Как правильно рассчитать нагрузку на фундамент

Что собой представляет масса здания?

Пример некоторых вычислений веса здания для определения нагрузки на фундамент

Многие проектировщики считают, что для расчета массы здания будет достаточно получить данные о несущих стенах и перекрытиях. На самом деле, все не так просто.

Масса здания – это суммарная масса всех строительных материалов, необходимая для возведения несущих и промежуточных стен, а также способность стен выдерживать массу перекрытий и конструкций крыши с учетом снегового фактора. Поэтому, масса здания – это сумма:

• Масс конструкций несущих стен, промежуточных стенок, перегородок и перекрытий.
• Массы крыши вместе с кровельными материалами, несущими балками и стопорами, обеспечивающими способность зданию выдерживать резкие порывы ветра.
• Вес коммуникаций, труб и канализационных систем, проектируемых и будущих.
• Массы строительных материалов и изделий для фундамента, обеспечивающих способность выдерживать грунтовые подвижки и воздействие влаги.
• Мебели и бытовой техники (принимается часто 1−5% от массы несущих стен здания).

Таким образом, провести расчет массы самого здания можно только по проекту. Причем, часто сделать это правильно, технически не представляется возможным.

Обычный сбор информации о сооружении тут не поможет, нужно обращаться к услугам производителей, которые предоставят всю информацию о строительных материалах, запроектированных в данном индивидуальном здании. Также возможны ошибки в расчетах, поэтому лучше сразу использовать готовые формулы.

Как делается расчет колонного фундамента

Монолитный столбчатый фундамент под металлическую колонну

Как правило, расчет фундамента для металлической колонны подразумевает, способен ли грунт выдержать расчетную нагрузку фундамента, с которой он будет воздействовать на квадратном сантиметре площади, и сбор всех данных о будущем строительстве. Фактически, нужно получить полную информацию о здании, грунтах и грунтовых водах, провести сбор и систематизацию полученных данных и уже на их основании передать строителям готовый проект. Для этого нужно:

• получить от архитектора проект будущего здания, спецификацию строительных материалов и коммуникаций;
• рассчитать полную площадь опоры;
• сделать сбор всех параметров, систематизировать их и получить фактическое расчетное давление здания в целом.

Как узнать нагрузку, которая будет создавать само здание? Для этого нужно получить подробные данные о самом здании, сделать сбор массы и характеристик всех материалов, которые могут использоваться при его возведении, а также проектируемых коммуникаций, будущей мебели, количества снега на крыше. Такой расчет состоит из нескольких частей:

1. Расчет перекрытий зданий и стальных колонн. Сначала нужно узнать массу самой металлической колонны, ведь она также, хоть и незначительно, создает давление на грунт. Для этого требуется посчитать объем конструкции. Делается это по геометрической формуле вычисления объема цилиндра. Так получится объем, который затем умножается на плотность металла для получения массы стальной колонны.
2. Затем нужно узнать массу перекрытий. Как правило, это фабричные изделия и каждый производитель уже указывает их массу. Поэтому, достаточно связаться с поставщиками.
3. Бывают случаи, когда на металлические колонны устанавливается ростверковая конструкция. Ее массу также не проблема рассчитать, ведь для этого достаточно знать, какое количество бетона или готовых бетонных конструкций пойдет на строительство ростверка.
4. Расчет массы стен. Тут многое зависит от материала, ведь кирпич весит меньше, чем бетон, но больше, чем пеноблоки. Соответственно, стоит провести сбор данных обо всех строительных материалах, используемых при строительстве здания.
5. Расчет крыши. Сюда входит спецификация материалов, из которых сделано чердачное помещение, а также спецификация всех материалов крыши, вплоть до внешнего покрытия. При проектировании сооружения архитектор предоставляет подробную спецификацию, поэтому посчитать суммарную массу конструкций не составит труда.
6. После суммирования всех полученных данных будет вычислена цифра, которая характеризует максимально допустимую нагрузку на опоры фундамента.

Чтобы узнать, какая сила давит на единицу площади опоры, нужно знать ее габаритные размеры. Если стальной столб имеет квадратное сечение 50 х 50 см, то площадь опоры будет составлять 2500 см². Тогда давление, которое будет воздействовать на единицу площади грунта, вычисляется методом деления массы здания на площадь одной опоры.

