Konstruieren mit Glas
Konstruieren mit Glas
Konstruieren mit Glas
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Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
„<strong>Konstruieren</strong> <strong>mit</strong> <strong>Glas</strong>“<br />
Bundes-Obermeistertag<br />
2. Juli 2010 in Dresden<br />
Dipl.-Phys. Wolfgang Kahlert,<br />
GSK - <strong>Glas</strong> Statik Konstruktion GmbH
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Mitarbeiter:<br />
4 x Bauingenieur<br />
1 x Physiker<br />
1 x Maschinenbauingenieur<br />
Projekte:<br />
Jährlich ca. 400 – 500 kleine<br />
und große Projekte im Bereich<br />
<strong>Glas</strong>bau<br />
Tech. Ausstattung:<br />
- elektronisches<br />
Dokumentenmanagmentsystem<br />
zur<br />
Kopplung der Bürostandorte<br />
- verschiedene FE-Programmsyteme<br />
- Stabwerksprogramme / CAD / Office<br />
Standorte:<br />
Büro Haltern seit 1995<br />
Büro Dresden seit 2002<br />
Wer sind wir ?
statisch-konstruktive Anwendungsberatung<br />
Analyse des thermischen<br />
Bruchrisikos von Verglasungen<br />
und sowie Annalyse<br />
bauphysikalischer Probleme<br />
Simulation von Pendelschlag- oder<br />
Fallversuchen (weicher Stoß)<br />
Finite Elemente Analysen für jegliche Arten von<br />
<strong>Glas</strong>konstruktionen inkl. Auflagerdetails und<br />
Tragkonstruktion unter Berücksichtigung von<br />
statischen, dynamischen oder thermischen Lasten<br />
Betreuung von bauaufsichtlichen<br />
Genehigungs- und Zustimmungsverfahren<br />
sowie Betreuung von<br />
Bauteilversuchen<br />
Leistungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
AKADEMIE DER KÜNSTE, BERLIN<br />
THE GATE, NEWCASLE, UK<br />
RODIN PAVILION, SEOUL, KOREA<br />
SONYCENTER, BERLIN<br />
UNIVERSITÄTSBIBLIOTHEK, COTTBUS HOTEL ESPLANADE, BERLIN<br />
PRADA SHOP, TOKYO, JAPAN<br />
LEHRTER BAHNHOF, BERLIN<br />
Projekte
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
1. Anwendungsgebiete moderner <strong>Glas</strong>architektur<br />
2. Normung und Baurecht<br />
- aktuelle Normung im <strong>Glas</strong>bau, E-DIN 18008<br />
- Genehmigung durch untere Bauaufsichtsbehörde<br />
- Genehmigung durch obere Bauaufsichtsbehörde (Zustimmung im Einzelfall)<br />
3. punktuell gelagert Verglasungskonstruktionen<br />
- Planungsgrundlagen und Konstruktionsprinzipien<br />
- Wechselwirkung <strong>mit</strong> Unterkonstruktion<br />
- Fallbeispiel<br />
4. tragende <strong>Glas</strong>bauteile - transparenter Posten und Balken<br />
- Planungsgrundlagen und Konstruktionsprinzipien<br />
- experimentelle Untersuchungen<br />
- Fallbeispiele<br />
5. Ausblick<br />
- Kleben als Fügetechnik<br />
- elektronisch steuerbare Verglasungen<br />
Gliederung
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Herstellung<br />
Eigenschaften<br />
Werkstoff <strong>Glas</strong>
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
<strong>Glas</strong> – spröder Werkstoff<br />
Festigkeit von Basisglas<br />
<strong>Glas</strong> = anorganisches Schmelzprodukt<br />
- hohe Druckfestigkeit (900 N/mm²)<br />
- geringe Biegezugfestigkeit durch Mikrorisse auf der <strong>Glas</strong>oberfläche<br />
- Biegebeanspruchung führt zur Öffnung der Mikrorisse auf der Zugseite<br />
- erstarrt ohne zu kristallisieren<br />
- fehlende Ausbildung eines Kristallgitters bedingt<br />
hohe Transparenz und Sprödigkeit<br />
- elastisches Verformungsverhalten bis zum Bruch<br />
- keine Fähigkeit durch Plastizieren<br />
Spannungsspitzen abzubauen<br />
- im rechnerischen Nachweis müssen lokale<br />
Spannungskonzentrationen genau er<strong>mit</strong>telt werden<br />
Werkstoff <strong>Glas</strong>
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Bearbeitung von <strong>Glas</strong><br />
Veredlung von <strong>Glas</strong><br />
Formgebung<br />
Oberflächenbearbeitung<br />
Werkstoff <strong>Glas</strong>
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
<strong>Glas</strong>produkte im Bauwesen<br />
Thermisch vorgespanntes <strong>Glas</strong><br />
- Erhöhung der Biegezugfestigkeit durch thermisches Vorspannen<br />
- inneres Spannungsgleichgewicht (Druck auf Oberfläche – Zug im Inneren)<br />
- festigkeitsmindernde Einflüsse von Oberflächendefekten werden erst wirksam wenn die eingeprägte<br />
