Расчет фундамента под металлическую колонну

Обновлено: 19.05.2024

Такие основания всегда рассчитываются под конкретное геодезическое обеспечение. Для правильного обеспечения геодезических параметров проводится контроль вертикальных и горизонтальных высотных положений болтовых соединений. Для таких целей отлично подходят готовые шаблоны или специальный кондуктор.

Шаблоны – это металлические или деревянные рамки конкретных размеров, в которых уже есть готовые гнезда под будущие анкера. Они соединяются по опалубке с осями монолитного фундамента, закрепляются.

Шаблоны должны быть установлены абсолютно ровно, поэтому проводится дополнительное измерение вертикали с помощью строительного уровня или нивелира. В некоторых случаях оправданным будет использование сварочных работ, когда шаблоны жестко устанавливают на арматуру монолитной бетонной подушки.

Сейчас при возведении оснований под металлические колонны стали практиковать анкерные соединения, установленные в колодцах. Такие углубления заделываются в последнюю очередь, ведь головка болта измеряется геодезическими приборами, уточняется его положение и горизонтальное расположение.

Все монолитные подушки соединяются с колоннами с помощью мощных анкеров, ведь нагрузки на подушку огромные через большое расстояние между колоннами. Поэтому, кроме соединений, дополнительно используют специальные строительные обвязки и соединение конструкций в верхнем положении на ростверке. Обвязки состоят:

Металлического каркаса для фиксации болтовых шаблонов.
Металлических шаблонов. Их применяют для непосредственной фиксации конструкций, монтажа анкеров и болтовых соединений.

Также можно на бетонное основание устанавливать металлические рамки, обхваты и фиксаторы, соединять их между собой. После того, как все армирующие элементы между собой соединены, конструкция заливается бетоном и оставляется на месяц сохнуть. При этом все шаблоны и кондукторы демонтируются.

Как делается расчет колонного фундамента

Монолитный столбчатый фундамент под металлическую колонну

Как правило, расчет фундамента для металлической колонны подразумевает, способен ли грунт выдержать расчетную нагрузку фундамента, с которой он будет воздействовать на квадратном сантиметре площади, и сбор всех данных о будущем строительстве. Фактически, нужно получить полную информацию о здании, грунтах и грунтовых водах, провести сбор и систематизацию полученных данных и уже на их основании передать строителям готовый проект. Для этого нужно:

получить от архитектора проект будущего здания, спецификацию строительных материалов и коммуникаций;
рассчитать полную площадь опоры;
сделать сбор всех параметров, систематизировать их и получить фактическое расчетное давление здания в целом.

Как узнать нагрузку, которая будет создавать само здание? Для этого нужно получить подробные данные о самом здании, сделать сбор массы и характеристик всех материалов, которые могут использоваться при его возведении, а также проектируемых коммуникаций, будущей мебели, количества снега на крыше. Такой расчет состоит из нескольких частей:

Расчет перекрытий зданий и стальных колонн. Сначала нужно узнать массу самой металлической колонны, ведь она также, хоть и незначительно, создает давление на грунт. Для этого требуется посчитать объем конструкции. Делается это по геометрической формуле вычисления объема цилиндра. Так получится объем, который затем умножается на плотность металла для получения массы стальной колонны.
Затем нужно узнать массу перекрытий. Как правило, это фабричные изделия и каждый производитель уже указывает их массу. Поэтому, достаточно связаться с поставщиками.
Бывают случаи, когда на металлические колонны устанавливается ростверковая конструкция. Ее массу также не проблема рассчитать, ведь для этого достаточно знать, какое количество бетона или готовых бетонных конструкций пойдет на строительство ростверка.
Расчет массы стен. Тут многое зависит от материала, ведь кирпич весит меньше, чем бетон, но больше, чем пеноблоки. Соответственно, стоит провести сбор данных обо всех строительных материалах, используемых при строительстве здания.
Расчет крыши. Сюда входит спецификация материалов, из которых сделано чердачное помещение, а также спецификация всех материалов крыши, вплоть до внешнего покрытия. При проектировании сооружения архитектор предоставляет подробную спецификацию, поэтому посчитать суммарную массу конструкций не составит труда.
После суммирования всех полученных данных будет вычислена цифра, которая характеризует максимально допустимую нагрузку на опоры фундамента.

Чтобы узнать, какая сила давит на единицу площади опоры, нужно знать ее габаритные размеры. Если стальной столб имеет квадратное сечение 50 х 50 см, то площадь опоры будет составлять 2500 см². Тогда давление, которое будет воздействовать на единицу площади грунта, вычисляется методом деления массы здания на площадь одной опоры.

Но всегда существует правило: большее количество опор не будет лишним, поэтому часто проектировщики устанавливают опоры с интервалом приблизительно 1,5 – 3 м. Это делается с целью предоставления необходимого резерва прочности на конструкции, связанные с несанкционированной достройкой, обустройством помещений или установкой тяжелого промышленного оборудования. Как правило, при расчетах предоставляют обязательный 50% резерв прочности на каждую опору.

Использование анкеров при укладке опор

Фундамент под металлическую колонну укладывается с применением анкерных болтов. Эти анкера укладывают прямо в саму опору. Укладка должна происходить под строгим контролем и с точной разбивкой. Допустимое отклонение около 2 мм.

