Виды воздействия на фундамент — сбор нагрузок

Ещё на стадии проектирования частного дома (или коттеджа) необходимо оценить все эксплуатационные нагрузки, которые будут воздействовать на его конструкцию.

Прежде всего, это касается фундамента. Процесс подсчёта максимальных усилий на строение строители называют сбором нагрузок.

Их правильное определение напрямую влияет на несущую способность основания и устойчивость всей конструкции.

Разновидности воздействий

В зависимости от места приложения их подразделяют на внешние и внутренние. Кроме того, усилия могут быть сосредоточенными или распределёнными по некоторой площади.

Внешние усилия

К ним относят силы, которые воспринимаются фундаментом дома. Основное требование, которое должно быть выполнено при проектировании конструкций, заключается в том, что фундамент должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать все возможные типы нагрузок, которым может подвергаться здание.

Оценка расчётной нагрузки является, по сути, первым шагом, который следует предпринять перед определением типа фундамента.

Нагрузки, приходящиеся на фундамент конструкции, можно разделить на три категории:

1. Собственная. Это — сумма нагрузок, включающая собственный вес конструкции, основания, фундамента и нагрузки от материалов, которые используются для возведения различных компонентов здания — стен, полов, кровли и т. д..

   Все постоянные компоненты силы включены в постоянные нагрузки. Их можно рассчитать, определив вес объёмного содержания различных материалов, используемых в конструкции дома.

   

2. Временная или подвижная, которая представляет собой переменные во времени усилия, воспринимаемые полом. Иногда для обозначения таких сил используют термин «сверхналоженная нагрузка». Она включает в себя вес людей и материалов/предметов, которые находятся на полу, массу крыши и т. д. Подсчёт таких силовых элементов наиболее сложен и может быть произведен только ориентировочно.

   

3. Ветровая. Принимается во внимание только для двух- и более этажных зданий, а также для местностей, постоянно ощущающих влияние сильных ветров. Наибольшему давлению ветра подвергаются открытые стороны стен и крыши здания.

   Учёт давления ветра производится на основании измерений скорости ветра и характеристик конструкции, выступающей в качестве препятствия. Считается, что 10 периодических циклов увеличения/снижения ветрового давления создают возможность для опрокидывания возведённой конструкции.

   При проектировании строительного объекта и его фундамента учитывается фактор как раздельного, так и совместного действия приложенных внешних усилий. В частности, важную роль в усилении конструкции против давления ветра будут играть поперечные стены и полы. С другой стороны, в доме, высота которого менее чем в три раза превышает его ширину (к тому же, если он достаточно усилен поперечными стенами и полом), влиянием давления ветра пренебрегают.

   В случае, если здание расположено в прибрежной зоне, во избежание ветровых воздействий его высота не должна превышать двукратной ширины. Подсчёт давления ветра основывается на измерениях его скорости и тех характеристик конструкции здания, которые выступают в качестве препятствий.

   

Учёт дополнительных факторов

Точности сбора нагрузок мешают неопределённость значений некоторых исходных характеристик. Например, как учитывать периодически возникающие усилия – снег, пылевой буран и т.п.?

Что касается снега, то в местах с сильными и частыми снегопадами крыши должны полностью выдерживать нагрузку от снега как дополнение к постоянным и временным нагрузкам. Однако допускается не принимать этот вид нагрузок во внимание, если уклон крыши составляет 45° и более.

Таблица средних значений плотности и удельных усилий на единицу площади поверхности для наиболее часто встречающихся видов материалов и веществ.

Наименование параметра	Пылевые отложения на крыше	Кирпич	Древесина	Сталь	Стекло	Черепица
Плотность, кг/м3	350…800	1400…1600	650…750	7900…8000	2200…2500	1500…2200
Удельное давление на поверхность, кг/м2	12…20	350…500	30…40	35…50	50…70	80…160

Расчёт сил, действующих на основание дома

Проще всего учитывать данные факторы, исходя из их значений на единицу длины (погонный метр). Во внимание принимается как собственный вес строительных элементов – плит, балок, так и усилия, передающиеся на стены, например, от смежной постройки (сарая, мастерской или гаража).

Для наиболее тяжелонагруженных угловых элементов, которые воспринимают усилия в двух взаимно перпендикулярных направлениях, учитывают не только усилия, но и изгибающие моменты.

Приведём пример:

Собственный вес бетона составляет около 2400 кг/м³, что эквивалентно 240 кН. Собственный вес стали составляет около 8000 кг/м³. Принимаем поперечное сечение углового элемента 230 мм x 600 мм с 1% стали.

Тогда, при стандартной высоте 3 метра, собственный вес конструкции составит около 1000 кг, что эквивалентно 10 кН. Учитывая различные дополнительные факторы, стоит принять, что собственный вес углового элемента находится в диапазоне от 10 до 15 кН на один этаж строения.

Для второго и последующих этажей усилия составляют соответственно 75% и 50% от определённых ранее.

