Виды нагрузок на фундамент и их расчет

Большим легкомыслием можно назвать действия индивидуальных застройщиков, склонных к приблизительной оценке возможных сил, которые будут действовать на возведённый дом.

Не лучше, когда смотрят на позитивный опыт соседей – вот у них же всё нормально, ну и я поступлю так же.

Но при появлении первых трещин в стенах, весь флёр с глаз спадает и открывается малоприглядная перспектива проведения трудоёмких ремонтных работ по укреплению фундамента.

Поэтому ещё на стадии проектирования не поленитесь, и прокалькулируйте все вероятные нагрузки на будущее здание, причём как по упрощённым, так и по детальным методикам. Как это делать, рассказано далее.

Какие силы действуют на основание частного дома?

Независимо от вида и конструкции фундамента, на него будут оказывать влияние две группы нагрузок – внешние и внутренние.

Причём внешние нагрузки можно принимать условно постоянными, в то время, как внутренние будут изменяться, в зависимости от тех новшеств, которые вы со временем решите внести в «начинку» вашего дома.

Подразделяются воздействующие нагрузки на постоянные и временные.

Классификация нагрузок, воздействующих на фундамент дома:

Постоянные

К ним относят усилия, зависящие от давления на фундамент, которое оказывает собственный вес конструкции дома. В это понятие включается вес самого фундамента, стен, перегородок, стропильной системы и кровли.

При более детальных расчётах придётся учесть также суммарный вес отделочных материалов, которые предполагается использовать во время строительства, а также массу внутренних трубопроводов. В качестве факторов, способных ослабить основание, включают пустоты, необходимые для прокладки дренажных и водоотводящих коммуникаций.

Все эти нагрузки можно учесть, если подсчитать объём используемых материалов и сопоставить результат с допустимыми удельными нагрузками.

Количество этих материалов можно установить по плану дома, а плотность некоторых из них приведена в таблице (см. табл. 1).

Таблица 1

Материал	Плотность, кг/мм3
Железобетон	2500…2600
Бетон	2400…2500
Кирпич	1600…1800
Натуральный камень	2700…2900
Сталь	7900…8000
Древесина	600…700
Битум	1300…1400
Черепица	1600…1900
Шифер/асбоцемент	1400…1600
Штукатурный раствор	1800…1900
Стекло	2400…2500

Не принимайте все приведенные значения по максимуму, а руководствуйтесь данными планировочного решения.

При подсчёте нагрузок иногда удобнее пользоваться характеристиками поверхностной плотности, которая учитывает толщину материала. Соотвествующая информация приведена в табл. 2.

Таблица 2

Материал	Профилированный стальной лист	Цементно-гипсовый раствор	Керамическая плитка	Деревянные подстропильные конструкции	Двери, окна
Поверхностная плотность, кг/мм2	20…60	40…50	70…80	12…15	40…45

К постоянным нагрузкам относят также силы, передаваемые на поверхность перекрытий стационарными конструкциями дома. Соответствующие нормативные данные составляют:

• Жилые помещения, кг/м² – 200.
• Технические помещения, кг/м² – 250.
• Помещения со встроенными малыми архитектурными формами, кг/м² – 230…250.
• Помещения мансард, чердаков и пр., кг/м² – 180.

Если подвалы в доме спроектированы с учётом их расположения в пустотах фундамента, то занимаемую ими площадь также следует учитывать.

Временные

Возникающие от них давления считаются непостоянными и зависят от количества проживающих, интенсивности трафика во внутренних помещениях и переходах, а также от веса мебели (в том числе, и планируемой к приобретению уже после начала эксплуатации дома).

Такие нагрузки подразделяются на распределённые и сосредоточенные. Например, большие мебельные стенки распределяют совй вес по всей занимаемой площади, в то время как анкерные болты крепления лестничных пролетов создают изгибающий момент только в месте своей заделки в стену. Для расчёта можно руководствоваться нормативными данными, которые приведены в табл.3.

Таблица 3

Место приложения силы	Спальни, гостиные	Кухни, коридоры	Террасы, веранды, балконы	Прочие технические помещения
Создаваемое наибольшее давление, кН/м2	5…6	9…10	4…5	8…12

К числу временных нагрузок относят и ударные, которые возникают как от внутренних, так и от внешних факторов (например, из-за близости проходящей мимо железнодорожной или автомобильной дороги).

Ударными нагрузками считаются внезапные или быстрые нагрузки, действующие на конструкцию в течение относительно короткого периода времени. Они вызывают даже более высокие напряжения в элементах конструкции фундамента, чем напряжения, создаваемые постепенно приложенными нагрузками той же величины.

