Konstruieren mit Glas

Transkript

1 Konstruieren mit Glas Bundes-Obermeistertag 2. Juli 2010 in Dresden Dipl.-Phys. Wolfgang Kahlert, GSK - Glas Statik Konstruktion GmbH

2 Mitarbeiter: 4 x Bauingenieur 1 x Physiker 1 x Maschinenbauingenieur Projekte: Jährlich ca kleine und große Projekte im Bereich Glasbau Tech. Ausstattung: - elektronisches Dokumentenmanagmentsystem zur Kopplung der Bürostandorte - verschiedene FE-Programmsyteme - Stabwerksprogramme / CAD / Office Standorte: Büro Haltern seit 1995 Büro Dresden seit 2002 Wer sind wir?

3 statisch-konstruktive Anwendungsberatung Finite Elemente Analysen für jegliche Arten von Glaskonstruktionen inkl. Auflagerdetails und Tragkonstruktion unter Berücksichtigung von statischen, dynamischen oder thermischen Lasten Betreuung von bauaufsichtlichen Genehigungs- und Zustimmungsverfahren sowie Betreuung von Bauteilversuchen Analyse des thermischen Bruchrisikos von Verglasungen und sowie Annalyse bauphysikalischer Probleme Simulation von Pendelschlag- oder Fallversuchen (weicher Stoß) Leistungen

4 RODIN PAVILION, SEOUL, KOREA AKADEMIE DER KÜNSTE, BERLIN LEHRTER BAHNHOF, BERLIN SONYCENTER, BERLIN THE GATE, NEWCASLE, UK UNIVERSITÄTSBIBLIOTHEK, COTTBUS HOTEL ESPLANADE, BERLIN PRADA SHOP, TOKYO, JAPAN Projekte

5 1. Anwendungsgebiete moderner Glasarchitektur 2. Normung und Baurecht - aktuelle Normung im Glasbau, E-DIN Genehmigung durch untere Bauaufsichtsbehörde - Genehmigung durch obere Bauaufsichtsbehörde (Zustimmung im Einzelfall) 3. punktuell gelagert Verglasungskonstruktionen - Planungsgrundlagen und Konstruktionsprinzipien - Wechselwirkung mit Unterkonstruktion - Fallbeispiel 4. tragende Glasbauteile - transparenter Posten und Balken - Planungsgrundlagen und Konstruktionsprinzipien - experimentelle Untersuchungen - Fallbeispiele 5. Ausblick - Kleben als Fügetechnik - elektronisch steuerbare Verglasungen Gliederung

6 Herstellung Eigenschaften Werkstoff Glas

7 Glas spröder Werkstoff Glas = anorganisches Schmelzprodukt - erstarrt ohne zu kristallisieren - fehlende Ausbildung eines Kristallgitters bedingt hohe Transparenz und Sprödigkeit - elastisches Verformungsverhalten bis zum Bruch - keine Fähigkeit durch Plastizieren Spannungsspitzen abzubauen - im rechnerischen Nachweis müssen lokale Spannungskonzentrationen genau ermittelt werden Festigkeit von Basisglas - hohe Druckfestigkeit (900 N/mm²) - geringe Biegezugfestigkeit durch Mikrorisse auf der Glasoberfläche - Biegebeanspruchung führt zur Öffnung der Mikrorisse auf der Zugseite Werkstoff Glas

8 Bearbeitung von Glas Veredlung von Glas Formgebung Oberflächenbearbeitung Werkstoff Glas

9 Glasprodukte im Bauwesen Thermisch vorgespanntes Glas - Erhöhung der Biegezugfestigkeit durch thermisches Vorspannen - inneres Spannungsgleichgewicht (Druck auf Oberfläche Zug im Inneren) - festigkeitsmindernde Einflüsse von Oberflächendefekten werden erst wirksam wenn die eingeprägte Oberflächenspannung abgebaut worden ist ESG: hohe thermische Vorspannung, Krümelbruch TVG: geringe thermische Vorspannung, großflächige Bruchstücke Werkstoff Glas

10 Glasprodukte im Bauwesen Verbundsicherheitsglas - durch laminieren von Glas mit PVB-Folie erreicht man: a) Splitterbindung (Verletzungsrisiko) b) Resttragfähigkeit (plötzliches Versagen) - bauaufsichtlich: keine Verbund, Nachweis der Einzelscheiben - baupraktisch: teilweise Verbundwirkung, Ersatzdicke oder Laminat - Stoßeinwirkungen: voller Verbund, monolither Querschnitt Isolierverglasung - Kopplung der Einzelscheiben über Gasvolumen im SZR (a) und Verklebung des Randverbundsystems - Änderung der Gasvolumens infolge Temperatur- und Luftdruckschwankungen (b) Werkstoff Glas