Все анкера устанавливаются на осях и крепятся на самом верху опалубки. Важным этапом является контроль над установкой таких болтов. Должна контролироваться высота положения. Для этого используют шаблон или кондуктор. Он помогает правильно установить все болты. Шаблон – специальная рама, которая сделана из металла или дерева. В ней находятся специальные гнезда для прикрепления болтов. Также на ней находятся специальные риски, с помощью которых она крепится на опалубке к осям по всей опоре.

Не так давно анкерные болты начали помещать в колодцы, которые оставляют в конструкции и заделываются уже после всей установки. Анкера больших размеров и со значительным весом укладывают в опорах под очень высокие постройки (их используют под колонны промышленных зданий). Чтобы их удержать, делают некие приспособления. При установке таких устройств используют каркасы, которые используют для поддержки шаблонов с анкерными устройствами в необходимом положении при заливании бетонной смеси, и шаблоны, которые используют для прикрепления анкеров.

Устройство анкера очень сложное в установке. Крепления производятся с высокой точностью и делаются очень надежно. При укладке именно замеры и разметка считается самой сложной задачей. Для надежности и большей точности изготавливают специальные шаблоны, которые называют кондукторами. Это по своей сути такие приспособления в виде рам, которые делают из металлических отрезков. На этой раме точно проведены оси, сделаны отверстия для разметки будущих креплений. Если в работе будут использовать легкие болты, то такой кондуктор можно изготовить из дерева.

Особенности фундамента под металлические колонны

Есть здания, в которых требования к прочности увеличены. Это строения, относящиеся к объектам промышленного назначения, энергетики.

Как правило, здесь используется столбчатый фундамент под металлическую колонну каркасного типа, когда нагрузка от здания приходится на металлические столпы, устанавливаемые внутри чаши, выполненной из бетона. Особенность фундаментов под колонны из стали заключается в том, что предварительно подготавливается подушка, внутри которой делается углубление. Сюда и будет крепиться колонная, путем анкерной фиксации.

Этапы строительства

Применение металлических столпов не предполагает наличие сборных конструкций. В противном случае пришлось бы делать дополнительный расчет несущих характеристик строения.

Оптимальный вариант – это использование монолитного фундамента из бетона. Указанный вид основания прочнее, быстро заливается. Строительный процесс разделяют на следующие этапы:

Предварительно рассчитывают максимально допустимые нагрузки, оказываемые на подушку основания;
Проводится разметка точек, где будут установлены колонны. Затем проводятся земляные работы;
Роется скважина. Длина и размер котлована зависит от сечения металлической колонны и расчетной глубины;
Теперь нужно сделать внешнюю опалубку. Для этого берутся доски, рекомендуется использовать фанеру с влагостойким покрытием. Как правило, такая опалубка несъемная;
Делается подушка из песка и гравия. Предварительно поверхность грунта выравнивается, затем засыпают песок. Слой не больше 15 см, тщательно трамбуется. Сверху засыпается щебень. Слой не больше 20-25 см. Также тщательно трамбуется и выравнивается по горизонтали;
Следующим этапом идет создание армирующего пояса, который будет основным. Металлические прутья устанавливаются по периметру подушки. Арматуру располагают как по вертикали, так и по горизонтали;
Теперь подготовленный котлован заполняют бетонным раствором

Важно использовать бетон марки 200М. Перед тем, как запускать раствор необходимо установить геодезические уровни, а также высотные знаки

Это будут указатели, где будут размещаться металлические колонны. Также эти указатели помогут при проведении ремонтных работ фундамента, из-за просадки.

Внутри углублений устанавливаются анкерные соединения, с помощью которых происходит крепление стальных элементов. Но и здесь есть свои особенности.

Надежность и прочность крепления проверяется следующим образом: после того, как анкера привариваются к арматурному слою, бетонное основание разбивают и смотрят на состояние болтов. Если последние остались на месте, значит, монтаж проведен правильно и можно продолжать строительство. В случае, когда конструкция отклонилась от центра даже на 2 миллиметра, возникает необходимость замены анкерных болтов. Проверку проводят после каждой установки. В противном случае возведенная конструкция будет неустойчивой и может привести к разрушению здания.

Значимые требования к фундаменту

В типовом строительстве каркасные здания возводятся только промышленного назначения. С развитием сегмента индивидуальных построек из нескольких этажей большой площади стали востребованы несущие опоры в виде колонн как в самих домах, так и в придомовых сооружениях (балконы, ограждения, навесы, гараж на несколько автомобилей).

Часто каркасная конструкция наружных стен, поддержки перекрытий выполняется в виде столбов из армированного монолита с заполнением промежутка между ними легкими газобетонными блоками. Неравномерная просадка бетонных стоек приведет к растрескиванию материала стен. Поэтому нужно ответственно подойти к правильному устройству фундамента под несущими элементами, которые изготавливаются в виде столбов.

Основным документом для такого строительства будет «Руководство по проектированию фундаментов на естественном основании под колонны зданий и сооружений промышленных предприятий».

Готовые железобетонные изделия

При проектировании опорной части строения в расчет можно закладывать стандартные элементы заводского производства с уже известными характеристиками и монтажными петлями для быстрой установки.

Основные характеристики кранов

При проектировании новых сооружений основные
характеристики кранов следует принимать по стандартам типов, основных
параметров и размеров (пока такие стандарты имеются только для специальных
кранов с гибким подвесом траверсы и для нескольких видов (металлургических
кранов) или по техническим условиям заводов подъемно-транспортного оборудования
(ЗПТО), выпускающих краны: общего назначения — табл. и специальные — табл. . При
реконструкции эти характеристики следует принимать по паспортным данным
установленных кранов. Характеристики ранее выпускавшихся кранов приведены также
в Справочнике по кранам. Т. 2. Характеристики кранов, крановые механизмы, их
узлы и детали, техническая эксплуатация (Л., 1973).

