Расчет нагрузки на фундамент и грунт

При проектировании фундаментов для любых типов зданий учитываются все влияющие на правильную их работу условия. Принимают во внимание инженерно-геологические особенности участка строительства, конструкцию здания, влияние окружающей среды. Основная задача – обеспечить прочность и пригодность готового фундамента к длительной эксплуатации. Неправильный расчет становится причиной осадок, разрушения и появления трещин на фундаменте и самом здании. Рассмотрим подробнее как рассчитать нагрузку на фундамент, и что учитывают при расчете.

Принципы расчета фундаментов и типы нагрузок

Расчет фундамента включает в себя выбор типа и геометрических характеристик в зависимости от всех влияющих на работу конструкции факторов. Также определяют несущую способность грунта в привязке к весу дома. В первую очередь важно провести расчет нагрузки на фундамент. Она зависит от веса дома и некоторых других воздействий.

В общем, все воздействия на фундамент классифицируются по времени действия на:

• постоянные;
• временные.

Временные также разделяют на кратковременные, длительные и особые.

К постоянным относят собственный вес строительных конструкций, давление грунтовых масс на фундамент. Эти воздействия начинаются непосредственно с начала строительства и продолжаются весь срок эксплуатации строения.

Временные нагрузки воздействуют в некоторые периоды при возведении или эксплуатации здания. К ним относят:

• длительные – вес оборудования, мебели, материалов;
• кратковременные – транспортные нагрузки, снег, ветер.

При расчете все воздействия суммируются и распределяются на общую длину фундамента или количество свай.

Постоянные нагрузки

Постоянные нагрузки от конструкций рассчитывают с использованием таблиц, каталогов и паспортных данных в которых указывается масса или плотность конкретного элемента. В таблице рассмотрим плотности часто используемых строительных материалов.

Некоторые материалы рассчитывают исходя из их площади, а не плотности.

К примеру, 1 м2 кирпичной стены из полнотелого кирпича толщиной 380 мм обшитой пенопластом ПСБ-25 толщиной 10 см будет обладать таким весом: 0,38×1800 + 0,1×25 = 304+2,5=303,5 кг. Зная это значение высчитывают вес всех стен и перегородок в здании. Также собирают нагрузку от собственного веса перекрытий и крыши.

К постоянным нагрузкам также относят и собственный вес самого фундамента. Его рассчитывают исходя из материала строительства и геометрических размеров. Ширина фундамента выбирается исходя из толщины стен, но не менее 300 мм. Высота (глубина заложения) в большинстве случаев зависит от глубины промерзания. Для Московской области, к примеру, она составляет около 1,8 м. То есть, с учетом просвета над грунтом, это около 2 м. Если проектируется ленточный фундамент шириной 400 мм и высотой 2 м из бетонных блоков, то вес 1 м будет составлять 0,4× 2×2500=2000 кг. Если общая длина фундамента 50 м, то он создает общую нагрузку на грунт в 100 000 кг.

Обязательно используют коэффициенты надежности, которые составляют:

• для металлоконструкций – 1,05;
• бетонных материалов плотностью выше 1600 кг/м3, деревянных, армокаменных, каменных и железобетонных конструкций – 1,1;
• бетонных плотностью меньше или равной 1600 кг/м3, выравнивающих слоев, засыпок, стяжек, отделочных слоев, выполненных на заводе – 1,2;
• то же самое, но выполненных на строительной площадке – 1,3.

С учетом этого коэффициента фундамент, запроектированный выше, будет обладать общим весом в 100 000 × 1,1 = 110 000 кг.

Временные нагрузки

О снеге, который также относится к временным нагрузкам поговорим ниже отдельно. Другие временные воздействия на фундамент необходимо учитывать при проектировании. Их значения берутся из нормативных документов. Нет необходимости высчитывать вес каждого предмета мебели и распределять его по площади. Для жилых зданий в среднем можно принимать 150 кг/м2 равномерно распределенной нагрузки. Для чердаков принимают 70 кг/м2. Также учитывают коэффициенты надежности равный 1,3. То есть для дома в 150 м2 с чердаком в 20 м2 общее значение составляет 26000·1,3 = 33800 кг

Снеговые нагрузки

Снежный покров, который собирается на кровле в холодный период года, необходимо учитывать при расчете нагрузки на грунт. Количество снега в регионах отличается. Для проектирования используют нормативные значения веса снегового покрова, взятые из строительных правил. В СНиП территория разделена на снеговые районы и указана нормативная нагрузка в них:

• I – 80 кг/м2;
• II – 120 кг/м2;
• III – 180 кг/м2;
• IV – 240 кг/м2;
• V – 320 кг/м2;
• VI – 400 кг/м2;
• VII – 480 кг/м2;
• VIII – 560 кг/м2.

Расположение районов лучше смотреть на карте в нормативных документах. В общем, для европейской части южные регионы относят к I–II району (громе горной части, которая принадлежит VIII району), центральные области (в том числе Москва и Санкт-Петербург) к III, Тверь, Нижний Новгород, Казань к IV, север к V снеговому району.

Кроме этого учитывают и конструкцию крыши, ее уклон. Для этого применяют коэффициент перехода μ (мю). Он составляет:

• при уклоне до 30° μ=1;
• 30–60° μ=0,7:
• круче 60° – μ=0.

Имея все значения – площадь крыши, нормативные значения веса снежного покрова, уклон – высчитывают максимальную нагрузку на фундамент от снега: S=Sнорм · μ. При площади крыши 30 м2 с уклоном 30° в Москве общее значение будет: S=180×1×30 = 5400 кг.

Распределение веса на грунт

После сбора всех нагрузок от здания их необходимо суммировать для определения общего веса строения. Это лучше делать в табличном виде, отдельно записав вес покрытия, перекрытий, временных нагрузок, нагрузку от снега и стен. При проектировании дома важно добиться более равномерного распределения нагрузку на фундамент, иначе возможны просадки грунта.

Каждый грунт способен принять определенное воздействие. Оно зависит от его механических характеристик и состава. В среднем, приблизительный расчет ведут исходя из значения 2 кг/см2. Например рассмотрим такую ситуацию: общий вес дома с фундаментом – 150 000 кг. Фундамент ленточный длиной 40 м и шириной 40 см. Площадь опоры - 40×4000= 160000 см2. То есть нагрузка на грунт составит 150 000/160 000 = 0,94 кг/см2. Фундамент полностью удовлетворяет требованиям. Даже, при необходимости, возможно уменьшить его ширину до 30 см.

Распределение нагрузки на столбчатый фундамент проводится таким же образом. Этот же дом, весом 150 000 кг на 16 столбах сечением 40×40 см создаст нагрузку в 150 000/25600=5,9 кг/см2, что недопустимо. Требуется изменение типа фундамента, увеличение количества столбов или замена материалов на более легкие.

Конечно, есть и слабые грунты, несущая способность которых меньше средней. Это нужно учитывать и не пренебрегать инженерно-геологическими изысканиями на строительном участке.

Нагрузка на свайный фундамент рассчитывается исходя из количества свай. Каждый стержень в определенных условиях способен воспринять определенную нагрузку и передать ее грунту. Ее значения определяются типом свай и видом грунта. Висячие сваи передают нагрузку боковыми поверхностями с использованием силы трения. Стоячие – опираются на скальные породы, и способны воспринимать большие нагрузки. При покупке готовых свай у производителя обязательно узнают их несущую способность.

Определение допустимой несущей способности грунта проводят и лабораторными испытаниями во время инженерно-геологических изысканий.

• Проектирование и дизайн
• Фундамент