Tháp nói chuyện: Hướng dẫn lựa chọn của kỹ sư hiện trường, Cực điện cực thép điện, và Tại sao đồ đạc lại rơi xuống

Nhìn, bạn có thể đọc tất cả các tài liệu quảng cáo hào nhoáng từ các nhà sản xuất. Bạn có thể chạy mọi gói phân tích phần tử hữu hạn trên thị trường cho đến khi máy trạm của bạn bốc cháy. Nhưng vào cuối ngày, xây dựng một tòa tháp—và duy trì nó trong hai mươi năm, ba mươi năm—đổ mồ hôi, bụi bẩn, và một liều hoang tưởng lành mạnh. Bây giờ họ gọi tôi là Kỹ sư kết cấu cấp cao. Tiêu đề ưa thích. Nhưng tôi vẫn nghĩ mình là người phải ký giấy “hoàn thiện” các bản vẽ và sau đó đứng ở dưới cùng của vật thể trong khi một đội kéo dây ăng-ten nặng 200 pound trong gió 30 hải lý.

Như vậy, bạn muốn biết về việc lựa chọn và thiết kế tháp cho các trạm cơ sở truyền thông? Tốt. Kéo một cái thùng lên. Hãy nói chuyện.

Đây không chỉ là việc chọn cột buồm cao nhất trong danh mục. Đó là sự kết hợp giữa những gì RF (Tần số vô tuyến) người lập kế hoạch muốn và vật lý gì, hội đồng phân vùng địa phương, và ngân sách của bạn sẽ cho phép. Chúng ta là trọng tài trong cuộc chiến đó.

Câu hỏi đầu tiên: Tự hỗ trợ, Guyed, hoặc đơn cực?

Đây là lần đầu tiên, và quan trọng nhất, ngã ba đường. Đó không chỉ là tính thẩm mỹ; đó là về dấu chân, tải, và chi phí. Tôi đã thấy các dự án bị trật bánh vì ai đó đã chọn một chiếc cột đơn khá đẹp trong khi một tòa tháp có thiết kế tiện dụng là thứ duy nhất có thể chịu được tải trọng gió.

Đây là sự cố, từ sổ tay của tôi:

Loại tháp	Phạm vi chiều cao điển hình	Ưu điểm	Nhược điểm	Cảm giác ruột thịt của tôi / Ghi chú trường
Tự cung cấp lấy (Lưới)	30m – 120m+	Công suất cao, nhiều người thuê nhà, dấu chân tương đối nhỏ (3 hoặc là 4 chân). Cứng.	Chi phí vật liệu cao hơn, đòi hỏi nhiều đất hơn một đơn cực, trực quan ấn tượng.	Công việc của ngành. Nếu bạn có đất và ngân sách, đây thường là sự lựa chọn phù hợp nhất với tương lai. Chúng tôi gọi họ “giường bốn cọc.”
cột buồm	60m – 600m+	Tiết kiệm nhất cho chiều cao rất cao, trọng lượng nhẹ nhất.	To lớn dấu chân đất cho anh chàng neo, có xu hướng phá hoại (những kẻ leo núi là một điều ước chết), bớt cứng hơn (lắc lư nhiều hơn).	Tôi có một mối quan hệ yêu-ghét với những điều này. Chúng là những giải pháp tinh tế để phát sóng hoặc phủ sóng trên diện rộng. Nhưng tôi cũng từng chứng kiến ​​một chiếc rơi xuống trong cơn bão băng vì dây điện bị đứt. Bãi neo là khu vực thiêng liêng—hãy tránh xa những kẻ đào bới.
monopole	10m – 50m	Dấu chân nhỏ nhất (tuyệt vời cho đô thị), ưa thích về mặt thẩm mỹ (“cột cờ” phong cách), cài đặt nhanh hơn.	Năng lực hạn chế, độ lệch cao hơn (lắc lư nhiều hơn), khó leo lên bên trong (nếu rỗng), chi phí nền tảng có thể rất lớn.	Chiến binh thành thị. Hoàn hảo để ẩn nấp trong tầm nhìn rõ ràng. Nhưng hãy nhớ, cái đó “cột cờ” là một công xôn khổng lồ. Toàn bộ lực được truyền về một điểm trên mặt đất. Cầu tàu bê tông đó phải hoàn hảo tuyệt đối.

