Nowe rozwiązania techniczne i zastosowania płyt warstwowych w budownictwie

Płyty warstwowe są powszechnie stosowane w budownictwie jako obudowa dachów i ścian. Produkty te składają się z zewnętrznych, cienkich i sztywnych okładzin stalowych oraz podatnego rdzenia.

Dzięki takiej budowie mają wysoką izolacyjność termiczną oraz dobrą nośność przy niewielkim ciężarze [1]. Ta pierwsza cecha umożliwia spełnienie rosnących wymagań związanych z oszczędnością energii w budownictwie. Natomiast niewielki ciężar oraz wysoki poziom prefabrykacji pozwalają na szybki i tani montaż.

Stosowanie płyt warstwowych umożliwia spełnienie wymagań zrównoważonego rozwoju w budownictwie, zapewnia bowiem użytkownikom budynków m.in. odpowiednią izolacyjność termiczną, ochronę przed hałasem i drganiami, komfort mikroklimatyczny oraz odpowiednie warunki higieniczne.

Kierunki rozwoju płyt warstwowych

Jedna z obecnie stosowanych metod rozwoju polega na ciągłym doskonaleniu produktu przy wykorzystaniu pomysłów i obecnie istniejących rozwiązań technicznych.

Inna metoda to poszukiwanie zupełnie nowych materiałów lub konstrukcji, które przeznaczone są do pełnienia specyficznych funkcji w budynku. Można tutaj wymienić np. zapewnienie wysokiego poziomu odporności ogniowej, izolacyjności akustycznej, szczelności, odporności na uderzenia.

Przy doskonaleniu istniejących rozwiązań dąży się m.in. do maksymalizacji izolacyjności termicznej przegród, poprawienia nośności konstrukcji i minimalizacji kosztów produkcji. Oczywiście, jednoczesna poprawa wszystkich parametrów produktu jest praktycznie niemożliwa. Świadczą o tym m.in. wyniki optymalizacji wielokryterialnej płyt warstwowych [2, 3].

Dostępne rozwiązania

W budownictwie powszechnie wykorzystywane są płyty z okładzinami stalowymi o grubości nominalnej od 0,4 do 0,7 mm. Płyty ścienne mają obie okładziny płaskie, natomiast płyty dachowe – dolną okładzinę płaską, a górną głęboko profilowaną (wysokość profilowania wynosi od 35 do 45 mm). Głębokie profilowanie okładziny zapewnia większą sztywność płyty.

Rdzenie wykonuje się z pianki poliuretanowej (PUR) lub poliizocyjanurowej (PIR), z wełny mineralnej lub z polistyrenu ekspandowanego, zwanego powszechnie styropianem. Są to materiały o niskim współczynniku przewodzenia ciepła i zapewniają tym samym duży opór cieplny przegrody.

Płyty z pianką poliuretanową wytwarzane są na ciągłej linii produkcyjnej. Pianka jest rozprowadzana na jedną z okładzin. Wzrost pianki i połączenie z okładzinami trwa kilkadziesiąt sekund, a po zejściu z linii technologicznej produkt może być zastosowany na budowie.

Rdzeń z wełny mineralnej wykonuje się z przygotowanych półproduktów (tzw. lameli). Układ włókien w lameli jest uporządkowany. Lamele wklejane są pomiędzy okładziny stalowe za pomocą klejów poliuretanowych. Aby zmniejszyć efekt nieciągłości rdzenia i poprawić nośność na ścinanie, lamele przesuwa się względem siebie.

Rdzeń styropianowy wytwarzany jest z gotowych płyt styropianowych, które są następnie przyklejane do okładzin. Elementy rdzenia styropianowego mają długość do kilku metrów.

Łączenie elementów rdzenia ze sobą jest technologicznie dość trudne i kosztowne, dlatego zazwyczaj nie wykonuje się go, lecz tylko odpowiednio frezuje elementy styku płyt rdzenia (np. w kształcie grzebienia). Zapewnienie nośności płyty w miejscu nieciągłości rdzenia jest więc jednym z podstawowych problemów takich płyt.

Poziom izolacyjności termicznej płyty warstwowej uzależniony jest od jej rdzenia. Przykładowo współczynnik przewodzenia ciepła pianki PUR wynosi 0,023 W/(m·K), a wełny mineralnej i styropianu: 0,04 W/m·K, co przy grubości płyty 20 cm daje współczynnik przenikania ciepła o wartości odpowiednio 0,115 W/(m²·K) i 0,20 W/(m²·K).

Odporność ogniowa również uzależniona jest od zastosowanego rdzenia. Najlepsze pod tym względem są płyty z rdzeniem z wełny mineralnej, które nie wydzielają szkodliwych substancji podczas spalania oraz osiągają odporność ogniową REI 180 (nośność ogniowa R, szczelność E, izolacyjność I przez okres 180 min) i poziom reakcji na ogień A1 (niepalna).

