Фундаменты под колонны и их расчёт

Все сооружения и здания бывают двух типов – каркасные и бескаркасные. Как правило, все промышленные здания являются каркасными, но бывают исключения.

В промышленных зданиях объём бетона, идущего на строительство фундамента, занимает немалую часть от общего количества бетона.

Поэтому при строительстве необходимо правильно выбрать конструкцию фундамента.

Наиболее подходящим вариантом под каркасные здания является применение колонн или ригелей, на которые в следующем навешиваются стенные панели и перекрытия.

Колонны бывают двух видов: железобетонные и металлические. В зависимости от условий эксплуатации выбирают фундаменты, которые устанавливаются под колонны. Определение выбора зависит от предварительного расчета.

В случае применения железобетонных колонн под них устраивают фундаменты стаканного типа, которые состоят из отдельных либо составных блоков.

При возведении высокого фундамента (более 35 см.) строят его ступенями, при этом монолитный фундамент имеет горизонтальную поверхность, а сборный фундамент имеет наклонную поверхность.

Блоки сборных фундаментов укладываются на насыпь из щебня либо песка толщиной в 100 миллиметров в случае сухих грунтов, и из бетона марки М50 при влажных грунтах. Расчет толщины фундаментной подушки производится с учетом типа грунта и массы самого строения.

Как правило, в фундаментном блоке устраивают углубления усеченной формы, что бы можно было опереть на него одну или две колонны. Для сооружения сборного фундамента применяют два ряда прямоугольных плоских железобетонных плит и подколонник из железобетона ступенчатой формы.

Для достижения более хорошей прочности и устойчивости фундамента, все сборные элементы фундамента скрепляют сваркой закладных металлических деталей и укладывают в растворе.

В зависимости от расчёта несущей способности фундамента и передаваемой нагрузки на него определяются размеры фундамента и его площадь подошвы. Расчет размеров металлических закладных производят обязательно.

Ранее при строительстве промышленных зданий углубление подошвы фундамента составляло 1,8 м от уровня чистого пола. В случае такого углубления верх подошвы фундамента находился на уровне 0,75 – 1,2 м от пола.

Поэтому при монтаже наземной части конструкции можно было наблюдать большие отвалы вырытого грунта. Затруднялась работа механизмов, монтаж наземной части и раскладка.

Не было также возможности засыпать котлован и начать подготовку под полы до окончания монтажа колонн и ригелей. Всё это снижало темпы работ и повышало стоимость строительства.

В наше время независимо от условия грунта отметка верхнего обреза фундамента располагается на 150 мм ниже уровня чистого пола.

С учётом гидрогеологических требований для заложения фундамента на необходимую глубину применяют подушки, устанавливаемые под подошву фундамента, либо сама верхняя ступень фундамента удлиняется.

Во всех вариантах длинна колонн остаётся неизменной, а сама конструкция фундаментного блока может быть и составной.

При устройстве такого фундамента для выведения его верхнего обреза на уровень 150 мм расходуется большее количество бетона, но это с другой стороны компенсируется тем, что уменьшается длинна колонн и пролетов фундаментных балок.

Это даёт небольшую экономию и значительное увеличение надёжности и прочности. Но как бы не старались, бывают случаи, когда уровень заложения фундамента достигает даже 6 м и более.

Было принято ряд конструктивных решений при строительстве фундамента:

• Колонны одинаковой высоты, а саму высоту фундамента изменяли;
• Фундамент оставался неизменным, а изменялась высота колонн;
• Высота фундамента и колонн оставалась неизменной, а применялись вставки и подколонники в местах изменения уровня заложения фундамента.

В зависимости от типа соединения каркаса колонн с фундаментом бывают два вида сопряжения: в виде жесткого и шарнирного сопряжения.

В случае жесткого соединения применяются стаканы, устроенные в фундаменте, в которые вставляются колонны, либо колонны крепят к фундаменту при помощи анкерных болтов. Расчет всех элементов просто обязателен.

В случает шарнирного соединения колонны крепятся к верхней части фундамента с помощью соединения сферических поверхностей, находящихся на торце колонны и верху фундамента.Расчет параметров сферической поверхности проводят только с учетом размеров самих колон.

В сооружение фундамента под металлическую колонну входят:

• Изготовление фундамента с полостью;
• Расчет расположения фундамента с учётом геодезических особенностей;
• Проектировка его размещения и выбор заполняющего полости материала, которым опираются на грунт.

В процессе изготавливают металлические оболочки, которые плотно западают друг в друга, сваривают фланцы с отверстиями, у которых имеются фиксирующие зубья, приваривают малым основанием к колонне внешнюю конусоподобную оболочку.Кстати, металлическую оболочку, а точнее сказать ее размеры, так же необходимо точно рассчитать.

К внутренней оболочке приваривают стержни из арматуры.

