Lidando com AAUs 5G com excesso de peso: Como nós “Correção” a Torre – Um Estudo de Caso de Reforço Hardcore

Você atingiu o ponto dolorido. Essas AAUs 5G? Deixe-me dizer a você, eles são o pesadelo de um engenheiro estrutural. Aqueles caras do planejamento de RF, eles vão dar tapinhas no peito nas reuniões e dizer, “É só mais uma caixa, nada pesado!” Então calculamos os números, e fumaça sagrada, apenas um daqueles AAUs, com seu suporte de montagem, tem uma área projetada de carga de vento 40% maior do que as antigas unidades separadas, e o peso dobrou.

O projeto original era de 10 anos atrás. Naquela época, o topo tinha três antenas 2G delgadas, leve como um varal. Agora eles querem pendurar três AAUs, cada um com um RRU volumoso, ou integrados. Aquela seção superior da torre, a taxa de estresse (Verificação de unidade) tiro de 0.6 para 1.4. Vermelho. Falhando. Uma bagunça completa.

O que você faz? Derrubar a torre e reconstruir? O cliente teria sua cabeça. A única opção é o reforço. É como quando os ossos de uma pessoa não são fortes o suficiente, você coloca talas, adicione pinos de aço. Chamamos esse tipo de trabalho “cirurgia ortopédica.”

Essa torre em particular tinha 60 metros, torre treliçada de três tubos. O topo 5 metros, que chamamos de “seção superior” ou “seção de pára-raios,” era o problema. Os tubos de aço eram menores e de paredes mais finas, originalmente projetado para antenas chicote leves. Agora tinha que conter três grandes painéis. Quando o vento sopra, todo aquele momento fletor fica concentrado bem na base da seção superior, no anel do flange e nos parafusos de conexão.

Criamos duas soluções e acabamos usando uma combinação de ambas. Deixe-me explicar para você:

Solução 1: Aros do corpo da torre + Reforçadores de canal vertical – “Armadura para o Magro”

Este foi o principal reforço de suporte de carga. Não foi possível cortar e substituir os membros principais da perna, o que significaria reconstruir. Nosso objetivo era o compartilhamento de carga.

1. A Lógica Central:
Suponha que o membro da perna original fosse um tubo de aço, digamos φ168×6. Seu módulo de seção não foi suficiente. Então, soldamos dois canais, costas com costas, ao longo do eixo vertical firmemente contra o tubo existente. Por exemplo, [12 canais – isto é, Canais C12, 120mm de altura. Esses dois canais, combinado com o tubo redondo original através de soldagem intermitente, formar uma seção composta.

Trata-se de calcular o momento de inércia da seção mista. A inércia do tubo original é I_steel. Adicionando os dois canais, o eixo neutro da nova seção composta muda ligeiramente, mas a inércia total I_combo aumenta significativamente. O aumento depende do tamanho do canal e da confiabilidade da conexão ao membro original.

$${\mathrm{EU}}_{combo}\approx {\mathrm{EU}}_{stee\mathrm{eu}}+2\ast ({\mathrm{EU}}_{ch\mathrm{uma}nne\mathrm{eu}}+{\mathrm{UMA}}_{ch\mathrm{uma}nne\mathrm{eu}}\ast d^2)$$Icombo​≈Isteel​+2∗(Icanal​+Acanal​∗d2)(Na fórmula, d é a distância do centróide do canal ao eixo neutro geral da seção composta. Este cálculo é tedioso; geralmente modelamos a seção diretamente no software FEA. Mas para uma estimativa rápida, esta fórmula mostra que o efeito vem principalmente do termo d² – quanto mais longe você coloca o material do centro, melhor.)

Os canais funcionam como “reforços,” efetivamente transformando um “braço fino” em um “braço grosso,” e com flanges, aumentando consideravelmente a capacidade de flexão.

2. Como corrigi-los? – Argolas são fundamentais!
Apenas soldar os canais verticais não é suficiente. A força vem das antenas, através da plataforma, para a perna. Se os canais forem soldados apenas à perna, a deformação local da perna pode rasgar as soldas. Você deve, em intervalos, use aros para amarrá-los firmemente, como uma faixa de aço segurando um feixe de gravetos.

Na parte inferior da seção superior, onde o momento fletor foi maior, colocamos aros todos 1.5 metros. Esses aros foram feitos de – você adivinhou – canais, mas dobrado em um arco. Nós pegamos [10 canais e os dobrou em uma prensa hidráulica especializada para combinar com a seção transversal triangular da torre. Estas seções curvas foram então colocadas em torno das três pernas principais, envolvendo as pernas originais e os novos canais verticais.

Esses aros foram continuamente soldados. Depois de soldar, as três pernas originais, além dos novos canais verticais, foram todos integrados por esses aros em uma estrutura híbrida de treliça espacial altamente rígida. A força viaja da perna até o arco, e o arco o redistribui para os reforços de canal adjacentes. Todos compartilham a carga.

