Фундамент — одна из основных несущих конструкций дома. Качество выполнения работ влияет на срок службы здания и его нормальную эксплуатацию (отсутствие трещин, кренов). Чтобы обеспечить надежность и устойчивость, необходим не только тщательный контроль на стадии строительства, но и грамотный расчет столбчатого фундамента.
Принцип работы и требования
Столбчатый фундамент представляет собой несколько столбов, объединенных с помощью ростверка (горизонтальная обвязка). Ростверк необходим для совместной работы отдельно стоящих конструкций. Чтобы обеспечить устойчивость и предотвратить опрокидывание, столбы заглубляют в землю. Глубина заложения зависит от нагрузки от здания и характеристик грунта.
Несущая способность обеспечивается за счет опирания на грунт и поверхностного трения. В случае с фундаментом небольшой глубины трение возникает незначительное. Лучше всего данный тип конструкции подходит для возведения деревянного или каркасного дома с высотой два и более этажа. Возведение тяжелых каменных домов на таких фундаментах невозможно. Удельная масса стен здания не должна превышать 1000 кг на метр кубический.
Из-за небольшой несущей способности требуется, чтобы уровень грунтовых вод находился глубже подошвы фундамента минимум на 50 см. При наличии на участке слоя насыпных грунтов, их необходимо удалить и заменить песком средней крупности с послойным виброуплотнением (максимальный слой уплотнения 20 см).
Плюсы и минусы конструкции
К основным достоинствам можно отнести невысокую стоимость, которая обеспечивается за счет:
- снижение объема земляных работ при возведении каркасного здания;
- снижение количества необходимых материалов (по сравнению с ленточным фундаментом);
- небольшое количество вынимаемого грунта не требует наличия крупной техники (самосвалы, экскаваторы).
К недостаткам можно отнести достаточно непредсказуемое поведение столбов при нарушении технологии возведения и ошибок на стадии проектирования. Еще одним минусом стала ограниченная область применения из-за невысокой несущей способности.
Подготовка к расчету
На стадии предварительной подготовки необходимо выяснить все исходные данные для расчета:
- размеры здания в плане;
- несущая способность основания (грунта);
- нагрузка на фундамент от собственного веса и вышележащих конструкций.
Геологические изыскания
Многие при самостоятельном возведении каркасного дома пренебрегают изучением характеристик грунта. Важно изучить геологические условия площадки. При проектировании здания специалистами проводятся достаточно затратные геологические изыскания, которые включают в себя бурение и изучение полученного материала в лаборатории. Результатом проведения всех работ становятся точные значения всех характеристик, необходимых для расчета.
В условиях самостоятельного возведения каркасного здания можно выполнить визуальное исследование. Для этого проводят бурение или выкапывают яму на 50 см ниже предполагаемой подошвы фундамента дома. Важно определить тип грунта и убедится в отсутствии водонасыщенных слоев. Тип грунта понадобится при дальнейших расчетах.
Иногда необходимо выполнить проверку несколько раз в разных местах. Даже при условии хорошего качества основания в одной скважине, в почве может располагаться линза неустойчивого грунта. При небольшом ее размере можно попробовать ее обойти, но если она достаточно велика, придется остановиться на другом типе фундамента.
Сбор нагрузок
Нагрузки на здание могут быть временными и постоянными. Постоянные включают в себя вес всех элементов здания, а временные по СП «Нагрузки и воздействия» делятся на два вида: длительные и кратковременные. К длительным относится вес мебели и оборудования, а к кратковременным вес людей и осадки. При расчете в общем случае учитываются такие осадки как снег и ветер. Для фундаментов необходимо знать только вес снегового покрова.
Чтобы собрать постоянную нагрузку от всего здания требуется сосчитать:
- вес стен;
- вес перекрытий;
- вес кровли;
- собственный вес фундамента.
Массу конструкций можно свести в одну небольшую таблицу.
Тип конструкции
| Тип конструкции | Вес |
| Каркасные стены толщиной 150 мм с утеплителем | 30-50 кг/м2 |
| Перекрытие по деревянным балкам утепленное материалом плотностью до 200 кг/м3 | 100-150 кг/м2 |
| Собственный вес фундамента из железобетона | 2500 кг/м3 |
| Кровля с несущими конструкциями | |
| Металлическая | 40-60 кг/м2 |
| Керамическая | 80-120 кг/м2 |
| Из гибкой черепицы | 50-70 кг/м2 |
Важно! Необходимо не перепутать единицы измерения в таблице. Для всех конструкций, кроме фундаментов значения приведены для квадратного метра (толщина уже учтена).
Эти значения являются нормативными, для получения расчетных понадобится умножить их на специальный коэффициент надежности по нагрузке. Этот коэффициент приводится в СП «Нагрузки и воздействия». Для каркасного дома все значения представлены в таблице.
| Тип конструкции | Коэффициент надежности по нагрузке |
| Деревянные | 1,1 |
| Железобетонные плотностью более 1600 кг/м3 | 1,3 |
| Изоляционные слои, засыпки, стяжки изготавливаемые в заводских условиях | 1,2 |
| Изоляционные слои, засыпки, стяжки изготавливаемые на строительной площадке | 1,3 |
По нормативным документам для жилых зданий нормативная полезная нагрузка (длительная временная) принимается равной 150 кг/м2. Для данного значения коэффициент надежности составляет 1,2. Отсюда получаем расчетное значение 180 кг/м2 площади пола.
