Structural Insulated Panel (SIP- Структурные Изолированные Панели)

Стены должны быть прочными и "теплыми" (т.е. плохо проводить тепло). Это не все требования, но одни из самых важных. Дома с теплозащищенными стенами сохраняют тепло зимой и прохладу летом, что позволяет экономить большие средства на отоплении в холода или на кондиционировании воздуха в жару.

Но для строительных материалов требования прочности и низкой теплопроводности являются взаимоисключающими. Все прочные (конструкционные) материалы хорошо проводят тепло. Чтобы защитить от холода, стены из прочного материала должны быть очень толстыми. Гораздо более толстыми, чем требуется критерием прочности. К примеру, чтобы удовлетворить действующим с 2003 г. российским требованиям по теплозащите жилых зданий, кирпичная стена в Подмосковье должна иметь толщину 2-3 метра.

Наоборот, материалы, которые эффективно препятствуют теплопередаче (утеплители), недостаточно прочны, поскольку большей частью состоят из воздуха.

Теплосопротивление традиционных конструкционных материалов повышают увеличением их пористости (пенобетон, поризованный кирпич, пеностекло и другие), что неизбежно снижает их прочность. Стены из таких материалов при значительном снижении прочности остаются недостаточно теплыми.

Другое решение - конструкции из двух материалов. Один материал (утеплитель)обеспечивает тепловую защиту, другой (конструкционный) - несущую способность. Сюда относятся все стены с утеплением. Например, кирпичная или деревянная стена, утепленная снаружи пенополистиролом или минватой. Но самый яркий пример - это каркасные конструкции, в которых нагрузку от веса здания и внешних воздействий несет прочный каркас (бетонный, металлический или деревянный), а свободное пространство между элементами каркаса заполнено эффективным утеплителем.

Например, современная многоэтажка - это железобетонный каркас из колонн и перекрытий с наружным ограждением из материалов с улучшенными теплоизоляционными характеристиками:

В индивидуальном строительстве наиболее распространены дома с деревянным каркасом, часто называемые канадскими.

В каркасных домах конструкционный материал используется наиболее рационально. Древесины на каркас уходит многократно меньше, чем на монолитные стены из бруса или бревна. Именно это всегда являлось основным аргументом в пользу выбора каркасной технологии для индивидуального строительства. Другими словами, раньше каркасная технология применялась исключительно из соображений экономии материалов! Но времена изменились. Цивилизованный мир занят решением проблемы энергосбережения. А каркасная технология строительства благодаря удачному сочетанию в конструкции современных эффективных утеплителей и каркаса обладает прекрасным потенциалом в области энергосбережения.

В большинстве строительных конструкций утеплитель на прочность самой конструкции не влияет. Принципиальное отличие SIP панели состоит в том, что утеплитель в ней играет ключевую роль в обеспечении прочности всего элемента.

Сама по себе тонкая деревянная плита OSB-3 (ОСП-3) может выдержать большую продольную растягивающую нагрузку, но при продольном сжатии легко изгибается (выпучивается, теряет устойчивость). О несущей способности пенополистирола марки 25 в качестве материала стен говорить вообще не приходится (хотя в Японии уже строят одноэтажные дома из пенополистирола). Но если эти материалы объединить в сэндвич-конструкцию, то получится удивительно прочная SIP панель:

В процессе склеивания SIP под прессом плиты ОСП-3 становятся плоскими (теряют начальный прогиб), а плотный пенополистирол вынуждает обе наружные плиты ОСП-3 работать под нагрузкой совместно. При продольном сжатии (и при сдвиге) пенополистирол не позволяет выпучиваться обшивке, которая принимает всю нагрузку на себя. Эффект хорошо известный любому специалисту по прочности (устойчивости) тонкостенных конструкций.

Испытания промышленно изготовленных SIP панелей показали, что они выдерживают продольную нагрузку более 10 тонн на погонный метр. Представьте себе пятиэтажный дом, в котором нижний этаж собран из SIP панелей, а на нём четыре этажа кирпичных стен толщиной полметра! Вот почему двухэтажный индивидуальный дом из SIP панелей получается сверхпрочным.

