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- Herausgeber: Wiley-VCH
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Serie: Bauingenieur-Praxis
- Sprache: Deutsch
Glaselemente als tragende Bauteile sind aus dem Hochbau nicht mehr wegzudenken. Jedoch gehören die ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen für Entwurf, Bemessung und Konstruktion für die Mehrzahl der Planer in der Praxis noch nicht zur Routine. Dieses Buch fasst die grundlegenden Kenntnisse über den Baustoff Glas sowie die aktuellen Regelwerke und das auf Teilsicherheitsbeiwerten basierende Nachweiskonzept nach DIN 18008 für den Konstruktiven Glasbau zusammen. Es ermöglicht somit einen lückenlosen Planungsprozess vom Entwurf bis zum Standsicherheitsnachweis. Als wichtige Grundlagen werden Herstellung, Veredlung und mechanische Eigenschaften von Gläsern für den Hochbau vorgestellt. Die Vorspannung, Kanten- und Oberflächenbeschaffenheit u. a. Einflüsse auf die Festigkeit und Tragfähigkeit werden besonders erläutert. Die technischen Regelwerke und die baurechtlichen Vorschriften werden erörtert, Konstruktion und Berechnung, Bemessungskonzepte und Nachweisformate sind
ausführlich und praxisnah dargestellt. Besonderes Augenmerk gilt der konstruktiven Ausbildung von Details. Eine Vielzahl von Bemessungsbeispielen dient der Verdeutlichung. Für linienförmig gelagerte Verglasungen
werden Hilfsmittel zur Bemessung in Tabellenform zur Verfügung gestellt. Gegenüber der 1. Auflage wurde das Buch wesentlich erweitert, z. B. um Abschnitte zu gebogenem Glas, Dünnglas, Oberflächenbehandlung,
Photovoltaikverglasungen, Kleben, Bauteilversuche.
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Seitenzahl: 366
Veröffentlichungsjahr: 2012
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Inhalt
Vorwort
Teil I Grundlagen
1 Einleitung
1.1 Einführendes Beispiel
1.2 Begriffsbestimmung
2 Der Werkstoff Glas
2.1 Einleitung
2.2 Definitionen von Glas
2.3 Struktur und Zusammensetzung von Glas
2.4 Herstellung von Glas
2.5 Veredelung von Flachglas
2.6 Gebogenes Glas
2.7 Sonderprodukte
2.8 Elastische Kenngrößen
3 Bruchmechanik und Auswertung nach Weibull
3.1 Allgemeines
3.2 Grundgleichungen der Bruchmechanik
3.3 Statistische Auswertung nach Weibull
3.4 Lösung der Grundaufgaben für Lebensdauerberechnungen
3.5 Beispiele zu Lebensdauerberechnungen
4 Festigkeit und Bruchhypothese
4.1 Allgemeines
4.2 Einflussfaktoren auf die Festigkeit
4.3 Unterscheidung von Festigkeit und Prüffestigkeit
4.4 Versuche nach DIN
4.5 Bruchhypothese
5 Vorgespanntes Glas
5.1 Allgemeines
5.2 Herstellung
5.3 Bruchverhalten
5.4 ESG
5.5 TVG
5.6 Verteilung der Vorspannung über Querschnitt und Bauteil
5.7 Dünnglas
6 Verbundglas und Verbundsicherheitsglas
6.1 Allgemeines
6.2 Rohstoffe und Methoden zur Herstellung von Verbundglas
6.3 Tragverhalten von Verbundglas
6.4 Resttragverhalten von gebrochenem Verbundglas
7 Berechnung von Verbundglas
7.1 Allgemeines
7.2 Einachsig abtragende Bauteile (Balken)
7.3 Zweiachsig abtragende Bauteile (Platten)
7.4 Schlussfolgerungen
8 Brandschutzverglasungen
8.1 Allgemeines
8.2 Gegenwärtige und künftige Regelungen
8.3 Zusätzliche Anforderungen
9 Sicherheitsverglasungen
9.1 Angriffhemmende Verglasungen
9.2 Durchschusshemmende Verglasungen
9.3 Sprengwirkungshemmende Verglasungen
10 Photovoltaikverglasungen
10.1 Allgemeines
10.2 Elementtypen
10.3 Integration in die Gebäudehülle
10.4 Anforderungen an Entwurf und Bemessung
10.5 Befestigungssysteme
11 Isolierverglasungen
11.1 Allgemeines
11.2 Beanspruchung und rechnerische Erfassung von 2-Scheiben-Isolierglas
11.3 Beanspruchung und rechnerische Erfassung von Mehrscheiben-Isolierglas
Teil II Anwendungen
12 Baurechtliche Situation
12.1 Allgemeines
12.2 Harmonisierung technischer Regelungen
12.3 Musterbauordnung (MBO)
12.4 Bauregelliste
12.5 Musterliste der Technischen Baubestimmungen
12.6 Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung, Allgemeines bauaufsichtliches Prüfzeugnis
12.7 Zustimmung im Einzelfall
12.8 Europäische technische Zulassung (ETA)
12.9 Ausblick
13 Entwurf und konstruktive Details
13.1 Allgemeines
13.2 Anwendungsbereich und Glasauswahl
13.3 Fertigungstechnische Grenzen
13.4 Lagerung von Glasbauteilen
14 Berechnung und Bemessung
14.1 Allgemeines
14.2 Linienförmig gelagerte Verglasungen
14.3 Punktförmig gelagerte Verglasungen
14.4 Klebeverbindungen
14.5 Versuchsgestützte Bemessung
15 Überblick zu Bemessungskonzepten und Nachweisen unterschiedlicher Regelungen
15.1 Allgemeines
15.2 Nachweis auf Basis des zul-σ-Konzepts
15.3 Verfahren der Teilsicherheitsbeiwerte und (sichtbare) Anwendung der Bruchmechanik
15.4 Vergleich der Regelungen für ausgewählte Anwendungen
16 Konstruktion und Bemessung nach TRLV, TRAV und TRPV
16.1 TRLV
16.2 TRAV
16.3 TRPV
17 Konstruktion und Bemessung nach DIN 18008
17.1 DIN 18008 Teil 1 – Begriffe und allgemeine Grundlagen
17.2 DIN 18008 Teil 2
17.3 DIN 18008 Teil 3
17.4 DIN 18008 Teil 4
17.5 DIN 18008 Teil 5
17.6 DIN 18008 Teil 6
17.7 DIN 18008 Teil 7
18 Tragelemente
18.1 Allgemeines
18.2 Stabilität und Lasteinleitung
18.3 Ausblick
Teil III Beispiele
19 Beispiele
19.1 Beispiel 1: Vordach mit 2-seitig linienförmig gelagerten Glasscheiben
19.2 Beispiel 2: Linienförmig gelagerte Isolierverglasung
19.3 Beispiel 3: Punktgehaltene, vertikale Windfangverglasung
19.4 Beispiel 4: Punktgehaltene Überkopfverglasung
19.5 Beispiel 5: Absturzsichernde Einfachverglasung der Kategorie A
19.6 Beispiel 6: Absturzsichernde Isolierverglasung der Kategorie A
19.7 Beispiel 7: Absturzsichernde Brüstungsverglasung der Kategorie B
19.8 Beispiel 8: Vierseitig linienförmig gelagerte begehbare Verglasung
19.9 Hilfsmittel für linienförmig gelagerte Verglasungen
Literaturverzeichnis
Stichwortverzeichnis
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Geralt Siebert
Dr.-Ing. Iris Maniatis
Universität der Bundeswehr München
Professur Baukonstruktion und Bauphysik
Institut für Konstruktiven Ingenieurbau
Werner-Heisenberg-Weg 39
D-85577 Neubiberg
Telefon (089) 6004–2521
www.unibw.de/glasbau
Ingenieurbüro Dr. Siebert
Büro für Bauwesen
Gotthelfstraße 24
D-81677 München
Telefon (089) 9240 1410
www.ing-siebert.de
Titelbild: Sparkasse Rosenheim, energetische Sanierung.
