CAPITOLO I
Introduzione
Si dà un cenno al funzionamento dei sistemi di telecomunicazione UHF e VHF per illustrare i limiti deformativi che le strutture per telecomunicazioni devono soddisfare. Vengono quindi descritti due tipi di struttura: le torri auto-portanti e le antenne strallate. Queste ultime sono l’oggetto del presente lavoro.
1.1 Generalità sui sistemi di telecomunicazione
Le comunicazioni radio e televisive da un luogo ad un altro della superficie terrestre avvengono tramite perturbazioni elettromagnetiche; queste non sono altro che delle onde che riescono a diffondersi nello strato più basso dell’atmosfera (la troposfera).
Le onde possono essere trasmesse o captate da apposite apparecchiature, formate da una centralina di conversione del segnale e da un’antenna. Quest’ultima avrà dimensioni geometriche e caratteristiche fisiche che sono funzione del segnale da trasmettere.
Ci occuperemo della trasmissione/ricezione del segnale in onde corte (MF, medium frequency), in onde metriche (VHF, very high frequency) e in onde decimetriche (UHF, ultra high frequency).
Le antenne possono trasmettere il segnale lungo una direzione preferenziale, nel qual caso si dicono direzionali, usate nei ponti radio. Oppure possono essere omnidirezionali, cioè diffondere il segnale a giro d’orizzonte. Queste vengono usate affinché la popolazione di una certa area sia in grado di ricevere il segnale (la cosiddetta “copertura”).
Le onde si trasmettono nell’atmosfera in due modi: l’onda di superficie viaggia in linea retta dalla sorgente fino alla superficie terrestre o fino ad ostacoli quali catene montuose; l’onda ionosferica si propaga sempre in linea retta fino alla ionosfera dove viene riflessa e può coprire, quindi, una maggiore distanza (fig. 1).
Nelle telecomunicazioni non si fa affidamento sull’onda ionosferica ma solo sulle onde di superficie.
Risulta perciò chiaro che quanto più un’antenna trasmittente è collocata in alto, tanto più è grande la sua copertura. Orientativamente si può dire che un’antenna alimentata con potenza media (800 - 1000 Kw) ed installata ad una quota di 200 m, riesce a coprire una zona circostante di 100 ÷ 120 km di raggio se il terreno è prevalentemente pianeggiante.
Figura 1 - Direzioni di propagazione delle onde elettromagnetiche nell'atmosfera.
Si riportano a titolo esemplificativo le caratteristiche fisiche di un’antenna omnidirezionale per onde UHF (fig. 2). Si nota che l’antenna è formata da un certo numero di pannelli elementari montati su un traliccio in acciaio galvanizzato o su un cilindro in fibra di vetro (fig. 3). Le dimensioni del singolo pannello (altezza x larghezza x profondità) sono 100 x 50 x 20 cm e l’interasse fra i baricentri deve essere 115 cm.
L’ubicazione dell’antenna sarà perciò alla sommità della struttura che dovrà sostenerla. Per poter favorire la manutenzione, all’interno del traliccio è ubicata una scala a pioli; comunque l’antenna è sormontabile anche dall’esterno: fra i pannelli sono fissati dei pioli che permettono alle maestranze di assicurarsi.
Figura 3 - Disposizione in pianta dei pannelli UHF.
Numero di livelli Pannelli per livello Peso totale (kg) Altezza totale (m) 3 160 4 4 210 4.45 3 240 6 4 330 6.75 3 320 8 4 420 9.05 3 490 12 4 670 13.65 3 690 16 4 890 18.25
Tabella 1 - Proprietà dell'antenna di figura 2.
L’antenna tipica per onde VHF ha invece le seguenti caratteristiche (fig. 5). In questo caso i pannelli sono delle vere e proprie griglie provviste di appositi connettori che permettono l’installazione direttamente sulle facce della struttura portante (fig. 4). Le dimensioni dei pannelli sono 280 x 130 x 40 cm e questi devono essere montati con interasse fra i baricentri di 320 cm.
Figura 5 - Antenna omnidirezionale VHF tipo.
Numero di livelli Pannelli per livello Peso totale (kg) Altezza totale (m) 3 195 4 4 270 2.8 3 390 6 4 540 6 3 780 8 4 1080 12.4 3 1170 12 4 1640 18.8 3 1640 16 4 2160 25.2
Tabella 2 - Proprietà dell'antenna di figura 5.
