Как правильно рассчитать нагрузки для фундамента: нормативные и расчетные аспекты

При расчете фундамента важно учитывать как нормативные, так и расчетные нагрузки. Нормативные нагрузки представляют собой значения, установленные строительными нормами и правилами, и отражают ожидаемые нагрузки в стандартных условиях эксплуатации. Учитывая эти значения, проектировщики могут определить минимальные требования к прочности и устойчивости фундамента.

Расчетные нагрузки, в свою очередь, включают все возможные факторы, влияющие на конструкцию, такие как временные нагрузки, ветровые и сейсмические воздействия, а также особенности грунта. Они обеспечивают более точный и безопасный расчет, позволяя учесть специфические условия конкретного строительного объекта. Правильное применение обоих типов нагрузок является залогом долговечности и надежности фундамента.

Сбор нагрузок на фундамент. Как рассчитать, примеры

Статья рассказывает, как выполнить сбор нагрузок на фундамент, а также содержит примеры, как рассчитать нагрузки от каркасно-щитового дома с мансардой с размерами в плане 6х9 м.

Классификация воздействий на фундамент

Нагрузки на основание бывают постоянные Pd и временные (длительные Pl, кратковременные Pt, особые Ps).

Постоянные Pd – вес частей сооружений, в том числе несущих и ограждающих строительных конструкций.

Длительные Pl – вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование, вес стационарного оборудования, заполняющих его жидкостей, твердых тел и др.

Кратковременные Pt – воздействия от людей, животных, оборудования на перекрытия, от подвижного подъемно-транспортного оборудования,

от транспортных средств и климатические (снеговая, ветровая и т.д.).

Особые Ps – сейсмическое, взрывное воздействие, воздействие от столкновения транспортных средств с частями сооружения, воздействия, обусловленные пожаром или деформациями основания, сопровождающимися коренным изменением структуры грунта.

Чтобы правильно рассчитать воздействие на фундамент, необходимо выполнить сбор всех нагрузок. В примерах, приведенных в этой статье, учтены те виды воздействия, которые принципиальны при расчете фундамента из винтовых свай для объектов ИЖС.

Постоянные нагрузки. Как рассчитать
вес частей сооружения?

Чтобы посчитать вес строения, нужно знать только удельный вес материалов и их объемы. Такие данные с легкостью могут предоставить поставщики строительных материалов.

При выполнении расчетов можно также использовать усредненные значения удельного веса конструкций. Для удобства они приведены в таблице 2.

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

Согласно п. 4.2. СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия» расчетное значение нагрузки определяется как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке (γf) для веса

строительных конструкций, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию:

Таблица 2 — Таб. 8.2. СП 20.13330

Выполним необходимые расчеты на примере каркасно-щитового дома с мансардой с размерами в плане 6х9 м.

Чтобы посчитать вес от стен дома необходимо вычислить их периметр. Периметр наружных стен + внутренние стены: Р = 47 м, среднюю высоту стен примем h = 4,5 м. Тогда вес от конструкции стен будет равен: Р × h × удельный вес материала стен.

47 м × 4,5 м × 70 кг/м 2 = 14 805 кг = 14,8 т

Далее посчитаем вес крыши. Принимаем, что вес крыши (деревянная стропильная система с покрытием из металлочерепицы) равен 40 кг/м 2 (суммарный вес металлочерепицы, обрешетки, стропилы). Тогда вес крыши будет равен: S крыши × удельный вес 1 м 2 .

92 м 2 × 40 кг/м 2 = 3 680 кг = 3,7 т

Также необходимо посчитать вес от перекрытий. Принимаем, что вес деревянного пола вместе с утеплителем будет равен 100 кг/м 2 . Тогда вес от перекрытий будет равен: S перекрытия × удельный вес × количество.

