Проблемы диагностики и подходы к расчету стальных конструкций антенно-мачтовых сооружений для мобильной связи

УДК 658.512:681.3

ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И ПОДХОДЫ К РАСЧЕТУ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

АНТЕННО-МАЧТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

И. И. Давыдов, к. т .н., доцент, В. П. Чабан, к. т. н., доцент

В последнее время во всех странах мира быстро развивается рынок мобильной связи. Повышение спроса, расширение рынка услуг, развитие технологий мобильной связи приводит к интенсивному развитию проектирования, строительства и обслуживания специальных конструкций - то есть антенно-мачтовых сооружений (АМС), на которых устанавливается оборудование для обеспечения покрытия.

Авторами статьи была проведена диагностика (и, при необходимости - и усиление) более 50-ти АМС: конструкции решетчатых башен, конструкции решетчатых мачт с оттяжками и комбинированные конструкции в виде стальных мачт и башен на железобетонных столбах. Опыт обследования показал, что практически в каждом сооружении (даже только что смонтированном), существуют дефекты и повреждения. Кроме того, следует обратить внимание на то, что эксплуатация таких сооружений происходит с большим количеством отказов. В частности, отмечены полные обрушения сооружений, разрушения деталей крепления оттяжек, трещины в сварных швах, потеря устойчивости отдельных элементов.

Кроме того, с 2007 г. в Украине изменены гололедные и ветровые нагрузки - согласно ДБН [2]. При этом эксплуатация часто сопровождается увеличением нагрузок, то есть добавками оборудования.

Необходимо отметить, что на сегодняшний день отсутствует единая методика расчета, проектирования и монтажа АМС [6, 10] (за исключением ведомственных инструкций, которые не относятся напрямую к строительным конструкциям).

Также следует учитывать, что при проведении проектирования результаты расчета, получаемые по различным методикам, могут существенно отличаться, из-за неоднозначности учета нелинейной работы вантовых элементов и задания усилий преднапряжения [9], из-за неоднозначности учета физически нелинейных свойств [3-5].

В развитие [6] в данной статье рассматриваются особенности расчетов при оценке технического состояния АМС. Обсуждаются практические проблемы, связанные с расчетами, диагностикой и усилением стальных конструкций АМС - применительно к различным расчетным ситуациям.

Объект исследования - 50 конструкций АМС для оборудования мобильной связи, установленные в 2000-2005 г.г. в Днепропетровской, Запорожской и Кировоградской областях Украины [6], см. рисунок 1.

Рис. 1. Характерные конструктивные схемы, обследованных авторами АМС [6]

Техническое состояние стальных конструкций АМС будем классифицировать согласно [1, 8]. Для наглядности все обнаруженные дефекты и повреждения, для 50-ти обследованных авторами АМС [6], приведем к четырем группам.

Группа 1 - дефекты оттяжек и элементов их крепления. Такие дефекты обусловлены нарушениями технологии монтажа, эксплуатации с учетом температурных режимов, отсутствием контроля натяжения и т. п.:

- повреждение резьбы "U-образного" болта крепления оттяжки к стволу мачты (сорваны витки резьбы - за натяжной гайкой);

- подрезы основного металла (на переходе с фланговых швов) стержней крепления муфт оттяжек к выпускам из анкерных опор;

- отсутствие ребер жесткости на "серьгах" (проушинах для крепления оттяжек к стволу мачты) -в нарушение требования п. 16.20 [12];

- отсутствие гибкой канатной вставки в узлах крепления натяжных устройств (муфт-фаркопфов) к анкерным устройствам - в нарушение требования п. 16.23 [12];

- отсутствие прокладок из мягкого металла в местах контакта канатов оттяжек с петлями натяжных устройств - в нарушение требования п. 16.3 [12];

- нарушения натяжения канатов оттяжек;

- нарушения сплошности (раскручивание) канатов оттяжек в узлах крепления оттяжек;

- несоответствие канатов оттяжек требованиям п. 2.8* [12].

Группа 2 - деформации конструкций АМС, как правило, являются сопутствующими дефектам оттяжек. Деформации обусловлены также низким качеством изготовления, транспортировки, монтажа, перегрузками при эксплуатации:

- общий выгибы башни, ствола мачты, отдельных секции со стрелой до 150мм;

- выгибы элементов решетки и диафрагм в плоскости и из плоскости - со стрелками 10^40 мм (на длине элемента);

- закручивание башни, ствола мачты относительно вертикальной оси;

- отклонение башни, ствола мачты от вертикали приводит к крену превышающему допустимый.

