home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Antennas / Antennas_CD-ROM_Walnut_Creek_September_1996.iso / articles / pipemast / pipemast < prev   
Text File  |  1996-06-30  |  17KB  |  377 lines

  1. DESIGN DATA FOR PIPE MASTS
  2.  
  3. R. P. Haviland, W4MB
  4.  
  5.  
  6.  One of the best materials available for building self-
  7. supporting antenna masts is steel pipe. It is widely
  8. available, uniform in quality, and reasonable in
  9. price. A well-designed mast is adequately strong, neat and
  10. attractive, and relatively light weight. And, using steel pipe,
  11. it's not too difficult to design a fold-over mast which allows
  12. all antenna work to be done at ground level. Even main-
  13. tenance on the mast itself does not require work at any great
  14. height.
  15.  
  16.  However, attaining all of these advantages does require
  17. some design work. This is particularly important for safety.
  18. The purpose of this article is to present a set of design
  19. curves which will give a safe and satisfactory design, while
  20. using the minimum of material.
  21.  
  22. Construction
  23.  
  24.  The general construction of a typical fold-over pipe mast
  25. is shown in Figure 1. At the top are the antenna and rota-
  26. tor, carried by the smallest size pipe. This is inserted into
  27. the upper end of the next size pipe for a short distance,
  28. and fastened by through-bolts or welding. The second sec-
  29. tion is inserted into the next larger, and so on. The bottom
  30. section is hinged to a fixed upright pipe, which gives the
  31. fold-over feature. It, in turn, nests into a larger section of
  32. pipe set into the ground. A yoke is provided to fasten the
  33. mast to the upright after erection. Figure 1 shows a block
  34. and tackle for pulling the mast to the vertical position, but
  35. a winch fastened to the upright may be used instead.
  36.  
  37.  Most mast designs use the widely available standard
  38. weight pipe, each size of which nests neatly into the next
  39. larger size, over the range from 1-1/2 to 4 inches. Larger
  40. sizes still nest, but there is a gap between the walls. Very
  41. high masts, or those with unusually heavy top loads, can
  42. be built with extra-strong or double extra-strong pipe, but
  43. such designs are not considered here as the data are cal-
  44. culated for standard weight pipe. (See note at end)
  45.  
  46. Design Criteria
  47.  
  48.  Because of the change in diameter, beam formulas can-
  49. not be applied to a stepped diameter mast as a whole.
  50. Instead, each individual pipe section must be analyzed by
  51. itself, as a free body, starting at the top. The section load
  52. must then be transferred to the next lower section. This is
  53. done by converting the lateral load to a couple, acting
  54. across the diameter of the section, then multiplying the cou-
  55. ple magnitude by the ratio of pipe diameters to get the top
  56. load of the next section. Intermediate antennas can be
  57. assumed to be concentrated at the junction of sections. The
  58. next section is then considered.
  59.  
  60.  The critical or design load on a section may be caused
  61. by wind load when the mast is vertical, or by erection load
  62. as the mast is being raised. Both loads should be calcu-
  63. lated and the design chosen for the worst of the two.
  64.  
  65.  For wind load, two design winds are commonly used.
  66. For most of the country, it is assumed that the worst wind
  67. to be encountered is 85 mph, a value to be expected once
  68. in 50 years or so. For Florida, the Gulf Coast, and locations
  69. like Cape Hatteras, a maximum wind of 125 mph is also
  70. used. Your county engineer can provide the recommende
  71. value for your location (see reference 1).
  72.  
  73.  During erection there is some deflection, or bending, of
  74. the mast. The greatest load occurs when each section
  75. horizontal; this is the loading which must be designed for.
  76.  
  77.  The wind and erection impose two different types of load
  78. on the section. One is the concentrated load at the topmost:
  79. end of a section due to the forces on the section above
  80. The second is the distributed load acting along the length
  81. of the section. As the concentrated load becomes large
  82. there is less strength left for the distributed load, so the sec-
  83. tion length must become smaller. Accordingly, the problem
  84. of design is to determine the allowable section length.
  85.  
  86.  The concentrated load during erection is the weight of
  87. the antenna, rotator, and sections above the one being con-
  88. sidered. The concentrated wind load includes the sum of
  89. all wind loads above the section being considered. The
  90. usual load is calculated on the basis of projected area. This
  91. is the area covered by the shadow of the object. If the object
  92. is not symmetrical, like a Yagi beam, the largest projected
  93. area is used. The loading depends on whether the object
  94. is flat or round, as follows:
  95.  Wind loading in pounds per square foot
  96.                 85 mph wind       125 mph wind
  97. Flat objects         30.3            65.9
  98. Round objects        18.1            39.0
  99.  