Oberflächenspannung abgebaut worden ist<br />
ESG: hohe thermische Vorspannung, Krümelbruch<br />
TVG: geringe thermische Vorspannung, großflächige Bruchstücke<br />
Werkstoff <strong>Glas</strong>
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
<strong>Glas</strong>produkte im Bauwesen<br />
Verbundsicherheitsglas<br />
- durch laminieren von <strong>Glas</strong> <strong>mit</strong> PVB-Folie erreicht man:<br />
a) Splitterbindung (Verletzungsrisiko)<br />
b) Resttragfähigkeit (plötzliches Versagen)<br />
- bauaufsichtlich: keine Verbund, Nachweis der<br />
Einzelscheiben<br />
- baupraktisch: teilweise Verbundwirkung,<br />
Ersatzdicke oder Laminat<br />
- Stoßeinwirkungen: voller Verbund, monolither<br />
Querschnitt<br />
Isolierverglasung<br />
- Kopplung der Einzelscheiben über<br />
Gasvolumen im SZR (a) und<br />
Verklebung des Randverbundsystems<br />
- Änderung der Gasvolumens infolge<br />
Temperatur- und<br />
Luftdruckschwankungen (b)<br />
Werkstoff <strong>Glas</strong>
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Baugenehmigung<br />
Genehmigung durch die untere Bauaufsichtsbehörde<br />
Voraussetzungen:<br />
Einsatz bauaufsichtlich geregelter Bauprodukte bzw. Bauarten<br />
(Bauregelliste, Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (ABZ)<br />
Anwendung bauaufsichtlich eingeführter Normen und Richtlinien<br />
-Technische Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen (TRLV, DIBt 9/1998)<br />
- Technische Richtlinie für die Verwendung von absturzsichernden Verglasungen (TRAV, DIBt 1/2003)<br />
-Technische Regeln für die Bemessung und Ausführung punktförmig gelagerter Verglasungen<br />
(TRPV, DIBt Entwurfsfassung- 09/2005)<br />
-DIN 18516-4 Außenwandbekleidungen, hinterlüftet - Einscheibensicherheitsglas (02/1990)<br />
Landesbauordnung sowie Richtlinien und Erlasse der Bundesländer beachten!<br />
Baurecht
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Zustimmung im Einzelfall (ZiE)<br />
Genehmigung durch die obere Bauaufsichtsbehörde<br />
ZiE ist erforderlich, bei:<br />
•Einsatz ungeregelter Bauprodukte bzw. Bauarten<br />
•Abweichung von den gültigen technischen Baubestimmungen<br />
Bsp. für zustimmungspflichtige Konstruktionen:<br />
•punktgelagerte Verglasungen (Fassaden, Dächer, Vordächer)<br />
•statisch wirksam verklebte Verglasungen (SG-Fassaden, Ganzglasecken)<br />
•zu Wartungs- und Reinigungszwecken betretbare Verglasungen (Dächer, Vordächer)<br />
•planmäßig begehbare Verglasungen (<strong>Glas</strong>böden, Treppen, Podeste)<br />
•statisch lastabtragende <strong>Glas</strong>bauteile (<strong>Glas</strong>träger)<br />
Baurecht
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Finite Elemente Berechnungen im <strong>Glas</strong>bau:<br />
Finite Elemente Berechnungen sind in nahezu allen Bereichen des<br />
<strong>Glas</strong>baus erforderlich <strong>mit</strong> Ausnahme von allseitig oder zweiseitig<br />
linienförmig gelagerte Scheiben. (-> Bachsche Plattenformeln)<br />
Zur Bemessung von <strong>Glas</strong>bauteilen relevante Bereiche<br />
- Feld<strong>mit</strong>te<br />
- Bohrungen und Ausschnitte<br />
- Auflagerbereiche<br />
- <strong>Glas</strong>kanten<br />
Lokalisierung von Spannungskonzentrationen<br />
- Berechnung der Elementspannungen in Element<strong>mit</strong>te<br />
(angemessene Netzverfeinerung in relevanten Bereichen)<br />
- Interpolation der Knotenspannungen<br />
(Er<strong>mit</strong>tlung der Spannungsmaxima am <strong>Glas</strong>rand)<br />
Berechnung
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Idealisierte Rechenmodelle:<br />
Vereinfachte Abbildung der Wirklichkeit<br />
- keine bildliche sondern funktionelle<br />
Abbildung<br />
- Kalibrierung der Rechenmodelle anhand von<br />
Bauteilprüfungen<br />
Kaft-Verformungs-Verhalten:<br />
wirklichkeitsnahe Lastverteilung<br />
Kraft-Spannungs-Verlauf:<br />
Abbildung der richtigen<br />
Spannungen an der richtigen Stelle<br />
- Reduzierung der Fehleranfälligkeit durch<br />
möglichst einfachen Modellaufbau und<br />
Kalibrierung <strong>mit</strong> angemessenem<br />
Sicherheitsniveau<br />
Berechnung
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Punktgelagerte Verglasungen:<br />