Trường hợp điển hình: Một vài năm trước, chúng tôi đang nâng cấp địa điểm bên ngoài Austin cho một nhà cung cấp dịch vụ lớn. Địa điểm này rộng 120 ft đơn cực, đã đạt mức tối đa rồi. Khách hàng muốn thêm một tấm nền 5G mmWave mới khổng lồ và một loạt đầu phát sóng từ xa. Phân tích tải trọng gió trở lại màu đỏ. Monopole đã thất bại trong độ lệch. Khách hàng rất thích thú—họ yêu thích dấu chân nhỏ. Cuối cùng, chúng tôi phải thiết kế một cái lồng lớn bên ngoài và móng trụ xoắn ốc để làm cứng phần đế. Họ phải trả giá gấp ba lần số tiền họ có nếu ngay từ đầu họ chỉ đưa ra một người ủng hộ bản thân gầy gò. Họ đã tập trung vào vấn đề ngày nay, không phải năm sau.

Ác quỷ trong các chi tiết: Thông số thiết kế (Các “Tại sao”)

Như vậy, bạn đã chọn loại tháp của mình. Bây giờ chúng ta phải đảm bảo rằng nó không bị gập lại như một chiếc ghế rẻ tiền. Đây là nơi kỹ thuật được chi tiết hóa. Chúng tôi không chỉ vẽ những bức tranh đẹp; chúng tôi đang xác định một bộ quy tắc cho gió, băng, và thép đi theo.

1. tải: Đó không chỉ là trọng lượng của tòa tháp
Chúng ta sống theo công thức: Tổng tải = Tải chết + Tải trực tiếp + Tải trọng môi trường.

• Tải chết (D): Trọng lượng của bản thân tháp. Đơn giản, nhưng không tầm thường.

• Tải trực tiếp (L): Những thứ bạn đặt trên đó. Ăng ten, cáp đồng trục, ống dẫn sóng, lá chắn băng, thang, nền tảng. Tôi luôn thêm yếu tố giả tạo vào đây. Tôi gọi nó “Người thuê nhà tương lai Fudge.” Những người lập kế hoạch RF là những người lạc quan. Họ sẽ nói với bạn rằng họ đang dựng ba ăng-ten. Trong năm năm, họ sẽ có tám, cộng với một đĩa vi sóng chĩa vào tháp nước. Thiết kế mở rộng, hoặc sau này bạn sẽ quay lại với giàn hàn.

• Tải trọng môi trường (W cho Gió, T cho băng): Đây là nơi chúng tôi kiếm được tiền.

Tải trọng gió được điều chỉnh theo công thức cổ điển:

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

Hãy chia nhỏ điều đó giống như chúng ta đang ở hiện trường:

• $q_z$

  qz​ là áp suất vận tốc. Nó dựa trên tốc độ gió cơ bản của bạn (từ mã xây dựng địa phương, như ASCE 7 ở Mỹ), nhưng được sửa đổi theo độ cao so với mặt đất và loại phơi nhiễm. Tòa tháp này có ở trung tâm thành phố Dallas không? (Tiếp xúc B với tất cả các tòa nhà) hoặc ngoài đồng bằng Kansas (Tiếp xúc C, không có gì có thể làm chậm cơn gió)? Sự khác biệt lớn.

• $G$

  G là hệ số hiệu ứng gió giật. Một giá đỡ cứng rắn xử lý một cơn gió khác với một chiếc đơn cực linh hoạt. Chúng tôi tính toán điều này để tính đến chuyển động của gió.

