Столбчатые фундаменты под колонны: примеры расчета под металлическую (стальную) и монолитную, армирование и другие этапы

Особенности фундамента под железобетонные колонны

Основания под столпы из железобетона выбираются исходя из положительных и отрицательных характеристик каждого вида в отдельности. В указанном случае самым оптимальным будет использование стаканного основания, имеющего следующие положительные характеристики:

Они надежны;
Имеют повышенную прочность.

В строительстве применяется два вида оснований:

Монолитный;
Сборный.

Этапы строительства

Соблюдение правил при строительстве фундамента под железобетонные колонны, способствует увеличению срока службы конструкции, качества.

Столпы устанавливаются в грунт на глубину не меньше 70 сантиметров;
На участке строительства почва не должна быть подвижной или подвергаться температурному пучению;
Грунтовые воды должны залегать не менее, чем на 1,5 метра вглубь;
Рекомендуется выравнивать площадку, чтобы она не имела резких наклонов и поворотов;
Чтобы обеспечить прочность фундамента, ростверк должен быть смонтирован из железобетона. Конечно, устройство ростверка потребует финансовых затрат, но это сделает каркас более долговечным;
Для стен рекомендуется использовать строительные материалы, относящиеся к легким: пеноблоки, брус, панели, бревно.

Предварительное проектирование позволяет сделать основание крепким, но должны соблюдаться нормы:

Сечение колонн – 20х20 см. Практика показывает использование столпов с сечением 25х25см;
Рекомендуется делать башмак под каждую колонну. Это значит расширить нижнюю часть скважины под сваю. В результате получают распределение и снижение нагрузки от здания;
Колонны размещать на расстоянии от 1 до 2 метров. При этом столпы должны находиться по углам строения, в местах стыка стен, под выступами: камин, печь.

Для увеличения прочности столпы армируют прутами с сечением от 12 до 16 мм. В зависимости от материала для ростверка, регулируется высота арматуры:

Для деревянной связки прутья не должны достигать верхней части 1-2 см;
Когда планируется железобетонный ростверк, то арматура должна выступать на 40 см.

Работать с арматурой следует только после того, как бетон наберет нужной прочности.

Монтаж башмака

Как уже было сказано, в скважинах рекомендуется делать увеличение нижней части для создания башмака. На песчано-щебневой подушке устанавливается опалубка из фанеры. Высота 20-30 см. Диаметр подготавливаемой опалубки должна быть в 1,5 раза больше, чем диаметр будущих столпов. Теперь в подготовленную емкость заливается раствор. В течение 10 дней бетон застывает, при условии, что стоит теплая сухая погода.

Монтаж колонн

Следующим шагом идет монтаж непосредственно опалубки под столпы. Деревянные доски необходимой длины скрепляют хомутами. Внутренние стенки рекомендуется укрыть рубероидом. В результате выполненных мероприятий стены колонн получаются гладкие, а главное, что при снятии опалубки отсутствуют повреждения.

Теперь установить арматуру и можно заливать раствор бетона марки 200М. Если строительство происходит в зимний период, то лучше добавить пластифицирующие добавки, улучшающие застывание раствора. Специалисты рекомендуют такие работы проводить, когда температура воздуха держится выше 15 градусов тепла. С помощью металлического штыря из жидкого бетона удаляется воздух. При температуре внешнего воздуха 20 градусов и сухой погоде, раствор застывает в течение 7 дней.

Необходимо дождаться полного высыхания и только тогда снимать опалубку. Теперь по всей высоте колонн и башмака наносят гидроизоляцию.

Ростверк

Самый надежной считается монолитная конструкция. Но есть и другие варианты связки фундамента и здания:

Крепление с помощью швеллера или двутавра. В этом случае элемент укладывается полкой вниз и крепится с помощью болтов. Такой связке не страшны большие нагрузки;
Железобетонный или монолитный ростверк. Для его сооружения потребуется опалубка и установка армирующей конструкции. Как правило, монолитный ростверк применяется для панельного дома, каркасного строительства, деревянного сруба;0
Деревянный ростверк. Использование бруса считается самым дешевым вариантом для связки столбчатого фундамента.