Nel presente lavoro verranno affrontate le questioni relative alla modellazione e all’analisi della struttura sulla quale sono installati i tipi di antenna descritti: l’antenna strallata per telecomunicazioni (vedi fig. 9 nel seguito).
Per maggiori informazioni circa i sistemi per telecomunicazioni si rimanda all’Appendice in chiusura.
1.2 Limitazioni operative legate al corretto funzionamento delle antenne
Le antenne VHF ed UHF omnidirezionali vengono generalmente sottoposte ad un campo magnetico ausiliario per direzionare le onde verso terra e non verso l’atmosfera cosicché si ha una diffusione a cono. Per avere la massima efficienza di trasmissione e fornire quindi una buona qualità del segnale su tutta la superficie di copertura, non devono subire eccessivi spostamenti rispetto alla posizione nella quale vengono montate. Ciò comporta la nascita di limiti deformativi per la struttura portante che le sostiene. Talvolta questi limiti sono molto più restrittivi di quelli per la dovuta stabilità della costruzione, costringendo all’uso di profili metallici più resistenti del necessario.
Per i pannelli UHF e VHF l’inclinazione massima rispetto all’asse verticale dell’antenna strallata non deve superare il seguente valore:
- 30’ (gradi sessagesimali) corrispondenti a 0,00873 rad.
Non ci sono limitazioni riguardo gli spostamenti orizzontali infatti ciò che conta è mantenere la direzione di propagazione. Un’onda percorre distanze dell’ordine di qualche centinaio di chilometri quindi anche una traslazione di alcuni metri della sorgente ha un ruolo marginale sulla copertura.
Questo limite è stato standardizzato nei vari paesi dalle autorità per le telecomunicazioni per ottenere la tutela dell’uguaglianza delle trasmissioni per le varie emittenti ed è molto più restrittivo di quello che consente il normale funzionamento delle apparecchiature.
Bisogna inoltre precisare che l’escursione per qualche istante fuori dal limite imposto non comporta assolutamente la perdita del segnale ma solo un suo indebolimento, tanto maggiore quanto maggiore è la rotazione.
Dal punto di vista progettuale, il rispetto del limite deve essere verificato per le combinazioni di carico rare allo stato limite di esercizio e per l’azione sismica allo stato limite di danno.
Per le antenne a paraboloide nei ponti radio, cioè quei collegamenti fra due punti precisi sulla superficie terrestre, il limite all’inclinazione è pari a:
Anche questo valore è molto cautelativo infatti se ne consideriamo due, una in trasmissione e l’altra in ricezione, basterebbe garantire che la rotazione sia inferiore alla metà dell’ampiezza del fascio trasmesso (dell’ordine dei gradi). Inoltre si dovrebbe verificare, per entrambe le parabole, ad esempio, la stessa raffica di vento, nello stesso istante, che producesse rotazioni di senso opposto. Gli American standards per le strutture per telecomunicazioni prescrivono inoltre il rispetto dei seguenti limiti deformativi in riferimento alle antenne strallate:
- spostamento totale massimo della struttura, il minimo valore fra (fig. 6a):
δ H
7.2 δ w 10
con H in metri e w in centimetri; δ si ottiene in centimetri;
- spostamento massimo fra due livelli di stralli successivi, il minimo valore fra (fig. 6b):
δ H
3.6 δ w 10
con H in metri e w in centimetri; δ si ottiene in centimetri.
(a) (b)
Figura 6 - Limitazioni alle deformazioni strutturali consigliate dagli American Standards per le telecomunicazioni.
1.3 Generalità sulle strutture per telecomunicazioni
Come abbiamo visto nei capitoli precedenti il raggio di azione di un’antenna è tanto più esteso quanto più questa è collocata in alto. Appare quindi evidente che le strutture alte siano le più adatte a sostenere le apparecchiature. Se il paesaggio è naturalmente conformato con promontori o catene montuose, risulta conveniente sfruttare queste: basta guardarsi intorno e sarà facile notare sulla sommità delle montagne qualche traliccio porta antenna (fig. 7).
Figura 7 – Antenne sul Monte Serra (LU).