Punktförmig gelagerte Doppelfassade mit absturzsichernder Funktion
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© 2012 Wilhelm Ernst & Sohn,
Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Rotherstr. 21, 10245 Berlin, Germany
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2. vollständig überarbeitete Auflage
Print ISBN: 978-3-433-02914-5
ePDF ISBN: 978-3-433-60279-9
ePub ISBN: 978-3-433-60280-5
mobi ISBN: 978-3-433-60281-2
oBook ISBN: 978-3-433-60278-2
Vorwort zur 2. Auflage
Seit der ersten Auflage dieses Buches sind nun mehr als zehn Jahre vergangen. Der Baustoff Glas hat sich inzwischen zu einem festen Bestandteil in der Architektur etabliert. Mittlerweile übernehmen Verglasungen als Bestandteil in der Gebäudehülle multifunktionelle Eigenschaften, neben ästhetischen Aspekten (Einfärbung, Bedruckung), genügen diese auch höchsten Anforderungen an Wärme- und/oder Sonnenschutz (Beschichtung, Isolierverglasung, etc.). Darüber hinaus ist ein Trend zu immer größeren Scheibenformaten zu beobachten. Ebenso ist gebogenes Glas durch die ständig komplexer werdenden Gebäudegeometrien, insbesondere freigeformte Geometrien, ein fester Bestandteil geworden.
Dem wachsenden Anwendungsgebiet wurde zum einen durch neue, immer noch auf dem „zul-σ-Konzept“ basierende Technische Regeln des DIBt Rechnung getragen, zum anderen gibt es zwischenzeitlich mit DIN 18008 eine nationale Bemessungsnorm auf dem Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte. Die Aktualisierung von Regelungen – auch im europäischen Kontext – gestaltet die Situation nicht unbedingt übersichtlicher.
In der neuen Auflage dieses Buches wurden u. a. die oben genannten Aspekte eingearbeitet sowie eine Unterteilung in drei Hauptabschnitte vorgenommen: nach den eher theoretischen und von Bemessungsvorschriften unabhängigen Grundlagen in Teil I folgen in Teil II die baurechtlichen Randbedingungen und Umsetzungen in Regeln sowie Hinweise zu Entwurf und Konstruktion.
In Teil III sind Beispiele einschließlich Hilfsmittel zur Bemessung zu finden, die bedingt durch das vergrößerte Anwendungsgebiet sowie alternativer Nachweisführung nach „alten“ Technischen Regeln (TRLV, TRAV, TRPV) und zukünftig genormten Regeln (DIN 18008) erheblich größeren Umfang einnehmen. Die Bearbeitung dieser Normenreihe durch den Arbeitsausschuss begann 2002, seit 2010 darf sich der Autor als Obmann einbringen.
Des Weiteren wurden die Teile I und II teilweise neu strukturiert und erheblich erweitert. So wurden z. B. in Teil I die Themen Gebogenes Glas, Beschichtung und Oberflächenbehandlung von Glas, Dünnglas sowie Brandschutzverglasungen, Sicherheitsverglasungen und Photovoltaikverglasungen neu aufgenommen.
Zum Teil umfangreiche Ergänzungen waren erforderlich bei Mehrscheiben-Isolierverglasung, Darstellung der Bemessungsregeln (hier auch insbesondere der zugrunde liegenden Konzepte) einschließlich der Überarbeitung und Erweiterung der Beispiele. Komplett überarbeitet und ergänzt wurde auch das Kapitel Baurechtliche Situation, hier sei insbesondere auf die neue europäische Bauproduktenverordnung hingewiesen. Ebenso wurden die in der ersten Auflage noch ausgesparten Themen wie beispielsweise Kleben, Tragende Bauteile und Bauteilversuche aufgenommen.
Das Buch soll den in der Praxis tätigen Planer und Anwender bei Entwurf, Konstruktion und Bemessung mit dem Baustoff Glas unterstützen, ist aber auch in Forschung und Lehre an Hochschulen und Universitäten sowohl für Studierende wie auch Wissenschaftler geeignet, die in das Themengebiet einsteigen möchten.
Herzlich gedankt wird an dieser Stelle Frau Dipl.-Ing. M. Herr vom DIBt für die zahlreichen Anregungen in Kapitel 12 und interessanten Gespräche zum Baurecht.
Auch dem Verlag sei an dieser Stelle herzlich für sein Verständnis und seine Geduld gedankt – dadurch konnte die vorliegende Auflage noch die letzte Fassung der DIN 18008 berücksichtigen.
München, im August 2012
Iris Maniatis und Geralt Siebert
Vorwort
In einer Vielzahl von Veröffentlichungen – z. T. ohne textliche Erläuterung der baurechtlichen und konstruktiven Probleme – wird der Eindruck erweckt, beim Bauen mit Glas handelt es sich (inzwischen) um eine Bauweise mit anerkannten Regeln der Technik und bauaufsichtlich eingeführten Regelungen. Tatsächlich gibt es hier aber nur sehr wenige anerkannte Regeln im Sinne von DIN-Normen oder vergleichbarem. Die Praxis zeigt, dass das Wissen darüber – über die Tatsache fehlender Regelungen und gleichermaßen über richtiges Entwerfen, Konstruieren und Bemessen von Glas – nur sehr begrenzt verbreitet ist. Zum Teil wird offenbar davon ausgegangen, die anderen am Bau Beteiligten (Architekt, Tragwerksplaner, Statiker, Prüfingenieur, Baubehörde, ausführende Firma) seien fachkundig und würden die eigenen Defizite kompensieren.
Dass ein als Gestaltungsmittel eingesetzter Baustoff Glas auch ein tragendes Konstruktionselement ist und als solches schon in der Planungsphase die ihm zukommende Beachtung erfahren muss, wird des Öfteren übersehen. So werden ohne Rücksicht auf statischkonstruktive Randbedingungen Gebäuderaster konsequent „durchgezogen“ und unnötig aufwendige Konstruktionselemente projektiert.
Im Zusammenhang mit der Erteilung eines Lehrauftrages für „Konstruktiven Glasbau“ an der TU München entstand die Idee eines Buches für die in der Praxis tätigen Ingenieure und Planer. Es soll zum Basiswissen für einen Einstieg in den „Konstruktiven Glasbau“ die wichtigsten Grundkenntnisse für richtiges – d. h. dem Werkstoff Glas gerecht werdendes – Entwerfen und Konstruieren vermitteln. Außerdem wird versucht, zum Verständnis der auf der Bruchmechanik basierenden Bemessung nationaler und zukünftiger europäischer Regelungen beizutragen.
Die üblicherweise im Berufsleben der meisten Bauingenieure bei der Verwendung der Werkstoffe Holz, Beton oder Stahl – wegen ausreichend eingeführter Technischer Regeln – nur selten anzuwendende „Zustimmung im Einzelfall“ ist fast die Regel bei der Ausführung von Konstruktionen mit Glas. Dies gilt insbesondere für anspruchsvolle Konstruktionen wie beispielsweise bei der Verwendung von Punkthaltern in Bohrungen oder bei Absturzsicherungen. Deshalb werden neben den wenigen eingeführten Technischen Baubestimmungen auch die baurechtliche Situation bzw. die baurechtlichen Prinzipien im europäischen Kontext näher betrachtet.
Dieses Buch soll kein Ersatz für elektronische Berechnungsprogramme oder Tabellenwerke mit Tafeln für Beanspruchung oder Durchbiegung sein. Ebenfalls soll es nicht als „Rezeptbuch“ verstanden werden, denn solche sind nur sinnvoll bei standardisierten Lösungen und solche gibt es im konstruktiven Glasbau äußerst selten. Es werden die Grundlagen der Bruchmechanik und statistischen Auswertung nach Weibull zum Verständnis des Materials und der Bemessung dargestellt und an Hand kleiner Beispiele erläutert. Eine Bemessung üblicher Glasbauteile ist mit den darauf basierenden Regelungen oder Hinweisen zur Anwendung möglich, die für Sonderaufgaben zusätzlich erforderliche Kenntnisse sind aus der weiterführenden Literatur – in der Regel Dissertationen – zu entnehmen. Für Entwurf und Konstruktion sind die fertigungstechnischen Grenzen von veredeltem Glas genannt.