11 Baugenehmigung Genehmigung durch die untere Bauaufsichtsbehörde Voraussetzungen: Einsatz bauaufsichtlich geregelter Bauprodukte bzw. Bauarten (Bauregelliste, Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (ABZ) Anwendung bauaufsichtlich eingeführter Normen und Richtlinien -Technische Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen (TRLV, DIBt 9/1998) - Technische Richtlinie für die Verwendung von absturzsichernden Verglasungen (TRAV, DIBt 1/2003) -Technische Regeln für die Bemessung und Ausführung punktförmig gelagerter Verglasungen (TRPV, DIBt Entwurfsfassung- 09/2005) -DIN Außenwandbekleidungen, hinterlüftet - Einscheibensicherheitsglas (02/1990) Landesbauordnung sowie Richtlinien und Erlasse der Bundesländer beachten! Baurecht

12 Zustimmung im Einzelfall (ZiE) Genehmigung durch die obere Bauaufsichtsbehörde ZiE ist erforderlich, bei: Einsatz ungeregelter Bauprodukte bzw. Bauarten Abweichung von den gültigen technischen Baubestimmungen Bsp. für zustimmungspflichtige Konstruktionen: punktgelagerte Verglasungen (Fassaden, Dächer, Vordächer) statisch wirksam verklebte Verglasungen (SG-Fassaden, Ganzglasecken) zu Wartungs- und Reinigungszwecken betretbare Verglasungen (Dächer, Vordächer) planmäßig begehbare Verglasungen (Glasböden, Treppen, Podeste) statisch lastabtragende Glasbauteile (Glasträger) Baurecht

13 Finite Elemente Berechnungen im Glasbau: Finite Elemente Berechnungen sind in nahezu allen Bereichen des Glasbaus erforderlich mit Ausnahme von allseitig oder zweiseitig linienförmig gelagerte Scheiben. (-> Bachsche Plattenformeln) Zur Bemessung von Glasbauteilen relevante Bereiche - Feldmitte - Bohrungen und Ausschnitte - Auflagerbereiche - Glaskanten Lokalisierung von Spannungskonzentrationen - Berechnung der Elementspannungen in Elementmitte (angemessene Netzverfeinerung in relevanten Bereichen) - Interpolation der Knotenspannungen (Ermittlung der Spannungsmaxima am Glasrand) Berechnung

14 Idealisierte Rechenmodelle: Vereinfachte Abbildung der Wirklichkeit - keine bildliche sondern funktionelle Abbildung - Kalibrierung der Rechenmodelle anhand von Bauteilprüfungen Kaft-Verformungs-Verhalten: wirklichkeitsnahe Lastverteilung Kraft-Spannungs-Verlauf: Abbildung der richtigen Spannungen an der richtigen Stelle - Reduzierung der Fehleranfälligkeit durch möglichst einfachen Modellaufbau und Kalibrierung mit angemessenem Sicherheitsniveau Berechnung

15 Punktgelagerte Verglasungen: Wesentliche Parameter Isolierglashalter als Schalen-Balken-Modell - Funktion + Lage Haltergelenk - Steifigkeit Halterbolzen - zwängungsfreie Lagerung in Scheibenebene - elastische Randankopplung in Scheibenebene - elastische Zwischenlage senkrecht zur Scheibenebene Berechnung

16 Lochleibungsverbindungen im Glasbau: Wesentliche Parameter - Durchmesser der Glasbohrung - Dicke + Steifigkeit der Hülse - passgenaue Ausführung der Verbindung und Füllung der Glasbohrungen Berechnung

17 Anwendung in Fassaden und Dächern centre commercial Ipercoop, Italien Punktgehaltene Verglasungen

18 Anwendung in Fassaden und Dächern Louvre, Paris Fa. Feldhaus, Emsdetten Punktgehaltene Verglasungen

19 Anwendung in Fassaden und Dächern Messe, Leipzig Punktgehaltene Verglasungen

20 Anwendung in Fassaden und Dächern Stadthaus, Dortmund Fernbahnhof, Frankfurt Punktgehaltene Verglasungen

21 Anwendung in Fassaden und Dächern Hotel Esplanade, Berlin Punktgehaltene Verglasungen

22 Anwendung in Fassaden und Dächern Country-Club, Rennstrecke Shanghai Punktgehaltene Verglasungen

23 Glashaltesysteme Glashalter Klemmhalter in der Fuge Glashalter für gebohrte Gläser starr kugelgelagert Tellerhalter Senkkopfhalter Tellerhalter Senkkopfhalter Punktgehaltene Verglasungen

24 Klemmhalter in der Fuge besonders geeignet für: kleine Scheibenformate geringe Bau-Toleranzen monolithische ESG-Verglasungen Punktgehaltene Verglasungen

