Design Wind Directions in Bearing Capacity Assessment of Triangular Antenna-Mast Structures

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The influence of wind direction on the stress-strain state of triangular lattice antenna-mast structures with heights ranging from 40 to 72 meters is examined. The study focuses on five real-world steel towers of varying geometries, located in the Kaluga, Tula, and Ryazan Regions of the Russian Federation. Structural analysis was performed using the finite element method in the SCAD Office software environment. The investigation involved pairwise comparisons of internal forces in key structural elements (chords, diagonals, and horizontal braces) under two wind directions: the standard (perpendicular to the windward face of the tower) and along one of the faces, which is not considered in national design codes. It was found that wind acting along a tower face can, in several cases, induce internal forces that exceed those under the standard direction by 20-60%. Distinct patterns of force redistribution along the tower height and spatial torsional effects were also observed. The results demonstrate the necessity of expanding design scenarios for tower structures to include non-standard wind directions, which are currently overlooked in engineering practice. This study fills a research gap and contributes to the development of improved design methods and regulatory frameworks for lattice antenna-mast structures.

About the authors

Yulia D. Markina

Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: poluektoff@bk.ru
ORCID iD: 0009-0006-7167-0652
SPIN-code: 4203-4240

Senior lecturer, Department of Theory of Structures and Technical Mechanics

65 Ilinskaya St, Nizhny Novgorod, 603000, Russian Federation

References

  1. Pichugin S. Makhinko A. Probabilistic model of wind load maxima. Problems of the Technical Meteorology: рroceedings of the 3-rd International Conference, 2006 May 22-26; Lviv, 2006. P. 92-97.
  2. Belash T.A., Safin R.R. Wind load simulation for the analysis of the antenna dual-purpose poles aerodynamics. Bulletin of the Scientific Research Center Construction. 2024;2(41):18-28. (In Russ.) https://doi.org/10.37538/2224-9494-2024-2(41)-18-28 EDN: CQQMAP
  3. Ioskevich A.V., Savchenko A.V., Egorova E.S., Ioskevich V.V., Polyanskikh M.A. Pulsation effects of wind to the antenna mast structures in software SCAD Office. Construction of Unique Buildings and Structures. 2015;3(30):81-97. (In Russ.) EDN: TUHVUR
  4. Ioskevich A.V., Savchenko A.V. Comparison of SCAD Office and LIRA-SAPR on the example of calculation of communications tower. Construction of Unique Buildings and Structures. 2014;10(25):7-21. (In Russ.) EDN: TBGDPF
  5. Mohamed Al Satari P.E., Saif Hussain S.E. Vibration based wind turbine tower foundation design utilizing soil-foundation structure interaction. The 14 World Conference on Earthquake Engineering; 2008 October 12-17, Beijing, China, 2008;1020:577-584. https://doi.org/10.1063/1.2963886
  6. Ferris M. Wind Loading on Base Station Antennas. 2009. Available from: https://www.cosconor.fr/GSM/Divers/Equipment/Andrew/White%20papers/Wind%20loading.pdf (accessed: 11.02.2025).
  7. Simiu E., Scanlan R.H. Wind effects on structures: fundamentals and applications to design. 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 1996. ISBN 9780471121570
  8. Khamidullin I.N., Sabitov L.S., Kuznetsov I.L. Development and research towers for wind turbines Scientific Herald of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. Construction and Architecture. 2015;(4):25-32. EDN: UQFQFR
  9. Ashraf M., Ahmad H.M., Siddiqi Z.A. A study of power transmission poles. Asian Journal of Civil Engineering. 2005;6(6):511-532. Available from: https://www.researchgate.net/publication/228883307_A_study_of_power_transmission_poles (accessed: 11.02.2025).
  10. Zhou Qi., Zhao L., Zhu Q., Zhu Y. Mean wind loads on equilateral triangular lattice tower under skewed wind loading. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2021;208:104467. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2020.104467 EDN: JNSLEV
  11. Strelkov U.M., Radaykin O.V., Sabitov L.S., Akhmerov A.V. Computer modeling of the wind power unit constructions with power over 2 MW. E3S Web of Conferences. International Scientific and Technical Conference Smart Energy Systems. Kazan, 2019;124:05074. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912405074 EDN: RQAYKC
  12. Zhang D., Song X., Deng H., Hu X., Ma X. Experimental and numerical study on the aerodynamic characteristics of steel tubular trans mission tower bodies under Skew Winds. Journal of Wind Engineering and Indus Trial Aerodynamics. 2021;214:104678. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2021.104678 EDN: XOPYTX
  13. Zhang W., Xiao Y., Li Ch., Zheng Q., Tang Ya. Wind load investigation of self-supported lattice transmission tower based on wind tunnel tests. Engineering Structures. 2022;252:113575. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.113575 EDN: LJNXDT
  14. Wu P., Chen G., Feng R., He F. Research on wind load characteristics on the surface of a towering precast television tower with a grid structure based on large Eddy Simulation. Buildings. 2022;12(9):1428. https://doi.org/10.3390/buildings12091428 EDN: FJSQVE
  15. Mailyan L.R., Yaziev S.B., Sabitov L.S., Konoplev Y.G., Radaykin O.V. Stress-strain state of the “combined tower-reinforced concrete foundation-foundation soil” system for high-rise structures. E 3S Web of Conferences. 2020;164:02035. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202016402035
  16. Zhao T., Li A., Yan H., Zhang L., Lan Zh., Huang M., Wu H. Comparison of the influence of double-limb double- plate joint on the stability bearing ca pacity of triangular and quadrilateral transmission tower structures. Buildings. 2022;12(6):784. https://doi.org/10.3390/buildings12060784 EDN: TEZOGT
  17. He V., Zhao M., Feng W., Xiu Y., Wang Y., Feng L., Qin Y., Wang Ch. A method for analyzing stability of tower-line system under strong winds. Advances in Engineering Software. 2019;127:1-7. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft. 2018.10.004
  18. Atamanchuk A.V., Kholopov I.S. Investigation of the influence of wind current on a bundle of three pipes using the finite element method. News of higher educational institutions. Construction. 2005;(8):11-16. (In Russ.) EDN: PFAIKB
  19. Chernyshev D.D. Development of methodology of calculating tower structures with vent pipe bundles for wind load. Structural Mechanics and Analysis of Constructions. 2010;(3):74-80. (In Russ.) EDN: MUFEDP
  20. Ye J., Niu H., Liu G., Yang F. Zhang H., Chen Z. Experimental study of wind loads on tubular and tubular-angle steel cross-arms of transmission towers. Physics of Fluids. 2024;36(9):093606. https://doi.org/10.1063/5.0219695
  21. Li Ch., Deng H.Zh., Yang Zi.Ye., Gan Yi.De., Hu X.Yi. A member-based porous method for predicting flow distortions around a lattice tower. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2021;218:104765. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2021.104765 EDN: KHJVIR
  22. Lorenzo F.I., Elena C.B., Rodríguez M.P., Parnás E.V.B. Dynamic analysis of self-supported Tower under Hurricane Wind Conditions. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2020;197:104078. https://doi.org/10.1016/ j.jweia.2019.104078 EDN: MEZHDB
  23. Ioskevich A.V., Savchenko A.V., Egorova E.S., Ioskevich V.V. The impact of the reduction factor of wind force coefficient to lattice structures. Construction of Unique Buildings and Structures. 2015;4(31):45-57. (In Russ.) EDN: UISIAF

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».