Im letzten Kapitel finden sich zur Verdeutlichung Beispiele ausgeführter Bauten mit Anwendungen aus den wichtigsten Bereichen (von liniengelagerter Überkopfverglasung nach eingeführten Technischen Regeln bis zu punktgehaltener Isolierverglasung).
Um den Rahmen des Buches nicht zu sprengen, konnten einige Problembereiche nicht mit aufgenommen werden wie beispielsweise versuchstechnische Nachweise der Resttragsicherheit, gebogenes Glas, Absturzsicherungen, Lochleibungsverbindungen, Probleme der Stabilität und Theorie II. Ordnung, Klebung von Glas – insbesondere zur kontinuierlichen Krafteinleitung bei aussteifender Verglasung. Gegebenenfalls werden diese Themen bei einer Neuauflage oder Erweiterung zu berücksichtigen sein.
Gedankt wird den Kollegen der TU München, den Vertretern der Bauaufsicht (Bundes- und Länderebene, besonders Frau Dipl.-Ing. I. Maniatis vom DIBt für Anregungen zu Kapitel 9) und dem Verlag für Unterstützung und Geduld.
Für Anregungen oder Wünsche zu einer eventuellen Erweiterung ist der Autor dankbar.
München, im November 2000
Geralt Siebert
Teil I
Grundlagen
1
Einleitung
1.1 Einführendes Beispiel
Im Rahmen von augenscheinlich aufwendigen Glaskonstruktionen wird in der Regel für Entwurf, Konstruktion und Bemessung der Glasbauteile entsprechend frühzeitig eine sachkundige Unterstützung der am Bau Beteiligten angefordert. Anders verhält es sich (leider) meist, wenn es sich „nur“ um ein Vordach oder eine Fassade mit Glas im Rahmen eines größeren Bauvorhabens handelt. Oft wird zwar vom „normalen“ Tragwerksplaner eine statische Berechnung der Unterkonstruktion erstellt, spezifische Probleme des konstruktiven Glasbaus und das Glas selbst werden aber außer Acht gelassen oder der ausführenden Firma im Rahmen der Ausschreibung „überlassen“. Es kommt dann oftmals nicht die hinsichtlich Tragsicherheit, Gestaltung und Kosten optimale Lösung zur Ausführung. An einem typischen, im Folgenden kurz dargestellten Beispiel wird dies verdeutlicht.
Ein im Grundriss kreissegmentförmiges Vordach für ein Bürogebäude soll entsprechend den Vorstellungen des Bauherrn aus einer abgehängten Stahlkonstruktion mit Verglasung bestehen. Die Glasscheiben sind auf zwei gegenüberliegenden Stahlprofilen linienförmig gelagert. Dementsprechend wurde zunächst von einer problemlosen Genehmigung und Ausführung ausgegangen und das Vordach entsprechend ausgeschrieben. Nach Vergabe und Produktionsbeginn des Stahlbaus stellten sich bei der statischen Berechnung der Verglasung und damit verbunden bei der Beurteilung der Konstruktion die folgenden Probleme dar:
Bei Kenntnis der Problematik und deren rechtzeitiger Behandlung hätten die genannten (und nicht genannten vertragsrechtlichen und finanziellen) Folgen vermieden oder in zeitlich weniger engem Rahmen gelöst werden können.
Das vorliegende Buch soll einen Beitrag leisten, frühzeitig eventuell auftretende Probleme zu erkennen und erforderlichenfalls einer sachgerechten Lösung zuzuführen.
1.2 Begriffsbestimmung
Nachdem der konstruktive Glasbau ein relativ neues Tätigkeitsfeld mit z. T. neuen Konstruktionen, Konstruktionsformen und Anwendungen ist, werden in diesem Zusammenhang z. T. ungewohnte oder neue Bezeichnungen und Abkürzungen verwendet. Im Folgenden wird ein Überblick über einige wichtige, im Rahmen dieses Buches sowie der Fachliteratur verwendeten Bezeichnungen und Abkürzungen gegeben; dabei wird – soweit möglich – auf die Bezeichnungen aus Vorschriften, technischen Regeln oder Normen zurückgegriffen.
Der Begriff Einfachverglasung wird häufig eingesetzt im Sinne von keine Isolierverglasung, d. h. auch ein Verbundglaselement kann eine Einfachverglasung sein.
Unter Resttragsicherheit (-fähigkeif) ist die nach dem Bruch von einzelnen oder allen Gläsern eines Verbundglaselementes verbleibende Sicherheit gegen Versagen zu verstehen, i. d. R. gemessen in Zeitdauer bis zum Absturz gefährlicher Bruchstücke. Der Nachweis kann in der Regel nur durch Bauteilversuche erbracht werden. Bei Verwendung von Glasbauteilen aus entsprechend vielen einzelnen Schichten, kann für Teilzerstörungszustände mit hinreichend vielen intakten Glasschichten und/oder -scheiben die Resttragfähigkeit auch rechnerisch nachgewiesen werden, wobei gebrochene Glasschichten nicht angesetzt werden dürfen [3].
Eine Überkopfverglasung (Horizontalverglasung) befindet sich über Kopf von Personen, d. h. es findet unter der Verglasung Personenverkehr statt; dabei sind entsprechend [1, 4] auch Schrägverglasungen mit einer Neigung größer 10° gegen die Vertikale hinzuzuzählen. Nach [10, 11] beträgt die Grenze 15°. Es kommt zur Sicherstellung ausreichender Resttragfähigkeit Verbundsicherheitsglas (VSG) aus Floatglas (FG), früher Spiegelglas (SPG), oder VSG aus teilvorgespanntem Glas (TVG), gegebenenfalls als unterste Scheibe eines Isolierglaselementes, zum Einsatz.
Die Vertikalverglasung definiert sich aus der vertikalen Einbausituation, in Abgrenzung zur Überkopfverglasung ist entsprechend [1, 4] auch eine Schrägverglasung mit einer maximalen Neigung von 10° gegen die Senkrechte noch als solche einzustufen. Als Verglasung ist jede Glasart denkbar, abhängig vom Verkehrsaufkommen neben bzw. unter der Verglasung und der Lagerung der Scheiben.
Bild 1.1 Bezeichnung von Verglasungen
Absturzsichernde Verglasung soll den Absturz von Personen bei vorhandenen Höhendifferenzen von Verkehrsflächen verhindern; es werden verschiedene Kategorien unterschieden, je nachdem ob die Verglasung der alleinige Schutz gegen Absturz ist, ein unabhängiger Handlauf vorhanden ist oder die Verglasung nur ausfachende Funktion eines ansonsten selbst ausreichend tragfähigen Geländers hat [7, 12]. Abhängig vom Verkehrsaufkommen finden auch hier die unterschiedlichen Glasarten Verwendung.
Hinsichtlich horizontaler Verglasung mit der Möglichkeit des Aufenthalts von Personen wird vielfach unterschieden in begehbare und betretbare Verglasung. Die begehbareVerglasung wird planmäßig begangen, d. h. Personenverkehr ist jederzeit möglich, z. B. bei einem Treppen- oder Brückenbelag. Im Unterschied hierzu soll eine betretbare Verglasung nur eingeschränkt zu Wartungs- oder Reinigungszwecken betreten werden, z. B. Überkopfverglasung. Verglasung mit Aufenthalt von Personen ist nur möglich als VSG, wobei für betretbare Verglasung bereits 2-lagiges VSG ausreichen kann, während begehbare Verglasung aus mindestens 3 Lagen Glas bestehen muss [8, 9].
Denkbar ist selbstverständlich auch eine Vielzahl von Kombinationen wie z. B. begehbare Überkopfverglasung (Gehbelag einer Brücke mit Personenverkehr auch unter der Verglasung).
Tabelle 1.1 Übersicht häufig verwendeter Abkürzungen und Auswahl von Markennamen
Abk.
