Правила расчета фундамента

Постоянные нагрузки, возникающие от строительных конструкций, рассчитываются с помощью специализированных таблиц, каталогов и паспортов, в которых указаны масса или плотность конкретного элемента. В следующей таблице рассматриваются плотности распространенных строительных материалов.

Сбор нагрузок на фундамент. Как рассчитать, примеры

В данной статье подробно обсуждается процесс сбора нагрузок на фундамент, а также приводятся практические примеры расчета нагрузок от каркасно-щитового дома с мансардой, размеры которого составляют 6х9 м.

Нагрузки на основание делятся на постоянные P_d и временные, которые могут быть длительными P_l, кратковременными P_t и особыми P_s.

Постоянные P_d — это вес стационарных частей сооружений, включая несущие и ограждающие конструкции.

Длительные P_l — это вес временных перегородок, наполнительных подливок и подбетонок под оборудование, а также вес стационарного оборудования и заполняющих его жидкостей, твердых тел и прочего.

Кратковременные P_t — воздействия, вызванные движением людей, животных и оборудования на перекрытия, а также нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования, транспортных средств и климатических факторов (например, снеговых или ветровых нагрузок).

Особые P_s — это воздействия, связанные с сейсмической активностью, взрывами, столкновениями транспортных средств с частями строения, воздействиями, которые происходят в результате пожаров или деформаций основания, ведущих к значительным изменениям в структуре грунта.

Для точного расчета нагрузок на фундамент необходимо сложить все вышеупомянутые воздействия. В примерах, представленных в этой статье, учтены виды нагрузок, актуальные для расчета фундамента, выполненного из винтовых свай и предназначенного для индивидуального жилищного строительства (ИЖС).

Чтобы вычислить вес строения, достаточно знать удельный вес используемых материалов и их объемы. Эти данные можно легко получить от поставщиков строительных материалов.

В процессе расчетов возможно также использование усредненных значений удельного веса конструкций. Для удобства такие значения приведены в таблице 1.

Удельный вес стен, 1 м²
Каркасные стены толщиной 200 мм с утеплителем	40-70 кг/м²
Стены из бревен и бруса	70-100 кг/м²
Кирпичные стены толщиной 150 мм	200-270 кг/м²
Железобетонные стены толщиной 150 мм	300-350 кг/м²
Удельный вес перекрытий, 1 м²
Чердачное перекрытие по деревянным балкам с утеплителем плотностью до 200 кг/м³	70-100 кг/м²
Чердачное перекрытие по деревянным балкам с утеплителем плотностью до 500 кг/м³	150-200 кг/м²
Цокольное перекрытие по деревянным балкам с утеплителем плотностью до 200 кг/м³	100-150 кг/м²
Цокольное перекрытие по деревянным балкам с утеплителем плотностью до 500 кг/м³	200-300 кг/м²
Железобетонное перекрытие	500 кг/м²
Удельный вес кровли, 1 м²
Кровля из листовой стали	20-30 кг/м²
Рубероидное покрытие	30-50 кг/м²
Кровля из шифера	40-50 кг/м²
Кровля из гончарной черепицы	60-80 кг/м²

Таблица 1 — Справочные данные с усредненными значениями удельного веса конструкций дома: стен, перекрытий, кровли.

Согласно п. 4.2. СП 20.13330 Нагрузки и воздействия расчетная нагрузка определяется как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке (γ_f), который устанавливается для веса строительных конструкций и соответствует рассматриваемому предельному состоянию:

Конструкции сооружений и вид грунтов	Коэффициент надежности, γf
Конструкции
Металлические	1,05
Бетонные (с средней плотностью свыше 1600 кг/м³), железобетонные, каменные, армокаменные, деревянные	1,05
Бетонные (с средней плотностью 1600 кг/м³, изоляционные, выравнивающие и отделочные слои (плиты, материалы в рулонах, засыпки, стяжки и т.п.), выполняемые:
в заводских условиях	1,2
на строительной площадке	1,3
Грунты:
в природном залегании	1,1
на строительной площадке	1,15

Кратковременные нагрузки

На перекрытия

При проектировании и строительстве невозможно однозначно определить величину показателя воздействия на перекрытия, из-за чего к весу конструкции перекрытия добавляется нормативное значение равномерно распределенной нагрузки – Р_t (таблица 8.3 СП 20.13330), действующей на 1 м².

