Винтовые сваи расчет и проектирование

размещено: 24 Октября 2014
обновлено: 25 Октября 2014

Расчёт винтовых свай на основе СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты.

Отписывайтесь пожалуйста об удобстве применимости и недостатках.

В статье мы расскажем, какие ошибки можно допустить при самостоятельном расчете свайного фундамента для объектов малоэтажного строительства и как этого избежать

Часто встречающиеся ошибки проектирования фундаментов из винтовых свай

Вот те ошибки, которые часто встречаются в свайных проектах фундаментов, разработанных своими силами:

• игнорирование особенностей строения (неумение верно определить, где будут сосредоточены основные нагрузки, а где – второстепенные);
• неумение верно посчитать нагрузки (часто в расчет берется только вес самого строения);
• игнорирование грунтовых условий на участке строительства (степень коррозионной активности, физические характеристики грунтов и т.д.).

Иногда неточности в расчетах возникают из-за неверного учета ландшафта участка (оказывается не соблюдена минимальная высота цоколя и т.п.).

Итог – неверная оценка несущей способности конструкции и степени воздействия среды на фундамент, которые часто приводит к просадке, ускоренному развитию коррозионных и гнилостных процессов.

Мы разработали этот материал, чтобы Вы могли самостоятельно определить типоразмер и количество винтовых свай для будущего фундамента. Приведенный расчет с одной стороны условный, так как в нем используются усредненные показатели, которые могут меняться в зависимости от типа строения и региона строительства. С другой стороны – универсальный, так как основан на наиболее типовых решениях и данных. Но главное, он позволяет разобраться в самой схеме расчетов и понять, что обязательно нужно учесть на этом этапе.

Материал ориентирован на сферу индивидуального жилищного строительства и не учитывает особенности проектирования сложных объектов.

Сбор нагрузок

В первую очередь для расчета фундамента необходимо выполнить сбор всех нагрузок, которые будут воздействовать на него. Они бывают постоянные P_d и временные (длительные P_l, кратковременные P_t, особые P_s).

Постоянные P_d – вес частей сооружений, в том числе несущих и ограждающих строительных конструкций.

Длительные P_l – вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование, вес стационарного оборудования, заполняющих его жидкостей, твердых тел и др.

Кратковременные P_t – воздействия от людей (животных, оборудования) на перекрытия, от подвижного подъемно-транспортного оборудования, от транспортных средств и климатические (снеговая, ветровая и т.д.).

Особые P_s – сейсмическое, взрывное воздействие, воздействие от столкновения транспортных средств с частями сооружения, воздействия, обусловленные пожаром или деформациями основания, сопровождающимися коренным изменением структуры грунта.

Обратите внимание, что в этом расчете будут учтены только те виды воздействий, которые имеют принципиальное значение при расчете фундамента из винтовых свай.

Постоянные нагрузки. Как рассчитать вес частей сооружения?

Для расчета веса строения достаточно знать удельный вес материалов, которые будут использованы при его строительстве и их предполагаемые объемы. Это не требует каких-то специальных знаний и навыков. Можно попробовать запросить нужные данные у поставщика стройматериалов.

Мы при выполнении расчетов будем использовать справочные данные с усредненными значениями удельного веса конструкций дома (стен, перекрытий, кровли), приведенные в таблице 1.

Удельный вес 1 м 2 стены

Каркасные стены толщиной 200 мм с утеплителем

Стены из бревен и бруса

Кирпичные стены толщиной 150 мм

Железобетон толщиной 150 мм

Удельный вес 1 м 2 перекрытий

Чердачное по деревянным балкам с утеплителем, плотностью до 200 кг/м 3

Чердачное по деревянным балкам с утеплителем плотностью до 500 кг/м 3

Цокольное по деревянным балкам с утеплителем, плотностью до 200 кг/м 3

Цокольное по деревянным балкам с утеплителем, плотностью до 500 кг/м 3

Удельный вес 1 м 2 кровли

Кровля из листовой стали

Кровля из шифера

Кровля из гончарное черепицы

Таблица 1. Справочные данные с усредненными значениями удельного веса конструкций дома: стен, перекрытий, кровли.

