Starke Kurven

Von Steffen Schäfer und Michael Elstner

Mit zunehmender Anwendung gebogener Verglasungen in der Gebäudehülle, müssen auch Anforderungen an die Wärmedämmung, den Sonnenschutz, den Schallschutz oder die Einbruchhemmung erfüllt werden. Als gebogene Verglasungen stehen sowohl monolithische Floatgläser als auch thermisch und chemisch vorgespannte Elemente als Einfach-, Verbund-, Verbundsicherheits- oder als Isolierglas zur Verfügung.

Normen und Regeln

Im Geltungsbereich der Bauordnungen der Länder dürfen nur Bauprodukte und Bauarten verwendet werden, die den einschlägigen baurechtlichen Bestimmungen (siehe z. B. Liste der Technischen Baubestimmungen, Bauregelliste, Allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen, Allgemeine bauaufsichtliche Prüfzeugnisse) entsprechen. Für gebogenes Glas bedeutet dies auf Grund fehlender Produktnormen und Regelwerke, das in jedem Fall eine Zustimmung im Einzelfall oder eine Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung notwendig ist. Ebenso verhält es sich für die bei der Anwendung von Glas zu beachtenden technischen Regelwerke. Die „Technischen Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen (TRLV)“ sind derzeit „die maßgebenden Regeln, die den Stand der Technik“ für die Anwendung und die Bemessung von Glas wieder spiegeln.

Hier werden auch gebogene Vertikalverglasungen, die im Fassadenbereich häufiger vorkommen, geregelt. Allerdings ist bei derartigen Ausführungen zu berücksichtigen, dass die Bemessung von gebogenen Verglasungen einen besonderen Berechnungsaufwand erfordert. Besonders bei so ausgeführten Isolierverglasungen kann das im Anhang der TRLV aufgeführte Berechnungsverfahren zur Lastverteilung und zur Berücksichtigung der klimatischen Einwirkungen nicht angewandt werden. Gebogene Überkopfverglasungen sind von den Technischen Regeln ausgeschlossen, aber damit nicht undurchführbar. Derzeit wird die DIN 18008 „Glas im Bauwesen – Bemessungs- und Konstruktionsregeln“ erarbeitet. Diese soll in naher Zukunft die Technischen Regeln (TRLV, TRAV, TRPV) ersetzen. Teil 1 und 2 der Norm wurden im Frühjahr dieses Jahres vom Normenausschuss verabschiedet. Die Teile 3 bis 6 werden derzeit erstellt. Die DIN 18008 regelt in ihrem Grundsatz nur plane Verglasungen. Ein Normenteil für gebogenes Glas ist derzeit nicht geplant.

Eventuell wird im Teil 7 „Sonderkonstruktionen“ dieses Bauprodukt beschrieben. In der DIN 18008-1 wird unter dem Punkt „Begriffe und allgemeine Grundlagen“ auf Produktnormen verwiesen, die nahezu ausschließlich für ebenflächige Verglasungen gelten. Demnach sind nach DIN 18008-2 unter „Linienförmig gelagerte Verglasungen“ auch linienförmig gelagerte, gebogene Vertikalverglasungen nicht mehr geregelt, wie es in der TRLV der Fall war. Die Aufnahme der Teile 1 und 2 der DIN 18008 in das DIN-Normenwerk ist in 2010 zu erwarten. Die bauaufsichtliche Einführung wird in den nächsten Jahren über die Listen der technischen Baubestimmungen der einzelnen Bundesländer erfolgen. Eine erste Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (Z-70.4-146 „Thermisch gebogene, liniengelagerte Glasscheiben“, „Fini Curve Float“ und „Fini Curve VSG“, gültig bis 15.02.2015) für ein einachsig (zylindrisch) thermisch gebogenes Floatglas oder VSG aus Floatglas liegt vor. Der Anwendungsbereich deckt alle linienförmig gelagerten Vertikalverglasungen nach den TRLV ab. Weitere Hersteller werden hier nachziehen, da die Grundlagen hierfür nun geschaffen wurden.

Aufwändige Planung

Bei gekrümmten/gebogenen Fassaden wird oft jede Scheibe einzeln entworfen, gefertigt und geprüft. Hier ist nicht nur eine besondere Fachkenntnis und Erfahrung erforderlich, sondern es ist dadurch auch mit deutlich höheren Kosten zu rechnen. Doch das größere Hindernis für einen weiter verbreiteten Einsatz gebogener Gläser ist, dass Architekten, Planer und auch Verarbeiter nicht genügend informiert sind. Durch die Weiterentwicklung und die technologischen Fortschritte der Herstellungsmethoden, Kosten, Verfügbarkeit, Zulassungsverfahren etc. werden wohl in den nächsten Jahren verstärkt gebogene Fassaden im Objektgeschäft zu sehen sein. Einen großen Teil tragen hierzu auch die Glasveredler bei, die den Planern, Architekten und Bauherrn im Einzelfall beratend zu Seite stehen und bezüglich der Einsatzmöglichkeiten von gebogenen Gläsern immer erste Ansprechpartner sein sollten.