Bedeutung
Beispiele für geschützte Bezeichnungen
FG (SPG)
Floatglas (früher Spiegelglas)
Pilkington OPTIFLOAT
®
PLANILUX
®
(Saint-Gobain Glass) Ipafloat (INTERPANE) EUROFLOAT (Glas Trösch)
TVG
teilvorgespanntes Glas (auch: thermisch verfestigtes Glas)
BI-Hestral (BGT Bischoff Glastechnik) PLANIDUR
®
(Saint-Gobain Glass) ipasave TVG (INTERPANE) TG-TVG
®
(Thiele Glas) SANCO DUR TVG (Glas Trösch)
ESG
Einscheibensicherheitsglas (auch: voll vorgespanntes Glas)
BI-Tensit (BGT Bischoff Glastechnik) ipasave ESG (INTERPANE) SEKURIT
®
(Saint-Gobain Glass) DELODUR
®
(Pilkington) TG-ESG
®
(Thiele Glas) SANCO DUR ESG (Glas Trösch)
ESG-H
Heißgelagertes Einscheibensicherheitsglas
SEKURIT
®-
H (Saint-Gobain Glass) TG-ESG-H
®
(Thiele Glas)
VG
Verbundglas
VSG
Verbundsicherheitsglas
BI-Combiset (BGT Bischoff Glastechnik) STADIP
®
(Saint-Gobain Glass) SIGLA
®
(Pilkington) ipasave VSG (INTERPANE) TG-PROTECT
®
(Thiele Glas) SANCO LAMEX (Glas Trösch)
PVB
Polyvinylbutyral, Kunststoff zur Herstellung von Verbundsicherheitsglas
TROSIFOL
®
MB (Kuraray Europe, Division Trosifol)) Butacite
®
(DuPont) Saflex
®
(Solutia)
SG
SentryGlas
®
SentryGlas
®
(DuPont)
GH
Gießharz, Kunststoff zur Herstellung von Verbundglas und Verbundsicherheitsglas
2
Der Werkstoff Glas
2.1 Einleitung
Glas findet im Bauwesen seit Jahrhunderten Verwendung für Fenster. Bedingt durch die aufwendigen Verfahren zur Gewinnung der Rohstoffe wie auch der Herstellung von Glas waren Fenster in der vorindustriellen Zeit noch Luxusgüter.
Erst mit der künstlichen Sodakalzinierung wurde eine billige Massenproduktion von Glas ermöglicht. So war eine Voraussetzung für den Einsatz von Glas – neben den ebenso „alten“ Baustoffen Holz und Stein – als konstruktiver Werkstoff geschaffen.
Der für die Weltausstellung in London im Jahr 1851 erbaute Kristallpalast ist mit seinen 270.000 mundgeblasenen Scheiben eines der ersten Gebäude mit Glas-Holz-Eisen-Verbund. Dabei kann jedoch die aussteifende Wirkung von gekitteten Glasscheiben nicht ohne Weiteres zuverlässig quantifiziert und auf Dauer sichergestellt werden.
Die Weiterentwicklung der Herstellungsverfahren – nach Glasblasen zunächst Guss-, anschließend verschiedene Ziehverfahren bis zur aktuellen Floattechnik – verbilligten den Werkstoff Glas weiter.
Für die Weltausstellung expo2000 in Hannover findet neben dem effekthascherischen Einsatz als druckbeanspruchte Abstandhalter für die Abspannung der das Dachtragwerk des „Deutschen Pavillon“ tragenden Stahlstützen der Konstruktionswerkstoff Glas Verwendung als ansprechende Fassadenverkleidung z. B. von Tetraeder, Kubus und Halbkugel des „Dänischen Pavillon“ oder fast selbstverständlich auch als transparentes, begehbares Tragelement in einer Vielzahl von Pavillons.
Zur Weltausstellung 2010 in Shanghai hat Apple einen weiteren sog. Flagstore in Shanghai eröffnet, vgl. Bild 2.1, und dabei wiederum Maßstäbe hinsichtlich der verwendeten Glasbauteile gesetzt; es ist kaum nötig darauf hinzuweisen, dass solche Konstruktionen auch hinsichtlich der Kosten nicht im üblichen Rahmen liegen.
Ein zuverlässig sicherer und wirtschaftlicher Einsatz von Glas als Konstruktionswerkstoff, auch als Ersatz für bislang zum Einsatz gekommene Materialien, setzt jedoch anerkannte Regeln für die Produktion der Rohstoffe, wie für die Berechnung der Tragwerke und seiner Tragelemente voraus. Darüber hinaus ist für einen ausführbaren und bezahlbaren Entwurf wichtig die Kenntnis über die durch unterschiedliche technische Randbedingungen bedingten Grenzen der einzelnen in Bild 2.2 dargestellten Verarbeitungsschritte. So wird beispielsweise die Größe von thermisch vorgespannten Gläsern u. a. durch die Kapazität vorhandener Vorspannöfen begrenzt, und es lassen sich nicht alle vorgespannten Gläser – bedingt z. B. durch die Größe vorhandener Autoklaven – zu Verbundgläsern laminieren.
Bild 2.1 Apple-Store in Shanghai
Bild 2.2 Verarbeitungsschritte
Die Kenntnis vorgenannter Grundlagen ist umso wichtiger, als die Ideen der Architekten und Ingenieure keine Grenzen zu haben scheinen und die bekannten und über viele Jahrzehnte erarbeiteten Hilfsmittel der Ingenieure zur Berechnung von Tragstrukturen sich nicht ohne Weiteres von anderen Baustoffen auf Glaskonstruktionen übertragen lassen.
Um entscheiden zu können, welche Berechnungs- und Bemessungsmethoden unverändert anwendbar sind, in welchen Bereichen Modifikationen oder aber gänzlich neue Verfahren erforderlich sind, müssen zunächst Daten über das Material vorliegen. Dies betrifft den Prozess der Herstellung und Veredelung (gemeint ist Vorspannen und Fügen zu Verbundglaselementen) sowie deren chemische Zusammensetzung und molekulare Struktur und, daraus abgeleitet, die für den Bauingenieur wichtigen Eigenschaften und Kenngrößen.
2.2 Definitionen von Glas
Durch die Glasstrukturforschung erarbeitete Ansätze zur Kristallchemie führen zur Netzwerkhypothese, deren Gedanken kurz wiedergegeben werden.
Der Grundbaustein aller Silicate ist der SiO4-Tetraeder, eine Struktureinheit, in dessen Zentrum ein Siliciumatom steht, umgeben von 4 Sauerstoffatomen. Alle vier Sauerstoffatome berühren gleichzeitig das Siliciumatom und die jeweiligen Koordinationspartner.
Die Polymerisationstendenz der SiO4-Baugruppe, d. h. die Bildung einer Vielzahl komplexer Silicate ist begründet durch das Bestreben nach völliger Absättigung der Sauerstoffatome mit Elektronen bei bevorzugter Oktetthüllenbildung. Dies kann entweder durch Anlagerung von Metallen, die Elektronen zur Neutralisation mitbringen, oder durch Verknüpfung von Tetraedern untereinander mit Brückensauerstoffatomen mit sich selbst erfolgen.
In kristallinen Verbindungen – z. B. dem Bergkristall – sind die SiO4-Tetraeder gleichmäßig miteinander zu Netzwerken verknüpft. Beim SiO2-Glas – z. B. Kieselglas – ist die Verbindung unregelmäßig.
Zur Verdeutlichung der Unterschiede bezüglich der räumlichen Anordnung der einzelnen Atome wählte [24] ein zweidimensionales Analogon, das in Bild 2.3 wiedergegeben ist. Es handelt sich hierbei also nicht – wie in einer Vielzahl von Literaturquellen angegeben – um eine Darstellung von SiO2 im kristallinen und glasigen Zustand mit jeweils einem O2 oberoder unterhalb der Zeichenebene, sondern um ein hypothetisches A2O3-Molekül.
Glasbildung ist auch an Systemen mit mehreren Komponenten möglich. Es lassen sich z. B. in einfaches SiO2-Glas große Kationen einbauen, indem man SiO2 zusammen mit Na2O schmilzt. Die dabei erfolgte Netzwerksprengung mit Änderung der Glasstruktur und Einlagerung der großen Kationen in die Hohlräume soll statistisch erfolgen. Eine wiederum ebene Darstellung ist in Bild 2.4 gegeben.
