Panel estructural aislado

Un panel estructural aislado , o panel aislante estructural ( SIP , por sus siglas en inglés), es un tipo de panel sándwich que se utiliza como material de construcción en la industria de la construcción .

El SIP es un compuesto con estructura tipo sándwich , que consiste en una capa aislante de núcleo rígido intercalada entre dos capas de tablero estructural. El tablero puede ser de chapa metálica , fibrocemento , óxido de magnesio (MgO), madera contrachapada 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 un panel alveolar compuesto (HSC).

El revestimiento absorbe todas las fuerzas de tracción, mientras que el material del núcleo solo tiene que soportar algunas fuerzas de compresión y de corte .

En un panel SIP se pueden combinar varios componentes de la construcción convencional, como montantes y vigas, aislamiento, barrera de vapor y barrera de aire. El panel se puede utilizar en diversas aplicaciones, como muros exteriores, techos, pisos y sistemas de cimentación.

Aunque los paneles con núcleo de espuma ganaron popularidad en la década de 1970, la idea de utilizar paneles pretensados ​​para la construcción surgió en la década de 1930. La investigación y las pruebas de esta tecnología fueron realizadas principalmente por el Laboratorio de Productos Forestales (FPL) en Madison, Wisconsin , como parte de un esfuerzo del Servicio Forestal de los Estados Unidos para conservar los recursos forestales. En 1937, se construyó una pequeña casa pretensada que atrajo suficiente atención como para que la Primera Dama Eleanor Roosevelt la inaugurara. Como prueba de la durabilidad de estas estructuras de paneles, resistió el clima de Wisconsin y fue utilizada por la Universidad de Wisconsin-Madison como guardería hasta principios de la década de 2000, cuando fue demolida para dar paso a un nuevo edificio de la Facultad de Farmacia. ^{[ 1 ]} Con el éxito de los paneles pretensados, se sugirió que revestimientos más resistentes podrían soportar toda la carga estructural y eliminar por completo el marco .

Así, en 1947, comenzó el desarrollo de paneles estructurales aislados cuando se probaron núcleos de cartón corrugado con diversos materiales de revestimiento de madera contrachapada, tablero de fibra templado y cartón tratado. El edificio fue desmantelado en 1978, y la mayoría de los paneles conservaron su resistencia original, con la excepción del cartón, que no es apto para la exposición al aire libre. En 1967 se utilizaron paneles compuestos de núcleo de poliestireno y papel recubierto con láminas de madera contrachapada en un edificio, y a partir de 2005Los paneles tuvieron 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 sirvió de base para que John Thomas Woods, Paul Flather Woods, John David Woods y Frederick Thomas Woods patentaran, con un concepto similar, el encofrado para cimientos de viviendas modulares (Patente de EE. UU. n.° 4817353 ), concedido el 4 de abril de 1989. Numerosas viviendas en Santa Paula, Fillmore , Palm Springs y alrededores utilizan los SIP como método principal de construcción. El diseño recibió la aprobación de ICBO y SBCCI (actualmente ICC).

Los paneles SIP se fabrican comúnmente con paneles OSB intercalados alrededor de un núcleo de espuma de poliestireno expandido (EPS), poliestireno extruido (XPS) o espuma de poliuretano rígido. Se pueden usar otros materiales en lugar de OSB, como madera contrachapada, madera contrachapada tratada a presión para muros de cimentación bajo el nivel del suelo, acero, ^{[ 2 ]} aluminio, tableros 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, y fibra agrícola, como paja de trigo, para el núcleo.

El tercer componente de los paneles SIP es la junta o conector entre ellos. Si bien se suele usar madera aserrada, esta crea puentes térmicos y reduce el aislamiento. Para mantener un mayor aislamiento mediante la junta, los fabricantes utilizan madera aislada, juntas compuestas, cierres mecánicos, paneles OSB superpuestos u otros métodos innovadores. Según el método seleccionado, pueden obtenerse otras ventajas, como superficies de clavado completas o mayor resistencia estructural.

