Kapitel Glaskonstruktionen

22.01.2013
Hochbaukonstruktionen 2
Glaskonstruktionen
Univ. Prof. Dr. A. Kolbitsch
Übersicht
•
Grundlagen
–
–
–
•
Werkstoff Glas
–
–
•
•
Auswahl der Glasart
NW nach zulässigen Spannungen
Nachweise nach Grenzzuständen
Experimentelle Nachweise
Sicherheit
–
–
•
•
Herstellung
Vorspannung
Befestigungssysteme
Bemessung
–
–
–
–
•
Geschichte
Aktuelle Ausführungsbeispiele
Begriffsbestimmungen
Resttragfähigkeit
Bauvorschriften
Aktuelle Fassadenkonstruktionen
Literatur
1
22.01.2013
Geschichte Glastechnik
• Mondglasscheiben
• Schleifen von Scheiben
– Frankreich 17. Jhdt.
• Glaskonstruktionen Baxton
– Kristallpalast
Entwicklungen konstruktiver Gasbau
Sir Joseph Baxton 1804 - 1865
Kristallpalast 1850 - 1851
2
22.01.2013
Entwicklung Glaskonstruktionen
Garage Rue Marboef 1929
Fagus Werk 1911-1916
Entwicklung 2
Ford Foundation HV Roche 1963/68
Tecno – Fassade unterspannt 2001
3
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Gebäudehülle
Fa. Festo
Fassade, unterspannt
4
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Lentos - 2003
Sonderkonstruktionen
Glasträger
Glasbrücke
5
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Glasschwerter im Fassadenbau
• Funktionen
– Direkte Unterstützung der
Fassade/des Daches
– Zugbeanspruchte Elemente
– Biegebeanspruchte Elemente im
Fassadenbereich
• Ausführungsvarianten
– Reine Glas-Biegeträger
– Verbundelemente
• Stahl-Glas
• Beton-Glas
Rose Center of Earth and Space NY
Flachglas Einteilung
6
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Definitionen nach ON B 3710
Brandschutzglas
Flachglas zur Herstellung von Verglasungen gem. ON B 3800-3 bzw.
EN 13501-1
Drahtornamentglas
Kalk-Natronsilicatglas, durch kontinuierliches Gießen und Walzen
hergestellt mit Einlage eines verschweißten Stahl-Dratnetzes
ESG (EinscheibenSicherheitsglas)
Thermisch vorgespanntes Guss-, Float-, Roh- oder Fensterglas.
Floatglas
Flachglas, durch Fließen einer geschmolzenen Glasmasse auf
einem Metallbad hergestellt
Isolierglas
Element aus zwei oder mehr gleich- oder ungleichartigen Scheiben,
die auf Abstand gehalten werden und im Randbereich verschmolzen
sind.
TVG (Teilvorgespanntes
Glas)
Behandeltes Flachglas mit erhöhter mech. Festigkeit
VSG (VerbundSicherheistglas)
Flachglas aus zwei oder mehr Scheiben mit einer Zwischenschicht
die bei Bruch eine Restfestigkeit bietet
Vorgespanntes Glas
Thermisch oder chemisch vorgespannt
Herstellung von Floatglas
•
•
1959 durch Fa. Pilkington
entwickelt
Ausgangsstoffe (KalkNatronglas)
–
–
–
–
–
•
•
SiO2
CaO
Na2O
MgO
Al2O3
69-74%
5-12%
12-16%
0-6%
0-3%
Herstellung auf flüssigem Zinn
Abmessungen
– Bandmaße 3,2/6,0m
– Dicken:
2,3,4,5,6,8,10,12,15,19,25
mm
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Mechanische Eigenschaften Floatglas
Kennwert
Symbol
Kalk-Natron-Silicatglas
Vergleich:
Stahl
Werte
Dichte

2500 kg/m³
7800
Elastizitätsmodul
E
70000N/mm²
210000
Poissonzahl

0,23
Wärmeausdehnungskoeffizient
T
9.10-6°C-1
12.10-6
Temperaturwechselbeständigkeit
T
30 bis 40°C
-
Druckfestigkeit
fc
Biegezugfestigkeit (5%-Fraktile)
fft
700 - 900 N/mm² fu=360N/mm
² für S 235
45 N/mm²
Theor.:5000-8000
Bruchdehnung

0,06 bis 0,17%
0,25
Besonderheiten zu mechanischen
Eigenschaften
• SpannungsDehnungsverhalten
– Keine
Spannungsumlagerung
durch Plastifizieren
– Auswirkung von
Vorschädigungen
• Temperaturverhalten
thermisches
Ausdehnungsverhalten
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Thermisches Verhalten - Biegebruchversuch
Glasschmelze
Herstellungsabhängige Biegezugfestigkeit
Thermisch vorgespanntes Glas TVG und ESG
•
•
•
Verbesserung der Biegezugfestigkeit
durch thermische Vorspannung.
