Technik

150 Kilo auf Zehenspitzen

Dachflächen aus Glas sind nach wie vor wegen ihrer Transparenz, aber auch wegen der guten Kombinierbarkeit mit historischem Bestand beliebt. Vielfältig erscheinen dabei Tragsysteme und mög- liche Konstruktionen, die durch die unterschiedlichen Glasarten, bauphysikalischen Randbedingungen und genehmigungsrechtliche Aspekte beeinflusst werden. Glazed roofs are much in demand either for their transparency or because they combine well with historic substance. There are many structures and possible constructions which are influenced by the various types of glazing, considerations of building physics and aspects of obtaining building permission.

Großflächige Überkopfverglasungen sind

inzwischen Standard in der Architektur geworden – obwohl sich die Glastechnologie in den letzten fünf Jahren nicht mehr so rasant weiterentwickelt hat wie noch in den Jahren zuvor (siehe Artikel zum gleichen Thema in db 4/99). 1999 demonstrierte die Zentrale Glashalle der Neuen Messe in Leipzig den Stand der Technik bei Überkopfverglasungen. Punktgelagerte Verglasungen waren auch im Überkopfbereich möglich geworden. Heute zeigt die Neue Messe in Mailand, von Architekt Massimiliano Fuksas und dem Ingenieurbüro Schlaich Bergermann und Partner, mit einem 1,3 km langen und 30 bis 40 m breiten Glasdach, wie mit Hilfe moderner Software frei geformte Glasflächen geplant und in Rekordzeit gefertigt und erstellt werden können.
Bis solche komplizierten freie Formen mit Isolierglas ausgeführt werden können, bedarf es einer engen Abstimmung zwischen Architekt und Tragwerksplaner. Und das schon ganz früh im Entwurf. Der Architekt muss offen sein für den Optimierungsprozess aus der Tragwerksplanung, der die Realisierung seiner Vorstellung möglich macht, der Tragwerksplaner offen für die architektonische Idee.
Man sollte versuchen, auch frei geformte Verglasungen mit ebenen, rechteckigen Scheiben auszuführen. Dreiecksscheiben sind etwa doppelt, gekrümmte Scheiben bis zu zehn mal so teuer. Mit einem neuen geometrischen Verfahren, entwickelt von Hans Schober, können auch sehr komplexe Freiformgeometrien mit ebenen, rechteckigen Maschen hergestellt und damit viele Entwürfe überhaupt erst ermöglicht werden, ohne den wirtschaftlichen Rahmen zu sprengen. Maßgebend für die Bemessung der Scheiben ist dabei deren Verwindung, denn bereits drei Punkte im Raum spannen eine Ebene auf, der vierte muss dann möglichst wenig von der Ebene abweichen. Isolierglasscheiben können nur
bis etwa maximal 1/200 an Verwindung aufnehmen und geben daher enge Grenzen vor.
Hier ist zu wünschen, dass Isolierglashersteller an ihren überkommenen Vorgaben von »maximal 8 mm« Verwindung arbeiten und untersuchen, bis zu welcher Verwindung Isolierglas noch dicht bleibt. Denn die Dichtheit des Randverbundes unter Beanspruchung hängt ganz wesentlich von der Schubspannung in der Klebefuge des Randverbundes ab und damit von der Krümmung der Scheibe, nicht von der absoluten Verformung. Wird die Geometrie zu
komplex, kommt man allerdings an Dreiecksscheiben nicht mehr vorbei (vgl. Bild 1).
Glas und Vorschriften An den technischen Eigenschaften der Gläser selbst, deren Bemessung, den Sicherheitsanforderungen und (deutschen) Bauvorschriften hat sich seit 1999 nicht sehr viel geändert. Nach wie vor gelten Verglasungen als Überkopfverglasungen, wenn sie mehr als 10 ° gegen die Vertikale geneigt sind. Im Überkopfbereich muss Verbundsicherheitsglas Bestandteil des Scheibenaufbaus sein, damit im Falle von Glasbruch die Scheibe nicht herunterfällt. Nach dem einzigen in Deutschland gültigen Regelwerk für Überkopfverglasungen, den Technischen Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen (TRLV), sind die Glasarten und Kombinationen nach beigefügter Tabelle (Bild 4) zulässig.
Für Überkopfverglasungen unter 1,6 m2 gibt es im privaten Bereich Ausnahmeregelungen der TRLV, so dass zum Beispiel die typischen Dachflächenfenster keine untere VSG-Scheibe aufweisen müssen.