Для жилых зданий нормативная нагрузка равна 1,5 кПа (150 кг/м²). Расчет производим по формуле: S_{перекрытия} × 150 кг/м² × количество перекрытий. Нагрузки, вызванные людьми (животными, мебелью, оборудованием) на перекрытия, также учитываются:

Снеговая нагрузка

Для расчета климатических нагрузок на фундамент необходимо учитывать снеговой район (вес снегового покрова на 1 м²) и конструктив покрытия.

Как рассчитать нагрузку на фундамент

Процесс расчета нагрузки включает в себя следующие этапы:

• Определение веса здания с помощью объемов и удельного веса материалов.
• Учет собственного веса фундамента.
• Учет временных и длительных нагрузок — от людей, оборудования, снега и прочих факторов.
• Учет сейсмической активности района строительства.
• Формирование запаса прочности, который увеличивает расчетную нагрузку на 10-30%.

Согласно СП 20.13330.2016 максимально допустимая нагрузка с учетом коэффициентов не должна превышать 5 тс/м².

Как рассчитать глубину заложения фундамента

Рекомендуется принимать глубину заложения подошвы фундамента:

• Ниже уровня промерзания грунта в месте строительства.
• Не менее чем на 0,5 м ниже уровня отмостки.
• Ниже уровня грунтовых вод не менее чем на 0,5 м.

• Изучить несущую способность грунта по глубине.
• Учитывать глубину заложения слабых грунтов.

Средняя глубина заложения для ленточных фундаментов составляет от 1 до 1,5 м.

Как рассчитать основную нагрузку

Нагрузка на грунт и фундамент разделяется на постоянные и переменные нагрузки. К последним относятся ветер и снег. Постоянные нагрузки включают вес дома, коттеджа или бани, включая фундамент и кровлю. Также необходимо учесть эксплуатационную нагрузку — количество людей, которые регулярно находятся в помещении, а также вес мебели и оборудования. Отметим, что среди компонентов постоянной нагрузки выделяются следующие:

• Конструкция фундамента;
• Цокольный этаж или подвал с отделкой;
• Стены и межкомнатные перегородки с отделкой;
• Потолок и полы с отделкой;
• Лестницы;
• Кровля с отделкой.

Нормативы СНиП II-3-79 предлагают значения удельного веса строительных материалов, которые помогут рассчитать примерный вес дома и нагрузку на фундамент. Данные параметры приведены в таблице. Рекомендуется использовать более высокие значения удельного веса, чтобы обеспечить резерв прочности.

Удельный вес дома

Удельный вес и нагрузка отдельных элементов	Удельный вес
Материалы фундамента (на 1 м³)	кг/м³
Бетон, железобетон	2200-2500
Кирпич, бутобетон	1880-2200
Бутовый камень	1600-1800
Тип стен (на 1 м²)	кг/м²
Бревенчатые и из бруса	70-100
Деревянные, каркасные и панельные	30-50
Тип перекрытия (на 1 м²)	С плотностью до 200 кг/м³	С плотностью 200-500 кг/м³
Цокольное по деревянным балкам	100-150	200-300
Чердачное по деревянным балкам	70-100	150-200
Железобетонное монолитное	500
Тип кровли	кг/м²
Черепица	60-80
Рубероид в два слоя	30-50
Сталь в листах	20-30

Для получения общего расчета всей конструкции удельный вес материалов умножается на объем соответствующей конструкции. Полученный результат затем умножается на коэффициент надежности по нагрузке. Значения этого коэффициента представлены в следующей таблице.

Коэффициент надежности конструкции и грунта

Бетонные конструкции	С плотностью выше 1600 кг/м³	С плотностью равной или ниже 1600 кг/м³
	1,1	В заводских условиях	На стройплощадке
		1,2	1,3
Металлические конструкции	1,05
Монтаж фундамента на грунте	Насыпной	В природном залегании
	1,15	1,1

При выполнении расчетов нагрузок важно помнить о временных элементах, включая снеговые нагрузки. Снеговая нагрузка рассчитывается в зависимости от региона, где ведется строительство.

Как рассчитать снеговую нагрузку

Чтобы вычислить снеговую нагрузку, необходимо умножить площадь кровли на вес снегового покрова, который зависит от местности, где происходит строительство. С нормами для каждого региона можно ознакомиться в добросовестном проекте СНиП 2.01.07-85. Там же в приложении можно найти карту снеговой нагрузки для России.

