Utilización de postes para la instalación de enlaces de microondas

El uso de torres para la instalación de pequeñas celdas no está siempre garantizado, especialmente si se consideran los niveles de congestión en las redes actuales. Esta es la razón por la cual operadores alrededor del mundo están explorando la opción de instalar enlaces de microondas en postes de alumbrado o de transmisión eléctrica. Sin embrago,  a muchos operadores les preocupa el efecto que pueda tener la torsión y balanceo de estos postes debido al viento. En este artículo consideraremos los estándares y requerimientos de balanceo y torsión en postes y los compararemos con los requerimientos aplicables a torres de telecomunicaciones en Norte América.  Aunque los operadores en Latinoamérica no están sujetos a cumplir con estas normas, este debate puede permitir aclarar dudas sobre la instalación de equipos de microondas en postes de transmisión eléctrica, tráfico o alumbrado en sus redes.

Los requerimientos y estándares que determinan la tolerancia a la torsión y balanceo de torres de microondas son más estrictos que para otros tipos de equipos de radio frecuencia. Esto es especialmente válido para equipos operando en bandas por encima de 18 GHz, donde el ancho del haz de la antena es más estrecho. Estándares como los de la Asociación de la Industria de Telecomunicaciones en Estados Unidos (TIA-222-G, por sus siglas en inglés) fijan un máximo balanceo de una estructura de telecomunicaciones para permitir la instalación de un enlace de microondas.

Esto ha creado inquietudes en ciertos operadores en Norte América interesados en instalar enlaces de microondas en postes de alumbrado y de transmisión que no han sido diseñados para cumplir con los estándares TIA. Aunque el uso de estructuras rígidas que no se balanceen o vibren con el viento es siempre lo más conveniente, una mirada detallada a este tipo de estructuras muestra que bajo ciertas circunstancias  pueden ser una opción viable para la instalación de enlaces de microondas para pequeñas celdas.

Diferentes tipos de postes están regidos por diferentes estándares y la utilidad de los postes para montar enlaces de microondas depende de las condiciones ambientales y como estas influyen sobre el cumplimiento del estándar.

Postes de Servicios Públicos

Los postes de servicios públicos normalmente son diseñados para soportar cargas de equipos tales como redes eléctricas, de televisión por cable, y fibras ópticas [1]. Los postes de madera usados en este tipo de redes están sujetas en Estados Unidos al Código Nacional de Seguridad Eléctrica y la norma del Instituto Americano de Estándares O5.1  (NESC y ANSI O5.1, por sus siglas en inglés). La norma NESC fija cargas horizontales y verticales máximas en los postes debidas a diferentes combinaciones de fuerzas producto de viento y hielo.

Los postes de madera están gobernados por la norma ANSI O 5.1 que clasifica los postes de acuerdo a la circunferencia superior del poste. Existen diferentes tablas que son generadas en base al tipo de madera y la tensión que el poste puede soportar. Estas tensiones son calculadas ejerciendo una carga horizontal en la punta superior del poste. Esta carga simula las fuerzas horizontales transferidas de los cables al poste debido a la carga del viento. La práctica común no es diseñar cada poste en base a estándares pero que personal experimentado seleccione el poste de los manuales de los fabricantes, o en casos más complicados seleccione el poste usando software especializado que simula sobre el poste el efecto del viento y el hielo. Una consideración adicional al utilizar postes de madera para instalar enlaces de microondas, es que estos con el tiempo pueden deformarse o inclinarse lo que puede hacer necesario el realineamiento de las antenas. Otras opciones de materiales usados para este tipo de postes son el acero y el concreto. 

Postes Ligeros

Los postes ligeros tienen una gran variedad de usos que incluyen la iluminación de calles, carreteras o áreas publicas así como señales de transito. Los estándares que gobiernan este tipo de postes incluyen:

• AASHTO: Asociación Americana de Transporte de Autovías y Oficiales Estatales de Transporte (por sus siglas en ingles). Esta norma especifica los requerimientos generales, materiales, especificaciones de diseño, cargas de viento y hielo bajo diferentes condiciones ambientales.

• Normas Estatales: Cada estado dentro de Estados Unidos puede decidir que norma utilizar, pero en la mayoría de los casos los estados utilizan versiones específicas de la norma AASHTO.

• Criterio Comercial: Si el poste no va ser utilizado por un departamento de transporte, en la mayor parte de los casos el fabricante utilizara su propio criterio en vez de utilizar la norma AASHTO. El criterio comercial no tan estricto como el criterio basado en normas, en muchos casos el criterio de diseño es relajado por consideraciones económicas.