Bild 2.4 Struktur des A2O3-Moleküls im Glaszustand mit eingelagerten Fremdatomen
Die binären Erdalkalisilicatgläser haben in der praktischen Anwendung jedoch kaum Bedeutung erlangt, weil sie zur ausgesprochenen Entmischung neigen bzw. ihre Schmelzsysteme Mischungslücken aufweisen, so dass ein starker Trübungseffekt auftritt und Klargläser, bei denen eine bestimmte Tröpfchengröße unterschritten wird, nicht herstellbar sind.
Durch Kombination von zwei oder mehreren Systemen entstehen wegen des Konkurrenzprinzips nur noch relativ kleine tröpfchenförmige Entmischungsbereiche mit für das menschliche Auge jedoch nicht mehr wahrnehmbarer Trübung. Als einfaches und praktisch weit verbreitetes Beispiel sei die Kombination der zwei binären Schmelzsysteme Na2SiO2 und CaOSiO2 genannt: das Fenster- oder Kronglas.
Die als weitere Folge einer Entmischung (d. h. also Trennung in alkalireiche und SiO2 reiche Phase) erleichterte Auslaugbarkeit der alkalireichen Phase z. B. bei Wasserangriff kann durch die Zugabe von 2–3 M.-% Al2O3 weiter reduziert und so eine bessere hydrolytische Beständigkeit erreicht werden.
Tabelle 2.1 Zusammensetzung von Flachglas aus Kalk-Natron-Silicatglas nach DIN 1249-10 [42] und EN 572-1 [43] und Borosilicatglas nach EN 1748-1 [45] Angaben in M.-%
Wie bereits oben angedeutet, hat die jeweilige Zusammensetzung selbstverständlich Einfluss auf die Eigenschaften der Produktion und das fertige Erzeugnis Glas. Eine kurze Übersicht gibt Tabelle 2.2; weitergehende Information hierzu findet sich in dem nächsten Abschnitt oder ist der Literatur zu entnehmen.
Tabelle 2.2 Beeinflussung der Eigenschaften der Gläser durch verschiedene Oxide [25]
Aufgrund der Vielzahl von unterschiedlichen Bestandteilen und damit verbunden mit der noch größeren Anzahl von möglichen „Mischungen“ ist es selbstverständlich, dass die Materialeigenschaften sich ebenfalls unterscheiden müssen.
2.3 Struktur und Zusammensetzung von Glas
Glas ist ein amorpher Festkörper. In dieser sehr allgemein gehaltenen Definition von [13] beschreibt das Adjektiv „amorph“ den Strukturzustand des Materials als einen Zustand mittlerer Ordnung, bei dem es zwar eine Nah- jedoch keine Fernordnung gibt. Mit anderen Worten, die Regelmäßigkeit der molekularen Bestandteile ist nur in der Größenordnung von einigen Vielfachen der einzelnen Bausteine selbst gegeben. So beträgt z. B. der mittlere Abstand zweier Siliciumatome in Kieselsäureglas (SiO2) 3,6 Å; in einer Größenordnung ab ca. 10 Å ist keine Ordnung der Atome mehr festzustellen.
Im Unterschied zu vielen anderen Definitionen von Glas findet bei [13] keine Einschränkung der chemischen Bestandteile wie auch des Herstellungsprozesses statt. Es wird also berücksichtigt, dass auch Metalle und organische Polymere bei ausreichend rascher Abkühlung (bei Metallen von über 1000 K/s) in den amorphen Zustand übergeführt werden können (metallene Gläser finden aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften bereits seit mehreren Dekaden Anwendung in der Elektronik und Elektrotechnik) und neben der Schmelzmethode eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung nichtkristalliner Festkörper existieren und angewandt werden.
Eine andere, auch häufig verwendete Definition von Glas beschreibt den thermodynamischen Zustand: Glas ist eine eingefrorene unterkühlte Schmelze. z. B. [14–17].
Bild 2.5 Änderung der spezifischen Wärme für glasige (durchgezogene Kurve) und kristalline (gestrichelte Kurve) Festkörper in Abhängigkeit von der Temperatur
Bei entsprechend hoher Temperatur bildet sich aus einem glasigen wie aus einem kristallinen Festkörper eine identische Schmelze (Bereich D in Bild 2.5); diese Schmelze ist im thermodynamischen Gleichgewicht, die Kurven fallen im Bereich D zusammen.
Ab einem bestimmten Temperaturniveau ist die Abnahme der spezifischen Wärme nicht mehr stetig linear. Beim kristallinen Festkörper erfolgt am Schmelzpunkt FP eine sprunghafte Reduktion der spezifischen Wärme, die in der Schmelze noch ungeordneten Atome oder Moleküle werden nun in einem Kristallverband regelmäßig angeordnet; das Kristall befindet sich ebenfalls im thermodynamischen Gleichgewicht. Eine weitere Abkühlung des kristallinen Festkörpers geht bis nahe an den absoluten Nullpunkt mit einer wiederum stetig linearen Abnahme der spezifischen Wärme cP einher.
Bei einer Glasschmelze erfolgt der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand über ein größeres Temperaturintervall zunächst mit gleicher Steigung weiter stetig linear und im sog. Erweichungsintervall von Ta bis Tb (Bereich B) stark abnehmend. Dabei ist im Gegensatz zum kristallinen Körper die Abnahme nicht sprunghaft, sondern wird durch eine Kurve mit Wendepunkt bei der sog. Transformationstemperatur Tg beschrieben. Thermodynamisch gesehen befindet sich der Festkörper Glas in einem Ungleichgewichtszustand.
Wird die erstarrte Glasschmelze weiter abgekühlt, so ist wiederum eine stetig lineare Abnahme der spezifischen Wärme zu beobachten. Allerdings liegt die cP-Kurve des glasigen Festkörpers deutlich über der des kristallinen; entsprechend ist der glasige Festkörper energiereicher als der kristalline Festkörper.
Von dem Deutschen Institut für Normung e. V. [18] wird folgende Definition gegeben: Glas ist ein anorganisches Schmelzprodukt, das im Wesentlichen ohne Kristallisation erstarrt. Dies entspricht der Definition der American Society for Testing Material (ASTM): Glass is an inorganic product of fusion which has been cooled to a rigid condition without crystallisation.
Bei vorstehender Definition wird sowohl die Zusammensetzung auf anorganische Produkte beschränkt und auch das Herstellungsverfahren angegeben.
Im Folgenden soll unter dem Begriff „Glas“ der Werkstoff vorwiegend silicatischer Natur verstanden werden. Eine weitergehende Erläuterung und Beschreibung, was im Rahmen dieser Arbeit unter „Glas“ zu verstehen ist, geben die folgenden Abschnitte über die Herstellung der Gläser, die Struktur und Zusammensetzung sowie Materialkennwerte.
Für die Bezeichnungsweise und Einteilung von Glas bzw. Glaserzeugnissen gibt es kein einheitliches Prinzip. Im Bauwesen kommt in der Regel Silicatglas als Baustoff zum Einsatz. Die Bezeichnung erfolgt z. T. nach der Geometrie (z. B. Flachglas), nach dem Herstellungsprozess (z. B. Floatglas, Pressglas), nach der Verwendung (z. B. Fensterglas, Glasdachstein) oder auf Grund spezieller Eigenschaften (z. B. Sicherheitsglas).
2.4 Herstellung von Glas
2.4.1 Rohstoffe
Der wichtigste Rohstoff für die Herstellung von Glas ist Sand; er besteht hauptsächlich aus Siliciumdioxid SiO2, das beinahe die Hälfte der festen Erdoberfläche bildet. Dabei ist wegen der „Verunreinigungen“ mit färbenden Oxiden nicht jeder Sand geeignet, ab etwa 0,1 % Fe2O3 ist Sand für anspruchsvolle Zwecke ungeeignet, es ist eine deutliche Grünfärbung zu sehen. Für optische Gläser sind die Anforderungen entsprechend höher. Der Gehalt der anderen färbenden Oxide muss in der Regel noch geringer sein.
Bild 2.6. Zusammensetzung von Floatglas
Die Schmelztemperatur von Sand (1700 °C) kann durch Zugabe von Flussmitteln gesenkt werden. Früher war dies Pottasche (Kaliumcarbonat K2CO3), heute kommt meist – aus Kochsalz und Kalk preisgünstig hergestelltes – Soda (Natriumcarbonat Na2CO3) zum Einsatz, das Na2O wird in das Glas eingebaut während sich CO2 verflüchtigt.