На карте снеговой нагрузки России указаны нормативы. Для полного расчета снеговой нагрузки используется следующая формула:

где S — снеговая нагрузка;

Sр — расчетный вес снега на 1 м² горизонтальной поверхности;

к — коэффициент наклона кровли. Этот коэффициент равен 1 для кровель с уклоном до 25 градусов, 0,7 для уклонов от 25 до 60 градусов, при уклоне свыше 60 градусов он не учитывается.

Для упрощения расчетов можно использовать средний вес снега: около 100 кг/м³ в сухом виде и до 300 кг/м³ в мокром состоянии. Однако стоит иметь в виду, что такой способ может приводить к неточным результатам, что является риском при проектировании фундамента.

Временные нагрузки

Снег, как упоминалось ранее, также относится к временным нагрузкам; однако другие временные воздействия на фундамент должны учитываться при проектировании. Значения этих нагрузок можно взять из нормативных документов. Нет необходимости детально высчитывать вес каждого предмета мебели и распределять их по площади. Для жилых зданий в среднем принимается 150 кг/м² равномерно распределенной нагрузки, а на чердаках 70 кг/м². Также учитывается коэффициент надежности равный 1,3. То есть, для дома площадью 150 м² с чердаком в 20 м² общее значение составляет 26000·1,3 = 33800 кг.

Снежный покров, накопленный на крыше в холодный период года, следует учитывать при расчете нагрузки на грунт. Количество снега в разных регионах варьируется. Для проектирования используются нормативные значения веса снегового покрова, указанные в строительных правилах. По СНиП, территория разбита на снеговые районы с указанием нормативной нагрузки в каждом из 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.

Уточнить данные о районном делении можно на специализированной карте в нормативных документах. В общем, для южных регионов европейской части России, без учета горных районов, будет отнесение к I–II районам, центральные области (в том числе Москва и Санкт-Петербург) к III, Тверь, Нижний Новгород и Казань к IV, а север относят к V снеговому району.

Кроме того, учитывается конструкция кровли и ее уклон. Для этого используется коэффициент перехода μ (мю), значение которого составляет:

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

Имея все необходимые значения — площадь крыши, нормативные значения веса снегового покрова и уклон — можно вычислить максимальную нагрузку на фундамент от снега: S=Sнорм · μ. Например, если площадь крыши равна 30 м² с уклоном 30°, в Москве это составит: S=180×1×30 = 5400 кг.

Распределение веса на грунт

После сбора всех нагрузок от здания необходимо провести суммирование для определения общего веса конструкции. Удобно делать это в табличном виде, отдельно фиксируя вес каждого элемента, таких как покрытие, перекрытия, временные нагрузки, нагрузка от снега и вес стен. Важно добиться равномерного распределения нагрузки на фундамент при проектировании дома, иначе возможны просадки грунта.

Каждый тип грунта обладает определенной способностью принимать нагрузки, что зависит от его механических характеристик и составных элементов. В среднем, ориентировочный расчет ведется на основе значения 2 кг/см². Например, представим ситуацию: общий вес дома с фундаментом составляет 150 000 кг. Фундамент ленточный, длиной 40 м и шириной 40 см. Площадь опоры составляет 40×4000=160000 см². Следовательно, нагрузка на грунт будет равна 150 000/160 000 = 0,94 кг/см². Таким образом, требования предназначены к фундаменту полностью соблюдаются, и в случае необходимости можно уменьшить ширину до 30 см.

Распределение нагрузки на столбчатый фундамент рассчитывается аналогичным образом. В этом случае дом весом 150 000 кг на 16 столбах диаметром 40×40 см создаст нагрузку в 150 000/25600=5,9 кг/см², что превышает допустимые значения. В подобной ситуации требуется либо изменить тип фундамента, увеличить количество столбов, либо использовать более легкие материалы.

Следует также учитывать и слабые грунты, несущая способность которых ниже средних значений. Это необходимо учитывать и не пренебрегать инженерно-геологическими изысканиями на строительной площадке.

Нагрузка на свайный фундамент рассчитывается в зависимости от числа свай. Каждая сваи в определенных условиях будет воспринимать заданную нагрузку и передавать ее грунту. Значения такой нагрузки зависят от типа свай и особенностей грунта. Висячие сваи передают нагрузки боковыми поверхностями, используя силу трения, тогда как стоячие сваи опираются на скальные породы и способны воспринимать значительные нагрузки. При покупке готовых свай следует обязательно уточнять их несущую способность у производителя.

Оценка допустимой несущей способности грунта осуществляется также в процессе лабораторных испытаний во время инженерно-геологических изысканий.