54 м 2 × 0,1 т/м 2 × 2 = 10,8 т

После того как выполнены все необходимые расчеты, полученный вес сооружения умножаем на коэффициент надежности, о котором мы говорили ранее (в расчете для каркасно-щитового дома коэффициент принимаем равным 1,1 – для деревянных конструкций):

29,3 т х 1,1 = 32,2 т

Таким образом, нагрузка от самого здания составит 32,2 т. Этот вес принят условно, без вычета дверных и оконных проемов.

Кратковременные нагрузки

На перекрытия

Так как при проектировании и строительстве невозможно точно определить значение показателя воздействия на перекрытия, к весу конструкции перекрытия добавляют нормативное значение равномерно

распределенной нагрузки – Рt (таблица 8.3 СП 20.13330), действующей на 1 м 2 .

Пример:

Для жилых зданий она равна 1,5 кПа (150 кг/м 2 ). При расчете получаем: Sперекрытия × 150 кг/м 2 × количество перекрытий. Нагрузки от людей (животных, мебели, оборудования) на перекрытия:

54 м 2 × 150 кг/м 2 × 2 = 16 200 кг = 16,2 т

Снеговая

Чтобы рассчитать климатические нагрузки на фундамент, нужно учесть снеговой район (вес снегового покрова на 1 м 2 ) и конструктив покрытия

Нормативные и расчетные нагрузки на фундаменты

Расчет основания по расчетному давлению на грунт является этапом проектирования оснований по деформациям, поэтому его проводят на основное сочетание расчетн. нагрузок по СНиП. При возможности развития неравномерной осадки нежелательно как занижение, так и завышение нагрузок.

В основное сочетание нагрузок входят постоянно действующие и времен. нагрузки, принимаемые с коэфф. сочетания. Постоянной нагрузкой явл-ся собств. вес конструкций сооруж-я.Под его действием уплотняются грунты основания. Факт. знач-е врем.нагрузок трудно определить точно. Расчетн. знач-я полезных нагрузок на перекрытия зданий при расчете по деформациям часто завышены.

Если здание имеет однотипные несущие конструкции (н-р: внутр. и наруж. несущие стены) это приводит к более или менее одинаковому завышению осадки всех фундаментов. При разнотипных конструкциях (н-р здание с неполным каркасом и наруж. несущими стенами) это вызывает неодинаковую недогрузку фундаментов, что может привести к развитию неравномерных осадок.

При выборе кратковременных нагрузок важно учитывать длительность их воздействия. Если в основании залегают насыщенные водой глинистые грунты, медленно деформирующиеся по мере выдавливания воды из пор и развития деформаций ползучести, то кратковременные нагрузки (н-р порывы ветра) почти не отражаются на величине осадки. В связи с этим из числа т.наз. кратковременных нагрузок выбирают такие, кот-е действуют относит. продолжит. время. При быстро деформирующихся грунтах (пески, супеси) из кратковрем. нагрузок учитывают все с коэфф-том сочетания nc=0.9.

Рассм-е нагрузки дейст-т на конструкции сооруж-й, кот-е передают их на основания. Деформации основ-й приводят к деформациям констр-й. При неразрезной конструкции в местах с большей податливостью основания несущие констр-ии (колонны, стены) будут разгружаться и наоборот.

Это приведет также к разгрузке соответ-х фундам-в и к доп. нагрузке фундам-тов, расположенных на участках основания с меньшей податливостью. В связи с этим треб-ся проводить расчеты с учетом совместной работы грунтов в основании, фундаментов и надземных конструкций. Однако вследствие трудности оценки изгибной жесткости надземных конструкций сооруж-я в целом при проектир-ии такие расчеты провод-ся относ. редко.

Сбор нагрузок при расчёте оснований и фундаментов допускается выполнять упрощённо – по грузовым площадям.

Обычно определяются нормативные нагрузки, но при расчёте по деформациям – необходимо рассматривать расчетные нагрузки, которые вычисляются от нормативных нагрузок с коэффициентом перегрузки равным 1.

