1   Allgemeines

In den letzten Jahren hat sich das Glas, das bisher lediglich eine untergeordnete Tragfunktion hatte (Abtragung lokaler Windlasten zu den Unterstützungen), durch die Anwendungspraxis zu einem Tragelement gewandelt, die im Eurocode als sekundäre Bauelemente (Träger, Pfetten o.ä.) bezeichnet werden (Bild 1). Daneben gibt es bereits Anwendungen, bei denen das Glas die Rolle eines Haupttragelementes übernommen hat (Rahmen etc).

Die grundsätzlichen mechanischen Eigenschaften von Glas sind hervorragend: eine Druckfestigkeit wie hochfeste Stähle, eine Zugfestigkeit wie die Druckfestigkeit von Beton und einen Elastizitätsmodul und eine Wärmeausdehnungszahl etwa wie Aluminium. Wesentlicher Nachteil ist jedoch das spröde Verhalten von Glas, plastische Umlagerungen, wie bei allen anderen Baustoffen -oft stillschweigend angesetzt - sind nicht möglich.

Die Entwicklung von Bemessungs- und Konstruktionsregeln, die dieser neuen Bedeutung des Glases gerecht werden ist zur Zeit in vollem Gange. Im folgenden sollen deshalb neben den technischen Grundlagen der Glasbemessung auch Hinweise auf die baurechtliche Situation gegeben werden.

 

2   Werkstoff Glas

Der Werkstoff Glas weist ein ideal-sprödelastisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten auf. Nach Erreichen der Grenztragfähigkeit versagt das Glas ohne erkennbare bleibende Verformungsanteile. Bild 1 gibt einen qualitativen Vergleich mit anderen Werkstoffen.

Neben der Abhängigkeit vom Material des Stoffes Glas hängt die Festigkeit auch stark von der Beschaffenheit der Oberfläche ab, d.h. die Größe, Form und die Verteilung von Rissen beeinflussen die Festigkeit erheblich. Es leuchtet ein, daß bei großen Oberflächen die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins von festigkeitsmindernden Rissen zunimmt, so daß Flachglastafeln eine geringere Festigkeit aufweisen als Kleinproben. Daneben hängt die Festigkeit noch ab von:

- Belastungsdauer (kurz: hohe Festigkeit, lang: geringere Festigkeit)

- Feuchtigkeit

- Temperatur

Die bisherige Glasbemessung hat diese Effekte nicht berücksichtigt, man ist ausgegangen von den Ergebnissen von Kleinproben. Ein zutreffendere Beschreibung des Festigkeitsverhaltens von Glas hat Blank [Blank1993] entwickelt.

Neben der Oberflächenbeschaffenheit hängt das Verhalten des Glases noch stark von der Belastungsdauer ab. Grund für die Abnahme der Festigkeit sind wiederum die Mikrorisse in der Oberfläche, die bei lang anhaltender Beanspruchung in das Material hinein laufen können und schließlich bei Erreichen einer kritischen Rißgröße einen Bruch auslösen. Dieses Phänomen kann mit der linearen Bruchmechanik gut behandelt werden. Ein Bemessungsansatz hierzu ist in [Blank1993] zu finden.

 

 

3  Glasarten und ihr Verhalten

3.1 Allgemeines

Im Bauwesen werden vorwiegend Flachgläser eingesetzt, die nach dem sog. Floatverfahren hergestellt sind. Beim Floatverfahren läuft das flüssige Glas aus einer Wanne durch einen Kanal mit einstellbarem Querschnitt auf das Floatbad aus geschmolzenem Zinn und breitet sich dort aus. Dadurch, daß das Glas erst im kühleren Zustand vom Zinnbad auf Transportrollen verschoben wird, hat es eine hervorragende Oberflächenqualität.

 

Man unterscheidet:

- normales Flachglas

- Drahtglas, mit eingelegtem Drahtgitter

- Vorgespanntes Einscheibensicherheitsglas (ESG)

- Teilvorgespanntes Einscheibensicherheitsglas (TVG)

- Verbundsicherheitsglas (VSG)

 

Das normale, nicht vorgespannte Flachglas hat als tragendes Konstruktionselement keine Bedeutung, da es beim Versagen in große, scharfkantige Einzelteile zerspringt. Es wird im Fensterbau o.ä. eingesetzt. Daneben kann es bei Isolier-Überkopfverglasungen als obere Scheibe eingesetzt werden, da nach den baurechtlichen Bestimmungen, die untere Scheibe die gesamte Last übernehmen können muß.

Das Drahtglas enthält ein in der Mittelfläche eingelegtes Drahtgitter, das die Scheibenteile nach dem Bruch zusammenhält und somit größere Verletzungsgefahren verhindert. Drahtglas darf auch heute für Überkopfverglasungen eingesetzt werden, allerdings nur bis zu Spannweiten von 70cm.  Im folgenden werden zu den restlichen, oben angegebenen Glasarten Erläuterungen gegeben.

 

3.2 Voll vorgespanntes Einscheibensicherheitsglas (ESG)

Nach dem Zuschneiden werden die Glastafeln auf ca. 640° C aufgeheizt und anschließend durch Kaltluftdusche abgekühlt. Das Innere kühlt langsamer ab als die Oberfläche, es entsteht eine Druckvorspannung in beiden Oberflächen (Bild 4). Bei Überlagerung mit den Lastspannungen treten an der Oberfläche keine Zugspannungen auf, die Empfindlichkeit in bezug auf die Oberflächenfehler wird eliminiert.

 

 

Vorteile von ESG:

- Hohe Zuglastspannungen

- Beanspruchung unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit und -größe

- Bei Bruch Zerfall in kleine Glaskrümel

Beanspruchbarkeit wird in Form von zulässigen Spannungen angegeben. In der Regel können die hervorragenden Festigkeitseigenschaften von ESG gar nicht ausgenutzt werden, da Durchbiegungsbeschränkungen maßgebend werden.

 

 

3.3 Teilvorgespanntes Glas (TVG)

Bei den thermisch teilvorgespannten Gläsern werden die zugeschnittenen Tafeln auf geringere Temperaturen vorgeheizt und dann abgeschreckt, so daß eine geringere Druckvorspannung vorhanden ist. Durch geeignete Wahl der Temperatur wird die Druck vorspannung so festgelegt, daß bei Überlagerung mit den Lastspannungen zwar resultierende Zugspannungen an der Oberfläche auftreten, diese aber die (oberflächenabhängigen) Eigenfestigkeiten des Glases nicht überschreiten (Bild 4):

Vorteile von TVG:

- Höhere Zuglastspannungen als beim Einfachglas

- Bei Bruch Zerfall in größere Glasteile, wie beim Einfachglas, d.h. keine Glaskrümel, wie bei ESG, damit größere Biegefestigkeit nach Bruch, geringere Verfromungen

- billiger herstellbar

 

Festigkeitsnachweis ähnlich wie bei nicht vorgespanntem Glas, aber mit erhöhten Festigkeiten R,So.

 

3.4 Verbundsicherheitsglas (VSG)

Verbundsicherheitsglas besteht aus zwei oder mehreren Scheiben nicht vorgespanntem Glas oder ESG, die durch eine zähelastische durchsichtige Zwischenschicht aus Polyvinylbutyral-Folie (PVB) oder Giesharz miteinander verbunden sind (Bild 5):

 

Der Verbund wird unter Druck und höheren Temperaturen in einem Autoklaven hergestellt. Bei einer Zerstörung der Scheibe haften die Splitterstücke an der Verbundfolie. Es treten große Verformungen auf, bevor die zähplastische Folie reißt. Aus diesem Grunde ist die Verbundglasscheibe ideal für Überkopfverglasungen. 

 

Die Folie wird als nicht tragend behandelt. Damit entfällt die Berücksichtigung der Verbundwirkung, d.h. beim Nachweis darf nicht die Gesamtdicke beider Scheiben bei der Ermittlung des Widerstandsmomentes berücksichtigt werden, sondern nur die Summe der Widerstandsmomente der Einzelscheiben. Hierdurch sollen Kriecheffekte der Verbundfolie unter lang einwirkenden Lasten erfaßt werden. Unter kurzeinwirkenden Lasten, wie z.B. Windlasten o.ä. sind die Tragreserven infolge der dann wirksamen Verbundwirkung jedoch erheblich, wie Versuche gezeigt haben. Außerdem wird durch die Folie ein zähplastisches Verhalten der Gesamtkonstruktion erzeugt [Sedlacek 1996]. Ausgenutzt wird dieser Effekt zur Zeit jedoch noch nicht.

 

VSG-Scheiben aus ESG haben ein deutlich ungünstigeres Tragverhalten als VSG-Scheiben aus Einfachglas, da bei Zerstörung das Glas zerkrümelt und somit keine weitere Stützwirkung durch Scheibenteile auftritt. Die Scheibe wird deshalb leiht aus der Halterung herausgezogen und kann abstürzen. Sie dürfen deshalb nach den Technischen Regeln [Norm 1996] für Überkopfverglasungen und Linienlagerung nicht verwendet werden. Gut bewährt sind dagegen VSG-Scheiben aus TVG, siehe Bild 7, 8. (Dennoch z.Zt. Zustimmung im Einzelfall erforderlich !)

 

4   Lagerung der Glasscheiben

Die Art der Lagerung der Glasscheiben bestimmt weitgehend deren Tragfähigkeit, da im Bereich der Lager hohe örtliche Spannungen auftreten, die der Baustoff Glas wegen seiner mangelnden Duktilität nicht aufnehmen kann, es treten örtliche Brüche auf, die rasch weiterlaufen können.

Die Lagerung von Glasscheiben erfolgt

- linienförmig in Rahmen (vierseitig, zweiseitig in Gummi)

- linienförmig rahmenlos auf die Unterkonstruktion geklebt (Structural Glacing)

- Sicherheitshalterung mit lokalen Schrauben oder "Fotoecke"

- punktförmig durch Glashalter

Die linienförmige Halterung ist nicht in der Lage, die VSG-Scheiben nach einem Bruch auf dem Auflager zu halten, die Scheiben ziehen sich heraus. Hierzu sind die punktförmigen Festhaltungen eher in der Lage, da die Scheiben hierzu durchbohrt werden und damit eine Haltung entsteht. Die folgenden Bilder zeigen Ausführungsformen von Punkthalterungen.

Die punktförmige Lasteinleitung macht eine aufwendige Finite-Element-Berechnung zur Ermittlung der örtlichen Spannungsspitzen im Bereich der Löcher erforderlich.

Hierzu muß der Halter einschließlich Kunststoffunterlagen und Bolzen mit modelliert werden (Bilder unten).

 

 

Modellierung im Bereich des Loches

Hauptspannungen im Bereich des Glashalters

Das Berechnungsverfahren sollte versuchsmäßig abgesichert sein. Das Bild zeigt beispielhaft die Spannungsverteilung am Lochrand einer vertikalen Scheibe unterWinddruck bei Verwendung von Glashaltern. Man erkennt die hohen Hauptspannungsspitzen im Bereich des oberen Lochrandes.

Der Ort der Glashalter beeinflußt den Spannungszustand ebenfalls erheblich. Mit Hilfe von Parameterstudien hat Jäger [Jäger1998] Randabstände optimiert. Bestimmender Lastfall ist dabei der Winddruck. Eigengewicht und Temperatur spielen eine geringere Rolle.

 

 

 

 

 

 

ar = 0,20 a     -    br = 0,20 a

a  und b sind die Seitenlängen der Scheibe, ar und br die zugehörigen Randabstände. Die Aussage gilt für Quadrat- und Rechteckplatten.

Auch die Tragfähigkeit der Halter selbst sollte versuchsmäßig abgesichert sein. Derzeit gibt es noch kein System mit einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung. Die Ausführung ist deshalb nur mit einer Zustimmung im Einzelfall möglich. Wichtig bei punktgestützten Verglasungen ist die Fertigungsgenauigkeit, an die erheblich größere Anforderungen als sonst üblich gestellt werden. Die Halter dürfen nicht exzentrisch zum gebohrten Loch sitzen, es muß ausreichend Platz für eine Pufferung mit Kunststoff vorgesehen werden.

 

5   Baurechtliche Situation

5.1 Allgemeines

Die Normung ist im Bereich des Konstruktiven Glasbaus weit hinter dem Stand der Technik und der Einsatzmöglichkeiten von Glas als konstruktivem Baustoff zurückgeblieben. In der Zwischenzeit gibt es Entwürfe des Sachverständigenausschusses (SVA) "Glas im Bauwesen" des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt), vgl. [Charlier 1997].

 

5.2 Überkopfverglasungen

5.2.1 Technische Regeln

Hier besteht ein starker Regelungsbedarf wegen Gefährdung der öffentlichen Ordnung. Seit 1996 gibt es:

"Technische Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Überkopfverglasungen" [Norm96]. Für punktgestützte Lagerung sind derzeit noch keine Regelungen vorhanden, d.h. es muß stets eine Zustimmung im Einzelfall von der obersten Bauaufsicht herbeigeführt werden.

 

Bei Einfachverglasungen im Überkopfbereich wird eine Resttragfähigkeit nach Scheibenbruch gefordert (Verhinderung von Verletzungen durch herabstürzende Scheibenteile). Bei Isolierglas wird dies nur für die untere Scheibe gefordert, für die obere Scheibe kann jede Glasart verwendet werden.

 

Einfachscheiben oder ESG für Einfachverglasungen im Überkopfbereich nicht erlaubt.

 

VSG-Scheiben aus Einfachglas haben eine derartige Resttragfähigkeit durch die Zähigkeit der Folie.

 

VSG-Scheiben aus ESG mit Linienlagerung haben ein ungünstiges Resttragverhalten (s.o.). Sie können bei Bruch aus den Halterungen herausgezogen werden und als Ganzes herunterfallen. Sie dürfen deshalb nach den Technischen Regeln nicht verwendet werden. Punktlagerungen sind dagegen in der Lage auch Horizontalkräfte aufzunehmen, dennoch auch hier: Zustimmung im Einzelfall.

 

VSG-Scheiben aus TVG verhalten sich etwa wie VSG-Scheiben aus Einfachglas. Da noch keine Produktnorm für TSG vorliegt, handelt es also nicht geregeltes Bauprodukt, d.h. Zustimmung im Einzelfall ist erforderlich.

 

5.2.2 Scheibenbemessung

Neu: Berücksichtigung der Klimawirkung bei Isolierverglasung, d.h. die Berücksichtigung der Druckdifferenz zwischen dem (konstanten) Innendruck einer Isolierglasscheibe und den Drücken bedingt durch Höhenlage, meteorologische Druckänderungen, Temperatur etc. Erfassung durch ein vereinfachtes Bemessungsverfahren, bei dem die klimatische Last als Flächenlast auf die Scheibe abgebildet wird, die mit den äußeren Lasten Eigengewicht, Wind, Schnee überlagert werden muß. Beim Nachweis der Beanspruchungen aus äußeren Lasten und gleichzeitigem Klimaeffekt darf die Kopplung der beiden Scheiben durch den Innendruck berücksichtigt werden, Bild 17. Gleichzeitig dürfen die zulässigen Spannungen um 15% erhöht werden, [Charlier1997].

 

Nachzuweisende Lastfallkombinationen:

- Obere Scheibe für Beanspruchungen aus äußeren Lasten ohne Koppeleffekt, gegen zul . (Grund: defekte Druckisolierung, keine Kopplung)

- Obere Scheibe für Beanspruchung aus äußeren Lasten und Klimaänderung. Mit Koppeleffekt, gegen 1,15 zul . (Intakte Isolierverglasung)

- Untere Scheibe für Beanspruchungen aus äußeren Lasten und Klimaänderung mit Koppeleffekt, gegen 1,15 zul und ggf. zul f. (Intakte Isolierverglasung)

- Untere Scheibe für den Versagensfall der oberen Scheibe mit deren Belastung, gegen zul . (An obere Scheibe werden keine Resttragfähigkeitsforderungen gestellt)

Die erhöhten zulässigen Spannungen bei VSG aus Einfachglas berücksichtigt die Tatsache, daß der Schubverbund nicht angesetzt werden darf, obwohl er zweifelsfrei wirkt.

Die Regeln für Überkopfverglasung gelten bisher nur für Räume, die der Öffentlichkeit allgemein zugänglich sind. Bei Räumen, die dieser Bedingung nicht unterliegen (Kulturgewächshäuser, Dachflächenfenster, Wintergärten etc.) wird die Entscheidung über die Maßnahme dem Bauherrn überlassen, es besteht kein öffentlich-rechtliches Regelungsgebot.

 

5.2.3 Begehbare Glasbauteile

Hierzu gehören z.B. Treppenstufen und -Podeste aus Glas, aber auch Überkopfverglasungen, die zu Reinigungszwecken begangen werden müssen. Ausführung in VSG mit mindestens drei Scheiben. Zustimmung im Einzelfall erforderlich! Folgende Forderungen werden hierbei gestellt [Charlier1996]:

- Nachweis unter planmäßigen Lasten ohne Ansatz des Mitwirkens der obersten Scheibe und der Verbundwirkung

- Nachweis der Rutschhemmung (Nutzungssicherung) nach einem Merkblatt der Berufsgenossenschaften

- Nachweis der Tragfähigkeit beim Aufprall scharfkantiger Gegenstände (40kg Fallgewicht mit eingedrehter M8-Schraube als Aufschlagfläche) aus 50cm Höhe

- Nachweis der Resttragfähigkeit des durch den Aufprallversuch geschädigten

 

5.2.4 Vertikalverglasungen

Mit Hilfe von Vertikalverglasungen lassen sich sehr transparente Flächen herstellen.

Eingeführte Norm: DIN 18516-4 (1990-02)

Hinterlüftete Außenwandbekleidungen aus ESG mit punkt- und linienförmiger Lagerung.

Veraltete Norm: DIN 18056 (1966-06) Bemessung und Ausführung von Fensterwänden. Veraltet, nicht mehr in der Liste der Technischen Baubestimmungen enthalten.

Der Sachverständigenausschuß (SVA) "Glas im Bauwesen" hat Anfang 1997 den Entwurf von Technischen Regeln fertiggestellt. Anwendung nur für linienartig gelagerte Verglasung, Punktlagerung noch nicht geregelt, d.h. Zustimmung im Einzelfall. Der Entwurf lehnt sich stark an die Regeln für die Überkopfverglasung an. Folgende Änderungen sind signifikant [Charlier1997]:

- Keine Testtragfähigkeitsanforderungen (unwahrscheinlich, dass Scheibe aus dem Rahmen fällt.

- Mindeststeifigkeit der Auflagerlinie.

- zulässige Biegespannung (18 N/mm²) ist höher als bei Überkopfverglasung (12N/mm²) Grund kürzere Lasteinwirkungsdauer bei Wind verglichen mit Eigengewicht. Kopplungseffekte dürfen berücksichtigt werden. Näherungsverfahren wie für Überkopfverglasung.

- Durchbiegungsbeschränkung von Isolierglas ist entfallen.

 

Literatur
 
Blank,K.H.:                  1993        Bemessung von rechteckigen Glasscheiben unter
                                                 gleichförmiger Flächenlast. Bauingenieur 68
                                                 (1993) 489-497.
 
Charlier;H.:                 1997        Der Prüfingenieur. Oktober 1997. 44- 54.
 
Petzold,A., Marusch,H., 1990        Der Baustoff Glas. Verlag für Bauwesen, Berlin
                                                 und Verlag Karl Schramm, B. Hofmann,
                                                 Schondorf.
 
Sagmeister,B.              1993        Tragende Bauteile aus Glas, Berechnung und
                                                 Ausführung. Forschungsbericht Institut für
                                                 Konstruktiven Glasbau (IKG), Heft 4, Darmstadt.
 
Sedlacek,G                  1993        Die Bemessung tragender Glaselemente. In:
                                                 Darmstädter Massivbau-Seminar 1993
 
Wörner,J.D.                 1996        Bauen mit Glas: Berechnung, Bemessung,
                                                 Konstruktion. In: 16.Steinfurter Stahlbauseminar.
                                                 Hrsg. Dipl.-Ing. Hacken, Steinfurt.
 
Jäger,B.                      1997        Untersuchungen von Stützweiten und Anordnung
                                                 der Glastafelhalter auf die maximalen
                                                 Hauptzugspannungen bei punktgestützten
                                                 Glastafeln. Diplomarbeit Uni-Karlsruhe
 
Klinkenberg, A.,           1998        Untersuchungen zur statisch optimalen
 
Jäger, B., Saal,H.                        Halterposition bei punktgestützten Glastafeln
                                                 Stahlbau (67), 1998. 275-280.
 
Norm                          1966        DIN 18056:Fensterwände. Bemessung und
                                                 Ausführung. Juni 1966, Beuth-Verlag, Berlin
 
Norm                          1988        DIN 1249, Teil 10: Flachglas im Bauwesen.
                                                 Chemische und physikalische Eigenschaften.
                                                 September 1988, Beuth-Verlag, Berlin
 
Norm                          1990        DIN 18516 Teil 4 (1990-02) Anwendung von
                                                 hinterlüfteten Außenwandbekleidungen aus
                                                 Einscheiben-Sicherheitsglas mit punkt- oder
                                                 linienförmiger Lagerung. Beuth-Verlag, Berlin
 
Norm                          1996        Technische Regeln für die Anwendung von
                                                 linienförmig gelagerten Überkopfverglasungen.
                                                 Miteilungen DIBt Heft 5/1996. Ernst&Sohn,
                                                 Berlin
 
Norm                          1997        Technische Regeln für die Anwendung von
                                                 linienförmig gelagerten Vertikalverglasungen.
                                                 Entwurfsfassung Mai 1997. Mitteilungen DIBt Heft
                                                 4/1997. Ernst&Sohn, Berlin
 
Norm                          1985        Richtlinie des Hessischen Innenministeriums vom
                                                 06.08.1985. Nr. VA2-64b08/100-28/85 zu
                                                 zulässigen Spannungen von ESG.