Raspunsul turnurilor de telecomunicatii la actiunea vantului

Turnurile de telecomunicatii sunt structuri ce au rolul de a sustine echipamente de comunicatii mobile. Prin natura lor, acestea sunt structuri usoare, zvelte, ce pot atinge inaltimi uzuale de 30 pana la 100 m, fiind astfel sensibile la actiunea dinamica a vantului. In acest articol se prezinta un sistem de monitorizare a actiunii vantului si a raspunsului structural al unui turn de telecomunicatii zabrelit, avand inaltimea de 50 m, amplasat in localitatea Afumati, judetul Ilfov. Sistemul a fost instalat in septembrie 2023 si este format dintr-un anemometru ultrasonic si un accelerometru triaxial, ambele montate la 50 m deasupra terenului, pe unul dintre montantii turnului. Rata de achizitie a anemometrului este 10 Hz in timp ce rata de achizitie a accelerometrului este 125 Hz. Obiectivul studiului este identificarea raspunsului dinamic al turnului la actiunea vantului prin masuratori la scara reala. In acest articol se prezinta inregistrari ale vitezei vantului si ale raspunsului structural. Parametrii modali ai turnului identificati pe baza masuratorilor de acceleratii se compara cu rezultatele obtinute din analiza cu element finit.

INTRODUCERE

Turnurile de telecomunicatii sunt structuri usoare si zvelte, fiind, ca atare, sensibile la actiunea dinami­ca a vantului. Studiile experimentale la scara reala sunt necesare pentru identificarea comportarii struc­turii si a parametrilor modali ai acesteia. Observatiile la scara reala asupra turnurilor cu zabrele care au fost descrise in literatura de specialitate se concentreaza in general pe identificarea caracteristicilor dinamice ale acestora. HOLMES et. al. [1] au efectuat masu­ratori ale vitezei vantului si acceleratiei unui turn cu zabrele cu sectiune triunghiulara inalt de 104 m si au obtinut un comportament structural similar in ceea ce priveste raspunsul in directia vantului si cel perpendi­cular pe directia vantului. GLANVILLE si KWOK [2] au obtinut rezultate similare pentru un turn cu zabrele cu sectiune patrata de 67 m. HARIKRISHNA et. al [3] au efectuat masuratori structurale si de vant la scara reala pentru un turn patrat de 52 m pentru a identi­fica acceleratiile si deplasarile structurale induse de vant. Un studiu similar a fost realizat de LAHODNY si JANATA [4], pe un turn triunghiular de 163,5 m.

Acest articol are ca scop evaluarea comportarii unui turn cu zabrele ce sustine echipamente de telecomunicatii la actiunea vantului. Turnul a fost echipat cu un sistem de monitorizare a vantului si a raspunsului structural ce masoara in mod continuu viteza si di­rectia vantului, temperatura ambientala si acceleratia turnului. Pentru identificarea parametrilor structurali, a fost selectata o inregistrare stationara masurata in 23 decembrie 2023. Se prezinta in continuare descri­erea structurii si a amplasamentului, a sistemului de monitorizare precum si a metodei de identificare a parametrilor dinamici ai turnului.

DESCRIEREA STRUCTURII

Structura monitorizata este un turn de teleco­municatii triunghiular, inalt de 50 m amplasat in localitatea Afumati, Jud. Ilfov (fig. 1a). Este impartit in 10 tronsoane de inaltimi aproximativ egale. Cele 5 tronsoane inferioare sunt formate din sisteme de contravantuiri in „V inversat”, in timp ce cele 5 tronsoane superioare sunt alcatuite din sisteme de contravantuiri tip N. Toate elementele sunt realizate cu sectiuni din tevi rotunde. Pe inaltimea turnului sunt amplasate doua platforme de odihna la 15 m si 27,50 m, precum si doua platforme de lucru la 40 m si 47,50 m (fig. 1b). Turnul sustine diverse elemente auxiliare in greutate de aproximativ 4,5 tone. Masa totala a structurii cuprinzand elemente structurale si auxiliare este de 13,7 tone.