Расчет столбчатых фундаментов металлического каркаса

Пример расчета столбчатых фундаментов. Исходные данные

Площадка строительства характеризуется следующими атмосферно-климатическими воздействиями и нагрузками:

вес снегового покрова (расчетное значение) - 240 кг/м 2 ;
давление ветра — 38 кг/м 2 ;

Геология

Относительная разность осадок (Δs/L)_u = 0,004;
Максимальная S_{umax или средняя S_u осадка = 15 см;}Нагрузки на столбчатые фундаменты получены из ПК ЛИРА.
Для ручного расчета рассмотрим фундаменты Фм3 и Фм4

Ручной расчет

Определение размеров подошвы фундамента

Основные размеры подошвы фундаментов определяем исходя из расчета оснований по деформациям. Площадь подошвы предварительно определим из условия:

где P- среднее давление по подошве фундамента, определяем по формуле:

A - площадь подошвы фундамента.

N – вертикальная нагрузка на обрезе фундамента

G – вес фундамента с грунтом на уступах

где γ - среднее значение удельного веса фундамента и грунта на его обрезах, принимаемое равным 2 т/м 3 ;

d - глубина заложения;

Для предварительного определения размеров фундаментов, P определяем по таблице В.3 [СП 22.13330.2011]

Р = 250 кПа = 25,48 т/м 2 .

Для фундамента Фм3, N = 35,049 т

A = 35,049 т / (25,48 т/м 2 - 2,00 т/м 3 · 3,300 м) = 35,049 т/18,88 т/м 2 = 1,856 м 2 .

Принимаем габариты фундамента b = 1,5 м

Для фундамента Фм4, N = 57,880 т

A = 57,880 т / (25,48 т/м 2 - 2,00 т/м 3 · 3,300 м ) = 57,880 т / 18,88 т/м 2 = 3,065 м 2 .

Принимаем габариты фундамента b = 1,8 м

1. Определение расчетного сопротивления грунта основания

5.6.7 При расчете деформаций основания фундаментов с использованием расчетных схем, указанных в 5.6.6, среднее давление под подошвой фундамента р не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания R, определяемого по формуле

где γ_с1 и γ_с2 коэффициенты условий работы, принимаемые по таблице 5.4[1];

k- коэффициент, принимаемый равным единице, если прочностные характеристики грунта (φ_п и с_п) определены непосредственными испытаниями, и k=1,1, если они приняты по таблицам приложения Б[1];

b- ширина подошвы фундамента, м (при бетонной или щебеночной подготовке толщиной h_n допускается увеличивать b на 2h_n);

γ_II- осредненное (см. 5.6.10 [1]) расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), кН/м 3 ;

γ'_II - то же, для грунтов, залегающих выше подошвы фундамента, кН/м 3 ;

с_II- расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента (см. 5.6.10[1]), кПа;

d₁- глубина заложения фундаментов, м, бесподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле (5.8)[1]. При плитных фундаментах за d₁принимают наименьшую глубину от подошвы плиты до уровня планировки;

d_b- глубина подвала, расстояние от уровня планировки до пола подвала, м (для сооружений с подвалом глубиной свыше 2 м принимают равным 2 м);

здесь h_s- толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м;

h_cf - толщина конструкции пола подвала, м;

γ_cf - расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала, кН/м 3 .

При бетонной или щебеночной подготовке толщиной h_n допускается увеличивать d₁на h_n.

Примечания

1 Формулу (5.7)[1] допускается применять при любой форме фундаментов в плане. Если подошва фундамента имеет форму круга или правильного многоугольника площадью А, значение bпринимают равным .

2 Расчетные значения удельного веса грунтов и материала пола подвала, входящие в формулу (5.7)[1] допускается принимать равными их нормативным значениям.

3 Расчетное сопротивление грунта при соответствующем обосновании может быть увеличено, если конструкция фундамента улучшает условия его совместной работы с основанием, например фундаменты прерывистые, щелевые, с промежуточной подготовкой и др.

4 Для фундаментных плит с угловыми вырезами расчетное сопротивление грунта основания допускается увеличивать, применяя коэффициент k_d по таблице 5.6 [1].

5 Если d₁>d (d- глубина заложения фундамента от уровня планировки), в формуле (5.7)[1] принимают d₁ = d и d_b = 0.

6 Расчетное сопротивления грунтов основания R, определяемое по формулам (В.1)[1] и (В.2)[1] с учетом значений R₀ таблиц B.1-В.10[1] приложения B[1], допускается применять для предварительного назначения размеров фундаментов в соответствии с указаниями разделов 5-6[1].

Исходные данные:

Основание фундаментом являются - суглинком лессовидным непросадочным полутвёрдой консистенции, желто-бурого цвета, с включением прослоев супеси, ожелезненный. (ИГЭ 2)

Для фундамента Фм3 : b = 1,50 м;

Для фундамента Фм4 : b = 1,80 м;

Для фундамента Фм3:

R = (1,10 ·1,00) / 1,00· [0,72 · 1,00 · 1,50 м · 1,780 т/м 3 + 3,87· 3,30 м· 1,691 т/м 3 +

+ (3,87 – 1,00) · 0,0· 1,691 т/м 3 + 6,45·1,1 т/м 2 ] = 1,10· (1,922 т/м 2 +21,596 т/м 2 +

+ 0,0 + 7,095 т/м 2 ) = 33,674 т/м 2 .