Дефекты оттяжек и деформации конструкций АМС приводят к нарушению эксплуатационной пригодности конструкций и требуют их срочного устранения.

Устранение таких дефектов связано с комплексными мероприятиями по усилению, при частичном или полном демонтаже оборудования и несущих конструкций, при регулировании натяжения оттяжек по специально разработанному проекту производства работ.

Группа 3 - дефекты отдельных элементов решетки и соединений секций. Дефекты обусловлены плохим качеством и нарушениями при монтаже, нарушениями проектных требований, перегрузками при эксплуатации:

- несоответствие конструктивного решения стальных несущих конструкций данным проекта;

- отсутствие отдельных элементов решетки, болтов и т. п.;

- ослабление (проворачивание) болтов во фланцевых соединениях секций между собой.

- в болтовых фланцевых соединениях не предусмотрены мероприятия против развинчивания гаек (установка контргаек или пружинных шайб), что нарушает требования п. 12.20* [12].

- неполномерность сварных швов крепления элементов решетки и диафрагм к поясам ствола мачты - с отклонениями 1+3 мм.

- поры (непровары) в сварных швах крепления элементов решетки и диафрагм к поясам ствола мачты - с размерами 1.5+3 мм.

- наплывы в сварных швах крепления элементов решетки к поясам;

- отдельные шлаковые включения и поры в верхних зонах сварных швов крепления элементов решетки к поясам (размер пор не превышает 1 мм).

- обрывы (срезы) сварных швов крепления элементов диафрагм к поясам ствола мачты.

- поперечные трещины в сварных швах крепления элементов решетки к поясам ствола мачты.

Группа 4 - дефекты антикоррозионного покрытия, коррозия элементов конструкций. Дефекты обусловлены плохим качеством и нарушениями при изготовлении, отсутствием текущих осмотров и ремонтов при эксплуатации:

- местная коррозия (коррозия пятнами) элементов металлоконструкций (в т. ч. элементы крепления оттяжек) - уменьшение первоначального сечения не превышает 5%-10%.

- местные вспучивания и отслоения краски на поясах, контурах для крепления оттяжек и диафрагмах - площадь поврежденных участков не превышает 10% от общей площади развернутых поверхностей элементов металлоконструкций;

- местные разрушение защитного слоя бетона и коррозия арматуры железобетонных конструкций фундаментов, столбов и т. п. уменьшение первоначального сечения не превышает 5%.

Дефекты отдельных элементов и местные антикоррозионного покрытия ограничивают нормальную эксплуатацию АМС, а при их массовом развитии могут привести к отказам АМС.

Проверочные расчеты в линейной постановке. Расчеты основных несущих конструкций АМС выполнялись на стадии обследования с целью установления остаточной несущей способности и пригодности к нормальной эксплуатации конструкций с учетом выявленных при обследовании дефектов, износа, требований действующих на момент обследования нормативных документов.

Расчеты проводились по методике [1—2, 12] с учетом рекомендаций [6, 9, 11] при помощи вычислительного комплекса [9]. При этом вантовые элементы моделировались линейно упругими или стержневыми элементами, которые воспринимают только растяжение и выключаются из работы при сжатии. Линиаризация модели выполнялась по рекомендациям [9].

На рисунке 2 на диаграмме показано как влияют дефекты и повреждения каждой из групп (см. выше) на результаты расчета по первой и второй группам предельных состояний для 50-ти обследованных авторами АМС [6]. Для удобства сопоставлений результатов расчетов примем влияния факторов 1-й группы на результаты прочностных расчетов за условное значение 100.

Рис. 2. Диаграммы влияния дефектов и Рис. 3. Диаграммы влияния дефектов и повреждений на результаты расчета по повреждений на результаты расчета по первой и второй группам предельных первой и второй группам предельных состояний по линейным моделям [9]__состояний по нелинейным моделям [9]

Проверочные расчеты в нелинейной постановке. Возможности вычислительного комплекса [9] позволяют в расчете учесть более корректную модель гибкой нити с малой стрелой провисания и с возможностью преднапряжения. На рисунке 3 на диаграмме показано как влияют дефекты и повреждения каждой из групп (см. выше) на результаты расчета по первой и второй группам предельных состояний в нелинейной постановке. Параметры моделей принимались по рекомендациям [9]. Заметим, что такой подход требует большей квалификации пользователя и несколько усложняет подготовку исходных данных.

