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Unter Spannung

Technik
Unter Spannung

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3 Verbessertes Tragverhalten von Teilvorgespanntem Glas (nach [2]) 4 Bereich definierter und undefinierter Oberflächenspannungen (nach [3]) 5 Prinzipskizze der Herstellung von TVG und ESG (nach [6]) 6 Prinzipskizze der Herstellung von VG und VSG (nach [6]) 7 Im Petueltunnel in München als sekundäres Tragelement verwendet, sorgt teilvorgespanntes Glas für ausreichend Tageslichteinfall 8 Prinzipskizzen der Bruchbilder von VSG a) aus 2 x ESG (Rissbilder der oberen und unteren Scheibe etwa gleich; die Risse der oberen und unteren Scheibe liegen allerdings nicht übereinander) b) aus 2 x Floatglas (kreisförmige Risse: obere Scheibe; sternförmige Risse: untere Scheibe) c) aus 2 x TVG (kreisförmige Risse: obere Scheibe; sternförmige Risse: untere Scheibe), nach [13]
Seit etwa zwanzig Jahren ist teilvorgespanntes Glas am Markt und findet seine Anwendung im konstruktiven Glasbau. Und obwohl TVG bereits seit mehr als fünf Jahren in EN 1863 geregelt ist, sind in Deutschland nach wie vor Allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen – wenn nicht sogar teure Zustimmungen im Einzelfall – für die Anwendung von TVG notwendig. For about twenty years heat strengthened glass has been commercially available for glass structures. For more than five years heat strengthened glass has been described in the European standard EN 1863–1. Nevertheless for the use in glass structures in Germany a technical approval is necessary, perhaps in some cases an expensive special consent by the supervising authority.

Seit über 5000 Jahren wird Glas produziert; erstaunlich ist allerdings, dass es bis heute mit dem Mundblasverfahren, Gussverfahren, Ziehverfahren und Floatverfahren nur vier technische Entwicklungsstufen für die Glasherstellung gibt. Auch die Glasrezeptur hat sich in ihren wesentlichen Bestandteilen nicht geändert. Ständige Verbesserungen bei den Zusätzen und der Gewichtung der Massenanteile führten schließlich zu der in der EN 572–1 [1] festgelegten Rezeptur für Flachglas. Die Herstellung veredelter Flachglasprodukte ist dagegen gerade fast 100 Jahre alt. So wird Verbundsicherheitsglas (VSG) seit 1909, Einscheibensicherheitsglas (ESG) seit 1928 und Teilvorgespanntes Glas (TVG) seit 1985 produziert.

Notwendigkeit der Glasveredelung Glas hat ein nahezu linear elastisches Verhalten und besitzt somit keinerlei »Plastifizierungsreserven«, wie dies beim Stahl bekannt ist. Bei mechanischer Überbeanspruchung versagt Glas mit einem spröden Trennbruch. Verglichen mit anderen Materialien ist seine Druckfestigkeit enorm, sie liegt bei Glas bei 700–900 N/mm2, bei Gusseisen bei etwa 700–850 N/mm2 und bei Granit bei etwa 250 N/mm2. Die Zugfestigkeit setzt dem Glas jedoch enge Anwendungsgrenzen. Es ist deshalb nicht ohne weiteres tragend einsetzbar. Oberflächendefekte (Bild 2a), vor allem Risse durch Kratzer bei der Herstellung, Reinigungsspuren und Windschliff führen zu Spannungsspitzen im Rissgrund. Kommt es zum Überschreiten der so genannten kritischen Zugspannung im Rissgrund, beginnt ein in der Bruchmechanik als »sub- oder unterkritisch« bezeichnetes langsames und stabiles Risswachstum (Bild 2b). Mit anhaltender Belastungsdauer nimmt das subkritische Risswachstum zu. Daher muss die tatsächliche Beanspruchbarkeit einer Glasscheibe stark gegenüber ihrer Kurzzeitfestigkeit abgemindert werden. Entsteht ein kritisches, also schnelles und labiles Risswachstum zum Beispiel durch Belastungszunahme, kommt es zum schlagartigen Versagen ohne Vorankündigung (Bild 2c). Die Wahrscheinlichkeit kritischer Anrisse nimmt mit der Glaslebensdauer ständig zu. Die Bruchfestigkeit von Glas ist deshalb keine Materialkonstante, sie hängt vom Oberflächenzustand ab [3]. Aufgrund der nicht vorhandenen Resttragfähigkeit – dem Widerstand gegen das völlige Versagen eines teilweise zerstörten Bauteils unter einer bestimmten Belastung [4] – nach einem Scheibenbruch finden Einzelscheiben im konstruktiven Glasbau als Tragelemente keine Verwendung.
