Conversa na Torre: Guia de seleção de um engenheiro de campo, desenhar, e por que as coisas caem

Olhar, você pode ler todos os folhetos brilhantes dos fabricantes. Você pode executar todos os pacotes de análise de elementos finitos do mercado até que sua estação de trabalho pegue fogo. Mas no final do dia, construir uma torre - e mantê-la por vinte, trinta anos - se resume a suar, sujeira, e uma dose saudável de paranóia. Eles me chamam de Engenheiro Estrutural Sênior agora. Título chique. Mas ainda me considero o cara que tem que assinar o “conforme construído” desenhos e depois ficar na parte inferior da coisa enquanto uma equipe levanta uma antena de 200 libras com um vento de 30 nós.

Então, você deseja saber sobre seleção e projeto de torres para estações base de comunicação? Bom. Puxe uma caixa. Vamos conversar.

Não se trata apenas de escolher o mastro mais alto do catálogo. É um casamento entre o que a RF (Radiofrequência) planejadores querer e que física, o conselho de zoneamento local, e seu orçamento será permitir. Nós somos os árbitros nessa luta.

A primeira pergunta: Autossuporte, guyed, ou Monopólo?

Este é o primeiro, e o mais importante, bifurcação na estrada. Não é só estética; é uma questão de pegada, carregar, e custo. Já vi projetos descarrilados porque alguém escolheu um lindo monopolo quando uma torre estaiada utilitária era a única coisa que poderia suportar a carga do vento.

Aqui está o detalhamento, do meu caderno:

Tipo torre	Faixa de altura típica	Prós	Contras	Meu pressentimento / Nota de campo
Auto-sustentável (Malha)	30m – 120M+	Alta capacidade, vários inquilinos, pegada relativamente pequena (3 ou 4 pernas). Duro.	Maior custo de material, requer mais terra do que um monopolo, visualmente imponente.	O carro-chefe da indústria. Se você tem o terreno e o orçamento, esta é geralmente a escolha mais preparada para o futuro. Nós os chamamos “camas de dossel.”
Mastro Estaiado	60m – 600M+	Mais econômico para alturas muito altas, peso mais leve.	Enorme pegada de terra para âncoras de cara, propenso ao vandalismo (escalar caras é um desejo de morte), menos rígido (mais influência).	Eu tenho uma relação de amor e ódio com esses. São soluções elegantes para transmissão ou cobertura de área ampla. Mas também vi um cair em uma tempestade de gelo porque um cabo de sustentação falhou. O campo da âncora é uma zona sagrada – mantenha os escavadores afastados.
Monopole	10m – 50m	Menor pegada (ótimo para urbano), esteticamente preferido (“mastro” estilo), mais rápido de instalar.	Capacidade limitada, maior deflexão (balança mais), difícil de escalar internamente (se oco), os custos de fundação podem ser enormes.	O guerreiro urbano. Perfeito para se esconder à vista de todos. Mas lembre-se, que “mastro” é um cantilever gigante. Toda a força é transferida para um ponto no solo. Esse cais de concreto tem que ser absolutamente perfeito.

Caso em questão: Alguns anos atrás, estávamos fazendo uma atualização de site fora de Austin para uma grande operadora. O local tinha 120 pés monopole, já estou no máximo. O cliente queria adicionar um novo painel 5G mmWave enorme e um monte de cabeças de rádio remotas. A análise da carga do vento voltou vermelha. Monopole estava falhando na deflexão. O cliente teve um ataque - eles adoraram o tamanho pequeno. Acabamos tendo que projetar uma enorme gaiola externa e uma fundação de pilar helicoidal para fortalecer a base. Custou-lhes três vezes o que custaria se eles simplesmente criassem um autossuficiente magro desde o início. Eles estavam focados no problema de hoje, não no próximo ano.

O diabo nos detalhes: Parâmetros de projeto (o “Por que”)

Então, você escolheu o tipo de torre. Agora temos que garantir que não dobre como uma cadeira barata. É aqui que a engenharia se torna granular. Não estamos apenas desenhando imagens bonitas; estamos definindo um conjunto de regras para o vento, o gelo, e o aço a seguir.

1. As cargas: Não é apenas o peso da torre
Vivemos pela fórmula: Carga Total = Carga Morta + Carga viva + Carga Ambiental.

• Carga morta (D): O peso da própria torre. Simples, mas não trivial.

• Carga viva (eu): As coisas que você colocou nele. antenas, cabos coaxiais, guias de onda, escudos de gelo, escadas, plataformas. Eu sempre adiciono um fator de correção aqui. eu chamo isso “Futuro Inquilino Fudge.” Os planejadores de RF são otimistas. Eles dirão que estão instalando três antenas. Em cinco anos, eles terão oito, além de um prato de micro-ondas apontado para uma torre de água. Projeto para expansão, ou você voltará com um equipamento de soldagem mais tarde.