Laddove l’orografia del terreno è prevalentemente pianeggiante bisogna ricorrere alle strutture alte. Nelle aree più urbanizzate del globo vengono sfruttati i grattacieli come l’Empire State Building di New York (e come non ricordare le antenne che svettavano sulle Twin Towers ) o la Torre Eiffel di Parigi. Man mano che ci si allontana dai centri abitati, difficilmente si riuscirà a trovare edifici civili di grande altezza. Ecco allora che si vedranno più comunemente alte torri auto-portanti (fig. 8) e, nelle zone di aperta campagna, le tanto imponenti quanto snelle antenne strallate (fig. 9).
Figura 8 – Esempio di torre auto-portante (Monte Serra, LU).
Figura 9 - Antenna strallata (Coltano, PI)
I termini antenna e torre vengono usati indifferentemente per identificare la struttura che porta l’antenna vera a propria. In ingegneria si tende, soprattutto in America e nel nord dell’Europa, ad usare il termine torre (tower) per le strutture auto-portanti e antenna (mast) per quelle strutture il cui equilibrio è
garantito da un certo numero di stralli. Esistono anche realizzazioni che uniscono le due tipologie: la torre Gerbrandy è, nella metà inferiore, una torre auto-portante (in calcestruzzo armato) mentre, nella metà superiore, una antenna strallata (fig. 10).
Figura 10 – La torre Gerbrandy che unisce le due tipologie auto-portante e strallata.
Le strutture per telecomunicazione molto spesso prendono il nome della stazione di radiodiffusione cui servono o della città vicino a cui sorgono.
1.3.1 Le torri auto-portanti
La struttura delle torri auto-portanti è generalmente costituita da un traliccio spaziale le cui aste si incontrano in un grande numero di nodi. Le sezioni trasversali tipiche sono quella quadrata e quella triangolare (fig. 11, 12).
Nei vertici di dette sezioni passano le aste montanti che sono collegate da controventature nel piano verticale. I montanti sono inclinati in modo da creare un profilo rastremato dalla base verso la sommità. Conviene che il profilo vari
più che con legge lineare: è per questo che l’inclinazione dei montanti cambia da un tronco all’altro della torre.
Lo schema delle controventature è di solito quello a diagonale-controdiagonale oppure a V rovescia.
Figura 11 – Esempio di torre auto-portante.
Inoltre in certi piani orizzontali vengono create opportune membrature con funzione sia di collegamento fra i montanti sia irrigidenti, in ragione delle azioni torcenti. Queste fasce fungono anche da piani di riposo durante la salita della torre nonché sono la sede di antenne o accessori che non necessitano il posizionamento in sommità.
Altro elemento strutturale è la zampatura che ha lo scopo di fornire ulteriore rigidezza alla struttura e di limitare il carico gravante sui montanti. Spesso è inserita non per ragioni di carattere statico ma solo per scongiurare problemi di instabilità alla base della torre.
Le aste sono costituite da profilati metallici collegati fra loro mediante saldatura o bullonatura. Di solito la struttura viene suddivisa in tronchi assemblati in officina dove la saldatura risulta facilmente realizzabile e controllabile; a loro volta i tronchi vengono collegati in cantiere mediante flange bullonate.
L’uso di profili tubolari cavi è consigliato per mitigare l’azione del vento sulla torre, offrendo il profilo cilindrico una minore resistenza aerodinamica; per contro si ha un maggiore onere nella realizzazione dei collegamenti soprattutto per quei nodi dove converge un gran numero di aste. E’ per questo che solitamente le torri sono costruite con profili a C o a L variamente accoppiati. La fondazione può essere realizzata con due schemi a seconda della dimensione di base del traliccio: se questa è contenuta viene realizzato un unico blocco di calcestruzzo, provvisto o meno di palificata, a seconda delle caratteristiche del terreno di fondazione. Quando la torre è molto alta e quindi la dimensione di base è notevole, si può optare per creare un blocco di fondazione sotto ogni singolo montante.
Figura 12 – La torre O.M. RAI di S. Palomba (RM) alta 175 m. Sullo sfondo si vede una delle tre antenne strallate del centro radio emeittente.
Riassumendo, una torre auto-portante è costituita principalmente da: - montanti; - controventature; - irrigiditori di piano; - zampatura; - fondazione.