Аналогично поступают и при определении распределённых усилий на балки и плиты перекрытий. Общее нагружение плиты складывается из следующих составляющих:

• постоянной нагрузки;
• динамической нагрузки;
• собственного веса плиты.

Таким образом, для балок принимают их стандартные сечения, установленные ГОСТ 20372-2015. Например, каждый метр балки имеет размеры 230 мм x 450 мм без учета толщины плиты. Следовательно, собственный вес может составлять около 2,5 кН/пог.м.

Дальнейший расчёт сил, которые воспринимаются стенами, зависит от их материала:

1. В качестве первого примера возьмём кирпичную стену. Плотность кирпича варьируется от 1500 до 2000 кг/м³. Для стены толщиной 150 мм, высотой 3 метра и длиной 1 метр мы можем рассчитать нагрузку на погонный метр, равную 0,150 x 1 x 3 x 2000 = 900 кг, что эквивалентно 9 кН/пог.м.
2. Для автоклавных газобетонных блоков показатели плотности материала колеблются в пределах 550 … 700 кг/м³. При использовании этих блоков для строительства давление на стену может составлять всего 4 кН/пог.м. Это, кстати, может привести к значительному снижению общей стоимости строительства.

При расчёте усилий, которыми нагружается бетонная плита перекрытия, во внимание принимается её толщина. Допустим, это 125 мм. Теперь каждый м² плиты будет иметь собственный вес 0,125 х 1 х 2400 = 300 кг, что эквивалентно 3 кН. Для индивидуальных одноэтажных домов конечная нагрузка обычно составляет 1 кН/м², а наложенная динамическая нагрузка — 2 кН/м².

Таким образом, предполагаем, что общая сила, давящая на плиту перекрытия, составит примерно от 6 до 7 кН/м². Умножив этот показатель на общую площадь всех плит, получим необходимое значение.

Площадь всех плит принимается с учётом свесов и будет на 5…8% больше площади дома в плане.

Исходная схема всех составляющих для варианта деревянных перекрытий:

В расчётах обязательно учитывают фактор безопасности, который не должен быть ниже 1,5…1,6.

Сколько весит дом?

Собственный вес различных компонентов здания – самая трудноопределяемая величина. Можно, например, руководствоваться следующими справочными данными:

• Жилые помещения, плотно заполненные мебелью, кг/м² – 200…250.
• Помещения залов и студий, коридоры, прихожие. кг/м² – 170…200.
• Технические помещения дома с установленной бытовой аппаратурой, кг/м² – 250…300.

Для предварительных расчётов обычно принимают, что стандартный частный дом весит 55…60 тонн. Нижний предел при этом составляет 35 тонн, а верхний – 70 тонн. Однако эти данные сильно зависят от площади дома, материалов, используемых для его строительства, а также от внутренней «начинки».

Во многих руководствах приводится базовая цифра в 30 кг/м², которой и советуют придерживаться. Однако для детального сбора нагрузок такое значение является приближённым.

Надо, в частности, принимать во внимание массу тяжёлого бетонного фундамента, часто — цокольного этажа или подземного гаража, установленной мебели (в том числе, и встроенной), санитарно-технических устройств, бытовой техники. Однако в любом случае необходимо вначале соблюсти все строительные нормы (в частности, СНиП 2.01.07-85), а потом просуммировать все составляющие.

При сборе нагрузок учитываются:

• Количество уровней/этажей: жильё в двух уровнях со сплошным бетонным фундаментом весит не менее 40 кг/м², а трёхуровневое – до 52 кг/м².
• Толщина стен. Приведенная ранее таблица содержит нормативные нагрузки, которые рассчитаны для каменных/кирпичных стен толщиной до 150…180 мм; в противном случае вес дома следует пропорционально увеличить.
• Наполненность дома тяжёлыми предметами. Например, одно только пианино весит 600…650 кг. А ведь ещё могут быть обширная библиотека или домашний тренажёрный зал.

Важно: при сборе нагрузок не забывайте и о предметах, которые вы планируете приобрести уже после строительства дома.

Поэтому стоит попробовать более кропотливую, но и более точную методику сбора нагрузок на фундамент. Для этого последовательно:

1. Устанавливают количество комнат и их функциональное назначение – гостиная, спальня, кабинет, кухня, столовая и т.п.
2. Определяют площадь каждого из таких помещений.
3. Для каждого помещения принимают собственный удельный показатель массы.
4. Суммируют полученные данные.

Ранее уже упоминалось о коэффициенте безопасности. Он также может быть дифференцированным. Если для сплошного фундамента его можно принять, как уже указывалось, в пределах 1,5…1,6, то для свайного фундамента этот коэффициент «подрастает» до 5…6.

Заключение

Максимальный показатель в расчётах даст несколько завышенную оценку фактических суммарных усилий, но зато ваш фундамент сохранит свою прочность и жёсткость на протяжении многих десятилетий.