Разговор о башне: Руководство по выбору для полевого инженера, дизайн, и почему вещи падают

Смотреть, вы можете прочитать все глянцевые буклеты от производителей. Вы можете запускать любой пакет анализа методом конечных элементов, представленный на рынке, пока ваша рабочая станция не загорится.. Но в конце дня, воздвигнет башню и продержит ее двадцать, тридцать лет — сводится к поту, грязь, и здоровая доза паранойи. Теперь меня называют старшим инженером-строителем.. Необычное название. Но я все еще считаю себя парнем, который должен подписать “как построено” чертежи, а затем стоять внизу этой штуки, пока команда поднимает 200-фунтовую антенну при ветре в 30 узлов..

Так, вы хотите знать о выборе и проектировании вышек для базовых станций связи? Хороший. Поднимите ящик. Давайте поговорим.

Речь идет не только о выборе самой высокой мачты в каталоге.. Это брак между тем, что РФ (Радиочастота) планировщики хотеть и какая физика, местный совет по зонированию, и ваш бюджет будет позволять. Мы судьи в этом бою.

Первый вопрос: Самоподдержка, Вантовый, или Монополь?

Это первый, и самое главное, развилка на дороге. Это не просто эстетика; речь идет о следе, нагрузка, и стоимость. Я видел, как проекты сорвались из-за того, что кто-то выбрал красивый монополь, тогда как утилитарная башня с оттяжками была единственным, что могло выдержать ветровую нагрузку..

Вот разбивка, из моего блокнота:

башенный тип	Типичный диапазон высоты	Плюсы	Минусы	Мое интуитивное чувство / Поле Примечание
самоподдерживающийся (Решетка)	30м – 120M+	Высокая емкость, несколько арендаторов, относительно небольшая занимаемая площадь (3 или 4 ноги). Жесткий.	Более высокая стоимость материала, требуется больше земли, чем монополю, визуально внушительный.	Рабочая лошадка отрасли. Если у вас есть земля и бюджет, обычно это наиболее перспективный выбор. Мы называем их “кровати с балдахином.”
Мачта с оттяжками	60м – 600M+	Самый экономичный вариант для очень большой высоты., самый легкий вес.	Огромный След земли для якорей-оттяжек, склонен к вандализму (лазить, ребята, это желание смерти), менее жесткий (больше влияния).	У меня с ними отношения любви-ненависти. Это элегантные решения для вещания или широкого покрытия.. Но я также видел, как один упал во время ледяной бури из-за поломки растяжки.. Якорное поле — священная зона: не подпускайте землекопов..
Monopole	10м – 50м	Наименьшая занимаемая площадь (отлично подходит для города), эстетически предпочтительнее (“флагшток” стиль), быстрее установить.	Ограниченная мощность, более высокое отклонение (больше качается), трудно подняться внутри (если пустой), затраты на фундамент могут быть огромными.	Городской воин. Идеально подходит для того, чтобы спрятаться на виду. Но помните, что “флагшток” это гигантская консоль. Вся сила передается в одну точку земли.. Этот бетонный пирс должен быть абсолютно идеальным..

Показательный пример: Несколько лет назад, мы проводили модернизацию сайта за пределами Остина для крупного оператора связи. Площадка представляла собой 120-футовую монопольный, уже исчерпан. Клиент хотел добавить новую массивную панель 5G mmWave и кучу удаленных радиоголовок.. Анализ ветровой нагрузки вернулся красным. Монополь не справлялся с отклонением. Клиент пришел в негодование: ему понравилась небольшая занимаемая площадь. В итоге нам пришлось спроектировать массивную внешнюю клетку и винтовой опорный фундамент для придания жесткости основанию.. Это обошлось бы им в три раза дороже, если бы они с самого начала просто поставили тощего самообеспечивателя.. Они были сосредоточены на сегодняшней проблеме., не в следующем году.

Дьявол в деталях: Параметры конструкции (The “Почему”)

Так, вы выбрали тип башни. Теперь нам нужно убедиться, что он не складывается, как дешевый стул.. Здесь инженерия становится детальной. Мы не просто рисуем красивые картинки; мы определяем набор правил для ветра, лед, и сталь, чтобы следовать.

1. Нагрузки: Дело не только в весе башни
Мы живем по формуле: Общая нагрузка = Мертвая нагрузка + Живая нагрузка + Экологическая нагрузка.

• Мертвая нагрузка (D): Вес самой башни. Простой, но не тривиально.

• Живая нагрузка (L): То, что ты надел на него. Антенны, коаксиальные кабели, волноводы, ледяные щиты, лестницы, платформы. Я всегда добавляю сюда фактор выдумки. Я называю это “Будущий арендатор Фадж.” Планировщики РФ — оптимисты. Вам скажут, что ставят три антенны. Через пять лет, их будет восемь, плюс микроволновая тарелка, направленная на водонапорную башню. Проектирование для расширения, или ты позже вернешься со сварочным аппаратом.