Caracteristicile dinamice ale turnului au fost ob­tinute prin analiza cu elemente finite, prin luarea in considerare a imbinarilor articulate intre toate ele­mentele. Platformele si antenele au fost modelate ca forte concentrate care actioneaza asupra montantilor, pozitionate la inaltimi corespunzatoare fiecarui tronson. Greutatea proprie a scarii a fost distribuita uniform de-a lungul inaltimii turnului.

Fig. 1: (a) Amplasament si (b) turnul monitorizat

Tabelul 1 prezinta frecventa si forma primelor sapte moduri de vibratie obtinute din modelul cu ele­mente finite. Datorita simetriei turnului, modurile de incovoiere sunt cuplate, avand modurile de vibratie paralele si perpendiculare pe o fata caracterizata prin frecvente naturale identice.

Tabelul 1: Frecvente si forme modale de vibratie ale turnului monitorizat

DESCRIEREA SISTEMULUI DE MONITORIZARE

Sistemul de monitorizare include un anemometru ultrasonic Thies Clima (fig. 2a) si un accelerometru triaxial tip MEMS (fig. 2b), ambele montate la 50 m deasupra terenului, pe unul dintre montantii turnului. Rata de achizitie a anemometrului este 10 Hz in timp ce rata de achizitie a accelerometrului este 125 Hz. Sistemul a fost instalat in septembrie 2023 si func­tioneazain mod continuu. Datele sunt achizitionate printr-un sistem de achizitie (fig. 2c) si transmise in timp real catre serverul localizat la Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti.

Fig. 2: (a) Anemometru ultrasonic, (b) accelerometru si (c) sistem de achizitie date

MASURATORI IN AMPLASAMENT LA SCARA REALA

Conform CR1-1-4/2012 [5], turnul monitorizat se afla in zona cu presiunea de referinta a vantului (mediata pe 10 minute, avand intervalul mediu de recu­renta de 50 de ani) de q_b=0,4 kN/m² si viteza vantului mediata pe 10 minute la 10 m inaltime de v_b=25,30 m/s; dupa cum se poate observa in fig. 3, categoria de teren este II in directia NV-SE si III in directia NE-SV.

Fig. 3: Vedere din satelit – pozitionare turn

Fig. 4 prezinta inregistrarile vitezei si directiei van­tului masurate intr-un interval de o ora, impreuna cu histogramele corespunzatoare masurate in ziua de 23 decembrie 2023. Viteza maxima masurata a fost 20,8 m/s in timp ce directia medie a fost aproximativ 202^°. Luand in considerare un interval de 10 minute centrat pe viteza maxima, intensitatea turbulentei obtinuta din masuratori a rezultat I_v = 0,1840, valoarea fiind aproape identica cu cea rezultata din codul de proiec­tare pentru categoria de teren III I_v =0,1839. Factorul de rafala, definit ca fiind raportul dintre valoarea de varf a vitezei si valoarea medie intr-un interval de 10 minute, a rezultat G₁₀=1,66, valoarea obtinuta prin aplicarea codului de proiectare fiind G₀₁₀=1,64.

Fig. 4: (a) viteza vantului; (b) histograma vitezei; (c) directia vantului si (d) histograma directiei masurate in ziua de 23 decembrie 2023

In intervalul ales, viteza vantului este stationara, ca atare poate fi utilizata pentru determinarea para­metrilor de raspuns structural ai turnului. Acceleratiile masurate in ziua de 23 decembrie 2023 corespunza­toare inregistrarilor din fig. 4a sunt prezentate in fig. 5. Directia x a accelerometrului este paralela cu fata turnului vizibila in fig. 1b, directia vantului (fig. 4c) fiind aproximativ paralela cu aceasta fata. Ca atare, valorile acceleratiilor masurate in directia x au fost mai mari decat cele corespunzatoare directiei y. Acceleratia maxima rezultata prin compunerea valorilor pe cele doua directii a fost 17 cm/s².