Herstellung veredelter Gläser Sollen Gläser hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit optimiert werden, ist den negativen Einflüssen der oben genannten Oberflächendefekte entgegenzuwirken. Eine Verbesserung der Glaseigenschaften kann prinzipiell durch zwei Verfahren erzielt werden, dem Vorspannen und dem Verbinden. Vorspannen von Glas Für das Vorspannen stehen mit dem chemischen und dem thermischen Vorspannen zwei Verfahren zur Verfügung, wobei das thermische das wirtschaftlich (und finanziell) bedeutendere ist. Die nach dem Floatverfahren hergestellte Flachglasscheibe erhält eine Wärmebehandlung, bei der die Glasscheibe über ihre Transformationstemperatur hinaus auf etwa 650 °C erwärmt wird, um sie anschließend sehr schnell – dann entsteht Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG) – oder langsamer – dann entsteht Teilvorgespanntes Glas (TVG) – an den Glasoberflächen abzukühlen (Bild 5). Dadurch wird der Ober- fläche eine thermische Druckvorspannung und dem Scheibeninneren eine Zugspannung »eingeprägt« (Bild 3a). Beide Spannungen stehen im Gleichgewicht. Die Biegezugfestigkeit von vorgespanntem Glas erhöht sich durch diese thermische Behandlung etwa um den Wert der Druckvorspannung, da die (unter äußerer Belastung zum Risswachstum führenden) Biegezugspannungen (Bild 3b) im Bereich der Risse an der Glasoberfläche erst nach dem Abbau der Druckvorspannung entstehen (Bild 3c). Eine Weiterbearbeitung thermisch vorgespannter Gläser ist allerdings nicht mehr möglich, denn eine Störung der Eigenspannungszustände würde zum Glasbruch führen [2] – eine einmal eingeprägte Spannung bleibt viele Jahrhunderte nahezu unverändert. Bei hoher Erwärmung erfolgt jedoch eine Entspannung, weshalb der Einsatzbereich auf Temperaturen bis etwa 200 °C beschränkt ist. Als weiteres positives Ergebnis des Vorspannens verändern sich mit der Oberflächenspannung auch die Bruchbilder. Der Prozess des Vorspannens wird bei ESG sehr gut beherrscht, bei TVG ist jedoch für die Steuerung des Herstellungsprozesses viel Know-how erforderlich, da sich komplexe Vorgänge der Glasdehnung und -kontraktion sowie strukturelle Effekte des Materials überlagern [5]. Die Schwierigkeit bei der Herstellung von TVG besteht darin, die »undefinierten Bereiche« (Bild 4) nicht zu treffen [3]. An der Glasscheibe selbst ist nicht direkt erkennbar, welche Druckspannung an den Scheibenoberflächen vorgespannter Gläser vorliegt. Deshalb muss als Prüfung nach DIN EN 1863–1 [7] beim Anschlagen einer Scheibe ein »repräsentatives« Bruchbild erzielt werden – ist das der Fall, handelt es sich zweifelsfrei um TVG. Auch ist die Produktion auf eine Glasdicke von maximal 12 mm beschränkt, da bei zunehmender Dicke die Neigung zum Krümelbruch zunimmt und keine weitere nennenswerte Erhöhung der Bruchfestigkeit erreicht wird [5]. Verbinden von Glas Wie schon erwähnt, können Einzelscheiben im konstruktiven Ingenieurbau wegen fehlender Resttragfähigkeit nicht zum Einsatz kommen. Das Verbinden mehrerer Scheiben führt jedoch zu positiven Trageigenschaften. Zu unterscheiden sind Verbundglas (VG), bei dem die Verbundwirkung durch Gießharze oder Polyvinylbutyral (PVB)-Folien hergestellt wird, und Verbundsicherheitsglas (VSG), bei dem mindestens zwei (maximal zehn) Scheiben mit PVB-Folien von mindestens 0,38 mm (maximal 2,28 mm bei mehrlagiger Schichtung) verbunden werden (Bild 6). An die Folien gibt es bei VSG die Anforderungen, dass sie die Bruchstücke bei Scheibenbruch zusammenhalten, die Resttragfähigkeit bei Scheibenbruch gewährleisten, die Größe der Öffnungen nach Durchstoß begrenzen und somit die Schnittverletzungsgefahr verringern [2]. VSG ist somit ein splitterbindendes Glas, das bei mechanischer Überbelastung zwar bricht, bei dem aber im Gegensatz zu normalem Glas die Bruchstücke fest an der elastischen Zwischenschicht haften bleiben.
