Сбор нагрузок на фундамент — особенности и пример расчета

Непомерная нагрузка на фундамент приведет к разрушению всей постройки. Поэтому в процессе проектирования конструкции дома нужно уделить особое внимание расчету (сбору) нагрузок, действующих на фундамент строения.

И в этой статье мы познакомим вас с процессом вычисления самых заметных нагрузок, оказывающих влияние и на габариты, и на конструкцию основания для жилого дома или коммерческого строения. Но вначале мы дадим немного теории, рассказав о разновидностях нагрузок проецируемых на фундамент со стороны строения и грунта и о типах деформаций конструкции основания спровоцированных этими нагрузками.

Разновидности нагрузок

Сбор нагрузок на фундамент формируется под влиянием следующих факторов:

• Веса самого строения: от кровли до нижнего венца (или первого ряда кирпичей/блоков), возведенного по уже существующему проекту.
• Эксплуатационной нагрузки  —  веса всех предметов интерьера, жильцов, отделочных материалов, меблировки, внутренних коммуникаций, бытовой техники и прочего содержимого жилища.
• Веса самого фундамента: от пяты до ростверка со всеми сопутствующими элементами – отделкой, гидроизоляцией, утеплением и так далее.
• Динамической нагрузки – предполагаемого веса снежного покрова и силы давления ветра на стены и кровлю строения.

Точное определение суммы нагрузок, а равно и каждой составляющей сбора, относится к достаточно затруднительным операциям.

Поэтому большинство вышеприведенных параметров считают исходя из объемов стройматериалов и площади пола, кровли и стен строения, умножая эти данные на соответствующие коэффициенты.

К счастью для проектантов вычисление веса дома и основания строения, а равно и эксплуатационной, и динамической нагрузок, производится путем ввода исходных данных в специальную программу – калькулятор фундамента.

Характеристики опорного грунта

Помимо конструкционного, эксплуатационного и динамического веса, проводя расчет нагрузки на фундамент, следует учесть такие характеристики и качества опорного грунта, как:

• Усадку грунта под пятой основания. Этот  параметр определяется по степени деформации почвы под весом нагруженной ленты или опоры. И чем выше плотность грунта, тем меньше его усадка.
• Глубину промерзания почвы. Этот параметр влияет на нагрузку, возникающую вследствие деформаций пучения грунта. Расширяющийся под влиянием низких температур грунт выталкивает заглубленный в него фундамент.
• Несущую способность грунта. Этот параметр определяет сопротивляемость почвы внешним нагрузкам. Высокая несущая способность позволяет уменьшить площадь подошвы основания.

Впрочем, перед тем, как посчитать нагрузку на фундамент со стороны почвы, необходимо провести полноценную геологическую разведку с контрольным бурением и статическими испытаниями опор. Поэтому, в большинстве случаев, вышеуказанные параметры берутся из таблиц или вычисляются по средним значениям на основе сопоставления наименьших и наибольших значений.

Разновидности деформации конструкции основания

Под влиянием нагрузок со стороны основания и гранта в конструкции, в теле фундамента возникает сразу несколько разновидностей деформации, а именно:

• Деформация по тикали – прогиб и выгиб, провоцируемая моментом сил, возникающим в процессе неравномерной усадки (погружения) всей подошвы фундамента в грунт.
• Деформации по горизонтали и вертикали фундамента – крен, перекос или сдвиг, которые провоцирует  нагрузка на одно «плечо» конструкции. Источник нагрузки в данном случае — заметна усадка грунта под одним углом, опорой или гранью (свайной линией) фундамента.
• Деформация горизонтали – смещение, вызываемое сейсмическими нагрузками, провоцируемыми смещением слоев грунта.

Причем необходимо понимать, что указанные деформации возникнут в теле фундамента в любом случае. Однако, если прогиб, сдвиг, крен и прочие разновидности деформаций не выйдут за разумные пределы, то конструкция основания не пострадает.

Пример сбора нагрузок на фундаменты

Но хватит теории. Давайте рассмотрим пример сбора нагрузок ленточного и столбчатого фундамента. И начнем мы с нагрузок, действующие на фундамент со стороны строения. Эти рекомендации подойдут и для столбчатых, и для ленточных оснований.

Сбор нагрузок со стороны строения

Выше по тексту уже говорилось, что нагрузки со стороны строения разделяются на:

• Конструкционные (вес самого дома).
• Эксплуатационные (вес содержимого дома).
• Динамические (вес снега на кровли, усилие, передаваемое на конструкцию ветром).