Methoden der Herstellung

Seit dem ersten Glasbiegen in England Anfang des letzten Jahrhunderts hat sich das Prinzip des Glasbiegens nicht grundlegend verändert. Immer noch benötigt der Glasbieger einen Biegeofen und eine Biegeform. Genauso wie in früheren Zeiten wird heutzutage eine plane Glasscheibe auf die Biegeform gelegt und dann so lange erwärmt, bis der Transformationsbereich von ca. 600 bis 650Grad Celsius des Glases erreicht ist, um sich danach zu verformen. In der Zwischenzeit wurden jedoch die Technologien bezüglich des Aufheizens und Biegens weiterentwickelt. Bei der Herstellung gebogener Scheiben wird grundsätzlich zwischen schwach gebogenen Verglasungen mit einem Krümmungsradius über zwei Metern und stark gebogenen Gläsern mit kleineren Krümmungsradien unterschieden. Zudem wird zwischen einachsig (zylindrisch) gebogenen Scheiben und doppelachsig (sphärisch) gebogenen Scheiben differenziert.

Bei thermisch gebogenen Scheiben ist es möglich, stark gebogene Gläser herzustellen. Der minimale Krümmungsradius beträgt 100 Millimeter bei einer Glasdicke von 4 bis 6 Millimetern. Ab 10 Millimeter ist ein Mindestradius von 300 Millimetern notwendig (kann je nach Hersteller variieren). Die Einhaltung der Geometrie ist enorm wichtig und sollte zusammen mit weiteren Toleranzen exakt vertraglich geregelt werden.

Eigenschaften der Glasarten

Gebogenes Floatglas wird im Bauwesen in der Regel durch den Prozess des Schwerkraft-Biegens hergestellt. Für die gewünschte Geometrie werden Formen angefertigt, die mit feuerfesten Materialien ausgekleidet sind. Die auf das gewünschte Maß geschnittene und bearbeitete ebene Glasscheibe wird auf die Form gelegt und langsam erwärmt. Die Glasscheibe „fällt“ dann durch das Eigengewicht und die Schwerkraft in die Form hinein. Für das Endprodukt, Verbund- oder auch Verbundsicherheitsglas, werden die Scheiben paarweise gebogen, damit die Oberflächen der Einzelscheiben möglichst parallel zueinander sind. Kontrolliertes Abkühlen ist hier notwendig, um ein technisch gekühltes Endprodukt herzustellen.

Gebogenes teilvorgespanntes Glas (TVG) und gebogenes vorgespanntes Glas (Einscheibensicherheitsglas- ESG) werden für den Baubereich meist durch das Press-Biege-Verfahren hergestellt. Die planen Scheiben werden hier auf den Erweichungsbereich erwärmt, danach in die gewünschte Form gepresst und dann schockartig abgekühlt. Der Abstand der Kühldüsen zum Glas bleibt hier konstant. Die Erwärmung der Scheiben erfolgt über Elektroöfen oder durch Gasbefeuerung. Gleichmäßigere Temperaturverteilungen sind in neuen Öfen durch eine seitliche Heizung möglich. Für eine Weiterverarbeitung zu Verbund- bzw. Verbundsicherheitsglas, ist hier jedoch kein Biegen von „Scheibenpärchen“ möglich. Hinsichtlich der Festigkeiten und des Bruchbildes sind die thermisch vorgespannten gebogenen Glasscheiben nicht direkt miteinander zu vergleichen. Das Bruchbild der TVG-Scheiben ist oft etwas gröber als bei vergleichbaren Scheiben und die Festigkeitswerte liegen bei ESG und TVG niedriger als die charakteristischen Werte der Flachglasnormen.

Die gebogenen Scheiben können danach zu gebogenen Verbund- (VG) oder Verbundsicherheitsgläsern (VSG) oder gebogenem Mehrscheibenisolierglas (MIG) weiterverarbeitet werden. Beim Laminieren von thermisch vorgespannten Scheiben werden im Vergleich zu ebenen thermisch vorgespannten Scheiben oder gebogenen Floatglasscheiben mehr unplanmäßige Spannungen eingeprägt, da durch den Biegeprozess eine ungleich schlechtere Oberflächenqualität der Einzelscheiben vorhanden ist. Bei der Beurteilung von Bruchbildern ist dies zu beachten, da hier durch die eingeprägte Biegeenergie beim Laminieren, eine gebogene Verbund- oder Verbundsicherheitsglasscheibe aus TVG feinkrümeliger bricht als eine vergleichbare ebene TVG-Scheibe.

