Panele strukturalne nie są nowością na rynku światowym rynku budowlanym. Początki datują się na rok 1952, kiedy to Alden B. Dow, syn założyciela The Chemical Company, zaprojektował pierwszy dom z użyciem SIP – Structural Insulated Panel. Wybudowany wówczas, w Midland w stanie Michigan, budynek zamieszkały jest po dzień dzisiejszy. Panele strukturalne użyto na ściany zewnętrzne, wewnętrzne i pokrycie dachowe.

Według Amerykańskiego Stowarzyszenia Producentów SIP w 1996 r. w Stanach Zjednoczonych wyprodukowano ok. 3 000 000 metrów kwadratowych paneli, o dynamice wzrostu produkcji świadczyć może fakt, iż w ostatnich pięciu latach produkcja wzrosła o 100%. Ta ilość równoważna jest z ilością materiału niezbędną do wybudowania około 8 000 domów. Porównując dynamikę wzrostu przypuszcza się że do roku 2000 produkcja paneli wzrośnie do 5 – 12 000 000 metrów kwadratowych.

Amerykańskie Stowarzyszeni Producentów SIP zrzesza około 140 firm tj około 90 procent przedsiębiorstw związanych z produkcją SIP w Stanach Zjednoczonych.

Produkcja

Panel strukturalny zbudowany jest z trzech części – dwóch zewnętrznych warstw utworzonych z płyt OSB, oraz warstwy styropianu tworzącej rdzeń środkowy. Panele dostepne są w różnych wariantach w zależności od wielkości i grubości od 2 do 12 cali grubości i od 4 x 8 stóp, jako podstawowej wielkości, do 8 x 24 stopy. SIP jest idealnym materiałem konstrukcyjnym na ściany i dachy budynków mieszkalnych i przemysłowych o niskim pochyleniu połaci dachowych.

Powierzchnie zewnętrzne panelu, w zależności od potrzeb, mogą być wykonane z tych samych lub różnych materiałów. Podstawowym materiałem stosowanym na okładziny jest płyta OSB, niemniej zastosowanie może mieć płyta wiórowa V-100, sklejka, płyty metalowe czy też różne odmiany płyt gipsowych. Natomiast warstwa środkowa – izolacyjna – utworzona może zostać z różnych odmian poliuretanu czy styropianu, który ze względu na konkurencyjną cenę przewyższa inne materiały. W porównaniu jednak do poliuretanu, styropian wymaga zwiększonej grubości dla zrównoważenia izolacji cieplnej.

Produkcja paneli odbywa się dwiema metodami: klejenie warstw zewnętrznych do styropianu, lub wpuszczanie styropianu między dwie równolegle przygotowane płyty poszycia zewnętrznego.

Zasady montażu

Istnieją dwie główne zasady montażu budynków z paneli strukturalnych.
Pierwsza polega na zastosowaniu paneli standardowych, produkowanych seryjnie w fabrykach. W metodzie tej ściany i pokrycie dachu montuje się z paneli przygotowywanych do montażu na budowie – na placu budowy przycina się panele do odpowiedniej wielkości oraz wycina się w nich otwory okienne. Panele posiadają standardowe wymiary – 4 x 8 stóp.

W metodzie drugiej tzw. “z paczki” na budowę przywożone są elementy przygotowane wymiarowo i wyciętymi otworami okiennymi i drzwiowymi dla konkretnego budynku. Dzięki tak przygotowanym elementom montaż budynku odbywa się dużo szybciej niż przy zastosowaniu metody pierwszej.
Dzięki niedużemu ciężarowi paneli montaż budynków na poziomie parteru może odbywać się bez udziału ciężkiego sprzętu. Orientacyjny ciężar panelu grubości 12 cm wynosi 35 kg/m2.

Charakterystyka elementów Ściany

Panele strukturalne przygotowane są do przenoszenia typowych dla budownictwa mieszkaniowego obciążeń. Środek wykonany ze sztywnego styropianu nadaje panelowi wytrzymałość na ścinanie, a zewnętrze płyty poszyciowe zabezpieczają napięcia i siły ściskające. Strukturę panelu można porównać do belki dwuteowej. Zewnętrzne płyty poszycia są analogiczne do stopek, a środkowa warstwa styropianu do środnika. W całości złożona struktura ściany z wykończeniem zewnętrznym i wewnętrznym strukturalnie przewyższa właściwości tradycyjnej ściany w szkielecie drewnianym.
Obciążenie osiowe, obciążenie wzdłużne

Panele używane na ściany zewnętrzne są ścianami nośnymi i mogą być użyte do formowania ścian pełnych. Panele ścian nośnych mają większą zdolność przenoszenia obciążeń, między innymi są mocniejsze dla przenoszenia obciążeń pionowych od dachu po posadowienie. Tradycyjna ściana szkieletowa jest projektowana do przenoszenia pionowych obciążeń tylko poprzez słupki ściany. Zewnętrzne poszycie, np. sklejka, nie ma w tym większego wkładu, jako że między poszczególnymi płytami jest szczelina. Inne rodzaje poszycia również nie zwiększają nośności ściany szkieletowej, między innymi z tego samego powodu.


