Einsatz von Teilvorgespanntem Glas (TVG)

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1 Einsatz von Teilvorgespanntem Glas (TVG) Rohfassung ohne Abbildungen und Tabellen Veröffentlicht: GFF (10/2004), o. Jg., S Text und Abbildungen Dipl.-Ing. (FH) - Dipl.-REFA-Ing. Jens Baumgartner (VDI) Ergebnisse einer nicht repräsentativen Untersuchung zum Einsatz des veredelten Glasproduktes im konstruktiven Glasbau Seit mehr als 5000 Jahren erfolgt eine gezielte Glasproduktion durch den Menschen. Es ist erstaunlich, dass es bis heute mit dem - Mundblasverfahren, - Gussverfahren, - Ziehverfahren und - Floatverfahren nur vier technische Entwicklungsstufen für die Flachglasherstellung gegeben hat. Auch die Glasrezeptur hat sich in dieser Zeitspanne in ihren wesentlichen Bestandteilen nicht geändert. Ständige Verbesserungen bei Zusätzen und Gewichtung ihrer Massenanteile führen schließlich zu der in der EN [1] festgelegten Rezeptur. Die Herstellung veredelter Flachglasprodukte ist dagegen erst 100 Jahre alt: : Verbundsicherheitsglas, : Einscheiben- Sicherheitsglas, ~ 1985: Teilvorgespanntes Glas. Die Bedeutung der Glasveredelung und der Einsatz im konstruktiven Glasbau werden nachfolgend am Veredelungsprodukt Teilvorgespanntes Glas (TVG) vorgestellt. Notwendigkeit der Glasveredelung Der Werkstoff Glas hat ein nahezu linear elastisches Verhalten und besitzt keinerlei Plastifizierungsreserven, wie es vom Stahl bekannt ist. Bei mechanischer Überbeanspruchung versagt Glas mit einem spröden Trennbruch. Im Vergleich mit anderen Materialien fällt seine enorme Druckfestigkeit auf: Granit: ~ 250 N/mm², Gusseisen: ~ N/mm², Glas: ~ N/mm². Die Zugfestigkeit setzt dem Glas jedoch enge Anwendungsgrenzen. Die maximale

2 Biegezugfestigkeit wird von der Spannungsspitze im tiefsten Rissgrund bestimmt. Die Risse entstehen z.b. durch: - Kratzer bei der Herstellung, - Reinigungsspuren und - Windschliff. Kommt es im Rissgrund zum Überschreiten einer so genannten 'kritischen Zugspannung', beginnt ein in der Bruchmechanik als sub- oder unterkritisch bezeichnetes langsames und stabiles Risswachstum. Mit anhaltender Belastungsdauer nimmt das subkritische Risswachstum zu - deshalb muss die tatsächliche Beanspruchbarkeit einer Glasscheibe gegenüber ihrer Kurzzeitfestigkeit stark abgemindert werden. Entsteht z.b. durch Belastungszunahme ein kritisches, also schnelles und labiles Risswachstum, kommt es zum schlagartigen Versagen ohne Vorankündigung. Die Wahrscheinlichkeit kritischer Anrisse nimmt mit der Glaslebensdauer ständig zu, daher ist die Bruchfestigkeit von Glas keine Materialkonstante, sie hängt vom Oberflächenzustand ab [2]. Weiterhin finden Einzelscheiben als Tragelemente im konstruktiven Glasbau keine Verwendung, da nach einem Scheibenbruch keine Resttragfähigkeit mehr vorhanden ist. Unter 'Resttragfähigkeit' wird im Glasbau der Widerstand gegen das völlige Versagen eines teilweise zerstörten Bauteils unter einer bestimmten Belastung verstanden [3]. Herstellung veredelter Gläser Soll an Gläsern hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit eine Optimierung erfolgen, muss den negativen Wirkungen der o.g. Oberflächendefekte entgegen gewirkt werden. Eine Verbesserung der Glaseigenschaften ist durch zwei Verfahren zu erzielen: - Vorspannen und - Verbinden - Vorspannen von Glas Mit dem chemischen und dem thermischen Vorspannen stehen zwei Verfahren für das Vorspannen von Glas zur Verfügung, jedoch ist das thermische Verfahren das bedeutendere. Die nach dem Floatverfahren hergestellte Flachglasscheibe erhält eine Wärmebehandlung, bei der die Glasscheibe über ihre Transformationstemperatur hinaus auf ca. 650 C erwärmt wird, um sie anschließend