Но всегда существует правило: большее количество опор не будет лишним, поэтому часто проектировщики устанавливают опоры с интервалом приблизительно 1,5 – 3 м. Это делается с целью предоставления необходимого резерва прочности на конструкции, связанные с несанкционированной достройкой, обустройством помещений или установкой тяжелого промышленного оборудования. Как правило, при расчетах предоставляют обязательный 50% резерв прочности на каждую опору.

Определяем несущую способность грунта

Тип почвы	Несущая способность (расчетное сопротивление)	Тип почвы	Несущая способность (расчетное сопротивление
Супесь	От 2 до 3 кгс/см2	Щебенистая почва с пылевато-песчаным заполнителем	6 кгс/см2
Плотная глина	От 4 до 3 кгс/см2	Щебенистая почва с заполнителем из глины	От 4 до 4.5 кгс/см2
Среднеплотная глина	От 3 до 5 кгс/см2	Гравийная почва с песчаным заполнителем	5 кгс/см2
Влагонасыщенная глина	От 1 до 2 кгс/см2	Гравийная почва с заполнителем из глины	От 3.6 до 6 кгс/см2
Пластичная глина	От 2 до 3 кгс/см2	Крупный песок	Среднеплотный – 5, высокоплотный – 6 кгс/см2
Суглинок	От 1.9 до 3 кгс/см2	Средний песок	Среднеплотный – 4, высокоплотный – 5 кгс/см2
Насыпной уплотненный грунт (песок, супеси, глина, суглинок, зола)	От 1.5 до 1.9 кгс/см2	Мелкий песок	Среднеплотный – 3, высокоплотный – кгс/см2
Сухая пылеватая почва	Среднеплотная – 2.5, высокоплотная – 3 кгс/см2	Водонасыщенный песок	Среднеплотный  – 2, высокоплотный – 3 кгс/см2
Влажная пылеватая почва	Среднеплотная – 1.5, высокоплотная 2 кгс/см2	Водонасыщенная пылеватая почва	Среднеплотная – 1, высокоплотная – 1.5 кгс/см2

Таблица 1: Расчетное сопротивление разных видов грунтов

Важно! Для последующих расчетов необходимо брать минимальный показатель несущей способности почвы, в таком случае вы обеспечите запас дополнительного сопротивления грунта весу здания

Расчёт нагрузки на ленточный фундамент

Определение нагрузки на ленточное основание начинается с подсчёта массы самой ленты, для чего используется следующая формула:

Pфл= V × q.Расшифровка формулы:V – объём стен;q – плотность материала основания.

Необходимо произвести суммирование всех типов давления на фундамент, для чего можно воспользоваться следующей формулой: (Pд+Pфл+ Pсн+Pв)/ Sф.

Внимание! Важно, чтобы результат вычислений, выражающийся в удельной нагрузке, был меньше допустимых значений сопротивления почвы. Разница должна составлять порядка 25%, что необходимо для компенсации неточностей

Получение точных сведений, возможно при учёте видов стен, надо определить, какие из них несущие и выполняют функцию удержания перекрытий, лестничных пролётов, стропил. Выявляются самонесущие стены, выполняющие функцию поддержания исключительно собственной массы.

Исходя из этих данных, определяют под какую сторону закладывать стены определённой ширины, с обязательной проверкой допустимых значений.
Расчёты нагрузки в программе «APM Civil Engineering»

Расчет ленточного фундамента: определяем ширину подошвы

При расчете ленточного фундамента необходимо будет определить два его параметра:

• глубина заложения + высота цоколя = высота;
• ширина ленты;

Третий — длина — известен. Это сумма длин всех стен, под которыми будет закладываться фундамент.

Глубина заложения во многом определяется в зависимости от типа находящихся под подошвой грунтов. Общие рекомендации можно найти в таблице, а описание определения глубины заложения  читайте в статье «Какой глубины должен быть фундамент».

Таблица с рекомендуемой глубиной заложения фундамента в зависимости от типа грунта и уровня подземных вод (для увеличения размеров картинки щелкните по ней правой клавишей мыши)

Пусть мы примем, что глубина залегания фундамента для наших условий — ниже уровня промерзания грунта, высота цоколя — 20 см. Грунт промерзает в нашем регионе на 1,4 м. По рекомендациям фундамент должен находится на 15 см ниже уровня промерзания. Получаем общую высоту: 1,4 м + 0,2 м + 0,15 м = 1,75 м.