В расчётах используются 3 сочетания нагрузок:

Основное сочетание – согласно СНиП расчёт оснований и фундаментов ведётся в основном только по этому сочетанию (постоянные + временные, длительно действующие).

Дополнительное (постоянные + временные, длительно действующие + кратковременные).

Нагрузки и воздействия

Методы оценки нагрузок и воздействий на природно-технические системы

Нормативный (детерминированный) подход

Детерминированный расчет нагрузок и воздействий должен выполняться в соответствии с СП 20.13330.2011 "СПиП 2.01.07-85* "Нагрузки и воздействия". Данный метод расчета основан на концепции предельных состояний.

Нагрузки и воздействия передаваемые на фундаменты и основания устанавливаются расчетом, при этом, как правило, учитывается совместная работа системы основание-фундамент-конструкция.

Нагрузки и воздействия, их характер перераспределения зависит от свойств грунтов основания, их состава, характера напластования в массиве, конструктивной системы здания, его пространственной жесткости и многого другого.

Не капитальные здания или сооружения, при расчете нагрузок и воздействий, можно рассчитывать без учета совместной работы оснований, фундаментов и конструкций. К таким случаям относятся:

• Расчет оснований зданий и сооружений III-го уровня ответственности;
• Общей устойчивости массива грунта основания совместно с рассматриваемым сооружением;
• Незначительных значений деформаций оснований.

При определении нагрузок и воздействий устанавливают их расчетные значения, которые определяются умножением нормативных значений на коэффициент надежности по нагрузке γf. Эти коэффициенты устанавливают на основе статистических обработок различных совокупностей, которые учитывают различные отклонения в неблагоприятную сторону. Так нормативами установлены следующие значения γf:

• Для грунтов в природном залегании γf=1.1;
• Для насыпных грунтов γf=1.15.

Конечно же, всегда нужно обращать внимание на характер взаимодействия конструкции с грунтов и с осторожностью применять вышеуказанные данные. Так, при проверке конструкции против опрокидывания или всплытия, следует производить расчет принимая для веса конструкции или ее части коэффициент надежности по нагрузке γf=0.9.

Также коэфициент γf необходимо использовать дифференцировано в зависимости от вида грунта, например скальные, полускальные или осадочные, а также от их состояния. Эти коэффициенты учитывают возможную изменчивость объемного веса грунта.

При расчете оснований и фундаментов учитываются различные сочетания нагрузок. При расчетах по деформациям принимают основное сочетание, а при расчетах по несущей способности учитывают основное и особое сочетания.

По времени действия нагрузки разделяются на:

• постоянные нагрузки;
• длительные нагрузки;
• кратковременные нагрузки.

Важное отличие в геотехнических расчетах, то, что при расчетах оснований и фундаментов зданий обязательно требуется учет нагрузок и воздействий от окружающей среды и окружающей застройки.

Результаты расчетов нагрузок и воздействий, в соответствии с нормами и правилами, всегда должны быть представлены в проектной документации (проект фундамента), и являются элементом пристального внимания при прохождении экспертизы.

Стохастический подход

Метод предельных состояний является лишь частным случаем теории надежности механических систем. Надежность конструктивных и геотехнических систем, а также отдельных элементов невозможно оценить, пренебрегая вероятностными законами распределения внешних нагрузок и воздействий.

Если надежность конструкций, работающих под статической нагрузкой в нормальных условиях, может быть очень высокой, то обеспеченность тех же параметров системы в условиях агрессивной среды или сейсмического воздействия может быть существенно снижена. Параметры функции нагрузок и воздействий зависят от природы воздействия, от времени, от места расположения, и от других факторов, которые по своей сути являются случайными величинами.

