構造断熱パネル

構造断熱パネル（ SIP ）は、建設業界で建築材料として使用されるサンドイッチパネルの一種です。

SIP はサンドイッチ構造の複合材で、剛性コアの絶縁層を 2 層の構造ボードで挟んだ構造です。ボードは金属板、繊維セメント、酸化マグネシウムボード(MgO)、合板、または配向性ストランドボード(OSB) で、コアは発泡ポリスチレンフォーム(EPS)、押し出しポリスチレンフォーム (XPS)、ポリイソシアヌレートフォーム、ポリウレタンフォーム、または複合ハニカム(HSC) です。

被覆材はすべての引張力を受け止めますが、芯材は圧縮力とせん断力にのみ耐える必要があります。

SIP では、スタッドや根太、断熱材、防湿層、空気バリアなど、従来の建物の複数のコンポーネントを組み合わせることができます。パネルは、外壁、屋根、床、基礎システムなど、さまざまな用途に使用できます。

フォームコアパネルは 1970 年代に注目を集めましたが、ストレススキンパネルを建築に使用するというアイデアは 1930 年代に始まりました。この技術の研究とテストは、米国森林局の森林資源保護の取り組みの一環として、主にウィスコンシン州マディソンの森林製品研究所(FPL)によって行われました。1937 年には、ストレススキンの小さな家が建設され、注目を集め、ファーストレディのエレノア ルーズベルトが家の奉納式に出席しました。このようなパネル構造の耐久性の証として、この家はウィスコンシン州の気候に耐え、 1998 年に薬学部の新校舎建設のために撤去されるまで、ウィスコンシン大学マディソン校のデイケア センターとして使用されました。ストレススキンパネルの成功により、より強力なスキンが構造上の負荷をすべて受け止め、フレームを完全になくすことができると示唆されました。

こうして 1947 年に、段ボール芯材を合板、強化ハードボード、処理済み板紙などのさまざまな外皮材でテストし、構造断熱パネルの開発が始まりました。建物は 1978 年に解体されましたが、屋外暴露に適さない板紙を除いて、ほとんどのパネルは元の強度を保っていました。ポリスチレン芯材と紙に合板外皮を重ねたパネルは 1967 年に建物で使用され、2005 年の時点で^[update]パネルは良好な性能を示しました。

SIP システムは、カリフォルニア州サンタポーラの Woods Constructors 社によって、1965 年から 1984 年まで、住宅やアパートで使用されていました。この研究は、ジョン・トーマス・ウッズ、ポール・フラザー・ウッズ、ジョン・デビッド・ウッズ、フレデリック・トーマス・ウッズが同様の概念を使用して、モジュラー住宅用フッティングフォームの特許 (米国特許番号 4817353) を取得する際の基礎となり、1989 年 4 月 4 日に発行されました。サンタポーラ、フィルモア、パームスプリングス、および周辺地域の多数の住宅では、主要な建設方法として SIP が使用されています。この設計は、(当時の) ICBO および SBCCI (現在の ICC) から承認されました。

SIP は、発泡ポリスチレン (EPS)、押し出しポリスチレン (XPS)、または硬質ポリウレタンフォームでできたフォームコアの周りに OSB パネルを挟んで作られるのが最も一般的です。OSB の代わりに、合板、地下基礎壁用の加圧処理合板、鋼鉄、^[1]アルミニウム、ハーディバッカーなどのセメントボード、さらにはステンレス鋼、繊維強化プラスチック、酸化マグネシウムなどの珍しい材料も使用できます。一部の SIP では、パネルに繊維セメントまたは合板シートを使用し、コアに麦わらなどの農業用繊維を使用しています。

SIP の 3 番目のコンポーネントは、SIP 間のスプラインまたはコネクタ ピースです。寸法木材は一般的に使用されますが、熱橋が発生し、断熱値が低下します。スプラインを通して高い断熱値を維持するために、メーカーは断熱木材、複合スプライン、機械ロック、オーバーラップ OSB パネル、またはその他の独創的な方法を使用します。選択した方法に応じて、完全な釘付け面や構造強度の向上など、他の利点が得られる場合があります。

