Discorsi sulla torre: Una guida alla selezione per un tecnico sul campo, Design, e Perché le cose cadono

Aspetto, puoi leggere tutte le brochure patinate dei produttori. Puoi eseguire ogni pacchetto di analisi degli elementi finiti sul mercato finché la tua workstation non prende fuoco. Ma alla fine della giornata, costruendo una torre e mantenendola in piedi per venti, trent’anni – si riduce a sudare, sporco, e una sana dose di paranoia. Adesso mi chiamano Ingegnere Strutturale Senior. Titolo fantasioso. Ma continuo a pensare a me stesso come al ragazzo che deve firmare il “come costruito” disegni e poi stare in fondo all'oggetto mentre un equipaggio solleva un'antenna da 200 libbre con un vento di 30 nodi.

Così, vuoi conoscere la selezione e la progettazione delle torri per le stazioni base di comunicazione? Bene. Tira su una cassa. Parliamo.

Non si tratta solo di scegliere l'albero più alto del catalogo. È un matrimonio tra ciò che la RF (Radiofrequenza) pianificatori Volere e quale fisica, il comitato di zonizzazione locale, e il tuo budget lo farà permettere. Noi siamo gli arbitri in quella lotta.

La prima domanda: Auto-supporto, guyed, o Monopolare?

Questo è il primo, e cosa più importante, bivio sulla strada. Non è solo estetica; è una questione di impronta, caricare, e costo. Ho visto progetti deragliare perché qualcuno ha scelto un bel monopolo quando una torre utilitaria era l'unica cosa in grado di sopportare il carico del vento.

Ecco il dettaglio, dal mio taccuino:

tower Tipo	Gamma di altezza tipica	Pro	Contro	Il mio istinto / Nota sul campo
Autoportante (Reticolo)	30m – 120M+	Alta capacità, più inquilini, ingombro relativamente ridotto (3 o 4 gambe). Rigido.	Costo del materiale più elevato, richiede più terra di un monopolo, visivamente imponente.	Il cavallo di battaglia del settore. Se hai il terreno e il budget, questa è solitamente la scelta più a prova di futuro. Li chiamiamo “letti a baldacchino.”
Albero strallato	60m – 600M+	Più economico per altezze molto elevate, peso più leggero.	Enorme impronta a terra per ancoraggi di tipo, incline agli atti vandalici (ragazzi, l'arrampicata è un desiderio di morte), meno rigido (più influenza).	Ho un rapporto di amore-odio con questi. Sono soluzioni eleganti per la copertura broadcast o ad ampia area. Ma ne ho anche visto uno cadere durante una tempesta di ghiaccio perché un tirante si è guastato. Il campo dell'ancora è una zona sacra: tieni lontani gli scavatori.
Monopole	10m – 50m	Ingombro minimo (ottimo per l'urbano), esteticamente preferito (“pennone” stile), più veloce da installare.	Capacità limitata, deflessione più elevata (ondeggia di più), Difficile salire internamente (se vuoto), i costi di fondazione possono essere enormi.	Il guerriero urbano. Perfetto per nascondersi in bella vista. Ma ricorda, Quello “pennone” è un cantilever gigante. Tutta la forza viene trasferita in un punto nel terreno. Quel molo di cemento deve essere assolutamente perfetto.

Caso in questione: Qualche anno fa, stavamo effettuando un aggiornamento del sito fuori Austin per un importante operatore telefonico. Il sito era un 120 piedi monopolo, già al massimo. Il cliente voleva aggiungere un nuovo enorme pannello mmWave 5G e una serie di testine radio remote. L'analisi del carico del vento è risultata negativa. Monopole non riusciva a deviare. Il cliente ha avuto un attacco di panico: ha adorato l'ingombro ridotto. Alla fine abbiamo dovuto progettare una massiccia gabbia esterna e una fondazione con pilastro elicoidale per irrigidire la base. Gli è costato tre volte quello che sarebbe costato se avessero messo in piedi fin dall’inizio un magro sostenitore di se stessi. Erano concentrati sul problema di oggi, non quello del prossimo anno.

Il diavolo nei dettagli: Parametri di progettazione (Il “Perché”)

Così, hai scelto il tipo di torre. Ora dobbiamo assicurarci che non si pieghi come una sedia economica. È qui che l'ingegneria diventa granulare. Non stiamo solo disegnando belle immagini; stiamo definendo una serie di regole per il vento, il ghiaccio, e l'acciaio a seguire.

1. I carichi: Non è solo il peso della torre
Viviamo secondo la formula: Carico totale = Carico permanente + Carico in tempo reale + Carico ambientale.

• Carico morto (D): Il peso della torre stessa. Semplice, ma non banale.

• Carico in tempo reale (L): La roba che ci hai messo sopra. antenne, cavi coassiali, guide d'onda, scudi di ghiaccio, scale, piattaforme. Aggiungo sempre un fattore di confusione qui. Lo chiamo “Fudge del futuro inquilino.” I pianificatori RF sono ottimisti. Ti diranno che stanno installando tre antenne. Tra cinque anni, ne avranno otto, più un piatto per microonde puntato su una torre dell'acqua. Progettare per l'espansione, oppure tornerai con un impianto di saldatura più tardi.

