Glasbau

Pendelschlagversuch

Geschrieben von Dr. Frank Purtak

Für absturzsichernde Verglasungen ist häufig eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE) erforderlich. Diese kann mit der praktischen Durchführung von Pendelschlagversuchen durch eine anerkannte Prüfstelle erreicht werden. Alternativ lassen sich die relativ aufwendigen Versuche mit FE-Programmen simulieren. Dazu werden nichtlinear transiente Berechnungen durchgeführt. Der Pendelkörper stößt dabei mit festgelegter Geschwindigkeit gegen die Konstruktion.

Bemessungsdiagramme Vertikalverglasungen

Geschrieben von Dr. Frank Purtak

Für die Bemessung von Vertikalverglasungen nach der TRLV stehen für verschiedene Glasaufbauten entsprechende Diagramme / Bemessungstafeln zur Verfügung. Die Vertikalverglasung ist allseitig linienförmig gelenkig gelagert. In den Diagrammen ist bei Isolierglas die Klimalast bereits berücksichtigt. Die Berechnung der Tabellenwerte erfolgte mit der Glasdickenberechungs-Software TW Glas (TRLV).

Bruchmechanik von Glas (Bauteilwiderstand)

Allgemeines

Hauptursache für die geringe Zugfestigkeit von Floatglas sind die Oberflächendefekte in Verbindung mit der fehlenden Zähigkeit des Materials. Die hohe Spannungsspitze an der Risswurzel kann nicht durch Plastifizierung abgebaut werden. Für eine Beschreibung des Spannungszustandes im Nahfeldbereich d des Risses liegt die Vorstellung einer unendlich ausgedehnt gedachten Scheibe unter konstanter Zugbelastung zugrunde. Die Modellvorstellung für die im Folgenden vorgestellte Bruchmechanik setzt zudem voraus, dass die Scheibendicke h wesentlich größer als die Risstiefe a ist und kräftefreie Rissflanken existieren. Nur unter diesen Festlegungen lassen sich die am Modell von GRIFFITH gefundenen Zusammenhänge sinnvoll auf die Oberflächenschädigungen anwenden.

Abb. 1: a) Einzelriss unter Zugbelastung s, Nahfeldzone d, h >> a [1]; b) Rissöffnungsarten [2]

Wie in Abb. 1 b) zu sehen ist, werden in der Bruchmechanik verschiedene Rissöffnungsarten unterschieden. Modus I beschreibt eine Klaffung senkrecht zur Rissfläche, Modus II beschreibt eine Längsscherung und Modus III ist bei Querscherungen anzuwenden. Für den Glasbau ist in erster Linie Modus I entscheidend. 

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Ausgewählte Flachglasprodukte

1. Allgemeines

Einer der ersten in der Glasforschung tätigen Wissenschaftler, GUSTAV TAMMANN (1861-1938), definierte Glas wie folgt: „Der Glaszustand ist der eingefrorene Zustand einer unterkühlten Flüssigkeit, die ohne zu kristallieren erstarrt ist.“ [1, Abschnitt 4.1.1] Im Bauwesen kommen fast ausschließlich Silicatgläser zur Anwendung.

Für die Herstellung von Flachgläsern wird i.d.R. Kalk-Natron-Silicatglas eingesetzt. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften sind für das Bauwesen in der DIN 1249-10 [15] bzw. aktuell in der DIN EN 572-1 [16] geregelt. Kalk-Natron-Silicatglas besitzt die folgende chemische Zusammensetzung [1, Tab. 4.1], wobei die Dichte etwa 2500 kg/m³ beträgt:

• ca. 70 % Quarzsand (SiO₂),
• ca. 10 % Kalk (CaO),
• ca. 15 % Soda (Na₂O),
• Nebenbestandteile, u.a.: Fe²⁺… grüne Färbung, Fe³⁺… braune Färbung, Co²⁺… blaue Färbung.

Im erstarrten Zustand bildet sich eine unregelmäßige Netzwerkstruktur aus Silizium- und Sauerstoffatomen (siehe Abb. 1b), in welche sich die Alkalien einlagern. Anders als bei kristallinen Strukturen verläuft der Übergang zwischen festem und flüssigem Aggregatzustand bei einer Erwärmung nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich. In diesem Transformationsbereich bildet sich eine unterkühlte Schmelze mit einem metastabilen (d.h. schwach stabilen) thermodynamischen Gleichgewicht aus. Die Umwandlungstemperatur vom glasigen Zustand zur metastabilen Schmelze beträgt ca. 500°C. Die endgültige Schmelztemperatur wird durch die Alkalien gesenkt. Sie beträgt für Kalk-Natron-Silicatglas ca. 1300 – 1600°C. Die Alkalien steigern jedoch die Wärmedehnung des Glases. Der Wärmeausdehnungskoeffizient a_T beträgt etwa 0,9 •10^-5 K^-1. Die Wärmedehnung ist somit geringer als bei Stahl oder Aluminium (a_{T, Stahl} = 1,3 •10^-5 K^-1, a_{T, Alu} = 2,3 •10^-5 K^-1).

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Kopplungseffekt bei Mehrscheiben-Isolierverglasung

1. Allgemeines

Der Kopplungseffekt beschreibt das Verhalten der inneren undäußeren Glasplatten bei Mehrscheiben-Isolierglasverglasungen (MIG), wenn eine äußere Einwirkung (z.B. p_a in Abb. 1) an einer der beiden Platten eine Durchbiegung hervorruft. Diese bewirkt je nach Richtungssinn der äußeren Einwirkung eine Verringerung oder Vergrößerung des im Scheibenzwischenraum (SZR) luftdicht abgeschlossenen Gasvolumens. Hierdurch entsteht ein Innendruck Dp, welcher ebenfalls auf die nicht direkt durch die äußere Einwirkung beanspruchte Glasscheibe des MIG(s) wirkt.

Allgemeines

Der Kopplungseffekt beschreibt das Verhalten der inneren undäußeren Glasplatten bei Mehrscheiben-Isolierglasverglasungen (MIG), wenn eine äußere Einwirkung (z.B. p_a in Abb. 1) an einer der beiden Platten eine Durchbiegung hervorruft. Diese bewirkt je nach Richtungssinn der äußeren Einwirkung eine Verringerung oder Vergrößerung des im Scheibenzwischenraum (SZR) luftdicht abgeschlossenen Gasvolumens. Hierdurch entsteht ein Innendruck Dp, welcher ebenfalls auf die nicht direkt durch die äußere Einwirkung beanspruchte Glasscheibe des MIG(s) wirkt.

Abb. 1: Kopplungseffekt bei MIG und Überlagerung mit Klimalast

Dies bedeutet, dass im Fall eines intakten SZR(s) die lotrecht zur Glasoberfläche wirkenden Lastanteile einer äußeren Einwirkung von beiden Verglasungseinheiten des MIG(s) abgetragen werden. In welchem Verhältnis dies geschieht, kann mathematisch mit Hilfe der in Gl. 1 beschriebenenThermische Zustandsgleichung für eine abgeschlossene ideale Gasmenge ermittelt werden.

Gl. 1 mit: p … Druck im SZR, V … Volumen des SZR(s), T … Temperatur im SZR, Index E … am Einbauort zum Betrachtungszeitpunkt, Index H … am Herstellungsort bei der Versieglung des SZR(s)

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