Примерами ударных нагрузок являются нагрузки от движущихся транспортных средств, вибрирующих механизмов или падающих грузов. На практике ударные нагрузки считаются равными приложенным нагрузкам, которые увеличиваются на некоторый процент, называемый коэффициентом воздействия k_в. Значения этого коэффициента приведены в табл. 4.

Таблица 4

Источник ударных усилий	От внешнего транспорта	От растяжек балконов, козырьков	От растяжек лестниц	От опор механической техники
kв	1,8…2,0	1.3…1,4	1,4…1,5	1,5…1,8

Временные нагрузки создаются климатическими факторами (осадками, ветром и т.п.), поэтому их часто называют экологическими.

В частности, дождевые нагрузки связаны со скоплением массы воды на крыше во время ливней и обязательно должны учитываться для плоских крыш, либо для кровельных систем с уклоном менее 1:10.

Когда сток воды после осадков меньше, чем количество воды, удерживаемой на крыше, там возникают настоящие запруды. Поэтому крыши с парапетами обязательно снабжаются первичными и вторичными водостоками.

Первичный водосток собирает воду с крыши и направляет ее в канализацию, а вторичный служит резервом на случай засорения основного водостока упавшими с деревьев ветками или другим мусором.

Расчётная модель дренажа с плоской крыши: 1 – козырёк; 2 – подпорная стенка; 3 – дефлекторная труба; 4 — первичный водосток; 5 – верхний уровень крыши; 6 – вторичный водосток.

Ветровая нагрузка – это давление, оказываемое на конструкции ветровым потоком. Силы ветра были и остаются причиной многих структурных разрушений, особенно в прибрежных районах.

Скорость и направление ветрового потока постоянно меняются, что затрудняет прогнозирование точного давления, оказываемого ветром на существующие конструкции дома. Это объясняет причину значительных усилий по исследованию влияния и оценки сил ветра. На рисунке ниже показано типичное распределение ветровых нагрузок по периметру конструкции малоэтажного здания.

В некоторых географических регионах давление, оказываемое скопившимся на крыше дома снегом и льдом, может быть огромным и привести к разрушению конструкции. Снеговая нагрузка на кровлю определяется как вес снега, находящегося на её поверхности.

Последовательность расчётов

Проще всего вычислять постоянные нагрузки, статические и динамические. Для этого достаточно определить суммарный вес всех элементов дома, которые будут воздействовать на фундамент, разделить полученный результат на площадь основания и учесть коэффициент безопасности.

Как собирать нагрузки, было объяснено ранее, а опорная площадь фундамента известна из планировочного решения дома. Осталось установить поправочный коэффициент k_б. Для этого достаточно понять, к какому классу вы относите будущий дом:

• Как объект, возводимый преимущественно из металлоконструкций (k_б = 1,05).
• Как здание, которое будет строиться из бетонных элементов (плит, блоков, методом непрерывной заливки – неважно). Тогда k_б = 1,15.
• То же, что в предыдущем случае, но на фундаменте неглубокого залегания (k_б = 1,20).
• То же, но на грунте с разнородной плотностью. Здесь k_б = 1,25.

Расчёт может быть выполнен однократно, но, если условия строительства для разных частей дома резко неоднородны, то его повторяют столько раз, сколько нужно, а для анализа принимают наихудший результат. Его сравнивают с данными относительно несущей способности грунта, вычисленной по оптимальной глубине залегания фундамента. При удовлетворительном итоге работоспособность основания будет подтверждена.

Если итог расчёта неутешителен, придётся изменять (увеличивать) глубину залегания основания, а для ленточного фундамента – делать его шире или отказаться от этого варианта в пользу плиточного основания.

Аналогичным образом учитывают и динамические нагрузки. В качестве ориентира для контрольной проверки используют нормативные значения, которые приведены в СП 20.13330-2016.

С силами давления от ветра и снега/льда так просто не получится, ведь интенсивность и продолжительность осадков для каждого из регионов страны различна. Поэтому не обойтись без применения дополнительных коэффициентов.

Согласно 20.13330-2016 вся территория России разделена на 8 снеговых и ветровых районов. Узнать параметры для разных районов можно в «Строительной климатологии».

Пример расчета

В качестве примера возьмём одноэтажный двухкомнатный дом площадью 7x12 м, имеющий двухскатную крышу высотой 2 м, которая выполнена из профилированного настила. Дом предполагается строить на ленточном бетонном основании глубиной 1…1,5 м. Стены здания – из силикатного кирпича, верхняя часть стен будет облицована керамической плиткой. В суммарную массу стен с высотой 3 м включаем вес всех встраиваемых дверных и оконных элементов.