• $C_f$

  Cf​ là hệ số lực. Về cơ bản, yếu tố hình dạng. Một đơn cực tròn có điểm thấp hơn

  $C_f$

  Cf​ hơn một tháp sắt góc có mắt lưới. Băng thay đổi hình dạng hoàn toàn – viên tròn trở thành tấm phẳng để gió cuốn lấy.

• ${\mathrm{Một}}_e$

  Mộte​ là diện tích hình chiếu. Các “khu vực cánh buồm” của tất cả những ăng-ten đó và chính tòa tháp.

Đây là sự thật họ không dạy bạn: Băng thường đáng sợ hơn gió. Tải trọng xuyên tâm 1/2 inch có thể tăng gấp ba lần diện tích hiệu quả của các bộ phận kết cấu và cáp của bạn. Bây giờ gió đang tác động mạnh hơn nhiều, nặng hơn, vật thể có hình dạng kỳ lạ. Chúng ta phải kiểm tra tòa tháp xem (một) trọng lượng của băng (Đã chết + Nước đá), và (b) tải trọng gió tác dụng lên kết cấu bị đóng băng. Sự kết hợp này thường chi phối thiết kế ở các bang phía bắc. Tôi đã từng làm một công việc ở Minnesota, nơi mã yêu cầu tải đá 1 inch với gió đồng thời. Đó là một con thú.

2. Quỹ: Nơi cao su gặp đường (Theo đúng nghĩa đen)
Tôi không quan tâm thép của bạn hoàn hảo đến mức nào; nếu mặt đất chuyển động, tòa tháp của bạn là phế liệu. Chúng tôi phụ thuộc rất nhiều vào các báo cáo địa kỹ thuật. Bạn không thể bỏ qua điều này.

Đối với một cực đơn tiêu chuẩn 80 ft, chúng ta có thể thiết kế một trụ khoan đơn giản với một tấm đế và đai ốc cân bằng.

$$M_{\mathrm{các}\mathrm{Cực\; điện\; cực\; thép\; điện}erturn\mathrm{tôi}ng}=F_{w\mathrm{tôi}nd}\ast H_{\mathrm{một}rm}$$McácCực điện cực thép điệnlàturcủag​=Fwtrongd​∗Hmộtrm​

Mô men lật ở chân đế phải được chống lại bởi áp lực thụ động của đất lên trụ và trọng lượng của bê tông và nút đất.. Công thức tính độ sâu yêu cầu (d) lặp đi lặp lại, nhưng nó thường tập trung vào sự cân bằng của những khoảnh khắc:

$$d\ge \sqrt[3]{\frac{2.34\ast M_{\mathrm{các}}}{S\ast b}}$$d≥3S∗b2.34∗Mcác​​​

Ở đâu

$S$S là áp lực đất cho phép và

$b$b là đường kính trụ.

Đối với một người ủng hộ bản thân lớn, chúng ta đang nói về móng dàn rộng hoặc mũ cọc. Mỗi chân nằm trên một khối bê tông khổng lồ, buộc lại với nhau bằng dầm cấp. Tôi đã từng nhìn thấy một bộ bản vẽ trong đó thiết kế nền móng đã bỏ qua sự tồn tại của mực nước ngầm cao. Sáu tháng sau khi cài đặt, một chân đã ổn định sáu inch. Tòa tháp đã nghiêng rõ rệt. Chúng tôi đã phải củng cố toàn bộ thứ chết tiệt đó bằng những chiếc cọc siêu nhỏ. Một $50,000 geotech report would have saved a $500,000 sửa.

Lựa chọn vật liệu: Câu chuyện thép

Chúng tôi sử dụng thép. Đặc biệt, chúng ta đang sống trong thế giới của Lớp ASTM A36 và A572 50. Nhưng không phải tất cả thép đều được tạo ra như nhau.

