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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

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Geschichte Glastechnik

• Mondglasscheiben

• Schleifen von Scheiben – Frankreich 17. Jhdt.

• Glaskonstruktionen Baxton– Kristallpalast

Entwicklungen konstruktiver Gasbau

Sir Joseph Baxton 1804 - 1865 Kristallpalast 1850 - 1851

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Entwicklung Glaskonstruktionen

Fagus Werk 1911-1916 Garage Rue Marboef 1929

Entwicklung 2

Ford Foundation HV Roche 1963/68 Tecno – Fassade unterspannt 2001

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Gebäudehülle

Fa. Festo Fassade, unterspannt

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Lentos - 2003

Sonderkonstruktionen

Glasträger Glasbrücke

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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

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Definitionen nach ON B 3710

Brandschutzglas Flachglas zur Herstellung von Verglasungen gem. ON B 3800-3 bzw. EN 13501-1

Drahtornamentglas Kalk-Natronsilicatglas, durch kontinuierliches Gießen und Walzen hergestellt mit Einlage eines verschweißten Stahl-Dratnetzes

ESG (Einscheiben-Sicherheitsglas)

Thermisch vorgespanntes Guss-, Float-, Roh- oder Fensterglas.

Floatglas Flachglas, durch Fließen einer geschmolzenen Glasmasse auf einem Metallbad hergestellt

Isolierglas Element aus zwei oder mehr gleich- oder ungleichartigen Scheiben, die auf Abstand gehalten werden und im Randbereich verschmolzen sind.

TVG (Teilvorgespanntes Glas)

Behandeltes Flachglas mit erhöhter mech. Festigkeit

VSG (Verbund-Sicherheistglas)

Flachglas aus zwei oder mehr Scheiben mit einer Zwischenschicht die bei Bruch eine Restfestigkeit bietet

Vorgespanntes Glas Thermisch oder chemisch vorgespannt

Herstellung von Floatglas

• 1959 durch Fa. Pilkington entwickelt

• Ausgangsstoffe (Kalk-Natronglas)

– SiO2 69-74%– CaO 5-12%– Na2O 12-16%– MgO 0-6%– Al2O3 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

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Mechanische Eigenschaften Floatglas

Kennwert Symbol Werte Kalk-Natron-Silicatglas

Vergleich: Stahl

Dichte 2500 kg/m³ 7800

Elastizitätsmodul E 70000N/mm² 210000

Poissonzahl 0,23

Wärmeausdehnungskoeffizient T 9.10-6°C-1 12.10-6

Temperaturwechselbeständigkeit T 30 bis 40°C -

Druckfestigkeit fc 700 - 900 N/mm² fu=360N/mm² für S 235

Biegezugfestigkeit (5%-Fraktile) fft 45 N/mm²Theor.:5000-8000

Bruchdehnung 0,06 bis 0,17% 0,25

Besonderheiten zu mechanischen Eigenschaften

• Spannungs-Dehnungsverhalten– Keine

Spannungsumlagerung durch Plastifizieren

– Auswirkung von Vorschädigungen

• Temperaturverhaltenthermisches

Ausdehnungsverhalten

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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, TVGbei Biegebeanspruchung.

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Mechanische Eigenschaften von TVG und ESG

Eigenschaft Bezeichnung WertTVG Temperaturwechselbeständigkeit T 100°C

ESG

Temperaturwechselbeständigkeit

T 200°C

TVG

Prüfbiegezugfestigkeit

fft 70 bis 90 N/mm²

ESG

Prüfbiegezugfestigkeit

fft 120 bis 150 N/mm²

Thermisch behandeltes Glas TVG und ESG kann nicht mehr bearbeitet werden

Thermische Vorspannung von Glas

Nach Sedlacek, 1999

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TVG, eingeprägte Spannungen

Nach Sedlacek, 1999

ESG, TVG, Prinzip

Nach Sedlacek, 1999

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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, 1999

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Versagen von vorgesp. Glas

Bruchuntersuchung

Nach Sedlacek, 1999

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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

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Linienlagerung

Klemmlagerungen

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Punktbefestigungen

Punktbefestigungen

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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

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Anforderungen an die Sicherheit

• Allgemein– 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. 012 ‐ 026) 

• 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. 001 – 113) 

• 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. 114 –240) 

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Werkstoffkennwerte

Glasart E‐Modul

Eg[N/mm²]

Poisson‐Zahl 

g

T.‐Ausd.‐koeff

T [1/K]

Kalk‐Natron‐Silicatglas

70000 0,23 9,0.10‐6

Erdalkali‐Silicatglas

77000 0,20 8,0.10‐6

Borosilicatglas 60000 0,20 6,0.10‐6

Nutzungsspezifische Anforderungen

Konstruktion Anforderungen Verglasung

Begehbare Verglasung GZ 1, Resttragfähigkeit nach Glasbruch, Stoßsicherheit (harter Stoß)

VSGmit Verschleißschicht

Geländer,

Brüstung

GZ 1, ausreichende Stoßsicherheit bei weichem Stoß

Ohne tragendem Handlauf: VSG oder ESG, 

sonst nur VSG

Überkopfverglasung GZ 1, ausreichende Resttragfähigkeit nach Bruch, ggf. harter Stoß (Hagel)

VSG, TVG,

Drahtglas

Tragkonstruktion

(Schwerter, Stützen,..)