Почему фундамент нужно обязательно армировать

Армирование позволяет в несколько раз увеличить мощность и прочность бетонного основания. Конечно, прочную конструкцию, которая выдержит гигантские нагрузки и будет неподвластна времени, можно получить и без применения арматуры.

Однако сегодня такой фундамент возводить экономически не выгодно. Развитие металлургической отрасли позволяет значительно удешевить строительство за счет применения простого и эффективного способа — заливки бетонной массы на каркас, выполненный из металлической арматуры или сетки. В результате получается надежное железобетонное основание, благодаря которому ваше здание простоит если не тысячелетия, то пару-тройку столетий точно.

После затвердевания бетон становится жестким и неэластичным, поэтому может деформироваться при неравномерном давлении на поверхность. Проложенная внутри арматура берет на себя все вертикальные нагрузки и равномерно распределяет их по всей площади основания.

Применение арматуры сопряжено с дополнительными расходами, поэтому некоторые отказывается от ее прокладки. Если вы также сомневаетесь в необходимости армосетки, произведите конструкторские расчеты, проанализируйте целесообразность, учите ряд факторов: состав и особенности грунта, уровень грунтовых вод, степень и глубину промерзания.

Если вы возводите здание из легких материалов (бревна, брус, каркасно-щитовые конструкции), армировать основу не обязательно. Что касается тяжелых строительных материалов (кирпич, бетонный блок, пеноблок, газоблок, шлакоблок), в этом случае отказываться от укладки армосетки рискованно. Бетон без арматуры плохо работает на изгиб и растяжение, поэтому фундамент деформируется или даст усадку, что приведет к образованию трещин в стенах и преждевременному разрушению.

Изготовление фундаментов стаканного типа и основные требования к ним

При установке таких оснований нужно помнить, что прочность изделия может быть достигнута только за счет использования качественных строительных материалов и хорошего армирования. Поэтому железобетонный фундамент и отличается длительным сроком эксплуатации.

Установка колонны в стакан фундамента.

Этот тип основания редко используется в общем частном строительстве, потому что отличается высокой стоимостью и необходимостью использовать механизированную технику. Основание запрещено ставить на пучинистых и просадочных почвах. Технология предусматривает установку железобетонных опор и стоек в готовый стакан, в котором затем происходит фиксация.

Требования к фундаменту:

Бетон должен соответствовать М200 и обладать степенью водонепроницаемости В2;
Транспортировку стоек следует осуществлять на место строительства только после того, как основание наберет необходимый запас прочности;
Следует обязательно выполнить армирование основания. Толщина слоя бетона вокруг армирования должна составлять не менее 30 мм;
Обнаженная арматура – заводской брак, в строительстве использовать такие изделия категорически запрещено;
Если в бетоне есть трещины с толщиной более 0,1 мм, то это также брак;
Все производственные петли в блоках нужно аккуратно демонтировать, забивать их в бетон категорически запрещено.

Когда нужно обязательно использовать стаканный фундамент

При строительстве промышленных и частных зданий общего назначения, в несущей конструкции которых используются бетонные опоры и стойки;
При возведении электростанций, а также в атомной промышленности, при монтаже армированных стоек для машинных и конденсационных отделений;
При проведении реставрационно-востановительных работ на стойках и колоннах в административных зданиях;
Если проектом предусмотрено использование стоек как единственно возможной несущей конструкции здания.

Преимущества стаканных фундаментов

Высокая прочность и качество заводских блоков, т.к. при их производстве осуществляется контроль качества и проверка на прочность и разрыв всех несущих элементов;
Это оптимальное основание для строительства промышленных зданий, где присутствуют локальные нагрузки на единицу площади фундамента;
Простая технология монтажа;
Экономия сил и времени на возведении фундамента.