• Экологическая нагрузка (W для ветра, Т для льда): Здесь мы зарабатываем деньги.

Ветровая нагрузка определяется по классической формуле:

$$F"="Q_{я}\ast г\ast {С}_{е}\ast {А}_{е}$$F"="Qя​∗г∗Се​∗А е​

Давайте разберем это, как будто мы на месте:

• $Q_{я}$

  Qя​ это скоростное давление. Это основано на вашей базовой скорости ветра. (из местных строительных норм и правил, как ASCE 7 в США), но изменено с учетом высоты над землей и категории воздействия. Эта башня в центре Далласа? (Экспозиция B со всеми зданиями.) или на равнинах Канзаса (Экспозиция С, не имея ничего, что могло бы замедлить ветер)? Огромная разница.

• $г$

  г - коэффициент воздействия порывов ветра. Жесткая самоподпорка справляется с порывом ветра иначе, чем гибкий монополь.. Мы рассчитываем это, чтобы учесть динамическое порывы ветра..

• ${С}_{е}$

  Се​ это коэффициент силы. По сути, фактор формы. Круглый монополь имеет нижнюю

  ${С}_{е}$

  Се​ чем решетчатая угловая железная башня. Лед полностью меняет форму — круглый элемент становится плоской пластиной, которую может подхватить ветер..

• ${А}_{е}$

  А е​ это проектируемая площадь. The “площадь парусов” всех этих антенн и самой башни.

Вот истина, которой вас не учат: Лед зачастую страшнее ветра. Радиальная ледяная нагрузка в 1/2 дюйма может утроить эффективную площадь элементов конструкции и кабелей.. Теперь ветер действует гораздо сильнее., тяжелее, предмет странной формы. Нам нужно проверить башню на предмет (a) вес льда (мертв + лед), а также (б) ветровая нагрузка на обледеневшую конструкцию. Эта комбинация часто определяет дизайн в северных штатах.. Однажды я выполнял работу в Миннесоте, где код требовал нагрузки льда толщиной в 1 дюйм. с попутный ветер. Это был зверь.

2. Фонд: Там, где резина встречается с дорогой (Буквально)
Меня не волнует, насколько идеальна твоя сталь; если земля движется, твоя башня - металлолом. Мы в значительной степени полагаемся на геотехнические отчеты. Вы не можете пропустить это.

Для стандартного 80-футового монополя, мы могли бы спроектировать простой просверленный пирс с опорной плитой и выравнивающими гайками..

$$M_{\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_3"\; data-source="1"\; data-orig="o">o</span>}vе\mathrm{ведущий}Tu\mathrm{ведущий}NяNг}"="F_{шяNd}\ast {\mathrm{ЧАС}}_{\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_4"\; data-source="1"\; data-orig="a">a</span>}\mathrm{ведущий}м}$$MovявляетсяTuведущийизг​"="Fшвd​∗ЧАСaведущийм​

Этому опрокидывающему моменту у основания должно противостоять пассивное давление грунта на опору и вес бетона и грунтовой пробки.. Формула необходимой глубины (d) является итеративным, но зачастую это сводится к равновесию моментов:

$$d\ge \sqrt[3]{\frac{2.34\ast M_{\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_7"\; data-source="1"\; data-orig="o">o</span>}}}{S\ast б}}$$d≥3S∗б2.34∗Mo​​​

где

$S$S допустимое давление на почву и

$б$б диаметр пирса.

Для большого самообеспечивающегося, мы говорим о массивных опорах или сваях. Каждая нога стоит на огромном бетонном блоке., связаны между собой балками. Однажды я видел набор чертежей, где при проектировании фундамента не учитывалось наличие высокого уровня грунтовых вод.. Шесть месяцев после установки, одна опора установилась на шесть дюймов. Башня заметно наклонилась. Нам пришлось подкрепить всю эту чертову штуку микросваями.. А $50,000 geotech report would have saved a $500,000 ремонт.

Выбор материала: Стальные истории

Мы используем сталь. Конкретно, мы живем в мире стандартов ASTM A36 и A572. 50. Но не вся сталь одинакова.

• Гальванизация – это Бог. Горячее цинкование по ASTM A123 — наша религия.. Это цинковое покрытие — единственное, что стоит между этой красивой башней и кучей красной пыли.. Я осматриваю цинкование как ястреб. Любые голые места, любой “серый” участки, куда цинк не взялся? Это точка отказа за пять лет. Я помню, как поставщик пытался сэкономить, используя “в прокате” сталь для крепления элементов на прибрежном участке во Флориде. Мы отклонили всю поставку. Соленый воздух разъедал бы его за десять лет..