При самостоятельном выполнении расчетов стоит учитывать, что согласно п. 4.2. СП 20.13330.2011 расчетное значение нагрузки следует определять, как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке (γ_f) для веса строительных конструкций, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию:

Конструкции сооружений и вид грунтов

Коэффициент надежности, γ_f

Металлические, за исключением случаев, указанных в 2.3*

Бетонные (со средней плотностью свыше 1600 кг/м), железобетонные, каменные, армокаменные, деревянные

Бетонные (со средней плотностью 1600 кг/м, изоляционные, выравнивающие и отделочные слои (плиты, материалы в рулонах, засыпки, стяжки и т.п.), выполняемые:

в заводских условиях

на строительной площадке

Таблица 2. Таб. 7.1 СП 20.13330.2011

Выполним необходимые расчеты на примере каркасно-щитового дома 6х9 с мансардой.

Чтобы посчитать вес от стен дома необходимо вычислить их периметр. Периметр наружных стен + внутренние стены: Р=47 м, среднюю высоту стен примем h=4,5 м. Тогда вес от конструкции стен будет равен: Р х h х удельный вес материала стен.

47 м х 4,5 м х 70кг/м 2 = 14 805кг=14,8 т.

Далее посчитаем вес крыши. Принимаем, что вес крыши (деревянная стропильная система с покрытием из металлочерепицы) равен 40 кг/ м 2 (суммарный вес металлочерепицы, обрешетки, стропилы). Тогда вес крыши будет равен: S крыши х удельный вес 1 м 2

92 м 2 х 40 кг/м 2 = 3 680кг=3,7 т.

Также необходимо посчитать вес от перекрытий. Принимаем, что вес деревянного пола вместе с утеплителем будет равен 100 кг/м 2 . Тогда вес от перекрытий будет равен: S перекрытия*удельный вес*количество.

54 м 2 х 0,1 т/м 2 х 2 = 10,8 т.

После того как выполнены все необходимые расчеты, полученный вес сооружения умножаем на коэффициент надежности, о котором мы говорили ранее (в расчете для каркасно-щитового дома коэффициент принимаем равным 1,1 – для деревянных конструкций):

29,3 т х 1,1 = 32,2 т

Таким образом, нагрузка от самого здания составит 32,2 т. Этот вес принят условно, без вычета дверных и оконных проемов.

Кратковременные нагрузки. Нагрузки на перекрытия и климатические нагрузки

От людей (животных, мебели, оборудования) на перекрытия

Нельзя забывать и про воздействия на перекрытия, то есть вес людей, животных, мебели, оборудования. Так как точно определить значение этого показателя на этапе проектирования и строительства невозможно, к весу конструкции перекрытия добавляется нормативное значение равномерно распределенной нагрузки – Рt (Таблица 8.3 СП 20.13330.2011), действующей на 1 м 2 .

Для жилых зданий она равна 1,5 кПа (150 кг/м 2 ). При расчете получаем:

Нагрузки от людей (животных, мебели, оборудования) на перекрытия = 54 м 2 х 150 кг/м 2 х 2 = 16 200 кг =16,2 т.

Снеговая

Для расчета климатических нагрузок (ветровые, снеговые и т.д.), действующих на фундамент, в соответствии с п.10 СП 20.13330.2011 необходимо учитывать снеговой район (вес снегового покрова на 1 м 2 ) и конструктив покрытия здания (чем больше его уклон, тем меньше воздействие).

Учет района строительства при расчете снеговой нагрузки имеет принципиальное значение, так как, например, вес снегового покрова сильно отличается для разных регионов. Для центральной части Российской Федерации он составляет 180 кгс/м 2 (где кгс – килограмм-сила, равный силе, которая сообщает покоящейся массе, равной массе международного прототипа килограмма, ускорение, равное нормальному ускорению свободного падения), для значительной части Поволжья – 320 кгс/м 2 , а для отдельных районов Сибири – уже 400 кгс/м 2 , что отразится на результатах расчетов.