Для фундамента Фм4:

R = (1,10 ·1,00) / 1,00 · [0,72 · 1,00 · 1,80 м·1,780 т/м 3 + 3,87 · 3,30 м·1,691 т/м 3 +

+ (3,87 – 1,00) ·0,0·1,691 т/м 3 + 6,45·1,1 т/м 2 ] = 1,10 · (2,307 т/м 2 + 21,596 т/м 2 +

+ 0,0 + 7,095 т/м 2 ) = 34,098 т/м 2 .

2. Определение осадки

5.6.31 Осадку основания фундамента s, см, с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства (см. 5.6.6[1]) определяют методом послойного суммирования по формуле

где b - безразмерный коэффициент, равный 0,8;

σ_zp,i - среднее значение вертикального нормального напряжения (далее - вертикальное напряжение) от внешней нагрузки в i-м слое грунта по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента (см. 5.6.32[1]), кПа;

h_i - толщина i-го слоя грунта, см, принимаемая не более 0,4 ширины фундамента;

E_i - модуль деформации i-го слоя грунта по ветви первичного нагружения, кПа;

σ_z_γ_,i - среднее значение вертикального напряжения в i-м слое грунта по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, от собственного веса выбранного при отрывке котлована грунта (см. 5.6.33[1]), кПа;

Е_е,i - модуль деформации i-го слоя грунта по ветви вторичного нагружения, кПа;

n - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

При этом распределение вертикальных напряжений по глубине основания принимают в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 5.2.

DL - отметка планировки; NL - отметка поверхности природного рельефа; FL - отметка подошвы фундамента; WL - уровень подземных вод; В, С - нижняя граница сжимаемой толщи; d и d_n - глубина заложения фундамента соответственно от уровня планировки и поверхности природного рельефа; b - ширина фундамента; р - среднее давление под подошвой фундамента; s_zg и s_zg,0 - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; σ_zp и σ_zp,0 - вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; σ_zγ,i - вертикальное напряжение от собственного веса вынутого в котловане грунта в середине i-го слоя на глубине z от подошвы фундамента; Н_с - глубина сжимаемой толщи

Рисунок 5.2 - Схема распределения вертикальных напряжений в линейно-деформируемом полупространстве

Примечания:

1 При отсутствии опытных определений модуля деформации Е_е,i для сооружений II и III уровней ответственности допускается принимать Е_е,_i = 5Е_i.

2 Средние значения напряжений σ_zp,i и σ_z_γ_,i в i-м слое грунта допускается вычислять как полусумму соответствующих напряжений на верхней z_i-1 и нижней z_i границах слоя.

5.6.32 Вертикальные напряжения от внешней нагрузки σ_zp = σ_z - σ_zu зависят от размеров, формы и глубины заложения фундамента, распределения давления на грунт по его подошве и свойств грунтов основания. Для прямоугольных, круглых и ленточных фундаментов значения s_zp, кПа, на глубине z от подошвы фундамента по вертикали, проходящей через центр подошвы, определяют по формуле

где α - коэффициент, принимаемый по таблице 5.8[1] в зависимости от относительной глубины ξ, равной 2z/b;

р - среднее давление под подошвой фундамента, кПа.

5.6.33 Вертикальное напряжение от собственного веса грунта на отметке подошвы фундамента σ_zγ = σ_zγ - σ_zu, кПа, на глубине z от подошвы прямоугольных, круглых и ленточных фундаментов определяют по формуле

где α - то же, что и в 5.6.32[1];

s_zg,0 - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на отметке подошвы фундамента, кПа (при планировке срезкой σ_zg,0 = γ'd, при отсутствии планировки и планировке подсыпкой σ_zγ,0 = γ'd_n, где γ' - удельный вес грунта, кН/м 3 , расположенного выше подошвы; d и dn, м, - см. рисунок 5.2[1]).

При этом в расчете σ_z_γ используются размеры в плане не фундамента, а котлована.

5.6.34 При расчете осадки фундаментов, возводимых в котлованах глубиной менее 5 м, допускается в формуле (5.16) не учитывать второе слагаемое.

5.6.41 Нижнюю границу сжимаемой толщи основания принимают на глубине z = Н_c, где выполняется условие σ_zp = 0,5σ_zγ. При этом глубина сжимаемой толщи не должна быть меньше Н_min, равной b/2 при b ≤ 10 м, (4 + 0,1b) при 10 ≤ b ≤ 60 м и 10 м при b > 60 м.

Если в пределах глубины Н_с, найденной по указанным выше условиям, залегает слой грунта с модулем деформации Е > 100 МПа, сжимаемую толщу допускается принимать до кровли этого грунта.

Если найденная по указанным выше условиям нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации Е ≤ 7 МПа или такой слой залегает непосредственно ниже глубины z = Н_с, то этот слой включают в сжимаемую толщу, а за Н_с принимают минимальное из значений, соответствующих подошве слоя или глубине, где выполняется условие σ_zp = 0,2_s_zγ.

При расчете осадки различных точек плитного фундамента глубину сжимаемой толщи допускается принимать постоянной в пределах всего плана фундамента (при отсутствии в ее составе грунтов с модулем деформации Е > 100 МПа).