Также нужно учитывать необходимость транспортировки отдельных стоек и колонн непосредственно от производителя, а, учитывая их размеры, иногда приходится продумывать специальные маршруты следования.

Монтаж стаканного фундамента

Учитывая ключевые особенности рассматриваемых фундаментов, монтаж проводится только под непосредственным наблюдением специалистов. Только они способны контролировать весь процесс установки опор и правильность их армирования. В процессе монтажа, железобетонные изделия проходят несколько этапов:

Подготовка поверхности. Ее тщательно выравнивают, т.к. смещение железобетонных балок в фундаментах стаканного типа крайне нежелательно;
Подготовка углублений. Выкапываются на конкретную глубину, затем выполняется их укрепление гравием, тщательно трамбуются;
Устройство железобетонного фундамента. На этом этапе также используется трамбовка грунта, а также происходит установка блоков.

Ключевая задача, которая стоит перед фундаментами стаканного типа – это обеспечение равномерного распределения нагрузок по всей поверхности почвы. Соответственно, использовать стаканные основания можно только на такой почве, которая способна выдержать большие нагрузки и не проседать со временем.

Фундаменты под колонны: виды оснований для железобетонных и металлических конструкций

Основой строительства любой капитальной постройки сегодня, независимо от того какое планируется его дальнейшее применение, является фундамент, тип и особенности которого зависят в первую очередь от типа грунтов на участке и той нагрузки, которая будет передаваться на него от остальных элементов здания.

Для устройства основания под такие специфические строительные элементы, как колонны в отличие от остальных видов конструкций применяются фундаменты, способные не только выдержать вес колон и остальных частей здания, но и обеспечить необходимую проектом заданную вертикаль.

Для выполнения этих задач в современных технологиях применяются два основных варианта устройства фундамента под колонные конструкции:

монолитные основания;
сборные фундаменты.

Виды фундаментов под колонны: слева — монолитный, справа — сборный

Оба варианта в основе своей имеют схожую конструкцию, выполненную из армированного железобетона. Такое исполнение позволяет надежно зафиксировать нижние точки опор в соответствующем положении. Отличие заключается в том, что каждый вид имеет свое направление применения:

монолитные фундаменты более универсальны и могут использоваться как под железобетонные колонны, независимо от формы, так и под стальные или металлические;
составные или сборные основания используются в основном под бетонные колонны.

Для обеспечения соединения колонн и фундаментов в одно целое, применяются два основных вида соединения:

для железобетонных конструкций применяются метод вставки основания колонны в специально созданное углубление с последующей его фиксацией заливкой бетоном;
для стальных элементов предусматривается соединения с помощью болтов. Такая конструкция, когда в фундаментном блоке заранее установлены болты под отверстия в основании колонны обеспечивает наиболее удобное соединение.

Монтаж металлических колонн

Монтаж металлической опоры

Металлические колонны монтируются на основаниях, в которых заблаговременно встраивают анкерные болты для их крепления. После проектирования стандартное положение опор обеспечивается точным размещением анкерных болтов на местах фиксации. При этом точность установки обеспечивается серьезной подготовкой плоскости основания.

Опирание колонн выполняется так:

На поверхность основания, которое смонтировано до нужной отметке опорной подошвы, без последующей доливки цементной смеси. Применяется для опор с фрезерованными башмачными подошвами.
На заблаговременно выверенные места, устанавливаются и заполняются бетонной смесью металлические плиты. Основание бетонируется до уровня на 5−8 см ниже той отметки подошвы опоры, которая обозначена при проектировании.
После чего выполняют установку опорных колонн, объединяя осевые отметки разбивочных осей на элементах, вмонтированных в фундамент, с их отметками. Установочные винты регулируют положение отдельной опоры по высоте с учетом того, что верхняя поверхность плиты будет располагаться на заданной отметке опорной плоскости башмака. Опорные плоскости столбов должны заблаговременно быть простроганы.
Основание бетонируется до уровня на 0,25−0,3 м ниже отметки поверхности башмака, отмеченной при его проектировании.

