Werkstoff 24.09.2010, 19:49 Uhr

Glasbauteil bricht schlagartig

Glas nimmt als Bauwerkstoff eher ein Nischendasein ein. Besonders bei erweiterten Gestaltungsmöglichkeiten übernimmt Glas meist lastabtragende Funktionen, sei es als Absturzsicherung, begehbares Bauteil oder als primäres Tragelement eines Bauwerks.

Die Industrie bietet heute Liefergrößen und -formen bei Glas, die über die herkömmlichen Fensterverglasungen hinausgehen. Deshalb rückt Glas als Baustoff immer weiter in den Fokus baustatischer Berechnungen und Bemessungen. Dem wurde zwar mit der Einführung von technischen Richtlinien ab 1998 Rechnung getragen, doch die Regelwerke decken aber bei Weitem noch nicht das gesamte Anwendungsspektrum von Glas im Bauwesen ab. Daher muss noch eine Vielzahl an Konstruktionen im Einzelfall genehmigt werden.

Neben abweichenden baurechtlichen Aspekten stellen die besonderen Materialeigenschaften von Glas den planenden Ingenieur vor neue Aufgaben. Herausragende mechanische Eigenschaft des Glases, verglichen mit anderen Materialien, ist seine Sprödigkeit. Bei Beanspruchung bis zum Bruch verhält es sich absolut linear-elastisch. Lastumlagerungskapazitäten aufgrund von plastischem Fließen wie bei Stahlbeton und ganz besonders bei Baustahl unter Verwendung der Fließgelenk- oder Fließzonentheorie sind bei Glas nicht vorhanden. Bei Überlastung bricht Glas spröde ohne vorherige Ankündigung.

Die Überlastung führt nicht nur lediglich zu Einschränkungen der Gebrauchstauglichkeit, sondern zum Komplettversagen des Bauteils. Das muss bereits bei der Planung von Glaskonstruktionen bemessungstechnisch bzw. konstruktiv berücksichtigt werden.

Im Vergleich zu anderen Werkstoffen ist bei Glas nicht zwangsläufig die größte Spannung bruchauslösend. Die Festigkeit von Glas ist im hohen Maße von der qualitativen Beschaffenheit seiner Oberfläche abhängig. Glas bricht an der Stelle, an der eine relativ hohe Zugspannung mit einem relativ starken Fehler im Material wie Fehlstellen, Kratzern oder Einschlüssen korreliert.

Der Zusammenhang zwischen Spannung und Materialdefekt ist für Glas mit Hilfe der Bruchmechanik sehr gut zu beschreiben. Der planende Ingenieur kann auf charakteristische, in der Norm festgelegte Werte zurückgreifen, die solche Einflüsse berücksichtigen. Das Wissen um die tatsächlichen Sachverhalte sollte aber zum besseren Verständnis des Werkstoffs vorhanden sein.

Nicht vorgespanntes Glas – handelsübliches Spiegelglas (Floatglas DIN EN 572) – hat eine ausgeprägte Tendenz zur Ermüdung unter Dauerbelastung. Die Ursachen dieser „Spannungskorrosion“ sind nicht geklärt, die Auswirkungen können aber beschrieben werden. Infolgedessen werden Vertikalverglasungen aus Floatglas mit größeren zulässigen Spannungen als Horizontalverglasungen bemessen, da bei diesen das Eigengewicht als Dauerbelastung wirkt und so zur Spannungskorrosion beiträgt.

Sowohl die Defektempfindlichkeit als auch die Ermüdung unter Dauerbelastung kann mit dem Einsatz von vorgespannten Glasprodukten begegnet werden. Das häufigste Verfahren ist die thermische Vorspannung. Trotz der resultierenden höheren Festigkeit und des Vermeidens von Ermüdungsprozessen sind vorgespannte Gläser nicht uneingeschränkt für jeden Einsatzzweck geeignet. Je nach Vorspanngrad brechen die Scheiben gröber oder feiner.

Da Glas aber spröde und schlagartig bricht, muss dem Umstand durch Gewährleistung der Resttragfähigkeit bzw. Redundanz Rechnung getragen werden. Durch geeignete Glasaufbauten, wie beispielsweise Verbundsicherheitsgläser (VSG) oder der Gewährleistung alternativer Lastpfade bei tragendem Glas als Primärstruktur, können diese Erfordernisse berücksichtigt werden.

Die Materialeigenschaften des Glases haben auch direkte Auswirkungen auf das Konstruieren mit Glas im Hinblick auf die Füge- und Verbindungstechnik. Lochleibungsverbindungen mit Bolzen sind wegen fehlender Lastumlagerungskapazitäten durch Fließvorgänge ungünstig für das Material. Ebenso werden Öffnungen und Bohrungen Spannungsspitzen erzeugen, die dann für das Gesamtbauteil bemessungsbestimmend werden. Bekannte Verbindungstechniken aus anderen Bereichen des Bauwesens sind in der Regel nicht übertragbar. Geeignete Fügemethoden sind Konstruktionen, bei denen die Lasten über größere Flächen übertragen werden, beispielsweise bei flächigen Klebungen.

Die besonderen mechanischen Eigenschaften erfordern vom planenden Ingenieur gezielte Überlegungen zur Resttragfähigkeit, zur Redundanz und zur Bewertung des Gefährdungspotenzials für das Publikum bei einem möglichen Bruch. Darüber hinaus treten stärker als bei herkömmlichen Werkstoffen bauphysikalische Randbedingungen bei Glas als Fassadenelement in den Vordergrund. PHILIPP KRAMPE

Ein Beitrag von:

  • Philipp Krampe

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