SIP は、ほとんどの場合、従来の工場で製造されます。処理設備は、圧力と熱を均一かつ一貫した方法で調整するために使用されます。SIP コアに使用される材料に対応する 2 つの主な処理方法があります。ポリスチレン コアを使用してパネルを製造する場合、接着接着剤が完全に浸透して固まるように、圧力と熱の両方が必要です。さまざまなバリエーションがありますが、一般的には、フォーム コアを最初に接着剤で覆い、スキンを所定の位置に置きます。3 つのピースを大きなクランプ デバイスにセットし、圧力と熱を加えます。接着剤が硬化するまで、3 つのピースをクランプ デバイス内に保持する必要があります。

ポリウレタン コアを使用したパネルの製造では、発泡プロセス中にフォームが膨張して圧力と熱の両方が発生します。スキンは、金型として機能する大きなクランプ装置にセットされます。スキンは、液体ポリウレタン材料が装置に流れ込むように、互いに離して保持する必要があります。装置に入ると、フォームが上昇し始めます。金型/プレスは通常、化学発泡によって発生する熱と圧力に耐えられるように構成されています。SIP は金型/プレスに残されてわずかに硬化し、取り外されても数日間硬化し続けます。

最近まで、これらのプロセスは両方とも工場での設定が必要でした。しかし、最近の進歩により、現場で SIP を製造できる SIP 処理機器という代替手段が生まれました。これは、温室効果ガスの排出を削減し、住宅の持続可能性を向上させるのに最も適した技術が利用できない発展途上国の建設業者にとって朗報です。

SIP を使用すると、従来のフレーム構造の建物に比べて多くの利点といくつかの欠点がもたらされます。

SIP のコストは、米国では同等のフレーム ビルディングの材料よりも高くなりますが、他の地域ではそうではない可能性があります。SIP を使用したしっかりした住宅は、建物のエンベロープがより密閉され、壁の断熱性が高くなるため、隙間風が少なくなり、運用コストが削減されます。また、SIP は標準化され、一体化されているため、フレーム ホームよりも建設時間が短く、職人の数も少なくて済みます。パネルは床、壁、屋根として使用でき、パネルを床として使用すると、断熱されていない空間の上にある場合に特に便利です。その結果、SIP で構築された建物のライフサイクル コストは、一般に、従来のフレーム ビルディングよりも最大 40% 低くなります。総建設コスト (材料と労働力) が従来のフレーム ビルディングよりも低くなるかどうかは、地域の労働条件や、ビルディング デザインがいずれかのテクノロジーに対してどの程度最適化されているかなどの状況によって左右されるようです。

OSB スキンシステムは、従来のスティックフレーム構造よりも構造的に優れている場合があります。主に軸方向の荷重強度においてです。SIP は、カスタムデザインを組み込む際にスティックフレーム住宅と同様の汎用性を維持します。また、SIP はフレーム、断熱材、外装材として機能し、特定の作業用に工場から事前にカットされているため、建物の外装を非常に迅速に構築できます。SIP パネルは軽量でコンパクトな傾向があるため、オフサイト建設に役立ちます。さらに、SIP の環境性能は、その優れた断熱性により非常に優れています。また、圧縮収縮やコールドブリッジなどの湿気や寒さの問題に対する耐性も備えており、木材や従来の建築材料では実現できません。^[2]

実験室環境でテストする場合、壁、基礎、床、または屋根システムに含まれる SIP は定常状態 (空気の浸入なし) の環境に設置されます。一方、グラスファイバー断熱材を組み込んだシステムは、湿気を除去するために換気が必要なため、定常状態には設置されません。

