РОЗРАХУНОК НАВАНТАЖЕННЯ ВІД БУДИНКУ

Для коректного розрахунку фундаментів та несучих конструкцій будівлі критично важливо чітко розрізняти типи навантажень та застосовувати відповідні нормативні коефіцієнти. Згідно з ДБН В.1.2-2:2006 'Навантаження і впливи', навантаження поділяються на постійні, тимчасові (тривалі, короткочасні) та особливі. Постійні навантаження включають власну вагу всіх елементів будівлі: фундаменту, стін, перекриттів, покрівлі, інженерних систем, а також вагу незмінного оздоблення. Їх розрахункові значення отримують множенням нормативних на коефіцієнт надійності за навантаженням, який для більшості будівельних матеріалів становить 1.1–1.3. Наприклад, для залізобетонних конструкцій коефіцієнт часто приймається 1.1, для металевих – 1.05, для ґрунту – 1.15.

Тимчасові навантаження, у свою чергу, поділяються на тривалі та короткочасні. До тривалих належать навантаження від стаціонарного обладнання, меблів, перегородок, що можуть змінюватися протягом терміну експлуатації, а також снігові навантаження для певних регіонів. Короткочасні навантаження – це вага людей, рухомого обладнання, транспортних засобів, вітрові навантаження та снігові, що не належать до тривалих. Розрахункові значення тимчасових навантажень також визначаються з урахуванням коефіцієнтів надійності, які варіюються від 1.2 до 1.4 залежно від виду навантаження та його змінності.

Особливі навантаження – це впливи, що виникають рідко, але мають значну інтенсивність, такі як сейсмічні, вибухові, та навантаження від деформацій основи (наприклад, просідання, карст). Для України, зокрема для західних регіонів, сейсмічні навантаження розраховуються відповідно до карти сейсмічного районування та ДБН В.1.1-12:2014 'Будівництво у сейсмічних районах України'. Комплексний підхід до їх врахування є запорукою стійкості споруди. Всі ці параметри формують розрахункову схему, яка є основою для подальшого аналізу та вибору оптимального типу фундаменту. Ігнорування будь-якого з цих компонентів може призвести до некоректного визначення несучої здатності та, як наслідок, до аварійних ситуацій. Правильне використання ДБН є не просто формальністю, а критичною складовою професійного проєктування.

Для визначення повного постійного навантаження від будівлі необхідно ретельно розрахувати вагу кожного її конструктивного елемента. Цей процес починається з визначення питомої ваги матеріалів. Наприклад, для керамічної цегли питома вага становить близько 1600-1900 кг/м³, для газобетону – 400-800 кг/м³, для дерева (сосна, ялина) – 400-550 кг/м³. Сучасні конструктивні рішення, такі як CLT-панелі, мають питому вагу близько 470-500 кг/м³, що значно легше за традиційні монолітні чи цегляні стіни, але вимагають точного врахування шарів теплоізоляції та оздоблення.

Вага стін розраховується як добуток питомої ваги матеріалу, об'єму (довжина, висота, товщина) та кількості. Важливо враховувати всі шари 'пирога' стіни: несуча частина, утеплювач (мінвата, EPS, XPS), штукатурка, облицювання. Наприклад, зовнішня стіна з керамічної цегли товщиною 380 мм з утеплювачем 150 мм мінеральної вати (150 кг/м³) та штукатуркою (20 мм, 1800 кг/м³) матиме значно більшу вагу, ніж стіна з клеєного бруса GL24h товщиною 200 мм. Перекриття розраховуються аналогічно: вага несучої конструкції (балки, плити), стяжка, підлогове покриття, звукоізоляція, підшивка стелі. Для міжповерхових перекриттів часто використовують залізобетонні плити (2500 кг/м³) або дерев'яні балки з настилом, що суттєво впливає на загальну масу.

Покрівля включає вагу кроквяної системи (дерев'яна, металева), утеплювача, гідро- та пароізоляції, обрешітки та фінішного покриття (металочерепиця – 5-7 кг/м², керамічна черепиця – 40-60 кг/м²). Коефіцієнт надійності за навантаженням для власної ваги елементів зазвичай приймається 1.1. Сума цих значень дає нормативне постійне навантаження. Для точного розрахунку необхідно використовувати специфікації матеріалів від виробників та стандарти ДБН, а також враховувати геометричні параметри всіх елементів будівлі з точністю до міліметрів, адже навіть незначні відхилення можуть суттєво вплинути на загальне навантаження великої споруди.