Рис 1. Карта снеговых районов Российской Федерации

S_крыши х Расчетный вес снегового покрова х коэффициент уклона покрытия (принимаем равным 0,7 – для наиболее типовых покрытий с уклоном от 30° до 45°)

Для Центральной России получаем:

Для районов Поволжья:

Для районов Сибири:

Ветровая

Велика вероятность, что при расчете ветровой нагрузки Вы получите отрицательное значение. Это будет означать, что вес надземной конструкции не увеличился, а, напротив, сократился. Поэтому иногда этим показателем можно пренебречь.

Но если речь идет о легких сооружениях, тем более характеризующиеся большой «парусностью», тот же показатель уже будет иметь принципиальное значение, так как Вам необходимо будет четко понимать, как увеличатся в этом случае выдергивающие и горизонтальные воздействия на сваи.

Нормативное значение ветровой нагрузки W_н находится по формуле:

где W — расчетное значение ветрового давления, определяемое по картам приложения к СП 20.13330.2011 или по рисунку 1 (значения указаны с коэффициентом 0,7 и без него);

k — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты z, определяется по таблице 3;

c — аэродинамический коэффициент, учитывающий изменение направления давления нормальных сил в зависимости от того с какой стороны находится скат по отношению к ветру, с подветренной или наветренной стороны.

Рис 2. Районирование территории Российской Федерации по расчетному значению давления ветра (расчетное значение ветрового давления w)

Типы местности:
А – открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра;
Б – городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;
В – городские районы с плотной застройкой зданиями высотой более 25 м

Таблица 3. Коэффициент k _(z) для типов местности

При ветре в скат крыши

При ветре во фронтон

Таблица 4. Коэффициент (с) для двухскатных покрытий при ветре в скат и во фронтон

Коэффициент надежности по ветровой нагрузке g_t следует принимать равным 1,4.

Преобладающие ветра направлены во фронтон крыши, отсюда аэродинамический показатель для крыши с наклоном ά = 45 равен C = -1,4; Кровля расположена на высоте 10 метров, то есть коэффициент равен 0,65 (городские территории):

Wн =0,7 х 23 кгс/м 2 ×0,65 х (-1,4) = -14,65 кгс/м 2 (знак «-» указывает на усилие, стремящиеся оторвать кровлю от всего здания).

Общее усилие на кровлю составит: 92 х (-14,65 кгс/м 2 ) = — 1 348кгс=-1,35 т.

Чтобы посчитать нагрузки от здания в целом необходимо суммировать все полученные данные.

Итого суммарное воздействие на фундамент: 32,2т + 16,2т. + 21,5 т. + (-1,35т) = 68,55т.

Грунтовые условия на участке: инженерно-геологические изыскания, экспресс-геология или пробное завинчивание?

Следующий этап, о котором часто забывают, – определение грунтовых условий участка предполагаемого строительства.

Для получения достоверной информации о несущей способности грунтов наиболее эффективным будет проведение контрольных полевых испытаний грунтов натурной сваей. В то же время стоит учитывать, что они выполняются только на основании данных инженерно-геологических изысканий (ИГИ). То есть испытания нужны для подтверждения выводов, сделанных из информации, содержащейся в отчетах по ИГИ (подробное описание свойств грунта, его пучинистости и глубины промерзания, результаты лабораторных испытаний грунтов, данные об их физико-механических свойствах, инженерно-геологический разрез и т.д.).

Однако из-за высокой стоимости этих методов оценки несущей способности грунтов они практически не применяются в сфере малоэтажного строительства.

Компании, которые строят фундаменты из винтовых свай, предлагают ряд альтернатив указанным процедурам.

Пробное завинчивание. Не является методом исследования грунта. Полученные результаты будут очень сильно зависеть от времени года и степени влагонасыщения грунтов. Следовательно, если провести процедуру на одном и том же участке весной или после выпадения обильных осадков и летом, то есть в жаркий и сухой сезон, полученные данные будут сильно отличаться. Это свидетельствует о недостаточной эффективности метода.

