CC BY
31Лобикова О.М.
старший преподаватель, Белорусско-Российский университет, г. Могилев
olg.lobikova@yandex.ru
Атрашенко В.П.
студент, Белорусско-Российский университет, г. Могилев
ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ФУНДАМЕНТА В МАЛОЭТАЖНОМ ДОМОСТРОЕНИИ
Ключевые слова: энергоэффективность, энергомоделирование, фундамент, технико-экономическое сравнение, теплопотери.
Keywords: energy efficiency, energy modeling, foundation, technical and economic comparison, heat loss.
В современном малоэтажном домостроении одной из главных задач является энергоэффективность, обусловленная проблемой больших затрат на отопление помещений и сохранение тепла в них. Основными теплопотерями являются: потери через крышу; потери через окна; потери через стены; потери через вентиляцию; потери через фундамент. Последним уделяется мало внимания при проектировании зданий, что снижает эффективность принимаемых решений по энергосбережению здания в целом.
В данной работе главной задачей является расчет, конструирование и обоснование энергоэффективного фундамента, благодаря которому появится возможность сократить теплопотери через фундаменты. В качестве проектируемого здания был взят жилой двухэтажный дом общей площадью 133 м2, проектируемый в г. Полоцк, Беларусь (рис. 1). Толщина наружных стен составляет 510 мм. В осях 1-3 расположен подвал глубиной 2,4 м. Расчетные значения нагрузок на уровне обреза фундамента в сечении 2-2 представлены в табл. 1.
Инженерно-геологические условия площадки были определены по трем прорубленным скважинам. Отметки устьев скважин, уровня подземных вод и физико-механические свойства грунтов приведены в табл. 2 и 3 соответственно. План площадки с расположением скважин и инженерно-геологический разрез представлены на рис. 2 и 3.
Рисунок 1. Схема здания
Таблица 1
Расчетные значения нагрузок
Сечение 1 группа 2 группа
Fvo,1, кН M0,1, кНм Fho,1, кН Fvo,2, кН M0,2, кНм Fho,2, кН
2-2 193,78 77,51 1,38 184,09 73,63 1,31
Рисунок 2. План площадки
Таблица 2
Отметки устьев скважин и уровня подземных вод
Отметки устья в скважинах, м Уровень подземных вод в скважинах, м
1 2 3 1 2 3
179,2 176,7 176,7 168,0 168,2 168,0
Таблица 3
Сводная таблица физико-механических свойств грунтов
Номер слоя Наименование грунта Физические, прочностные и деформационные характеристики грунтов основания
Мощность слоя, м г/см3 Р, г/см3 Ра, г/см3 м>% »ь »р 1р 1ь Бг е фП Сп Яо Еп МПа
У*, кН/м3 Y, кН/м3 Уа, кН/м3 % % град кПа кПа
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
1 Песок 6,6 2,67 2,02 1,63 24,0 1,0 0,64 35,3 1,1 400 26,0
26,7 20,2 16,3
2 Сугли- 2,7 2,7 1,78 1,42 25,0 28,5 18,2 10,3 0,66 0,9 15,0 15,0 162,6 7,0
нок 27 17,8 14,2
3 Глина 1,2 2,73 1,93 1,47 31,0 53,2 30,1 23,1 0,039 0,88 17,4 45,2 276,1 129,0
27,3 19,3 14,7
4 Песок 6,9 2,66 2,1 1,78 18,0 0,98 0,49 41,8 1,6 600 46
26,6 21,0 17,8
Рисунок 3. Инженерно-геологический разрез
Площадка характеризуется горизонтальным залеганием пластов, мощность которых выдержана по простиранию; имеется один выдержанный уровень подземных вод ниже подошвы проектируемых фундаментов. Исходя из оценки инженерно-геологических условий строительной площадки, можно сделать вывод о том, что верхний слой может служить надежным основанием для опирания на него фундаментов здания.
В качестве рассматриваемых вариантов проектирования фундаментов были выбраны следующие: утепленный финский фундамент (УФФ), представляющий из себя монолитную ленту и блоки ФБС 12.3.3; утепленная шведская плита (УШП), представленная в виде монолитной плиты по всей площади здания; ленточный фундамент, представляющий из себя ленту из плит ФЛ 20.12 и блоков ФБС 12.3.3. Схемы фундаментов представлены на рис. 4, 5 и 6 соответственно.