Wyboczenie

Panel strukturalny ma dużą odporność na wyboczenia i zginanie, których wielkości są porównywalne do tradycyjnej konstrukcji szkieletowej. To znaczy że wyższe ściany mogą być budowane bez zwiększania grubości ściany i że mogą wytrzymywać zwiększone obciążenia prostopadłe np. takie jak parcie wiatru podczas huraganów.

Dachy

Wyższość struktury paneli strukturalnych wyraża się w korzystniejszym użyciu ich na dachy niż na ściany. Płaski czy pochylony dach panelowy może stanowić strukturę podobną do ściany, lub też może być układany w elementach o szerokościach równych rozstawowi np. krokwi. Kiedy dach jest pochyły, wewnątrz budynku powstaje przestrzeń otwarta do połaci dachowej. Grubość warstwy styropianowej limituje rozstaw wymaganego podparcia pod płytę dachową. Podobnie jak wysokość krokwi limituje rozpiętość dachu.

Wytrzymałość na zginanie

Dach może skutecznie oprzeć się działaniu poziomego obciążenia działającego na budynek w trakcie trzęsienia ziemi czy huraganu jeżeli pracować będzie jako przepona. Ta dwuwymiarowa struktura ciągła zabezpiecza sztywność i stabilizację budynku tak dobrze, jak nieprzerwana warstwa ponad belkami nośnymi i podporami. Ponieważ panel strukturalny posiada wytrzymałość na zginanie wymaganą do przeniesienia obciążenia zmiennego /śniegu/ i stałego /pokrycie dachu/, zwykle może być bez przeszkód używany bezpodporowo od kalenicy aż do ściany zewnętrznej, lub większymi rozstawami pomiędzy belkami czy płatwiami. Kiedy wymagana jest większa sztywność, mogą być produkowane panele o zwiększonej wytrzymałości na zginanie i zmniejszonej strzałce ugięcia.

Ponadto, oprócz ścian i dachu panele strukturalne mogą być używane na podłogi i ściany fundamentowe. W tych wypadkach wymagane są jednak specjalnie opracowane rozwiązania.

Połączenia elementów

Zaprojektowanie połączeń poziomych i pionowych poszczególnych elementów oraz rozwiązanie połączeń z innymi elementami konstrukcyjnymi szkieletu, przy uwzględnieniu wytrzymałość paneli umożliwia wykonywanie wyższych budynków.

Na dzień dzisiejszy stosuje się kilka podstawowych rozwiązań połączeń pomiędzy panelami. Te najbardziej popularne pokażemy w następnym numerze. Jak widać najprostsze rozwiązanie charakteryzuje się podwójnym słupkiem, z czego zewnętrzny zachodzi pomiędzy poszycie zewnętrzne sąsiedniego panela.

 

Otwory okienne i drzwiowe

Otwory okienne i drzwiowe mogą być wycinane w fabryce lub na budowie. Otwory o szerokości do 120-180 cm, nie wymagają nadproży. W wyciętym otworze, dookoła jego obwodu, wycina się styropian na grubość 38 mm dla założenia elementów do zamocowania stolarki.

 

Kanały na instalację elektryczną

Większość producentów paneli przygotowuje w styropianie gotowe otwory dla instalacji elektrycznej. W każdym panelu wykonuje się conajmniej jeden kanał pionowy oraz kanał poziomy. Przy czym we wszystkich panelach kanały poziome wykonywane są na jednakowej wysokości. Instalacja gniazdek i kontaktów odbywa się po zamontowaniu warstwy wykończeniowej na wewnętrznej stronie panela.

Energooszczędność

Warstwa izolacyjna panelu nadaje im szczególnie wysoką energooszczędność. W zależności od materiału zastosowanego jako jego wypełnienie (poliuretan, styropian itp) opór cieplny może wahać się w granicach R=0,28–0,48 m2K/W/cm. Tak wysoka izolacyjność jest dla ścian i dachu.

Dla przykładu panel grubości 10 cm kojarzony jest ze ścianą zbudowaną z elementów 38 x 89 mm, co wraz z poszyciem zewnętrznym przybliża ją do grubości 4 cm. Obie ściany w przybliżeniu mają po około 3 cm izolacji. Jednakże dla ściany wykonanej z panela strukturalnego współczynnik k wynosić będzie w granicach 0,41–0,23 m2K/W/cm w zależności od zastosowanego materiału izolacyjnego, podczas gdy dla ściany szkieletowej wypełnionej wełną szklaną współczynnik ten wynosić będzie 0,52–0,38 m2K/W/cm. Jednocześnie należy zwrócić uwagę, iż dla ściany szkieletowej obliczony współczynnik K dotyczy miejsc wypełnionych wełną. Nie dotyczy natomiast miejsc słupków. Dla realności obliczeniowej współczynnika K należy zastosować współczynnik korygujący w wysokości do 25 %. Nie bez znaczenia dla izolacyjności ściany panelowej mogą się natomiast okazać szczeliny połączeniowe poszczególnych elementów.
Stosowanie folii wewnętrznych i zewnętrznych na całości ściany ograniczyć należy do pokrycia szczelin, by zapobiec infiltracji powietrza, wilgoci i kurzu.