鋼鉄などの構造用金属を除いて、すべての構造材料は時間の経過とともにクリープします。SIPの場合、EPSまたはポリウレタンフォームコアを備えたOSB表面処理されたSIPのクリープの可能性が研究されており、クリープ設計の推奨事項が存在します。^{[3] [4]} 非従来型のフェーシングおよびコア材料を使用した場合の長期的な影響を確認するには、材料固有のテストを行ってクリープ設計値を定量化する必要があります。

米国では、SIP の幅は 4 ～ 24 フィート (1.2 ～ 7.3 m) のサイズになる傾向があります。その他の地域では、一般的な製品寸法は幅 300、600、または 1,200 mm、長さ 2.4、2.7、3 m で、屋根の SIP は最大 6 m になります。セクションが小さいほど輸送と取り扱いが簡単になりますが、可能な限り大きなパネルを使用すると、最も断熱性の高い建物が作られます。15 ～ 20 kg/m ²では、長いパネルはクレーンを使用して配置しないと取り扱いが困難になる可能性があり、これはコストと敷地の制限があるために考慮に入れなければならない事項です。また、特別な状況で必要な場合は、長い屋根スパンなど、より長いスパンが要求されることが多いことにも注意してください。米国のパネルの一般的な高さは 8 フィートまたは 9 フィート (2.4 または 2.7 m) です。パネルの幅は4～12インチ（100～300 mm）で、米国ではおおよそ^{1平方フィートあたり4～6ドルです。[5]} 2010年第4四半期には、半径、正弦曲線、アーチ、管状SIPを形成する新しい方法が商品化されました。カスタム性や特殊形状の成形と硬化の技術的難しさから、価格は通常、1フィートあたり標準パネルの3～4倍です。^[6]

EPSは最も一般的に使用されているフォームで、厚さ 25 mm あたり約 4 °F·ft ^{2 ·h/Btu (約 0.7 K·m 2} /Wに相当) のR 値(熱抵抗) を持ちます。つまり、厚さ 4.5 インチ (110 mm) のパネルの 3.5 インチ (89 mm) のフォームの R 値は 13.8 になります (注意: ほとんどの材料の非線形熱特性のため、厚さに対する R 値の推定は不正確な場合があります)。これは、額面どおりには R-13 のグラスファイバー バットに匹敵するように見えますが、標準的な木造住宅では、コールド ブリッジとして機能する R 値の低い木材を含む壁がかなり多くあるため、R-13.8 SIP 壁の熱性能はかなり優れています。

SIP 住宅の気密性により、米国環境保護庁のEnergy Starプログラムでは、住宅の空気漏れを評価するために通常必要なブロワー ドア テストの代わりに検査プロトコルを確立しました。これにより、プロセスが迅速化され、建築業者や住宅所有者の費用が節約されます。

国際建築基準法では、SIP の設計について、APA の合板設計仕様書 4「合板サンドイッチパネルの設計と製造」を参照しています。^[7]この文書では SIP の基本的な工学的メカニズムについて説明されていますが、特定のメーカーが提供するパネルの設計特性は提供されていません。2007 年、OSB 張り SIP の規定設計規定が 2006 年国際住宅基準法で初めて導入されました。これらの規定は、SIP を壁パネルとして使用する場合のガイダンスのみを提供します。

これらの非独自規格のほかに、SIP 業界は独自のコード評価レポートに大きく依存してきました。2009 年初頭、SIPA はサードパーティの製品評価認証機関である ICC NTA, LLC と提携し、資格のあるすべての SIPA メンバーが利用できる業界初のコード レポートを作成しました。以前のコード レポートとは異なり、SIPA コード レポートで提供される規定はエンジニアリング設計方法論から派生したもので、設計専門家はコード レポートで取り上げられていない荷重条件を考慮することができます。^{[4] [8]}

• SIPA 構造断熱パネル協会 - 構造断熱パネル協会。
• IADDIC シェルター - 現場で操作可能な SIP 製造装置の新たな進歩。
• Structural Panels Inc. - カナダの構造断熱パネルメーカー