Хорошая альтернатива ИГИ для малоэтажного строительства – экспресс-геология (геолого-литологические изыскания). Она позволяет выявить потенциально опасные геологические объекты и процессы (верховодка, суффозия, карст и т.п.), своевременно определить сложные грунтовые условия, требующие особого подхода как к проектированию, так и к строительству объектов, к уровню их надежности (подробнее об экспресс-геологии Вы можете почитать в статье «Экспресс-геология (геолого-литологические изыскания) и измерения коррозионной активности грунтов»). Обладание знаниями о свойствах и строении грунта позволяет выбрать сочетание модификаций и количество винтовых свай для конкретного участка.

Кроме того, экспресс-геология позволяет определить физические характеристики грунтов, которые важны для подбора конфигурации лопасти (не путать с диаметром), влияющей на несущую способность сваи (больше информации о необходимости и основаниях для подбора конфигурации лопасти содержится в статье «Ключевые принципы подбора параметров лопастей»).

Для подтверждения результатов геолого-литологических изысканий и соответствия несущей способности грунтов требованиям проектной документации после установки винтовых свай рекомендуется выполнить контрольные измерения величины крутящего момента.

Коррозионная активность грунта – важнейший показатель для подбора характеристик винтовых свай

Также важно помнить, что в процессе проектирования фундамента назначаются не только конструктивные, но и геометрические параметры свай. Поэтому обязательный этап проектирования – определение коррозионной активности грунта, на основании данных о которой подбираются толщины ствола и лопасти, марка стали, обеспечивающие соответствие срока службы строения требованиям ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения».

Для уточнения правильности подбора параметров рекомендуется после выполнения расчета срока службы проверить остаточную толщину стенки ствола на соответствие проектным нагрузкам.

Высота цоколя. Есть ли разница в подборе винтовых свай?

Учет ландшафта участка предполагаемого строительства – еще одно обязательное условие, которое должно быть соблюдено при расчете фундамента.

Наличие на участке перепада высот требует не только использования винтовых свай различной длины, но и в ином сочетании модификаций, чем в случае строительства на ровной поверхности. Это связано с увеличением горизонтального воздействия на фундамент.

Важно заранее позаботиться о соблюдении минимальной высоты цоколя (не менее 500 мм). В случае если в процессе обвязки свайно-винтового фундамента данное условие не будет соблюдено, из-за близости элементов конструкции к грунту возникнет риск развития коррозионных (при обвязке швеллером или двутавром) или гнилостных (при обвязке брусом или бревном) процессов, что потребует организации дополнительных мероприятий по защите элементов конструкции.

Технические решения для цоколя опубликованы в разделе «Отделка и утепление цоколя».

Определение зон скопления нагрузок. Как расставить сваи в фундаменте?

При расстановке свай необходимо учитывать неравномерность распределения нагрузки по основанию, так как это позволит добиться равномерного распределения запаса прочности всего фундамента и значительно увеличит срок его эксплуатации.

Под коньком дома при двускатной крыше воздействие будет максимальным, под несущими и ненесущими стенами эти показатели снизятся, а сваи, устанавливаемые для опоры лаг пола, рассчитаны на восприятие минимального воздействия. Именно поэтому при строительстве фундамента в большинстве случаев используются конфигурации с разными конструктивными параметрами.

После определения ответственных узлов сооружения, расположения несущих и ненесущих стен постройки, можно переходить непосредственно к расстановке. Здесь следует соблюдать несколько основных правил.

Основное при подборе свай – количество, диаметр и конфигурация лопастей, так как именно от данных параметров зависит несущая способность. Толщина же стенки ствола и его диаметр обеспечивают жесткость и прочность, при этом определяющей является именно толщина стенки ствола.

Для ответственных узлов сооружения подойдут двухлопастные винтовые свай с максимальным для конкретной модификации диаметром лопастей. Это объясняется рядом причин. Во-первых, они устойчивы ко всем типам воздействия. Во-вторых, в отличие от однолопастных, конструкции с двумя лопастями обеспечивают включение в работу сваи околосвайного массива грунта, что увеличивает несущую способность.

В то же время достижение максимальных показателей многолопастных конструкций сопряжено с некоторыми сложностями, так как обеспечивается расчетом расстояния между лопастями, шага и угла наклона лопастей. Ошибки в вычислениях могут привести к возникновению «обратного эффекта»: введение второй лопасти ухудшит работу конструкции, вплоть до того, что двухлопастная свая будет уступать в восприятии проектных нагрузок даже модификации с одной лопастью (подробнее об этом в статье «Особенности расчета двухлопастных свай»).