Площадь подошвы фундамента Фм3: S = 2,25 м 2 (габариты 1,50 м × 1,50 м).

Нормативная нагрузка от конструкций N = 29,208 т

при b = 1,5 м ≤ 10 м

Таблица: Осадка фундамента Фм3

Сжимаемая толща основания H = 2,00 м > H_min = 0,75 м

Осадка фундамента: S = 0,8·0,049 м = 0,0392 м (3,92 см) < 15 см (Приложение Д.[1])

Площадь подошвы фундамента Фм4: S = 3,24 м 2 (габариты 1,80 м × 1,80 м).

Нормативная нагрузка от конструкций N = 47,598 т

при b = 1,8 м ≤ 10 м

Таблица: Осадка фундамента Фм4

Сжимаемая толща основания H = 2,00 м > H_min = 0,90 м

Осадка фундамента: S = 0,8· 0,061 м = 0,0488 м (4,88 см) < 15 см (Приложение Д. [1])

3. Определяем армирование подошвы фундамента

Для фундамента Фм3

Поперечная сила у грани колонны и грани подошвы (2.25) [2]:

p p _ср = N₀ / A = (35,049 т + 2,00 т/м 3 · 3,300 м · 1,500 м · 1,500 м) / (2,250 м 2 ) =

= 49,899 т / 2,250 м 2 = 22,177 т/м 2

Q_I = 22,177 т/м 2 · 1,50 м · ( 1,50 м – 0,40 м) / 2 = 18,296025 т

Q_II = 22,177 т/м 2 · 1,50 м · ( 1,50 м – 0,90 м) / 2 = 9,97965 т

Проверяем выполнение условий (2.26)[2], для бетона класса В15,

Условия выполняются, поэтому установка поперечной арматуры не требуется и расчет на поперечную силу не производится.

Определяем изгибающие моменты у грани колонны и у грани подошвы по формуле (2.31)[2]

М_I = 0,125 · 22,177 т/м 2 · (1,50 м – 0,40 м) 2 · 1,50 м = 5,0314 тм

М_II = 0,125 · 22,177 т/м 2 · (1,50 м – 0,90 м) 2 · 1,50 м = 1,4969 тм

В качестве рабочих стержней примем арматуру класса A-III с расчетным сопротивлением R_s = 37206,93 т/м 2 .

Требуемая площадь сечения арматуры по формуле (2.32)[2]

А_sI = 5,0314 тм / (0,9 · (3,600 м – 0,040 м) · 37206,93 т/м 2 ) =

= 5,0314 тм / 119211,00372 т/м 2 = 0,000042 м 2 = 0,42 см 2 .

А_sII = 1,4969 тм / (0,9 · (0,300 м – 0,040 м) · 37206,93 т/м 2 ) =

= 1,4969 тм / 8706,421 т/м 2 = 0,000172 м 2 = 1,72 см 2 .

Принимаем 8 Ø10 A-III А_s = 6,280 см 2 , шаг 200 мм.

Для фундамента Фм4

p p _ср = N₀ / A = (57,880 т + 2,00 т/м 3 · 3,300 м · 1,800 м · 1,800 м) / (3,240 м 2 ) =

= 79,264 т / 3,240 м 2 = 24,464 т/м 2

Q_I = 24,464 т/м 2 · 1,80 м · ( 1,80 м – 0,40 м) / 2 = 30,82464 т

Q_II = 24,464 т/м 2 · 1,80 м · ( 1,80 м – 0,90 м) / 2 = 19,81584 т

М_I = 0,125 · 24,464 т/м 2 · (1,80 м – 0,40 м) 2 · 1,80 м = 17,050 тм

М_II = 0,125 · 24,464 т/м 2 · (1,80 м – 0,90 м) 2 · 1,80 м = 4,458 тм

А_sI = 17,054 тм / (0,9 · (3,600 м – 0,040 м) · 37206,93 т/м 2 ) =

= 17,054 тм / 119211,00372 т/м 2 = 0,000143 м 2 = 1,43 см 2 .

А_sII = 4,458 тм / (0,9 · (0,300 м – 0,040 м) · 37206,93 т/м 2 ) =

= 4,458 тм / 8706,421 т/м 2 = 0,000512 м 2 = 5,12 см 2 .

Принимаем 9 Ø10 A-III А_s = 7,065 см 2 , шаг 200 мм.

Относительная разность осадок (4,88 см – 3,92 см) / 600 см = 0,0016 < 0,004

Расчет по программе «ФОК-Комплекс»

Исходные данные для «ФОК-Комплекс»

Результаты

Выводы

Сведем в таблицу полученные варианты расчета столбчатых фундаментов

Как видно, результаты по ручному расчету не сильно отличается от результатов ФОК Комплекс, но при ручном вычислении, мы я не проверял на продавливание, на ширину раскрытия трещин и т.д., а при необходимо посчитать большое количество фундаментов (столбчатых, ленточных, на свайном основании), ручной расчет становится громоздким. Ручной расчет я использую, если нет под рукой программ или необходимо проверить полученные результаты по программе. Использование бесплатных программ возможно, но желательно чтобы они выдавали развернутые результаты, а платные программы должны быть сертифицированными. На данные момент ФОК Комплекс помогает производить расчет фундаментов, сразу введя весь план фундаментов (разных типов), но и выдать чертежи.