Видео описание

На этом видео продемонстрировано, как собрать все нагрузки на перекрытие:

Далее стоит рассмотреть климатические нагрузки – снеговые и ветровые. Нагрузки, связанные со снегом, варьируются в зависимости от региона застройки, так как толщина снежного покрова меняется от области к области. В приложениях к СП 20.13330.2011 можно найти карту районирования территорий России по весу этого покрова. В общей сложности такие районы подразделяются на восемь категорий, причем если для первой категории вес снега на 1 квадратный метр составляет всего 80 кг, то в восьмой категории — уже 560 кг.

При определении этой нагрузки конструкция крыши, её площадь и уклон обладают высоким значением.

Как в ручных расчетах, так и в калькуляторах веса дома ветровая нагрузка зачастую не учитывается: для тяжелых капитальных зданий она считается несущественной и может даже иметь отрицательное значение. Тем не менее для легких конструкций с большой парусностью (например, заборы или беседки) ветровая нагрузка играет важную роль, так как создаёт горизонтальные и выдергивающие нагрузки.

Пример расчета

Рассмотрим процесс расчета нагрузки на фундамент для одноэтажного бревенчатого дома с размерами 8х10 м и двускатной крышей из профнастила с мансардой. Для упрощения расчетов вес оконных и дверных блоков будет включен в вес стен.

Вес стен

Для расчета вычисляем периметр всех несущих бревенчатых стен:

• Периметр дома = (8 + 10) × 2 = 36 м.
• Длина двух перегородок = 16 м.
• Общий периметр = 52 м.

При высоте стен 3 метра их площадь составит 52 × 3 = 156 м².

Фронтоны также сделаны из бревен, и их площадь также включается в общий расчет стен. Площадь двух фронтонов: 2 × (8 × 3) / 2 = 24 м².

Общая площадь стен и фронтонов составляет 180 м², а их объем при толщине бревна 0,25 м будет равен 45 м³.

Находим в таблице удельный вес одного кубометра бревенчатых стен и получаем их вес: 45 × 600 = 27 000 кг, что составляет 27 тонн.

Вес крыши

Общая нагрузка на грунт, передаваемая фундаментом, включает также вес кровельной конструкции. Удельный вес кровли из профнастила с деревянной стропильной системой равен 30 кг/м². Площадь каждого ската крыши составляет:

Таким образом, общая площадь крыши по двум скатам составит 100 м².

Постоянная нагрузка от крыши определяется так: 100 × 30 = 3 000 кг, что равняется 3 тоннам.

Вес перекрытия

Учитываем вес перекрытий между первым этажом и мансардой. Удельный вес дощатого перекрытия с качественным утеплителем составляет 300 кг/м². Общий вес перекрытий получается равным: 8 × 10 × 300 × 2 = 4 800 кг, что составляет около 4,9 тонн.

Теперь, имея все данные, можно сложить их и применить коэффициент надежности, который для деревянных конструкций равен 1,1:

(27 + 3 + 4,8) × 1,1 = 38,3 т.

Обратите внимание! Важно учитывать нагрузку не только на основание дома, но и на грунт, потому что в расчет включается загрузка от массы фундамента, вычисляемая через объем фундамента, умноженный на удельный вес бетона вместе с коэффициентом надежности для бетона.

Временные нагрузки

В нашем случае у нас есть два перекрытия с общей площадью 160 м² и нормативной временной нагрузкой на жилые здания равной 150 кг/м². Перемножая полученные значения, находим нагрузку от людей, мебели и перегородок, которая составит 24 тонны.

Снеговую нагрузку вычисляем, умножая площадь кровли на нормативный вес снегового покрова с учетом коэффициента наклона.

Итак, у нас есть следующие данные:

• Площадь кровли — 100 м².
• Снеговая нагрузка — 320 кг/м².

• Для крыш с уклоном от 30 до 45 градусов применяется коэффициент 0,7.

Таким образом, расчет выглядит следующим образом: 100 × 320 × 0,7 = 22 400 кг, что составляет 22,4 тонны.

Сбор нагрузок

Итак, окончательный расчет нагрузки на фундамент производим путем суммирования всех полученных значений:

38,3 + 24 + 22,4 = 84,7 т.

Этот вес будет действовать на основание дома из нашего примера. Однако важно учитывать, что те стороны, на которые опирается кровля и балки перекрытий, будут нагружены в большей степени, чем остальные части конструкции.