Un panel estructural aislante , o panel aislante estructural ( SIP ), es un tipo de panel sándwich utilizado en la industria de la construcción .
El SIP es un compuesto estructurado en sándwich , que consiste en una capa aislante de núcleo rígido intercalada entre dos capas de tablero estructural, que se utiliza como material de construcción . El tablero puede ser de chapa metálica, madera contrachapada, cemento, tablero de óxido de magnesio (MgO) o tablero de virutas orientadas (OSB), y el núcleo puede ser espuma de poliestireno expandido (EPS), espuma de poliestireno extruido (XPS), espuma de poliisocianurato , espuma de poliuretano o ser un panal compuesto (HSC).
Los paneles SIP comparten las mismas propiedades estructurales que una viga o columna en I. El núcleo de aislamiento rígido del panel SIP actúa como una red, mientras que el revestimiento cumple la función de las bridas. Los paneles SIP combinan varios componentes de la construcción convencional, como montantes y vigas, aislamiento, barrera de vapor y barrera de aire. Se pueden utilizar para muchas aplicaciones diferentes, como sistemas de paredes exteriores, techos, pisos y cimientos.
Aunque los paneles de núcleo de espuma ganaron atención en la década de 1970, la idea de usar paneles con revestimiento resistente a la tensión para la construcción comenzó en la década de 1930. La investigación y prueba de la tecnología fue realizada principalmente por el Laboratorio de Productos Forestales (FPL) en Madison, Wisconsin , como parte de un intento del Servicio Forestal de los EE. UU . por conservar los recursos forestales. En 1937, se construyó una pequeña casa con revestimiento resistente a la tensión y obtuvo suficiente atención como para que la Primera Dama Eleanor Roosevelt inaugurara la casa. Como testimonio de la durabilidad de tales estructuras de paneles, soportó el clima de Wisconsin y fue utilizada por la Universidad de Wisconsin-Madison como guardería hasta 1998, cuando se eliminó para dar paso a un nuevo edificio de la Facultad de Farmacia. Con el éxito de los paneles con revestimiento resistente a la tensión, se sugirió que las pieles más fuertes podrían soportar toda la carga estructural y eliminar el marco por completo.
En 1947, se inició el desarrollo de paneles aislantes estructurales, cuando se probaron núcleos de cartón corrugado con diversos materiales de revestimiento de madera contrachapada, tableros duros templados y cartón tratado. El edificio se desmanteló en 1978 y la mayoría de los paneles conservaron su resistencia original, con la excepción del cartón, que no es adecuado para la exposición al aire libre. En 1967, se utilizaron en un edificio paneles compuestos por un núcleo de poliestireno y papel recubierto con revestimientos de madera contrachapada y, a partir de 2005, [update]los paneles demostraron un buen rendimiento.
Los sistemas SIP fueron utilizados por Woods Constructors de Santa Paula, California , en sus casas y apartamentos desde 1965 hasta 1984. Este trabajo fue la base para John Thomas Woods, Paul Flather Woods, John David Woods y Frederick Thomas Woods cuando utilizaron un concepto similar para patentar el Footing Form for Modular homes (Patente de EE. UU. N.º 4817353) emitido el 4 de abril de 1989. Numerosas casas en Santa Paula, Fillmore , Palm Springs y áreas circundantes utilizan SIP como el método principal de construcción. El diseño recibió la aprobación de (entonces) ICBO y SBCCI, ahora ICC.
Los paneles SIP suelen estar hechos de paneles OSB colocados alrededor de un núcleo de espuma de poliestireno expandido (EPS), poliestireno extruido (XPS) o espuma de poliuretano rígido. Se pueden utilizar otros materiales en reemplazo de los paneles OSB, como madera contrachapada, madera contrachapada tratada a presión para muros de cimentación subterráneos, acero, [1] aluminio, placas de cemento como Hardiebacker e incluso materiales exóticos como acero inoxidable, plástico reforzado con fibra y óxido de magnesio. Algunos paneles SIP utilizan láminas de fibrocemento o madera contrachapada para los paneles y fibra agrícola, como paja de trigo, para el núcleo.
El tercer componente de los paneles SIP es la pieza de unión entre los paneles SIP. La madera dimensional se utiliza comúnmente, pero crea puentes térmicos y reduce los valores de aislamiento. Para mantener valores de aislamiento más altos a través de la pieza de unión, los fabricantes utilizan madera aislada, piezas de unión compuestas, cerraduras mecánicas, paneles OSB superpuestos u otros métodos creativos. Según el método seleccionado, pueden estar disponibles otras ventajas, como superficies de clavado completas o mayor resistencia estructural.