Zur Erhöhung der chemischen Beständigkeit und Härte wird Kalk (Calciumcarbonat CaCO3) dem Gemenge zugegeben; es verbleibt Calciumoxid (CaO) im Glas, CO2 verflüchtigt sich wiederum. In Flachgläsern wird das Calciumoxid (CaO) zum Teil durch Magnesiumoxid (MgO) ersetzt, das im Rohstoff Dolomit (CaCO3 + MgCO3) mit Kalk verbunden ist und die Schmelztemperatur herabsetzt.
Zur Beseitigung von Trennstellen und damit zu verbesserter chemischer Resistenz und erhöhter Zähigkeit bei tiefen Temperaturen wird Tonerde (Al2O3) beigegeben, meist in Form von Feldspat (z. B. NaAlSi3O8).
Wird Calciumoxid z. T. durch Bleioxid oder Bortrioxid ersetzt, ergibt sich Blei(kristall)glas oder Borosilicatglas. Eine Vielzahl weiterer Mischungen ist denkbar und in der industriellen Anwendung, jedoch nicht als im Bauwesen eingesetztes „Massenglas“.
2.4.2 Produktion von Flachglas
Flachglas sind alle in flacher Form hergestellten Glasprodukte, die auch in einem späteren Verarbeitungsschritt oder Veredelungsprozess gebogen werden können (z. B. gebogene Aufzugsverglasung).
Die Geschichte der Herstellung von Flachglas begann um Christi Geburt. Die römischen Glasmacher stellten flache Scheiben mittels einer Gusstechnik her: zähflüssiges Glas wurde auf nasses Holz gegossen und mit Werkzeug zu einer Scheibe auseinandergezogen. Nach Erfindung der Glasmacherpfeife hat sich das Blasen von Hohlkörpern und Umformen zu Flächen entwickelt. Beim sogenannten Zylinderblasverfahren bläst der Glasmacher aus heißem, zähflüssigem Glas einen Zylinder, der im erkalteten Zustand längs aufgeschlitzt und im Streckofen glattgebügelt wird. Durch den Glashobel wurde im 18. Jahrhundert das Zylinderblasverfahren entscheidend verbessert, es drängte das bis dahin parallel angewandte Mondglasverfahren zurück. Diese seit dem 4. Jahrhundert bekannte Methode formt durch Schleudern einer geblasenen Glaskugel eine runde Scheibe von anfänglich 15 cm, später bis zu 60 cm Durchmesser.
Das Ende des 17. Jahrhunderts erfundene Tischgussverfahren ermöglichte erstmals eine Herstellung von flachen Scheiben „ohne Umweg“; mit einem Hafen wurde flüssiges Glas aus dem Ofen entnommen, auf einem eisernen Tisch ausgegossen und mit einer gusseisernen Rolle ausgewalzt. Um Spannungen abzubauen erfolgte eine Nachbehandlung in einem vorgewärmten Kühlofen. Beim fortentwickelten Gusswalzenverfahren wurde die flüssige Glasmasse portionsweise zwischen gekühlten Walzen zu einem Glasband geformt, ein erster Schritt hin zu kontinuierlicher Fertigung. Der Einsatz von Wannenöfen, das Walzen des Glases und das Twin-Verfahren zur gleichzeitigen Nachbearbeitung (Schleifen und Polieren) beider Seiten des Glasbandes ermöglichen eine kontinuierliche und wirtschaftliche Produktion von Floatglas. Heute werden mit dem Gusswalzenverfahren Ornamentglas (ornamentiert als Verzierung oder für besondere Streuungswirkungen), Drahtglas (eingebettete Drahteinlage als Einbruch- und Feuerhemmnis sowie zur Stabilisierung gebrochener Scheiben) und Gartenklarglas sowie mit zusätzlichen Formrollen Profilbauglas (U-förmiges Profil durch Umbiegen der Kantenbereiche) hergestellt.
In den zwanziger Jahren des 20. Jahrhunderts lösten maschinelle Ziehverfahren das Zylinderblasen allmählich ab. Bei dem seit 1914 industriell verwendeten Fourcault-Verfahren (Bild 2.7 links) wird eine auf dem flüssigen Glas schwimmende Ziehdüse (etwa 3 m langer Körper aus feuerfestem Material mit einem Schlitz) in die Glasmasse eingedrückt und das flüssige Glas mit einem Fangeisen aufgenommen und angezogen. Mittels Walzenpaaren wird es durch den 7 m hohen Kühlschacht senkrecht nach oben geführt, an dessen Ende das abgekühlte und entspannte Glas zugeschnitten wird.
Bild 2.7 Verschiedene Ziehverfahren, nach [16]
Die etwas später entwickelten Libbey-Owens- (Bild 2.7 Mitte) und Pittsburgh-Verfahren (Bild 2.7 rechts) unterscheiden sich vom Vorgenannten vor allem dadurch, dass das Glas direkt (d. h. ohne Düse) aus der Wanne entnommen wird, um dann ebenfalls mit gekühlten Walzen geführt einerseits nach 70 cm horizontal umgelenkt durch einen 60 m langen Kühlkanal oder andererseits einen 12 m hohen Kühlschachte zu durchlaufen. An deren Ende erfolgt jeweils der Zuschnitt der fertigen Glasscheiben. Als Vorteile sind die gegenüber dem Fourcault-Verfahren etwa doppelte Ziehgeschwindigkeit bei besserer optischer Qualität und der rasche Wechsel von Glasdicken zu nennen.
Um 1960 revolutionierte das Floatverfahren die Fertigung von Flachglas. Das flüssige Glas fließt über einen Lippenstein aus dem Schmelzofen auf flüssiges Zinn, breitet sich aus und wird zu einem Band gezogen. Nachdem die freie Oberfläche von Flüssigkeitsspiegeln sich selbst überlassen immer ebenflächig ist, stellt sich eine planparallele Glasplatte ein.
Durch Verwendung von sog. Top Roller (gezackte Räder, die am Rand in das weiche Glasband eingreifen) lässt sich die Abziehgeschwindigkeit steuern: je nach Winkel der Top Roller wirkt eine Kraftkomponente auf das Glasband senkrecht zur Ziehrichtung nach innen oder außen mit der Folge größerer oder kleinerer Glasdicken. Eine Verhinderung des Ausbreitens der Glasschmelze auf der Zinnoberfläche mittels Carbon Fender (Staubalken) führt zu noch größeren Glasdicken. Insgesamt können mit dieser Steuerung Glasdicken im Bereich 0,4 mm bis 19 mm, z. T. bis 28 mm präzise gefertigt werden.
Auf rund 600 °C abgekühlt, verlässt das erstarrte Glasband die Floatkammer, wird im anschließenden Spannungsofen entspannt, danach kontrolliert, geschnitten und abgestapelt. Die Längenausdehnung einer Floatglasanlage beträgt von Beschickung der Wanne mit Gemenge bis zur Abstapelung mehrere hundert Meter, die Kapazität bei 500–800 t Glas je Tag.
Bild 2.8 Floatverfahren, nach [20]
Bedingt durch die Herstellung weisen die beiden Oberflächen der fertigen Glasscheiben unterschiedliche Eigenschaften auf. Die atmosphärenseitige Oberfläche verarmt vor allem an Na+, Ca2+ und Mg2+, der Abtransport von Na+ aus der mit dem Zinnbad in Kontakt stehenden Oberfläche wird durch die für eine Gegendiffusion zur Verfügung stehenden Sn2+ erleichtert. Die Zusammensetzungsänderungen sind begrenzt auf Schichtdicken von 0,01 bis 0,02 mm und von der Verweilzeit im Floatbad abhängig; dementsprechend nehmen sie mit der Glasdicke zu. Auf die hydrolytische Beständigkeit hat der Zinngehalt der zinnbadseitigen Oberfläche einen deutlich positiven Einfluss. In einigen Fällen können die chemischen Veränderungen in den Oberflächen des Floatglases zu besonderen farblichen Effekten bei der Weiterverarbeitung führen; sie sind bedingt durch den stark abweichenden „Redox“-Zustand dieser Schichten. Beispielsweise bewirkt bei der Behandlung mit sogenannten „Silberbeizen“ vor allem der Sn2+ der Zinnbadseite eine verstärkte oberflächennahe Ausscheidung von kolloidalem Silber.