GZ 1, umfassende Sicherheitsbetrachtung (redundante Tragstruktur, Brandsicherheit)

Ausschließlich VSG

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AuflagerungsbedingungenGemäß 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

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Einwirkungen

• Charakteristische Werte der Einwirkungen (Gk, Qk) 

• Einschlägige Belastungsnormen– ON EN 1991‐1‐1, ON B 1991‐1‐1, EN 1991‐1‐3, ON B 1991‐1‐3, ON EN 1991‐1‐4,ON B 1991‐1‐4

– Sowie Eigengewicht und außergewöhnliche Lasten wie Lawinen‐ und Erdbebenlast

• Durch den Bauherrn festzulegende Angaben

• Bei geforderter Betretbarkeit (Reinigung, Wartung) gilt Nutzungskategorie H nach B 1991‐1‐1, EN 1991‐1‐1, Die Einzellast Qk 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

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Isolierglas

∙ ∆ ∆ ∆

0,34

0,012 /

Druckdifferenzen bei Isolierverglasungen

Einwirkungskombination

T [K] pmet

[kN/m²]H [m] p0

[kN/m²]

Sommer +20 ‐2 +600 +16

Winter  ‐25 +4 ‐300 ‐16

T        Temperaturdifferenz zwischen Herstellung und Gebrauch

pmet Differenz des Meteorologischen Luftdruckes am Einbauort und bei der Herstellung

H        Differenz der Ortshöhe zwischen Einbauort und HerstellungsortP0             resultierender isochorer Druck  

c1 = 0,34 kPa/K, c2 = 0,012 kPa/m

HcpTcp met ΔΔΔ 210

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Koppeleffekt

1

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Verteilung der Einwirkungen

Lastanteil auf die Belastung der äußeren Scheibe

Belastung der inneren Scheibe

äußere Scheibe  ∙ ∙ 1 ∙ ∙

innere Scheibe Scheibe  1 ∙ ∙ ∙ ∙

11 ∗⁄

∗ ∙ ∙ ∙∙ ∙

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.

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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

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Nachweis Gebrauchstauglichkeit

Nachweis der Gebrauchstauglichkeitmit γF = 1,00 als Teilsicherheitsbeiwert für die Einwirkungen. allgemein gilt:

Durchbiegung, maßgebend hierfür ist– der Elastizitätsmodul E (Material) und

– das Trägheitsmoment I (Querschnitt).

Berechnung bei Glas Verfahren EE mit vorgegebenen E-Modul

TabellenwerteTafeln

Programme

FEM- BerechnungVor allem bei Punktlagerung

dd CE

Ed... Bemessungswert der Lastauswirkungen (z. B. Durchbiegung)

Cd... Bemessungsgrenzwert der Auswirkung (z. B. Grenzwert der Durchbiegung gemäßEC)

Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit

Lagerung Horizontalverglasung Vertikalverglasung

Vierseitig gelagert f l1/100 Keine Anforderungen 1)

2 und 3-seitig gelagert Einfachverglasung:

f l1/100

f 1/50 der freien Kante 2)

Scheiben der Isolierverglasung:

f 1/200der freien Kante

f 1/70 der freien Kante 1)

l1 Scheibenstützweite in Haupttragrichtungd Dicke der Glasscheibe1) Vorgaben Isolierglashersteller beachten2) Oder unter Last wird ein Glaseinstand von 5mm nicht unterschritten

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Nachweisführung im Grenzzustand der Tragfähigkeit

Die Nachweisführung erfolgt grundsätzlich durch den Vergleich der Bemessungswerte

dd RS

Sd...Bemessungswert der Beanspruchung vereinfacht f . SkRd... Bemessungswert des Widerstandes

Glasbrückem

bkd γ

kkfR

mod

fk charakteristische Festigkeitkmod Abminderungsfaktor für die Einwirkungsdauerkb Abminderungsfaktor für die Art der BeanspruchungM Teilsicherheitsfaktor für das Material

Charakteristische Festigkeitswerte

Glasart fkN/mm²

Float 45

TVG 70

TVG-emailliert 1) 40

ESG 120

ESG-emailliert 1) 70

Drahtglas 25

Gussglas 251) Auch teilemailliert und siebbedruckt mit Keramikfarbe

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Abminderungsfaktor kmod (Einwirkungsdauer)

Glasart Einwirkungsdauer kmod

kurz mittel lang

Float 1,0 0,6 0,6

ESG, TVG 1,0 1,0 1,0

Kurz Wind, Holmlast, betretbarMittel Schneelast, begehbar, befahrbarLang ständige Last, Klimalast

Abminderungsfaktor kb (Art der Beanspruchung)

Beanspruchung kb

Plattenbeanspruchung 1,0

Scheibenbeanspruchung 0,8

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Teilsicherheitsbeiwerte m

Glasart 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

1mod,

,

ibk

m

i i

id

kf

γ

k

S

Dabei bedeuten:

Sd,i Bemessungswert der einzelnen Einwirkungenkmod,i Abminderungswert für die Einwirkungsdauerfk charakteristische Festigkeitkb Abminderungsfaktor für die Art der Beanspruchungm Teilsicherheitsbeiwert der Widerstandsseite

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Experimentelle Nachweise

Experimentelle Nachweise, Versuch 2

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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

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Weicher Stoss

Aufprall eines verformbaren Stosskörpers auf das Glas (Simulation einer fallenden Person)

Resttragfähigkeit

Wichtig bei VSG-VerglasungenResttragfähigkeit durch ScheibenverklebungUntersuchungen an:

• Gebrochenen Scheiben• Im Bereich von Punktbefestigungen

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Structural Glacing

Haas Haus

1945

H. Hollein