Окрім постійних навантажень, вирішальне значення для стабільності будівлі мають тимчасові та особливі впливи. Снігові навантаження визначаються відповідно до карт снігових районів України, наведених у ДБН В.1.2-2:2006. Для більшості областей України нормативне значення снігового навантаження Sg варіюється від 80 кг/м² (I сніговий район, наприклад, південь Одеської області) до 180 кг/м² (V сніговий район, наприклад, Карпати). Для Київської області це близько 100 кг/м² (II сніговий район). Розрахункове значення отримують множенням нормативного на коефіцієнт надійності за сніговим навантаженням (зазвичай 1.4) та коефіцієнт форми покрівлі, який залежить від її кута нахилу та конфігурації (наприклад, для двосхилих дахів з кутом нахилу до 30° він дорівнює 1.0, при 60° – 0).

Вітрові навантаження також регулюються ДБН В.1.2-2:2006 і залежать від вітрових районів (нормативний тиск вітру W0 від 30 до 85 кг/м²), висоти будівлі, її аеродинамічних характеристик та коефіцієнта пульсації. Для Києва базове вітрове навантаження W0 становить 40 кг/м². Розрахунок вітрових навантажень є складним і вимагає врахування як фронтального тиску, так і відсмоктування з бічних та підвітряних поверхонь. Коефіцієнт надійності для вітрового навантаження зазвичай приймається 1.4. Експлуатаційні навантаження (від людей, меблів, обладнання) для житлових будівель встановлюються ДБН В.1.2-2:2006 і становлять, як правило, 150 кг/м² для житлових приміщень, 200 кг/м² для кухонь та санвузлів, та до 400 кг/м² для публічних просторів або гаражів. Коефіцієнт надійності – 1.2.

Особливі навантаження, такі як сейсмічні, є специфічними для певних регіонів України. Їх розрахунок базується на прискоренні ґрунту та динамічних характеристиках будівлі. При проєктуванні важливо враховувати комбінації навантажень, які можуть діяти одночасно. ДБН передбачає різні комбінації: основні (постійні + тимчасові) та особливі (постійні + тимчасові + особливі). Кожну комбінацію необхідно перевіряти для визначення найбільш несприятливого сценарію для фундаменту та несучих елементів. Сучасні розрахункові комплекси, такі як SCAD Office або ЛИРА, дозволяють автоматизувати цей процес, але вимагають від інженера глибокого розуміння фізики процесів та нормативних вимог.

Вибір технології будівництва має безпосередній вплив на сумарне навантаження, яке будівля чинитиме на ґрунтову основу. Порівняємо декілька поширених конструктивних систем з точки зору їх питомої ваги та загального впливу на фундамент. Цегляні будинки, що традиційно вважаються міцними та довговічними, належать до категорії важких конструкцій. Вага стін з повнотілої цегли може сягати 1900 кг/м³, а загальна маса двоповерхового цегляного будинку площею 150-200 м² може перевищувати 300-400 тонн без урахування фундаменту та покрівлі. Це вимагає масивних, часто заглиблених стрічкових фундаментів або плитних, з високою несучою здатністю ґрунту.

Каркасні будинки (деревяний або металевий каркас з обшивкою) є значно легшими. Питома вага стінових конструкцій, включаючи утеплювач та обшивку, рідко перевищує 150-250 кг/м². Загальна вага такого ж за площею будинку може становити 50-80 тонн. Це дозволяє використовувати більш легкі та менш заглиблені фундаменти, такі як дрібнозаглиблені стрічкові, стовпчасті або УШП (утеплена шведська плита). Це не тільки знижує витрати на матеріали та земляні роботи, але й зменшує ризик морозного пучіння завдяки меншій масі та кращій теплоізоляції фундаменту. Для каркасних будинків часто застосовується дрібнозаглиблений стрічковий фундамент, що забезпечує достатню опору.

