L'usure crée l'échec.

le “Comment résoudre l'échec” L'état d'esprit

Vous ne pouvez pas empêcher tous les échecs. Mais vous pouvez concevoir une dégradation progressive et détecter les problèmes le plus tôt possible..

• Redondance: Dans une tour en treillis, vous avez plusieurs chemins de chargement. Si une diagonale échoue, les autres membres peuvent souvent redistribuer la charge temporairement. Nous concevons pour cela. Un monopôle n'a pas de redondance. Une fissure, et c'est la fin du jeu.

• Conception de connexion: Les échecs se produisent presque toujours au niveau des connexions. La soudure entre le pied et le gousset. Le groupe de boulons fixant le support d'antenne au tuyau. Nous concevons des liens pour qu'ils soient plus forts que les membres qu'ils rejoignent. C'est le “poutre forte et faible” philosophie appliquée aux tours.

• Le point de montage: C'est ma bête noire. Le support de tuyau pour l'antenne. J'ai vu des modèles dans lesquels une antenne lourde était en porte-à-faux à deux mètres du pied de la tour sur un tuyau à paroi mince.. L'effet de levier dynamique dans une tempête de vent est insensé. Le moment de flexion à la base de ce support est:

$$M=F_{\mathrm{une}ntenn\mathrm{une}}*L_{\mathrm{une}rm}$$M=Funtenna​*Lunerm​

Nous devons vérifier ce support pour le flambement local et les boulons pour le cisaillement et la tension. en même temps. C'est la partie la plus oubliée du design.

Dernières tendances et aperçu de l'avenir

Ma tablette regorge de notes de conférences et de projets récents. Voici ce que je pense en ce moment:

1. 5G est un problème de poids: Ces nouvelles unités d'antenne active (UQA) sont lourds. Ils combinent l'antenne et la radio dans un seul boîtier. Et ils sont gros. Nous voyons des sites où la charge d’équipement prévue a doublé du jour au lendemain.. Nous devons réévaluer des milliers de tours existantes. L'industrie se démène.

2. Architecture cachée: Les villes deviennent plus difficiles. Nous faisons plus “mono-paume” arbres (hideux, à mon avis) et “clocher d'église” se cache. Il s'agit d'un défi de conception intéressant : comment maintenir l'intégrité structurelle tout en la faisant ressembler à un tronc d'arbre ou à une cheminée en brique..

3. Jumeaux numériques & Surveillance de l'IA: Nous commençons à installer des capteurs sur les tours critiques : des jauges de contrainte, accéléromètres, inclinomètres. Cela crée un “jumeau numérique.” Nous pouvons voir comment la tour se comporte lors d'une tempête réelle et la comparer à nos modèles. Nous avions un projet à Chicago où nous instrumentions un grand, tour élancée. La déviation réelle correspondait à notre modèle 2%. C'était une bonne journée. Cela nous dit que nos hypothèses sont correctes.

4. Science des matériaux: On parle de plus en plus d’acier haute performance et même de polymère renforcé de fibres de verre. (PRV) pour plates-formes et échelles. Il ne rouille pas. C'est non conducteur. Mais peut-il supporter les UV et le froid? Le temps nous le dira.

Un dernier mot sur la fiabilité (Fiabilité)

Vous voulez une tour fiable? Payer l'inspection. Pas seulement le design, mais l'inspection de la construction.

• Couple de boulon: J'ai vu des équipages laisser les boulons serrés à la main. Nous effectuons des contrôles de couple aléatoires.

• Plomberie: Après érection, nous l'escaladons et le vérifions avec un théodolite. Cela devrait être à l'intérieur 1:500 (pour chaque 500 pieds de hauteur, ça peut être éteint par 1 pied). Si ça penche plus que ça, quelque chose ne va pas avec la fondation ou l'assemblage initial.

• La première ascension: Le test le plus honnête. J'escalade chaque tour que je conçois, au moins pendant les premières années de ma carrière. Tu sens la vibration. Vous voyez les connexions de près. Tu entends le vent chez les gars. C'est une perspective que vous ne pouvez pas obtenir depuis un écran d'ordinateur.

Donc, c'est tout ce qu'il y a à savoir. La conception de la tour n’est pas magique. C'est une prudence, paranoïaque, et application basée sur l'expérience de la physique et de la science des matériaux. Il s'agit de demander “et si” jusqu'à ce que tu sois à court de réponses. Parce que quand tu es 200 pieds en l'air, boulonner une pièce d'équipement d'un million de dollars, la dernière chose que vous voulez vous demander, c'est si le gars du bureau a bien fait ses calculs. Tu veux savoir il l'a fait. Et c'est la confiance que nous construisons, une connexion à la fois.