При проектировании важно выбрать правильный фундамент, который сохранит долговечность дома. Одно из таких решений – утеплённая шведская плита (УШП). Этот тип фундамента не только надёжный, но и энергоэффективный, так как включает слой утеплителя.
В этом материале мы рассмотрим пример расчёта УШП-фундамента. Покажем, как правильно собрать исходные данные, рассчитать нагрузки и создать модель для анализа.
Исходные данные: от анализа до применения
Перед расчётом нужно собрать и проанализировать исходные данные. От этого шага зависит точность дальнейших вычислений и надёжность конструкции.
Площадка строительства
Первое, что нужно учесть – условия на месте строительства. Например, если проектируемый объект находится в районе со средней снеговой нагрузкой и умеренным ветром, снежный покров зимой и ветровые воздействия не станут серьёзной угрозой для здания.
В нашем случае строительная площадка расположена в зоне IV снегового и III ветрового районов. Подземная основа не содержит специфических типов грунта, а территория возведения объекта не подвержена сейсмическим колебаниям силой 7 баллов и выше, а также не характеризуется другими признаками сложных инженерно-геологических условий.
Грунтовые условия
Для правильного выбора фундамента нужно знать, на каком грунте строится здание. В нашем примере под домом находится суглинок. Этот тип грунта содержит как песок, так и глину, поэтому имеет определённые характеристики:
- модуль деформации – 8 МПа;
- коэффициент Пуассона – 0,3;
- угол внутреннего трения – 10°;
- удельное сцепление – 10 кПа.
Эти параметры влияют на то, как грунт будет реагировать на нагрузки от здания.
Слева: базовая схема малоэтажного здания, используемая для инженерных расчётов; справа — планировка первого этажа с обозначением контура вертикальных опорных элементов.
Конструкция здания
Здание будет построено из каменных стен с облицовкой из кирпича. Перекрытия и крыша выполнены из монолитного железобетона. Важно учитывать эти данные, так как они влияют на вес здания и, соответственно, на нагрузки, которые будут передаваться на фундамент.
Размеры и форма
Фундамент – утеплённая шведская плита (УШП) размером 12х12 метров. Рёбра жёсткости усиливают её несущую способность. Основная часть плиты имеет толщину 10 см. По периметру и под внутренними стенами располагаются рёбра, которые имеют разную ширину и высоту. Они равномерно распределяют нагрузки на грунт.
Дополнительные условия
Поскольку здание каменное, нужно также учитывать особенности песчаной подушки под фундаментом. Слой должен быть правильно спроектирован, чтобы избежать деформаций и просадок. Также важно учитывать нагрузки от самого здания и внешние факторы, среди которых снег и ветер.
Наибольшее расчетное давление, которое выдерживает утеплитель фундамента, достигает 20 т/м². Зафиксированные показатели сжимающих напряжений находятся ниже указанного уровня, что обеспечивает отсутствие заметных нелинейных деформаций в условиях упругой работы материала.
Нагрузки под контролем
При проектировании важно рассчитать все нагрузки, которые будут воздействовать на конструкцию:
- Собственный вес здания. Включает массу всех строительных материалов: стен, крыши, перекрытий и самой плиты.
- Снеговая нагрузка. Зимой на крышу здания будет давить снег. Этот вес тоже передаётся на конструкцию. Важно учитывать, сколько снега может выпасть в районе строительства.
- Ветровая нагрузка. Ветер оказывает давление на стены и крышу здания, создавая дополнительные силы, которые передаются на фундамент. В некоторых случаях нагрузки незначительны, но при сильных ветрах давление на конструкцию может сильно возрасти.
- Живые нагрузки. Возникают из-за людей, мебели, бытовой техники или других предметов внутри здания.
- Дополнительные нагрузки. Связаны с особенностями проекта, например, от балконов или террас.
При сборе нагрузок важно соблюдать требования строительных норм. Так вы будете уверены, что фундамент выдержит все воздействия и сохранит стабильность здания.
В нашем примере нагрузки учитываются в строгом соответствии с установленными нормами СП 20.13330.
Поскольку конечно-элементная модель будет представлять собой как конструкцию фундамента типа УШП, так и штамповую жёсткость кирпичных стен, нужно учесть особенности распределения нагрузок:
- Нагрузки, приложенные на уровне пола фундамента, моделируются как равномерно распределённые силы с нормативным значением 150 кг/м², что соответствует стандартам для жилых помещений. Они имеют временный характер и используются для проверки соответствия требованиям первой группы предельных состояний с коэффициентом запаса прочности 1,3. При рассмотрении второй группы предельных состояний, а именно вертикальных перемещений фундамента, используется доля длительных воздействий с учётом коэффициента 0,35.
- Нагрузка, вызванная штамповой жёсткостью, непосредственно вводится в конечно-элементную модель, с учётом решений по внешнему виду фасада, и задаётся в явном виде в специализированном программном обеспечении.
В случае фундамента типа УШП ветровые нагрузки сравнительно незначительны и могут быть не учтены в расчётах. Однако это исключение не распространяется на проверку прочности элементов фасада, крыши и их соединений, где ветровые нагрузки, как в статическом, так и в динамическом режиме, имеют критическое значение при оценке прочности.
Для плоской крыши-террасы учитывается равномерное распределение снеговой тяжести по всей поверхности. Нормативный показатель составляет 200 кг/м², а расчётный – 280 кг/м², что соответствует требованиям, изложенным в СП 20.13330.2016.