Los paneles SIP se fabrican generalmente en fábricas tradicionales. Se utiliza equipo de procesamiento para regular la presión y el calor de manera uniforme y constante. Existen dos métodos de procesamiento principales que corresponden a los materiales utilizados para el núcleo del panel SIP. Al fabricar un panel con núcleo de poliestireno, se requiere tanto presión como calor para asegurar que el adhesivo penetre y se endurezca por completo. Si bien existen varias variantes, en general, primero se recubre el núcleo de espuma con un adhesivo y luego se coloca la capa exterior. Las tres piezas se colocan en un dispositivo de sujeción grande y se les aplica presión y calor. Las tres piezas deben permanecer en el dispositivo de sujeción hasta que el adhesivo se haya curado.

Durante la fabricación de un panel con núcleo de poliuretano, la expansión de la espuma genera presión y calor. Las láminas se colocan en un gran dispositivo de sujeción que funciona como molde. Es necesario mantener las láminas separadas para permitir que el poliuretano líquido fluya hacia el dispositivo. Una vez dentro, la espuma comienza a expandirse. El molde/prensa suele estar configurado para soportar el calor y las presiones generadas por la espumación química. El panel SIP se deja en el molde/prensa para que cure ligeramente y, una vez retirado, continúa curando durante varios días.

Hasta hace poco, ambos procesos requerían un entorno de fábrica. Sin embargo, los avances recientes ofrecen una alternativa con equipos de procesamiento de paneles SIP que permiten fabricarlos en la propia obra. Esta es una excelente noticia para los constructores de países en desarrollo, donde esta tecnología podría ser la más adecuada para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mejorar la sostenibilidad en la vivienda, pero no está disponible.

El uso de paneles SIP ofrece muchas ventajas y algunos inconvenientes en comparación con una construcción convencional con estructura de madera.

Los costos de los paneles SIP son más altos que los de los materiales para una construcción de entramado comparable en Estados Unidos; sin embargo, esto puede no ser así en otros lugares. Una vivienda bien construida con paneles SIP tendrá una envolvente más hermética y paredes con mayor capacidad aislante, lo que reduce las corrientes de aire y los costos operativos. Además, debido a la estandarización y la integración de los paneles SIP, el tiempo de construcción puede ser menor que el de una vivienda de entramado, y se requiere menos mano de obra. Los paneles se pueden usar como pisos, paredes y techos, siendo su uso como pisos particularmente beneficioso cuando se colocan sobre un espacio sin aislar. En consecuencia, el costo total del ciclo de vida de una construcción con paneles SIP será, en general, menor que el de una construcción de entramado convencional, hasta en un 40%. Si el costo total de construcción (materiales y mano de obra) es menor que el de la construcción de entramado convencional parece depender de las circunstancias, incluyendo las condiciones laborales locales y el grado de optimización del diseño del edificio para una u otra tecnología.

En algunos casos, un sistema revestido con OSB supera estructuralmente a la construcción convencional con entramado de madera; principalmente en resistencia a la carga axial. Los paneles SIP mantienen una versatilidad similar a la de las casas con entramado de madera al incorporar diseños personalizados. Además, dado que los paneles SIP funcionan como entramado, aislamiento y revestimiento exterior, y pueden venir precortados de fábrica para el trabajo específico, la envolvente exterior del edificio se puede construir con bastante rapidez. Los paneles SIP también tienden a ser ligeros y compactos, lo que facilita esta construcción fuera de obra. El desempeño ambiental de los paneles SIP, además, es muy bueno debido a su excepcional aislamiento térmico . También ofrecen una resistencia a la humedad y a problemas de frío como la retracción por compresión y los puentes térmicos que no pueden igualar la madera y los materiales de construcción más tradicionales. ^{[ 3 ]}

Cuando se prueba en condiciones de laboratorio, el panel SIP, incluido en un sistema de pared, cimentación, piso o techo, se instala en un entorno estable (sin infiltración de aire); los sistemas que incorporan aislamiento de fibra de vidrio no se instalan en entornos estables, ya que requieren ventilación para eliminar la humedad.