• Carga Ambiental (W para Vento, T para gelo): É aqui que ganhamos nosso dinheiro.

A carga do vento é governada pela fórmula clássica:

$$F=q_z\ast G\ast C_f\ast {\mathrm{UMA}}_e$$F=qz​∗G∗Cf​∗UMAe​

Vamos analisar isso como se estivéssemos no local:

• $q_z$

  qz​ é a pressão da velocidade. É baseado na velocidade básica do vento (dos códigos de construção locais, como ASCE 7 nos EUA), mas modificado para a altura acima do solo e a categoria de exposição. Esta torre fica no centro de Dallas (Exposição B com todos os edifícios) ou nas planícies do Kansas (Exposição C, sem nada para retardar o vento)? Enorme diferença.

• $G$

  G é o fator de efeito de rajada. Um autossustentador rígido lida com uma rajada de maneira diferente de um monopolo flexível. Calculamos isso para levar em conta o chicote dinâmico do vento.

• $C_f$

  Cf​ é o coeficiente de força. Basicamente, o fator de forma. Um monopolo redondo tem um menor

  $C_f$

  Cf​ do que uma torre treliçada de ferro angular. O gelo muda completamente a forma – um membro redondo torna-se uma placa plana para o vento agarrar.

• ${\mathrm{UMA}}_e$

  UMAe​ é a área projetada. o “área de vela” de todas aquelas antenas e da própria torre.

Aqui está uma verdade que eles não ensinam: O gelo costuma ser mais assustador que o vento. Uma carga de gelo radial de 1/2 polegada pode triplicar a área efetiva de seus membros estruturais e cabos. Agora o vento está agindo de uma forma muito maior, mais pesado, objeto de formato estranho. Temos que verificar a torre para (uma) o peso do gelo (Morto + Gelo), e (b) a carga do vento na estrutura congelada. Esta combinação muitas vezes rege o design nos estados do norte. Certa vez, fiz um trabalho em Minnesota onde o código exigia uma carga de gelo de 1 polegada com vento simultâneo. Foi uma fera.

2. A Fundação: Onde a borracha encontra a estrada (Literalmente)
Eu não me importo com o quão perfeito é o seu aço; se o chão se mover, sua torre é sucata. Dependemos fortemente de relatórios geotécnicos. Você não pode pular isso.

Para um monopolo padrão de 80 pés, poderíamos projetar um píer perfurado simples com uma placa de base e porcas de nivelamento.

$$M_{overturn\mathrm{Para\; o}ng}=F_{c\mathrm{Para\; o}nd}\ast H_{\mathrm{uma}rm}$$Movéturdeg​=Fcdentrod​∗Humarm​

Esse momento de tombamento na base deve ser resistido pela pressão passiva do solo no pilar e pelo peso do concreto e do tampão de solo. A fórmula para a profundidade necessária (d) é iterativo, mas muitas vezes se resume a um equilíbrio de momentos:

$$d\ge \sqrt[3]{\frac{2.34\ast M_o}{S\ast b}}$$d≥3S∗b2.34∗Mo​​​

Onde

$S$S é a pressão permitida do solo e

$b$b é o diâmetro do cais.

Para um grande auto-apoiador, estamos falando de bases maciças ou blocos de estacas. Cada perna fica sobre um enorme bloco de concreto, amarrados com vigas de grau. Certa vez, vi um conjunto de desenhos em que o projeto da fundação ignorava a existência de um lençol freático alto. Seis meses após a instalação, um pé havia assentado quinze centímetros. A torre estava visivelmente inclinada. Tivemos que sustentar tudo com micro-estacas. UMA $50,000 geotech report would have saved a $500,000 reparar.

Seleção de Materiais: Histórias de aço

Usamos aço. Especificamente, vivemos no mundo dos graus ASTM A36 e A572 50. Mas nem todo aço é criado da mesma forma.

• Galvanizar é Deus. Galvanização por imersão a quente de acordo com ASTM A123 é a nossa religião. Esse revestimento de zinco é a única coisa que fica entre aquela bela torre e uma pilha de poeira vermelha. Eu inspeciono a galvanização como um falcão. Quaisquer pontos vazios, qualquer “cinza” manchas onde o zinco não foi absorvido? Esse é um ponto de falha em cinco anos. Lembro-me de um fornecedor tentando economizar dinheiro usando “conforme laminado” aço para reforço de membros em um local costeiro na Flórida. Rejeitamos todo o envio. O ar salgado o teria consumido em uma década.