Сучасні технології, такі як будівництво з клеєного бруса (проєкти з клеєного бруса) або CLT-панелей, займають проміжне положення. Вага стін з клеєного бруса (наприклад, GL24h) становить близько 450-550 кг/м³, а CLT-панелей – 470-500 кг/м³. Загальна вага будівлі буде меншою, ніж у цегляної, але більшою, ніж у каркасної. Це вимагає ретельного інженерного розрахунку, але часто дозволяє оптимізувати фундамент, уникаючи надмірної маси. Наприклад, для CLT-будинку може бути ефективним плитний фундамент або стрічковий, але з меншою глибиною закладання у порівнянні з цегляним. При виборі конструктиву завжди необхідно враховувати не лише вартість матеріалів, а й загальний вплив на фундамент, який може суттєво змінити бюджет проєкту та терміни виконання робіт.

Вибір типу фундаменту безпосередньо залежить від величини та характеру навантажень від будівлі, а також від несучої здатності ґрунту. Для стрічкових фундаментів, які є найпоширенішими в малоповерховому будівництві, навантаження розподіляється лінійно під несучими стінами. Розрахунок полягає у визначенні ширини підошви фундаменту, яка забезпечує тиск на ґрунт, що не перевищує його розрахункового опору. Для цього сумарне навантаження від ділянки стіни (включаючи власну вагу фундаменту та ґрунту на ньому) ділиться на розрахунковий опір ґрунту (Rn) та довжину ділянки. Згідно з ДБН В.2.1-10:2009 'Основи та фундаменти будівель і споруд', розрахунковий опір ґрунту визначається на основі геологорозвідувальних вишукувань.

Плитні фундаменти (монолітна плита), особливо утеплені шведські плити (УШП), ідеально підходять для будівель з великою площею та рівномірним розподілом навантажень, або на слабких, неоднорідних ґрунтах. Плита працює як єдина просторова структура, рівномірно розподіляючи навантаження по всій площі основи. Розрахунок плитного фундаменту полягає у визначенні її товщини та армування, щоб плита витримувала як місцеві, так і загальні вигинальні моменти. Загальне навантаження на плиту ділиться на її площу, і отриманий тиск порівнюється з розрахунковим опором ґрунту. Перевага УШП полягає також у мінімізації впливу морозного пучіння завдяки ефективній теплоізоляції по периметру.

Пальові фундаменти використовуються при слабких, сильно стискаються ґрунтах або при значних навантаженнях від будівлі (наприклад, багатоповерхові споруди). Навантаження від будівлі передається на палі, які, у свою чергу, передають його на більш щільні та міцні шари ґрунту, розташовані на значній глибині. Розрахунок пальового фундаменту включає визначення кількості, діаметра та довжини паль, а також розмірів ростверку, який об'єднує палі. Несуча здатність однієї палі розраховується з урахуванням опору ґрунту по бічній поверхні палі та під її п'ятою. Кожен тип фундаменту має свої переваги та недоліки, і вибір залежить від комплексної оцінки геологічних умов ділянки та всіх видів навантажень від майбутньої споруди.

У сучасному проєктуванні будівництва ручні розрахунки навантажень та фундаментів є недостатніми для забезпечення необхідного рівня точності та оптимізації. Інженери активно використовують спеціалізовані програмні комплекси, такі як SCAD Office, ЛИРА-САПР, SAP2000, ETABS, Autodesk Robot Structural Analysis. Ці програми дозволяють створювати детальні 3D-моделі будівлі та її фундаменту, моделювати різні сценарії навантажень (включаючи сейсмічні та динамічні), а також виконувати розрахунки за методом скінченних елементів.

Програмні комплекси дають можливість не тільки визначити величину навантажень на ґрунтову основу, але й розрахувати напружено-деформований стан конструкцій, оптимізувати розміри елементів (балок, колон, плит) та їх армування. Важливим аспектом є правильне застосування коефіцієнтів надійності, які враховують невизначеність характеристик матеріалів, навантажень та методів розрахунку. Наприклад, коефіцієнт надійності за матеріалом (коефіцієнт умов роботи) для бетону може становити 1.15-1.3, для арматури – 1.0-1.1. Для ґрунтів коефіцієнт надійності за ґрунтом зазвичай коливається від 1.2 до 1.4.