Thermisch teilvorgespanntes Glas als VG oder VSG wird sehr häufig als Überkopfverglasung eingesetzt. Hier ist die grob brechende Eigenschaft von TVG zur Erfüllung von Anforderungen an die Resttragfähigkeit wichtig. Das Resttragverhalten von planen TVG ist allerdings aus genannten Gründen nicht auf gebogenes TVG übertragbar und muss stets gesondert betrachtet werden. Auf Grund der vorhandenen Bogenwirkung ist trotz des feineren Bruchbildes, ein positives Resttragverhalten in der Regel festzustellen. Daher sollte das Resttragverhalten gesondert betrachtet werden.

Bemessung gebogener Gläser

Auf Grund der Geometrie ist die Steifigkeit von gebogenem Glas, im Vergleich zu ebenem Glas, deutlich höher. Für äußere Lasteinwirkungen kann dies in Abhängigkeit der Auflagerbedingungen von großem Vorteil sein. Allerdings reagieren gebogene Glasscheiben aufgrund dieser hohen Eigensteifigkeit weniger gutmütig auf Einbautoleranzen. Eine Möglichkeit ist es immer ausreichend Toleranzen in der Konstruktion zu berücksichtigten. „Mal eben die Ecke runter drücken beim Einbau“ kann fatale Folgen haben. Da die Festigkeitswerte von gebogenem Glas nicht geregelt oder festgeschrieben sind, werden sehr häufig die Werte von planem Glas verwendet. Dies ist aber nicht in jedem Fall möglich und sollte auch hier mit dem Hersteller abgestimmt werden. Insbesondere bei der statischen Bemessung ist dies zu berücksichtigen, da hier für die Festlegung der Glasdicke die Kenntnis von Festigkeitswerten notwendig ist.

Klimalasten bei Mehrscheibenisolierglas

Im Scheibenzwischenraum von Isolierverglasungen tritt bei gebogenen Scheiben infolge von Klimabelastungen (Temperatur- und Luftdruckunterschiede sowie die Differenz von Einbauort und Produktionsstätte) eine erhebliche Beanspruchung auf. Die Größe dieser Beanspruchung variiert stark mit den Randbedingungen, wie der Nachgiebigkeit des Randverbundes, der Geometrie oder der Glasdicken. Berechnungen auf der Basis der Finite-Elemente Methode zeigen, dass aufgrund der erhöhten Steifigkeit von gebogenen Isoliergläsern die Klimalasten deutlich über dem Niveau von Wind- oder Schneelasten liegen. Diese inneren Lasten sollten daher unbedingt bei der Bemessung berücksichtigt werden, da hiervon die Auswahl der Glasart, die Glasdicke und die Breite des Sekundärdichtstoffs abhängt.

Festlegung der optischen Qualität

Damit gebogene Verglasungen in der Fassade einen nahezu identischen Farbeindruck wie die angrenzenden ebenen Scheiben erhalten, bedarf es höchster technischer Kompetenz und größter Sorgfalt sowie rechtzeitiger Abstimmung mit dem Hersteller. Für den Beschichtungsprozess ist dies eine große Herausforderung. Eine Beschichtung der Gläser nach dem Biegen mit sogenannten „Softcoatings“ ist schwierig, aber machbar. Welche Beschichtungsmöglichkeiten hier in Abhängigkeit der Geometrie, des Glasaufbaus, der Größe etc. gegeben sind, muss im Einzelfall mit dem Hersteller geklärt werden. Eine pauschale Festlegung auf erreichbare Ug Werte, g- Werte etc., ist aufgrund der genannten Parameter nicht möglich. Die Begriffe „Hardcoating“ sowie „Softcoating“ beschreiben die Eigenschaft der Beschichtung in Bezug auf die mechanische Widerstandsfähigkeit. Die Beurteilung der optischen Qualität von Glas erfolgt nach der „Richtlinie zur Beurteilung der visuellen Qualität von Glas im Bauwesen“. Diese ist für plane Verglasungen gültig. Grundsätzlich ist diese Richtlinie auch für gebogenes Glas anwendbar. Allerdings kann es auf Grund des Herstellprozesses für diesen Glastyp zu abweichenden Merkmalen gegenüber planem Glas kommen. Diese hängen unter anderem von der verwendeten Beschichtung, der Glasart, der Glasdicke oder der Geometrie ab. Beispielsweise wird in den Hinweistexten eines Glasbiegers auf folgendes verwiesen. „Es sind vermehrte Einbrände, Beschichtungsfehler und Flächenabdrücke zulässig …, sofern diese aus einer Entfernung von drei Metern bei diffusem Tageslicht und Durchsicht nicht erkennbar sind. Glasveredlungsbetriebe sind heutzutage in der Lage, auch gebogene Verglasungen mit einwandfreien optischen und gestalterischen Eigenschaften herzustellen. Für die Festlegung der optischen Eigenschaften sollte bei größeren Objekten von Anfang an mit Mustern in Bauteilgröße gearbeitet werden, um die zu erwartende optische Qualität mit dem Hersteller abstimmen zu können.