Überkopfverglasungen, die nicht den Randbedingungen der TRLV entsprechen, wie etwa zweiseitig gelagerte Scheiben mit einer
Stützweite größer 1,20 m oder punktgelagerte Verglasungen,
bedürfen aus Gründen der Resttragfähigkeit immer noch einer Zustimmung im Einzelfall der obersten Bauaufsichtsbehörde des jeweiligen Bundeslandes. Dazu sind oft aufwändige Prüfverfahren des Tragverhaltens erforderlich. Inzwischen gibt es in einigen Bundesländern wie Hessen oder Baden-Württemberg jedoch Freistellungserlasse für bestimmte, häufige Ausführungsvarianten. Es ist zu wünschen, dass diese sehr schnell auch in den anderen Bundesländern eingeführt werden, denn die uneinheitlichen Regelungen und der zeitliche und finanzielle Aufwand der Genehmigungen in Deutschland haben bereits dazu geführt, dass zum Beispiel die Verwendung von punktgelagerten Überkopfverglasungen stark zurückgeht. Prinzipiell kann man aus der Erfahrung der Versuche der letzten zehn Jahre ableiten, dass vierseitig gelagerte Verglasungen immer eine gute Resttragfähigkeit aufweisen und punktgelagerte Ver- glasungen bei der Verwendung von Verbundsicherheitsglas aus teilvorgespanntem Glas auch ausreichend resttragfähig sind. Die Bemessung der Scheiben begrenzt deren Abmessungen so weit, dass ohnehin keine punktgelagerten »Riesenscheiben« möglich sind (Bild 8).
Bruchverhalten und Resttragfähigkeit Inzwischen ist teilvorge-spanntes Glas vieler Hersteller bauaufsichtlich zugelassen und kann – als für Überkopfverglasungen besonders geeignetes Produkt – im Rahmen der TRLV ohne Zustimmung im Einzelfall (ZiE) verwendet werden. Der Vorteil von TVG im Vergleich zu Floatglas und ESG ist, dass TVG (wie ESG; siehe auch geplanter Artikel zu TVG in db 7/2005) thermisch vorgespannt ist, das heißt, eine höhere Biegefestigkeit als Floatglas aufweist, aber noch ähnlich wie Floatglas bricht. Im Bruchzustand entstehen nur wenige Risse, wohingegen ESG komplett in viele kleine Bruchstücke von nur circa 1 cm2 Größe zerfällt. Als VSG mit innen liegender Folie bleiben Floatglas und TVG im Überkopfbereich durch das Verzahnen der (großen) Bruchstücke auch nach Bruch nahezu eben und biegesteif – die damit verbundene Eigenschaft nennt man Resttragfähigkeit –, während ESG schlaff wird und aus den Auflagern rutschen kann. Allerdings sind die Einwirkungen, die zu einem Zerstören beider Schichten eines VSG aus ESG führen können, Extremereignisse wie das Herabfallen sehr schwerer, harter Gegenstände aus großen Höhen. Bei einem dreifachen Verbund, wie er auch für das Dach der Stadtbahn in Heilbronn verwendet wurde, ist das Zerstören aller drei Schichten noch viel unwahrscheinlicher, besonders, wenn die Kanten nicht zugänglich sind (Bild 6).
Schwierig ist der Nachweis der Resttragfähigkeit immer für zwei-
seitig gelagerte Überkopfverglasungen: bei der (natürlich sehr rabiaten) Zerstörung beider Scheiben, die in Deutschland mit seinen sehr hohen Sicherheitsanforderungen nach derzeitigem Stand der Technik angenommen werden muss, verlaufen Risse senkrecht zu den maximalen Hauptzugspannungen, das heißt bei zweiseitig gelagerten Scheiben genau in der Mitte, parallel zu den Auflagern. Dadurch entsteht an dieser Stelle ein Gelenk und die Scheibe hält nur noch über die PVB-Folie, die unter Zug steht und sich stark dehnt. Schließlich klappt die Scheibe zusammen.