После выполнения этих работ, монтируются закладные элементы и составляющие опор. Верхнюю часть основания цементируют до уровня на 4−5 см ниже верхней плоскости опорных элементов. Опорная поверхность башмака изготавливается под прямым углом к оси самого столба.

Земляные работы

Объём земляных работ для столбчатого основания один из самых небольших среди всех типов фундаментов, лучше дело обстоит, пожалуй, только с винтовыми и забивными сваями. Однако в большинстве случаев шурфы или скважины должны быть несколько больше, чем это кажется на первый взгляд.

Чтобы на глубине, предположим, в 70 см создать опору из кирпича — придётся вручную копать прямоугольный шурф, причём его размер в самом низу будет примерно на 15–20 см больше стойки с каждой стороны. Кверху выработка должна расширяться, так как откосы будут препятствовать осыпанию грунта в шурф. Примерно такие же ямы нужно готовить для изготовления монолитных квадратных столбов, так как необходимо будет устанавливать и раскреплять опалубку, а после произвести её демонтаж. Несомненным плюсом укрупнённых шурфов является возможность после распалубки осмотреть тело столба, сделать его гидроизоляцию.

Намного проще дело обстоит с опорами круглого сечения, для их установки нужны скважины, которые могут быть отрыты с помощью ручных буров или специальной техники — мотобуров, ямобуров. Явным плюсом такого метода является возможность произвести заливку монолита непосредственно по стенкам выработки, без применения опалубки. Однако механизированное изготовление скважины диаметром свыше 40 см невозможно из-за отсутствия специального инструмента, поэтому нередко круглые столбы с опорной пятой устанавливают в шурфы, вырытые лопатой.

Обратите внимание, что необходим некоторый запас выемки по глубине, около 20 сантиметров ямы «заберёт» подушка

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.

Расчет металлической колонны относительно оси Y-Y

Определяем расстояние между ветвями колонны из условия равноустойчивости:

λ_пр = λ_х

где, λ_пр— приведенная гибкость относительно оси Y-Y; λ_х— гибкость относительно оси Х-Х.

Задаемся гибкостью ветви на участке между планками от 30 до 40. Для рядовых планок равна:

l_s = (0.5…0.8)b

где b — ширина сечения сквозной колонны;

Концевые планки принимаются длиной, равной примерно 1,5l_s.

Толщина планок назначается из конструктивны условий t_s = (1/10…1/25) l_s в пределах 6…12 мм. Рис. 2

Рис. 2 Схема расположения планок в колонне

Ширина сечения сквозной колонны равна:

b ≥ 2*b_шв + a

где b_шв — ширина пояса швеллера, а — 100…150 мм из конструктивных соображений.

b ≥ 2*95 + 100 ≈ 300 мм

Тогда

l_s = 0.7*b = 0.7*300 ≈ 200 мм, t_s = 8 мм.

Максимальное расстояние между планками l определяется по принятой гибкости λ1:

l0 = λ1 * i1

где λ1 = 30 — гибкость на участке между планками; i = 2,73 см — радиус инерции швеллера №27, i₁ = i_y;

l = 30*2.73 = 82 см

Тогда, расчетная длина ветви равна:

l_в = l + l_s

l_в = 82+20 = 102 см

Значение l_в принимаем кратным высоте колонны.

Вычисляем соотношение:

где J_пл — момент инерции площади поперечного сечения планки;

J₁ = 262 см4 — момент инерции сечения швеллера №27;

J₁ = J_y

Вычисляем гибкость стержня колонны λy. При n > 5 имеем:

В колоннах с раскосной решеткой (рис.3) имеем:

где — коэф., зависящий от угла наклона раскоса;

A – площадь сечения всего стержня колонны;
Ap – площадь сечения раскосов в двух плоскостях.