Wesentliche Parameter<br />
- Funktion + Lage Haltergelenk<br />
- Steifigkeit Halterbolzen<br />
- zwängungsfreie Lagerung in Scheibenebene<br />
- elastische Randankopplung in Scheibenebene<br />
- elastische Zwischenlage senkrecht zur Scheibenebene<br />
Isolierglashalter als Schalen-Balken-Modell<br />
Berechnung
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Lochleibungsverbindungen im <strong>Glas</strong>bau:<br />
Wesentliche Parameter<br />
- Durchmesser der <strong>Glas</strong>bohrung<br />
- Dicke + Steifigkeit der Hülse<br />
- passgenaue Ausführung der Verbindung und Füllung der<br />
<strong>Glas</strong>bohrungen<br />
Berechnung
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Anwendung in Fassaden und Dächern<br />
centre commercial Ipercoop, Italien<br />
Punktgehaltene Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Anwendung in Fassaden und Dächern<br />
Louvre, Paris Fa. Feldhaus, Emsdetten<br />
Punktgehaltene Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Anwendung in Fassaden und Dächern<br />
Messe, Leipzig<br />
Punktgehaltene Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Anwendung in Fassaden und Dächern<br />
Stadthaus, Dortmund<br />
Fernbahnhof, Frankfurt<br />
Punktgehaltene Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Anwendung in Fassaden und Dächern<br />
Hotel Esplanade, Berlin<br />
Punktgehaltene Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Anwendung in Fassaden und Dächern<br />
Country-Club, Rennstrecke Shanghai<br />
Punktgehaltene Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
<strong>Glas</strong>haltesysteme<br />
Klemmhalter in<br />
der Fuge<br />
<strong>Glas</strong>halter<br />
<strong>Glas</strong>halter für<br />
gebohrte Gläser<br />
starr kugelgelagert<br />
Tellerhalter<br />
Senkkopfhalter<br />
Tellerhalter<br />
Senkkopfhalter<br />
Punktgehaltene Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Klemmhalter in der Fuge<br />
besonders geeignet für:<br />
kleine Scheibenformate<br />
geringe Bau-Toleranzen<br />
monolithische ESG-Verglasungen<br />
Punktgehaltene Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Klemmhalter in der Fuge<br />
Punktgehaltene Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Starre <strong>Glas</strong>halter für gebohrte Gläser<br />
besonders geeignet für:<br />
kleine Scheibenformate<br />
geringe Bau-Toleranzen<br />
steife Tragwerke<br />
monolithische Verglasungen<br />
Punktgehaltene Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Kugelgelagerte <strong>Glas</strong>halter für gebohrte Gläser<br />
besonders geeignet für:<br />
große Scheibenformate<br />
Beherrschung von Bau-Toleranzen<br />
weiche Tragwerke<br />
monolithische Verglasungen und<br />
Isolierverglasungen<br />
Punktgehaltene Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Kugelgelagerte <strong>Glas</strong>halter<br />
Punktgehaltene Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Auflagersituation / Anschluss an die Unterkonstruktion<br />
Punktgelagerte Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Statisch bestimmte Lagerung über Los-, Gleit- und Festlager<br />
in der Unterkonstruktion<br />
Punktgelagerte Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Statisch bestimmte Lagerung über<br />
Einsatzelemente in den Anschlusselementen<br />
Punktgelagerte Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Fugenausbildung Bsp.: öffenbare Lamellen<br />
Sparkassenversicherung, Dresden<br />
Allianz Frankfurt<br />
Mercedes Benz Center, Stuttgart<br />
Punktgelagerte Verglasungen
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Anwendungen<br />
Mediapark, Köln Samsung Head Quarters, Korea<br />
<strong>Glas</strong>träger
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Anwendungen<br />
Hotel an der Rennstrecke, Shanghai<br />
<strong>Glas</strong>träger
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Anwendungen<br />
The Gate, New Castle<br />
<strong>Glas</strong>träger
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Anwendungen<br />
The Gate, New Castle<br />
<strong>Glas</strong>träger
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Typischer Querschnitt<br />
Nachweisszenarien<br />
