Столб 60 на 60 со стенкой 3 мм имеет момент сопротивления 11,70 кубического сантиметра, столб 100 на 100 со стенкой 4 мм — 45,02. Оба числа взяты из таблицы 1 ГОСТ 30245-2003. Разница почти четырёхкратная, а масса погонного метра выросла всего с 5,19 до 11,73 кг. Именно это соотношение решает, устоит ли петлевой столб под распашной створкой, и именно его чаще всего не считают.
Второе число — глубина — от первого не зависит вообще. Его задаёт грунт: расчётная глубина сезонного промерзания и касательные силы морозного пучения, против которых вес ворот не значит ничего. Столб, у которого сечение подобрано правильно, а глубина взята «как у соседа», уйдёт из вертикали так же, как и наоборот. Дальше — четыре шага, по одному числу за шаг.
Столб ворот работает на изгиб, а не на сжатие
Столб рядового забора принимает вес секции и ветер, распределённый по пролёту. Петлевой столб ворот принимает сосредоточенный момент: створка висит на двух петлях сбоку и работает как рычаг длиной в свою ширину. Поэтому для забора важна площадь сечения, а для ворот — момент сопротивления, то есть насколько далеко металл отнесён от оси изгиба.
ГОСТ 31174-2017 в пункте 5.1.6 говорит про это прямо: максимальные размеры открывающихся элементов и расчётный прогиб несущих элементов устанавливают с учётом момента сопротивления поперечного сечения деталей, схем открывания, массы открывающихся элементов и расчётных нагрузок, в том числе ветровых.
Шаг первый: собрать нагрузку на столб
Распашным воротам ГОСТ 31174-2017 назначает класс А по сопротивлению ветру, а это 700 Па и более. Брать что-то меньшее для наружных ворот незачем — стандарт уже посчитал за вас. Дальше простая арифметика для створки 2000 на 2000 мм.
- Площадь полотна: 4,0 квадратных метра при глухом заполнении.
- Сила от ветра: 700 Па на 4,0 кв. м даёт 2800 Н, то есть около 285 кгс, приложенных к плоскости.
- Плечо: от оси петель до центра полотна — 1,00 м, половина ширины створки.
- Момент на столбе: 2800 Н·м. К нему прибавляется момент от веса створки, который тянет столб вбок через верхнюю петлю.
Почему у края нагрузка выше, чем в середине забора
Ворота стоят не в чистом поле и не в глухой стене, а в разрыве ограждения. СП 20.13330 разбирает такой случай в приложении В, пункт В.1.1 — отдельно стоящие плоские сплошные конструкции, то есть стены и заборы. Для участков такой конструкции коэффициент меняется от 2,1 у края до 1,2 в дальней зоне. Край — это как раз воротный проём.
Отсюда практический вывод: петлевой столб ворот нагружен сильнее, чем любой рядовой столб того же забора, даже если высота одинаковая. Ставить под ворота тот же профиль, что и под пролёты, — это перенос числа из одной задачи в другую.
Шаг второй: сечение по моменту сопротивления
ГОСТ 30245-2003 в пункте 3.2 отправляет за размерами, площадью сечения, справочными величинами и массой погонного метра к таблице 1 для квадратных профилей. В обозначениях стандарта W — момент сопротивления. Это та величина, на которую делят изгибающий момент, чтобы получить напряжение в стенке.
| Профиль | Момент сопротивления W, куб. см | Масса 1 м, кг | Во сколько раз W больше, чем у 60 на 60 со стенкой 3 |
|---|---|---|---|
| 60 на 60, стенка 3 мм | 11,70 | 5,19 | 1,00 |
| 80 на 80, стенка 3 мм | 21,95 | 7,07 | 1,88 |
| 100 на 100, стенка 4 мм | 45,02 | 11,73 | 3,85 |
| 100 на 100, стенка 5 мм | 54,19 | 14,41 | 4,63 |
Что показывает напряжение в стенке
Делим момент 2800 Н·м на момент сопротивления каждого профиля и получаем напряжение у заделки. На 60 на 60 со стенкой 3 мм выходит 239 МПа. На 80 на 80 со стенкой 3 мм — 128 МПа. На 100 на 100 со стенкой 4 мм — 62 МПа.
Теперь сопоставьте это с маркой стали. ГОСТ 23118-2019 в пункте 5.2.4 оперирует марками С235 и С255 для строительных конструкций, и число в обозначении марки — это предел текучести в мегапаскалях. То есть 239 МПа на шестидесятке — не запас, а сама граница текучести. Столб не переломится, он останется наклонённым. Подробный разбор сечений и толщин стенки под ворота и калитку собран в отдельной статье.
Важно. запас по сечению нужен не только на ветер. Если через год-два на ворота поставят привод, его кронштейн добавит к столбу свою точку крепления и свою нагрузку. Какой привод вообще встанет на ваш столб, решает именно толщина столба, а не вес створки.