Aufheizen des Floatglases bis zum
Transformationsbereich von 640°C
Vorspannung:
– Oberflächen kühlen früher ab 
gewinnen an Festigkeit; teigiger Kern
verformt sich mit
– Bei Abkühlung des Kerns haben
oberflächennahe schichten bereits
an Festigkeit gewonnen 
Druckvorspannung im
Eigenspannungszustand
•
Spannungsverteilung von ESG, TVG
bei Biegebeanspruchung.
9
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Mechanische Eigenschaften von TVG und ESG
Eigenschaft
Bezeichnung
Wert
TVG Temperaturwechselbeständigkeit
T
100°C
ESG
Temperaturwechselbeständigkeit
T
200°C
TVG
Prüfbiegezugfestigkeit
fft
70 bis 90 N/mm²
ESG
Prüfbiegezugfestigkeit
fft
120 bis 150 N/mm²
Thermisch behandeltes Glas TVG und ESG kann nicht mehr bearbeitet werden
Thermische Vorspannung von Glas
Nach Sedlacek, 1999
10
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TVG, eingeprägte Spannungen
Nach Sedlacek, 1999
ESG, TVG, Prinzip
Nach Sedlacek, 1999
11
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Exkurs Punktbefestigung
•
•
•
Punktbefestigung durch Klemmung
der Scheibe
Unterscheidung nach Klemmkopf
Lokale Spannungsspitzen in Scheibe
System Rodan
System Planar
TVG, Spannungsverteilung im Bereich Bohrung
Nach Sedlacek, 1999
12
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Versagen von vorgesp. Glas
Bruchuntersuchung
Nach Sedlacek, 1999
13
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Verbundsicherheitsglas VSG
• Mindestens zwei Scheiben
– VSG
– TVG
– ESG
• Zwischenlage: Folie PVB
– Foliendicke = Vielfaches von 0,38
mm
– Folienreißfähigkeit bei
Raumtemperatur > 20 N/mm²
– Folienreißdehnung 250%
• Resttragfähigkeit
Befestigung von Glasscheiben
• Konventionelle
Linienlagerungen
• Klebeverbindungen
– Gleichmäßige Lasteintragung
– Durch Klebstoffeigenschaften
und Klebstoffdicken regulierbar
– Elastomere Kleber: Silikon
– Einsatz bei Structural (Sealant)
Glazing
• Lochleibungsverbindungen
– Reibverbindungen
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Linienlagerung
Klemmlagerungen
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Punktbefestigungen
Punktbefestigungen
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Bruchversuch und Modellierung
Begriffsbestimmungen zu den Bauvorschriften
•
Vertikalverglasung
•
Überkopfverglasung
– Neigung  15° zur Vertikalen
– Neigung > 15° zur Vertikalen
•
Absturzsichernde Verglasung
– Brüstungen
– Geländer
•
Begehbares Glas
– Trittstufen
– Deckenteile
– Brücken
•
Tragende Teile
– Schwerter
– Stützen
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Anforderungen an die Sicherheit
• Allgemein
– Versagen ist auf die Zeit der Nutzungsdauer mit der üblichen
Versagenswahrscheinlichkeit auszuschließen
• Resttragfähigkeit
– Begrenzte Verformung des Glases ist zu berücksichtigen
– Je nach Einsatz der Glaskonstruktion
• Temperaturwechselbeständigkeit
• Statische Nachweise
– Können durch Versuchsaufbauten ersetzt werden
Umsetzung von Richtlinien der Europäischen Kommission