Zulassungen Glas erhält als tragender Baustoff eine immer größere Bedeutung. Die Normung ist jedoch weit hinter dem Stand der Technik und den Einsatzmöglichkeiten von Glas zurückgeblieben – es gibt bis heute keine für den konstruktiven Glasbau gültige Norm. TVG ist bis heute nicht bauaufsichtlich eingeführt und steht somit nicht in Bauregelliste A oder B. Für begehbares Glas oder Glasbalken und -stützen liegen keine als technische Baubestimmungen bekannt gemachten Ausführungs- und Bemessungsnormen oder Allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen (AbZ) vor, weshalb diese Bauteile durch die oberste Bauaufsichtsbehörde eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE) erhalten müssen. Angesichts der Zeitverluste und hohen Kosten für dieses Verfahren wäre das Erarbeiten von Normen und technischen Regeln hilfreich. Solche Normen dürfen jedoch nicht mehr national aufgestellt werden, da entsprechende europäische Normungsaktivitäten begonnen haben, deren Ergebnis heute nicht abzusehen ist. Um zumindest Verwendungsregeln für wichtige Anwendungsbereiche von Glaskonstruktionen zu erhalten, hat der zuständige Sachverständigenausschuss des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) die »Technischen Regeln für die Verwendung linienförmig gelagerter Verglasungen« [8] und die »Technischen Regeln für die Verwendung von absturzsichernden Verglasungen« [9] erarbeitet. Allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen liegen seit einigen Jahren unter anderem für die Herstellung von TVG (z.B. [10]) und für punktgehaltene Vordächer aus TVG (z.B. [11]) vor. Der Arbeitskreis Glasbau des Bau-Überwachungsvereins (BÜV e.V.) hat mit der »Empfehlung für die Bemessung und Konstruktion von Glas im Bauwesen« im April 2001 eine Grundlage für ein Regelwerk vorgelegt. Es soll die Planung und Bemessung von Glaskonstruktionen nach dem derzeitigen Stand der Technik ermöglichen [12].
Eigenschaften von TVG sowie von VSG aus TVG Der wesentliche Vorteil von TVG besteht – im Vergleich zu Floatglas und ESG – in seinem radialen Bruchbild mit großen Scherben:
– Das Bruchbild von VSG aus ESG ist netzartig, kleinkrümelig und weist eine geringe Resttragfähigkeit auf (Bild 8a). Neu entwickelte Folienmaterialien verringern allerdings den so genannten Ausknöpfeffekt aus den Punkthaltern, der einem Durchstanzen der Verglasung ähnelt, und steigern die Resttragfähigkeit.
– Unter Belastung senkrecht zur Scheibenebene bricht VSG aus
Floatglas auf der Druckseite (obere Scheibe) ringförmig, während es auf der Zugseite (untere Scheibe) einen sternförmigen Bruchverlauf mit relativ kleinen Bruchstücken aufweist (Bild 8b).
– Unter gleicher Belastung bricht VSG aus TVG analog zum VSG aus Floatglas, die Bruchstücke sind jedoch wesentlich größer (Bild 8c) [13] – ein mit vierseitig gelagerten Stahlbetonplatten vergleichbares Bruchbild. Durch die Verbindung mit der PVB-Folie stützen sich die Bruchstücke gegenseitig, wodurch die geforderte Resttragfähigkeit erzielt wird. Daher ist VSG aus TVG für die Verwendung in tragenden Bauteilen aus Glas besser geeignet als VSG aus Floatglas.
In welchen Bereichen wird TVG heute bevorzugt verwendet?
Als Systematik zur Einteilung der Bauteile aus TVG bietet sich die Unterscheidung in »Haupttragwerke« und »weitere Bauelemente« nach Eurocode 1 an. Vereinfachend wird die Verwendung von TVG unterschieden in primäre Tragelemente (Bild 1) und sekundäre Tragelemente (Bild 7) [14]. Kommt Glas als Haupttragwerk (als Primärtragelement) zum Einsatz, trägt es planmäßig Systemlasten – zum Beispiel Zug- und/oder Druckkräfte – aus der gesamten Konstruktion ab. Als Sekundärtragelement nimmt eine Verglasung beispielsweise nur Wind, Schnee und Eigengewichtslasten auf.
Einen Einsatzschwerpunkt von Primärtragelementen mit VSG aus TVG bilden Glasbalken (Biegeträger) und Glasstützen wie auch tragende Wandscheiben und die Gewölbetragwerke Kuppel und Ton-ne (siehe z. B. [15, 16]). Die Hauptanwendung von VSG aus TVG als Sekundärtragelement stellen Überkopfverglasungen dar; zahlreiche Versuche haben unter anderem den Nachweis erbracht, dass insbesondere punktgehaltenes VSG durch den so genannten Vernadelungseffekt, also durch die erhöhte Tragfähigkeit aufgrund der durch die Punkthalter behinderten Verschiebung der Einzelscheiben gegeneinander, eine hohe Resttragfähigkeit erzielt. Für Überkopfverglasungen ist deshalb VSG aus 2 x TVG heute fast alternativlos [5]. Häufig kommt auch VSG aus TVG kombiniert mit ESG oder Floatglas zum Einsatz, zum Beispiel bei horizontalen Tragwerken wie Verbindungsstegen. In diesen primären Tragkonstruktionen besteht VSG häufig aus einer oberen Scheibe aus ESG und einer unteren aus TVG. Der Vorteil dieses Verbundes liegt im Ausnutzen der hohen zulässigen Biegezugspannung des ESG und der großen Bruchstücke von TVG. Im Versagensfall haften die kleinen Glaskrümel des ESG durch die PVB-Folie an den großen Splittern des TVG.