3 sehr schnell - dann entsteht Einscheiben- Sicherheitsglas (ESG) - oder langsamer - dann entsteht Teilvorgespanntes Glas (TVG) - an den Glasoberflächen abzukühlen. Dadurch erhält die Glasoberfläche eine thermische Druckvorspannung, welche die Risse 'zudrückt' - dem Scheibeninneren wird eine Zugspannung eingeprägt (Abb. 2a). Beide Spannungen stehen im Gleichgewicht. Die Biegezugfestigkeit des vorgespannten Glases erhöht sich etwa um den Wert der eingeprägten Druckspannung, da diese Spannung erst durch eine Belastung abgebaut werden muss. Ist die aus der Belastung resultierende Zugspannung größer als die eingeprägte Druckspannung, beginnt das Risswachstum. Eine Weiterbearbeitung thermisch vorgespannter Gläser ist nicht mehr möglich, da eine Störung dieses Spannungszustandes zum Glasbruch führen würde [4]. Ein weiteres Ergebnis des Vorspannens von Glas ist die Veränderung des Bruchbildes, der eine große Bedeutung zukommt. - Herstellungsprobleme bei TVG Bei TVG ist für die Steuerung des Herstellungsprozesses ein großes Know-how erforderlich, da sich komplexe Vorgänge der Glasdehnung und -kontraktion sowie strukturelle Effekte des Materials überlagern [5]. Die Schwierigkeit bei der TVG Herstellung besteht darin, die 'undefinierten Bereiche' nicht zu treffen [2]. An der Glasscheibe selbst ist nicht direkt erkennbar, welche Oberflächenspannung in eine Charge vorgespannter Gläser eingeprägt wurde. Deshalb muss durch eine Prüfung nach DIN EN [6] beim Anschlagen einer Scheibe ein repräsentatives Bruchbild entstehen. Ist das der Fall, handelt es sich zweifelsfrei um TVG. Weiterhin ist die Produktion auf eine Glasdicke von maximal 12 mm beschränkt, da bei zunehmender Scheibenstärke die Krümelneigung zunimmt und eine weitere nennenswerte Erhöhung der Bruchfestigkeit nicht erfolgt [5]. - Baurechtliche Probleme bei TVG Die Normung ist weit hinter dem Stand der Technik und den Einsatzmöglichkeiten von Glas zurückgeblieben. Es gibt bis heute keine für den konstruktiven Glasbau gültige Norm. TVG ist bis heute bauaufsichtlich nicht eingeführt und steht somit nicht in den Bauregellisten A oder B. Für begehbares Glas, Glasbalken, Glasstützen usw. liegen keine als technische Baubestimmungen bekannt gemachten Ausführungs-

4 und Bemessungsnormen oder Allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen (AbZ) vor. Diese Bauteile müssen durch die oberste Bauaufsichtsbehörde eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE) erhalten. Die Erstellung entsprechender Normen darf einem DIN- Arbeitsausschuss nicht übertragen werden, da entsprechende europäische Normungsaktivitäten bereits begonnen haben, deren Ende heute nicht terminierbar ist. Das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) hat mit den 'Technischen Regeln für die Verwendung linienförmig gelagerter Verglasungen' [7] und den 'Technischen Regeln für die Verwendung von absturzsichernden Verglasungen' [10] zwei Verwendungsregeln für diese wichtigen Anwendungsbereiche bekannt gegeben [17, 18]. AbZ bestehen derzeit u.a. für die Herstellung von TVG und für punktgehaltene Vordächer aus VSG mit 2 x TVG. - Verbinden von Glas Einzelscheiben können im konstruktiven Ingenieurbau wegen fehlender Resttragfähigkeit (s.o.) nicht zum Einsatz kommen. Das Verbinden mehrer Scheiben beeinflusst die Trageigenschaften jedoch positiv. Zu unterscheiden ist zwischen Verbundglas (VG), bei dem die Verbundwirkung durch Gießharze oder Polyvinylbutyral (PVB)-Folie hergestellt, wird und Verbundsicherheitsglas (VSG), bei dem mindestens zwei -maximal zehn- Scheiben mit PVB- Folien von mindestens 0,38 mm -maximal 2,28 mm bei mehrlagiger Schichtung- verbunden werden. An die Folien gibt es bei VSG die Anforderungen, dass sie die Bruchstücke bei Scheibenbruch zusammenhalten, die Resttragfähigkeit bei Scheibenbruch gewährleisten, die Größe der Öffnungen nach Durchstoß begrenzen und somit die Schnittverletzungsgefahr verringern [4]. VSG ist daher ein splitterbindendes Glas, das bei mechanischer Überbelastung zwar bricht, bei dem aber im Gegensatz zu einfachem Floatglas die Bruchstücke fest an der elastischen Zwischenschicht haften bleiben. Vorteile von TVG sowie von VSG aus TVG Der wesentliche Vorteil von TVG besteht, im Vergleich zu Floatglas und ESG, in seinem radialen Bruchbild mit großen Scherben (s.o.). Unter Belastung senkrecht zur Scheibenebene bricht VSG aus 2 x TVG auf der Druckseite ringförmig, während es auf der Zugseite einen sternförmigen Bruchverlauf aufweist [19]. Durch die