Los paneles SIP se fabrican con mayor frecuencia en una fábrica tradicional. Se utilizan equipos de procesamiento para regular las presiones y el calor de manera uniforme y constante. Existen dos métodos de procesamiento principales que corresponden a los materiales utilizados para el núcleo de SIP. Cuando se fabrica un panel con un núcleo de poliestireno, se requiere tanto presión como calor para garantizar que el pegamento de unión haya penetrado y fraguado completamente. Aunque existen varias variaciones, en general, primero se cubre el núcleo de espuma con un adhesivo y se coloca la piel en su lugar. Las tres piezas se colocan en un dispositivo de sujeción grande y se aplica presión y calor. Las tres piezas deben permanecer en el dispositivo de sujeción hasta que el pegamento se haya curado.
Al fabricar un panel con un núcleo de poliuretano, tanto la presión como el calor se generan a partir de la expansión de la espuma durante el proceso de formación de la espuma. Las capas se colocan en un dispositivo de sujeción grande que funciona como un molde. Las capas deben mantenerse separadas entre sí para permitir que los materiales de poliuretano líquido fluyan hacia el dispositivo. Una vez en el dispositivo, la espuma comienza a elevarse. El molde/prensa generalmente está configurado para soportar el calor y las presiones generadas por la formación de espuma química. El SIP se deja en el molde/prensa para que se cure ligeramente y, cuando se retira, continuará curándose durante varios días.
Hasta hace poco, ambos procesos requerían una configuración de fábrica. Sin embargo, los avances recientes han presentado una alternativa con equipos de procesamiento de SIP que permiten fabricar SIP en el lugar de trabajo. Esta es una buena noticia para los constructores de los países en desarrollo donde la tecnología puede ser más adecuada para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mejorar la sostenibilidad en las viviendas, pero no está disponible.
El uso de SIP trae consigo muchos beneficios y algunos inconvenientes en comparación con un edificio con estructura convencional.
Los costos de los paneles SIP son más altos que los materiales para un edificio con estructura comparable en los Estados Unidos; sin embargo, esto puede no ser cierto en otros lugares. Una casa bien construida con paneles SIP tendrá una envoltura más hermética y las paredes tendrán mayores propiedades aislantes, lo que conduce a menos corrientes de aire y una disminución en los costos operativos. Además, debido a la naturaleza estandarizada y todo en uno de los paneles SIP, el tiempo de construcción puede ser menor que para una casa con estructura, además de requerir menos trabajadores. Los paneles se pueden usar como piso, pared y techo, y el uso de los paneles como pisos es particularmente beneficioso cuando se usan sobre un espacio inferior sin aislamiento. Como resultado, el costo total del ciclo de vida de un edificio construido con paneles SIP será, en general, menor que el de uno con estructura convencional, hasta en un 40%. Si el costo total de construcción (materiales y mano de obra) es menor que para la estructura convencional parece depender de las circunstancias, incluidas las condiciones laborales locales y el grado en que el diseño del edificio esté optimizado para una u otra tecnología.
En algunos casos, un sistema de revestimiento OSB supera estructuralmente a la construcción convencional con armazón de madera; principalmente en la resistencia a la carga axial. Los SIP mantienen una versatilidad similar a la de las casas con armazón de madera cuando incorporan diseños personalizados. Además, dado que los SIP funcionan como armazón, aislamiento y revestimiento exterior, y pueden venir precortados de fábrica para el trabajo específico, la envoltura exterior del edificio se puede construir con bastante rapidez. Los paneles SIP también tienden a ser livianos y compactos, lo que ayuda a esta construcción fuera del sitio. Además, el desempeño ambiental de los SIP es muy bueno debido a su excepcional aislamiento térmico . También ofrecen una resistencia a los problemas de humedad y frío, como la contracción por compresión y los puentes térmicos, que no se pueden igualar con la madera y los materiales de construcción más tradicionales. [2]
Cuando se prueba en condiciones de laboratorio, el SIP, incluido en un sistema de pared, base, piso o techo, se instala en un entorno de estado estable (sin infiltración de aire); los sistemas que incorporan aislamiento de fibra de vidrio no se instalan en entornos de estado estable ya que requieren ventilación para eliminar la humedad.