Теперь нужно рассчитать ширину ленточного фундамента. Она зависит от расстояния, на котором находятся стены и материала, из которого будем его строить. Рекомендованные значения  приведены в таблице.

Выбираете ширину фундамента в зависимости от материала и расстояния между стенами (для увеличения размеров картинки щелкните по ней правой клавишей мыши)

Расчет нагрузки на фундамент

Теперь нужно найти, с какой силой будет давить дом на фундамент. Для этого общую массу дома (масса всех элементов + полезная нагрузка + снеговая) делим на площадь фундамента.

Площадь ленточного фундамента находим умножив ее длину на выбранную в предыдущем пункте ширину. Потом общую нагрузку от дома делим на площадь фундамента в квадратных сантиметрах. Получаем удельную нагрузку на каждый квадратный сантиметр ленточного фундамента.

Пример. Пусть нагрузка от дома 408000 кг, площадь ленточного фундамента (длинна 4400 см, ширина 30 см)  — 132000 см2. Разделив эти значения, получаем: на каждый сантиметр давит 3,09 кг.

Теперь необходимо узнать, выдержат ли грунты под подошвой фундамента это значение. Любой грунт в состоянии выдержать какое-то давление. Эти значения просчитаны и занесены в таблицу. Находим тип грунта под подошвой фундамента (определяется геологическими исследованиями) и смотрим его удельную несущую способность.

Несущая способность грунтов — сравниваем найденную нагрузку от дома с нормативной для вашего грунта

Если несущая способность грунта больше чем нагрузка от дома, все выбрано правильно. Если нет, необходимо вносить корректировки.

Корректировка параметров

Если нагрузка, передаваемая через ленточный фундамент, для данных грунтов велика, выхода два: использовать при строительстве более легкие материалы или увеличить ширину ленты.

Изменение материала очень трудоемко: часто изменение одного материала тянет за собой цепочку изменений параметров целого ряда других. В результате расчет массы приходится переделывать. Потому чаще увеличивают толщину ленты в фундаменте. Этим увеличивается уменьшается удельная нагрузка.

Но слишком широкий ленточный фундамент (шире 60 см), особенно глубокого заложения,  невыгоден экономически: большой расход материала и трудозатараты. В этом случае необходимо сравнивать стоимость нескольких типов фундамента.

Ширину монолитно-ленточного фундамента подбирают исходя из рассчитанной нагрузки от дома и несущей способности грунтов

Не забудьте после изменения ширины ленты пересчитать ее массу и соответствующим образом откорректировать массу строения.

Основные методы как рассчитать нагрузку на фундамент

Работы начинаются со сбора данных, предварительного выбора типа фундамента и глубины его заложения. Последняя характеристика подбирается исходя из уровня промерзания грунта, типа и однородности почвы и высоты залегания грунтовых вод на участке. Полученная предварительная высота фундамента в дальнейшем учитывается при расчете нагрузки от этой конструкции на грунт и при проверке его самонесущих способностей и прочности.

В зависимости от характера исходных данных выделяют два основных способа сбора и расчета нагрузок:

• Точный, выбираемый при наличии на руках подробного проекта с указанными габаритами и материалами всех строительных конструкций в доме.
• Укрупненный, с подбором приблизительного веса конструкций по нормативам и таблицам.

На этапе расчета фундамента для дома второй способ выбирается чаще, сбор нагрузок ведется по приблизительным эскизам, при необходимости – с корректировкой толщины или материала конструкций, или выборе другого типа кровли, перекрытия или самого основания.

Помимо этого, способ расчета также зависит от типа выбираемого фундамента. В частности:

• При расчете нагрузок на монолитную ленту, плитный фундамент площадь подошвы может определяться исходя из нагрузки на погонный метр (а именно – путем деления суммы нагрузок на длину ленты и сравнения полученной величины с несущими способностями грунта) или методом грузовых площадей (усложненным и редко используемым, с расчетом нагрузки на определенный участок).
• При расчете нагрузки на плиту общую нагрузку просто делят на площадь основания.
• Сечение и количество свайных и столбчатых, фундаментов ТИСЭ с ростверком, чаще всего задается заранее, а расстояние между опорами рассчитывается путем деления общих нагрузок на длину несущих стен. При чрезмерном отклонении расчетной величины от предварительной шаг или сечение опор меняют и расчет проводят повторно.