  100. The projected area is often given in the instructions for con
  101. mercially made antennas and rotators. It is easily calculated
  102. from the dimensions of the element.
  103.  
  104.  Given this concentrated load on the topmost section,
  105. design of the mast itself involves solving section load equa-
  106. tions for allowable section length. To simplify this process
  107. the equations have been reduced to a series of graphs -
  108. Figures 2 and 3 for load during erection, and Figures 4
  109. A and B and 5 A and B for wind loads. Use of these curves
  110. will be explained through an example.
  111.  
  112. Example
  113.  
  114.  Assume that the design is for an all-tubing 6-meter
  115. antenna, having 2 square feet projected area and weigh-
  116. ing 15 pounds. A small TV rotator is available, having 1/2
  117. square foot of mostly flat plate area, and weighing 8
  118. pounds. This area is not subjected to unusual winds. Mast
  119. height is 40 feet.
  120.  
  121.  The concentrated load on the top section is 15 + 8, or
  122. 23 pounds. Entering Figure 2 at the bottom with this weight
  123. and moving upwards, it is seen that the top section could
  124. consist of 12 feet of 1-1/2 inch pipe, 16 feet of 2-inch pipe,
  125. or 20 feet of 2-1/2 inch pipe. In keeping with the scale of
  126. the antenna, suppose the 1-1/2 inch diameter pipe is used.
  127.  
  128.  The concentrated wind loading is due to 2 square feet
  129. of antenna and 1/2 square foot of rotator. From the table
  130. above, the loading is (2 x 18.1) + (0.5 x 30.3), or 51
  131. pounds per square foot. Reading upward from this load
  132. on Figure 4, it is seen that the maximum allowable length
  133. for 1-1/2 inch pipe is 8 feet. Since this is the critical value,
  134. it becomes the length of the topmost section.
  135.  
  136.  Assume that the sections are to be fastened by welding,
  137. with 6-inch insertion into the next section. From Figure 3,
  138. the weight of the 8-1/2 foot total of the top section is 23
  139. pounds. The wind loading on the exposed 8 feet from Fig-
  140. ure 5 is 25 pounds per square foot. Thus, the weight load
  141. at the top of the second section is 23 + 23, or 46 pounds
  142. and the wind loading is 51 + 25, or 76 pounds per square
  143. foot.
  144.  
  145.  Using Figure 2 again, the maximum allowable length of
  146. the next section with the nesting 2-inch pipe is 11-1/2 feet
  147. for erection loads. From Figure 4, the allowable length for
  148. wind loads is 9 feet, which becomes the section length.
  149. Proceeding as before, the loads on the next section are 46
  150. + 35, or 81 pounds during erection, and 76 + 35, or 111
  151. pounds per square foot for wind.
  152.  
  153.  Again, using Figures 2 and 4, the allowable length of 2-
  154. 1/2 inch pipe is 13 feet for erection load, and 12-1/2 feet
  155. for wind load. The 12-1/2 feet is the length La, in Figure 1.
  156. The load on the section Lb in Figure 1 is the same in mag-
  157. nitude, so this part could also be 12-1/2 feet long. However,
  158. a stock length for pipe is 21 feet. Assume that this is all that's
  159. available. Then the third section will need to end 1 foot
  160. above ground to reach the desired 40-foot total height. This
  161. is not unreasonable.
  162.  
  163.  If a counterweight is added to the lower part of the third
  164. section to just balance the top weight, the erection loads
  165. on the fixed upright pipe are essentially zero. Even if no
  166. counterweight is used, the balancing effect of the part Lb
  167. of Figure 1 reduces the load on the upright to less than
  168. the load on section R, of Figure 1. Thus, if the upright is
  169. no smaller than the lowest mast section, it will have ade-
  170. quate strength for erection.
  171.  
  172.  The wind load on the upright is that of the upper sec-
  173. tions plus that on the top 10-1/2 feet of the lower section,
  174. plus some amount on the upright. Assume that the upright
  175. is fully exposed (a safe assumption). The wind load to the
  176. top of the upright is 111 + 55, or 166 pounds per square
  177. foot maximum, the exact value depending on the final
  178. choice of upright length. From Figure 4, the upright can
  179. be only 6 feet long if it is 2-1/2 inches in diameter, or 13
  180. feet long if it is 3 inches in diameter. Since 12-1/2 feet is
  181. needed as a minimum, this is just about right (half of the
  182. 21-foot length of the 2-1/2 inch section, plus I-foot ground
  183. clearance).
