Введение
Структурная изолированная панель (SIP) – это разновидность сэндвич-панели, используемая в строительстве. SIP представляет собой композитный материал с сэндвич-структурой, состоящий из изолирующего слоя жесткого сердечника, заключенного между двумя слоями конструкционного материала. В качестве материала для слоев могут использоваться листовой металл, фанера, цемент, плиты из оксида магния (MgO) или ориентированно-стружечные плиты (OSB), а в качестве сердечника – вспененный полистирол (EPS), экструдированный полистирол (XPS), пенополиизоцианурат, пенополиуретан или композитный сотовый материал (HSC). SIP обладают теми же несущими свойствами, что и I-образная балка или I-образная колонна. Жесткий изоляционный сердечник SIP выполняет роль стенки, а облицовка – роль полок. SIP объединяют в себе несколько элементов традиционного строительства, такие как стойки и балки, утеплитель, пароизоляцию и ветрозащиту. Они могут применяться в различных конструкциях, включая наружные стены, кровлю, полы и фундаментные системы.
История
Хотя панели из вспененного полистирола получили известность в 1970-х годах, идея использования панелей с несущей оболочкой в строительстве возникла в 1930-х годах. Исследования и испытания этой технологии проводились в основном Лабораторией лесных продуктов (FPL) в Мэдисоне, штат Висконсин, в рамках попытки Лесной службы США сохранить лесные ресурсы. В 1937 году был построен небольшой дом с несущей оболочкой, который привлек достаточно внимания, чтобы пригласить Первую леди Элеонору Рузвельт для его торжественного открытия. В подтверждение долговечности таких панельных конструкций, дом выдержал климат Висконсина и использовался Университетом Висконсина–Мэдисон в качестве детского сада до 1998 года, когда его демонтировали, чтобы освободить место для нового здания школы фармации. С успехом панелей с несущей оболочкой было предложено, что более прочные облицовки могут нести всю конструктивную нагрузку и полностью исключить необходимость в каркасе. Таким образом, в 1947 году началась разработка конструкционно-изолированных панелей (SIP), когда гофрированные картонные сердечники испытывались с различными материалами облицовки, такими как фанера, закаленный ДВП и обработанный картон. Здание было разобрано в 1978 году, и большинство панелей сохранили свою первоначальную прочность, за исключением картона, который не подходит для использования на открытом воздухе. Панели, состоящие из полистирольного сердечника и бумаги, облицованные фанерой, были использованы при строительстве здания в 1967 году, и по состоянию на 2005 год панели показали хорошие результаты. Системы SIP использовались компанией Woods Constructors из Санта-Паулы, Калифорния, в своих домах и квартирах с 1965 по 1984 год. Эта работа послужила основой для Джона Томаса Вудса, Пола Флатера Вудса, Джона Дэвида Вудса и Фредерика Томаса Вудса, когда они использовали аналогичную концепцию для патентования опалубки для фундаментов модульных домов (патент США), выданного 4 апреля 1989 года. Многочисленные дома в Санта-Пауле, Филлморе, Палм-Спрингс и близлежащих районах используют SIP в качестве основного метода строительства. Проект получил одобрение (в то время) ICBO и SBCCI, ныне ICC.
Материалы
SIP-панели чаще всего изготавливаются из OSB-панелей, сэндвичированных вокруг пенопластового сердечника из пенополистирола (EPS), экструдированного полистирола (XPS) или жесткого полиуретанового пенопласта. Вместо OSB могут использоваться и другие материалы, такие как фанера, фанера, обработанная под давлением, для фундаментных стен, находящихся ниже уровня земли, сталь, алюминий, цементно-стружечные плиты, такие как Hardiebacker, и даже экзотические материалы, такие как нержавеющая сталь, пластик, армированный волокном, и оксид магния. Некоторые SIP-панели используют листы из волокнистого цемента или фанеры для панелей, а в качестве сердечника – сельскохозяйственные волокна, например, пшеничную солому. Третий компонент SIP-панелей – это соединительный элемент или шина, соединяющая панели между собой. Обычно используется обрезная доска, но она создает тепловые мосты и снижает показатели теплоизоляции. Для поддержания более высоких показателей теплоизоляции через соединительный элемент производители используют теплоизолированную древесину, композитные шины, механические замки, перекрывающиеся OSB-панели или другие инновационные методы. В зависимости от выбранного метода могут быть доступны дополнительные преимущества, такие как полная поверхность для крепления или повышенная конструкционная прочность.
