Konstruieren mit Glas Bundes-Obermeistertag 2. Juli 2010 in Dresden Dipl.-Phys. Wolfgang Kahlert, GSK - Glas Statik Konstruktion GmbH
Mitarbeiter: 4 x Bauingenieur 1 x Physiker 1 x Maschinenbauingenieur Projekte: Jährlich ca. 400 500 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?
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
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
1. Anwendungsgebiete moderner Glasarchitektur 2. Normung und Baurecht - aktuelle Normung im Glasbau, E-DIN 18008 - 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
Herstellung Eigenschaften Werkstoff Glas
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
Bearbeitung von Glas Veredlung von Glas Formgebung Oberflächenbearbeitung Werkstoff Glas
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
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
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 18516-4 Außenwandbekleidungen, hinterlüftet - Einscheibensicherheitsglas (02/1990) Landesbauordnung sowie Richtlinien und Erlasse der Bundesländer beachten! Baurecht
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
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
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
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
Lochleibungsverbindungen im Glasbau: Wesentliche Parameter - Durchmesser der Glasbohrung - Dicke + Steifigkeit der Hülse - passgenaue Ausführung der Verbindung und Füllung der Glasbohrungen Berechnung
Anwendung in Fassaden und Dächern centre commercial Ipercoop, Italien Punktgehaltene Verglasungen
Anwendung in Fassaden und Dächern Louvre, Paris Fa. Feldhaus, Emsdetten Punktgehaltene Verglasungen
Anwendung in Fassaden und Dächern Messe, Leipzig Punktgehaltene Verglasungen
Anwendung in Fassaden und Dächern Stadthaus, Dortmund Fernbahnhof, Frankfurt Punktgehaltene Verglasungen
Anwendung in Fassaden und Dächern Hotel Esplanade, Berlin Punktgehaltene Verglasungen
Anwendung in Fassaden und Dächern Country-Club, Rennstrecke Shanghai Punktgehaltene Verglasungen
Glashaltesysteme Glashalter Klemmhalter in der Fuge Glashalter für gebohrte Gläser starr kugelgelagert Tellerhalter Senkkopfhalter Tellerhalter Senkkopfhalter Punktgehaltene Verglasungen
Klemmhalter in der Fuge besonders geeignet für: kleine Scheibenformate geringe Bau-Toleranzen monolithische ESG-Verglasungen Punktgehaltene Verglasungen
Klemmhalter in der Fuge Punktgehaltene Verglasungen
Starre Glashalter für gebohrte Gläser besonders geeignet für: kleine Scheibenformate geringe Bau-Toleranzen steife Tragwerke monolithische Verglasungen Punktgehaltene Verglasungen
Kugelgelagerte Glashalter für gebohrte Gläser besonders geeignet für: große Scheibenformate Beherrschung von Bau-Toleranzen weiche Tragwerke monolithische Verglasungen und Isolierverglasungen Punktgehaltene Verglasungen
Kugelgelagerte Glashalter Punktgehaltene Verglasungen
Auflagersituation / Anschluss an die Unterkonstruktion Punktgelagerte Verglasungen
Statisch bestimmte Lagerung über Los-, Gleit- und Festlager in der Unterkonstruktion Punktgelagerte Verglasungen
Statisch bestimmte Lagerung über Einsatzelemente in den Anschlusselementen Punktgelagerte Verglasungen
Fugenausbildung Allianz Frankfurt Bsp.: öffenbare Lamellen Sparkassenversicherung, Dresden Mercedes Benz Center, Stuttgart Punktgelagerte Verglasungen
Anwendungen Mediapark, Köln Samsung Head Quarters, Korea Glasträger
Anwendungen Hotel an der Rennstrecke, Shanghai Glasträger
Anwendungen The Gate, New Castle Glasträger
Anwendungen The Gate, New Castle Glasträger
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
Kraftübertragung über Lochleibung Lochleibungsversuch an 12mm ESG (d = 25mm) Kraftfluss in der Bohrung Glasträger
Konstruktionsbeispiel: Vordachverglasung, Glasbinder als Kragarmkonstruktion Glasträger
Konstruktionsbeispiel: Samsung Head Quarters, Korea Glasträger
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
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
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
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
KSK Ludwigsburg Ausblick
Punkthalter - Testelement Ausblick
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! GSK Glas Statik Konstruktion GmbH www.gsk-gmbh.com Büro Haltern Recklinghäuser Str. 119 45721 Haltern Tel.: 02364-96116 Fax: 02364-96117 Büro Dresden Robert-Blum-Str. 3 01097 Dresden Tel.: 0351-8119010 Fax: 0351-8119029 Kontakt