• Carico ambientale (W per Vento, T per Ghiaccio): È qui che guadagniamo i nostri soldi.

Il carico del vento è governato dalla formula classica:

$$F=q_z\ast \mathrm{sol}\ast C_f\ast {\mathrm{UN}}_e$$F=qz​∗sol∗Cf​∗UNe​

Analizziamolo come se fossimo sul posto:

• $q_z$

  qz​ è la pressione di velocità. Si basa sulla velocità del vento di base (dai regolamenti edilizi locali, come l'ASCE 7 negli Stati Uniti), ma modificato per l'altezza fuori terra e la categoria di esposizione. E' questa torre nel centro di Dallas (Esposizione B con tutti gli edifici) o nelle pianure del Kansas (Esposizione C, senza nulla che possa rallentare il vento)? Enorme differenza.

• $\mathrm{sol}$

  sol è il fattore dell'effetto raffica. Un autoportante rigido gestisce una raffica in modo diverso rispetto a un monopolo flessibile. Lo calcoliamo per tenere conto della frusta dinamica del vento.

• $C_f$

  Cf​ è il coefficiente di forza. Fondamentalmente, il fattore forma. Un monopolo rotondo ha una parte inferiore

  $C_f$

  Cf​ di una torre angolare di ferro. Il ghiaccio cambia completamente forma: un elemento rotondo diventa una piastra piatta che il vento può afferrare.

• ${\mathrm{UN}}_e$

  UNe​ è l'area proiettata. Il “superficie velica” di tutte quelle antenne e della torre stessa.

Ecco una verità che non ti insegnano: Il ghiaccio è spesso più spaventoso del vento. Un carico di ghiaccio radiale di 1/2 pollice può triplicare l'area effettiva degli elementi strutturali e dei cavi. Adesso il vento agisce su una superficie molto più grande, più pesante, oggetto dalla forma strana. Dobbiamo controllare la torre (un) il peso del ghiaccio (Morto + Ghiaccio), e (B) il carico del vento sulla struttura ghiacciata. Questa combinazione spesso governa la progettazione negli stati settentrionali. Una volta ho svolto un lavoro in Minnesota in cui il codice richiedeva un carico di ghiaccio di 1 pollice con vento contemporaneo. Era una bestia.

2. La Fondazione: Dove la gomma incontra la strada (Letteralmente)
Non mi interessa quanto sia perfetto il tuo acciaio; se il terreno si muove, la tua torre è un rottame. Facciamo molto affidamento sui rapporti geotecnici. Non puoi saltarlo.

Per un monopolo standard da 80 piedi, potremmo progettare un semplice pilastro forato con una piastra di base e dadi di livellamento.

$$M_{\mathrm{il}veRtuRn\mathrm{io}ng}=F_{w\mathrm{io}nd}\ast H_{\mathrm{un}Rm}$$MilvÈtuRDig​=Fwind​∗HunRm​

Il momento di ribaltamento alla base deve essere contrastato dalla pressione passiva del terreno sul pilastro e dal peso del calcestruzzo e del tassello del terreno. La formula per la profondità richiesta (d) è iterativo, ma spesso si riduce a un equilibrio di momenti:

$$d\ge \sqrt[3]{\frac{2.34\ast M_{\mathrm{il}}}{S\ast B}}$$d≥3S∗B2.34∗Mil​​​

Dove

$S$S è la pressione ammissibile del suolo e

$B$B è il diametro del pilastro.

Per un grande autosostenitore, stiamo parlando di basi massicce o di coperture su pali. Ogni gamba poggia su un enorme blocco di cemento, legati insieme con travi di livello. Una volta ho visto una serie di disegni in cui il progetto delle fondazioni ignorava l'esistenza di una falda freatica alta. Sei mesi dopo l'installazione, un piede si era stabilizzato di sei pollici. La torre era visibilmente pendente. Abbiamo dovuto sostenere il tutto con dei micropali. UN $50,000 geotech report would have saved a $500,000 riparazione.

Selezione dei materiali: Storie d'acciaio

Usiamo l'acciaio. In particolare, viviamo nel mondo dei gradi ASTM A36 e A572 50. Ma non tutto l’acciaio è uguale.

• Galvanizzare è Dio. La zincatura a caldo secondo ASTM A123 è la nostra religione. Quel rivestimento di zinco è l'unica cosa che si frappone tra quella bella torre e un mucchio di polvere rossa. Ispeziono la zincatura come un falco. Eventuali punti nudi, Qualunque “grigio” zone in cui lo zinco non ha preso? Questo è un punto di fallimento in cinque anni. Ricordo un fornitore che cercava di risparmiare denaro utilizzando “come arrotolato” acciaio per elementi di rinforzo in un sito costiero della Florida. Abbiamo rifiutato l'intera spedizione. L'aria salata l'avrebbe divorato in un decennio.