Продольные стержни охватывают кольцевыми с расстоянием между ними 100-400 мм, тем самым образуя основу стального каркаса.

В процессе его образования также выполняют конус из щебня по центру каждой колонны, на который в последующем надевается арматурный конус вместе со стальной внутренней оболочкой в вершине.

Далее закрепляют патрубок на стальном каркасе, временно соединяют опалубку с арматурным каркасом.

После установки кондуктора арматурный каркас с внутренней оболочкой вместе с опалубкой рихтуется в пространстве, фиксируют их в нужном положении и подсоединяют шланг бетононасоса в горловину внутренней оболочки арматурного каркаса и с использованием вибрирования бетонируют конусный фундамент.

После того как бетон наберёт нужную прочность, устанавливается стальная колонна. На внутреннюю оболочку фундамента надевается внешняя металлическая конусная оболочка колонны, и совмещаются фиксирующие зубья с фланцевыми отверстиями, после этого фрикционные шпильки фланцев затягивают.

В итоге получаются конусные фундаменты под стальные колонны, с заполненной полостью щебнем и с вершиной, где располагается конусная оболочка. Таким образом, выполнен бызвыверочный способ монтажа колонны.

Для уменьшения усилий в кольцевой арматуре фундамента выполняется засыпка полости щебнем, который обеспечивает хорошую шероховатость в зоне соприкосновения железобетонного пустотелого фундамента с полостью. С этой целью нижний торец фундамента и его образующая строятся перпендикулярно. Обязательно проводится расчет.

Стоит обратить внимание на рихтовку фундамента. Так как от этого будет зависеть степень равномерности осадки колонн и всего здания. Рихтовку фундамента можно производить как в самом процессе изготовления фундамента, так и после изготовления фундамента в случае низкого уровня качества.

Также рихтовку можно производить после долговременной эксплуатации здания и в случаях проседания колонн.

Для рихтовки фундамента необходимо сначала провести нивелировку конусных фундаментов и затем определить необходимую величину рихтовки отдельных конусных фундаментов.Именно нивелировка даст возможность точно произвести расчет величины рихтовки.

В процессе рихтовки применяется песчаная пульпа или раствор из песка с добавкой глины, либо другого пластификатора. На подготовительном этапе прочищается патрубок и канал в прилегающем слое засыпки из щебня.

При помощи заострённого пробойника необходимой длины и отбойного молотка разрушают бетон, путём сверления или пробоя.А вот здесь расчет необязателен.

Для повышения удобства использования в последующем патрубка рационально его прочистить через 1 – 2 часа после бетонирования.

Для поддомкрачивания фундамента на нужную высоту патрубок соединяют со шлангом, и песчаная пульпа закачивается в щебёночную засыпку.

В случае такой рихтовки достигается подъемная сила в 100 т на площадь фундамента в 10 м². Таким образом, может быть создана подъёмная сила, которая поднимает здание любых габаритов и массы.

Когда рихтуется весь каркас просевшего здания, фундамент целиком не откапывается, так как давление пульпы позволяет преодолеть не только массу здания, но и грунта возле пазухи фундамента. В этом случае откапывается только патрубок. Правда, придется произвести точный расчет пульпы.

Пространственная рихтовка собранной конструкции производится после того, как установлена опалубка и её соединения с внутренней конусной оболочкой и конусоподобным каркасом.

После того, как будет засыпан пазух фундамента, демонтированы опалубка и кондуктор, а также после затвердения бетона производится безвыверочный монтаж колонны.

В момент опускания колонны совмещают зубья-фиксаторы с фиксирующими отверстиями. В конце после закрытия зазора, колонна фиксируется фрикционными шпильками фланцев.

После того, как смонтированы колонны пространство между фланцами и верхней частью фундамента заполняется бетоном.

Этим достигается ослабление нагрузки на внутреннюю конусную оболочку и конусный каркас, путём передачи части сжимающей силы на бетон фундамента. Вместе с этим нижняя часть колонны служит для предотвращения коррозии.

На практике же фундамент стальной колонны работает по следующему принципу. Сжимающая сила передаётся сверху в низ. Таким образом, сила сжатия сначала действует на внешнюю оболочку через торец фланца, затем на внутреннюю оболочку.

Далее на засыпку из щебня и в конечном итоге равномерно распределяется по подошве фундамента на основание из грунта.

 

Процесс рихтовки

В том случае, если колонны здания осели либо у них неравномерная осадка, производится рихтовка.

При рихтовке к патрубкам присоединяется шланг от бетононасоса и далее под давлением закачивается пластичная пульпа из песка с добавкой глины, либо другого пластификатора.

Колонна немного поддомкрачивается за счёт выдавливания пульпой железобетонного фундамента.