Vi è poi una serie di opere accessorie fra cui vale la pena di mettere in evidenza la scala per l’ascesa (di solito “alla marinara” con pioli e paracorpo) e il traliccio porta cavi. Questo viene installato all’interno della torre ed è un’asta calastrellata che corre fino in sommità: sostiene i cavi per la trasmissione del segnale quando, per la grandezza del loro sviluppo, il montante sarebbe troppo gravato dal loro peso.
Le torri auto-portanti vengono definite “pesanti”. Infatti il rispetto della deformabilità imposta dalle antenne trasmittenti e riceventi fa si di dover adottare profilati più massicci del necessario. Per citare alcuni esempi:
la torre Eiffel (esempio classico di torre auto-portante) ha un peso di 7000 tonnellate per 300 m di altezza (23,3 t/m);
la torre radio di Tokyo ha un peso di 3600 tonnellate per 333 m di altezza (10,8 t/m);
la torre RAI di S. Palomba (RM), la più alta in Italia, ha un peso di 400 t per 175 m di altezza (2,3 t/m) (fig. 12).
1.3.2 Le antenne strallate
Queste strutture sono composte da un’asta verticale vincolata alla base e da un certo numero di stralli che ne garantiscono l’equilibrio. Si riesce ad avere così una struttura molto snella ma che ha un notevole sviluppo in elevato (fig. 13). L’asta verticale può essere costituita da un cilindro cavo in acciaio di qualche metro di diametro (soluzione preferita nelle prime realizzazioni) o da aste collegate a formare un traliccio reticolare (tipologia odierna).
Figura 13 – L’antenna KVLY TV, 628,8 m (2063 ft), la più alta al mondo (North Dakota).
I tralicci solitamente hanno i montanti paralleli e costituiti da profili tubolari cavi; la forma della sezione trasversale è di solito quadrata o triangolare. La seconda risulta conveniente per le altezze superiori a 200 m in quanto si risparmia un montante e un set di aste di parete a fronte di un aumento contenuto delle sezioni dei montanti.
La disposizione delle aste di parete è alquanto varia e se ne riportano in figura i tipi più ricorrenti (fig. 14).
Il tratto di base del traliccio viene conformato a tronco di piramide rovescia in modo da avere un unico punto di appoggio; a causa della diminuzione degli spazi, la disposizione delle aste di parete in esso è di solito quella a V rovescia. L’intera asta viene suddivisa in moduli di circa 10 m di altezza che vengono assemblati in officina realizzando i collegamenti con saldatura. In opera vengono montati l’uno sopra l’altro e giuntati con bulloni in corrispondenza delle apposite flange disposte sui montanti.
I profili utilizzati per i montanti sono a sezione circolare cava mentre per le aste di parete si usano indifferentemente i classici L accoppiati o i profili tubolari. Questi, oltre a diminuire la resistenza aerodinamica, non comportano in questo caso difficoltà di montaggio poiché nei nodi confluiscono meno aste rispetto alle torri auto-portanti.
Gli stralli sono di solito delle funi spiroidali chiuse, ancorati sui montanti e su blocchi di calcestruzzo al suolo. La disposizione, se la sezione dell’asta è quadrata, è secondo le diagonali del quadrato ed ogni strallo è orientato secondo un punto cardinale. Se la sezione è triangolare equilatera allora gli stralli sono disposti a 120° l’uno dall’altro. Il numero di stralli ed il tipo di ancoraggio (arpa, ventaglio o misto) dipendono dall’altezza dell’antenna e dagli spazi disponibili al suolo. Ogni strallo è suddiviso in tronchi collegati da dispositivi isolatori e/o dissipatori.
Le fondazioni sono costituite da blocchi di calcestruzzo isolati; quella dell’asta è dotata di una cerniera sferica in materiale isolante e ad alto carico di rottura su cui appoggia l’antenna. Nei pressi di questa è ubicato un casottino che contiene tutti gli apparati di trasmissione, codifica e controllo del segnale (figg. 15-16).
Figura 15 – Ancoraggio tipico degli stralli al suolo.
Figura 16 – Casottino nei pressi dell’antenna KVLY TV (U.S.A.).