• Mạ kẽm là Thiên Chúa. Mạ kẽm nhúng nóng theo tiêu chuẩn ASTM A123 là tôn giáo của chúng tôi. Lớp mạ kẽm đó là thứ duy nhất đứng giữa tòa tháp xinh đẹp đó và một đống bụi đỏ. Tôi kiểm tra mạ kẽm như chim ưng. Bất kỳ chỗ trống nào, bất kì “xám” những miếng vá nơi kẽm không lấy được? Đó là một điểm thất bại trong năm năm. Tôi nhớ một nhà cung cấp đang cố gắng tiết kiệm tiền bằng cách sử dụng “cuộn lại” thép để giằng các bộ phận trên một địa điểm ven biển ở Florida. Chúng tôi đã từ chối toàn bộ lô hàng. Không khí muối sẽ ăn mòn nó trong một thập kỷ nữa.

• Bu lông cường độ cao. Chúng tôi sử dụng bu lông ASTM A325 hoặc A490. Và việc cài đặt là rất quan trọng. Bạn không thể tấn công chúng bằng súng tác động cho đến khi chúng kêu lên. Có một đặc điểm kỹ thuật căng thẳng. Đối với bu lông A325, chúng tôi sử dụng “sự thay đổi đột ngột” phương pháp. Bạn ôm chúng lại, sau đó xoay chúng một phần cụ thể để tạo ra lực kẹp chính xác. Một kết nối lỏng lẻo cho phép di chuyển. Chuyển động tạo ra sự mài mòn. Mặc tạo ra thất bại.

Các “Làm thế nào để giải quyết thất bại” Tư duy

Bạn không thể ngăn chặn mọi thất bại. Nhưng bạn có thể thiết kế để giảm thiểu sự xuống cấp một cách nhẹ nhàng và sớm phát hiện được vấn đề.

• Dư: Trong một tháp lưới, bạn có nhiều đường dẫn tải. Nếu một dấu ngoặc chéo không thành công, các thành viên khác thường có thể phân phối lại tải tạm thời. Chúng tôi thiết kế cho việc này. Một đơn cực không có sự dư thừa. Một vết nứt, và trò chơi kết thúc.

• Thiết kế kết nối: Lỗi hầu như luôn xảy ra ở các kết nối. Mối hàn giữa chân và tấm lót. Nhóm bu lông gắn khung ăng-ten vào ống. Chúng tôi thiết kế các kết nối để mạnh mẽ hơn các thành viên mà họ tham gia. Đây là “cột mạnh-dầm yếu” triết lý áp dụng cho tháp.

• Điểm núi: Đây là thú cưng của tôi. Giá đỡ ống cho ăng-ten. Tôi đã từng thấy những thiết kế trong đó một ăng-ten nặng được đặt cách chân tháp hai mét trên một đường ống có thành mỏng. Đòn bẩy năng động trong cơn bão gió thật điên rồ. Mômen uốn ở chân giá đỡ đó là:

$$M=F_{\mathrm{một}ntenn\mathrm{một}}\ast L_{\mathrm{một}rm}$$M=FMộttenn​∗Lmộtrm​

Chúng ta cần kiểm tra giá đỡ đó xem có bị oằn cục bộ không và các bu lông có bị cắt và căng không đồng thời. Đó là phần bị lãng quên nhất trong thiết kế.

Xu hướng mới nhất và cái nhìn thoáng qua về tương lai

Máy tính bảng của tôi chứa đầy các ghi chú từ các hội nghị và dự án gần đây. Đây là những gì tôi đang nghĩ trong lúc này:

1. 5G là vấn đề về cân nặng: Những đơn vị ăng-ten hoạt động mới đó (AAU) nặng. Họ kết hợp ăng-ten và radio vào một hộp. Và chúng lớn. Chúng tôi thấy các địa điểm có tải thiết bị theo kế hoạch đã tăng gấp đôi chỉ sau một đêm. Chúng tôi phải đánh giá lại hàng nghìn tòa tháp hiện có. Ngành công nghiệp đang hỗn loạn.