Шаг третий: глубина считается по грунту
СП 22.13330 в перечне исходных данных для выбора глубины заложения фундаментов прямо называет глубину сезонного промерзания грунтов. Пункт 5.5.3 говорит, как её получить без многолетних наблюдений: для районов, где промерзание не превышает 2,5 м, нормативное значение вычисляют по формуле через две величины.
- Показатель грунта: для суглинков и глин 0,23 м, для супесей и песков мелких и пылеватых 0,28 м, для песков гравелистых, крупных и средней крупности 0,30 м, для крупнообломочных грунтов 0,34 м.
- Температурный коэффициент: сумма абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за год, по СП 131.13330.
- Поправка на режим: для наружных фундаментов неотапливаемых сооружений коэффициент равен 1,1. Ворота отапливаемым сооружением не являются никогда.
Челябинский счёт
По таблице 5.1 СП 131.13330 средние месячные температуры Челябинска уходят в минус пять раз: январь минус 15,0, февраль минус 13,5, март минус 5,8, ноябрь минус 5,3, декабрь минус 12,2. Сумма абсолютных значений — 51,8, корень из неё около 7,2.
Умножаем на показатель грунта и на 1,1. Для суглинка получается 1,82 м, для песка мелкого 2,22 м, для песка гравелистого 2,37 м, для крупнообломочного грунта 2,69 м. Разброс почти метровый — и это в пределах одного города. Ровно так же считают закладную под откатные ворота, где глубину для Челябинска разбирали по шагам.
Обратите внимание на порядок величин: чем крупнее грунт, тем глубже промерзание по формуле. Но крупнообломочный грунт без глинистого заполнителя к пучинистым не относится, поэтому для него эта глубина обязательной не будет.
Силы пучения, которые вес ворот не пересилит
СП 22.13330 в пункте 6.8.2 относит к пучинистым глинистые грунты, пески пылеватые и мелкие, а также крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем при влажности выше определённого уровня. Пункт 6.8.6 требует считать устойчивость на касательные силы морозного пучения вдоль боковой поверхности фундамента.
Величина этих сил берётся из таблицы 6.12. Для суглинков и глин в текучем состоянии при промерзании до 1,5 м там стоит 110 кПа, при 2,5 м — 90, при трёх метрах и более — 70. Подставим цифры под столб 100 на 100, забетонированный в скважину диаметром 300 мм на 1,82 м.
Боковая поверхность бетона в пределах промерзания — около 1,7 квадратного метра. Умножаем на 110 кПа и получаем порядка 187 кН, это примерно 19 тонн выталкивающего усилия. Створка вместе со столбом весит около центнера. Спор тут даже не начинается: удержать столб может только заделка ниже глубины промерзания и трение о талый грунт под ней.
- Засыпка пазухи: пункт 8.7 требует на пучинистых грунтах опирать элементы на подушку из непучинистого материала — песка гравелистого, крупного или средней крупности, мелкого щебня.
- Форма скважины: расширение книзу превращает бетон в анкер, который пучение вытолкнуть не может.
- Отвод воды: сухой грунт не пучит, поэтому уклон площадки от столба работает лучше лишних десяти сантиметров глубины.
Механизм выдавливания и способы его остановить подробно описаны в материале про столбы на пучинистом грунте.
Узел, где ломается всё: приварка петли
Допустим, сечение выбрано, глубина посчитана. Остаётся шов, которым петля крепится к столбу. ГОСТ 5264-80 в пункте 9 ограничивает катет углового шва: не более 3 мм для деталей толщиной до 3 мм включительно и 1,2 толщины более тонкой детали при сварке деталей толщиной свыше 3 мм. Примечание к приложению 1 повторяет ту же границу — минимальное значение катета не должно превышать 1,2 толщины более тонкого элемента.
Возьмём столб со стенкой 2 мм и воротную петлю с пластиной 8 мм. По толщине толстой детали таблица требует катет 5 мм. По толщине тонкой детали предел — 2,4 мм. Требуемое и допустимое не пересекаются. Варить приходится либо с недогрузкой шва, либо прожигая стенку столба. Это и есть та самая петля, которая через сезон «оторвалась вместе с куском трубы».
ГОСТ 31174-2017 в пункте 5.5.2 требует устанавливать тип, расположение и способ крепления петель с учётом размера и массы открывающихся элементов. Толщина стенки столба здесь такой же расчётный параметр, как и сечение.
Что спросить до заливки бетона
Три вопроса подрядчику, каждый с конкретным ответом в цифрах. Какое сечение и толщина стенки идут на петлевой столб — ответ вида «сотка на четыре». На какую глубину скважина и под какой грунт считали — ответ вида «1,9 метра, суглинок». Чем засыпана пазуха — ответ «песок средней крупности» или «бетон с расширением книзу».
Если на любой из вопросов отвечают «как обычно», расчёта не было. Переделка стоит дороже разницы между шестидесяткой и соткой в разы. На заводе ТЕСАРУС в Челябинске сварные ворота и калитки делают по размерам заказчика вместе с подбором столбов под конкретный проём, заполнение и грунт.