Poiché sia la struttura che le antenne montate su essa richiedono una manutenzione periodica, è necessario fornire alle maestranze l’accesso completo a tutte le sue parti. Ciò si ottiene installando all’interno del traliccio
una scala a pioli provvista di paracorpo o, per una migliore fruibilità, senza paracorpo ma dotata di catena alla quale assicurarsi. Al massimo ogni 30 m deve essere previsto un pianerottolo di riposo. Se le dimensioni in pianta dell’antenna lo consentono è bene inserire un montacarichi: questo deve avere una propria guida con cremagliera e la salita deve avvenire con pignoni ancorati sulla cabina per non avere delle funi interne che perturberebbero i campi elettromagnetici.
I cavi di trasmissione dei segnali vengono ancorati o ad un montante o fatti passare in apposite guide disposte ad intervalli regolari sulle aste di parete. Essendo dotate di altezza notevole si devono adottare dei dispositivi di segnalazione sia notturna che diurna per evitare l’impatto di aeromobili o elicotteri (molti crolli in passato sono dovuti clamorosamente a questa ragione) nonché bisogna segnalare la posizione alle autorità per l’aviazione del paese in cui sorgono. La segnaletica diurna non è altro che la classica verniciatura a moduli bianchi e rossi; quella notturna si ottiene con fari di luce rossa disposti lungo lo sviluppo dell’antenna.
Figura 17 - La torre radio di Warsavia; con i suoi 646,4 m era la struttura più alta costruita dall’uomo fino al 1991, anno in cui avvenne il crollo. Fu costruita fra il 1972 e il 1974.
Si riportano alcuni esempi di antenne strallate mettendo in luce il rapporto peso totale/altezza:
l’antenna del centro radio emittente di Azilal (Marocco) è alta 300 m ed ha un peso di 550 kg/m;
l’antenna di Radio Warsavia era alta 646,4 m (la più alta al mondo fino al 1991, prima del suo crollo durante una manutenzione) ed aveva un peso di 650 kg/m (fig. 23).
Da questi due esempi si nota che il peso a metro lineare è dell’ordine delle centinaia di chili contro le tonnellate a metro delle torri auto-portanti. Tra l’altro si sono prese in considerazione due strutture costruite negli anni 70; con i materiali e le tecniche di calcolo moderne si possono ottenere rapporti peso/altezza ancora più convenienti.
Confrontando le tipologie analizzate negli ultimi due paragrafi si può dire che: - il costo di un’antenna strallata o di una torre auto-portante non cresce in
maniera lineare con l’altezza bensì è proporzionale al quadrato di essa; - il costo di un’antenna strallata è minore di quello di una torre autoportante
di altezza equivalente;
- per altezze superiori ai 200 m circa, la soluzione più valida è quella dell’antenna strallata, sia dal punto di vista economico che strutturale; - le antenne strallate hanno bisogno di territori liberi da ostacoli per poter
installare gli stralli ed è per questo che sorgono principalmente in zone rurali e di campagna;
- le torri auto-portanti necessitano di minore spazio per la loro costruzione quindi sono realizabili anche in ambito urbano;
- le antenne più snelle, soprattutto se sono due e uguali, hanno un minor impatto ambientale rispetto ad una torre più massiccia, almeno da un punto di vista estetico;
- si conferisce un migliore aspetto estetico alla struttura se le antenne montate su essa sono simmetriche o, quando possibile, solo in sommità.
1.3.3 Le torri in calcestruzzo armato
Vale la pena fare un cenno anche a questo tipo di struttura sovente impiegato come sede di ponti radio o antenne per telecomunicazioni. Rispetto alle tipologie sopra viste le torri di cemento armato hanno un costo molto maggiore ma danno la possibilità di aumentare notevolmente la rigidezza strutturale rendendo la trasmissione e la ricezione delle onde elettromagnetiche più che stabile. Diciamo però che questa non è la loro funzione principale. Esse sono un marchio prestigioso nonché un richiamo turistico del luogo in cui sorgono come la CN Tower di Toronto (Canada). Oltre a raccogliere lo staff tecnico sono anche aperte al pubblico: al loro interno ci sono ascensori veloci che portano le persone ai punti di osservazione o ai ristoranti presenti vicino alla sommità.
La Stuttgart TV Tower è stata la prima torre del mondo ad essere costruita in cemento armato; fu progettata in Germania nel 1956 da un ingegnere civile locale, Fritz Leonhardt (fig. 18).