Poszukiwanie nowych rozwiązań

Ciągle rosnące wymagania dotyczące izolacyjności termicznej przegród budowlanych wymuszają prowadzenie badań naukowych nad materiałami o lepszych parametrach. Trwają prace m.in. nad poprawą właściwości rdzeni płyt.

Rdzenie poliuretanowe składają się głównie z zamkniętych komórek. Strukturę zamkniętej komórki piankowej tworzą powierzchnie (powłoki zamykające komórkę), krawędzie i narożniki (fot. 1). Dzięki takiej budowie pianki mogą wytrzymać znacznie większe obciążenia niż tradycyjne materiały termoizolacyjne.

Znaczący producenci chemii poliuretanów twierdzą, że potrafią znacząco wpływać na strukturę pianek powstających w procesie produkcji. Dążą do zmniejszania gęstości pianki i poprawy jej parametrów izolacyjnych przy zachowaniu jej wytrzymałości.

W ostatnim czasie pojawiły się płyty warstwowe z rdzeniem z pianki fenolowej (rezolowej), która ma wysoką wytrzymałość i bardzo niską wartość współczynnika przewodzenia ciepła: 0,018 W/(m·K).

Pianki te mogą wkrótce znaleźć powszechne zastosowanie. Warto przypomnieć, że parę lat temu na rynek wkraczały pianki PIR, które mają lepsze właściwości ogniowe niż pianki PUR. Obecnie pianki PIR są bardzo dynamicznie rozwijającym się segmentem rynku izolacji termicznych.

Oprócz płyt o sztywnych okładzinach stalowych od pewnego czasu stosuje się pianki formowane w miękkich okładzinach. Taki produkt spełnia wyłącznie rolę izolacji termicznej.

Rdzeń (zazwyczaj z PIR-u) znajduje się pomiędzy cienkimi i podatnymi okładzinami wykonanymi z papieru kompozytowego lub aluminium gr. 50 mm. Okładzinę stosuje się do ograniczenia rozprzestrzeniania się pianki podczas produkcji.

Pewną modyfikacją tego rozwiązania jest płyta z jedną okładziną miękką i jedną okładziną sztywną, stalową, głęboko profilowaną (fot. 2–3). W Instytucie Konstrukcji Budowlanych Politechniki Poznańskiej przeprowadzono badania, które wykazały, że płyty tego typu mają zaskakująco wysoką wytrzymałość na zginanie.

Bardzo cienka okładzina aluminiowa zapewnia zachowanie się zbliżone do pracy klasycznej płyty warstwowej. Nośność takiej płyty jest uzależniona od jej orientacji, jednak zawsze jest zdecydowanie wyższa niż nośność samej blachy stalowej.

Wyniki badań przedstawiono w pracy „Structural behavior of sandwich panels with external deep-profiled and internal soft facing” [4]. W przyszłości należy się spodziewać samodzielnego stosowania takich płyt jako pokrycia ścian i dachów.

Rdzenie z wełny mineralnej oraz ze styropianu spełniają identyczną rolę jak z pianki poliuretanowej, przy czym wełna mineralna charakteryzuje się wysoką odpornością ogniową, a styropian – niską ceną. Znane są również – i stale rozwijane – inne rodzaje rdzeni, które wykorzystuje się ze względu na ich specyficzne właściwości.

Do wypełnienia drzwi stosuje się struktury typu „plaster miodu” (honeycomb). Charakteryzują się one dużą sztywnością i optymalnym wykorzystaniem materiału.

Gdy niezbędna jest lekka konstrukcja warstwowa o dużej wytrzymałości i odporności na ­obciążenia ­dynamiczne, stosuje się rdzenie z metalicznych kratownic przestrzennych (lattice core) [5] lub z pianki aluminiowej [6] (fot. 4). Tego typu struktury mogą być stosowane jako elementy konstrukcyjne stropów i ścian.

Nowe rozwiązania muszą zapewnić bezpieczeństwo konstrukcji. Powinny mieć wysoką wytrzymałość, czyli być odporne na działające obciążenia – nie ulegać pod ich wpływem zniszczeniu lub nadmiernemu, nieodwracalnemu odkształceniu.

Jest wiele różnych mechanizmów zniszczenia płyty warstwowej. Na fot. 5 przedstawiono ścięcie i zgniecenie rdzenia na podporze. Zjawiska te występują w przypadku silnie obciążonych płyt o niewielkiej rozpiętości.

Zgnieceniu można zapobiegać dzięki poszerzeniu podpór, a ścięcie można wyeliminować dzięki zwiększeniu grubości płyty. Innym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie w okolicy podpór rdzenia o wyższych parametrach wytrzymałościowych.