  184.  
  185.  Even with the curves, the process is somewhat tedious
  186. and it's easy to make mistakes. Most of the tedium and mis-
  187. takes can be avoided by transferring the relations to a com-
  188. puter program. (Found in the W4MB program section)
  189.  
  190.  While this design is intended to be used without guys,
  191. they can be added for greater safety or increasing the allow-
  192. able wind load. Usually the wall thickness is sufficient to
  193. withstand the compressive forces caused by guy tension,
  194. but this should be checked if a guyed design is attempted.
  195.  
  196.  Factors affecting the length of pipe buried in the ground
  197. are discussed below. For this example, assume that this is
  198. 10 percent of mast height, or 4 feet. Total upright length
  199. is thus 13-1/2 + 4, or 17-1/2 feet. The jacket section buried
  200. in the ground needs to have i-inch clearance, so it must
  201. be a 4-foot length of 9inch diameter pipe.
  202.  
  203.  The results of this design example are:
  204.  
  205. Top section: 1-1/2 inch diameter top section, total length
  206. 8-1/2 feet, exposed 8 feet.
  207.  
  208. Second section: 2-inch diameter second section, total
  209. length 9-1/2 feet, exposed 9 feet.
  210.  
  211.   Lower section: 2-1/2 inch diameter lower section, total
  212. ;  length 21 feet, hinge at 12-1/2 feet, i-foot ground clearance
  213.   at bottom.
  214.  
  215.   Upright: 3-inch diameter upright, total length 17-1/2 feet,
  216.   exposed 13-1/2 feet, buried 4 feet.
  217.  
  218.   Jacket: 5-inch diameter, total length 4 feet, all buried.
  219.   If necessary, this design could be carried higher, using
  220.   larger pipe sizes.
  221.  
  222.    It is often necessary to try several initial assumptions as
  223.   to length and diameter of the top section. With a little prac-
  224.   tice, this can be done in a few minutes.
  225.  
  226.   Construction Details
  227.  
  228.    The 6-inch overlap assumed in the example is sufficient
  229. for either welding or bolt fastening. Bolts are suggested as
  230. they are simpler and allow disassembly.
  231.  
  232.  Two bolts at right angles passing completely through both
  233. pipe sections are recommended. The thread root diameter
  234. should be no less than the thickness of the larger section.
  235. As a refinement, drill and tap the outer pipe for alignment
  236. screws to be placed just above the top bolts and just below
  237. the bottom ones. These are a necessity if the pipe sections
  238. differ much in size (for example, if a 4-inch pipe is to be
  239. nested into a 5-inch one). The space between pipes can
  240. be filled with silicon rubber in the final assembly.
  241.  
  242.  The "U" strap hinge shown in Figure 1 should have a
  243. thickness at least as great as the wall thickness of the pipe
  244. it supports. For strength in bending, its width can be about
  245. 12 times the thickness. The pin hinge diameter should be
  246. at least twice the wall thickness for bending strength. (These
  247. bending forces are likely to occur in handling and erection,
  248. and are difficult to estimate).
  249.  
  250.  A second "U" and pin can be placed at the very bottom
  251. of the movable mast part to anchor it to the ginpole sec-
  252. tion. The pin can be drilled for insertion of a padlock, to
  253. prevent sabotage or tampering. A bicycle chain does nearly
  254. as well. Another refinement is to wrap both the ginpole and
  255. lower pipe section with several turns of barbed wire, about
  256. 8 feet above ground level. This helps prevent anyone from
  257. climbing the mast.
  258.  
  259.  The suggested assembly routine is to mark each sec-
  260. tion with the bolt locations and the nesting length. Then
  261. lay the pipe on the ground, with blocks or pegs to hold it
  262. in place. Use a cord to get the correct alignment. Drill one
  263. of the bolt holes, insert the bolt, and then drill for the other
  264. one. Without shop facilities, it's nearly impossible to pre-drill
  265. these holes and have them line up.
  266.  
  267.  Weight and area aloft can be reduced by turning the
  268. entire mast. This complicates the attachment to the ginpole
  269. section. However, the bearings needed can be simple
  270. sleeve bearings -- essentially "U" straps with filler blocks,
  271. plus bearing rings attached to the pipe. The vertical load
  272. on these bearings can be removed by mounting a heavy-
  273. duty rotator under the very bottom of the mast and using
  274. a scissors jack to raise the rotator and mast just enough
  275. to take the load off the straps. Look at one of the commer-
  276. cial designs for ideas.