• Высокопрочные болты. Мы используем болты ASTM A325 или A490.. И установка имеет решающее значение.. Их нельзя просто так трясти ударным пистолетом, пока они не заскрипят.. Есть спецификация натяжения. Для болтов А325, мы используем “поворот гайки” метод. Ты их прижимаешь, затем слегка поверните их, чтобы обеспечить правильное усилие зажима.. Неплотное соединение позволяет двигаться.. Движение создает износ. Износ приводит к поломке.

The “Как решить проблему” Образ мышления

Вы не можете предотвратить все неудачи. Но вы можете разработать плавную деградацию и выявить проблемы на ранней стадии..

• Резервирование: В решетчатой ​​башне, у вас есть несколько путей загрузки. Если одна диагональная распорка вышла из строя, другие участники часто могут временно перераспределить нагрузку. Мы проектируем для этого. Монополь не имеет избыточности. Одна трещина, и игра окончена.

• Конструкция подключения: Сбои почти всегда случаются в соединениях. Сварной шов между ножкой и косынкой. Болтовая группа крепления крепления антенны к трубе. Мы создаем связи так, чтобы они были сильнее, чем те участники, к которым они присоединяются.. Это “сильная колонна-слабая балка” философия применительно к башням.

• Точка монтирования: Это моя любимая мозоль. Крепление на трубу для антенны. Я видел конструкции, в которых тяжелая антенна консольно крепится в двух метрах от опоры башни на тонкостенной трубе.. Динамическое воздействие во время бури безумно. Изгибающий момент в основании этого крепления равен:

$$M"="F_{\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_10"\; data-source="1"\; data-orig="a">a</span>}NTеNN\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_11"\; data-source="1"\; data-orig="a">a</span>}}\ast L_{\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_12"\; data-source="1"\; data-orig="a">a</span>}\mathrm{ведущий}м}$$M"="FВTенна​∗Laведущийм​

Нам нужно проверить это крепление на предмет местного коробления, а болты на срез и растяжение. одновременно. Это самая забытая часть дизайна.

Последние тенденции и взгляд в будущее

Мой планшет полон заметок с недавних конференций и проектов.. Вот что у меня сейчас на уме:

1. 5G — проблема с весом: Эти новые активные антенные блоки (ЕУК) тяжелые. Они объединяют антенну и радио в одну коробку.. И они большие. Мы видим площадки, где плановая загрузка оборудования за ночь выросла вдвое.. Нам приходится переоценивать тысячи существующих башен. Отрасль находится в затруднительном положении.

2. Скрытая архитектура: Города становятся жестче. Мы делаем больше “монопальмовый” деревья (отвратительный, по моему мнению) а также “церковный шпиль” прячет. Это интересная дизайнерская задача: как сохранить целостность конструкции, придав ей вид ствола дерева или кирпичного дымохода..

3. Цифровые двойники & ИИ-мониторинг: Мы начинаем устанавливать датчики на критически важные башни — тензодатчики., акселерометры, инклинометры. Это создает “цифровой двойник.” Мы сможем увидеть, как поведет себя башня в настоящий шторм, и сравнить ее с нашими моделями.. У нас был проект в Чикаго, где мы оснастили высокий, стройная башня. Реальное отклонение соответствовало нашей модели внутри 2%. Это был хороший день. Это говорит нам о том, что наши предположения верны..

4. Материаловедение: Я вижу все больше разговоров о высокопроизводительной стали и даже о полимере, армированном стекловолокном. (стеклопластик) для платформ и лестниц. Он не ржавеет. Это непроводящий. Но сможет ли он выдержать ультрафиолет и холод?? Время покажет.

Последнее слово о надежности (Надежность)

Вам нужна надежная башня? Оплатить осмотр. Не только дизайн, но строительная инспекция.

• Крутящий момент с болтом: Я видел, как экипажи затягивали болты вручную.. Мы проводим выборочные проверки крутящего момента.

• Вертикальность: После эрекции, залезаем на него и проверяем теодолитом. Это должно быть внутри 1:500 (для каждого 500 футов высоты, это может быть отключено 1 стопа). Если он наклоняется больше, чем это, что-то не так с фундаментом или первоначальной сборкой.

• Первое восхождение: Самый честный тест. Я поднимаюсь на каждую башню, которую проектирую, по крайней мере, в течение первых нескольких лет моей карьеры. Вы чувствуете вибрацию. Вы видите связи вблизи. Ты слышишь ветер в ребятах. Это перспектива, которую невозможно увидеть с экрана компьютера..

Так, вот и все. Дизайн башни – это не волшебство. Это осторожно, параноик, и основанное на опыте применение физики и материаловедения. Речь идет о том, чтобы спросить “что, если” пока у тебя не закончатся ответы. Потому что когда ты 200 ноги вверх, установка оборудования стоимостью в миллион долларов, последнее, что вам хочется задаться вопросом, это правильно ли сделал парень в офисе свои математические расчеты. Вы хотите знать он сделал. И это доверие, которое мы строим, одно соединение за раз.