Важно! Высокая несущая способность СИП панели обеспечивается не только её удачной конструкцией. Важное значение имеет качество изготовления СИП панелей - прочность клеевого соединения сердечника с обшивкой и прочность самого сердечника! К кустарно изготовленным панелям с пенополистиролом неизвестного происхождения или низкой марки сказанное выше о сверхпрочности никакого отношения не имеет.

Рисунок ниже выполнен в масштабе:

Небольшой одноэтажный домик из SIP выдерживает нагрузку 315 тонн, превышающую вес аэробуса Боинг-747 в полтора раза!

При поперечном изгибе благодаря пенополистиролу одна плита обшивки SIP сжимается, а другая растягивается как полки у балки двутаврового сечения. Это обеспечивает большую жесткость SIP на изгиб. Испытания показали, что SIP выдерживает давление в поперечном направлении больше 2 тонн.

Это более чем достаточно. По СНиП расчетная нагрузка на эксплуатируемое перекрытие составляет 150 кг/м2, расчетная максимальная снеговая нагрузка для Московского региона - 180 кг/м2. В стенах, перекрытиях и крыше индивидуального дома SIP панель имеет многократный запас прочности по поперечной (эксплуатационной, снеговой и ветровой) нагрузке.

Испытания американских инженеров показали, что трехэтажный дом из SIP панелей имеет трехкратный запас прочности. Такие огромные запасы прочности позволяют совершенно не опасаться за прочность правильно построенных домов изпромышленных SIP панелей.

Специалистам высокие прочностные свойства конструкций типа SIP давно известны. Интересный пример аналога SIP - вертолетная лопасть.

Таким образом, мы имеем третье направление поиска новых строительных материалов - увеличение прочности утеплителей до возможности использования их в качестве конструкционных материалов. В SIP панели это достигается приклеиванием обшивки к утеплителю. Таким образом, мы имеем дело с современным композитным материалом.

Это еще не всё. Легкий конструкционный материал меняет технологию строительства. Появляется возможность изготовления больших элементов для ручного монтажа. SIP панель стандартного размера - это стена площадью 3,5 квадратных метра!

В развитых странах активно развиваются технологии строительства индивидуальных домов методом PRE-CUT, когда элементы дома изготавливаются промышленным способом по строительным чертежам, а на стройплощадке осуществляется только монтаж. СИП технология идеально подходит для строительства методом PRE-CUT.

Кроме этого, SIP панель привносит и другие полезные особенности в технику сборки строительных конструкций. Но об этом мы поговорим на других страницах сайта.

Теперь по выбору материалов для производства SIP. Сэндвич-панели можно изготовить не только из плит OSB-3 и пенополистирола ПСБ. Вариантов много. Например, за рубежом можно встретить SIP панели с обшивкой OSB-3 с одной стороны и металлом с другой. Применяются такие панели для строительства крыш.

Уже много лет за рубежом и в России предпринимаются безуспешные (в коммерческом плане) попытки заменить плиты OSB-3 в конструкции SIP панели на негорючие или условно негорючие плитные материалы на основе минерального связующего, такие как цементно-стружечные плиты (ЦСП), фибролитовые плиты, стекломагниевые листы (СМЛ) и др.

Только ленивый не думал об усовершенствовании конструкции SIP панели. Однако классический вариант SIP из утеплителя ПСБ-25С и плит OSB-3 получил наибольшее распространение в индивидуальном жилищном строительстве как оптимальный вариант. К примеру, в 2007 году в США и Канаде было произведено 6,5 млн. квадратных метров SIP, и только 3% составила доля панелей, в которых использовались в качестве обшивки материалы на основе цемента, гипса и других.

Одно из основных требований к обшивке SIP панелей - она не должна быть хрупкой. Поэтому негорючие материалы на минеральной основе непригодны или условно пригодны для изготовления SIP из-за недостаточной механической прочности получающейся панели. Другими словами, такие панели не являются конструктивными, а это первая буква в аббревиатуре SIP (Structural Insulated Panel).

Использование заведомо слабых сэндвич-панелей с обшивкой из хрупких материалов и сердечником из минеральных утеплителей в строительстве подразумевает, что несущим в конструкции будет силовой каркас. То есть это каркасная технология, а не СИП технология, как считают некоторые. И доказывать своё преимущество такие технологии должны перед другими негорючими каркасными технологиями (ЛСТК в частности).