Угол ската кровли – 30⁰, в доме на чердачных площадях будет предусмотрен мансардный этаж с бревёнчатыми фронтонами. Крыльцо – выносное, с основанием индивидуального заложения; нагрузки на этот элемент дизайна главным фундаментом не воспринимаются.

Грунт в районе строительства (щебень+песок средней крупности) проверен, несущая способность при глубине до 1500 мм определена в 30 кг/см². Источников подповерхностных грунтовых вод не выявлено. Дренажная и водоотводная канализационные системы подведены заблаговеременно, точечное ослабление грунта учтено в выводах геотехнической экспертизы.

Последовательность вычислений:

1. Сбор постоянных нагрузок.
2. Оценка необходимости в укреплении грунта.
3. Проверка глубины залегания фундамента.
4. Определение временных нагрузок.
5. Выводы.

Общий вид дома, для которого ведётся расчёт:

Определяем габаритные размеры крыши. Её длина (при свесах в 0,6 м) равна 13,2 м, ширина определяется из размеров прямоугольного треугольника: 4,61 м.

Рассчитываем вес от вертикальных нагрузок:

• Периметр (без учёта крыльца) и свесов: 2•12 + 2x7 = 38 (м).
• Общая длина перегородок для дома, состоящего из 2-х комнат – 14 (м).
• Остальные перегородки – не капитальные, силы от давления таких элементов фундаментом не воспринимаются. Следовательно, суммарная длина стен составляет 38 + 14 = 52 (м).
• Площадь всех вертикальных элементов дома: 52x3 = 156 м².
• Общая площадь с учётом двух фронтонов: 5,25x2 + 156 = 166,5 (м²).
• Объём всех вертикальных элементов (толщину блоков принимаем 300 мм) равен: 166,5x0,3 = 49,95 (м³). С учётом наличия цементного раствора в стыках примем объём равным 50 м³.
• По известной плотности бетона в 2500 кг/м³ (см. табл.1) получим вес от вертикальных составляющих: 50x2500 = 125000 (кг) = 125 (т).

Рассчитываем вес, который передаёт на фундамент кровельная система дома и его крыша. Для профилированного настила, уложенного на деревянные стропильные конструкции, удельная нагрузка составляет 40 кг/мм² (по данным табл. 2, принимаем усреднённое значение). Учитывая площадь кровли, общий её вес будет (13,2+4,61)x2x40 = 1424,8 (кг) ? 1,5 (т).

Определим вес перекрытий, изготавливаемых из дерева. С учётом утеплителя, при толщине 30 мм получим: 7x12x0,3x300 = 7560 (кг) = 7,56 (т).

Здесь 300 кг/ м² – нормативная нагрузка от дощатого перекрытия с учётом уложенного утеплителя.

Вычисляем собственный вес ленточного фундамента, который также воспринимается грунтом: 7x12x2500 = 210000 (кг) = 210 (т). Принимая 10 %-ный запас по надёжности, получим общую постоянную нагрузку (60+5+7,56+210)x1,1 = 310,8 (т).

Вычисляем временные нагрузки. При среднем внутреннем трафике в расчёте на общую площадь помещений они составят: 7x12x150 = 12600 (кг) = 12,6 (т)

Для определения снеговой нагрузки на крышу воспользуемся методикой, которая приведена в СП 20.13330-2016. Для снегового района І нормативное давление от снегового покрова составляет 0,5 кПа на единицу площади кровли. В нашем случае снеговая нагрузка будет 0,5x(26,4+9,22) = 17810 (кг) = 17,81 (т). Однако наличие скатов позволяет уменьшить эту величину на 30 %, таким образом, окончательно снеговая нагрузка составит 17,81x0,7 = 12,47 (т).

Аналогично, привлекая данные СП 20.13330-2016, рассчитывается и ветровая нагрузка. Опуская промежуточные вычисления, получаем 0,17x12x1,5 = 3,06 (т).

Таким образом, фактические значения сил, действующих на бетонное основание дома, составляют 310,8+12,6+12,47+3,06 = 338,93 (т).

Сравниваем полученное значение с нормативной прочностью бетона. Например, для марки М400 (класс прочности В30) соответствующий показатель составляет 393 кг/мм², т.е., прочность обеспечится без дополнительного укрепления грунта.

Заключение

Приведенные расчёты и нормативные сведения позволят застройщикам выполнить первоначальные вычисления по пригодности данного проекта дома к условиям грунта в определённой местности, а также по применимости выбранных материалов.

В случае сложного рельефа местности, повышенной влажности и неравномерности слоёв почвы по своим геомеханическим характеристикам и пр., необходима более детальная оценка действующих сил, которую произведут специалисты профильных проектных организаций.