Wykorzystanie analizy CFD do wyznaczenia obciążeń na istniejącą wieżę telekomunikacyjną i skrócenie procesu inwestycyjnego o 6 miesięcy

Wprowadzenie

Projektowanie konstrukcji wysokościowych w branży telekomunikacyjnej od lat opiera się na konserwatywnych procedurach empiryczno-analitycznych zawartych w normach wiatrowych. Choć normy PN-EN 1991-1-4 (Eurokod 1) oraz PN-EN 1993-3-1 (Eurokod 3) gwarantują bezpieczeństwo przy projektowaniu wież telekomunikacyjnych, to bywa, że ich nadmierny pesymizm czasem staje się barierą inwestycyjną. Tradycyjna metoda obliczeń wiatrowych sumuje siły działające na pojedyncze elementy, całkowicie ignorując kluczowe zjawiska aerodynamiczne, takie jak wzajemne przesłanianie się anten (czyli wpływ cienia aerodynamicznego) lub orientacji względem kierunku natarcia wiatru. W rezultacie inwestorzy często stają przed koniecznością kosztownego i czasochłonnego wzmacniania konstrukcji stalowych, które w rzeczywistości posiadają istotne rezerwy nośności. Odpowiedzią na tego typu sytuacje jest inżynieria wiatrowa oparta na numerycznej mechanice płynów – CFD (Computational Fluid Dynamics).

Zadanie: Wieża telekomunikacyjna z przekroczoną nośnością połączeń w skratowaniach

Jako biuro projektowe stanęliśmy przed zadaniem oceny możliwości montażu projektowanej infrastruktury telekomunikacyjnej stacji bazowej dla jednego z operatorów telefonii komórkowej na istniejącej wieży stalowej typu Protel TPM I o wysokości całkowitej h=50 m zlokalizowanej w Sosnowcu.

Konstrukcja ta to przestrzenny ostrosłup ścięty o przekroju trójkąta równobocznego ze stałą zbieżnością (wymiary osiowe podstawy to 4,40 m, a wierzchołka 1,40 m). Trzon wieży składa się z 5 segmentów montażowych o wysokości 10,0 m każdy. Wieża została wykonana z kątowników równoramiennych (krawężniki) oraz ceowników zimnogiętych (skratowania).

Planowana inwestycja zakładała montaż dodatkowych anten na poziomej jednej z istniejących galerii obsługowych na ich wierzchołku.

Wykonana przez nas opinia techniczna zawierająca obliczenia statyczno-wytrzymałościowe była niekorzystna dla naszego Klienta. Obliczenia wykazały przekroczenie dopuszczalnej nośności w połączeniach skratowań w dolnej części wieży (w segmentach 0-20 m n.p.t.). Wykorzystanie nośności krytycznych połączeń skratowanie-krawężnik wyniosło 112% i103% dla najniższych segmentów montażowych wieży.

Wnioski płynące z obliczeń wykonanych metodą tradycyjną oznaczały konieczność fizycznego wzmocnienia konstrukcji wieży przed montażem dodatkowej stacji bazowej. Dla operatora taki scenariusz oznaczał znaczące zwiększenie kosztów projektu oraz - co gorsza - wydłużenie procesu inwestycyjnego o kilka miesięcy na skutek konieczności pozyskania wymaganych pozwoleń administracyjnych.

Rozwiązanie: Cyfrowy tunel aerodynamiczny CFD w celu wyznaczenia obciążeń dla planowanej konfiguracji antenowej

Klasyczne obliczenia wyznaczają siłę parcia wiatru na elementy według uproszczonego wzoru ΣF = q x A x c_f, traktując każdy element wyposażenia (anteny sektorowe, radiolinie, urządzenia RRU) jako niezależne obiekty o indywidualnych współczynnikach oporu aerodynamicznego c_f. Jest to metoda szybka i bezpieczna, ale zawsze przeszacowuje obciążenia na konstrukcje.

Dzięki CFD mogliśmy uwzględnić zjawiska fizyczne całkowicie pomijane przez obliczenia metodą klasyczną:

1. Zjawisko przesłaniania (cień aerodynamiczny): Anteny zamontowane po stronie zawietrznej znajdują się w śladzie aerodynamicznym (obszarze drastycznie zredukowanej prędkości powietrza generowanym przez anteny nawietrzne). Powoduje to, że siły parcia wiatru na te elementy są o wiele niższe.
2. Rzeczywista orientacja względem wiatru: Klasyczne metody obliczeń zakładają pełną, frontalną ekspozycję wszystkich elementów względem kierunku wiatru. Analiza CFD bierze pod uwagę czy antena zorientowana jest przodem, bokiem lub pod ukosem względem wiatru, dzięki czemu uzyskujemy mniejsze wartości sił parcia wiatru.
3. Interakcja konstrukcja-wyposażenie: Obliczenia klasyczne traktują konstrukcję wieży i elementy wyposażenia wieży jako odrębne, niezależne elementy. W rzeczywistości między tymi elementami występuje interakcja. Metoda obliczeń z wykorzystaniem CFD analizuje układ wieża-wyposażenie jako całość, a więc w tym zakresie także uwzględniona jest orientacja oraz przesłanianie się wszystkich elementów.