Solução 2: Reforço de flange e área conjunta – “Lançando um elenco na articulação”

O corpo da torre é fixo, mas a força eventualmente precisa ser transferida para a seção abaixo. Conectando as seções superior e inferior há um enorme anel de flange e dezenas de parafusos de alta resistência. Tivemos que verificar esta área.

1. Reforço de Flange: O flange original na base da seção superior era um anel de aço grosso. Sob momento fletor significativo, o próprio flange pode deformar, ou “urdidura.” Soldamos placas de reforço triangulares por baixo do flange (por dentro), logo acima do ponto de conexão com a seção inferior. Estas nervuras foram soldadas de um lado à parte inferior do flange e do outro lado à perna da torre e aos novos canais verticais. Isso aumentou drasticamente a rigidez do flange, evitando que seja dobrado como a borda de uma panela.

2. Verificação do Grupo Bolt: Esta foi a verificação principal. O momento fletor M atuando no banzo se traduz em forças de tração nos parafusos. Os parafusos de um lado estão tensionados, os parafusos do outro lado estão em compressão (a compressão é transferida diretamente através do contato do flange). A fórmula que usamos:

$$T_{m\mathrm{uma}X}=\frac{M\ast {\mathrm{sim}}_{m\mathrm{uma}X}}{\sum {\mathrm{sim}}_{\mathrm{Para\; o}}^2}$$Tmax​=∑yi2​M∗ymax​​

Isto calcula a força de tração máxima T_max no parafuso mais externo. y_max é a distância do parafuso mais externo ao eixo neutro, e y_i é a distância de cada parafuso ao eixo neutro. Se esta força exceder a capacidade permitida do parafuso (v.g., para uma nota 8.8 Parafuso M24, a capacidade de tração é aproximadamente 0.8 * f_yb * A_e, talvez em torno de 180kN), então você precisa atualizar para parafusos de alta resistência ou aumentar o número de parafusos.

Para esse projeto, nossos cálculos mostraram que os parafusos M24 originais eram marginais, sem margem restante. Recomendamos o cliente, já que já estávamos fazendo trabalho a quente, substitua todos os parafusos de conexão por Grau 10.9 Parafusos M27. Os valores de torque tiveram que ser recalibrados, saltando dos ~800 N·m originais para bem mais 1100 N·m. O som da pistola de torque naqueles parafusos era diferente – um som profundo, baque sólido que pareceu reconfortante.

Poços e soluções durante a construção

O plano foi definido, mas como você faz o trabalho? Trabalho em alta altitude, soldagem, risco extremamente alto.

1. Descarga Temporária: Você não pode soldar enquanto as antenas estão ligadas. A torre balança; uma solda de resfriamento irá rachar devido ao estresse. Planejamos isso em duas etapas. Primeira, solicite um desligamento noturno de energia e remoção da antena. Use um guindaste para trazer essas preciosas AAUs e RRUs para o chão. Deixe apenas o poste descoberto por cima. Isso é chamado “descarregando.”

2. Posicionamento e Soldagem: Torre vazia, sem influência. Nossa tripulação sobe. Solde os canais verticais no lugar, depois solde de baixo para cima. Soldadores devem ser certificados, especificamente para trabalhos em grandes altitudes. Use eletrodos com baixo teor de hidrogênio, como E5015, cozido a seco previamente e guardado em fornos portáteis. As soldas devem estar completas, sem corte inferior, porosidade, ou inclusão de escória. O supervisor (meu) sobe e verifica cada um com um medidor de solda.

3. Fechamento de aro: A parte mais difícil foi a junta final de cada aro. Três pernas, três rostos; o aro é um anel completo. Como você instala? Tem que ser segmentado. Cortamos cada aro em três segmentos, soldar placas de conexão em cada extremidade. No local, primeiro soldamos esses três segmentos nas pernas e nos reforços. Então, apertamos as placas de conexão com parafusos de alta resistência. Finalmente, soldamos a lacuna entre as placas de conexão e os segmentos do aro fechados. Isso garantiu a força de fixação do bastidor enquanto resolvia o problema de instalação.

4. Re-penduração e aceitação: Reforço feito, retocar a pintura, deixe curar. Em seguida, pendure novamente as antenas exatamente como antes, além de quaisquer novos planejados. Finalmente, usar uma estação total para medir a verticalidade da torre e sua amplitude de oscilação com vento fraco. Insira os dados no modelo para comparação. Somente quando corresponde o trabalho é aceito.

Uma palavra final honesta: Este tipo de reforço não é uma cura mágica para tudo. Apenas resolve deficiências de força local. Se toda a fundação da torre estiver inclinada, nada do que você faz é importante. Mas neste caso, usando canais e aros, transformamos o topo de uma torre condenada em um “cara durão” capaz de lidar com cargas pesadas de 5G. O cliente economizou milhões na substituição da torre, e conquistamos nossa reputação. É assim que nós, engenheiros de campo, sobrevivemos – descobrindo coisas em meio aos escombros, usando aço e hastes de solda para dar uma segunda vida à rede de comunicação.