Einbau und Montage

Auf Grund seiner hohen Steifigkeit sind bei gebogenem Glas Toleranzen aus dem Baukörper oder der Fassade unbedingt zu berücksichtigen. Entstehende Zwängungen könnten gegebenenfalls zu Glasbruch führen. Die zu erwartenden Toleranzen sind also auf die Unterkonstruktion abzustimmen. Welche Verformungen der Unterkonstruktion zulässig sind, kann nicht pauschal festgelegt werden. Es wird empfohlen im Einzelfall in Abhängigkeit der Scheibengröße und des Scheibenradius entsprechende Szenarien bei der Bemessung zu berücksichtigen. So sind auch ergänzende Hinweise zur Klotzung von gebogenem Glas zu beachten. Weitere Informationen zu Verglasungsrichtlinien enthält zum Beispiel die Technische Richtlinie des Glaserhandwerks Nr.3 “Klotzung von Verglasungseinheiten”, erhältlich über www.verlagsanstalt-handwerk.de.

Weitere Entwicklungen

In Zukunft ist eine deutliche Entwicklung der Fertigungs- und Veredlungstechniken von thermisch gebogenem Glas zu erwarten. Weitere Möglichkeiten sind kaltverformte Scheiben oder im Laminierprozess verformte Verglasungen. Der noch zu erweiternde Wissensstand auf dem Gebiet der Konstruktionen mit gebogenem Glas wird durch verschiedene Forschungsprojekte und Arbeitskreise immer weiter voran getrieben. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu dienen, die gebogenen Verglasungen für die praktische Anwendung noch nutzbarer und interessanter zu machen. Die technischen Möglichkeiten bezüglich Größe, Glasart, Biegeradien oder Beschichtungsmöglichkeiten sollten bereits in der Planungsphase berücksichtigt und abgeklärt werden. Ist ein Projekt mit gebogenem Glas geplant, ist in jedem Fall eine Rücksprache mit dem Verarbeiter zu empfehlen. Es können Biegeversuche und weitere technische Klärungen notwendig werden, welche den Zeitraum der Planung sowie Ausführung stark beeinflussen können.

Dipl.-Ing. Steffen Schäfer ist Technischer Berater beim Technischen Kompetenzzentrum des Glaserhandwerks.

Michael Elstner leitet das Interpane Beratungscenter sowie den Arbeitskreis „Gebogenes Glas“ beim Bundesverband Flachglas.

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Literaturhinweise

[1] Ensslen, Schneider, Schula, Produktion, Eigenschaften und Tragverhalten von thermisch gebogenen Floatgläsern für das Bauwesen – Stahlbau Spezial (2010) – Konstruktiver Glasbau [2] Bucak, Feldmann, Kasper, Bues, Illguth, Das Bauprodukt „warm gebogenes Glas“ – Stahlbau Spezial (2009) – Konstruktiver Glasbau [3] Technische Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen, DIBt2006-08 [4] Glas Agentur Runkel- Ing.-Büro Scheideler – Gebogenes Glas- Herstellung und Statik, Glaswelt 6 und 8/2000 [5] Bucak, Bues, Illguth, Feldmann, Kasper, „Tragverhalten von gebogenen Gläsern im Bauwesen, Glas im konstruktiven Ingenieurbau 7 (2009), [6] Bucak, Schuler, Gebogenes Glas, Glas im konstruktiven Ingenieurbau, Stahlbau Kalender (2008) [7] Technische Richtlinie des Glaserhandwerks, Nr. 19 „Linien- und punktförmig gelagerte Verglasungen“, 6.Auflage 2008 [8] Technische Richtlinie des Glaserhandwerks, Nr.3 „Verklotzung von Verglasungseinheiten“, 7.Auflage 2009