Con excepción de los metales estructurales, como el acero, todos los materiales estructurales sufren fluencia con el tiempo. En el caso de los SIP, se ha estudiado el potencial de fluencia de los SIP revestidos con OSB y núcleos de espuma de EPS o poliuretano y existen recomendaciones de diseño de fluencia. [3] [4] Los efectos a largo plazo del uso de materiales de revestimiento y núcleo no convencionales requieren pruebas específicas del material para cuantificar los valores de diseño de fluencia.
En los Estados Unidos, los paneles SIP suelen tener tamaños que van desde 4 pies (1,22 m) hasta 24 pies (7,32 m) de ancho. En otros lugares, las dimensiones típicas de los productos son 300, 600 o 1200 mm de ancho y 2,4, 2,7 y 3 m de largo, con paneles SIP para techos de hasta 6 m de largo. Las secciones más pequeñas facilitan el transporte y la manipulación, pero el uso del panel más grande posible creará el mejor edificio aislado. Con un peso de 15 a 20 kg/m2 , los paneles más largos pueden resultar difíciles de manipular sin el uso de una grúa para colocarlos, y esta es una consideración que debe tenerse en cuenta debido a las limitaciones de costo y del sitio. También es de destacar que, cuando se necesitan circunstancias especiales, a menudo se pueden solicitar tramos más largos, como para un tramo de techo largo. La altura típica de los paneles en los EE. UU. es de ocho o nueve pies (2,44 a 2,75 m). Los paneles vienen en anchos que van desde 4 a 12 pulgadas de espesor y el costo aproximado es de $4 a $6/pie cuadrado en los EE. UU. [5] En el cuarto trimestre de 2010, se comercializaron nuevos métodos de formación de paneles SIP de radio, curva sinusoidal, arcos y tubulares. Debido a la naturaleza personalizada y la dificultad técnica de formar y curar formas especiales, el precio suele ser tres o cuatro veces mayor que el de los paneles estándar por pie. [6]
El EPS es la espuma más común de las que se utilizan y tiene un valor R ( resistencia térmica ) de aproximadamente 4 °F·ft 2 ·h/BTU (equivalente a aproximadamente 0,7 K·m 2 /W) por cada 25 mm de espesor, lo que daría a las 3,5 pulgadas (89 mm) de espuma en un panel de 4,5 pulgadas (110 mm) de espesor un valor R de 13,8 (precaución: extrapolar los valores R sobre el espesor puede ser impreciso debido a las propiedades térmicas no lineales de la mayoría de los materiales). Esto, a primera vista, parece ser comparable a un bloque de fibra de vidrio R-13, pero debido a que en una casa con estructura de madera estándar hay significativamente más pared que contiene madera de bajo valor R que actúa como un puente térmico, el rendimiento térmico de la pared SIP R-13.8 será considerablemente mejor.
Las características de sellado hermético de las casas SIP hicieron que el programa Energy Star de la Agencia de Protección Ambiental estableciera un protocolo de inspección en lugar de la prueba de puerta soplante que se requiere habitualmente para evaluar la fuga de aire de la casa. Esto sirve para acelerar el proceso y ahorrar dinero al constructor/propietario.
El Código Internacional de Construcción hace referencia a la APA, Plywood Design Specification 4—Design & Fabrication of Plywood Sandwich Panels para el diseño de paneles sándwich de madera contrachapada. [7] Este documento aborda la mecánica básica de ingeniería de los paneles sándwich de madera contrachapada, pero no proporciona propiedades de diseño para los paneles proporcionados por ningún fabricante específico. En 2007, se introdujeron por primera vez disposiciones de diseño prescriptivas para paneles sándwich de madera contrachapada revestidos con OSB en el Código Residencial Internacional de 2006. Estas disposiciones brindan orientación sobre el uso de paneles sándwich de madera contrachapada solo como paneles de paredes.
Además de estas normas no exclusivas, la industria de SIP ha dependido en gran medida de informes de evaluación de códigos exclusivos. A principios de 2009, SIPA se asoció con ICC NTA, LLC, una agencia de certificación de evaluación de productos de terceros, para producir el primer informe de código de toda la industria que está disponible para todos los miembros de SIPA que califican. A diferencia de los informes de códigos anteriores, las disposiciones prescriptivas proporcionadas en el informe de código de SIPA se derivan de una metodología de diseño de ingeniería que permite al profesional del diseño considerar las condiciones de carga que no se abordan en el informe de código. [4] [8]