®
Бетон С25/30 50мм_
Система "теплый пол"030
1ППГ 200 мм_
ЗППС 100 мм
гидроизоляция 5мм
гиарс
Шс
100 ММ
Рисунок 4.
Схема утепленной шведской плиты
Данные полученные при расчете данных фундаментов, а именно: глубина заложения, отметка уровня чистого пола, планировочная отметка, ширина фундамента, расчетное сопротивление грунта основания осевому сжатию, среднее давление под подошвой фундамента, осадка сжимаемой толщи, а также дополнительное давление на основание под подошвой фундаментов представлены в табл. 4. Расчет осадок фундаментов был произведен при помощи программного обеспечения и результаты были сведены в табл. 5, 6 и 7 соответственно.
Рисунок 5.
Схема утепленного финского фундамента 107
Рисунок 6. Схема ленточного фундамента
Таблица 4
Сводная таблица расчета и конструирования фундаментов
Показатель Вариант фундамента
УШП УФФ Ленточный фундамент
Глубина заложения фундамента (1, м 0,3 2,3 2,3
Отметка уровня чистого пола, м 177,65 178,47 178,67
Планировочная отметка, м 177,5 177,5 177,5
Ширина фундамента Ь, м 12,7 2,5 2,4
Расчетное сопротивление грунта основания Я, кПа 680,3 777,95 863,77
Среднее давление под подошвой фундамента Рср, кПа 6,28 85,33 90,92
Осадка сжимаемой толщи Б, см 0 0,115 0,25
Дополнительное давление на основание под подошвой фундамента Р0, кПа 0,22 38,87 44,46
Таблица 5
Результаты расчета осадки утепленного шведского фундамента
Вид грунта Е, МПа Толщина пласта грунта, м У; или У8ы, кН/м3 а2ф кПа 0,2ач, кПа Ь;, м м ^=2г/Ь, Ь=12м А а^, кПа Б;, м
Песок средней крупности 26 6,6 20,2 6,06 1,21 0,3 0,3 0,05 1 0,22 0,000002
33,33 6,67 1,4 1,7 0,28 0,97 0,21 0,000009
61,61 12,32 1,4 3,1 0,52 0,92 0,2 0,000009
89,89 17,98 1,4 4,5 0,75 0,83 0,18 0,000007
118,17 23,63 1,4 5,9 0,98 0,72 0,15 0,000006
133,32 26,66 0,85 6,6 1,1 0,65 0,14 0,000003
Суглинок мяг-копластич-ный 7 2,7 17,8 142,4 28,48 1,4 8 1,33 0,56 0,12 0,00002
165.54 33,11 1,3 9,3 1,55 0,46 1,32 0,0002
Всего 0,000025
Таблица 6
Результаты расчета осадки утепленной финского фундамента
Вид грунта Е, МПа Толщина пласта грунта ,м У; или У*!, кН/м3 а2ф кПа 0,2а2ф кПа Ь;, м м ^=2г/ь, Ь=2,5м а а^, кПа 8!, м
Песок средней крупности 26 6,6 20,2 46,46 9,29 2,3 2,3 1,84 0,33 12,83 0,0009
76,76 15,35 1,5 3,8 3,04 0,14 5,44 0,00025
107,06 21,41 1,5 5,3 4,24 0,08 3,11 0,00014
133,32 26,67 1,3 6,6 5,28 0,052 2,02 0,00008
Суглинок мяг-копластич-ный 7 2,7 17,8 144,18 28,84 1,5 8,1 6,48 0,034 1,32 0,00022
165,54 33,11 1,2 9,3 7,44 0,026 1,01 0,00014
Глина полутвердая 129 1,2 19,3 202,65 40,53 1,2 10,5 8,4 0,021 0,82 0,000006
Песок граве-листый 46 3,3 21 252 50,4 1,5 12 9,6 0,016 0,62 0,000016
283,5 56,7 1,5 13,5 10,8 0,013 0,51 0,000013
289,8 57,96 0,3 13,8 11,04 0,01 0,39 0,000002
Всего 0,0018
Таблица 7
Результаты расчета осадки ленточного фундамента
Вид грунта Е, МПа Толщина пласта грунта, м У; или У8ы, кН/м3 а2ф кПа 0,2агч, кПа Ь;, м м ^=2г/ь, Ь=2,4м а а^, кПа 8!, м
Песок средней крупности 26 6,6 20,2 46,46 9,29 2,3 2,3 1,92 0,31 13,78 0,00098
76,76 15,35 1,5 3,8 3,17 0,133 5,91 0,00027
107,06 21,41 1,5 5,3 4,42 0,072 3,2 0,00015
133,32 26,67 1,3 6,6 5,5 0,048 2,12 0,000085
Суглинок мягко-пластичный 7 2,7 17,8 144,18 28,84 1,5 8,1 6,75 0,032 1,42 0,00024
165,54 33,11 1,2 9,3 7,75 0,023 1,02 0,00014
Глина полутвердая 129 1,2 19,3 202,65 40,53 1,2 10,5 8,75 0,02 0,89 0,000007
Песок гравели-стый 46 1,5 21 252 50,4 1,5 12 10 0,015 0,67 0,000017
283,5 56,7 1,5 13,5 11,25 0,011 0,49 0,000013
302,4 60,48 0,3 14,4 12 0,01 0,45 0,000007
Всего 0,00191