W pracy „New peel stopper concept for sandwich structures” [7] przedstawiono analizę konstrukcji ze zróżnicowanym rdzeniem. Głównym celem badań było stworzenie rdzenia, który powstrzyma propagację uszkodzenia zachodzącego na styku rdzenia i okładziny stalowej. Takie rozwiązanie pozwala na podniesienie wytrzymałości rdzenia na ściskanie i ścinanie w miejscach przewidywanej koncentracji naprężeń.

Najczęstszym mechanizmem zniszczenia płyt warstwowych jest pomarszczenie okładziny ściskanej podczas zginania (fot. 6–7). Szczególnie narażone na takie zniszczenie są obudowy chłodni i mroźni, ponieważ w tych zastosowaniach różnica pomiędzy temperaturą obu okładzin płyty warstwowej jest największa.

Duża różnica temperatur wywołuje duże momenty zginające w układach wieloprzęsłowych i naprężenia w okładzinach stalowych. Rozwiązanie tego problemu powinno być dwukierunkowe. Po pierwsze: należy zwiększać odporność płyty na pomarszczenie (lokalną utratę stateczności). Po drugie: trzeba dążyć do rozwiązań konstrukcyjnych, które minimalizują powstawanie momentów zginających.

Większą odporność na lokalną utratę stateczności uzyskuje się głównie dzięki mikroprofilowaniu płaskich okładzin. Aby zminimalizować wpływ różnicy temperatur na powstawanie naprężeń, należy stosować układy jednoprzęsłowe płyt. Jeśli płyty muszą być wieloprzęsłowe, to dobrym rozwiązaniem jest stosowanie podatnych podpór.

W pracach „Optymalizacja i analiza wrażliwości płyt warstwowych z miękkim rdzeniem” [8] oraz „Sensitivity analysis of sandwich beams and plates accounting for variable support conditions” [9] przedstawiono analizy, z których wynika, że zastosowanie podpór o pewnej podatności (podpór sprężystych, podpór z luzami) może spowodować zwiększenie nośności konstrukcji obciążonych termicznie o ok. 35%. Pomysł ten nie został do tej pory wykorzystany na masową skalę.

Oddziaływanie temperatury na płytę warstwową ma zasadniczy wpływ na dopuszczalny zakres jej stosowania. Wyróżnić można dwa efekty: równomierne oraz nierównomierne ogrzanie (schłodzenie) płyty. W zależności od warunków podparcia oba zjawiska mogą powodować przemieszczenia oraz wywoływać siły wewnętrzne i naprężenia.

Oba efekty mogą być niebezpieczne i powodować uszkodzenie płyty, jednak zazwyczaj przyjmuje się, że istotny jest wpływ nierównomiernego ogrzania płyty. Dyskusja dotycząca efektów działania temperatury została przedstawiona w publikacji „The influence of thermal actions and complex support conditions on the mechanical state of sandwich structur” [10].

Należy zauważyć, że obecnie stosowane rozwiązania płyt warstwowych nie są optymalne pod względem nośności. Poprawa geometrii płyt dachowych oraz zastosowanie odpowiedniego profilowania okładzin mogą przynieść zwiększenie dopuszczalnych obciążeń o kilkadziesiąt procent.

Ponadto należy oczekiwać udoskonalonych rozwiązań mocowania płyt do konstrukcji wsporczej. Niestety, badania prowadzone w Polsce w tym zakresie są bardzo skromne.

Jednym z największych wyzwań współczesnego i przyszłego budownictwa jest dbałość o ekologię. Efekt ekologiczny może być osiągany w różny sposób. Płyty warstwowe mają wysoką izolacyjność termiczną, a zatem bezpośrednio wpływają na zmniejszenie zużycia energii do ogrzewania.

Obecnie są wdrażane rozwiązania płyt, które nie tylko stanowią warstwę izolacyjną zapobiegającą stratom energii, lecz także same są elementem pozyskującym energię. Są to płyty ze zintegrowanymi panelami fotowoltaicznymi wytwarzającymi energię elektryczną lub płyty zintegrowane z solarami, które przetwarzają energię słoneczną na ciepło. Przykładowe produkty przedstawiono na fot. 8. Należy się spodziewać dalszego wzrostu zainteresowania takimi rozwiązaniami.

Płyty warstwowe mogą być wykorzystane w wielu nowoczesnych rozwiązaniach. Mogą np. być stosowane jako elementy stanowiące izolację akustyczną, a nawet pochłaniające hałas. Pewnym wyzwaniem są również zastosowania w rozwiązaniach zapewniających doskonałą szczelność (która może być wymagana ze względów technologicznych; jej brak wpływa na straty energii).