5 Verbindung mit der PVB- Folie stützen sich die Bruchstücke gegenseitig - die geforderte Resttragfähigkeit wird erzielt. VSG aus 2 x Floatglas weist ein ähnliches Bruchbild wie VSG aus TVG auf, jedoch mit kleineren Bruchstücken. Kleinkrümelig zerbricht VSG aus 2 x ESG. Untersuchung zum TVG- Einsatz In welchen Bereichen wird TVG eingesetzt? Um Aussagen über seine Verwendung zu erhalten, erfolgt eine Untersuchung von Veröffentlichungen zu Glasbauten mit TVG in 25 deutschen Fachzeitschriften und Fachbüchern aus den Bereichen Architektur und Ingenieurbau. Alle Jahrgänge werden bis 1992 zurückverfolgt, da zu diesem Zeitpunkt die erste in der Literatur erwähnte Glasbaukonstruktion mit TVG veröffentlicht wird [20, 21]. Für Brüstungen mit absturzsichernder Funktion aus VSG mit 2 x TVG werden, obwohl ausgeführt, keine veröffentlichten Beispiele gefunden.einer vollständigen Erfassung aller publizierten Bauwerke steht die bis heute in einigen Fachzeitschriften nicht eindeutige Bezeichnung von VSG mit z.b. VSG aus 2 x TVG entgegen. Aus diesen Gründen entstehen die nachfolgenden Ergebnisse auf einer unvollständigen Datenbasis. Als Systematik zur Einteilung der Bauteile aus TVG bietet sich eine Unterscheidung nach Eurocode 1 (EC 1) in 'Haupttragwerke' und 'weitere Bauelemente' an. Vereinfachend kann in TVG als: - primäre und - sekundäre Tragelemente unterschieden werden [21]. Kommt Glas tragend, also als Primärtragelement, zum Einsatz, kann es planmäßig Systemlasten - z.b. Zugund/oder Druckkräfte - aus der gesamten Konstruktion aufnehmen. Als sekundäres Tragelement nimmt z.b. eine Verglasung nur Wind, Schnee und Eigengewichtslasten auf. Neben einer Einteilung nach Tragstrukturkriterien lässt sich, analog zur Tabelle 1, eine Einteilung nach Baurechtkriterien vornehmen. Ergebnisse der Untersuchung Insgesamt ergibt die Recherche 27 Glaskonstruktionen mit TVG. Eine Auswertung nach statischen Kriterien führt zu dem Ergebnis, dass für Primärtragelemente die Glasbalken, ausgeführt als Biegeträger und Treppenstufen, sowie die Glasstützen,