Abdichtung Die Abdichtung von Horizontalverglasungen ist kein einfaches Unterfangen. Dachneigungen von 2 ° bis 3 ° stellen die absolute Untergrenze dar, die noch ein planmäßiges Ablaufen des Wassers ermöglicht. Abdichtungen besitzen die Aufgabe, Glas und Rahmen dauerhaft gegen Luft- und Feuchtigkeitseintritt zu schützen und gleichzeitig den Durchlass von Schall und Wärme zu verhindern. In der Fuge müssen Bauteil- und Untergrundbewegungen, Temperaturdehnungen und feuchtigkeitsbedingte Längenänderungen ausgeglichen werden. Die Dichtmaterialien dienen dabei nicht zur planmäßigen Halterung der Gläser, da eine dauerhaft tragende Wirkung über lange Zeiträume nicht zu gewährleisten ist. Ausnahmen bilden geklebte Ganzglaskonstruktionen, bei denen Silikon tragend zwischen Glas und Aluminium eingesetzt wird; das verwendete Silikon muss dazu zugelassen sein.
Linienförmig gelagerte Verglasungen werden häufig mit Pressleisten ausgeführt, die im Abstand von 300 mm mit dem Auflagerprofil verschraubt werden und zur Abdichtung ein Profil an den Rändern der Leiste eingesteckt haben. Zusätzlich ist unter der Pressleiste noch ein Abdichtungsband eingelegt. Trotzdem kann unter den Pressleisten, gerade bei sehr geringen Dachneigungen, immer noch ein wenig Wasser eindringen. Daher werden die Profile mit einer so genannten Sekundärabdichtung ausgeführt, einem kleinen Kanal im Bereich des Auflagerprofils, der gesondert entwässert werden muss. Auf dieses Detail ist in der Planung zu achten. Die Stoßfugen zwischen Scheiben, zum Beispiel bei punktgelagerten Verglasungen, werden meist mit Silikonen (Nassversiegelung), vorgefertigten Silikonprofilen (Trockenversiegelung) oder einer Kombination aus beiden ausgeführt (Bild 7). Die wichtigsten konstruktiven Regeln sind in den Technischen Richtlinien für Verglasungstechniken und Fensterbau des Glaserhandwerks zusammengefasst.
Transparenz und Sonnenschutz Wer mit der Verglasung eine maximale Transparenz erzielen möchte, muss eisenoxidarmes Glas (Weißglas) verwenden, das einen erheblichen Unterschied zu üblichem Grünglas ausmacht (Bild 9). Bei Verglasungen, unter denen ein Innenbereich mit maximal 30 °C genutzt werden soll, muss der sommerliche Wärmeeintrag und die Wärmeabfuhr genau untersucht werden. Ohne hohen Luftwechsel, der die Wärme abführt, entsteht bekanntlich ein Klima, das an Gewächshäuser erinnert. Zur Reduzierung des erheblichen Wärmeeintrags im Sommer sind heute Sonnenschutzverglasungen auf dem Markt, die durch eine Metalloxidbeschichtung eine große Bandbreite des Lichtspektrums blockieren. Diese Beschichtungen heißen selektiv, wenn sie nur bestimmte Wellen blockieren, aber das sichtbare Licht nach wie vor zu einem bestimmten Teil hindurchlassen. Der g-Wert (Gesamtenergiedurchlass) zeigt an, wie viel Prozent des gesamten Spektrums von UV- bis Infrarotlicht durch das Glas noch hindurchgeht; der Wert für die Lichttransmission wiederum, wie viel Prozent des sichtbaren Lichtes (Wellenlänge 380 nm bis 780 nm, Bild 11). Damit ergeben sich Bezeichnungen von Beschichtungen wie etwa »Suncool 30/17«, das heißt 30 % Transmission des sichtbaren Lichts bei 17 % Gesamtenergiedurchlass. Diese Gläser wirken natürlich dunkler als ohne Beschichtung. Man sollte sich vor der Entscheidung Muster genau ansehen, um die sehr subjektiven Farbeffekte durch die Beschichtungen beurteilen zu können. Bei großflächigen Dachverglasungen reicht dieser Sonnenschutz meist nicht aus, um das gewünschte Raumklima beispielsweise für Büroräume zu schaffen. Dann bieten sich außen liegende Sonnenschutzlamellen aus Aluminium oder Glas an. Eine Alternative in Zeiten hochsubventionierten Stromes aus »erneuerbaren« Energien sind auch Photovoltaikelemente: Diese können heute bei Verbundgläsern als dünne Schicht zwischen die Scheiben laminiert werden und ergeben so einen interessanten Effekt, der dem Eindruck unter Blättern eines Baumes ähnelt.