alle <strong>Glas</strong>schichten sind am Lastabtrag<br />
beteiligt<br />
Ausfall der äußeren Schichten –<br />
Lastabtrag allein über die innere<br />
ESG-Scheibe<br />
Ausfall der inneren <strong>Glas</strong>schicht –<br />
Lastabtrag allein über die äußeren<br />
TVG-Scheiben<br />
<strong>Glas</strong>träger
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Kraftübertragung über Lochleibung<br />
Lochleibungsversuch an 12mm ESG (d = 25mm) Kraftfluss in der Bohrung<br />
<strong>Glas</strong>träger
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Konstruktionsbeispiel: Vordachverglasung, <strong>Glas</strong>binder<br />
als Kragarmkonstruktion<br />
<strong>Glas</strong>träger
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Konstruktionsbeispiel: Samsung Head Quarters, Korea<br />
<strong>Glas</strong>träger
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Konstruktionsbeispiel: Ganzglasfassade, Budapest<br />
Konstruktion<br />
- vertikale Aussteifung durch <strong>Glas</strong>schwerter<br />
- horizontale Aussteifung durch vorgespannte<br />
Seilkonstruktion<br />
Vorgehensweise<br />
- Er<strong>mit</strong>tlung der Steifigkeit der<br />
Gesamtkonstruktion am Stabwerksmodell<br />
- Übertrag der maßgebenden Verformungen auf<br />
das FE-Modell eines einzelnen <strong>Glas</strong>schwertes<br />
Grenzfallbetrachtung<br />
- volle Vorspannung - Ausfall Vorspannung<br />
- Längenänderung infolge<br />
Temperaturschwankungen<br />
- Ausfall von <strong>Glas</strong>schichten<br />
<strong>Glas</strong>träger
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Konstruktionsbeispiel: Ganzglasfassade, Budapest<br />
Konstruktion<br />
- 4-teiliges Fassadenschwert<br />
- <strong>Glas</strong>aufbau 4 x 10mm ESG + 1,52mm PVB-Folie<br />
- <strong>Glas</strong>bohrung / HiltiHit-Hülse / Stahlhülse / Bolzen<br />
- Kopf- und Fußpunkt gelenkig<br />
- Trägerstöße als biegesteife Laschenverbindung<br />
- Trägerstoß Mitte gelenkig + vertikal verschieblich<br />
Vorgehensweise<br />
- Verformungen aus Stabwerksmodell werden<br />
als Zwangsverschiebungen auf Knotenpunkte<br />
des Fassadenschwertes angesetzt<br />
- Einsatz eines kalibrierten Modells für den Bereich<br />
der <strong>Glas</strong>bohrung<br />
- Er<strong>mit</strong>tlung der Spannungsspitzen an der<br />
<strong>Glas</strong>bohrung + Beanspruchung der weichen<br />
Hülse<br />
<strong>Glas</strong>träger
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Sicherheitskonzept<br />
Nutzungskonzept<br />
Tragsicherheitsnachweis<br />
Berücksichtigung besonderer Beanspruchungen<br />
(Zwangsverformungen infolge<br />
Temperaturausdehnung oder Bauwerkssetzungen)<br />
Berücksichtigung von Ausfallszenarien<br />
(Vandalismus, Spontanbruch)<br />
Stabilitätsbetrachtungen<br />
Gebrauchstauglichkeitsnachweis<br />
Verformungsverhalten<br />
Schwingungsanfälligkeit<br />
Überwachungskonzept / Wartungsplan<br />
Schädigungspotential / Schädigungsszenarien<br />
Durchführung von Bauteilversuchen<br />
<strong>Glas</strong>träger
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Kleben als Fügetechnik<br />
gleichmäßige Lasteinleitung<br />
Vermeidung von Spannungskonzentrationen<br />
definierte aber einfache Oberflächenvorbereitung<br />
(trocken und fettfrei)<br />
Ausführung unter kontrollierten Bedingungen<br />
(Luftfeuchte, Temperatur)<br />
Achtung :<br />
•unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von<br />
<strong>Glas</strong> und Kleber<br />
•Kriecheffekte unter Dauerbeanspruchung<br />
•dauerhafte Alterungsbeständigkeit<br />
Ausblick
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
KSK Ludwigsburg<br />
Ausblick
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Punkthalter - Testelement<br />
Ausblick
Ingenieurleistungen im konstruktiven <strong>Glas</strong>bau<br />
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!<br />
Büro Haltern<br />
Recklinghäuser Str. 119<br />
45721 Haltern<br />
Tel.: 02364-96116<br />
Fax: 02364-96117<br />
GSK – <strong>Glas</strong> Statik Konstruktion GmbH<br />
www.gsk-gmbh.com<br />
Büro Dresden<br />
Robert-Blum-Str. 3<br />
01097 Dresden<br />
Tel.: 0351-8119010<br />
Fax: 0351-8119029<br />
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