25 Klemmhalter in der Fuge Punktgehaltene Verglasungen

26 Starre Glashalter für gebohrte Gläser besonders geeignet für: kleine Scheibenformate geringe Bau-Toleranzen steife Tragwerke monolithische Verglasungen Punktgehaltene Verglasungen

27 Kugelgelagerte Glashalter für gebohrte Gläser besonders geeignet für: große Scheibenformate Beherrschung von Bau-Toleranzen weiche Tragwerke monolithische Verglasungen und Isolierverglasungen Punktgehaltene Verglasungen

28 Kugelgelagerte Glashalter Punktgehaltene Verglasungen

29 Auflagersituation / Anschluss an die Unterkonstruktion Punktgelagerte Verglasungen

30 Statisch bestimmte Lagerung über Los-, Gleit- und Festlager in der Unterkonstruktion Punktgelagerte Verglasungen

31 Statisch bestimmte Lagerung über Einsatzelemente in den Anschlusselementen Punktgelagerte Verglasungen

32 Fugenausbildung Allianz Frankfurt Bsp.: öffenbare Lamellen Sparkassenversicherung, Dresden Mercedes Benz Center, Stuttgart Punktgelagerte Verglasungen

33 Anwendungen Mediapark, Köln Samsung Head Quarters, Korea Glasträger

34 Anwendungen Hotel an der Rennstrecke, Shanghai Glasträger

35 Anwendungen The Gate, New Castle Glasträger

36 Anwendungen The Gate, New Castle Glasträger

37 Typischer Querschnitt Nachweisszenarien alle Glasschichten sind am Lastabtrag beteiligt Ausfall der äußeren Schichten Lastabtrag allein über die innere ESG-Scheibe Ausfall der inneren Glasschicht Lastabtrag allein über die äußeren TVG-Scheiben Glasträger

38 Kraftübertragung über Lochleibung Lochleibungsversuch an 12mm ESG (d = 25mm) Kraftfluss in der Bohrung Glasträger

39 Konstruktionsbeispiel: Vordachverglasung, Glasbinder als Kragarmkonstruktion Glasträger

40 Konstruktionsbeispiel: Samsung Head Quarters, Korea Glasträger

41 Konstruktionsbeispiel: Ganzglasfassade, Budapest Konstruktion - vertikale Aussteifung durch Glasschwerter - horizontale Aussteifung durch vorgespannte Seilkonstruktion Vorgehensweise - Ermittlung der Steifigkeit der Gesamtkonstruktion am Stabwerksmodell - Übertrag der maßgebenden Verformungen auf das FE-Modell eines einzelnen Glasschwertes Grenzfallbetrachtung - volle Vorspannung - Ausfall Vorspannung - Längenänderung infolge Temperaturschwankungen - Ausfall von Glasschichten Glasträger

42 Konstruktionsbeispiel: Ganzglasfassade, Budapest Konstruktion - 4-teiliges Fassadenschwert - Glasaufbau 4 x 10mm ESG + 1,52mm PVB-Folie - Glasbohrung / HiltiHit-Hülse / Stahlhülse / Bolzen - Kopf- und Fußpunkt gelenkig - Trägerstöße als biegesteife Laschenverbindung - Trägerstoß Mitte gelenkig + vertikal verschieblich Vorgehensweise - Verformungen aus Stabwerksmodell werden als Zwangsverschiebungen auf Knotenpunkte des Fassadenschwertes angesetzt - Einsatz eines kalibrierten Modells für den Bereich der Glasbohrung - Ermittlung der Spannungsspitzen an der Glasbohrung + Beanspruchung der weichen Hülse Glasträger

43 Sicherheitskonzept Nutzungskonzept Tragsicherheitsnachweis Berücksichtigung besonderer Beanspruchungen (Zwangsverformungen infolge Temperaturausdehnung oder Bauwerkssetzungen) Berücksichtigung von Ausfallszenarien (Vandalismus, Spontanbruch) Stabilitätsbetrachtungen Gebrauchstauglichkeitsnachweis Verformungsverhalten Schwingungsanfälligkeit Überwachungskonzept / Wartungsplan Schädigungspotential / Schädigungsszenarien Durchführung von Bauteilversuchen Glasträger

44 Kleben als Fügetechnik gleichmäßige Lasteinleitung Vermeidung von Spannungskonzentrationen definierte aber einfache Oberflächenvorbereitung (trocken und fettfrei) Ausführung unter kontrollierten Bedingungen (Luftfeuchte, Temperatur) Achtung : unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas und Kleber Kriecheffekte unter Dauerbeanspruchung dauerhafte Alterungsbeständigkeit Ausblick

45 KSK Ludwigsburg Ausblick

46 Punkthalter - Testelement Ausblick

47 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! GSK Glas Statik Konstruktion GmbH Büro Haltern Recklinghäuser Str Haltern Tel.: Fax: Büro Dresden Robert-Blum-Str Dresden Tel.: Fax: Kontakt