• Bauproduktenrichtlinie: Richtlinie 89/106/EWG des Rates vom 21. Dezember 1988 zur Angleichung der Rechts‐ und Verwaltungsvorschriften der Mitgliedstaaten über Bauprodukte (Amtsblatt Nr. L 040 vom 11/02/1989, S. 012 ‐ 026) • Sektoren‐Vergaberichtlinie: Richtlinie 2004/17/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 31. März 2004 zur Koordinierung der Zuschlagserteilung durch Auftraggeber im Bereich der Wasser‐, Energie‐ und Verkehrsversorgung sowie der Postdienste (Amtsblatt Nr. L 134 vom 30/04/2004, S. 001 – 113) • Vergaberichtlinie: Richtlinie 2004/18/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 31. März 2004 über die Koordinierung der Verfahren zur Vergabe öffentlicher Bauaufträge, Lieferaufträge und Dienstleistungsaufträge (Amtsblatt Nr. L 134 vom 30/04/2004, S. 114 –
240) 18
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Werkstoffkennwerte
E‐Modul
Eg
[N/mm²]
70000
Poisson‐Zahl 0,23
T.‐Ausd.‐
koeff
T [1/K]
9,0.10‐6
Erdalkali‐
Silicatglas
77000
0,20
8,0.10‐6
Borosilicatglas
60000
0,20
6,0.10‐6
Glasart
Kalk‐Natron‐
Silicatglas
g
Nutzungsspezifische Anforderungen
Konstruktion
Anforderungen
Verglasung
Begehbare Verglasung
GZ 1, Resttragfähigkeit nach Glasbruch, Stoßsicherheit (harter Stoß)
VSG mit Verschleißschicht
Geländer,
Brüstung
GZ 1, ausreichende Stoßsicherheit bei weichem Stoß
Ohne tragendem Handlauf: VSG oder ESG, sonst nur VSG
Überkopfverglasung
GZ 1, ausreichende Resttragfähigkeit nach Bruch, ggf. harter Stoß (Hagel)
VSG, TVG,
Drahtglas
Tragkonstruktion
(Schwerter, Stützen,..)
GZ 1, umfassende Ausschließlich VSG
Sicherheitsbetrachtung (redundante Tragstruktur, Brandsicherheit)
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Auflagerungsbedingungen
Gemäß ON B 2227:2005, (Glaserarbeiten‐
Werkvertragsnorm) Abschnitt 4.3
• Unter Last‐ und Temp.‐Einwirkung darf kein Kontakt zw. Glas und Metall bzw. zwischen Glas und Glas auftreten
• Verrutschen der Scheiben durch Distanzklötze verhindern, Lagerung muss zwängungsarm sein
• Baustoffe/‐teile der Konstruktionsteile für die Lagerung müssen der Nutzungsdauer entsprechen
• Verbundglas‐, Verbundsicherheitsglas‐ und Drahtglaskanten dürfen nicht ständig der Feuchtigkeit ausgesetzt sein.
Einwirkungen – Nutzlasten, Wind
• Ständige Lasten
– Eigengewicht
– Zusatzlasten
• Nutzlast
– Ansatz für Wartung
• Windkräfte
– Bei flachen Dächern Sog und Druck
• Isolierglas
– Klimalast bei Luftdruckänderung
– Windlast auf beide Scheiben • Lawinen, Erdbeben
– Auch Tangentialkräfte bei Fassadenkonstruktionen
– aufgeteilt
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Einwirkungen
• Charakteristische Werte der Einwirkungen (Gk, Qk) • Einschlägige Belastungsnormen
– ON EN 1991‐1‐1, ON B 1991‐1‐1, EN 1991‐1‐3, ON B 1991‐
1‐3, ON EN 1991‐1‐4,ON B 1991‐1‐4
– Sowie Eigengewicht und außergewöhnliche Lasten wie Lawinen‐ und Erdbebenlast
• Durch den Bauherrn festzulegende Angaben
• Bei geforderter Betretbarkeit (Reinigung, Wartung) gilt Nutzungskategorie H nach B 1991‐1‐1, EN 1991‐
1‐1, Die Einzellast Qk ist auf einer Fläche von 100 x 100 m an ungünstigster Stelle anzusetzen.