Условно при расчете все нагрузки могут приниматься как равномерно распределяемые или воздействующие на определенные несущие зоны фундамента. Первый способ признан более простым и применяется чаще. Второй – требует наличия точной конструктивной схемы дома (вплоть до указанных колонн, лестниц, печей и тяжелой мебели) и знания ряда сложных формул.

Подготовительные работы

Перед тем как рассчитать фундамент для дома, проектировщику нужно выяснить геологические данные участка. Для крупных зданий выполняют специальные геологические изыскания. В частном строительстве допустимо провести исследования самостоятельно. При этом все характеристики назначаются по визуальному осмотру.

Чтобы правильно рассчитать фундамент, почву исследуют двумя способами:

• отрывка шурфов, которые представляют собой глубокие ямы с размерами в плане 1х2 м (в среднем);
• бурение скважин ручным буром.

В первом случае на тип грунта смотрят по стенкам шурфа. Во втором — проверяют почву на лопастях бура.

Для исследования почвы проводят осмотр стенок шурфа

Исследования проводят на глубину, которая на 50 см превышает предполагаемое заложение ленты (которое назначили только по отметке промерзания). При проведении работ надо выяснить следующие характеристики:

• тип грунта в уровне подошвы;
• расположение уровня грунтовых вод (УГВ);
• наличие на участке линз слабой почвы.

Чтобы точно понять УГВ, потребуется провести исследование в нескольких точках. Минимум одна из этих точек должна находиться в низине участка. Работа в засуху не дает точного результата, поскольку влага может уйти глубоко в землю.

Линзы слабого грунта найти бывает сложно. Для этого нужно делать шурфы или скважины очень часто. В большинстве ситуаций в этом нет необходимости. Если во время строительства обнаружится такая неприятность, ее засыпают щебнем, гравием или песчано-гравийной смесью.

Если УГВ на участке находится глубоко, то можно использовать ленту глубокого заложения (более 1,5 м). При этом вода должна располагаться на 50 см ниже подошвы здания. При расположении УГВ на расстоянии менее чем 1,5 м от поверхности, разумно выбрать мелкозаглубленную конструкцию. Но такой тип имеет ограничения. Если влага находится выше, стоит рассмотреть другой вариант фундамента: плиту или сваи.

Выбор фундамента по заглублению зависит от УГВ

Чтобы выполнить расчет основания фундамента, потребуется знать прочность почвы. Характерные признаки каждого типа грунта можно найти в ГОСТ 25100-2011

Особое внимание стоит обратить на приложения к этому документу. Несущую способность каждого типа берут из таблицы ниже

Тип основания	Максимальная несущая способность в кг/см2
Галька с примесью глины	4,50
Гравийный	4,00
Песок крупной фракции	6,00
Песок средней фракции	5,00
Песок мелкой фракции	4,00
Песок пылеватой фракции	2,00
Суглинок или супесь	3,50
Глинистый	6,00
Просадочный	1,50
Насыпной с уплотнением	1,50
Насыпной без уплотнения	1,50

Типы, которые обладают прочностью 2 и менее кг/см2, не рекомендуют использовать в качестве основания. Перед строительством потребуется выполнить их замену на песок средний или крупный.

Определение удельной нагрузки на 1 кв.м. почвы

В завершение находим сумму всех выполненных результатов, не забывая вычислить допустимую нагрузку на фундамент. Вместе с этим стоит учитывать, что давление, создаваемое стенами с кровельной системой на опору, будет выше своих рядом расположенных собратьев.

Посмотрите видео, как провести полный расчет давления на основание дома.

Фиксированный показатель сопротивляемости почвы вычисляем по таблицам, указанных в СНиП 2.02.01-83 и описываемых правила изготовления фундаментов зданий и построек.

1. Находим сумму масс, создаваемых всеми элементами сооружения, в том числе и основания: 800 + 2399,04 + 7 000 + 4 200 + 2 000 = 16 399,04 = 16,5 т/кв.м.
2. Определяем показатель сопротивляемости почвы, для супесей с коэффициентом пористости 0,7 составляет 17,5 т/ кв.м.