Reinigung Wenn man (noch) nicht auf teure Beschichtungssysteme selbstreinigender Gläser vertrauen will, muss ein Glasdach mindestens zweimal jährlich gereinigt werden. Obwohl diese Aufgabe bei großen Dächern inzwischen schon ferngesteuerte Reinigungsroboter übernehmen können, ist die Regel doch die Reinigung per Hand. Es ist zu beachten, dass zu Reinigungszwecken betretbare Überkopfverglasungen von den Technischen Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen (TRLV) nicht abgedeckt sind. Durch die Betretungslast wird nach DIN 4426 und dem Merkblatt GS-BAU 18 der Berufsgenossenschaft ein statischer Nachweis mit einer Mannlast von 1,5 kN auf einer Aufstandsfläche von nur 10 x 10 cm und eine Zustimmung im Einzelfall erforderlich! Man fragt sich zwar, was ein 150 kg schwerer Dachreiniger, der auf Zehenspitzen auf einem Bein steht, auf einer Dachverglasung zu suchen hat. Aber der statische Nachweis muss geführt werden und ist tückisch: muss doch auch noch die obere Scheibe von Isolierverglasungen als ausgefallen angenommen werden. Zusätzlich sind im Rahmen der ZiE meistens Fallversuche an der Verglasung mit einem 50 kg schweren Glaskugelsack notwendig, der aus einer Höhe bis zu 1,80 m abgeworfen wird. Die Verglasung muss unter der gegebenen Belastung des Mannes und des Sacks meist eine Resttragfähigkeit für eine Dauer von 30 Minuten gewährleisten. Bei vierseitig gelagerten Scheiben gelingt der Versuch fast immer. Man kann sich aber vorstellen, dass der Aufwand in Berechnung und Genehmigung für Überkopfverglasungen, die nur zu Reinigungszwecken betreten werden sollen, häufig in keiner Relation zur Größe des Objekts selbst steht (Bild 12).
Ausblick Überkopfverglasungen sind faszinierend und bieten im Gebäude blauen Himmel und Sterne über dem Kopf. Hauptproblem für die Anwendung im Dach bleiben neben dem Kostenaspekt das Gewicht und die Verschattungsmöglichkeiten. Die Beschichtungssysteme werden sicher in den nächsten Jahren noch ausgefeilter und teilweise auch schaltbar, um das letztere Problem zu lösen. Um Gewicht einzusparen, bieten sich neben Glas auch transparente Folien an, die ihr Billigimage langsam abgelegt haben: In Kombination mit Glas könnten zum Beispiel Folienkissen (Bild 10) die Rolle der unteren Scheibe von Überkopfverglasungen übernehmen: dünnes, thermisch vorgespanntes, vierseitig gelagertes Glas trägt und wird im Bruchzustand von den Folienkissen zurückgehalten. Denn eine nur 4 mm dicke ESG-Scheibe kann bei 2 x 2 m und vierseitiger Lagerung durch den Membranspannungszustand leicht 100 kg/m2 an Schnee tragen. Die Folie übernimmt durch das eingeschlossene Luftvolumen den Wärmeschutz, der durch Beschichtungssysteme auf dem Glas verstärkt wird. Eine Bedruckung auf Glas und/oder Folie schafft Sonnenschutz. Noch Zukunftsmusik, aber bereits in der Erprobung im Gewächshausbereich. J. S.
Literaturhinweis: – Schober, Hans, Kai Kürschner und Hauke Jungjohann, Neue Messe Mailand – Netzstruktur und Tragverhalten einer Freiformfläche, Stahlbau 8/73 (2004), S. 541–551 – Stephan, Sánchez-Alvarez und Klaus Knebel, Stabwerke auf Freiformflächen, Stahlbau 8/73 (2004), S. 562–572 – Reisinger, Gerhard, Greenhouse of the Future, Greenbusiness International 1/2004, S. 36–37 – Schober, Hans, Freefrom Glass Structures. Proceedings Glass Processing Days Tampere, Finland, 2003, S. 46–50 – Schober, Hans, Hannes Gerber und Jens Schneider, Ein Glashaus für die Therme in Badenweiler, Stahlbau 11/73 (2004), S. 886–892 – Wörner, Johann-Dietrich, Jens Schneider und Andreas Fink, Glasbau, Springer-Verlag, Berlin, 2001 – Schneider, Jens, Überkopfverglasungen und begehbares Glas, db 4/99, S. 129 ff – Technische Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen, September 1998, Mitteilungen des Deutschen Instituts für Bautechnik, Beuth-Verlag, Berlin, 1998