Pierwszym krokiem analizy CFD jest wykonanie dokładnego modelu 3D przedmiotowej wieży zawierającego geometrię konstrukcji oraz pełne wyposażenie telekomunikacyjne rozmieszczone zgodnie z planowaną konfiguracją dostarczoną przez naszego Klienta. Następnie, dla tak przygotowanego modelu stworzono dedykowaną siatkę obliczeniową i uruchomiono analizę.

Wyniki: O ile klasyczna metoda obliczania przeszacowała obciążenia?

Porównanie symulacji CFD z tradycyjnymi obliczeniami normowymi przyniosło znacząco różne rezultaty. W wyniku przeprowadzonych analiz CFD uzyskano siły działające na wieżę nawet o  ok. 30% mniejsze niż te obliczone klasycznie.

Różnice dla wybranych segmentów wieży prezentują się następująco:

• Segment S-1 (szczytowy, obciążony antenami): Siła spadła z normowych 11,44 kN do 8,20 kN (redukcja o 28,3%). Wpływ przesłaniania jest wyraźnie widoczny w szerokim śladzie aerodynamicznym, jaki generują pierwsze anteny sektorowe od strony nawietrznej.
• Segment S-2 (poziom planowanego montażu anten): Siła spadła z normowych 9,94 kN do 5,65 kN (redukcja aż o 43%). Tutaj wpływ przesłaniania został dodatkowo zwiększony przez korzystną orientację anten po stronie zawietrznej.

Gdy wyznaczone za pomocą CFD obciążenia parciem wiatru przyłożyliśmy do modelu obliczeniowego wieży, uzyskane poprzednio przekroczenia nośności zniknęły:

• Stopień wykorzystania nośności krytycznego połączenia skratowanie-krawężnik w dolnej sekcji segmentu  SM5)spadł z niedopuszczalnych 112% do bezpiecznych 81%.
• W sąsiednim segmencie  SM4 wytężenie połączeń spadło z 103% do 76%.

Efekt: natychmiastowe udrożnienie inwestycji

Dzięki inżynieryjnej wnikliwości, innowacyjnemu podejściu i zastosowaniu zaawansowanej mechaniki płynów CFD udowodniliśmy, że wieża w Sosnowcu posiada wystarczające rezerwy nośności i jest w pełni bezpieczna. Fizyczne wzmacnianie konstrukcji dolnych segmentów okazało się niepotrzebne.

Dla naszego Klienta ta decyzja projektowa przyniosła bezpośrednie, namacalne korzyści biznesowe:

• Skrócenie procesu inwestycyjnego o 6 miesięcy – wyeliminowano potrzebę projektowania skratowań wzmacniających, czasochłonnego procesu administracyjnego o pozwolenie na budowę oraz robót budowlano-montażowych w dostępie alpinistycznym.
• Zmniejszenie kosztu procesu inwestycyjnego o kilkadziesiąt tysięcy złotych – środki, które inwestor musiałby wydać na przeprowadzenie procesu inwestycyjnego oraz prace budowlane pozostały w organizacji.

Podsumowanie

Przypadek wieży PROTEL o wysokości 50 m w Sosnowcu to podręcznikowy dowód na to, jak tradycyjne, oparte wyłącznie na uproszczonych założeniach normowych podejście projektowe potrafi niepotrzebnie dławić procesy inwestycyjne i generować zbędne koszty.

W CarbonPro wierzymy, że rola współczesnego inżyniera budownictwa polega na szukanie dróg, dzięki którym Inwestor realizuje proces inwestycyjny szybciej i taniej przy zachowaniu należytego poziomu bezpieczeństwa użytkowania. Łącząc kilkanaście lat doświadczenia w budownictwie wysokościowym z zaawansowanymi technologiami modelowania numerycznego CFD i obliczeń MES, optymalizujemy konstrukcje, wydłużamy żywotność istniejących masztów i wież oraz umożliwiamy realizację projektów, które inni uznają za niewykonalne. Udowadniamy, że bezpieczeństwo konstrukcyjne i optymalizacja mogą iść w parze – kluczem jest wykorzystanie nowoczesnych narzędzi, które są już od dekad stosowane w innych gałęziach gospodarki