  277.  
  278.  Since guys are not needed, the rotating mast type is
  279. excellent for stacked beams.
  280.  
  281. Foundations
  282.  
  283.  Because of the great variability of soils, it isn't possible
  284. to provide a set of all-purpose design curves for founda-
  285. tions. The best way of proceeding is to work with your
  286. county engineer, and use the practices developed for your
  287. particular area. The local power or telephone company
  288. should also be able to supply the necessary data.
  289.  
  290.  For reasonably good soils, like firm loams or clays, a good
  291. starting point is to assume that the foundation depth is equal
  292. to 10 percent of the height, with the jacket set in concrete
  293. of sufficient size to keep the soil load to a safe value. A max-
  294. imum load of 4000 pounds per square foot is often used,
  295. with the design adjusted to give a 100-percent safety fac-
  296. tor above the design load. If you haven't done this work
  297. before, the county engineer can show you the steps.
  298.  
  299.  The ginpole pipe section going into the ground must be
  300. protected from rust and corrosion on the inside and out-
  301. side. This is especially important to prevent rusting at the
  302. waterline, if free water is present.
  303.  
  304.  Usually, adequate protection can be assured by paint-
  305. ing the pipe with a grout of cement and water. Even better
  306. protection can be obtained by wrapping the outside with
  307. several layers of builder's felt, painted with cold application
  308. roofing tar as the felt is wound on.
  309.  
  310.  Pipe sections can be sealed with wooden plugs and a
  311. layer of silicon putty. The entire mast and all hardware
  312. should be painted as a last step before installation of the
  313. antennas. Aluminum Rustoleum TM is suggested, as it is
  314. compounded to remain flexible, and is nearly as good for
  315. rust prevention as a zinc coating.
  316.  
  317. Safety
  318.  
  319.  More and more communities are requiring permits for
  320. structures of this type. There may be height restrictions.
  321. Know your local laws!
  322.  
  323.  In many areas, one requirement for obtaining a permit
  324. is certification by a professional engineer. You can usually
  325. save time and cost by doing the preliminary design and
  326. analysis yourself; use standard formulas or the curves here.
  327. Do the work neatly, in an easy-to-follow form. The engineer
  328. will want to at least check the method and critical loads.
  329. If he wants to do a complete analysis, you'll be able to use
  330. it to argue about the cost of insurance coverage (a gener-
  331. ous policy is recommended).
  332.  
  333.  Any antenna mast can become a hazard if good safety
  334. practices are not followed. Remember that a quarter- or half-
  335. ton of steel 30 to 70 feet in the air is no toy. If you lack exper-
  336. ience or don't have the proper facilities, get qualified help.
  337. Always remember, safety is no accident. 
  338.  
  339. REFERENCE
  340.  
  341. 1 John J Nagei. KIKJ.  How to Calculate Wind load ng on Towers
  342.  and Antenna Structures
  343. Ham Radio, August 1974, page 16
  344.  
  345. (Note)
  346.  
  347.  Standard and extra strong (ASTM nomenclature) are the two pipe weights com-
  348. monly encountered. The American Petroleum Institute has a separate designation
  349. for well casing, but this is called tubing rather than pipe -- although some sizes
  350. are identical to pipe sizes. The critical dimensions for standard weight pipe are:
  351.      Size       Outer diameter Wall thickness
  352. 4 inch           4.5 inch         0237 inch
  353. 3-112 inch       4.0 inch         0226 inch
  354. 3 inch           35 inch          0216 inch
  355. 2-112 inch       2.875 inch       0203 inch
  356. 2 inch           2.375 inch       0.154 inch
  357. The ASTM recommended fiber stress values for standard weight pipe is 20,000
  358. psi (bending). The design procedure presented here uses a 10-percent reduction
  359. from this stress figure, based on good used pipe.
  360.  
  361.  Note that the extra-strength and double extra-strength sections do not nest
  362. because of thicker walls. Such heavier pipe can be used for the topmost section
  363. and for the standing or ginpole section. However, the curves apply only to stan-
  364. dard weight pipe or tubing of the sizes given in the table. Editor
  365.  
  366.  
  367. This article first appeared in the September 1974 issue of Ham Radio Editor
  368.  
  369.  
  370.  
  371.  
  372.  
  373.  
  374.  
  375.  
  376.  
  377.