Isolierglasscheiben
•
Entwicklungen seit ca. 50 Jahren
– Randverschweißte, luftgefüllte
Scheiben
•
Aktuell:
– Beschichtung (Bedampfung innen)
– Gasfüllung
•
Gegebenenfalls Kombination mit
Sonderscheiben
– VSG (Schallschutz), ESG
– Sonnenschutzgläser
– Brandschutzgläser, etc.
•
Zusatznachweise bei Bemessung
– Klimatische Beanspruchung
– Resttragfähigkeit der zweiten
Scheibe
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Isolierglas
∙∆
∆
∆
0,34
0,012
/
Druckdifferenzen bei Isolierverglasungen
Einwirkungskombinati T [K] pmet
H [m] p0
on
[kN/m²]
[kN/m
²]
Sommer
+20
‐2
+600 +16
Winter ‐25
+4
‐300
‐16
T Temperaturdifferenz zwischen Herstellung und Gebrauch
pmet Differenz des Meteorologischen Luftdruckes am Einbauort und bei der Herstellung
p0  c1  ΔT  Δpmet  c2  ΔH
H Differenz der Ortshöhe zwischen Einbauort und Herstellungsort
P0 resultierender isochorer Druck c1 = 0,34 kPa/K, c2 = 0,012 kPa/m
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Koppeleffekt
1
23
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Verteilung der Einwirkungen
Lastanteil auf die
Belastung der äußeren Scheibe
äußere Scheibe 1
innere Scheibe Scheibe 1
∗
∙
∙
1
⁄
∙
∗
∙
∙
∙
∙
Belastung der inneren Scheibe
1
∙
∙
∙
∙
∙
∙
Kombinationsregeln
• Kombinationsregeln nach ON EN 1990:2003, Anhang A mit folgenden Ergänzungen
– Holmlasten sind wie Nutzlasten der Kategorie A zu behandeln
– Klimalasten sind wie Temperaturlasten zu behandeln
– Bei Horizontalverglasungen ist der Lastfall „Ausfall der oberen Scheibe“ als außergewöhnlicher Lastfall zu betrachten.
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Grundlegende Anforderungen für die Ermittlung von Spannungen und Verformungen
• Bei Spannungsberechungen ist für Glas ein linear‐elastisches Materialverhalten anzunehmen
• Unvermeidliche Zwängungen und Verformungen der Unterkonstruktion sind zu berücksichtigen
• Eine günstig wirkende Nichtlinearität (z.B. Membraneffekt) darf in den Berechnungen berücksichtigt werden
• Durchbrüche, Lochbohrungen und Einsatzecken sind als Spannungskonzentrationen in den Berechungen zu berücksichtigen
• Bei Punkthalterungen sind Verformungsverhalten, Drehpunktlagerung oder Steifigkeit und außermittiger Lastangriff zu Berücksichtigen
• Es sind die Nennwerte der Glasdicken zu verwenden.
Schubverbund
• Bei Ermittlung der Verformungen und Spannungen von Verbundsicherheitsgläsern mit einer Neigung 
15° gegen die Vertikale: • für kurzzeitige Einwirkungen: Schubmodul G = 0,4 N/mm²
• Bei Stoßbelastung voller Schubverbund
• Gilt nur bei PVB‐Folien (Polyvinyl‐Butyral‐Folie) mit bestimmten mech. Eigenschaften
• Günstig wirkender Randverbund von Isolierglasscheiben darf nicht berücksichtigt werden
• Bei ungünstig wirkendem Schuberverbund (thermische Belastung) ist voller Schubverbund einzusetzen
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Nachweis Gebrauchstauglichkeit
Nachweis der Gebrauchstauglichkeit
mit γF = 1,00 als Teilsicherheitsbeiwert
für die Einwirkungen. allgemein gilt:
Durchbiegung, maßgebend hierfür ist
– der Elastizitätsmodul E (Material) und
– das Trägheitsmoment I (Querschnitt).