Далее приступаем к нахождению нагрузки от снегового покрова. Для этого потребуется уже знакомый СП «Нагрузки и воздействия», в котором в таблице 10.1 указаны значения в зависимости от климатического района. Снеговой район определяется по картам, представленным в СП «Строительная климатология». Коэффициент надежности для снеговой нагрузки принимается 1,4.
Важно! При угле наклона кровли более 60 градусов снеговая нагрузка принимается равной нулю, поскольку при таком скате снег на крыше задерживаться не будет.
Порядок расчета
В первую очередь определяют минимальную площадь основания для всех столбов в сумме. Расчет проводят по формуле:
S = P/Rо,
где Р — общий вес конструкций дома, найденный на этапе подготовки в килограммах;
Rо — расчетное сопротивление несущего слоя грунта (на который опирается фундамент) в килограммах на квадратный сантиметр.
Значение расчетного сопротивления можно свести в одну таблицу:
| Тип грунта основания | Rо на глубине 1,5 м и более, кг/см2 | Rо у поверхности земли, кг/см2 |
| Галечный с глиной | 4,5 | 3 |
| Гравийный с глиной | 4,0 | 2,7 |
| Крупнозернистый песок | 6,0 | 4,0 |
| Песок средней крупности | 5,0 | 3,33 |
| Мелкозернистый песок | 4,0 | 2,7 |
| Пылеватый песок | 2,0 | 1,33 |
| Супесь или суглинок | 3,5 | 2,33 |
| Глина | 6,0 | 4,0 |
| Насыпной грунт с уплотнением или просадочный | 1,5 | 1,0 |
| Насыпной грунт без уплотнения | 1,0 | 0,67 |
Важно! Строить на насыпном грунте крайне не рекомендуется. При нахождении его в геологии участка чаще всего выполняют полную замену на крупный или средний песок.
Вычислив значение суммарной площади столбов для каркасного дома, находят требуемые размеры подошвы для одного фундамента и их необходимое количество. В обязательном порядке опоры располагают по углам и примыканиям стен, по периметру распределяют равномерно.
Пример расчета
Для наглядного объяснения рассмотрен расчет столбчатого фундамента для двухэтажного каркасного дома размерами 6 на 6 метров.
Пример представлен на основе следующих исходных данных:
- стены толщиной 150 мм, площадь — 100 м2;
- кровля металлическая по деревянным стропилам с уклоном 25 градусов площадью 40 м2;
- площадь перекрытий по деревянным балкам 72 м2;
- снеговой район lV;
- грунт основания — гравийный с глиной.
Рассчитываем нагрузки с учетом коэффициентов:
- от стен = 100м 2*50 кг/м2*1,1 = 5500 кг;
- от перекрытий = 72м2*150кг*1,1 = 11800 кг;
- от кровли = 40м2*60кг/м2*1,1 = 2640 кг.
Чтобы рассчитать собственный вес фундаментов принимаем его ширину 400 мм. Предварительно принимается 1 столб на каждые 2 метра периметра здания. Для данного примера 24/2 = 12 шт. Глубина промерзания грунта для выбранного климатического района (по СП «строительная климатология») 1,8 м. Столб должен опираться на 0,2 м ниже глубины промерзания и выходить из земли на 0,5 м. Такое заглубление необходимо, чтобы предотвратить опрокидывание или выпирание при воздействии сил морозного пучения. Получаем значение 2,5 м.
- масса всех столбов равна 1,3 *2,5м*0,4м*0,4м*12шт*2500кг/м3 = 15600 кг;
- полезная долговременная нагрузка 150кг/м2*72м2*1,2 = 12960 кг;
- снеговая нагрузка = 240кг/м2*1,4*40м2 = 13440 кг.
Сумма всех значений составляет 61940 кг.
S = 61940кг/4,0 кг/см2 = 15485см2 на все столбы.
Площадь одного столба = 40см*40см = 1600 см2.
Количество столбов в этом примере на весь фундамент = 15485/1600 = 9,67 шт. Принимаем 10 шт.
В данном случае 4 столба будут располагаться по углам, а остальные 6 необходимо расположить по периметру. Части здания, сильно различающиеся по весу необходимо рассчитывать отдельно и располагать на независимых друг от друга фундаментах (например, основная часть дома и летняя веранда).
Увидев пример, можно понять, что выполнить необходимые расчеты может даже не специалист. Это не займет большого количества времени, но позволит избежать большого количества проблем при эксплуатации. Важно учитывать климатический район строительства и массу основных конструкций. При недостаточной несущей способности фундаментов может происходить растрескивание стен или опрокидывание всего дома.