Методы изготовления
SIP чаще всего производятся на традиционных заводах. Обрабатывающее оборудование используется для регулирования давления и температуры равномерно и последовательно. Существует два основных метода производства, соответствующих материалам, используемым для сердечника SIP-панели. При изготовлении панели с полистирольным сердечником требуется как давление, так и тепло для обеспечения полного проникновения и схватывания клея. Хотя существует множество вариаций, как правило, сначала пенный сердечник покрывается клеем, а затем на него устанавливаются облицовочные слои. Все три компонента помещаются в большое зажимное устройство, к которому прикладывается давление и температура. Эти три компонента должны оставаться в зажимном устройстве до полного отверждения клея. При производстве панели с полиуретановым сердечником давление и тепло генерируются за счет расширения пены в процессе вспенивания. Облицовочные слои помещаются в большое зажимное устройство, которое выполняет функцию формы. Облицовочные слои должны быть разнесены друг от друга, чтобы жидкий полиуретан мог заполнить форму. После попадания в форму пена начинает расширяться. Форма/пресс обычно сконструирована для выдерживания тепла и давления, возникающих при химическом вспенивании. SIP-панель оставляют в форме/прессе для частичного отверждения, а после извлечения она продолжает отверждаться в течение нескольких дней. До недавнего времени оба этих процесса требовали заводских условий. Однако недавние разработки представили альтернативу – оборудование для производства SIP-панелей, позволяющее изготавливать их непосредственно на строительной площадке. Это хорошая новость для строителей в развивающихся странах, где эта технология может быть наиболее эффективной для сокращения выбросов парниковых газов и повышения устойчивости жилищного строительства, но при этом остается недоступной.
Преимущества и недостатки
Использование СИП (структурно-изолированных панелей) дает множество преимуществ и некоторые недостатки по сравнению с традиционным каркасным строительством. Стоимость СИП выше, чем стоимость материалов для сопоставимого каркасного здания в Соединенных Штатах; однако, это может быть не так в других регионах. Хорошо построенный дом с использованием СИП будет иметь более герметичный строительный контур, а стены будут обладать более высокими теплоизоляционными свойствами, что приведет к уменьшению сквозняков и снижению эксплуатационных расходов. Кроме того, благодаря стандартизированной и комплексной природе СИП, время строительства может быть меньше, чем при строительстве каркасного дома, а также требуется меньше специалистов. Панели могут использоваться для пола, стен и крыши, причем использование панелей в качестве пола особенно выгодно при установке над неизолированным пространством внизу. В результате общая стоимость жизненного цикла здания, построенного с использованием СИП, как правило, будет ниже, чем у традиционного каркасного здания – до 40%. Зависит ли общая стоимость строительства (материалы и работа) от того, ниже ли она, чем при традиционном каркасном строительстве, от конкретных обстоятельств, включая местные условия труда и степень оптимизации проекта здания под ту или иную технологию. Система с облицовкой из OSB структурно превосходит традиционное каркасное строительство в некоторых случаях, особенно по сопротивлению осевым нагрузкам. СИП сохраняют такую же гибкость, как и дома с клееным каркасом, при реализации индивидуальных проектов. Поскольку СИП выполняют функции каркаса, изоляции и внешней облицовки, и могут быть изготовлены на заводе с точными размерами для конкретного объекта, внешний строительный контур можно возвести довольно быстро. Панели СИП также, как правило, легкие и компактные, что способствует внеплощадочному строительству. Более того, экологические характеристики СИП очень высоки благодаря их исключительной теплоизоляции. Они также обеспечивают устойчивость к проблемам, связанным с влажностью и холодом, таким как усадка от сжатия и холодные мосты, что невозможно обеспечить с помощью древесины и более традиционных строительных материалов. При испытаниях в лабораторных условиях СИП, включенный в систему стен, фундамента, пола или крыши, устанавливается в стационарной среде (без инфильтрации воздуха); системы с использованием минеральной ваты не устанавливаются в стационарной среде, поскольку для удаления влаги требуется вентиляция. За исключением конструкционных металлов, таких как сталь, все конструкционные материалы со временем подвержены ползучести. В случае СИП, потенциал ползучести СИП с облицовкой из OSB и сердечником из EPS или пенополиуретана был изучен, и существуют рекомендации по проектированию с учетом ползучести. Долгосрочные последствия использования нетрадиционных облицовочных и сердечных материалов требуют проведения специальных испытаний для определения значений ползучести при проектировании.