Из полученных расчетов можно сделать вывод о том, что давление, создаваемое выбранной для примера постройкой, располагается в рамках допустимой границы.

Результаты расчетов

На результатах расчетов основан весь процесс постройки фундамента

По результатам расчета фундамента делают вывод о допустимости применения тех или иных материалов. В случае необходимости вносят изменения в размеры и конструкцию элементов сооружения. По измененным величинам проводят повторные вычисления.

Вычислительный процесс осуществляют с особым вниманием ко всем деталям. Используемые характеристики берут из достоверных источников информации, нормативной литературы, технических справочников

Процедуру принятия решений повторяют несколько раз для исключения ошибок. Каждый результат подлежит многократной разносторонней проверке. Правильность вычислений гарантирует высокое качество, надежность и долговечность конструкций.

Видео по теме: Самостоятельный расчёт необходимой площади фундамента

Публикации по теме

Возведение перекрытий в доме из газобетона

Как правильно рассчитать толщину фундаментной плиты

Способы расчёта веса 1 метра арматуры 12 мм

Расчет нагрузки на фундамент

Прежде чем приступать к выбору основания для дома, необходимо составить проект постройки и провести расчеты нагрузки, которая будет оказываться на фундамент надземной частью здания. По своей сути расчет нагрузки на фундамент сводится к суммированию массы материалов, используемых при строительстве дома без основания, мебели и техники, которые будут впоследствии размещены внутри сооружения, нагрузки от проживающих в доме людей и сезонные нагрузки, например, от снежного покрова. Все это вместе и будет составлять общую нагрузку на основание дома.

Как рассчитать примерный «вес» дома

Естественно, приведенные ниже расчеты фундамента являются усредненными и приближенными. Но это не мешает использовать их при выборе конкретного типа основания с подходящими характеристиками. Предположим, что нам необходимо рассчитать дом со следующими параметрами:

• одноэтажный дом
• размер в плане – 10×6 м
• имеется одна внутренняя стена посередине дома
• высота этажа – 2,5 м
• цокольное перекрытие по деревянным балкам с утеплителем, плотностью до 200 кг/м3
• чердачное перекрытие по деревянным балкам с утеплителем, плотностью до 200 кг/м3
• кровля – рубероидное покрытие и шифер
• расположение дома – средняя полоса России

Приступаем к расчетам нагрузки от дома

Длина всех стен дома составит: (10+6)×2+6=38 м

Площадь стен при высоте этажа 2,5 метра: 38×2,5=95 м2

Площадь чердачного и цокольного перекрытия одинакова и составит: 10×6=60 м2

Площадь кровли с учетом 0,5 м выпусков по всем сторонам дома составит: 11×7=77 м2

Осталось только ознакомиться с данными таблицы, представленной ниже. Берем крайние верхние величины «на всякий случай» в целях безопасности.

Плюс ко всему стоит учитывать временные нагрузки, величина которых для северной части России самая большая – 190 кг/м2 кровли, для средней полосы составляет около 100 кг/м2, для южной – 50 кг/м2

Массы отдельных конструкций:

Масса стен: 95×270=25650 кг

Масса цокольного перекрытия: 60×150=9000 кг

Масса чердачного перекрытия: 60×100=6000 кг

Масса кровли: (50+50)×77=7700 кг

Нагрузка от снега: 100×77=7700 кг

В следующих статьях мы продолжим знакомить вас с порядком проведения расчетов интересующих вас типов фундаментов. В частности, поговорим о том, как правильно провести расчет фундаментов мелкого заложения. столь популярных на сегодняшний день ввиду своей экономичности. Будут затронуты и другие важные проблемы.

Спорная методика расчета нагрузки на фундамент

Методики расчета во многих источниках практически одинаковые. Но иногда попадаются некоторые противоречивые особенности. Цитата

«Нагрузка кровли распределяется между теми сторонами фундамента, на которые через стены опирается стропильная система. Для обычной двускатной крыши это обычно две противоположные стороны фундамента, для четырехскатной – все четыре стороны. Распределенная нагрузка кровли определяется по площади проекции крыши, отнесенной к площади нагруженных сторон фундамента, и умноженной на удельный вес материала.»