Можно сделать вывод, что результаты расчетов по линейным и нелинейным моделям, при помощи вычислительного комплекса [9], сопоставимы - значения наибольших силовых факторов находятся в пределах одного порядка.

Но при анализе нагруженности конструкций с малыми запасами "по несущей способности" окончательные решения по продлению эксплуатационной пригодности или усилению АМС должны приниматься на основе анализа по нелинейным моделям. Поэтому авторы развивают комплексную методику расчета и диагностики, предложенной д. т. н. проф. Кулябко В. В., применительно к расчетам несущей способности антенно-мачтовых сооружений.

Проверочные расчеты в линейной и нелинейной постановке во временной области. Приведем описание алгоритмов, блоков по применению составленных авторами программ, которые позволяют учитывать нелинейной работы элементов оттяжек, физически нелинейных свойств различных подсистем строительных конструкций и оснований [3—5]. Программы предназначены для выполнения расчетов и исследований характеристик прочности и деформируемости строительных конструкций при действии статических и динамических нагрузок.

Разработанные программы позволяют проводить также исследования свободных и вынужденных колебаний строительных конструкций при обычных силовых и кинематических воздействиях, решать задачу устойчивости динамическим методом и анализировать суммарные статико-динамические усилия и перемещения. Описанные в [3—5] системы алгебраических и дифференциальных уравнений движения представлены в отдельных программах. Такие программы можно разделить на три группы. В первую группу входят программы, позволяющие сформировать из однотипных элементов (стержневых элементов, упруго-диссипативных шарниров, комплектов и т. п.) динамические модели плоских и пространственных разрезных и неразрезных стержневых и балочных и рамных конструкций, перекрестных стержневых и плитных объектов. Во вторую группу включены программы, позволяющие из тех же однотипных

элементов формировать упруго-диссипативные массивы неоднородных оснований, опор и т. п. В третью группу входят программы, позволяющие моделировать различные динамические нагрузки.

В основе программ заложен алгоритм формирования и обработки систем алгебраических уравнений метода прямых и дифференциальных уравнений движения 2-го порядка в форме Коши для всех типов рассматриваемых конструктивных элементов и подсистем оснований и динамических нагрузок (1).

f 2п-1 = У п;

тп тп тп тп

Рис. 4. Пример представления результатов расчета

Программы позволяют выполнять анимацию для задач динамики и устойчивости, анализировать параметры напряженно-деформированного состояния во временной и частотной области, см. рисунок 4.

Для сопоставления приведем результаты исследований полученные, по предлагаемой методике.

На рисунок 5 на диаграммах приведены результаты расчета АМС для сопоставления с результатами, полученными с помощью вычислительного комплекса [9]. Заметим, что расчеты АМС проводились только для первой группы. При этом сопоставлялись линейная и нелинейная модели.

Рис. 5. Диаграммы влияния дефектов и повреждений на результаты расчета по первой и второй группам предельных состояний для первой группы дефектов и повреждений

Выводы

По результатам диагностики состояния АМС можно сделать вывод о том, что основной проблемой для таких сооружений является наличие дефектов (по терминологии [1] - отклонение качества, формы или фактических размеров элементов и конструкций от требований нормативно-технической или проектной документации, которое возникает при проектировании, изготовлении, транспортировке и монтаже). Накопление дефектов и приводит к обрушениям и отказам конструкций.

Среди причин появления таких дефектов можно выделить две основные:

• применение типовых решений без привязки к конкретным условиям площадки строительства (недоучет гололедно-ветровых нагрузок), добавка оборудования без соответствующего согласования, отсутствие регулировки натяжений оттяжек с учетом температурных режимов эксплуатации;

• отсутствие приемочных обследований с привлечением специализированных организаций, отсутствие периодического контроля за состоянием сооружений.

В связи с вышесказанным для подобных сооружений необходимо развивать комплексы диагностических (расчетно-измерительных) мероприятий - для своевременного предотвращения развития дефектов и появления отказов.

