Традиционно конструкции фундамента в ИЖС рассчитываются следующим образом:
1. Собираются нагрузки, которые при эксплуатации здания возникают и передаются на фундамент.
2. Выбирается соответствующая расчётная модель взаимодействия основания фундамента (например, балка на упругом основании).
3. К модели "фундамент-основание" прикладываются соответствующие нагрузки, вычисленные в п. 1 и рассчитываются усилия и напряжения, возникающие в фундаменте и основании.
Однако, в СП 22.13330. 2011 в п. 5.1.4 приводятся такие требования:
5.1.4. Сооружение и его основание должны рассматриваться в единстве, т.е. должно учитываться взаимодействие сооружения с основанием. Для совместного расчета сооружения и основания могут быть использованы аналитические, численные и другие методы (в том числе метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод граничных элементов и др.).
Более того, ряд уважаемых авторов настаивает на том, что такой расчёт даёт достаточно много выгод.
Что даёт совместный расчёт здания, основания и фундамента? Практика показывает, что он позволяет более точно учесть возникающие в конструкциях фундамента усилия и получить более выгодную для заказчика конструкцию за счёт:
1. Учета реального распределения нагрузки в конструкциях надфундаментной части здания.
2. Учёта работы всей системы "основание-фундамент-стена-монолитный пояс" как единой комплексной балки на упругом основании, обладающей большей жесткостью, чем просто фундамент.
Разберемся, как это происходит, на конкретном примере, проведя расчёт в программе ROBOT SA 2014. Возьмём модель одноэтажного здания:
· Малозаглублённый фундамент 400х600h из бетона В15
· Полы по грунту
· Стены из газобетонных блоков шириной 400 D500 B2,5
· Монолитный пояс из бетона B15 200х200h
· Чердачное перекрытие по деревянным балкам
· Двухскатная кровля из металлочерепицы по деревянным балкам
Для простоты расчёта не будем делить нагрузки на расчётные и нормативные.
Строим две модели - рамы из балок МЗЛФ 400х600h и модель здания целиком (для упрощения кровлю задали нагрузкой):
Рис. 1. Две модели для расчёта усилий в фундаментных конструкциях.
Грунтовые условия в обоих случаях заданы одинаковые - суглинок с Е = 10 МПа.
В модели здания строим сетку конечных элементов:
Рис. 2. Сетка конечных элементов.
Производит расчёт и сравниваем полученные результаты:
Рис. 3. Осадка фундамента.
Рис. 4. Силы реакции грунта основания.
Рис. 5. Изгибающие моменты, возникающие в ленте малозаглублённого фундамента.
Из представленных рисунков видно, что реакция грунта основания во втором случае более равномерная (а значит и нагрузка от надфундаментной части приложена к фундаменту более равномерно), разница в осадке различных частей фундамента меньше. Соответственно меньше и изгибающие моменты в конструкциях фундамента (в данном случае в 2 раза).
Практика таких совместных расчётов показывает, что:
· учёт распределительных свойств надфундаментной части здания в отношении нагрузки позволяет до 50% снизить расчётные усилия в конструкциях фундамента.
· учёт жесткости надфундаментой части - на 10-15%.
Отдельно остановимся на практике учёта жесткости надфундаментой части здания. В ряде нормативов такой подход активно применяется, например, в ВСН 29-85 его автор Сажин В.С. использует следующую методику для расчёта деформаций морозного пучения:
Рис. 6. Методика учёта жесткости надфундаментой части в ВСН 29-85.
Из этой методики видно, что даже при использовании низкопрочных и хрупких материалов, как газобетон, общая жесткость такой системы всё равно велика за счёт геометрии расположения фундамента и монолитного пояса. Это легко проверить, принять жесткость стены за "0".
Кроме этого, наработан ряд теоретических работ, позволяющих считать такие комплексные балки на упругом основании.