2. Kiến trúc ẩn: Các thành phố ngày càng khó khăn hơn. Chúng tôi đang làm nhiều hơn nữa “một lòng bàn tay” cây cối (ghê tởm, Theo tôi) và “gác chuông nhà thờ” giấu. Đây là một thách thức thiết kế thú vị—làm thế nào để duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc trong khi khiến nó trông giống như một thân cây hoặc một ống khói bằng gạch.

3. Cặp song sinh kỹ thuật số & Giám sát AI: Chúng tôi đang bắt đầu đặt cảm biến trên các tháp quan trọng—máy đo biến dạng, gia tốc kế, máy đo độ nghiêng. Điều này tạo ra một “song sinh kỹ thuật số.” Chúng ta có thể thấy tòa tháp hoạt động như thế nào trong một cơn bão thực sự và so sánh nó với các mô hình của chúng ta. Chúng tôi có một dự án ở Chicago nơi chúng tôi lắp đặt một thiết bị cao, tháp mảnh mai. Độ lệch trong thế giới thực phù hợp với mô hình của chúng tôi trong 2%. Đó là một ngày tốt lành. Nó cho chúng ta biết giả định của chúng ta là đúng.

4. Khoa học vật liệu: Tôi thấy người ta nói nhiều hơn về thép hiệu suất cao và thậm chí cả polyme gia cố bằng sợi thủy tinh (GFRP) cho nền tảng và thang. Nó không rỉ sét. Nó không dẫn điện. Nhưng nó có thể chịu được tia cực tím và cái lạnh không? Thời gian sẽ trả lời.

Lời cuối cùng về độ tin cậy (Độ tin cậy)

Bạn muốn một tòa tháp đáng tin cậy? Trả tiền cho việc kiểm tra. Không chỉ là thiết kế, nhưng việc thanh tra xây dựng.

• Mô -men xoắn bu lông: Tôi đã chứng kiến ​​các đội siết chặt bu lông. Chúng tôi thực hiện kiểm tra mô-men xoắn ngẫu nhiên.

• độ dày của ống nước: Sau khi lắp dựng, chúng tôi trèo lên nó và kiểm tra nó bằng máy kinh vĩ. Nó phải ở trong 1:500 (cho mọi 500 chiều cao feet, nó có thể được tắt bởi 1 chân). Nếu nó nghiêng nhiều hơn thế, có vấn đề gì đó với nền móng hoặc quá trình lắp ráp ban đầu.

• Chuyến leo núi đầu tiên: Bài kiểm tra trung thực nhất. Tôi leo lên mọi tòa tháp tôi thiết kế, ít nhất là trong vài năm đầu tiên trong sự nghiệp của tôi. Bạn cảm thấy sự rung động. Bạn thấy các kết nối ở gần. Bạn nghe thấy tiếng gió trong các chàng trai. Đó là góc nhìn bạn không thể có được từ màn hình máy tính.

Như vậy, đó là sự dài và ngắn của nó. Thiết kế tháp không phải là phép thuật. Đó là sự cẩn thận, hoang tưởng, và ứng dụng vật lý và khoa học vật liệu dựa trên kinh nghiệm. Đó là về việc hỏi “chuyện gì sẽ xảy ra nếu” cho đến khi bạn hết câu trả lời. Bởi vì khi bạn 200 giơ chân lên, bắt vít vào một thiết bị trị giá hàng triệu đô la, điều cuối cùng bạn muốn thắc mắc là liệu anh chàng ở văn phòng có làm toán đúng không. Bạn muốn biết anh ấy đã làm. Và đó là niềm tin chúng tôi xây dựng, một kết nối tại một thời điểm.