Bei eingefärbtem Floatglas, wird durch Beimischen von Metalloxiden in das Gemenge die gesamte Glasschmelze gleichmäßig durchfärbt. Da Floatglasanlagen permanent rund um die Uhr produzieren, ist die anschließende Umstellung von eingefärbtem auf klares Floatglas sehr kosten- bzw. zeitintensiv. Einsatzbereiche sind auch hier sehr vielseitig, Sonnenschutzgläser oder spezielle Designgläser sind nur einige Beispiele.
2.5 Veredelung von Flachglas
Die meisten der an moderne Verglasungen von Gebäuden oder tragende Glaselemente gestellten Anforderungen wie Wärmedämmung, Licht-, Schall- und Brandschutz, optische und dekorative Effekte sowie (Rest-)Tragsicherheit kann Flachglas direkt nach der Herstellung nicht erfüllen. Im Wege der industriellen Veredelung (siehe Bild 2.9) können entsprechende Beschichtungen aufgebracht und Gläser zu entsprechenden Einheiten verbunden werden.
Bild 2.9 Veredelungsstufen von Floatglas
2.5.1 Mechanische Bearbeitung
Vor der Veredelung werden die Floatgläser auf Maß zugeschnitten. Hierzu muss aufgrund des spröden Materialverhaltens das Glas zunächst an der Oberfläche entlang der Bruchkante angeritzt und anschließend durch Biegung an der Sollbruchstelle gebrochen werden. Es entstehen relativ unregelmäßige, scharfe Kanten und Ränder mit Abplatzungen. Die Qualitätsstufen der Kantenbearbeitung werden nach [21, 22] wie folgt bezeichnet: gesäumt, maßgeschliffen, geschliffen und poliert (Bild 2.10). Um die Kante zu „glätten“, ist eine Bearbeitung durch Fräsen und ggf. Polieren notwendig. Hierdurch wird gleichzeitig eine Maßhaltigkeit und Verminderung der Gefahr des Kantenbruchs erzielt. Soll die Scheibe in einem späteren Prozess vorgespannt werden, so sind die Kanten mindestens „gesäumt“ auszuführen [21, 22]. Werden vorgespannte Scheiben zusätzlich mit Bohrungen für die Aufnahme von Punkthaltern versehen, ist nach DIN 18008-3 [6] eine Kantenqualität von mindestens „geschliffen“ erforderlich.
Bild 2.10 Bearbeitungsstufen von Glaskanten
Für die Herstellung von Bohrungen werden gewöhnlich Diamant-Hohlbohrer verwendet, die von beiden Seiten der Bohrung angesetzt werden, um Ausbrüche beim Durchbohren zu verhindern. Mögliche Exzentrizitäten bei der Ausrichtung der Bohrköpfe bringen Unebenheiten (Versatz) in der Laibung mit sich, die im späteren Einbauzustand zu ungewollten Spannungsspitzen im Glas führen können. Eine Nachbearbeitung der Laibung zusammen mit dem Fasen der Bohrungskanten ist in diesen Fällen dringend zu empfehlen und daher auch normativ geregelt DIN 18008-3 [6]. Zur Erzeugung von Freiform-Schnittkanten eignet sich insbesondere die Wasserstrahlschneidetechnik (Water Jet): Bei diesem Verfahren wird Wasser mit einer abrasiven Beimengung unter hohem Druck (bis zu 4000 bar) durch eine feine Düse präzise auf die Schnittlinie gelenkt. Neue Bohr- bzw. Frästechniken erlauben mittlerweile auch die Herstellung von einseitigen Durchgangsbohrungen und hinterschnittenen Bohrlöchern.
2.5.2 Elemente aus mehreren Scheiben (Isolierverglasung, Verbundgläser)
Durch die Produktion von Verbunden aus mehreren Gläsern, gegebenenfalls mit Scheibenzwischenraum, können Wärmedämmung sowie Schall- und Brandschutz verbessert und (Rest-)Tragsicherheit vergrößert werden. Dabei ist zu unterscheiden zwischen im Randbereich verbundener Isolierverglasung (wobei die einzelnen Scheiben auch aus Verbundglas bestehen können) und verschiedenen Arten Verbundglas. Letztere unterscheiden sich hauptsächlich in der Art der verbindenden Zwischenschicht: Gießharze oder spezielle PVB-Folien verbessern in Zusammenwirkung als abgestimmtes Masse-Dämpfer-Element die Schalldämmung, aufschäumende Füllmasse (z. B. wasserhaltiges Alkalisilicat „Wasserglas“) verbessert den Brandwiderstand und Polyvinylbutyral ist beispielsweise zur Fertigung von Verbundsicherheitsglas geeignet.
2.5.3 Gläser mit Vorspannung
Um den Widerstand gegen mechanische oder thermische Beanspruchungen zu verbessern, die Tragfähigkeit zu erhöhen oder ein spezielles Bruchbild zu erreichen, werden Gläser vorgespannt. Das Vorspannen kann auf verschiedene Weise erfolgen, eine Übersicht ist in Tabelle 2.3 gegeben.
Die Vorspannung ist für das Glas ein Eigenspannungszustand, der Druckspannung in Oberflächennähe steht eine Zugspannung im Inneren des Glasvolumens entgegen. Baupraktisch im Einsatz ist derzeit überwiegend die sog. thermische Vorspannung durch Erwärmen der Gläser mit abschließendem gezieltem Abschrecken derselben, vereinzelt auch chemische Vorspannung.
Tabelle 2.3 Überblick über Vorspannverfahren nach [23]
2.5.4 Beschichtung und Oberflächenbehandlung von Flachglas
2.5.4.1 Soft / Hard Coating
Insbesondere zur Erhöhung des Sonnenschutzes wird Flachglas mit metallischen oder oxydischen Schichten belegt, so dass bei ausreichender Lichtdurchlässigkeit durch die hohe Reflektivität der Edelmetalle und bei Interferenzvorgängen an hochbrechenden Schichten ein Teil der wärmewirksamen solaren Strahlung nicht durch die Gläser dringt. Entsprechende transparente Oberflächenschichten aus Edelmetallen oder oxydischen Halbleitern reflektieren bei über 70 % Lichtdurchlässigkeit bis zu 90 % infrarote Strahlung und vermindern so Wärmeverluste.
Beschichtungen können zum einen noch in der Floatanlage (Online) oder unmittelbar nach deren Verlassen (d. h. also noch vor einem endgültigen Zuschnitt) und zum anderen erst in einem späteren Bearbeitungszustand (Offline) aufgebracht werden: Pyrolytische Beschichtungen, sogenannte „Hard Coatings“, werden während der Floatglasproduktion auf das warme Floatglasband aufgetragen und dabei eingebrannt. Hierdurch entsteht eine gegen chemische Einflüsse und Abnutzungen beständige Oberfläche.
Im „Soft Coating“ Prozess werden die Metall- oder Oxidschichten hauptsächlich durch Verdampfung oder Kathoden-Zerstäubung im Vakuum oder Niederschlagen von dampfförmigen oder flüssigen Ausgangsverbindungen mit gleichzeitiger bzw. anschließender Erhitzung aufgebracht (Sputter Prozess). Zum Teil sind bei unzureichender mechanischer Resistenz spezielle Schutzschichten erforderlich. Prinzipiell sind mit dem Sputter Prozess mehrere Beschichtungsvarianten möglich und es können verbesserte Sonnen- und Wärmeschutzeigenschaften als mit dem pyrolytischen Verfahren erzielt werden.
Eine neue Generation von „Soft Coatings“ kann vor dem thermischen Vorspannen aufgebracht werden. Früher mussten zuerst der Zuschnitt und der Vorspannprozess erfolgen, bevor die Beschichtung aufgebracht werden konnte, was die Herstellungsmöglichkeiten begrenzte. Die Beschichtungen können in der Regel bei bis maximal 3210 mm × 6000 mm großen Scheiben aufgebracht werden.