Размеры и характеристики
В Соединенных Штатах SIP обычно имеют ширину от 4 футов (1,22 м) до 24 футов (7,32 м). В других странах типичные размеры составляют 300, 600 или 1200 мм в ширину и 2,4, 2,7 и 3 м в длину, при этом крышные SIP могут достигать 6 м в длину. Меньшие секции облегчают транспортировку и монтаж, но использование максимально возможной панели обеспечит наилучшую теплоизоляцию здания. При весе 15–20 кг/м² более длинные панели могут быть сложны в обращении без использования крана для их установки, что необходимо учитывать из-за стоимости и ограничений на строительной площадке. Также стоит отметить, что при необходимости для особых случаев часто можно заказать панели большей длины, например, для больших пролетов крыши. Типичная высота панелей в США составляет 8 или 9 футов (2,44–2,75 м). Панели имеют толщину от 4 до 12 дюймов, а их примерная стоимость в США составляет 4–6 долларов США за квадратный фут. В 4-м квартале 2010 года были коммерциализированы новые методы изготовления SIP с радиусной, синусоидальной, арочной и трубчатой формой. Из-за индивидуального характера и технических сложностей при изготовлении и отверждении специальных форм, цена обычно в три-четыре раза выше, чем на стандартные панели за квадратный фут. EPS – наиболее распространенный вид пенопласта, обладающий тепловым сопротивлением R около 4 °F·ft²·h/BTU (эквивалентно примерно 0,7 K·m²/W) на 25 мм толщины, что дает панели с таким слоем пенопласта значение R 13,8 (внимание: экстраполяция значений R по толщине может быть неточной из-за нелинейных тепловых свойств большинства материалов). По номинальной стоимости это сопоставимо с теплоизоляцией R 13 из стекловолокна, но поскольку в стандартном каркасном доме значительно большая часть стены занята древесиной с низким значением R, которая является холодным мостом, тепловые характеристики стены SIP с R 13,8 будут значительно выше. Благодаря герметичности конструкций из SIP, Агентство по охране окружающей среды в рамках программы Energy Star разработало протокол проверки вместо обычно требуемого Blower Door Test для оценки воздухопроницаемости дома. Это позволяет ускорить процесс и сэкономить средства застройщику/владельцу дома.
Стандартизация и проектирование
Международный строительный кодекс ссылается на APA, Спецификацию по проектированию фанеры №4 – Проектирование и изготовление сэндвич-панелей из фанеры, при проектировании SIP-панелей. В этом документе рассматриваются базовые принципы инженерной механики SIP-панелей, но не приводятся расчетные характеристики панелей, выпускаемых конкретным производителем. В 2007 году впервые были введены нормативные требования к проектированию SIP-панелей с облицовкой из OSB в Международном жилищном кодексе 2006 года. Эти требования содержат рекомендации по использованию SIP-панелей исключительно в качестве стеновых панелей. Помимо этих открытых стандартов, индустрия SIP в значительной степени полагалась на собственные отчеты об оценке соответствия строительным нормам. В начале 2009 года SIPA объединила усилия с ICC NTA, LLC, независимой организацией по сертификации продукции, для разработки первого отраслевого отчета о соответствии строительным нормам, который доступен всем членам SIPA, отвечающим требованиям. В отличие от предыдущих отчетов, нормативные положения, представленные в отчете SIPA, основаны на инженерной методологии проектирования, позволяющей проектировщику учитывать нагрузки, не рассмотренные в отчете.