Zusammenfassung und Ausblick Als Ergebnis ist festzuhalten, dass TVG seine »Marktlücke« gefunden hat: Derzeit wird für punktgehaltene Verglasungen bevorzugt VSG aus TVG angewendet. Nachteilig bleibt, dass das Bauen mit TVG wegen der teilweise noch notwendigen Zustimmung im Einzelfall (ZiE) sehr zeit-, wissens- und damit kostenintensiv ist. Allerdings werden seit 2004 auch Allge-meine bauaufsichtliche Zulassungen für punktgehaltene Verglasungen mit TVG erteilt (z.B. [17]), aufgrund derer dieses aufwändige Verfahren nun entfällt. TVG kann das Glas der Zukunft werden, wenn es unter anderem gelingt, Flächentragwerke in Kuppel- oder Tonnenform als Ganzglas-Tragkonstruktionen zu entwickeln, zum Beispiel für die Überdachung großer Flächen wie Passagen oder ganzer Parklandschaften J. B., H. M., M. P.
Literaturhinweise: [1] DIN EN 572–1: 1995–01: Glas im Bauwesen. Basiserzeugnisse aus Kalk- Natronglas, Teil 1: Definition und allgemeine physikalische und mechanische Eigenschaften [2] Sedlacek, Gerhard, u.a.: Glas im konstruktiven Ingenieurbau, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 1999 [3] Schittich, Christian, u.a.: Glasbau Atlas, Institut für internationale Architektur- Dokumentation, München, 1998 [4] Wörner, Johann-Dietrich und Jens Schneider: Glas als Konstruktions- und Fassaden-element im Bauwesen. In: VDI-Gesellschaft Bautechnik (Hrsg.): Jahrbuch 10 (1998), S. 111–141 [5] Bucak, Ömer: Glas im konstruktiven Ingenieurbau. In: Kuhlmann, Ulrike (Hrsg.): Stahlbau-Kalender 1999, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 1999, S. 516–643 [6] Wörner, Johann-Dietrich, Jens Schneider und Andreas Fink: Glasbau – Grundlagen, Berechnung, Konstruktion, Springer-Verlag, Berlin, 2001 [7] DIN EN 1863–1: 2000–03: Teilvorgespanntes Kalknatronglas, Teil 1: Definition und Beschreibung [8] Technische Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen, Deutsches Institut für Bautechnik, DIBt-Mitteilungen, 5/1998, S. 223–227 [9] Technische Regeln für die Verwendung von absturzsichernden Verglasungen, Deutsches Institut für Bautechnik, DIBt-Mitteilungen, 01/2003, S. 58–68 [10] Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z 70.4–58 vom 05.06.2002 – Linienförmig gelagerte Verglasung aus teilvorgespanntem Glas und Verbundsicherheitsglas, Deutsches Institut für Bautechnik [11] Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z 70.3–37 vom 16.01.2001 – Punktgestützte Vordachsysteme GDH-03–16–4, GDH-03–16–06, GDH-03–20–4 und GDH-03–20–6, Deutsches Institut für Bautechnik [12] BÜV- Empfehlung für die Bemessung und Konstruktion von Glas im Bauwesen, Arbeitskreis Glasbau des Bau-Überwachungsvereins (BÜV). In: Der Prüfingenieur, 2001, S. 55–69 [13] Bucak, Ömer: Glas im konstruktiven Ingenieurbau. Vortrag an der FH in Buxtehude, 27.03.2003 [14] Knaack, Ulrich: Konstruktiver Glasbau, Verlag Rudolf Müller, Köln, 1998 [15] Ludwig, Josef J., und Hans-Ulrich Weiler: Innovative Tragstrukturen aus Glas – Ganzglaskugelkalotte – Weltbildkuppel in Augsburg. In: Stahlbau, 4/1998, S. 319–323 [16] Ludwig, Josef J., und Hans-Ulrich Weiler: Glasdach im Maximilianmuseum in Augsburg. In: Glas 2/2000, S. 20–25 [17] Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z 70.2–99 vom 07.09.2004 – Punktgehaltene Verglasung mit Tellerhaltern PH705, PH707, PH791, PH793, PH 794, PH 800, PH103, PH104 und PH106, Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt)
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