Конструкционные нагрузки считают по объему и удельному весу стройматериала. Например, если вы приобрели для строительства стен 15 кубометров пиломатериала с плотностью 600 кг/м3, то конструкционная нагрузка приблизится к 9 тоннам. Ну а строение, возводимое из 8 тысяч ординарных кирпичей – масса одной штуки – 3,5 килограмма – сгенерирует конструкционную нагрузку в 28 тонн.

Но это только стены. Конструкционную нагрузку перекрытий и кровли следует вычислить отдельно. Вес одного листа 8-волнового шифера равен 26 килограммам, а квадратный метр такого покрытия весит 14 кило. Плотность соснового бруса, расходуемого на каркас кровли равна 550-600 кг/м3.

В итоге, двускатная крыша с площадью кровли в 60 «квадратов» сгенерирует вес в 0,8 тонны по кровле и 1,2 тонны по каркасу (до двух кубометров пиломатериалов на брус и доски обрешетки). Точные объемы стройматериала можно вычислить по калькулятору кровли – специальной программе, в которую вводят габариты крыши и получают на выходе данные по метражу кровельного покрытия и объему пиломатериалов для каркаса и обрешетки.

Эксплуатационная нагрузка определяется по метражу цокольного и межэтажного перекрытия. По СНИП квадратный метр площади дома можно нагрузить 300-350 килограммами. В итоге, дом площадью в 100 м2 сгенерирует 3,5 тонны эксплуатационной нагрузки.

Динамическую нагрузку считают по площади кровли, умножаемой на массу снега, давящую на квадратный метр крыши. В наших широтах снеговая масса доходит до 180 кг/м3. И в рассматриваемом случае она равняется 10,8 тонны.

Сбор нагрузок со стороны фундамента

Следующий этап сборки нагрузок – определение массы самого фундамента. Зная внешние усилия, генерируемые общей массой строения можно подсчитать объемы ленточного основания и количество опор в столбчатом фундаменте.

Сбор нагрузок на столбчатый фундамент начинается с определения несущей способности одного столба, вычисляемой по площади его подошвы и несущей способности грунта. И если последняя характеристика равняется 2 кг/см2 (это минимальное значение), а площадь подошвы доходит до 1600 см2 (40х40 сантиметров), то один столб удержит не менее 3,2 тонны.

Общее количество столбов, вычисляется по сбору нагрузок со стороны строения. В нашем случае она равна 44,3 тонны, увеличим этот результат на 50 процентов (коэффициент запаса прочности) и получим 66,45 тонны. На этот вес нужно, как минимум 21 столб.

Ну а зная количество столбов и объемы одной опоры (0,4х0,4 (площадь основания) х1,5 (высота)) можно вычислить общий объем фундамента. В нашем случае он равен 5,04 м3. Столбы заливают бетоном, следовательно, вес такого фундамента равен 12,6 тонны (5,04м3 х 2500 кг/м3 (удельный вес бетона)).

Сбор нагрузок на ленточный фундамент начинают с вычисления площади подошвы. Ее определяют по сбору нагрузок со стороны строения и несущей способности грунта. В нашем случае она равна 33225 см2 (66450 кг (вычисленная выше масса дома) / 2 кг/см2).

Но эти данные определяются только по конструкционным характеристикам, а есть еще и эксплуатационные – морозостойкость, влагостойкость, минимальная ширина ленты и прочее. И по этим параметрам при минимальной ширине ленты в 40 сантиметров площадь основания лучше всего вычислить по периметру самого здания. И для дома в 100 м2 (условные габариты 10х10 м) периметр будет равен 40 метрам, а площадь основания 16 м2 (40х0,4).

Зная площадь основания и глубину залегания фундамента можно вычислить объем заливки. И при высоте стены фундамента в 1,5 метра на заливку основания уйдет до 24 м3 раствора. А масса фундамента будет равна 60 тоннам (24м3 объема умножаем на 2500 кг/м3 плотности железобетона)

Выдержит ли такой вес наш грунт? Разумеется, да. Ведь 160 000 см2 грунта (16 м2 подошвы нашего фундамента) с несущей способностью в 2 кг/см2 могут принять 320-тонную нагрузку, а общий вес нашего фундамента и строения – всего 126,45 тонны.

Подведем итоги

В завершении следует отметить, что все вышеприведенные расчеты можно выполнить с помощью специальных программ – калькуляторов, в которые загружают сведения о габаритах строения и характеристиках грунта. А на выходе получают информацию по объемам используемых стройматериалов. На основе этих данных сбор нагрузок вычисляется путем простейшего перемножения рекомендуемого объема на плотность соответствующего стройматериала.