Hochbaukonstruktionen 2

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1 Hochbaukonstruktionen 2 Glaskonstruktionen Univ. Prof. Dr. A. Kolbitsch Übersicht Grundlagen Geschichte Aktuelle Ausführungsbeispiele Begriffsbestimmungen Werkstoff Glas Herstellung Vorspannung Befestigungssysteme Bemessung Auswahl der Glasart NW nach zulässigen Spannungen Nachweise nach Grenzzuständen Experimentelle Nachweise Sicherheit Resttragfähigkeit Bauvorschriften Aktuelle Fassadenkonstruktionen Literatur 1

2 Geschichte Glastechnik Mondglasscheiben Schleifen von Scheiben Frankreich 17. Jhdt. Glaskonstruktionen Baxton Kristallpalast Entwicklungen konstruktiver Gasbau Sir Joseph Baxton Kristallpalast

3 Entwicklung Glaskonstruktionen Fagus Werk Garage Rue Marboef 1929 Entwicklung 2 Ford Foundation HV Roche 1963/68 Tecno Fassade unterspannt

4 Gebäudehülle Fa. Festo Fassade, unterspannt 4

5 Lentos Sonderkonstruktionen Glasträger Glasbrücke 5

6 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

7 Definitionen nach ON B 3710 Brandschutzglas Drahtornamentglas ESG (Einscheiben- Sicherheitsglas) Floatglas Isolierglas TVG (Teilvorgespanntes Glas) VSG (Verbund- Sicherheistglas) Vorgespanntes Glas Flachglas zur Herstellung von Verglasungen gem. ON B bzw. EN Kalk-Natronsilicatglas, durch kontinuierliches Gießen und Walzen hergestellt mit Einlage eines verschweißten Stahl-Dratnetzes Thermisch vorgespanntes Guss-, Float-, Roh- oder Fensterglas. Flachglas, durch Fließen einer geschmolzenen Glasmasse auf einem Metallbad hergestellt Element aus zwei oder mehr gleich- oder ungleichartigen Scheiben, die auf Abstand gehalten werden und im Randbereich verschmolzen sind. Behandeltes Flachglas mit erhöhter mech. Festigkeit Flachglas aus zwei oder mehr Scheiben mit einer Zwischenschicht die bei Bruch eine Restfestigkeit bietet Thermisch oder chemisch vorgespannt Herstellung von Floatglas 1959 durch Fa. Pilkington entwickelt Ausgangsstoffe (Kalk- Natronglas) SiO % CaO 5-12% Na 2 O 12-16% MgO 0-6% Al 2 O 3 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 7

8 Mechanische Eigenschaften Floatglas Kennwert Symbol Werte Kalk-Natron-Silicatglas Vergleich: Stahl Dichte 2500 kg/m³ 7800 Elastizitätsmodul E 70000N/mm² Poissonzahl 0,23 Wärmeausdehnungskoeffizient T C Temperaturwechselbeständigkeit T 30 bis 40 C - Druckfestigkeit f c N/mm² f u =360N/mm ² für S 235 Biegezugfestigkeit (5%-Fraktile) f ft 45 N/mm² Theor.: Bruchdehnung 0,06 bis 0,17% 0,25 Besonderheiten zu mechanischen Eigenschaften Spannungs- Dehnungsverhalten Keine Spannungsumlagerung durch Plastifizieren Auswirkung von Vorschädigungen Temperaturverhalten thermisches Ausdehnungsverhalten 8

9 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

10 Mechanische Eigenschaften von TVG und ESG Eigenschaft Bezeichnung Wert TVG Temperaturwechselbeständigkeit T 100 C ESG Temperaturwechselbeständigkeit T 200 C TVG Prüfbiegezugfestigkeit ESG Prüfbiegezugfestigkeit f ft f ft 70 bis 90 N/mm² 120 bis 150 N/mm² Thermisch behandeltes Glas TVG und ESG kann nicht mehr bearbeitet werden Thermische Vorspannung von Glas Nach Sedlacek,

11 TVG, eingeprägte Spannungen Nach Sedlacek, 1999 ESG, TVG, Prinzip Nach Sedlacek,

12 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,

13 Versagen von vorgesp. Glas Bruchuntersuchung Nach Sedlacek,

14 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 14

15 Linienlagerung Klemmlagerungen 15

16 Punktbefestigungen Punktbefestigungen 16

17 Bruchversuch und Modellierung Begriffsbestimmungen zu den Bauvorschriften Vertikalverglasung Neigung 15 zur Vertikalen Überkopfverglasung Neigung > 15 zur Vertikalen Absturzsichernde Verglasung Brüstungen Geländer Begehbares Glas Trittstufen Deckenteile Brücken Tragende Teile Schwerter Stützen 17

18 Allgemein Anforderungen an die Sicherheit 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 ) 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 ) 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 ) 18