Распределение нагрузок формируется произведением их значений по площади на ширину зоны воздействия: в угловой точке этот показатель равен нулю, а на участке от 1/4 до 3/4 ширины грузовой площади – достигает 3 метров.
Распределение линейных нагрузок, собранных с железобетонного перекрытия.
Распределение определяется произведением усилий, действующих на площадь, на ширину зоны нагрузки: в угловой части этот показатель равен 0, а в пределах от от 1/4 до 3/4 ширины грузовой зоны он составляет 3 метра.
Распределение линейных нагрузок, собранных с кровли-террасы.
Правила распределения аналогичны тем, что применяются для перекрытий.
После учета всех воздействий проводится предварительный анализ ширины ребра плиты, чтобы оценить её способность передавать давление на утеплитель без утраты несущей функции. В нашем примере максимальная совокупная расчётная нагрузка для внешнего ребра равна 11,41 т/м, а для внутреннего – 16,74 т/м.
Таким образом, ширина внешнего ребра в 750 мм, при использовании облицовочного кирпича, будет достаточной для выполнения условий, обеспечивающих необходимую несущую способность. Для внутреннего ребра потребуется ширина не менее 600 мм. Далее следует проверка на несущую способность:
- для ребра под внутренней стеной:
- для ребра под внешней стеной:
Также, в соответствии с требованиями технического задания на проектирование, на тонкостенную часть фундамента действует распределённое давление в 150 кг на площади 0,5х1,0 м, что эквивалентно 300 кг/м². Требуется провести проверку на сопротивляемость продавливанию.
Проведённая проверка показала, что условие соблюдено, и риск продавливания отсутствует.
Моделирование УШП: от идеи до цифрового двойника
Моделирование УШП (утеплённой шведской плиты) начинается с создания виртуальной копии фундамента. Она нужна, чтобы заранее понять, как конструкция будет вести себя под нагрузкой.
Сначала инженеры задают размеры и форму плиты, указывая толщину с параметрами рёбер. Затем вводят данные о материалах: характеристики бетона, арматуры и утеплителя. После этого создают сетку, которая разбивает модель на маленькие элементы. Она помогает точно рассчитать, как фундамент реагирует на разные нагрузки.
Когда модель готова, в неё вводят вес стен, перекрытий, снеговую и ветровую нагрузку. Программа анализирует, где возникнут напряжения или деформации.
В итоге получаем цифровой двойник, который точно показывает, как будет работать реальный фундамент. Такой подход помогает избежать ошибок и снизить риски на начальном этапе строительства.
В нашем примере размеры конечно-элементной модели точно повторяют объемно-планировочные параметры: 12 на 12 метров. На первоначальном этапе, чтобы точно оценить напряженно-деформированное состояние тонкостенной части фундамента и определить характеристики его упругой подложки, рекомендуется моделировать рёбра с использованием оболочечных элементов и заданием эксцентриситета по оси в строгом соответствии с проектной документацией.
После определения коэффициентов постели соответствующие участки рёбер заменяются стержневыми элементами. Для них производится расчёт поперечных сил и изгибающих моментов. Оптимальный диапазон размеров конечных элементов колеблется от 10 до 20 см.
Расчётные результаты: раскрываем детали и выводы
После сбора нагрузок полученные данные помогут убедиться в надёжности фундамента типа УШП. Они покажут, как плита будет вести себя под нагрузками и насколько она подходит для условий строительства.
Основные моменты расчёта:
- Вертикальные перемещения. В нашем примере максимальное вертикальное смещение не превысит 1 см. Поэтому конструкция будет стабильна и не даст осадку, которая повредит дому. Для сравнения, допустимое смещение по нормам составляет до 12 см.
- Относительные перемещения. Разница в перемещениях между центральной и другими частями фундамента составляет всего 3 мм. Такое маленькое значение не повлияет на прочность и долговечность здания. Нормативы допускают разницу до 12 мм при аналогичных условиях.
- Ширина рёбер. Важно убедиться, чтобы рёбра распределили давление на утеплитель без риска деформации. Ширины рёбер в нашем примере оказалось достаточно для сохранения несущей способности конструкции.
Выводы по материалам:
- Мы рекомендуем использовать бетон класса В20. Он имеет достаточную прочность для заданных условий.
- Основное армирование выполнено стержнями Ø12, которые обеспечат необходимую жёсткость. Поперечное армирование также выполнено с учётом возможных воздействий и расположено в критических местах.
Общая рекомендация: фундамент спроектирован с достаточным запасом прочности и устойчивости. При соблюдении правил строительства УШП обеспечит надёжную основу для строения.
Итоги инженерного анализа
По результатам инженерного анализа УШП можно сделать ряд выводов:
- Прочность. Конструкция справляется с ожидаемыми нагрузками. Рёбра достаточно широкие, чтобы передавать воздействия на утеплитель без риска разрушения.
- Вертикальные перемещения. Максимальные вертикальные перемещения составляют 1 см, что ниже допустимого предела в 12 см. Строение будет устойчивым, без значительных деформаций.
- Армирование. Рекомендуем использовать бетон класса В20 и арматуру класса А400 для основной конструкции. Дополнительное армирование нужно в зонах под центральными стенами для повышения прочности.
- Нагрузки. Фундамент способен выдержать все предусмотренные воздействия, включая снеговую и штамповую. Ветер не окажет значимого влияния на устойчивость.
- Безопасность. Конструкция отвечает требованиям эксплуатационной надёжности, предъявляемым нормативными документами.
Фундамент типа УШП полностью соответствует проектным требованиям, поэтому станет долговечной основой для здания при относительно невысокой стоимости.