Рис. 3 Схема узла раскосной решетки

При n < 5 имеем:

При λ1 = 30 — гибкость ветви (задаем в пределах 30…40);

n — соотношение жесткостей;

γ1 — угол перекоса;

Угол перекоса γ1 определяем по формуле:

где Δp — удлинение раскоса (Рис.3).

При λy определяется радиус инерции сечения стержня колонны

где Jy — момент инерции сечения стержня колонны;

Требуемая ширина сечения равна:

Полученное значение меньше b = 300 мм, следовательно, принимаем b = 30 см.

Определяем гибкость стержня колонны относительно свободной оси:

Тогда получаем:

Если λпр = λх, то напряжение можно не проверять, колонна устойчива в двух плоскостях.

Если значение λпр отличается от λх, то необходима проверка устойчивости стержня колонны по формуле:

где φy — коэф. принимаем по табл.2 в зависимости от λy.

Разновидности

Состоит столбчатый фундамент из плитной части из 1–5 ступеней и подколонника, полнотелого или полого – стакана. Вид его зависит от типа и материала колонны.

Различают 2 вида:

Металлическая – состоит из оголовка, к которому крепят ригели и балки, стержня и базы – части, соприкасающейся с фундаментом. Бывают сплошные и сквозные колонны – решетчатые, перфорированные. Последние меньше весят и проще в монтаже. Изготавливают конструкции из балок и прокатного профиля.
Железобетонная – производится из армированного бетона марки М300, М400, М600. Конструкция типовая. При малом сечении она выдерживает высокую несущую нагрузку и в отличие от металлической не боится воды. Форма круглая, квадратная и прямоугольная. Круглая чаще встречается у декоративных элементов.

Колонна непрерывно взаимодействует с основанием, нарушение положения хотя бы одной опоры приводит к обрушению дома. Поэтому под колонны не рекомендуется использовать сваи.

Столбчатый фундамент бывает 2 видов:

Монолитный – готовое сооружение, в которых столбы установлены по определенной схеме. Колонны закрепляют на фундамент болтами.
Сборный – каждое основание производится отдельно, на строительной площадке или на заводе, и отдельно устанавливается. Сверху опоры бетонируют, чтобы избежать появления расщелин.

Материал для столбчатого фундамента выбирают исходя из нагрузки и материала колонны:

Бетонные основания – а точнее, железобетонные. Выполняются из тяжелого бетона и упрочняются специальной арматурой. Под металлические колонны ставят только монолитный бетонный, под кирпичные допускается сборный вариант.
Кирпичные – выдерживают меньшую нагрузку и используются для малоэтажных зданий.
Деревянные – подходят только для деревянных или каркасных зданий.
В частном строительстве встречаются опоры из бетонных или асбестовых труб.

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.

Сборка железобетонных блоков

Производить монтаж любой серии сборного железобетонного фундамента необходимо в шахматном порядке, иначе конструкция попросту разрушится в результате сильного удара об угол. При укладке блоков используется цементно-песчаный раствор, толщиной примерно в 20 миллиметров, который следует постоянно выравнивать с помощью строительного уровня. По мере установки швы должны также плотно заполняться раствором.

Не стоит забывать о необходимости оставить между блоками специальные проемы для того, чтобы затем провести средства коммуникации или канализацию. Как только гильзы будут вмонтированы в стену, необходимо заделать все швы и дыры с помощью строительного раствора. В противном случае сквозняков и попадания влаги внутрь дома не избежать.

Также при монтаже блоков настоятельно рекомендуется использовать перевязку в рядах. особенно на месте соприкосновения внутренних и наружных стен. Ну а качественная гидроизоляция имеет одно из самых важных значений, поскольку соприкосновение с влажной средой может стать губительным для фундамента. Именно поэтому в наземной части фундамента стоит забить все пазы блоков плотным грунтом. Лучше всего использовать для этой цели глину или ту же землю, которая останется на участке после выкапывания котлована.