Были подобраны следующие типы армирования: для утепленной шведской плиты, согласно установленной строительной практике, было принято производить армирование арматурными вязанными каркасами по контуру, связанными из арматуры диаметром 12 мм и класса 8500 с шагом 450 мм и общей площадью А81=452 мм2. По площади здания каркасы соединяются арматурной сеткой из арматуры класса 8500, диаметром 12 мм с шагом 250 мм и общей площадью А8(=12102 мм2. В варианте проектирования с утепленным финским фундаментом согласно конструктивным требованиям были приняты два пояса из арматуры диаметром 10 мм и класса 8500 с шагом 340 мм и общей площадью А8(=1099 мм2, в поперечном направлении конструктивно приняты стержни диаметром 6 мм и класса 8250 и общей площадью А8(=1132 мм2'. Для варианта с ленточным фундаментом была принята арматура диаметром 10 мм и класса 8500 с шагом 300 мм и общей площадью А81=471 мм2, а в поперечном направлении принята арматура диаметра 6 мм и класса 8500 с шагом 100 мм и общей площадью А81=283 мм2.
Исходя из полученных расчетов, была произведена технико-экономическая оценка проектных решений фундаментов. В связи с тем, что утепленная шведская плита представляет из себя монолитную конструкцию по всей площади здания, технико-экономические показатели сравнивались относительно всего здания в целом, так как сечение по контуру наружных стен и центральной части различаются в данном типе фундамента. Оценка технико-экономических проектных решений фундаментов проводилась по следующим критериям: эксплуатационной надежности, экономии материалов, снижении трудоемкости и энергоемкости, сокращения сроков изготовления и монтажа, экономия энергетических ресурсов на отопление в процессе эксплуатации. Оценка проводилась с учетом равенства исходных данных и с соблюдением требований норм и ограничений. Исходные данные для расчета технико-экономических показателей представлены в табл. 8.
Проанализировав технологии возведения и данные из таблицы 8, можно выделить достоинства и недостатки каждого из фундаментов.
Утепленная шведская плита имеет следующий ряд преимуществ: проект является типовым, из-за чего расчет ширины плиты и арматуры можно проверить исходя из других типовых проектов; энергоэффективность данного фундамента обеспечивается за счет надежной изоляции, нескольких слоев теплоизоляционного материала и устройства системы «теплый пол» в результате чего теплопотери составляют 2,65 кВт/ч; меньшим расходом бетона, в сравнении с другими фундаментами; прочностными характеристиками; возведение данного фундамента менее энергоемко и не требует большого количества машин и времени, так же сокращается стоимость за счет небольших объемов земляных
работ и отсутствии необходимости в устройстве опалубки, так как ее роль выполняют плиты теплоизоляции, которые в последующем выполняют свою прямую задачу, а именно сохранение тепла. Несмотря на то, что у утепленной шведской плиты достаточно преимуществ, можно выделить ряд ее недостатков: расход арматуры в данном фундаменте значительно больше, вследствие чего большая часть стоимости материалов для возведения УШП составляет именно арматура, отсутствует возможность устройства подвала, так как плита монолитная, и фундамент является фундаментом мелкого заложения; при возведении утепленной шведской плиты необходимо качественно производить работы по прокладыванию инженерных систем и коммуникаций, так как в случае их поломки их демонтаж и ремонт будет невозможен и есть риск повреждения самого фундамента.