Есть и другие моменты, препятствующие распространению "негорючих" сэндвич-панелей в индивидуальном строительстве. Панели получаются слишком тяжелыми (в 1,5-2 раза!), что осложняет ручной монтаж. Резать OSB-3 можно обычной ножовкой. С плитами на основе минеральных связующих дело обстоит несколько сложнее. Инструмент для обработки древесины не подходит. Потребуется болгарка, специальные диски и др. А длина пропилов в среднем по размерам индивидуальном доме исчисляется сотнями метров.

Многие плитные материалы не подходят для наружного применения поморозостойкости, а для SIP это принципиально важно, поскольку обшивка SIP являетсянесущей. Морозоустойчивые фибролитовые плиты для фасадов производят в Японии, но стоят они дорого. Поэтому такие плиты используются для декоративной отделки фасадов.

Саморезы в плитах на основе минерального связующего в отличие от OSB-3 держатся плохо и подвержены коррозии.

Ещё одна проблема - высокая по сравнению. с OSB-3 паропроницаемость минеральных плитных материалов. Это значит, что внешние (ограждающие) конструкции придётся пароизолировать со стороны теплых помещений, иначе утеплитель намокнет.

У некоторых минеральных плит невысокая стойкость к воздействию влаги. Пример: после дождя рабочий имел неосторожность наступить на фибролитовую плиту между балок перекрытия:

Получается, как в в известной поговорке: одно (горючесть) лечим, другое (прочность, надежность) калечим. Недорогой гипсокартон, нашитый на OSB-3 без воздушного зазора, обеспечивает не меньшую защиту от открытого огня, чем другие негорючие плиты, приклеенные непосредственно к утеплителю.

Хотвелл сертифицировал свои СИП панели с обшивкой OSB-3 и слоем гипсокартона на класс пожарной опасности К1 - малопожароопасные! Т.е. горючесть классической СИП панели можно вылечить простым и недорогим способом. Что делать с непрочной обшивкой из негорючих минеральных плит, не понятно. Разве что не ходить по ним и не вешать ничего на обшивку. Или обшить сверху плитами OSB-3 ?

Кстати, по причине недостаточной прочности нежелательно использовать в строительстве панели со слишком тонкой обшивкой из OSB-3. Уже при перевозке и погрузо-разгрузочных работах у SIP панелей с тонкой обшивкой часто обламываются кромки.

Принятый во всем мире американский стандарт для обшивки СИП из OSB-3 составляет полдюйма. Это около 12 мм.

В качестве сердечника SIP нередко используют более эффективные, но и более дорогие пенополиуретан (ППУ) и экструдированный пенополистирол (XPS). Такая замена позволяет уменьшить толщину панели по теплотехническим требованиям. Другой причины для широкого применения подобных панелей нет. Такие панели в строительстве применяют редко. Идут они в основном на изготовление холодильных камер и термофургонов.

Негорючие утеплители на основе минеральных волокон имеют очень низкую прочность на растяжение. Соответственно SIP с минеральным утеплителем получается непрочной, и её применение в конструкции дома ограничено. Дом, построенный из таких панелей, мало чем отличается от обычного классического каркасника.

OSB-3

Плиты OSB-3 это современный материал, представленный на рынке США в 1978 году как замена плитам ДСП и фанере. OSB (Oriented Strand Board) – это плита с ориентированной плоской щепой.

OSB-3 является продуктом глубокой переработки древесины путем прессования специально изготовленной прямоугольной плоской щепы в условиях высокого давления и температуры, с использованием склеивающей водостойкой смолы.

Сегодня в развитых странах OSB-3 - основной материал для строительства жилых и коммерческих зданий на основе деревянного каркаса. Применяется в основном для обшивки каркаса:

Материал настолько хорош, что даже вытесняет древесину из таких элементов каркаса как балки перекрытий. Двутавровые балки со стенкой из OSB-3 по прочности и жесткости могут поспорить с массивным деревянным брусом.

OSB-3 - первая плита древесного происхождения разработанная специально для строительства, однако в настоящее время OSB находит все более широкое применение и в мебельной промышленности, вытесняя фанеру и ДСП, главным образом, из силовых элементов мебели.