Vibraciones en Postes Ligeros

Como muchas instalaciones de postes ligeros en la práctica se basan en criterios comerciales en vez de utilizar normas como ANSI o AAHSTO, existe una gran posibilidad de que este tipo de postes vibren bajo vientos por debajo de 72 Km/h. Estas vibraciones no solo pueden crear balanceo para instalaciones de enlaces de microondas pero también pueden producir un fallo mecánico del poste. Datos de campo sugieren que postes con mas de 11 metros de altura, con un perfil transversal cuadrado y una Carga Efectiva Proyectada (EPA por sus siglas en ingles) de mas de 0.2 m² son mas susceptibles a vibraciones producto del viento.

Los dos tipos más comunes de vibraciones de postes ligeros se muestran en la Figura 1.

 Figura 1: Tipos de vibración en postes.

Ambos tipos de vibración crean balanceo que pude afectar el desempeño de un enlace de microondas. La vibración de Modo 1 ocurre cuando el poste es empujado por el viento. El movimiento producto de la vibración de Modo 2 sucede cuando el poste entra en resonancia con el viento. Esto depende de la velocidad del viento, la altura y forma del poste.

 Figura 2: Datos de vibración para postes ligeros

La Figura 2 obtenida de un estudio de Texas Tech University [2] muestra los resultados de mediciones realizadas en un poste ligero típico. Algunas conclusiones de este estudio incluyen:

• Para velocidades del viento por debajo de 5 m/s (18 Km/h), el modo de vibración es principalmente Modo 2, con un desplazamiento de 2 cm en la punta del poste. Este tipo de vibración depende de la dirección del viento con direcciones medidas cerca a 90° y 270°.
• Para velocidades del viento por encima de 5 m/s (18 Km/h), ambos Modo 1 y Modo 2 contribuyen al desplazamiento de la punta del poste hasta un máximo de 6 cm. La vibración de tipo Modo 1 es el contribuyente mayor de este desplazamiento.  Las contribuciones de vibración de los Modos 1 y 2 son aditivas y pueden ser convertidas a grados para obtener el balanceo total del poste.

El Caso de un Poste Ligero Típico

Para analizar el efecto del balanceo y torsión en una instalación de un enlace de microondas, la Tabla 1 muestra los resultados de la comparación de los datos medidos en campo de un poste ligero típico y los valores tolerados máximos de balanceo y torsión de acuerdo al Anexo D de la norma TIA-222-G para las bandas de 18, 23, 70 y 80 GHz. El balanceo máximo calculado basado en la norma TIA-222-G puede ser usado como una referencia para comparar los limites de balanceo y torsión de una torre de telecomunicaciones contra el balance y torsión real de un poste ligero típico.

La Tabla muestra el criterio de balanceo para un enlace entre un edificio (sin balanceo) y un poste ligero. Por ejemplo, en 80 GHz el balanceo máximo bajo la norma TIA-222-G es de 0.7 grados, mientras que el poste experimenta bajo con un viento de 72 Km / h un balanceo de solo de 0.64 grados. Si se asume que el escenario de instalación del enlace es de un edificio a un poste, es evidente que para todos los casos mostrados (resaltados en verde) el balanceo esta por debajo del limite tolerable en una torre de telecomunicaciones que cumple con la norma TIA-222-G.

Tabla 1: Balanceo de un poste y despliegue de microondas para pequeñas celdas

Recomendaciones

Como los postes para servicios públicos (que cumplen normas ANSI O.5.1 y NESC) normalmente son diseñados con criterios mas estrictos que los postes ligeros diseñados con criterios comerciales, se puede concluir que las vibraciones producto de vientos estacionarios de menos de 72 Km /h serán menos frecuentes en este tipo de postes.

Sin embargo inclusive para postes diseñados utilizando criterios comerciales como los mostrados en el ejemplo de la Tabla 1, las vibraciones que crean balanceo están dentro de un rango tolerable para la instalación de enlaces de microondas.  Es necesario aclarar que la instalación de cualquier estructura en postes existentes, incluyendo equipo de pequeña celda (estaciones base) y equipo de microondas incluyendo antenas y baterías cambiaran las características de carga mecánica y de viento de la estructura. Este cambio requiere un análisis mecánico estructural para verificar que el poste aun cumple con los criterios de diseño fijados por el fabricante.

Resumiendo, los operadores considerando la implementación de enlaces de microondas en postes tienen más margen de maniobra de lo pensado y pueden considerar bajo ciertas circunstancias la instalación de enlaces de microondas en postes.

Referencias

[1] Special Research Topic Report on Current Practice in Utility Distribution Poles and Light Poles. Adam Crosby, 2011.

https://www.kornegayengineering.com/wp-content/uploads/2011/05/structural-utility-distribution-light-poles-whitepaper-acrosby.pdf

[2] Field Observations of wind-induced Mast-Arm Lighting Pole Vibration. Delong Zuo and Chris Letchford. Department of Civil and Environmental Engineering, Texas Tech University, M.S. 1023, Lubbock, TX 79409, USA; School of Engineering University of Tasmania, Private Bag 65, Hobart Tasmania 7001.