Нагрузки дома — виды и сбор нагрузок с примерами

Современные технологии нацелены не только на прочность, но и на энергоэффективность — получение нужного результата с минимальными затратами. Для этого все условия, способные повлиять на целостность и устойчивость дома (разрушить извне или изнутри) учитываются заранее, ещё на этапе проектирования.

Конструкция разрабатывается в соответствии с назначением, и при возведении используется расчётное количество материала с необходимыми по проекту параметрами (что, кроме гарантированной надёжности, существенно экономит бюджет).

В строительных правилах и нормативах (СНиПы и СП) влияющие на структуру факторы называются «нагрузками», а их учёт квалифицируется как «сбор нагрузок». Полученные данные используются для определения несущей способности — комбинацию максимально допустимых усилий, которую конструкция или её части могут выдерживать без повреждений.

Для упорядочивания терминов и понятий специалисты в первую очередь подразделяют факторы на сами нагрузки, которые представляют собой механические усилия (например, вес деталей конструкции, масса оборудования) и на явления или эффекты (перепад температур, усадка, изменение влажности), определяемые как воздействия.

Основная классификация нагрузок и воздействий ведётся по следующим признакам:

Продолжительность влияния:

• Постоянные. Обусловлены массой и давлением (собственный вес элементов строения, сдавливание частей конструкции грунтовыми массами).
• Длительные. Сопоставимые со сроком службы строительного объекта (к примеру, в расчёты для жилых и загородных домов включается вес людей, домашних питомцев, мебели, а для заводских построек обязателен учёт станков и оборудования).
• Кратковременные. Непродолжительные в сравнении с общим временем эксплуатации (климатические и погодные воздействия, колебания влажности и температуры).
• Особые. Потенциально аварийные ситуации (сейсмическая активность, пожар, наезд тяжёлого транспорта).

Следует уточнить, что при работе с продолжительными усилиями специалисты пользуются определением «полезная нагрузка». Термин не разъясняется в регламентах и нормативах, однако широко распространён в практическом строительстве и имеет табличные коэффициенты (СП 20.13330.2011). Данные складываются из усилий, неравномерных по площади и неоднородных по срокам воздействий, обусловленных назначением здания (это может быть вес людей, хозяйственной техники, мебели, оборудования, товаров или материалов, транспортных средств или нагрузки от технологических процессов).

Характер усилий:

• Статические. Не вызывающие подвижек (или инерции) у частей и перемычек конструкции (собственный вес, постоянное техническое оснащение, снеговые покровы).
• Динамические. Провоцирующие существенную вибрацию или колебания (порывы ветра, ударные волны от близко расположенных объектов — ж/д пути, трасса, аэродром).

Концентрация усилия:

• Распределённые. Оказывающие равномерную нагрузку на объект (собственная масса сооружения, снеговой покров).
• Сосредоточенные. Воздействующие на ограниченную площадь (мебель, хозяйственное оборудование)

Природа (фактура) воздействия:

• Силовые (механические). Вызванные нагрузками на материальные поверхности. Например, массой (оборудования или людей) или ударными (звуковыми) волнами.
• Несиловые. Влияющие на внутреннюю структуру элементов сооружения (перемена температурных режимов, агрессивное воздействие окружающей среды, электромагнитное излучение, солнечная радиация).

Необходимо уточнить, что инженерным вычислениям при проектировании частных и загородных домов подлежат нагрузки силового характера. Несиловые учитываются в общем плане конструкции на стадии её разработки. К примеру, при выборе материалов в местах стыковок в расчёт берётся реакция на изменение температуры (расширение и сжатие).

Важным условием правильного вычисления строительной конструкции является получение основных и вспомогательных данных — то, что специалисты называют сбором нагрузок. Процесс представляет собой количественный (цифровой) учёт параметров самой системы и всех факторов, которые будут влиять на неё в процессе эксплуатации.