Применяя на практике данный вариант можно достичь следующих экономических показателей:

• Уменьшения расхода металла на 10-15%;
• Уменьшения расхода бетона на 20-30%;.
• Уменьшения трудоемкости изготовления и монтажа фундамента;
• Обеспечивается рихтовка на случай проседания колонн, для более удобной эксплуатации здания.

 

Расчёт колонного фундамента

Расчет монолитного фундамента под колонну означает, что нужно узнать выдержит ли земля ту нагрузку, с которой фундамент будет давить на неё. Фактически это расчёт колонного фундамента означает узнать давление всего строения на грунт, а точнее на один квадратный сантиметр грунта.

Произвести расчёт не трудно, для этого нужно:

• Узнать полную массу строения;
• Узнать полную площадь опоры;
• На основе двух предыдущих вычислений узнать фактическое оказываемое давление.

Чтобы узнать массу дома, нужно узнать массу всех его составных частей. Начать следует с перекрытия на колонны фундамента и с самих колонн. Сначала нужно узнать массу колонны, так как она тоже оказывает некое давление, хоть и маленькое.

Для этого нужно произвести расчет её объёма. Сделать это можно по обычной геометрической формуле, то есть длина, умноженная на ширину и умноженная на высоту.

Так мы узнаем объём. Чтобы узнать массу нужно объём умножить на плотность. Плотность среднестатистического цементного раствора равна 2,5 тонны на метр кубический. После того, как проведен таким образом расчет, определяется, что одна колонна у нас получилась весом 1000 килограмм.

Дальше нужно узнать массу перемычки. Если она делалась из сборных железобетонных плит, то это не составит труда. Нужно просто количество плит, которые были использованы умножить на массу одной плиты, в свою очередь массу можно узнать в той компании, где плиты закупались.

Поэтому производить расчет перемычки здесь не обязательно.

Если же ростверк является монолитным, то его массу можно вычислить следующим способами:

• Путём частичного вычисления;
• Расчётным способом.
  

  Вывод армирования из фундамента для колонн

Первый способ состоит в том, чтобы вычислить массу какого-то малого объёма, а из этого рассчитать массу всего перекрытия, или ростверка. Делается это так.

Если фундамент заливался самостоятельно, то легко можно произвести расчет плотности раствора.

Пусть при изготовлении раствора использовалось одна часть цемента, шесть частей воды и три части песка. Данное соотношение не верно, оно взято для удобства расчётов.

По различным справочникам можно узнать плотность цемента песка и воды. Например, положим, что плотность цемента равна 2000 килограмм на метр кубический, а плотность песка 1500 килограмм на метр кубический, плотность воды равна 1000 килограмм на метр кубический.

Теперь нужно узнать какой объём в одном метре кубическом занимает каждый элемент. Например, песок занимает 30 процентов, так как всего частей у нас было десять и три из них песок. Тогда вода будет занимать 60 процентов и 10 процентов цемент.

Это означает, что в одном метре кубическом будет 0,1 метра кубического цемента, 0,3 метра кубического песка и 0,6 метра кубического воды.

Исходя из этого, получим, что весь метр кубический будет весить ровно столько, сколько весит 0,3 метра кубического песка, 0,1 метр кубический цемента и 0,6 метра кубического воды.

Поэтому нужно выяснить их массу. Так как мы уже определились с плотностями и только что узнали объёмы, массу вычислить не составляет никакого труда:

• Песок – 0,3м.куб х 1500 кг./м.куб = 450 килограмм;
• Вода — 0,6м.куб х 1000 кг./м.куб = 600 килограмм;
•  Цемент — 0,1м.куб х 2000 кг./м.куб = 200 килограмм;

И того получим, что один квадратный метр имеет вес в 450 кг + 600 кг + 200 кг = 1250 килограмм.

Следует напомнить, что эти данные не точны, и нормальный бетонный раствор должен иметь плотность порядка 2500 килограмм на метр кубический.

Однако расчёты нужно проводить, так как такая плотность не присутствует и может меняться, а особенно это касается тех случаев, когда раствор приготавливался самостоятельно.

Итак, теперь мы получили массу одного метра кубического. Чтобы произвести расчет всей массы нужно вычислить объём всего перекрытия или ростверка.

Для этого всю его длину нужно умножить на ширину и высоту. Так получим объём.

Теперь весь этот объём нужно умножить на массу одного метра кубического. Положим, что весь объём получился порядка 10 кубических метров, тогда вся масса равна 10х1250 = 12500 килограмм.

Второй способ применим тогда, когда точно известна плотность применяемого бетона. Дальше производится расчет, так же как и в первом способе, то есть сначала нужно найти объём всего ростверка, а потом умножить его на эту плотность.

На данный момент нам стало известно, что масса ростверка равна 12500 килограмм, а масса столба равна 1000 килограмм. Теперь нужно всю массу фундамента разделить на количество столбов, пусть их 25, тогда 12500 разделить на 25 будет 500 килограмм.