Это означает, что в действительности функции нагрузок и воздействий представляют собой сложные стохастические процессы постоянно изменяющиеся в структурах многомерных случайных полей. Описание, моделирование и расчет таких процессов является комплексной задачей, которая очевидно не может быть решена без развития численных методов. Сложность априорной оценки и анализа является характерной особенностью при моделировании случайных функций нагрузок и воздействий – т.е. если элементы стохастических функций сопротивления (например физико-механические параметры) могут быть подвергнуты непосредственным исследованиям (полевым, лабораторным), и даже технологическому проектированию (металлургия, петрургия и пр.), то с вероятностными функциями нагрузок и воздействий зачастую такой определенности просто нет. Поэтому данные функции по праву могут считаться наиболее существенным фактором неопределенности изучаемых конструктивных и геотехнических систем. Сильная зависимость конечного расчетного результата от правильного учета многопараметрических функций воздействий предопределяет особую необходимость к изучению стохастической природы нагрузок и воздействий.

Необходимо понимать, что действующие нормы в строительстве также регламентируют необходимость расчета инженерных систем на основе вероятностно-статистической теории.

ГОСТ 27751-2014 "Надежность строительных конструкций и оснований" рекомендует применять вероятностно-статистические методы для обоснования нормативных и расчетных характеристик материалов и оснований, нагрузок и коэффициентов сочетаний.

Одной из существенных проблем использования стохастических параметров нагрузок и воздействий является чрезвычайно малое количество наблюдений и широкий разброс исходной информации как о параметрах нагрузок так и об их вероятностной природе. Переменные нагрузки и воздействия могут являться дискретными, непрерывными или смешанными процессами со сложными эмпирическими функциями распределений, см. рисунок.

Нагрузки и воздействия, которые могут быть дискретными и непрерывными, характеризуются случайной природой описание которой может быть произведено с помощью различных аспектов и количественных параметров, которые в конечном счете могут быть сведены к трем базовым кластерам функций распределения случайных величин: временные, пространственные функции и функции интенсивности.

1. Временные функции распределения направлены на определение моментов возникновения и продолжительности воздействий. Данные функции позволяют решать краевые задачи по комбинациям различных воздействий, т.е. определять функции сочетаний.
2. Пространственные функции позволяют определять геометрические координаты нагрузок и воздействий.
3. Распределение интенсивности нагрузок и воздействий также имеет стохастическую природу, которая может быть описана различными линейными и нелинейными по форме функциями.

Существенным фактором в исследованиях нагрузок и воздействий является происхождение (природа) воздействий. При изучении кратковременных (полезных) нагрузок установлено, что значения кратковременных нагрузок изменяются не только от назначения помещения (которое кстати, тоже может не быть окончательно определено на этапе проектирования и изменяться в период эксплуатации), но также и от количества находящихся в нем людей, мебели, оборудования, от сроков эксплуатации помещений (количество резких перепадов интенсивности нагрузки зависит от рассматриваемого диапазона времени), от размера помещения, от других случайных факторов (случайное скопление людей по случаю праздников, годовщин и пр.). Интенсивность длительных нагрузок может существенно изменяться в периоды ремонтов или переоборудования производств. Постоянные нагрузки существенно зависят от качества используемых материалов, а также культуры производства работ.

Например, плотность железобетонных конструкций изготовленных на заводах имеет меньшие значения изменчивости, по сравнению с конструкциями изготовленными на строительной площадке.

Вероятность возникновения того или иного воздействия всегда связана с функцией времени, см. рисунок. Например, длина отрезка времени будет влиять на количественное значение вероятности появления воздействия, т.е. физические процессы окружающей среды (скорость воздушных масс, градиент температур, мощность осадков, колебания подземных уровней грунтовых вод и пр.) имеют различные значения вероятности возникновения на различных отрезках времени.

Целью стохастического расчета нагрузок является определение интегральной функции распределения нагрузок и воздействий, а также ее вероятностных (расчетных) параметров. При этом возможно решение прикладных задач, например, по оценке (калибровке) коэффициентов надежности, для сопоставления и анализа и для дальнейшего применения в рамках теории предельных состояний.

Более полную информацию по расчету нагрузок и воздействий вы можете получить позвонив нам по телефону + 7 (499) 350-23-58, или оставив заявку по форме или по электронной почте.