Во всех остальных случаях рекомендовано использование однолопастных или двухлопастных конфигураций (с меньшим диаметром ствола и/или лопастей).

При определении частоты расстановки следует исходить из двух параметров:

• места пересечения стен и поворотов фундамента;
• характеристики провисания ростверка.

Распространена точка зрения, что вне зависимости от типа объекта (дом, баня и т.д.) для того чтобы ростверк не провисал, достаточно позаботиться о том, чтобы расстоянием между сваями не превышало трех метров.

Характеристики провисания ростверка – величина расчетная, учитывающая нагрузки на обвязочный брус от каждой стены и определяемая для каждого конкретного случая индивидуально. Только рассчитав их, Вы сможете подобрать оптимальное сечение бруса для ростверка и определить длину пролета.

Чтобы рассчитать характеристики провисания ростверка с минимальными отклонениями, рекомендуем воспользоваться онлайн-калькуляторами, представленными на специализированных ресурсах в сети.

Таким образом, при расчете фундамента необходимо учитывать большое количество аспектов. Диаметр и конструкция винтовых свай, их количество и сочетание определяются индивидуально для каждого объекта.

Если вам необходимо рассчитать количество винтовых свай, которые потребуются для строительства фундамента на вашем объекте, вы можете сделать это, не выходя из дома. Вам нужно только знать первичные параметры.

Воспользуйтесь онлайн-калькулятором расчета количества свай на нашем сайте. Помимо необходимого количества, вы сможете узнать также их предварительный диаметр и длину.

Расчет свайного поля онлайн достаточно прост. Для этого не нужно иметь специальное образование и читать литературу. Вам требуется только внести данные в существующие графы.

Расчет количества винтовых свай с помощью калькулятора

1. Укажите длину сторон вашего строения, выбрав по форме от 3-х до 15-ти метров.
2. Укажите тип строения – дом, гараж, бытовое сооружение и пр.
3. Укажите «этажность», если появляются соответствующие графы.
   Заполняя графы, обратите внимание на то, что дом с мансардой будет считаться полутора этажным строением.
4. Выбирайте материал вашего строения.
5. Укажите тип грунта на участке.
6. Укажите количество углов планируемого дома.
7. Укажите высоту цокольного этажа из предложенных вариантов.
8. Отметьте, собираете ли вы устанавливать камин/печку.
9. Кликнете «Рассчитать».

Через несколько секунд появится результат подсчета необходимого количества свай для вашего объекта.

Рассмотрим пример

Имеется торфяной участок с глубиной торфа 3 метра. Вы решили построить деревянный дом (брус 150х150), площадью 10 на 10 метров. Дом планируется оригинальной формой с девятью углами и мансардой. На высоте 50 см над землей будет расположен пол. Чтобы зимой вам было тепло, было решение установить в доме камин.

После того, как были внесены все данные, калькулятор подсчета количества винтовых свай выдал нам результат – 32 сваи, диаметром 108 мм и длиной в 4,5 метра.

Конечно, данный расчет является предварительным. Он служит ориентиром при планировании бюджета и дальнейшего заказа. Для более точного результата необходим выезд специалиста на объект для детального осмотра участка под планируемую застройку, где будут учтены все факторы.

Самостоятельный расчет на месте

Такой же расчет можно сделать самостоятельно и без использования калькулятора. Полученный таким способом результат в большинстве случаев менее точный. Вам нужно будет определить тип и плотность грунта, проанализировать природный рельеф, определить расстояние, на котором находятся более плотные слои почвы.

Еще одним вариантом, как можно узнать необходимое количество свай – это рассчитать их по плану первого этажа. Здесь вам необходимо посчитать количество углов и стыки внешних стен с несущими перегородками. В указанных местах и должны располагаться сваи, они должны идти по периметру с шагом не более трех метров. Если вы планируете установить камин, то, в зависимости от его веса, вам необходимо установить под него от одной до четырех свай.

Проведите расчет на калькуляторе и по плану первого этажа и сравните результаты.