По такой же методике, где во внимание берутся только две стороны фундамента, предлагается просчитывать снеговые нагрузки и нагрузки от перекрытий. Но это не совсем верно:

• Кровельная нагрузка (удельный вес материала) используется для определения оптимального шага и сечения стропил, обрешетки.
• Нагрузка может распределятся на те участки стены или мауэрлат, где закреплены стропильные ноги, но далее, благодаря армированному поясу, стенам и фундаменту, она равномерно распределяется по всей подошве фундамента.

Поэтому, при определении нагрузок на фундамент, в том числе ветровых, снеговых и от перекрытий, нужно учитывать всю площадь опирания на грунт.

Собираем показатели грунта

При проектировании фундамента необходимо проводить геодезический анализ грунта на строительной площадке, который позволяет определить три важных показателя — тип почвы, глубину ее промерзания и уровень расположения грунтовых вод. Исходя из типа грунта вычисляется его несущая характеристика, которая используется при расчете опорной площади основания. Глубина промерзания почвы определяет уровень заглубления фундамента — при строительстве в условиях пучинистых грунтов фундамент необходимо закладывать ниже промерзающего пласта земли

На основании данных о грунтовых водах определяется необходимость обустройства дренажной системы и гидроизоляции фундамента.Важно: вышеуказанные показатели грунта вы можете собрать самостоятельно, для этого вам потребуется лишь ручной бур и рулетка

Рис: Структура грунтов на территории Московской области

Для сбора показателей необходимо с помощью ручного бура по периметру площадки под застройку сделать несколько скважин глубиной 2-2.5 м. Одна скважина должна располагаться в центре участка, еще две — в центральных частях боковых контуров предполагаемого фундамента. Необходимость бурения нескольких скважин обуславливается тем, что на разных участках площадки может наблюдаться отличающийся уровень грунтовых вод. В первую очередь нужно определить тип почвы: в процессе бурения возьмите изымаемый из скважины грунт (с глубины 2-ух меров) и скатайте его в плотный цилиндр, толщиной 1-2 сантиметра. Затем попытайтесь согнуть цилиндр.

• Если почва рыхлая и цилиндр из нее сформировать невозможно (она попросту рассыпается), вы имеете дело с песчаным грунтом;
• Цилиндр скатывается, но при этом он покрыт трещинами и разламывается при сгибающем воздействии, значит грунт на участке представлен супесями;
• Цилиндр плотный, но при сгибании ломается — легкий суглинок;
• Грунт хорошо скатывается, но при сгибании покрывается трещинами — тяжелый суглинок с большим содержанием глины;
• Почва легко скатывается, не трескается и не ломается при сгибании — глинистый грунт.

Далее необходимо определить показатель уровня грунтовых вод. Оставьте пробуренные скважины на ночь, чтобы они заполнились водой. На следующее утро возьмите деревянную рейку двухметровой длины и обмотайте ее бумагой, опустите рейку в скважину. По мокрому участку определите, на каком расстоянии от поверхности скважины расположена вода.

Рис: Пробная скважина для определения уровня грунтовых вод

Важно: определить фактический уровень промерзания почвы в домашних условиях невозможно. Для этого необходимо специализированное оборудование, при этом сам анализ выполняется на протяжении длительного времени наблюдения за конкретным участком

Предлагаем вашему вниманию карту расчетной глубины промерзания почвы в разных регионах России, которую нужно использовать при самостоятельном проектировании фундамента.

Рис: Границы промерзания грунтов в разных регионах России

Подход к проведению расчета

Выполняя расчет нагрузки на плиту фундамента, ленточные или свайные конструкции, лучше доверить эту работу профессионалу. Если владельцы участка желают сэкономить и выполнить все работы самостоятельно, следует учесть один нюанс: без наличия специальных программ и достаточного опыта в проведении подобных расчетов можно допустить ошибки. Непрофессионал не сможет оценить все факторы, важные при создании фундамента. Поэтому полученный результат будет приблизительным.

Однако для тех, кто хочет выполнить строительные работы самостоятельно, существует определенная методика расчетов. Она предполагает получения в ходе определения совокупной нагрузки приблизительного результата. Эту сумму нужно будет умножить на соответствующий «коэффициент приблизительности». Этой методикой пользуются многие непрофессиональные застройщики.