Con excepción de los metales estructurales, como el acero, todos los materiales estructurales experimentan fluencia con el tiempo. En el caso de los paneles SIP, se ha estudiado el potencial de fluencia de los paneles SIP revestidos con OSB y con núcleos de EPS o espuma de poliuretano, y existen recomendaciones de diseño para la fluencia. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Los efectos a largo plazo del uso de materiales de revestimiento y núcleo no convencionales requieren ensayos específicos para cada material con el fin de cuantificar los valores de diseño de fluencia.

En Estados Unidos, los paneles SIP suelen tener anchos de 1,2 a 7,3 m ( 4 a 24 pies ) . En otros lugares, las dimensiones típicas del producto son de 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 edificio mejor aislado. Con un peso de 15 a 20 kg/m² ^, los paneles más largos pueden ser difíciles de manipular sin el uso de una grúa para posicionarlos, y esta es una consideración que debe tenerse en cuenta debido a las limitaciones de costo y del sitio. También es importante señalar que, cuando se necesitan en circunstancias especiales, a menudo se pueden solicitar tramos más largos, como para un tramo de techo largo. La altura típica de los paneles en EE. UU. es de 2,4 o 2,7 m (8 o 9 pies) . Los paneles vienen en anchos que van desde 4 a 12 pulgadas (100–300 mm) de espesor y un costo aproximado es de $4–$6/pie² ^en los EE. UU. ^{[ 6 ]} En el cuarto trimestre de 2010, se comercializaron nuevos métodos para formar radios, curvas sinusoidales, arcos y paneles SIP 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. ^{[ 7 ]}         

El EPS es la espuma más común y tiene un valor R ( resistencia térmica ) de aproximadamente 4  °F·ft² ^· h/Btu (equivalente a aproximadamente 0,7  K·m² ^/ 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: la extrapolación de los valores R a lo largo del espesor puede ser imprecisa debido a las propiedades térmicas no lineales de la mayoría de los materiales). A primera vista, esto parece comparable a una manta de fibra de vidrio R-13, pero debido a que en una casa estándar con estructura de madera hay una cantidad significativamente mayor de pared que contiene madera de bajo valor R que actúa como puente frío, el rendimiento térmico de la pared SIP R-13,8 será considerablemente mejor.  

Las características de sellado hermético de las casas construidas con paneles SIP llevaron al programa Energy Star de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU . a establecer un protocolo de inspección en lugar de la prueba de estanqueidad con ventilador, que normalmente se requiere, para evaluar las fugas de aire de la vivienda. Esto agiliza el proceso y ahorra dinero al constructor y al propietario.

El Código Internacional de la Construcción hace referencia a la Especificación de Diseño de Contrachapado 4 de la APA: Diseño y Fabricación de Paneles Sándwich de Contrachapado para el diseño de SIP. ^{[ 8 ]} Este documento aborda la mecánica básica de ingeniería de los SIP, pero no proporciona propiedades de diseño para los paneles de ningún fabricante específico. En 2007, se introdujeron por primera vez disposiciones de diseño prescriptivas para SIP con revestimiento de OSB en el Código Residencial Internacional de 2006. Estas disposiciones brindan orientación sobre el uso de SIP únicamente como paneles de pared.

Además de estas normas no propietarias, la industria SIP ha dependido en gran medida de informes de evaluación de códigos propietarios. 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 para toda la industria, disponible para todos los miembros de SIPA que cumplan los requisitos. A diferencia de los informes de código anteriores, las disposiciones prescriptivas que se incluyen en el informe de código de SIPA se derivan de una metodología de diseño de ingeniería que permite al profesional del diseño considerar condiciones de carga no abordadas en el informe de código. ^{[ 5 ] [ 9 ]}

• SIPA La Asociación de Paneles Estructurales Aislados - Asociación de Paneles Estructurales Aislados.
• Refugios IADDIC : Nuevos avances en equipos de fabricación de paneles SIP operables en campo.
• Structural Panels Inc. - Fabricante canadiense de paneles estructurales aislados