Berechnung bei Glas Verfahren EE mit
vorgegebenen E-Modul
Ed  Cd
Tabellenwerte
Ed... Bemessungswert der Lastauswirkungen
(z. B. Durchbiegung)
Cd... Bemessungsgrenzwert der Auswirkung
(z. B. Grenzwert der Durchbiegung gemäß
EC)
Tafeln
Programme
FEM- Berechnung
Vor allem bei Punktlagerung
Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit
Lagerung
Vierseitig gelagert
2 und 3-seitig gelagert
l1
d
1)
2)
Horizontalverglasung
Vertikalverglasung
f  l1/100
Keine Anforderungen 1)
Einfachverglasung:
f  l1/100
f 1/50 der freien Kante 2)
Scheiben der
Isolierverglasung:
f 1/200der freien Kante
f 1/70 der freien Kante 1)
Scheibenstützweite in Haupttragrichtung
Dicke der Glasscheibe
Vorgaben Isolierglashersteller beachten
Oder unter Last wird ein Glaseinstand von 5mm nicht unterschritten
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Nachweisführung im Grenzzustand der Tragfähigkeit
Die Nachweisführung erfolgt
grundsätzlich durch den Vergleich der
Bemessungswerte S  R
d
d
Sd...Bemessungswert der Beanspruchung vereinfacht f . Sk
Rd... Bemessungswert des Widerstandes
Rd 
fk
kmod
kb
M
f k  k mod  kb
γm
Glasbrücke
charakteristische Festigkeit
Abminderungsfaktor für die Einwirkungsdauer
Abminderungsfaktor für die Art der Beanspruchung
Teilsicherheitsfaktor für das Material
Charakteristische Festigkeitswerte
Glasart
Float
TVG
TVG-emailliert 1)
ESG
ESG-emailliert 1)
Drahtglas
Gussglas
1)
fk
N/mm²
45
70
40
120
70
25
25
Auch teilemailliert und siebbedruckt mit Keramikfarbe
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Abminderungsfaktor kmod (Einwirkungsdauer)
Glasart
Einwirkungsdauer kmod
kurz
mittel
lang
Float
1,0
0,6
0,6
ESG, TVG
1,0
1,0
1,0
Kurz
Mittel
Lang
Wind, Holmlast, betretbar
Schneelast, begehbar, befahrbar
ständige Last, Klimalast
Abminderungsfaktor kb (Art der Beanspruchung)
Beanspruchung
kb
Plattenbeanspruchung
1,0
Scheibenbeanspruchung
0,8
28
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Teilsicherheitsbeiwerte m
Glasart
m
Float
1,5
VSG aus Float
1,5
TVG
1,5
ESG
1,5
Drahtglas
2,0
Gussglas
2,0
Verschiedene gleichzeitige Einwirkungen
unterschiedlicher Dauer

i
S d ,i
k mod,i
 γ 
  m   1
 f k  kb i
Dabei bedeuten:
Sd,i
kmod,i
fk
kb
m
Bemessungswert der einzelnen Einwirkungen
Abminderungswert für die Einwirkungsdauer
charakteristische Festigkeit
Abminderungsfaktor für die Art der Beanspruchung
Teilsicherheitsbeiwert der Widerstandsseite
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Experimentelle Nachweise
Experimentelle Nachweise, Versuch 2
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Untersuchung „Harter Stoss“
•
•
Aufprall eines kleinen,
kompakten >Stosskörpers
geringer Masse auf das Glas
(Kugelfallversuch)
Für begehbare Verglasungen:
harter Stosskörper mit m = 40 kg
Harter Stoss bei begehbaren Verglasungen
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22.01.2013
Weicher Stoss
Aufprall eines
verformbaren Stosskörpers
auf das Glas (Simulation
einer fallenden Person)
Resttragfähigkeit
Wichtig bei VSG-Verglasungen
Resttragfähigkeit durch Scheibenverklebung
Untersuchungen an:
• Gebrochenen Scheiben
• Im Bereich von Punktbefestigungen
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22.01.2013
Structural Glacing
Haas Haus
1945
H. Hollein
33