Cайты для работы и коммуникаций

Лучше один раз увидеть, чем 100 раз услышать!

Стремительное развитие мобильной связи в 20 веке

История развития мобильной связи в России берет начало с сентября 1991 года, когда мэр Санкт-Петербурга Анатолий Собчак позвонил коллеге, мэру американского города Сиэтл по аппарату Nokia Mobira MD59-NB2 весом в 3 килограмма и стоимостью чуть более 2000 долларов США. Развитие и внедрение более совершенных и более доступных для населения технологий, привело к появлению мобильных телефонов, функции которых не ограничивались только телефонной связью, но и обзавелись многими полезными опциями.

Так, к началу XXI века, кроме мобильных телефонов в современном виде, стали появляться и смартфоны. Возможности мобильных телефонов возрастали с геометрической прогрессией, тут и встроенный GPS приемник, и фотокамера, тут и возможность работы, при помощи мобильного устройства, в интернете и многое другое.

Стремительное развитие мобильной связи по всей территории России с 2000 по 2008 годы вызвало необходимость строительства большого количества опор для размещения приемопередающих антенн и антенн радиорелейной связи. Мобильная связь основана по принципу так называемых "сот", где в середине каждой соты располагается базовая станция БС.

Современная БС состоит из помещения с технологическим оборудованием и опоры высотой от 20м,которая, при работе в частотных диапазонах GSM-900/1800 МГц, может обслуживать одновременно до 500 абонентов. Радиус покрытия такой БС, со спокойным рельефом местности, GSM-900 – 35км, GSM-1800 -10км, UMTS-2100 3G – 1-1,5км. А если учесть, что зоны покрытия рядом расположенных БС, должны перекрывать друг-друга, выходит, чтобы обеспечить полноценную работу базовой станции стандарта 3G, расстояние между БС должны быть не меньше 0,5-1км.

Связь между БС осуществляется при помощи радиорелейных антенн, или оптоволоконных сетей. Эффективная высота опоры мобильной связи составляет от 20м до 70м и может колебаться в зависимости от типа рельефа и высоты окружающей застройки.

С увеличением высоты, увеличивается дальность приема-передачи данных, но также с увеличением длины фидера, увеличивается затухание сигнала, что вынуждает использовать либо фидера большего сечения, либо устанавливать дополнительно с антеннами усилители. Правда в последнее время, с развитием сетей 3G, для передачи данных без потерь на затухание в фидерах, широко применяется оптоволоконный кабель. Замена высокочастотных фидеров на оптоволокно, уменьшает нагрузку на ствол опоры от фидерной трассы, но увеличивает нагрузку от антенн, поскольку, для преобразования оптического сигнала в высокочастотный, необходимо дополнительно устанавливать наружные радиоблоки, вес и размеры которых иногда превышают размеры панельных антенн.

Большинство типовых конструкций мачт и башен, разработанные еще в СССР, рассчитаны на массивное оборудование для телевидения и радиовещания. А решения башен и мачт для коротковолновых радиостанций тех времен, на сегодняшний день экономически невыгодны, так как современные антенны мобильной связи намного легче и имеют более обтекаемые формы.

Также немаловажным экономическим фактором являются габариты опоры. При установке мачты на земле, высотой до 80 м, эффективный радиус расположения оттяжек составит 45м, аренда выделенного земельного участка, может обойтись дороже экономической выгоды установки мачты, по сравнению с установкой башни такой же высоты, но с меньшей выделенной территорией. Если для сельской местности арендовать участок земли под мачту, в радиусе 100-200м от жилых домов не проблема, то для городской застройки это может оказаться неприемлемым.

К преимуществу башен перед мачтами, можно отнести их большую несущую способность, что может позволить, кроме размещения своих антенн, сдавать опору в аренду другим операторам. Для плотной городской застройки, зачастую опоры устанавливают непосредственно на кровлю зданий, при этом широко используются как трубостойки, так и легкие не высокие мачты и башни.

Необходимость использования опор на кровле зданий вызвана еще и тем фактором, что электромагнитное излучение от приемопередающих антенн оказывает негативное влияние на здоровье людей. Оценка влияния интенсивности электромагнитного поля ЭМП на людей находящихся в здании, на котором устанавливается приемопередающее оборудование, а также в близ лежащих зданиях, определяется расчетом и подбирается такая высота опоры, при которой зона ограничения застройки ЗОЗ находится вне зоны пребывания людей. То есть, интенсивность ЭМП в доступных для населения местах, от работы БС, и других источников электромагнитного излучения, которые могут оказывать влияние на суммарную интенсивность ЭМП, не должна превышать предельно допустимых значений, установленных в санитарных правилах и нормах СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03.

Комбинированные опоры связи

Отдельно можно сказать про комбинированные опоры связи, в нижней части которых используются железобетонные стойки в верхней части стальная наставка. Железобетонная стойка заглубляется в выбуренную скважину, с последующей заделкой бетоном и, при необходимости, с установкой банкетки.