• Bulloni ad alta resistenza. Utilizziamo bulloni ASTM A325 o A490. E l'installazione è fondamentale. Non puoi semplicemente scuoterli con una pistola a impatto finché non scricchiolano. C'è una specifica di tensione. Per bulloni A325, usiamo il “giro di noce” metodo. Li hai abbracciati, quindi dare loro una rotazione parziale specifica per indurre la forza di serraggio corretta. Una connessione allentata consente il movimento. Il movimento crea usura. L'usura crea fallimento.

Il “Come risolvere il fallimento” La mentalità

Non puoi prevenire tutti i fallimenti. Ma puoi progettare un degrado graduale e individuare tempestivamente i problemi.

• Ridondanza: In una torre a traliccio, hai più percorsi di carico. Se un tutore diagonale fallisce, gli altri membri possono spesso ridistribuire temporaneamente il carico. Progettiamo per questo. Un monopolio non ha ridondanza. Una crepa, ed è finita.

• Progettazione della connessione: I guasti si verificano quasi sempre alle connessioni. La saldatura tra la gamba e il fazzoletto. Il gruppo di bulloni che fissa il supporto dell'antenna al tubo. Progettiamo connessioni affinché siano più forti dei membri a cui si uniscono. Questo è il “colonna forte-trave debole” filosofia applicata alle torri.

• Il punto di montaggio: Questa è la cosa che mi dà più sui nervi. Il supporto per tubo per l'antenna. Ho visto progetti in cui un'antenna pesante è posizionata a sbalzo a due metri dalla gamba della torre su un tubo a parete sottile. La leva dinamica in una tempesta di vento è folle. Il momento flettente alla base di quella montatura è:

$$M=F_{\mathrm{un}ntenn\mathrm{un}}\ast L_{\mathrm{un}Rm}$$M=Falcuni punti devono essere considerati quando si progetta la torre in acciaiotenonna​∗LunRm​

Dobbiamo controllare l'instabilità locale del supporto e il taglio e la tensione dei bulloni contemporaneamente. È la parte più dimenticata del design.

Ultime tendenze e uno sguardo al futuro

Il mio tablet è pieno di appunti di conferenze e progetti recenti. Ecco cosa ho in mente in questo momento:

1. 5G è un problema di peso: Quelle nuove unità antenna attive (AAU) sono pesanti. Uniscono l'antenna e la radio in un'unica scatola. E sono grandi. Stiamo riscontrando siti in cui il carico pianificato delle apparecchiature è raddoppiato da un giorno all'altro. Dobbiamo rivalutare migliaia di torri esistenti. L’industria è in difficoltà.

2. Architettura nascosta: Le città stanno diventando più difficili. Stiamo facendo di più “monopalmo” alberi (orribile, secondo me) e “campanile della chiesa” nasconde. È una sfida progettuale interessante: come mantenere l’integrità strutturale facendola sembrare un tronco d’albero o un camino in mattoni.

3. Gemelli digitali & Monitoraggio dell'intelligenza artificiale: Stiamo iniziando a mettere sensori su torri critiche: gli estensimetri, accelerometri, inclinometri. Questo crea un “gemello digitale.” Possiamo vedere come si comporta la torre durante una vera tempesta e confrontarla con i nostri modelli. Avevamo un progetto a Chicago in cui abbiamo strumentato un alto, torre snella. La deflessione del mondo reale corrispondeva al nostro modello interno 2%. È stata una bella giornata. Ci dice che le nostre ipotesi sono corrette.

4. Scienza dei materiali: Vedo parlare sempre più di acciaio ad alte prestazioni e persino di polimeri rinforzati con fibra di vetro (GFRP) per piattaforme e scale. Non arrugginisce. Non è conduttivo. Ma può sopportare i raggi UV e il freddo? Il tempo lo dirà.

Un'ultima parola sull'affidabilità (Affidabilità)

Vuoi una torre affidabile? Pagare l'ispezione. Non solo il design, ma l'ispezione della costruzione.

• Coppia di bulloni: Ho visto gli equipaggi lasciare i bulloni serrati con le dita. Effettuiamo controlli di coppia casuali.

• Idraulicità: Dopo l'erezione, lo saliamo e lo controlliamo con un teodolite. Dovrebbe essere dentro 1:500 (per ogni 500 piedi di altezza, può essere spento 1 piede). Se è inclinato di più, c'è qualcosa che non va nella fondazione o nell'assemblaggio iniziale.

• La prima salita: Il test più onesto. Salgo su ogni torre che progetto, almeno per i primi anni della mia carriera. Ne senti la vibrazione. Vedi le connessioni da vicino. Si sente il vento nei ragazzi. È una prospettiva che non puoi ottenere dallo schermo di un computer.

Così, questo è tutto. Il design della torre non è magico. È un'attenzione, paranoico, e l'applicazione basata sull'esperienza della fisica e della scienza dei materiali. Si tratta di chiedere “cosa succede se” finché non esaurisci le risposte. Perché quando sei 200 piedi in alto, montando un'attrezzatura da un milione di dollari, l'ultima cosa che vuoi chiederti è se il ragazzo in ufficio ha fatto bene i conti. Lo vuoi Sapere lo ha fatto. E questa è la fiducia che costruiamo, una connessione alla volta.