Znaczny potencjał stanowią też rozwiązania typu SIP (structural insulated panels) – płyty warstwowe będące elementem izolacji termicznej i jednocześnie pełniące rolę elementu konstrukcji całego budynku [11, 12]. Takie płyty mogą przenosić obciążenia bezpośrednio na fundament lub stanowią co najmniej zabezpieczenie innych elementów konstrukcyjnych przed utratą stateczności i zwichrzeniem.

Podsumowanie

Rozwój techniczny płyt warstwowych będzie zmierzał jednocześnie w kilku kierunkach. Pierwszy to poprawa parametrów, które decydują o przewadze płyt warstwowych nad innymi materiałami budowlanymi. Należy tutaj przede wszystkim wymienić dążenie do obniżenia wartości współczynnika przewodzenia ciepła.

Drugi kierunek to sukcesywna poprawa parametrów, które decydują o zakresie stosowania płyt. Należy się spodziewać ciągłych prób zwiększenia nośności konstrukcji przy zachowaniu jej niewielkiego ciężaru.

Trzeci kierunek to pełnienie zupełnie nowych funkcji, co może być uzyskiwane przez podniesienie poziomu złożoności produktu. Nowe funkcje mogą dotyczyć np. akumulacji ciepła, pozyskiwania energii odnawialnej, przepuszczalności energii świetlnej itp.

W kształtowaniu elementów budowlanych, naturalnie, będą się ścierały dwie sprzeczne koncepcje. Z jednej strony będzie to dążenie do budownictwa o wysokim stopniu prefabrykacji i powtarzalności rozwiązań, co ma szczególne uzasadnienie w przypadku budynków przemysłowych.

Z drugiej zaś strony architekci i niektórzy inwestorzy mogą oczekiwać dużej elastyczności rozwiązań technicznych i możliwości kształtowania obiektów o indywidualnych cechach.

Płyty warstwowe będą coraz częściej stosowane pod warunkiem spełnienia określonych wymagań. Przede wszystkim produkt ten musi być bezpieczny (dotyczy to również bezpieczeństwa pożarowego). Ponadto technologie wytwarzania nowoczesnych płyt i zasady ich stosowania muszą być doskonale opanowane.

Znacznie lepiej powinny być rozwinięte metody niezawodnego projektowania konstrukcji z płyt warstwowych. Decydującą rolę może jednak odgrywać szybki i tani proces produkcji i dystrybucji.

Literatura

1. J.M. Davies, „Lightweight Sandwich Construction”, Blackwell Science Ltd., Oxford 2001.
2. X.H. Tan, A.K. Soh, „Multi-objective optimization of the sandwich panels with prismatic cores using genetic algorithms”, „International Journal of Solid and Structures”, Vol. 44, Issue 17/2007, pp. 5466–5480.
3. R. Studziński, Z. Pozorski, A. Garstecki, „Optimal design of sandwich panels with soft core”, „Journal of Theoretical and Applied Mechanics”, Vol. 47, No. 3/2009, pp. 685–699.
4. Z. Pozorski, R. Sól, J. Szajda, J. Błaszczuk, „Structural behavior of sandwich panels with external deep-profiled and internal soft facing”, „Engineering Transactions”, Vol. 61, No. 3/2013, pp. 173–184.
5. F. Côté, V.S. Deshpande, N.A. Fleck, A.G. Evans, „The compressive and shear responses of corrugated and diamond lattice materials”, „International Journal of Solid and Structures”, Vol. 43, Issue 20/2006, pp. 6220–6242.
6. A-F. Bastawros, H. Bart-Smith, A.G. Evans, „Experimental analysis of deformation mechanisms in a closed-cell aluminum alloy foam”, „Journal of the Mechanics and Physics of Solids”, Vol. 48, Issue 2/2000, pp. 301–322.
7. J. Jakobsen, E. Bozhevolnaya, O.T. Thomsen, „New peel stopper concept for sandwich structures”, „Composites Science and Technology”, Vol. 67, Issues 15–16/2007, pp. 3378–3385.
8. R. Studziński, „Optymalizacja i analiza wrażliwości płyt warstwowych z miękkim rdzeniem”, Rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska, Poznań 2012.
9. R. Studziński, Z. Pozorski, Z. Garstecki, „Sensitivity analysis of sandwich beams and plates accounting for variable support conditions”, „Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences”, Vol. 61, Issue 1/2013, pp. 201–210.
10. J. Błaszczuk, Z. Pozorski, „The influence of thermal actions and complex support conditions on the mechanical state of sandwich structure”, „Journal of Applied Mathematics and Computational Mechanics, Vol. 12, Issue 4/2013, pp. 13–21.
11. LS Tech-Homes S.A., „Panele SIP. Atrakcyjna oferta dla budownictwa”, „Materiały Budowlane”, nr 481, 9/2012, s. 26–27.
12. M. Panjehpour et al., „Structural Insulated Panels”, „Journal of Engineering, Project, and Production Management”, Vol. 3, No. 1/2013, pp. 2–8.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!