Эта цифра указывает, какой вес от всего фундамента приходится на один столб. Тогда учитывая вес самого столба, получим, что на него давит ровно 1500 килограмм.

Дальше нужно произвести расчёт стен. Если они сделаны из пеноблоков, то сделать это просто. Сначала нужно взять всё количество пеноблоков, потраченное на возведение стен, и умножить на массу одного столба. Если не известно, какое количество пеноблоков потребуется, то надо вычислить и его.

Сделать это тоже просто. Сначала нужно определиться с площадью стен. Пусть она равна 180 квадратным метрам. Теперь нужно определить площадь блочной поверхности, из которой будет состоять стена.

Например, блок имеет размеры 60 сантиметров по длине, 30 сантиметров по высоте и 20 сантиметров по ширине. Если стены будут возводиться при помощи блока, который будет ложиться на ребро, то его площадь будет рана 0,3 метра умноженная на 0,6 метра и получим 0,18 метра квадратного.

Теперь нужно всю площадь стены разделить на площадь одного блока, то есть в нашем случае это 180 метров квадратных делить на 0,18 метра квадратного.

Получим 1000 блоков. Теперь умножим тысячу на вес одного блока, что равно примерно 30 килограммам, и получим 30000 тысяч килограмм. Теперь это число нужно разделить на количество столбов, а их у нас 25, тогда получим 30000/25 равно 1200 килограмм.

Имея уже полученную массу в 1500 килограмм, получим, что на один столб давит вес в 2700 килограмм.

Дальше рассчитываем массу чердачного перекрытия. Сделать это можно, как и все предыдущие. Если чердачное или межэтажное перекрытие состоит из дерева, то нужно рассчитать объём всех затраченных досок и умножить на плотность.

Если доски изготовлены из сосны, то плотность равна примерно 850 килограмм на метр кубический, если доски изготовлены из берёзы, то плотность равна 900 килограмм на метр кубический.

Если же чердачное перекрытие изготовлено из бетона, то нужно учитывать и массу профнастила под бетонное перекрытие.

Масса одного сборного элемента всегда известна, так что вычислить массу всего настила не составит труда. Массу бетонного перекрытия можно вычислить так же как массу ростверка.

Пусть масса перекрытия получилась 5000 килограмм. Теперь опять эту цифру нужно разделить на 25 столбов, то есть получим, что на один столб перекрытие действует с силой в 5000/25 = 200 килограмм.

Имея уже 2700 килограмм, получим, что на один столб фундамента уже действует масса в 2900 килограмм.

Дальше вычисляем массу крыши. Сначала нужно вычислить массу каркаса, который, как правило, изготавливается из дерева, а потом покрытия, которое может быть представлено в виде шифера, металлочерепицы и других материалов.

Сделать это можно по тем же принципам, что и при вычислении массы остальных элементов. Положим, что масса получилась 4000 килограмм, тогда крыша оказывает давление на все столбы в 4000 килограмм, а на один столб в 4000/25 = 160 килограмм.

Теперь можно посчитать, сколько весь дом оказывает давление на один столб – 2900+160=3060 килограмм.

Дальше необходимо узнать какое давление оказывается на один сантиметр опоры. Для этого нужно вычислить площадь опоры. Зная, что столб имеет длину и ширину в 50 сантиметров, получим, что площадь опоры равна 2500 квадратных сантиметров.

Тогда давление вычисляется, как 3060 делённое на 2500 получим примерно 1,22 килограмма на сантиметр квадратный.

Дальше необходимо узнать тип грунта и его расчётное сопротивление. Все эти данные можно взять в геологической службе, или из различных справочников и карт. Допустим, что сопротивление грунта равно 2,2 килограмма на сантиметр квадратный.

Тогда сравнив два этих числа, видим, что дом оказывает такое давление, которое грунт способен выдержать. Это означает, что такой план строительство пригоден.

Если же сопротивление меньше, то нужно либо увеличивать площадь одного столба, либо увеличивать количество столбов.

При расчётах не были учтены масса внутренней отделки и масса всех вещей. Хотя на самом деле она была учтена, когда производился расчёт массы стен, так как не вычиталась масса всех ниш, то есть окон и дверей. Так же нужно чтобы сопротивление грунта было немного больше, чем расчётное давление, так как зимой масса дома увеличивается за счёт снега на крыше.

Так же при расчётах и ростверка и межэтажного перекрытия не были учтены массы арматуры, однако считать их тоже нудно.

Масса одного прута арматуры находится как площадь сечения, умноженная на длину прута.

Зная диаметр арматуры, площадь сечения можно найти по простой геометрической формуле – П умноженное на радиус в квадрате, где П-3,14.