19 Werkstoffkennwerte Glasart Kalk Natron Silicatglas Erdalkali Silicatglas E Modul E g [N/mm²] Poisson Zahl g T. Ausd. koeff T [1/K] ,23 9, ,20 8, Borosilicatglas ,20 6, Nutzungsspezifische Anforderungen Konstruktion Anforderungen Verglasung Begehbare Verglasung Geländer, Brüstung Überkopfverglasung Tragkonstruktion (Schwerter, Stützen,..) GZ 1, Resttragfähigkeit nach Glasbruch, Stoßsicherheit (harter Stoß) GZ 1, ausreichende Stoßsicherheit bei weichem Stoß GZ 1, ausreichende Resttragfähigkeit nach Bruch, ggf. harter Stoß (Hagel) GZ 1, umfassende Sicherheitsbetrachtung (redundante Tragstruktur, Brandsicherheit) VSG mit Verschleißschicht Ohne tragendem Handlauf: VSG oder ESG, sonst nur VSG VSG, TVG, Drahtglas Ausschließlich VSG 19

20 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 20

21 Einwirkungen Charakteristische Werte der Einwirkungen (G k, Q k ) Einschlägige Belastungsnormen ON EN , ON B , EN , ON B , ON EN ,ON B Sowie Eigengewicht und außergewöhnliche Lasten wie Lawinen und Erdbebenlast Durch den Bauherrn festzulegende Angaben Bei geforderter Betretbarkeit (Reinigung, Wartung) gilt Nutzungskategorie H nach B , EN , Die Einzellast Q k 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 21

22 Isolierglas 0,34 0,012 / Druckdifferenzen bei Isolierverglasungen Einwirkungskombinati on T [K] p met [kn/m²] H [m] p 0 [kn/m ²] Sommer Winter T Temperaturdifferenz zwischen Herstellung und Gebrauch p met Differenz des Meteorologischen Luftdruckes am Einbauort und bei der Herstellung p0 c1 ΔT Δpmet c2 ΔH H Differenz der Ortshöhe zwischen Einbauort und Herstellungsort P 0 resultierender isochorer Druck c 1 = 0,34 kpa/k, c 2 = 0,012 kpa/m 22

23 Koppeleffekt 1 23

24 Verteilung der Einwirkungen Lastanteil auf die Belastung der äußeren Scheibe Belastung der inneren Scheibe äußere Scheibe 1 innere Scheibe Scheibe 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. 24

25 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 25

26 Nachweis Gebrauchstauglichkeit Nachweis der Gebrauchstauglichkeit mit γ F = 1,00 als Teilsicherheitsbeiwert für die Einwirkungen. allgemein gilt: E d C d E d... Bemessungswert der Lastauswirkungen (z. B. Durchbiegung) C d... Bemessungsgrenzwert der Auswirkung (z. B. Grenzwert der Durchbiegung gemäß EC) Durchbiegung, maßgebend hierfür ist der Elastizitätsmodul E (Material) und das Trägheitsmoment I (Querschnitt). Berechnung bei Glas Verfahren EE mit vorgegebenen E-Modul Tabellenwerte Tafeln Programme FEM- Berechnung Vor allem bei Punktlagerung Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Lagerung Horizontalverglasung Vertikalverglasung Vierseitig gelagert f l 1 /100 Keine Anforderungen 1 ) 2 und 3-seitig gelagert Einfachverglasung: f l 1 /100 f 1/50 der freien Kante 2 ) Scheiben der Isolierverglasung: f 1/200der freien Kante f 1/70 der freien Kante 1 ) l 1 Scheibenstützweite in Haupttragrichtung d Dicke der Glasscheibe 1) Vorgaben Isolierglashersteller beachten 2) Oder unter Last wird ein Glaseinstand von 5mm nicht unterschritten 26

27 Nachweisführung im Grenzzustand der Tragfähigkeit Die Nachweisführung erfolgt grundsätzlich durch den Vergleich der Bemessungswerte S d R d S d...bemessungswert der Beanspruchung vereinfacht f. S k R d... Bemessungswert des Widerstandes fk kmod kb Rd γ m Glasbrücke f k k mod k b M charakteristische Festigkeit Abminderungsfaktor für die Einwirkungsdauer Abminderungsfaktor für die Art der Beanspruchung Teilsicherheitsfaktor für das Material Charakteristische Festigkeitswerte Glasart f k N/mm² Float 45 TVG 70 TVG- liert 1 ) 40 ESG 120 ESG- liert 1 ) 70 Drahtglas 25 Gussglas 25 1 ) Auch teil liert und siebbedruckt mit Keramikfarbe 27

28 Abminderungsfaktor k mod (Einwirkungsdauer) Glasart Einwirkungsdauer k mod 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 k b (Art der Beanspruchung) Beanspruchung k b Plattenbeanspruchung 1,0 Scheibenbeanspruchung 0,8 28

29 Glasart Teilsicherheitsbeiwerte m 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 S i k d, i mod, i γm f k k b i 1 Dabei bedeuten: S d,i k mod,i f k k b m Bemessungswert der einzelnen Einwirkungen Abminderungswert für die Einwirkungsdauer charakteristische Festigkeit Abminderungsfaktor für die Art der Beanspruchung Teilsicherheitsbeiwert der Widerstandsseite 29

30 Experimentelle Nachweise Experimentelle Nachweise, Versuch 2 30

31 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 31

32 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 32

33 Structural Glacing Haas Haus 1945 H. Hollein 33