Любой частный или загородный дом конструктивно состоит из элементов (фундамент, стены, кровля), испытывающих неоднородные нагрузки. Поэтому инженерные вычисления, как и сбор данных для них, ведутся отдельно по каждому компоненту, а затем комбинируются.

При этом для расчёта условий, которые не поддаются точному прогнозированию, как например, масса мебели, которую хозяева могут переставлять (изменяя точку давления) или докупать (увеличивая общий вес оборудования), существуют нормативные коэффициенты, обеспечивающие необходимый запас прочности.

Основные табличные значения и индексы содержатся в СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Данные по строительным материалам (удельный вес, объёмы, плотность) приведены в СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» и специализированных справочниках.

На основание дома действуют три вида факторов:

Собственная нагрузка (СН). Складывается из общей массы конструкции; вес самой основы и всех элементов строения (перекрытий, стен, кровли, лестниц с площадками и пролётами). Один из наиболее используемых способов вычислить СН — определить объёмное содержание всех строительных материалов для возведения жилища с учётом коэффициента надёжности (по нормативу) и суммировать (сложить).

Подвижная (сверхналоженная) нагрузка (ПН). Складывается из действий или усилий на площади перекрытий (вертикальных и горизонтальных). То есть всего, что ставится на пол или крепится к стенам: вес мебели, людей, домашних питомцев, техники, предметов интерьера. Вычисления производятся ориентировочно, на основании нормативов.

Например, подвижная нагрузка на перекрытие жилого дома кг м2 при параметрах 5м на 5м составит: 5м * 5м * 150 кг/м² = 3 750 кг, где 150 кг/м² — это табличный показатель для горизонтальных межэтажных элементов конструкции. 

Важно учитывать, что коэффициенты в строительных нормативах могут меняться в зависимости от сопутствующих факторов. Среди них может быть плотность основы (монолитная или сборная), разновидность фундамента или расположение перекрытия (для чердачного индекс нагрузки равен 70 кг/м2).

Ветровая. Включается в нагрузки, действующие на фундамент (НДФ) для строений, расположенных в местностях с сильными и порывистыми ветрами, но лишь в случаях, если в ширина дома меньше высоты в два (или более) раза.

Вычисления производятся на основе характеристик сопротивляемости при запланированной площади открытых поверхностей (крыша, стены) и климатических данных (скорость ветра, порывистость).

Как правило, при одноэтажном строительстве формула нагрузки на фундамент, не включает ветровые воздействия.

На завершающем этапе инженерных вычислений для основы будущего жилища полученные данные складываются (с обязательным учётом нормативных коэффициентов):

НДФ = СН + ПН (+ ветровая, при необходимости).

Чтобы правильно выбрать вид арматуры для ж/б элементов в кирпичном доме или тип бруса для деревянного каркасного, необходим грамотный инженерный расчёт несущей способности компонентов.

Сбор нагрузок на перекрытие выполняется для вычисления основных параметров — поперечного сечения и шага (расстояния между составляющими в конструкции) с целью равномерно распределить усилия.

Действие производится в четыре этапа:

1. Расчёт массы перекрытия. Складывается из постоянных нагрузок (ПН). Суммируется вес всех составляющих (пирога) — ограждающих конструкций (ж/б плит или деревянных изделий), изоляционных материалов (тепло- и пароизоляция), дополнительных слоёв для выравнивания (заливка пола, стяжки) и чистового покрытия (паркет, линолеум). Для инженерных вычислений потребуется толщина каждого материала, показатель будет отличаться для разных типов (например, плита ж/б — 220 мм) и табличная плотность компонента (СП 20.13330.2011).
2. Расчёт ВН (временной нагрузки). Складывается из массива всего, что можно переместить (мебель, люди, кухонная техника, оконные рамы). Нормативное значение (указано в таблице 8.3) для жилых домов — 150 кг/м2.
3. Расчётная нагрузка. Определяется с помощью коэффициентов; для равномерно распределённых усилий надёжность считается в соответствии с пунктом 8.2.2 (для материалов до 200 кг/м2 используется коэффициентов 1,3). Индексы для конструкций и различных видов грунтов приведены в таблице 7.1.
4. Итоговый расчёт. Полученные значения суммируются, затем общее значение используется в вычислениях несущей способности элементов конструкции.

Сбор нагрузок на балку производится по аналогичному алгоритму, с тем отличием, что площади (квадратные метры) будут преобразованы в длины (погонные метры).

Вертикальные несущие перегородки в строительстве характеризуются (оцениваются) по следующим параметрам:

• Прочность.
• Устойчивость.
• Местное смятие. Это сжатие, возникающее от «точечных» нагрузок, не охватывающих всю площадь поверхности.
• Теплопроводность.

Нужно уточнить, что показатели надёжности дома связаны лишь с тремя первыми пунктами, однако последний важен при оценке энергоэффективности жилища.

Расчёт несущей способности стен производится на основании данных по двум видам нагрузок — постоянным (собственный вес перегородок, давление почвы) и временным (вес людей, оборудования, климатические и погодные изменения).

Чтобы посчитать нагрузку от этажа на погонный метр (пог. м.) стены, ограниченной обрезом (верхней плоскостью) фундамента, понадобятся итоговые значения постоянных (ПН) и временных нагрузок (ВН) из расчётов по покрытиям и перекрытиям, а также грузовая площадь (ГП) — размеры плоскости, в границах которой возникают и передаются усилия (на расчётный компонент).

Наиболее простой способ вычислить ГП — умножить 1 пог. м на половину шага между ограничивающими несущими составляющими конструкции (смежными стенами).

Важно запомнить, что в расчётах полной нагрузки на вертикальные элементы конструкции (в зависимости от проекта) используются коэффициенты этажности и индекс воздействия продольной силы (СП 20.13330.2011).

Данные имеют первостепенную важность для расчётов шага и сечения стропильных ног, или создания исходных параметров для изготовления кровельных ферм. То есть готовых комбинаций элементов крыши — стоек, стропил, ригелей (перемычек) и вспомогательных составляющих. Также значения входят в вычисления по общим нагрузкам на жилище.

Принцип сбора похож на алгоритм для перекрытий и ведётся пошагово:

Расчёт собственной массы кровли. Складывается из веса материалов всех элементов конструкции: покрытие (например, черепица или ондулин), стропильная система, предусмотренная по проекту изоляция (паро-, термо-, гидро-).

Определение ветровой и сбор снеговых нагрузок. Ветровая рассчитывается в зависимости от особенностей конструкции и климатических условий местности (п.11.1 в СП 20.13330.2011), снеговая — от угла наклона крыши с учётом понижающих и термических коэффициентов (п.10.1).

Стоит уточнить, что для частного строительства большинство коэффициентов равны единице (1,0), при условии отсутствия конструктивных особенностей (к примеру, нет опор и сооружений, способных задержать снеговые массы).

Расчёт временной (эксплуатационной) нагрузки (ВН). Тоже складывается из всего, что прикреплено или расположено на поверхностях, но может быть убрано без ущерба для целостности. Вычислениям обычно подлежит либо снеговая, либо стандартная распределённая из таблицы 8.3 (150 кг/м2). Второй показатель актуален, если крыша используется для какого-либо времяпровождения, например, для принятия солнечных ванн).

Однако при выборе снеговой или табличной нагрузок для расчётов, в целях надёжности рекомендуется использовать большее значение.

Определение расчётной нагрузки (РН). Производится индексированием коэффициентами надёжности: полученные данные умножаются на табличные нормативы (СП 20.13330.2011) и суммируются (складываются).

Нагрузка на стропильную ногу делается аналогично расчётам балки перекрытия или колонны: на последнем этапе квадратные метры переводятся в погонные с помощью распределения по грузовой площади (умножением на шаг — расстоянием между элементами).