Уникальные физико-механические параметры плиты объясняются размерами и характером укладки щепы – длинные тонкие щепы (длина – до 140 мм, толщина – до 0,6 мм) укладываются в ковре тремя слоями. Внешние слои образуются щепой, ориентированной параллельно длине готовой плиты. Во внутреннем слое щепа укладывается перпендикулярно длине готовой плиты. Благодаря такой ориентации плоской щепы мы получаем конструкционный материал с анизотропными свойствами – повышенной прочностью на изгиб и повышенной упругостью вдоль главной оси плиты.

По сути, OSB – это "улучшенная древесина" – более прочная и эластичная за счет сохранения в плоской щепе всех полезных свойств массива древесины, при отсутствии таких дефектов как сучки и изменение направления волокон в связи с естественными условиями роста дерева.

Связующее и специальная обработка поверхности (ContiFinish) обеспечивают водо- и огнестойкость плит, значительно превышающие сходные характеристики массива древесины. Плиты OSB устойчивы к изменению погодных условий (влажность, температура), легко пилятся и обрабатываются любым инструментом, предназначенным для работы с древесиной.

Существенным отличием плит OSB от других плитных материалов является то, что прочностные свойства и способность удерживать крепеж обеспечиваются не связующим, а характером укладки щепы – при нагружении в процессе эксплуатации длинные щепы передают нагрузку друг через друга, образуя единый конструкционный элемент, свободный от концентраторов напряжений, и сочетающий в себе высокую прочность с высокой эластичностью. Крепеж (шурупы, кольцевые гвозди, строительные скобы и пр.) удерживаются не плотностью связующего, а многочисленными тонкими щепами, ориентированными в плоскости, перпендикулярной к оси крепежных элементов.

В отличие от ДСП плиты ОСП на 95% состоят из специально изготовленной щепы, а не отходов производства. В этом отношении ОСП ближе к фанере, чем к ДСП. Причем не к обычной фанере, а к влагостойкой! Плиты ОСП прекрасно противостоят воздействию окружающей среды (влага, температура). Даже довольно длительное пребывание в воде не разрушает ОСП, и после просушивания ОСП восстанавливает свои свойства. Плита ОСП прекрасно предохраняет утеплитель и от пара, и от грызунов.

Применяемые для строительства жилых домов плиты OSB-3 по уровню эмиссии формальдегидов относятся к высшему европейскому классу экологической безопасности E1, т.е. по экологичности мало отличаются от массива древесины, считающейся эталоном здорового материала.

Самыми качественными на российском рынке заслуженно считаются плиты OSB-3 немецкого производства.

ПСБ-С25

Утеплитель ПСБ - это один из видов пенополистирола. Аббревиатура технического названия материала "пенополистирол суспензионный беспрессовый". Зарубежное название - Expanded Polystyrene (EPS). Мировой лидер по производству и применении в строительстве - Германия.

Современные научные исследования позволяют однозначно утверждать, что ПСБ, как и многие другие полистиролы, безвреден для здоровья человека. Всё горячее и холодное, что мы употребляем в пищу, сегодня хранится в пенополистирольной упаковке.

Вопреки распространенному мнению, при горении ПСБ выделяет меньше токсичных веществ, чем древесина. Специальные добавки делают пенополистирол самозатухающим (буква С в конце аббревиатуры ПСБ-С).

С другой стороны, ПСБ-С25, который на 98% состоит из воздуха, заключённого в ячеистую матрицу - один из лучших утеплителей. Цифра после аббревиатуры ПСБ-С характеризует плотность материала в кг/м3 по классификации ГОСТ.

ПСБ, как и многие другие строительные материалы, классифицируется как горючий. Его применение определяется требованиями технического регламента о противопожарной безопасности и СНиП.

Вокруг пенополистирола возникло (сфабриковано, распространено) несколько слухов, связанных с использованием этого уникального по своим свойствам материала в строительстве. В Великобритании компания по борьбе с ложной информацией о пенополистироле идет под девизом “EPS – Economy, Performance, Sustainability (ПСБ – это экономичность, высокие эксплуатационные характеристики и производительность)”.

Пенополистирол ПСБ имеет самый высокий итоговый рейтинг A+ по всем показателям, проверяемых в соответствии с последней и наиболее жёсткой Инструкцией по выбору экологичных материалов из представленных на мировом рынке, изданной Ведомством по исследованиям в строительстве в Великобритании