Стальная наставка может состоять из решетчатого ствола с оттяжками, которые крепятся через горизонтальные балки непосредственно к ж/б стойке или без оттяжек, также в качестве наставки могут использоваться трубостойки. Использование комбинированных опор имеет ряд преимуществ перед башнями и мачтами:

  • Стоимость опоры будет меньше;
  • Экономия на устройстве фундаментов;
  • Скорость сборки и установки опоры в проектное положение будет в разы быстрее монтажа башни или мачты;
  • Минимальные габариты опоры диаметр ж/б стойки на отметке +0.000, примерно 600 мм.

Наряду с преимуществами к существенным недостаткам, ограничивающим их более широкое применение, можно отнести:

  • Большие деформации от ветровых нагрузок вследствие большой гибкости ствола ж/б стойки;
  • Превышение момента по трещиностойкости от ветровых нагрузок, явление для железобетона само по себе не опасное, но со временем в таких опорах образуются и развиваются трещины, которые снижают несущую способность ж/б стойки;
  • Ограничение по максимальной высоте опоры 25-32 м;
  • Сравнительно небольшая несущая способность комбинированной опоры;
  • Ограничение, вызванное возможностью проезда трала с ж/б стойкой длиной 22−26 м, не всегда можно добраться до места установки опоры, особенно в населенных пунктах с узкими улочками.

Особенность расчета комбинированных опор

Это необходимость определять отдельно коэффициент динамичности для ж/б стойки и отдельно для стальной наставки, поскольку декремент колебаний для железобетонных конструкций отличается от металлических, при этом, зачастую, приходиться учитывать несколько форм колебаний, в отличии от стальных башен, при расчете которых, допускается учитывать только первую форму колебаний.

Также необходимо выполнять проверку на резонансное вихревое возбуждение ж/б стойки и стальной наставки, если она выполнена из стальной трубы.

Немаловажную роль при определении устойчивости комбинированной опоры в целом, оказывают: глубина заделки ж/б стойки в грунт, а также инженерно-геологические характеристики этих грунтов. Проверка ж/б стойки выполняется на допустимый момент по прочности и момент по трещиностойкости ГОСТ 22687.1−85, при этом, если расчетный момент по трещиностойкости, будет превышать допустимый, дополнительно необходимо выполнить расчет на ширину раскрытия трещин. Такой расчет осложняется необходимостью учитывать предварительное напряжение рабочей арматуры и нелинейную работу бетона. Если выполняется расчет существующей опоры, необходимы паспортные данные на ж/б стойку от завода изготовителя, с указанием класса, диаметра и количества предварительно напряженной арматуры, а также начального усилия натяжения арматуры.

В целом по такому типу опор складывается двоякое впечатление: с одной стороны это низкая стоимость строительства, высокая скорость монтажа опоры и соответственно запуска БС в работу; с другой стороны это возможные сбои антенн радиорелейной связи после ураганных ветров, а также большая вероятность аварийного выхода из строя опоры, вследствие развития трещин в период эксплуатации 10-15 лет.

Стальные башни

Стальная башня, пожалуй, самое оптимальное решение, для строительства и развития мобильной связи, поскольку обеспечивается запас прочности необходимый не только для установки проектируемых панельных и радиорелейных антенн, но и предвидится запас прочности для перспективного оборудования или оборудования других операторов..

Башня, надежней и долговечней, железобетонных стоек и может "нести" больше технологического оборудования, чем мачта. И хотя башни уступают мачтам по цене производства и монтажа, они занимают арендуемый земельный участок с меньшими размерами, что может оказаться решающим фактором при выборе типа опоры.

Башни для мобильной связи разделяют на решетчатые и сплошные.

Решетчатые башни в свою очередь делятся: по количеству поясов: трехгранные и четырехгранные; по типу сечения элементов: из прокатного профиля, зачастую из стального равнополочного уголка, из стальных труб, из круглой стали или из смешанного типа сечения например:пояса из труб,решетка из уголков. Наиболее часто встречаемый тип решетки:

  • ромбический, характеризуется работой раскосов на сжатие, а также минимальной расчётной длиной поясов;
  • полураскосный, характеризуется: минимальной расчётной длиной поясов и раскосов; максимальное количество элементов по сравнению с другими типами решеток, как следствие максимальный аэродинамический коэффициент ствола башни;
  • крестовый, характеризуется работой раскосов только на растяжение. Раскосы, в которых возникают усилия сжатия, выключаются из работы, при таком типе решетки возможно использование предварительно напряженных раскосов, что позволяет подбирать их сечение только по прочности и не учитывать гибкость, при этом, саму башню необходимо рассчитывать с учетом геометрической нелинейности и учетом передачи усилия на пояса от предварительного натяжения раскосов; при таком типе решетки, элементы башни чувствительны к нагрузкам, приложенным с эксцентриситетом и усилиям кручения;
  • крестовый с распорками, аналогично крестовой решетке, только с большим количеством элементов распорками, что повышает устойчивость опоры к нагрузкам, приложенным с эксцентриситетом и усилиям кручения, но увеличивает вес, и ветровую нагрузку на ствол башни;
  • треугольный, характеризуется: значительными усилиями сжатия в раскосах; минимальное количество элементов решетки, как следствие минимальный аэродинамический коэффициент ствола башни; но, так как при этом типе решетки, узлы примыкания раскосов к поясам не совмещены, расчетная длина пояса будет максимальной из всех типов решеток; при этом элементы решетки башни чувствительны к нагрузкам, приложенным с эксцентриситетом и усилиям кручения;
  • треугольный с распорками, характеризуется: значительными усилиями сжатия в раскосах.

Сплошные башни могут изготавливаться из стальных труб, с расположением лестницы как снаружи, так и внутри, трубчатого ствола башни. Для соединения секций трубчатых башен между собой зачастую используются высокопрочные болты или сварка.

Преимуществом сплошных башен, перед решетчатыми, является большая скорость сборки на строительной площадке. К основным недостаткам можно отнести: габариты фундаментов и большие нагрузки на соединение секций башни при монтаже ее краном в собранном виде.

В последнее время для размещения антенн мобильной связи широко используются башни на основе многогранных гнутых стоек МГС, которые намного легче и экономичней сплошных башен из труб.

При определении пульсационной составляющей ветровой нагрузки на стальные башни, допускается учитывать только первую форму колебаний.

К особенностям расчета сплошных стальных опор можно отнести необходимость дополнительно выполнять проверку на резонансное вихревое возбуждение ствола башни от ветровой нагрузки.

Все же, из всех рассматриваемых типов опор – башни являются самими дорогостоящими.

Стальная мачта

Стальная мачта характеризуется малыми поперечными размерами ствола по сравнению с ее высотой, в вертикальном положении мачта удерживается при помощи оттяжек, поэтому ствол мачты можно рассматривать, как неразрезную балку на податливых опорах. Канаты оттяжек в расчетной схеме рассматриваются как нити с малой стрелой провисания, расчет которых производится с учетом геометрической нелинейности, под действием ветровой нагрузки. Ствол мачты можно охарактеризовать и классифицировать аналогично стволу башни: сплошные, решетчатые, по количеству граней, по типу сечения элементов,по типу решетки. В основном, ствол мачт призматический без изменения сечения по высоте, а узел опирания на центральный фундамент, как правило, следует проектировать шарнирным.

К преимуществам мачт можно отнести: небольшую стоимость металлоконструкций опоры; возможность монтажа мачт без привлечения подъемных кранов, при помощи лебедок.

Недостатками конструкций мачтовых опор являются: большая занимаемая территория; необходимость устройства фундаментов не только под ствол мачты, но и под анкерные узлы оттяжек.

К особенностями расчета стальных мачт на оттяжках можно отнести:

  • учет геометрической нелинейности работы ствола и оттяжек;
  • учет сжимающего усилия на ствол башни от расчетных усилий в оттяжках;
  • в ветровом потоке мачта выполняет колебания от пульсационной составляющей ветровой нагрузки, относительно равновесного положения мачты, после приложения статической средней составляющей ветровой нагрузки т.е. изначально необходимо выполнить расчет от статической составляющей ветровой нагрузки и в полученном напряженно-деформационном состоянии определить динамические характеристики – формы, частоты собственных колебаний и соответствующую этим формам и частотам суммарную пульсационную составляющую ветровую нагрузку на ствол мачты;
  • при определении пульсационной составляющей ветровой нагрузки, минимальное число учитываемых форм колебаний – 3 в общем случае по числу динамических степеней свободы;
  • расчет на температурные воздействия.

Трубостойки

Трубостойки можно разделить по способу крепления к конструкциям здания: крепление к стенам при помощи кронштейнов; крепление к покрытию как консольно, так и при помощи подкосов или оттяжек.

Преимущества такого типа опор очевидное – минимально возможные затраты не только на металлоконструкции опоры, но и на аренду в основном, это цена аренды выделенного помещения для технологичного оборудования. К недостаткам можно отнести небольшую высоту трубостоек, что вынуждает устанавливать их на высокие здания в радиусе покрытия БС, при этом должны соблюдаться условия не превышения интенсивности ЭМП допустимых значений в местах пребывания людей.

Особенность расчета трубостоек заключается в необходимости расчета не сколько металлоконструкций, сколько элементов крепления трубостоек к элементам здания.

Вывод

Вопросы определения и оценки реальной несущей способности опор мобильной связи с целью установки возможности модернизации БС или разработка более экономичных, но надежных опор связи, являются актуальными на сегодняшний день.