Таблица 8
Исходные данные для расчета технико-экономических показателей
Вариант фундамента
Показатель УШП УФФ, монолитная лента, Ленточный плитный, мар-
ФБС 12.5.3 ки ФЛ 20.12, ФБС 12.5.3
Грунт основания. Условное расчетное сопротивление грунта основания Я0, кПа Песок средней крупности средней плотности Я=400 Песок средней крупности средней плотности Я=400 Песок средней крупности средней плотности Я=400
Расчетное сопротивление грунта основания Я, кПа 680,3 777,95 841,66
Среднее давление под подошвой фундамента Рт, кПа 6,28 83,21 88,96
Класс бетона С25/30 С25/30 С25/30
Расход арматуры (класс Б500), кг 1110,66 782,74 215,8
Себестоимость материалов, руб. 122418,85 116999,53 60590,35
Затраты труда, чел-дн. 21 44 43
Расход материалов: - ФЛ 24.12, м 52
- Бетон С25/30, м3 21,6 30,5 59,18
- Арматурная сталь, кг 1110,66 782,74 215,8
Коэффициент эффективности 11,76 4,52 10,46
Потери тепла через 1 м2 при температуре самой холодной пятидневки, кВт/ч 2,65 2,96 4,19
В варианте проектирования утепленного финского фундамента можно выделить следующие достоинства: данный фундамент позволяет проектировать подвал в здании; относительно небольшой расход арматуры; теплопотери за счет наличия системы «теплый пол», теплоизоляции и плит ЭППС составляют 2,95 кВт/ч; сравнительно небольшой расход бетона, который применяется для устройства самого фундамента, а именно фундаментной плиты. Как и в случае с утепленной шведской плитой, у утепленного финского фундамента так же имеется ряд недостатков: стоимость земляных работ и возведения фундамента значительно больше, так как имеется подвал, так же увеличится сложность производимых работ; для перевозки фундаментных блоков необходимы специальные машины, что так же увеличивает стоимость работ; из-за сравнительно высоких теплопотерь, в сравнении с утепленной шведской плитой, на поддержание температуры в помещении будет уходить больше энергии, а следовательно, увеличится стоимость за отопление.
Анализируя данные по ленточному фундаменту, можно выделить следующие положительные стороны данной конструкции: стоимость материалов значительно меньше, чем у других фундаментов; меньший расход арматуры, в сравнении с другими вариантами; технология позволяет устройство подвала под зданием; конструкция фундамента позволяет устраивать его под любым типом стен. При этом ленточный фундамент имеет ряд недостатков, а именно: теплопотери данной конструкции составляют 4,19 кВт/ч, что говорит том, что на отопление помещения потребуется больше энергии, а следовательно, и затрат финансовых ресурсов; требует большей трудоемкости работ; значительный объем земляных работ; привлечение специальной техники.
На основе сопоставления достоинств и недостатков всех трех вариантов нами была предложена методика определения коэффициента эффективности фундаментов, которая позволяет учесть следующие характеристики: приведенные затраты на возведение фундамента, затраты труда, нагрузку на фундамент от наземных конструкций и тепло-потери через фундаменты в процессе эксплуатации. Сравнивая результаты (табл. 8), можно сделать вывод, что утепленная шведская плита является оптимальным вариантом для возведения, так как удовлетворяет заявленным критериям, о чем свидетельствует максимальное значение коэффициента эффективности, а также позволяет решить один из главных вопросов в малоэтажном домостроении - повышение энергоэффективности фундаментов, а, следовательно, и повышение энергоэффективности здания в целом.