6 ausgeführt als tragende Wandscheiben, den Einsatzschwerpunkt bilden. Eine Auswertung nach baurechtlichen Aspekten zeigt für TVG als Primär- sowie als Sekundärtragelement die größte Anzahl der ermittelten ausgeführten Glasbauten in der Kategorie '2. Überkopfverglasungen'. Damit sind Überkopfverglasungen die Hauptanwendung von VSG aus TVG sowohl bei primären als auch bei sekundären Bauteilen. - Besonderheiten bei Balken und Stützen aus VSG mit TVG Tragendes Glas kann prinzipiell senkrecht zur Scheibenebene oder in Scheibenebene belastet werden. Treppenstufen haben ihre eigenen Regeln für die Zusammensetzung des VSG - z.b. die Merkblätter des 'Fachverbandes Konstruktiver Glasbau' [22] - und sind von den folgenden Betrachtungen ausgenommen. Das VSG in horizontalen Tragwerken (Belastung senkrecht zur Scheibenebene nach, wie z.b. in Verbindungsstegen, Podesten, Böden u.a.m., besteht häufig aus einer oberen Scheibe aus ESG und einer unteren aus TVG. Der Vorteil dieses Verbundes liegt im Ausnutzen der hohen zulässigen Biegezugspannung des ESG und der großen Bruchstücke von TVG. Im Versagensfall haften die kleinen Glaskrümel des ESG durch die PVB- Folie an den großen Splittern des TVG. Glassplitter des ESG können nicht in die Umgebung gelangen, da es immer im Innenbereich bzw. auf der Oberseite liegt. Glasbalken, belastet in Scheibenebene, haben oft einen VSG- Aufbau aus einer mittigen ESG- Scheibe und einer jeweils außenliegenden Scheibe aus TVG. Dem gleichen Prinzip folgen die Glasstützen. Die mittige Scheibe nimmt auch hier die Belastungen aus Druck und Biegung auf. Die TVG- Scheiben dienen nur zum Schutz, um das ESG im außerplanmäßigen Belastungsfall zu stabilisieren. In vielen Ausführungen ist das TVG größer dimensioniert, damit Kantenbeschädigungen des ESG ausgeschlossen werden können. Allgemein ist noch anzumerken, dass die Verbundwirkung durch die PVB- Folien zurzeit für das Tragverhalten von Biegeträgern und Stützen nicht berücksichtigt wird [5]. Die Belastungen werden den Einzelscheiben bzw. der Tragscheibe zugewiesen.

7 - Besonderheiten bei Überkopfverglasungen mit VSG aus TVG Zur Entwicklung der Überkopfverglasung als Hauptanwendung des TVG hat beigetragen, dass bei jeder Anwendung, ausgenommen Produkte mit einer AbZ, bis heute eine ZiE benötigt wird. Zahlreiche dafür erforderliche Versuche haben den Nachweis erbracht, dass insbesonders punktgehaltene Glasscheiben durch den sog. 'Vernadelungseffekt' eine hohe Resttragfähigkeit erzielen. Für punktgehaltene Überkopfverglasungen ist VSG aus 2 x TVG heute fast alternativlos [5]. Abbildung 9 zeigt ein VSG aus 2 x TVG in einer Punkthalterung. Bei Überbelastung bricht zwar das VSG, bleibt aber aufgrund seines Bruchbildes in relativ ebener Lage. Aus der Vernadelung zwischen Punkthalter und VSG resultiert die hohe Resttragfähigkeit. Ein völlig anderes Verhalten zeigt VSG aus 2 x ESG. Durch den kleinkrümeligen Bruch kommt es zum 'Handtucheffekt', bei dem die überbelastete VSG- Scheibe in den Punkthaltern wie ein nasses Handtuch hängt. Eine geforderte hohe Resttragfähigkeit ist in diesem Fall nicht gegeben. Zusammenfassung und Ausblick Ziel dieses Beitrags ist es, - zum einen die Notwendigkeiten zur Glasveredelung und - zum anderen die Einsatzschwerpunkte des modernen Veredelungsproduktes Teilvorgespanntes Glas (TVG) - speziell die von Verbundsicherheitsglas (VSG) aus TVG vorzustellen. Als qualitatives Ergebnis einer Literaturrecherche ist festzuhalten, das TVG seine 'Marktlücke' gefunden hat. In nächster Zeit bleiben punktgehaltene Überkopfverglasungen das bevorzugte Einsatzgebiet für VSG aus TVG. Generell sehr nachteilig ist, dass Bauen mit TVG wegen der häufig notwendigen Zustimmung im Einzelfall (ZiE) sehr zeit-, wissens- und damit kostenintensiv ist. Das wird sich in absehbarer Zeit nicht ändern. TVG kann darüber hinaus das Glas der Zukunft werden, wenn es u.a. gelingt, Flächentragwerke in Kuppel- oder Tonnenform als Ganzglas- Tragkonstruktionen zu entwickeln - z.b. für die Überdachung großer Flächen wie Passagen oder