Fig. 5: Seria de timp a acceleratiilor masurate in ziua de 23 decembrie 2023

DETERMINAREA CARACTERISTICILOR DINAMICE DE RASPUNS

Caracteristicile dinamice ale raspunsului structu­ral au fost obtinute utilizand inregistrarea din fig. 5. Parametrii modali au fost identificati prin aplicarea Metodei Descompunerii Frecventelor [6]. In aceasta metoda, matricea Densitatii Spectrale de Putere (DSP) a raspunsului este descompusa prin Descompunerea Valorilor Singulare (DVS). Frecventele fundamentale ale structurii sunt estimate din valorile de varf ale graficelor valorilor singulare care reprezinta Densitatile Spectrale de Putere ale unor sisteme echivalente cu un singur grad de libertate dinamica. Pentru fiecare frecventa fundamentala identificata, un clopot spectral centrat pe varf este extras din graficul valorii singu­lare corespunzatoare, fiind apoi trecut din domeniul frecventelor in domeniul timpului prin transformata Fourier rapida inversa. Amortizarea este apoi estimata prin metoda decrementului logaritmic.

Fig. 6 arata graficele valorilor singulare obtinute pentru inregistrarea din 23 decembrie 2023. Dupa cum se poate observa, frecventa modului fundamental de vibratie 1,46 Hz este aproape identica cu cea obtinuta din modelarea cu element finit (tabelul 1).

Fig. 6: Graficele valorilor singulare (a) directia x si (b) directia y

CONCLUZII

Articolul se constituie intr-un studiu de caz cu privire la actiunea vantului asupra structurilor usoare, zvelte, de tip turn, aducand in discutie un sistem de monito­rizare a vantului si a raspunsului structural instalat pe un turn de telecomunicatii avand inaltimea de 50 m, amplasat in localitatea Afumati, jud. Ilfov. Sistemul include un anemometru ultrasonic si un accelerometru triaxial. O inregistrare stationara de 1 ora a fost utili­zata pentru a identifica atat caracteristicile vantului, cat si parametrii modali ai turnului. Atat intensitatea turbulentei, cat si factorii de rafala obtinuti din da­tele masurate s-au potrivit cu valorile recomandate de cod. Frecventa fundamentala a turnului estimata prin utilizarea Metodei Descompunerii Frecventelor a rezultat aproape identica cu cea obtinuta prin analiza cu elemente finite a turnului.

Multumiri

Aceasta lucrare a fost sustinuta de programul „Granturi nationale de cercetare – ARUT” acordate de catre Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, numarul de proiect ARUT − − 06/2023. Autorii doresc sa multumeasca companiei TECHNO VOLT (www.technovolt.ro) care a donat accelerometrul folosit in cadrul acestui proiect.

REFERINTE

[1] HOLMES J.D., SCHAFER B.L., BANKS R.W., Wind-induced vibration of a large broadcasting tower. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 43, 2101–2109, 1992;

[2] GLANVILLE M.J., KWOK K.C.S., Dynamic characteristics and wind induced response of a steel frame tower. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 54–55, 133–149, 1995;

[3] HARIKRISHNA P., SHANMUGASUNDARAM J., GOMATHINAYAGAM S., LAKSHMANAN N., Analytical and experimental studies on the gust response of a 52 m tall steel lattice tower under wind loading. Comput Struct 70, 149– 160, 1999;

[4] LAHODNY J., JANATA V., Full-Scale Measurements of Towers and Masts and Comparison with Theoretical Simplified Analysis. Journal of the International Association for Shell and Spatial Structures 55, 106– 115, 2014;

[5] Cod de proiectare. Evaluarea actiunii vantului asupra constructiilor, indicativ CR1-1-4/ 2012, Monitorul Oficial al Romaniei nr. 704bis/15.X.2012;

[6] BRINCKER R., LINGMI Z., PALLE A., Modal Identification from Ambient Responses Using Frequency Domain Decomposition. Proceedings of the International Modal Analysis Conference ‒ IMAC 1, 2000.

Autori:

drd. ing. Ioana C. TOMESCU,

s. l. dr. ing. Daniel BITCA,

conf. univ. dr. ing. Ileana CALOTESCU ‒ Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Facultatea de Constructii Civile, Industriale si Agricole

(Lucrare prezentata la a 18-a Conferinta Nationala de Constructii Metalice ‒ „Construieste cu STEEL” ‒ 15-16 aprilie 2024, Cluj-Napoca, Romania | www.con-steel.ro)

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 222 – martie 2025, pag. 62-65