Особенности фундаментов под стальные колонны

Металлическая колонна с анкерными креплениями

Существует ряд зданий, где есть особенные требования к типу и прочности фундаментов. В большинстве случаев, это объекты промышленного назначения, а также различные предприятия энергетической отрасли.

Такие здания часто возводятся на фундаментах каркасного типа, где основную нагрузку принимает на себя металлическая колонна, установленная внутри специальной бетонной чаши или углубления.

Все фундаменты под стальные колонны отличаются особенной конструкцией, ведь изначально создается прямоугольная или квадратная бетонная подушка с углублением, где с помощью анкеров устанавливается и фиксируется колонна.

Кроме зданий с анкерными соединительными элементами, также в таких основаниях можно предусмотреть:

трубопроводы различного типа и диаметра;
канализационные системы с анкерными крепежами;
электрические сети;
специальные поддерживающие элементы и конструкции.

Учитывая высокие требования по прочности к таким конструкциям, все расчеты и дальнейшее возведение проводится максимально точно, контроль качества на каждом этапе возведения, а строительные материалы полностью соответствуют нормам.

Монолитный фундамент под металлическую колонну

Устройство монолитного основания под металлическую стальную колонну

Как правило, при строительстве таких фундаментов редко используются сборные конструкции, ведь тогда приходится делать дополнительные расчеты несущих способностей зданий.

В таких случаях лучше монолитный бетонный фундамент, ведь он и прочнее, и быстрее заливается. Этапы возведения монолитной подушки для колонны приблизительно следующие:

Расчет максимально допустимых нагрузок на подошву.
Проведение разметки мест установки колонн, подготовка почвы.
Рытье котлована на заданную глубину и соответствующих размеров.
Подготовка внешней опалубки. Она делается с досок или влагостойкой фанеры, в большинстве случаев несъемная.
Выравнивание внутренней поверхности котлована, формирование песчано-гравийной подушки.
Создание основного армирующего пояса по периметру подушки в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Заливка котлована бетоном. В это время заблаговременно устанавливаются геодезические уровни и высотные знаки. Они используются при дальнейшем монтаже колонн, а также при ремонте фундамента через просадку.

Как правило, при возведении колонных фундаментов делаются различные высотные отметки, они наносятся на внешний слой бетона, также указывается уровень расположения анкерных соединений, закладочных элементов и других монтажных аксессуаров.

Анкерные соединения

Конструктивная схема с указанием нахождения анкерных соединений

В зависимости от типа выбранной колонны, анкерные соединения подбираются в индивидуальном порядке. Установки и фиксация колонны выполняется с помощью больших болтов или анкеров, которые затем привариваются к арматурному слою и надежно удерживают колонну в вертикальном положении.

Отличительная особенность монтажа соединительных элементов в том, что после их закрепления фундамент разбивают. Если после этого отклонения болтов не произошло, то монтаж считают выполненным правильно, а если есть отклонения центров на расстояние от 2 мм, тогда анкера заменяют.

Расчет фундаментов под колонны

Как рассчитывается фундамент под металлические колонны

Изображение металлической колонны на обустроенном фундаменте

Несмотря на огромную популярность каркасных ленточных или монолитных фундаментов, в некоторых случаях они не могут использоваться из-за особенностей почвы, нагрузок на единицу площади конструкции, особенностей самого здания. Как правило, колонные фундаменты часто строятся для промышленных предприятий тяжелой энергетики, машиностроения и для военных нужд.

Такие бескаркасные фундаменты выдерживают огромные нагрузки, но расчет делается всегда каждой колонны отдельно, ведь тут проводится полный сбор всех допустимых нагрузок со стороны самого здания, почвы и климатических условий в регионе строительства.

Какие бывают колонны?

Эскиз обустройства фундамента под металлической колонной

Железобетонные. Они отличаются прочностью, производятся в промышленных условиях, поэтому соответствуют всем нормам качества, а также марке бетона. Внутри таких колонн уже предусмотрено несущее армирование, но колонны такого типа тяжелые и для их монтажа приходится использовать мощную строительную технику.

Металлические. Они более легкие, чем железобетонные, но при этом тут используются совсем иные методы монтажа. К тому же, при расчете нужно однозначно определиться изначально, какой тип колонны лучше использовать.

Какие данные нужно собрать для правильного расчета фундамента под колонны?

Схема соединения металлической колонны с арматурой фундамента

Расчет колонного фундамента провести довольно сложно, ведь тут проводится сбор сразу многих факторов. Понятно, что самостоятельно такие сложные вычисления сделать практически невозможно, нужно специальное образование и навыки. Поэтому, перед началом расчета колонного фундамента, нужно получить следующие данные:

особенности климатических условий в регионе строительной площадки, тип и мощность ветров, а также периодичность ливней;
создать подробную геодезическую карту, причем лучше делать скважинный анализ с целью получить данные о структуре почвы, толщине мягких и прочных пород. Также нужно получить данные о залегании грунтовых вод, их сезонном движении;
масса самого здания. Чем она больше, тем и колонны должны быть мощнее. Понятно, что для железобетонных колонн используются фундаменты стаканного типа, а для металлических – совсем другие;
тип колонны, ее несущие характеристики, степень растяжения и сжатия при воздействии повышенных и пониженных температур;
тип бетона, его марка, состав и эксплуатационные характеристики;
структура будущего сооружения, материал несущих стен и перекрытий, высота сооружения.

Раньше расчет колонного основания делали на глаз, используя стандартные показатели допустимых нагрузок. Например, стандартная глубина погружения подушки составляла до 200 мм, а верхняя ее часть выступала из грунта на высоту до 50 мм.