8 Parklandschaften. Die Konkurrenz durch Folien und Textilien ist dabei groß, jedoch ist Glas bei den Eigenschaften Transparenz und Dauerhaftigkeit nicht zu schlagen. Literatur: [1] DIN EN : : Glas im Bauwesen. Basiserzeugnisse aus Kalk- Natronglas. Teil 1: Definition und allgemeine physikalische und mechanische Eigenschaften. [2] Schnittich, C.; Staib, G. u.a.: Glasbau Atlas, München: Institut für internationale Architektur- Dokumentation, [3] Wörner, J.- D.; Schneider, J.; Fink, A.: Glasbau - Grundlagen, Berechnung, Konstruktion, Berlin; Heidelberg; New York: Springer, [4] Sedlacek, G.; Blank, K.; Laufs, W.; Güsgen, J.: Glas im konstruktiven Ingenieurbau, Berlin: Ernst & Sohn, [5] Bucak, Ö.: Glas im konstruktiven Ingenieurbau. In: Kuhlmann, U. (Hrsg.): Stahlbau- Kalender 1999, Berlin: Ernst & Sohn, 1999, S [6] DIN EN : : Teilvorgespanntes Kalknatronglas, Teil 1: Definition und Beschreibung. [7] Deutsches Institut für Bautechnik - DIBt (Hrsg.): Technische Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen (09/98). DIBt- Mitteilungen 29 (1998), H. 5, S [8] DIN : : Außenwandbekleidung, hinterlüftet; Einscheiben- Sicherheitsglas; Anforderungen, Bemessung, Prüfung. [9] Landesstelle für Bautechnik Baden- Württemberg (Hrsg.): Merkblatt G2: Zusammenfassung der wesentlichen Anforderungen an zustimmungspflichtige Vertikalverglasungen, Fassung vom , [10] Deutsches Institut für Bautechnik - DIBt (Hrsg.): Technische Regeln für die Verwendung von absturzsichernden Verglasungen (01/03). In: DIBt- Mitteilungen 34 (2003), S [11] Landesstelle für Bautechnik Baden- Württemberg (Hrsg.): Merkblatt G3: Zusammenfassung der wesentlichen Anforderungen an absturzsichernde Verglasungen im Rahmen von Zustimmungen im Einzelfall, Fassung vom ,

9 [12] Landesstelle für Bautechnik Baden- Württemberg (Hrsg.): ZiE - Vorlage VG 1: Vereinfachte Zustimmung im Einzelfall für Glaskonstruktionen, Fassung vom , [13] Landesstelle für Bautechnik Baden- Württemberg (Hrsg.): Merkblatt G1: Zusammenfassung der wesentlichen Anforderungen an zustimmungspflichtige Überkopfverglasungen, Fassung vom , zueko_02.htm. [14] Landesstelle für Bautechnik Baden- Württemberg (Hrsg.): Merkblatt G4: Zusammenfassung der wesentlichen Anforderungen an begehbare Verglasungen im Rahmen von Zustimmungen im Einzelfall, Fassung vom , glas/merkblatt/zbeg_02.htm. [15] Deutsches Institut für Bautechnik - DIBt (Hrsg.): Anforderungen an begehbare Verglasungen (03/01). In: DIBt- Mitteilungen 31 (2001), S [16] Landesstelle für Bautechnik Baden- Württemberg (Hrsg.): Merkblatt 1: Allgemeines Merkblatt, Fassung vom , [17] Carlier, H.: Bauaufsichtliche Anforderungen an Glaskonstruktionen. In: Der Prüfingenieur, o.j. (Oktober 1998), Heft 15, S [18] Mais, R.: Verwendung von Glas am Bau - Gesetzliche Anforderungen. DETAIL Zeitschrift für Architektur + Baudetail, 38 (1998), S [19] Bucak, Ö.: Glas im konstruktiven Ingenieurbau. Vortrag an der FH Nordostniedersachsen, Buxtehude [20] Krewinkel, H.- W.: Glasarchitektur: Material, Konstruktion und Detail, Basel; Berlin; Boston: Birkhäuser, [21] Knaack, U.: Konstruktiver Glasbau, Köln: R. Müller [22] Fachverband Konstruktiver Glasbau (FKG) e.v. (Hrsg.): Merkblatt Betretbare Verglasungen, Aachen, 2001.

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