2.5.4.2 Bedruckung
Die Nachfrage von bedrucktem Glas in der Architektur ist mittlerweile sehr groß, daher wurden in den letzten Jahren Drucktechniken und Farbenzusammensetzungen verbessert. Insbesondere wird auf schwermetallhaltige Farben verzichtet und durch die digitale Drucktechnologie sind nahezu alle Motive möglich [26].
Siebdruck
Ganzflächig oder bereichsweise kann auf Glas mittels der Siebdrucktechnik Farbe aufgetragen werden. Es ist zu unterscheiden zwischen thermisch durch Erhitzen zu fixierenden Keramikfarben (Emaillierung) und selbsttrocknender Zweikomponentenfarbe. Die keramischen Farben werden aufgetragen und während des Herstellungsprozesses zu teilvorgespanntem Glas oder Einscheibensicherheitsglas eingebrannt. Die Bedruckung ist weitestgehend kratzfest, feuchte- und säureresistent. Neben dem Erzielen spezieller optischer oder gestalterischer Effekte kann durch die eben genannten Änderungen der Oberfläche die Rutschsicherheit z. B. für begehbares Glas verbessert werden. Bei vollflächiger Bedruckung wird die Farbe in der Regel mittels Rollwalzen auf die Glasoberfläche aufgebracht, um eine möglichst homogene Farbschicht zu erzielen.
Digitaler Druck
Beim digitalen Druck werden die keramischen Farben über einen Plotter direkt auf die Glasoberfläche aufgetragen. Die Farbdichte kann durch die Tropfenzahl variiert werden. Generell ist die Schichtdicke geringer als beim Siebdruckverfahren. Derzeit liegt die maximale Scheibenabmessung, die bedruckt werden kann, bei 2800 mm × 3700 mm; nachdem diese Begrenzung „nur“ durch die Größe des Druckertischs bestimmt ist, wären auch größere Abmessungen denkbar. Auch hier werden die Farben durch den Vorspannprozess des Glases eingebrannt. Wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist, dass, im Vergleich zum Siebdruckverfahren, keine Kosten für die Schablonen entstehen. Ebenso sind durch die direkte Übertragung des Designs vom PC auf den Plotter fotorealistische Bedruckungen möglich sowie durch die hohe Genauigkeit sogenannte „double visions“ (z. B. schwarze auf weiße Punkte) relativ einfach realisierbar [26].
2.5.4.3 Ätzen, Sandstrahlen
Eine Alternative der allerdings „farblosen“ Gestaltung ist die Bearbeitung durch Ätzen (z. B. mit Flusssäure) oder Sandstrahlen, gegebenenfalls unter Verwendung von Schablonen.
2.5.5 Gestaltetes Verbundglas
Die digitale Drucktechnologie ermöglicht nicht nur die Bedruckung von Glas (vgl. Abschn. 2.5.4.2), sondern auch die Bedruckung der Polyvinylbutyral(PVB)-Folie eines Verbundglases. Hierzu ist lediglich eine spezielle Vorbereitung der Folienoberfläche nötig. Ebenso auf die Folie abgestimmt, sind die zu verwendenden organische Farben. Es können Bilder bis zu einer Auflösung von 1400 dpi in jeder Farbkombination gedruckt werden [26]. Die maximalen Abmessungen einer bedruckten Folie betragen derzeit ca. 2390 mm × 4270 mm.
Bei der Aufbereitung von Druckmotiven ist ein eventueller Schrumpf der Folie im Zuge der weiteren Verarbeitung zu berücksichtigen. Um im Endergebnis einen Kreis zu erhalten, ist beispielsweise eine Ellipse auf die Folie zu drucken.
Die Farben und die PVB-Folie sind so aufeinander abgestimmt, dass die Anforderungen nach TRLV [1] bzw. DIN 18008 [3, 4] sowie DIN EN ISO 12543-2 [27] und DIN EN 14449 [28] erfüllt werden und somit die Folie zu Verbundsicherheitsglas verarbeitet werden kann.
2.6 Gebogenes Glas
Durch die immer komplexer werdenden Gebäudegeometrien, insbesondere freigeformte Geometrien, die sich mit der entsprechenden 3-D-Software mittlerweile relativ einfach erzeugen lassen, ist gebogenes Glas in der Architektur ein fester Bestandteil geworden. Die Anwendungsbereiche reichen von Einfachverglasungen für Vordächer bis hin zu Isolierglaselementen mit hochfunktionalen Sonnen- und Wärmeschutzbeschichtungen.
Flachglas lässt sich durch verschiedene Methoden dauerhaft verformen. Das thermische Biegen von Glas stellt dabei zweifelsfrei die älteste Methode dar. Relativ neu hingegen ist das Kaltverformen von Glas, das seit einigen Jahren in der Architektur immer häufiger zum Einsatz kommt. Eine neue Variante des Kaltverformens ist das Laminationsbiegen.
Kaltverformte Scheiben haben gegenüber thermisch gebogenen Scheiben den Vorteil, dass sie eine hohe optische Qualität bzw. Transparenz und Planität besitzen. Insbesondere bei der Ausführung komplexer Gebäudegeometrien, die eine Vielzahl unterschiedlich gekrümmter Gläser benötigen, ist wegen der hohen Herstellungskosten für Biegeformen, die Verwendung von kaltverformtem Glas meist preiswerter.
2.6.1 Thermisch gebogenes Glas
Um den gewünschten Biegeradius herzustellen, wird Flachglas in der Regel in eine Biegeform gelegt und in einem Biegeofen solange erwärmt, bis der Erweichungspunkt (ca. < 550 °C bis 620 °C) des Glases erreicht ist. Bei Erreichen des Erweichungspunktes passt sich das Glas der Biegeform an. Danach wird es langsam und kontrolliert auf Raumtemperatur abgekühlt. Dieses Verfahren wird auch als Schwerkraftbiegen bezeichnet (Bild 2.11). Bei moderneren Biegeöfen hingegen, wird das Flachglas erwärmt und von beiden Seiten durch bewegliche Biegeformen in die gewünschte Form gebracht (Bild 2.12). Meistens wird der Biege- und Abkühl- bzw. Vorspannprozess in einem Ofen durchgeführt. Entscheidender Vorteil des Schwerkraftbiegens gegenüber beweglicher Biegeformen ist, dass bei der Herstellung von VSG die Scheiben paarweise auf die Biegeform gelegt und gebogen werden können. Es ergeben sich dadurch deutlich geringere Toleranzen der Einzelscheiben als mit beweglichen Biegeformen hergestelltes gebogenes Glas. Des Weiteren können durch Schwerkraftbiegen auch zweifach gekrümmte Formen hergestellt werden, während bewegliche Biegeformen in der Regel nur zylindrische Formen erlauben. Vorteil der Herstellung mittels beweglicher Biegeformen ist die Möglichkeit der thermischen Vorspannung.
Bild 2.11 Biegeform zum Schwerkraftbiegen
Bild 2.12 Ofen mit beweglicher Biegeform
Der Biegeprozess hängt von vielen Parametern ab und ist in der praktischen Umsetzung sehr anspruchsvoll. Für die Produkteigenschaften von wesentlicher Bedeutung ist dabei die kontrollierte Abkühlung, um Restspannungen im Glas zu vermeiden. Durch schnelles Abkühlen hingegen erhält man thermisch teil- oder vollvorgespanntes Glas. Nicht nur unterschiedliche Glasarten, sondern auch die Glasdicke und die Geometrie (Radius, Abmessungen) beeinflussen die Ofenparameter. So ist es z. B. bei großen Biegewinkeln fertigungstechnisch einfacher, zwei dünne Gläser zu Verbundglas zu verbinden, als eine gleich dicke monolithische Scheibe herzustellen.
Am häufigsten wird planes Glas zylindrisch gebogen. Um die Biegung zu definieren, sind zwei Parameter notwendig, entweder der Radius und die Bogenlänge oder die Sehne und die Stichhöhe. Der kleinste Biegeradius für Floatglas beträgt abhängig von der Glasdicke ca. 100 mm. Doppelachsige Biegungen sind in der Regel nur bei thermisch nicht vorgespanntem Floatglas möglich.