Такие колонны не способны выдерживать подвижки почвы, ведь подушка быстро вымывалась и основание разрушалось. Теперь в расчете четко указывается максимально допустимая глубина погружения подушки, она должна быть ниже глубины промерзания почвы, где нагрузок уже практически нет.

Монолитный столбчатый фундамент под металлическую колонну

Теперь самый важный этап расчета фундамента для стальной опоры – это исследование характеристик грунта и сбор данных о его расчетном сопротивлении. Такие данные предоставит геодезическая служба. Если сопротивление грунта будет больше, чем расчетное от самого здания, тогда опора выдержит нагрузку и не деформируется со временем. Если показатели меньше, тогда нужно увеличивать количество столбов.

Дополнительные расчеты фундаментов для металлических колонн

Расположение металлической колонны в колодце

Также проводится дополнительный расчет под существующие и перспективные геодезические изыскания. Для правильного обеспечения геодезии проводится контроль анкерных соединений, а именно высотное расположение их головок. Для этого используются шаблоны или кондуктор.

Шаблон – это металлическая плоская рама с готовыми гнездами для болтовых соединений. Они соединяются на опалубке с основными осями фундамента, затем закрепляются. Для получения более точных данных, на колонне изначально указывается уровень установки шаблона с целью контроля степени его смещения.

Анкера шаблона рекомендуется приварить к арматуре колонны, чтобы устранить вертикальное смещение во время крепежа конструкций. После заливки бетоном основания колонны, проводится первичный контроль над месторасположением шаблона и при необходимости делается корректировка еще до того, как бетон застынет.

Сейчас, увеличения прочности каркаса основания для стальной колонны достигают с помощью соединения стали и размещения в специальных колодцах. Такие углубления изначально предусматриваются в чаше основания, оно постоянно остается открытым, и бетоном не заливается на первом этапе строительства. Только, когда болт будет установлен, зафиксирован и его расположение точно замерено, тогда колодец закрывают.

Как рассчитать столбчатый фундамент?

Фундаментное основание столбчатого типа представляет собой бетонную или металлическую раму (ростверк), опирающуюся на вертикальные столбы, заглубленные в грунт на определенную глубину.

Материалом для устройства столбов может служить железобетон, полнотелый глиняный кирпич, блоки, металлические трубы или бутовый камень. В нижней части каждой опорной колонны может быть предусмотрена более широкая подошва для увеличения площади опоры. Поперечное сечение вертикальных опор может быть круглым или квадратным.

Варианты столбчатых оснований.

Надежность фундаментной конструкции в значительной мере зависит от расчета столбчатого фундамента и правильного расположения опорных столбов, которые должны быть установлены:

под всеми углами здания;
в местах примыкания и пересечения стен;
на прямых участках ростверка не далее двух метров друг от друга.

Конструкция рамы ростверка должна служить опорой для всех несущих стен и перегородок. При большой длине здания следует предусмотреть дополнительные поперечные перемычки для обеспечения более надежной связи между продольными балками.

Требования к применению столбчатых оснований

Низкая стоимость конструкции с опорой на вертикальные столбы делает ее весьма привлекательной для частных застройщиков. Однако этот тип фундаментов имеет ряд ограничений по применению.

К неблагоприятным условиям для применения столбчатых оснований относят:

вероятность горизонтальной подвижности грунтов и боковые внешние нагрузки;
склонную к просадке или пучинистости почву;
высокий уровень грунтовых вод, которые не должны подходить к подошве ближе 500 мм;
глубина промерзания грунта более 1,5 м;
перепады высот на участке застройки больше 2-х метров;

Уменьшенная несущая способность позволяет использовать его только для каркасных домов, строительства легких жилых зданий из щитовых и деревянных материалов, а так же небольших бань, веранд, пристроек, хозяйственных сооружений и под каркасный гараж.

Удельный вес стенового материала для одноэтажных зданий не должен превышать 1000 кг/м 3 , а толщина стен — менее 400 мм. Применение тяжелых железобетонных перекрытий, балок и перемычек не допускается.

Для таких помещений как веранды, пристройки и флигеля, рекомендуется делать собственный фундамент. Вес их конструкций намного меньше самого жилого дома. Поэтому можно использовать более простую и дешевую конструкцию. Кроме того, такое отделение может значительно уменьшить общую площадь дома и приведет к другим расчетным результатам.

Исходные данные для проведения расчета

Для того, чтобы правильно выполнить расчет количества опор столбчатого фундамента, необходимо обладать информацией. К таким исходным данным для расчета относится:

отчет об инженерно-геологических изысканиях, включающий структуру поперечных разрезов почвы и данные о залегании грунтовых вод;
несущая способность грунта;
глубина промерзания и величина снегового покрова в данной местности, взятые из СП 131.13330.2012 «Строительная климатология»;
данные об удельном весе строительных конструкций, из которых будет построено здание, взятые из СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия».

Если вы решили не привлекать специалистов для проведения изыскательских работ, а сведений о геологии участка у вас нет, то потребуется выполнить изучение грунтов самостоятельно.

Для этого на участке застройки необходимо выкопать 2-3 шурфа на глубину не менее чем 0,5 метра ниже опорной подушки фундамента. Если при этом будет обнаружен влагосодержащий слой, то использовать для постройки столбчатый фундамент нельзя. Придется выбрать более дорогое основание.