• Parafusos de alta resistência. Usamos parafusos ASTM A325 ou A490. E a instalação é crítica. Você não pode simplesmente sacudi-los com uma arma de impacto até que eles chiem. Há uma especificação de tensão. Para parafusos A325, nós usamos o “porca” método. Você os aconchega, em seguida, dê-lhes uma volta parcial específica para induzir a força de fixação correta. Uma conexão solta permite movimento. Movimento cria desgaste. Desgaste cria falha.

o “Como resolver o fracasso” A mentalidade

Você não pode evitar todas as falhas. Mas você pode projetar uma degradação suave e detectar problemas antecipadamente.

• Redundância: Em uma torre treliçada, você tem vários caminhos de carregamento. Se uma chave diagonal falhar, os outros membros muitas vezes podem redistribuir a carga temporariamente. Nós projetamos para isso. Um monopolo não tem redundância. Uma rachadura, e o jogo acabou.

• Projeto de conexão: Falhas quase sempre acontecem nas conexões. A solda entre a perna e a placa de reforço. O grupo de parafusos que fixa o suporte da antena ao tubo. Projetamos conexões para serem mais fortes do que os membros aos quais se juntam. Este é o “coluna forte-feixe fraco” filosofia aplicada a torres.

• O ponto de montagem: Esta é a minha implicância. O suporte de tubo para a antena. Já vi projetos em que uma antena pesada é suspensa a dois metros da perna da torre em um tubo de parede fina. A alavancagem dinâmica em uma tempestade de vento é insana. O momento fletor na base desse suporte é:

$$M=F_{\mathrm{uma}ntenn\mathrm{uma}}\ast {\mathrm{eu}}_{\mathrm{uma}rm}$$M=Fanotenão​∗euumarm​

Precisamos verificar essa montagem quanto a flambagem local e os parafusos quanto a cisalhamento e tensão simultaneamente. É a parte mais esquecida do design.

Últimas tendências e um vislumbre do futuro

Meu tablet está cheio de anotações de conferências e projetos recentes. Aqui está o que está em minha mente agora:

1. 5G é um problema de peso: Essas novas unidades de antena ativa (UAAs) são pesados. Eles combinam a antena e o rádio em uma caixa. E eles são grandes. Estamos vendo locais onde a carga planejada de equipamentos dobrou durante a noite. Estamos tendo que reavaliar milhares de torres existentes. A indústria está lutando.

2. Arquitetura Oculta: As cidades estão ficando mais difíceis. Estamos fazendo mais “mono-palma” árvores (horrível, na minha opinião) e “campanário da igreja” esconde. É um desafio de projeto interessante: como manter a integridade estrutural e ao mesmo tempo fazer com que pareça um tronco de árvore ou uma chaminé de tijolos.

3. Gêmeos Digitais & Monitoramento de IA: Estamos começando a colocar sensores em torres críticas – extensômetros, acelerômetros, inclinômetros. Isto cria um “gêmeo digital.” Podemos ver como a torre se comporta em uma tempestade real e compará-la com nossos modelos. Tivemos um projeto em Chicago onde instrumentamos um alto, torre esbelta. A deflexão do mundo real correspondeu ao nosso modelo dentro 2%. Esse foi um bom dia. Isso nos diz que nossas suposições estão corretas.

4. Ciência dos Materiais: Estou vendo mais conversas sobre aço de alto desempenho e até mesmo polímero reforçado com fibra de vidro (PRFV) para plataformas e escadas. Não enferruja. Não é condutor. Mas será que aguenta o UV e o frio? O tempo dirá.

Uma palavra final sobre confiabilidade (Confiabilidade)

Você quer uma torre confiável? Pague pela inspeção. Não apenas o design, mas a inspeção de construção.

• Torque do parafuso: Já vi tripulações deixarem os parafusos apertados com os dedos. Fazemos verificações aleatórias de torque.

• Plumbidez: Após a ereção, nós escalamos e verificamos com um teodolito. Deveria estar dentro 1:500 (para cada 500 pés de altura, pode estar desligado por 1 pé). Se estiver inclinado mais do que isso, algo está errado com a fundação ou a montagem inicial.

• A primeira escalada: O teste mais honesto. Eu subo em todas as torres que desenho, pelo menos nos primeiros anos da minha carreira. Você sente a vibração. Você vê as conexões de perto. Você ouve o vento nos caras. É uma perspectiva que você não consegue obter na tela do computador.

Então, isso é tudo. O design da torre não é mágico. É um cuidado, paranóico, e aplicação baseada na experiência da física e da ciência dos materiais. Trata-se de perguntar “e se” até ficar sem respostas. Porque quando você está 200 pés para cima, aparafusando um equipamento de um milhão de dólares, a última coisa que você quer saber é se o cara do escritório fez as contas corretamente. Você quer saber ele fez. E essa é a confiança que construímos, uma conexão por vez.