Анализ различных методик расчета АМС показывает, что результаты расчетов по линейным и нелинейным моделям при определенных характеристиках нагруженности конструкций могут быть сопоставимы. Но при анализе нагруженности конструкций с малыми запасами "по несущей способности" окончательные решения по продлению эксплуатационной пригодности или усилению АМС должны приниматься на основе анализа по нелинейным моделям. Поэтому авторы развивают комплексную методику расчета и диагностики, предложенной д. т. н. проф. Кулябко В. В., применительно к расчетам несущей способности антенно-мачтовых сооружений.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. ДБН 362-92. Оценка технического состояния стальных конструкций эксплуатируемых производственных зданий и сооружений. - К.: Гос. Комитет Украины по делам архитектуры, строительства и охраны исторической среды, 1995. - 46 с.

2. ДБН В.1.2-2:2006. Нагрузки и воздействия. - К.: Минстрой Украины, 2006. - 60 с.

3. Кулябко В. В., Давыдов И. И., Чабан В. П. Создание методики комплексной диагностики несущих конструкций производственных зданий и сооружений // Сб. научн. трудов ПГАСА. -Днепропетровск: ПГАСА, 2002. Серия "Строительство. Материаловедение. Машиностроение". Выпуск "Диагностика в строительстве". - С. 111-119.

4. Кулябко В. В., Давыдов И. И. Оценка некоторых ошибок динамических расчетов башни, проводимых при помощи универсальных вычислительных комплексов // Вюник Донбасько! державно! академп буд1вництва i арх1тектури 2001-5(30), Бущвельш конструкцп, бущвл1 та споруди, ДонДАБА - 2001. - С. 23-26.

5. Кулябко В., Давыдов И., Чабан В. Формирование разнотипных динамических моделей вантовой системы и сравнение их собственных частот и форм // Теоретические основы строительства. -Днепропетровск: ПГАСА, 2000. - С. 470-474.

6. Давыдов И. И., Чабан В. П. Особенности диагностики стальных конструкций мачт и башен для мобильной сотовой связи// Сб. науч. тр. "Теоретические основы строительства". - Варшава (Польша). № 15. - Vol. 1. - 2007. - С. 117-124.

7. Металлические конструкции / Справочник проектировщика. Под ред. Мельникова. - М.: Стройиздат, 1999.

8. Нормативные документы по вопросам обследования, паспортизации, безопасной и надежной эксплуатации зданий и сооружений № 32/288. - К.: Держкомтет бущвництва, архтектури та житлово! политики Укра!ни, 1999. - 71 с.

9. Перельмутер А. В. SCAD Office. Расчет мачт на оттяжках. - К.: Издание ООО SCAD Soft, 2004. - 46 с.

10.Пурцеладзе А. Р. Опыт обследования и технического обслуживания АМС (центрального и восточного ТУ ЗАО "УМС") // Сб. материалов 1-й международной конференции "Многогранные гнутые стойки". - Днепропетровск, 2006. - С. 30-63.

11. Руководство по применению стальных канатов и анкерных устройств в конструкциях зданий и сооружений / НИИСК Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1978. - 94 с.

12.СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. - 96 с.

УДК 658.512:681.3

Проблемы диагностики и подходы к расчету стальных конструкций антенно-мачтовых сооружений для мобильной связи /И. И. Давыдов, В. П. Чабан //Вкник ПридншровськоТ державноТ академп будiвництва та арх^ектури. - Дншропетровськ: ПДАБА, 2008. - № 10. -С. 28-34. - рис. 5. - Бiблiогр.: (12 назв.).

На сегодняшний день отсутствует единая методика расчета, проектирования и монтажа антенно-мачтовых сооружений. При проведении проектирования результаты расчета, получаемые по различным методикам, могут существенно отличаться, из-за неоднозначности учета нелинейной работы вантовых элементов и задания усилий преднапряжения, из-за неоднозначности учета физически нелинейных свойств.

Рассматриваются особенности расчетов АМС по различным методикам при оценке технического состояния АМС. Обсуждаются практические проблемы, связанные с расчетами, диагностикой стальных конструкций АМС. Развивается комплексная методика расчета и диагностики, предложенная д.т.н. проф. Кулябко В. В., применительно к расчетам несущей способности антенно-мачтовых сооружений.