Оценка несущей способности грунта

Природный состав грунта определяет его несущую способность и поэтому, после изучения геологических данных, необходимо выбрать из табл. 1-5 на стр.6 СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений» данные о расчетном сопротивлении грунтов, соответствующих реальной ситуации. При этом следует учитывать, что приведенные числовые значения относятся к глубине заложения более 1,5 метра. Подъем на каждые 500 мм вверх увеличивает это значение в 1,4 раза.

Таблица сопротивлений грунта (R).

Определение весовых нагрузок на фундаментное основание

Вес строительных конструкций здания, снегового покрова в зимнее время, инженерного оборудования и бытового оснащения является важнейшим определяющим фактором для расчета фундамента. Можно попытаться выполнить расчет каждой отдельной конструкции по удельному весу составляющих ее элементов, но это очень большая и сложная задача. В справочной литературе уже приводятся средние обобщенные данные, которые можно взять за основу. Вот некоторые из них:

стена из бруса при толщине 150 мм – 120 кг/м 2 ;
бревенчатые стены 240 мм – 135 кг/м 2 ;
каркасные стены с утеплителем толщиной 150 мм – 50 кг/м 2 ;
пенобетонные блоки марки D600300 мм – 180 кг/м 2 ;
междуэтажное перекрытие по деревянным балкам с утеплителем – 100 кг/м 2 ;
такое же чердачное перекрытие с учетом утеплителя – 150 кг/м 2 ;
бетонные пустотные плиты – 350 кг/м 2 ;
эксплуатационная нагрузка перекрытий – 200 кг/м 2 ;
кровля с покрытием из металлочерепицы – 30 кг/м 2 ;
крыша с шифером – 50 кг/м 2 ;
кровля с керамической черепицей – 80 кг/м 2 ;
снеговая нагрузка для средней полосы России – 100 кг/м 2 ;
для южных регионов – кг/м 2 .

При проведении расчетов так же следует учесть массу самого фундамента. Для этого следует определить его объем и умножить на средний удельный вес железобетона – 2500 кг/м2. Угол скатной крыши может уменьшить или увеличить указанную здесь величину при его изменении.

Вес строительных конструкций.

Общий расчет столбчатого фундамента

Выполнение расчета фундаментной конструкции основано на определении суммарной площади сечения всех опорных столбов фундамента (S). Она определяется как отношение общей массы здания (Р) к расчетному сопротивлению грунта (Ro) по формуле:

S = 1.4 x P/Ro, где 1,4 — это коэффициент запаса прочности.

При составлении предварительной схемы расположения фундаментных столбов была определена их расстановка и минимально возможное количество. Поэтому, разделив общую площадь сечения на число опор, можно получить размеры сечения каждого отдельного столбчатого фундамента под колонну.

Если размер колонн получился менее 400 мм, то следует принять этот минимальный размер. При необходимом сечении столбов более 600 мм, требуется увеличить их количество на схеме, изменяя расстояния между опорами на прямых участках таким образом, чтобы весовая нагрузка распределялась более равномерно.

Минимальная площадь опорной подушки должна превышать сечение столба в полтора раза при толщине 400 мм.

Подошва столба изготавливается из железобетона в опалубке с обязательным двухрядным армированием и подстилающим слоем из щебня толщиной не менее 100 мм.

Опирающаяся плоскость нижней части опоры должна находиться на 30-40 см глубже уровня промерзания грунта.

Карта глубин промерзания грунта в России.

Пример расчета количества столбов

Задача – рассчитать фундамент для небольшого каркасного дома в средней климатической полосе России размером 5 х 6 метров при высоте этажа 3,0 метра и кровле из металлочерепицы. Пример расчета столбчатого фундамента включает несколько пунктов.

принимаем в качестве опоры фундамент на круглых железобетонных столбах;
основной грунт на участке застройки суглинок (Ro – 3,5 кг/см 2 );
глубина промерзания 1,1 метра;
при бурении контрольного шурфа грунтовые воды не обнаружены.

Определение весовой нагрузки:

общая площадь наружных стен и перегородок составляет 76 м 2 и тогда их общий вес составит 76 х 50 = 3800 кг;
масса цокольного перекрытия площадью 30 м 2 составляет 30 х 100 = 6000 кг., а вес чердачного перекрытия – 9000 кг;
площадь крыши составляет 52 м 2 , а значит весит такая кровля 30 х 52 = 1560 кг;
снеговая нагрузка составит 20% от нормативной при скате 46˚, что составит 100 х 52 х 0,2 = 1040 кг;
эксплуатационная нагрузка на одном этаже составляет 30 х 210 = 6300 кг;
для оценки массы фундамента возьмем количество столбов из предварительно составленной схемы и примем их диаметр равным 400 мм, тогда масса 10 столбов высотой 1,5 метра составит 540 кг;
вес ростверка — это масса железобетонных балок сечением 400х400 м, которая будет равна 980 кг.

Суммируя полученные данные, получаем общий вес дома равным 29110 кг. Для определения суммарной площади сечения столбов делим 29110/3,5 = 8317 см 2 .

Тогда площадь сечения каждого из 10-ти столбов будет равна 832 мм 2 , что соответствует диаметру 326 мм. Принимаем диаметр равным 400 мм и определяем, что для данного здания необходимо минимальное количество столбов составляет 9 штук.

Однако, учитывая необходимость прочностного запаса 40%, к установке должно быть принято 13 столбов диаметром 400 мм.

Читайте также: