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Bernhard Sill
Entwurfsseminar Sommersemester 2004 Fachgebiet Hascher & Fachgebiet Rückert
254.094 Wahlseminar Konstruktiver Glasbau
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254.094 Wahlseminar Konstruktiver Glasbau 2012S, SE, 3.0h, 4.0EC .
Institut für Architekturwissenschaften Tragwerksplanung und Ingenieurholzbau
Saleh Pascha, KhaledUniv.Ass. Dipl.-Ing. Dr.-Ing.
Jaksch, StefanUniv.Ass Dipl.-Ing. Dr.techn.
Hochhauser, WernerProjektass. Dipl.-Ing. Dr.techn.
254.094 Wahlseminar Konstruktiver Glasbau
Wahlfach Sommersemester 2012
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Institut für Architekturwissenschaften Tragwerksplanung und Ingenieurholzbau
Bedeutung in der ArchitekturDer Werkstoff GlasFassadentechnikKonstruktiver GlasbauBemessung und NachweiseSicherheitskonzept Klima- und belichtungstechnische Grundlagen
Übersicht
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Institut für Architekturwissenschaften Tragwerksplanung und Ingenieurholzbau
Wirkung von Glas
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Institut für Architekturwissenschaften Tragwerksplanung und Ingenieurholzbau
Leichtigkeit und Transparenz
Bürohochhaus Berlin Friedrichstraße,Wettbewerbsentwurf 1921,Ludwig Mies van der Rohe
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lichtdurchlässige Wändeaus Glasbausteinen
Maison de Verre,Paris 1932,
Pierre Chareau, Bernard Bijvoet
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transluzente bis opake Erscheinung
Kunsthaus Bregenz,1997, Peter Zumthor
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Überblendung von Innen und Außen
Bauhaus DessauWerkstattflügel, 1926,
Walter Gropius
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„Glas ist ein anorganisches Schmelzprodukt,das im wesentlichen ohne Kristallisation erstarrt.“DIN 259-1: 1986 Glas, Begriffe für Glasarten und Glasgruppen.
Glas
„Der Glaszustand ist dereingefrorene Zustand einer unterkühlten Flüssigkeit,die ohne zu kristallisieren erstarrt ist.“Gustav Tammann (1861 - 1938)
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FloatverfahrenDie Rohstoffe und Scherben schmelzen zur Glasschmelze.Die Formgebung zum Flachglas erfolgt im Floatbad, wobei die 1100 °C heisse Glasschmelze aufflüssigem Zinn schwimmt.Das endlose Glasband wird durch Rollen auf gewünschte Glasdicke gebracht und anschliessend abgekühlt.Anschliessend erfolgt der Zuschnitt, in der Regel 321 600 cm und der Transport zu den glasverarbeitenden Betrieben.
Ziehverfahren1850 als maschinelles Ziehverfahren entwickelt.Vereinzelt noch Herstellung von ‚Fensterglas‘.Heute fast vollständig vom Floatverfahren abgelöst.
Giessverfahren1688 durch einen französischen Glasmacher eingeführt.Wird bis heute noch angewendet.
Blasen und StreckenIn phönizischen Werkstätten kurz vor Christi Geburt erfunden.
Glasherstellung
Vor ca. 5 000 Jahren in Mesopotamien entdeckt.Erste überlieferte Rezept findet man auf einer Tontafel des assyrischen Königs Assurbanipalca. 650 v.Chr.
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Der Werkstoff Glas
Optische Eigenschaften- Transparenz und Transluzenz bei geringer Lichtreflexion im sichtbaren Bereich
Chemische Zusammensetzung- chemische Beständigkeit gegenüber sehr vielen Medien
Bruchmechanik, Festigkeit- linear-elastisches Werkstoffverhalten bis zum Bruch- geringe Zugfestigkeit- hohe Sprödigkeit
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Transparenz und Transluzenzbei geringer Lichtreflexion im sichtbaren Bereich:
TransmissionSonnenstrahlen, Licht wird vom Glas entweder durchgelassen ...
Reflektion... zurückgestrahlt ...
Absorption... oder im Glas aufgenommen und in Wärme umgewandelt.
LichtbrechungLichtstrahlen werden beim Übergang aus einem Stoff in einen anderen mitunterschiedlicher optischer Dichte (im allgemeinen) gebrochen, und zwarum so stärker, je flacher sie auf die Grenzfläche beider Stoffe auftreffen.
Treibhauseffektspektrale Abhängigkeit der Durchlässigkeit von Glas:Glas lässt kurzwellige Sonnenstrahlung durch, die beim Auftreffen auf die Wände inlangwellige Wärmestrahlung umgewandelt und damit vom Glas zurückgestrahlt wird.Die Wärme kann somit nicht wieder entweichen.
optische Eigenschaften
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Floatglas (Spiegelglas) durch Floatprozess gewonnenes Glas
ESG Einscheibensicherheitsglas,thermische Vorspannung Sicherheitsglas: höhere Festigkeit und Bruchstruktur kann nachträglich nicht mehr bearbeitet werdenunsichtbare Einschlüsse können Spontanbruch verursachen Heat-Soak-Test (künstliches Altern)
TVG teilvorgespanntes Glasthermische Vorspannung, geringere Festigkeit als ESG aber günstigere Bruchstruktur, Heat-Soak-Test, nur bis zu einer Stärke von 12 mm, kein Sicherheitsglas kann nachträglich nicht mehr bearbeitet werden
chemisch vorgespanntes GlasGlas wird in heiße Salzschmelze getaucht Ionenaustausch, Vorspannungszone nur dicht an Oberfläche hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische und thermische Belastungen kann nachträglich geschnitten werden, geschnittene Kante hat jedoch Festigkeit von normalem Glas
VSG, VG- VSG: Verbundsicherheitsglas: mehrere Gläser mit PVB-(Polyvinylbutyral)-Folie verbunden- VG: Verbundsglas: mehrere Gläser mit Gießharz verbunden Sicherheitsglas: Splitterbindung, Resttragfähigkeit bei Glasbruch auch als durchwurf-, durchbruch-, durchschußhemmende Verglasung
Gußglastranluzent, keine klare Durchsicht, strukturierte Oberfläche möglich, auch als Drahtglas
GlassteineHohlglaskörper, Einfärbung und Strukturiereung möglich Gestaltungselement, Glasdecken
Glasarten
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Wärmeschutzglas- Isolierverglasung mit zum Zwischenraum beschichteten Oberfläche(n)
Sonnenschutz- reflektierende Beschichtung- reflektierende oder absorbierende Folien- Isolierverglasung mit innenliegenden Sonnenschutzlamellen
Schalldämmung- Isolierverglasung wirkt mit den Gläsern und dem Zwischenraum als Masse-Feder-Masse-System
lichtstreuende oder lichtlenkende Gläser- durch rauhe Oberfläche oder Gußgläser
photochrome oder schaltbare Gläser
beheizbares Glas
Photovoltaik z.B. im Zwischenraum zwischen 2 Glasscheiben
Glas als Informationsträger
Brandschutzgläser- G-Gläser: verhindern Flammen- und Brandgasdurchtritt, Brandhitze kann sich ausbreiten- F-Gläser: verhindern darüberhinaus auch Hindurchtreten der Wärmestrahlung
durchwurf-, durchbruch-, durchschußhemmend
Funktionsgläser
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setzt auf den Baustoff Glasseiner optischen Qualitäten undästhetische Wirkung wegen undnutzt dabei die hohe Festigkeit zur Lastabtragungunter Beachtung seines spröden Verhaltens.
Der konstruktive Glasbau
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Den Konstrukteur fasziniert dieGeradlinigkeit des Werkstoffes,der aufgrund seiner Sprödigkeitkeine Fehler verzeiht und dementsprechendäußerst sorgfältiges Konstruieren verlangt.
Spezialkenntnisse sind hierbei erforderlich oder aberdie Zusammenarbeit mit kompetenten Fachplanern.
Hülle oder tragende Funktion?
Konstruieren mit Glas
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KontaktÜbertragung von Druckkräften senkrecht zur Kontaktfläche,elastische Zwischenschicht notwendig, Kontakt Glas-Glas oder Glas-Stahl vermeiden!
- Verklotzung: Material Hartholz oder geeignete Kunststoffe
- Preßleiste: Aluminium oder Stahl mit elastischer Zwischenschicht
- Klemmen: Stahl mit elastischer Zwischenschicht
- Punkthalter: starre Befestigung oder mit Gelenk,auf zwängungsfreie Lagerung achten!
ReibungÜbertragung von Kräfte durch Verzahnung der Mikrorauhigkeiten der Kontaktflächen und Adhäsionskräfte,ähnlich der hochfesten Schraubverbindung im Stahlbau.elastische und dauerstandfeste Zwischenschicht wichtig:z.B. Aluminium, faserverstärkte Kunststoffe, Leder.
KlebenStofflicher Verbund zur Übertragung von Kräften senkrecht oder parallel zur Verbindungsfläche,flächen-, linien- oder punktförmige Verklebungen.In Deutschland sind Klebeverbindungen bisher nur mit zusätzlicher mechanischer Sicherung zulässig.
- elastische Kleber: PVB-Folie, Silikon (2-Komponenten)
- starre Kleber: Glaszement,Acrylat, Polyurethan, Epoxidharz (alle 3 transparent)
Befestigung von Glas
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starre Befestigung- ungünstige Einspannung des Glases (Zwängungen)
Gelenk ausserhalbder GlasscheibeRodan:- Kunstharz in Glasbohrung eingegossen zur Lastverteilung,- erneut aufgebohrt zur Aufnahme des Bolzens und Toleranzausgleich,- nicht flächenbündig
Gelenk innerhalbder GlasscheibeRFR / Saint-Gobain: - Stahlbolzen mit Kugelkopf in 2-teiligem Gegenstück,- Kontakt zum Glas: duktiles Aluminium, - aussen flächenbündig
Punkthalterungmit Bohrung
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Glastafeln von oben abgehängt, Befestigung mit Punkthalter
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Seilhinterspannung für Windlasten
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Institut für Architekturwissenschaften Tragwerksplanung und Ingenieurholzbau
Glas ist hart aber spröde.Bei Überbeanspruchung erfolgt der Bruch sofort und ohne Ankündigung.Der Werkstoff Glas bietet also keine Sicherheitsreserven wie z.B. Stahl,der sich vor dem Bruch plastisch verformt.Darüberhinaus kann vorgespanntes Glas auch ohne äussere Einwirkung brechen,z.B. infolge unsichtbarer Einschlüsse.
• Zugbeanspruchungen vermeiden, wegen ungünstigen Auswirkung von Rissen, Lastabtragung über Druck dagegen sehr effektiv.
• Spannungskonzentrationen vermeiden. Diese können infolge der fehlenden plastischen Verfombarkeit nicht wegfliessen. Dieses Problem ist besonders bei der konstruktiven Ausbildung von Krafteinleitungsbereichen zu beachten.
Sicherheitskonzepteim konstruktiven
Glasbau
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Klima- und belichtungstechnische
Grundlagen
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Institut für Architekturwissenschaften Tragwerksplanung und Ingenieurholzbau
Klima- und belichtungstechnische
Grundlagen
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Institut für Architekturwissenschaften Tragwerksplanung und Ingenieurholzbau
Glasgerechtes Entwerfen und
Konstruieren
• Lastabtragung über Druck, Biegung/Zug vermeiden Überdrücken von Rissen, Ausnutzung der Druckfestigkeit,
• höhere Festigkeit durch Vorspannen,
• Splitterbindung durch Folien bzw. Gussharz,
• Schutz vor stossartigen Belastungen Verschleißschicht, tragende Glasschicht zurückversetzt, Kantenschutz
• Duktilität tragende Bauteile aus zähem Material oder Glas mit auflaminierten duktilen Streifen, -netzen.
• Redundanz Lastumlagerung auf mehrere Bauteile bei Glasbruch.
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Institut für Architekturwissenschaften Tragwerksplanung und Ingenieurholzbau
- Arten geklebter Glaskonstruktionen, nach ETAG 002:Typ I mech. Übertrag. Eigengewicht, mech. Sicherung, Verklebung für Wind Typ II mech. Übertrag. Eigengew., ohne mech. Sicherung, Verklebung für Wind Typ III mechanische Sicherungssysteme, Verklebung trägt alle Lasten Typ IV ohne mechanische Sicherungssysteme, Verklebung trägt alle Lasten
- Klebstoffe: in der Regel 2-Komponenten Silikone,- Verklebung linienförmig- Verklebung unter definierten Bedingungen (klimatisch, rein)- Verglasungen mit Neigung bis zu 10° (20°) gegen Vertikale,- in der Regel keine absturzsichernde Verglasung,- Eigengewicht der Verglasung unabhängig von Verklebung über Klotzung auf Unterkonstruktion abtragen,- ab 8,00 m über Gelände mechanische Soghalterung,- in der Regel nur 2-Komponenten-Silikon,
zulässige Spannungen von tragenden Silikonverklebungen nach ETAG 002
Beanspruchungsart zulässige Spannung Zugbeanspruchung = 0,14 N/mm²
Schubbeanspruchung = 0,07 N/mm²
geklebte Verglasungen
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Stösse bei Glasschwertern
Reibverbindung
Lochleibungs- verbindung
Verbindung über Kontakt
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Institut für Architekturwissenschaften Tragwerksplanung und Ingenieurholzbau
Bemessung- lineare Analyse (Kirchhoff‘sche Plattentheorie), nichtlineare Analyse (Berücksichtigung der Membranwirkung), bei Verformungen > Glasdicke- Berechnung der Spannungen, Durchbiegungen mit Tabellen für linienförmig gelagerte Verglasungen- FEM-Analyse für punktgelagerte Verglasungen,- bei VSG darf der Schubverbund nicht berücksichtigt werden. Berechnung wie aufeinandergelegte Glasplatten, Aufteilung der Belastung nach Steifigkeit,- Bemessungskonzept mit zulässigen Spannungen u. vorh. Maximaler Spannung:
max zul
Stoßsicherheit= Widerstand der Verglasung gegen Stoßbelastungen,wird durch Versuche mit weichen bzw. harten Stoßkörpern nachgewiesen.
Resttragfähigkeit= Tragverhalten nach Glasbruch,wird durch Versuche nachgewiesen, bei denen die zerstörte Verglasung noch eine bestimmte Standzeit unter Auflast standhalten muss.
Bemessungund Nachweise
d = ?...............
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Institut für Architekturwissenschaften Tragwerksplanung und Ingenieurholzbau
Holz-Glas Forschungsprojekt
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Holz-Glas Forschungsprojekt
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Institut für Architekturwissenschaften Tragwerksplanung und Ingenieurholzbau
Rice, Peter; Dutton, Hugh: Le Verre Structurel. Paris: Le Moniteur, 1990.(deutschsprachige Ausgabe: Transparente Architektur – Glasfassaden mit strucural glazing. Basel: Birkhäuser, 1995) Glasbauatlas
Knaack: Konstruktiver Glasbau 1 u. 2 (neue Entwicklungen)
Blank, K.: Dickenbemessung von Glasscheiben unter gleichförmiger Flächenlast mit besonderer Berücksichtigung der Wind- und Schneelasten. in: Seinarbeitrag – Konstruktionen mit Glas, Darmstadt 1993.
Sedlacek, Blank, Laufs, Güsgen: Glas im konstruktiven Ingenieurbau. (Grundlage für die Bemessung von Glaskonstruktionen)
Wörner, Schneider, Fink: Glasbau. Grundlagen, Berechnung, Konstruktion. in Stahlbau 4/1998 (guter Gesamtüberblick über Konstruktion und Bemessung)
Buçak, Ömer: Glas im konstruktiven Ingenieurbau. Kapitel 6 im Stahlbaukalender 1999. (Zusammenfassung der Bemessungsmethoden)
Shen, X.; Wörner, J.-D.: Entwicklung eines Bemessungs- und Sicherheitskonzeptes für den Glasbau. in: Bauingenieur, Berlin 1998.
Shen, X.; Techen, H.; Wörner, J.-D.: Sicherheit von Glasfassaden. Bauforschung für die Praxis. Band 20, Stuttgar: IRB Verlag 1996.
Sagmeister: Tragende Bauteile aus Glas – Berechnung und Ausführung. DissertationGüsgen: Bemessung tragender Bauteile aus Glas. DissertationTechen: Fügetechnik für den konstruktiven Glasbau. Dissertation
Literatur