ДБН В.1.2-14:2018 'Загальні принципи забезпечення надійності та конструктивної безпеки будівель і споруд' є основним документом, що регламентує застосування цих коефіцієнтів та загальні вимоги до надійності. Крім того, важливе значення має врахування граничних станів. Розрізняють два основні граничні стани: перший – за несучою здатністю (втрата міцності, стійкості, деформації, що призводять до руйнування), другий – за придатністю до нормальної експлуатації (надмірні деформації, тріщини, вібрації, що порушують комфорт). Кожен розрахунок виконується двічі – за нормативними та за розрахунковими значеннями навантажень, з урахуванням відповідних коефіцієнтів. Використання ліцензованого програмного забезпечення та кваліфікованих інженерів-розраховувачів є обов'язковою умовою для забезпечення безпеки та довговічності будь-якого будівельного проєкту.

Зниження загального навантаження від будівлі на фундамент є ключовим завданням для оптимізації витрат та підвищення стабільності споруди, особливо на складних ґрунтах. Одним з найефективніших способів є використання легких будівельних матеріалів. Замість традиційного цегляного мурування можна застосовувати каркасні технології з використанням дерев'яних або металевих профілів та ефективних легких утеплювачів. Такі конструкції стін важать у 5-10 разів менше за цегляні, суттєво зменшуючи постійне навантаження.

Іншим ефективним рішенням є використання сучасних дерев'яних конструкцій, таких як клеєний брус або CLT-панелі. Вони забезпечують високу міцність та жорсткість при відносно невеликій питомій вазі. Наприклад, стіни з CLT можуть бути значно тоншими за цегляні, але при цьому мати кращі теплотехнічні характеристики та бути менш масивними. Це дозволяє зменшити об'єм фундаментних робіт, знизити витрати на арматуру та бетон, а також скоротити терміни будівництва.

Оптимізація покрівельних систем також відіграє важливу роль. Замість важкої керамічної черепиці можна використовувати металочерепицю, бітумну черепицю або мембранні покрівлі, які мають меншу вагу. Проєктування ефективних перекриттів з меншою власною вагою, наприклад, із застосуванням дерев'яних балок замість залізобетонних плит, також сприяє загальному зниженню навантаження. Важливо не тільки обирати легкі матеріали, але й оптимізувати їх конструктивну схему. Застосування просторових каркасів, ферм та інших ефективних структур дозволяє раціонально розподіляти навантаження та зменшувати перерізи несучих елементів. Такий підхід допомагає створювати будівлі, що відповідають сучасним вимогам енергоефективності та сталого будівництва, одночасно зменшуючи екологічний відбиток проєкту.

При розрахунку навантажень та проєктуванні фундаментів в Україні необхідно враховувати специфічні кліматичні та ґрунтові умови, які суттєво відрізняються в різних регіонах. Територія України поділяється на кілька снігових та вітрових районів, що впливає на нормативні значення тимчасових навантажень. Наприклад, в Карпатах снігові навантаження значно вищі, ніж на півдні країни, що вимагає посилених кроквяних систем та фундаментів. Відповідно, інженерні рішення для проєктів в гірських районах будуть відрізнятися від тих, що застосовуються, наприклад, у степовій зоні.

Ґрунтові умови є, мабуть, найважливішим фактором. Глибина промерзання ґрунту коливається від 0.8 м на півдні до 1.4 м на півночі та сході. Для Київської області, як зазначено в ДБН В.2.1-10:2009, нормативна глибина промерзання для суглинків та глин становить близько 1.0-1.1 м. Цей параметр критичний для визначення глибини закладання фундаменту, щоб уникнути деформацій від морозного пучіння. Високий рівень ґрунтових вод (РГВ), особливо в пучиністих ґрунтах (глини, суглинки, дрібні піски), посилює ризик пучіння та знижує несучу здатність ґрунтової основи. У таких випадках можуть знадобитися дренажні системи, заміна ґрунту або застосування пальових фундаментів.

Сейсмічна активність також є важливим аспектом. Хоча більша частина України не належить до високосейсмічних зон, окремі регіони, такі як Крим, Закарпаття, Одеська область та деякі частини Львівської, підпадають під вплив сейсмічних навантажень до 7-8 балів за шкалою MSK-64. Для цих зон проєкти будівель повинні відповідати підвищеним вимогам ДБН В.1.1-12:2014, що включає спеціальні розрахунки на сейсміку та конструктивні заходи (наприклад, жорсткі каркаси, антисейсмічні пояси). Комплексний інженерно-геологічний аналіз ділянки є обов'язковим для кожного будівельного проєкту в Україні, дозволяючи врахувати всі місцеві особливості та забезпечити максимальну надійність та безпеку майбутньої споруди.