Konstruktives Glass - Skript

Am morph he Werksstoffe fe im m Bau uwessen: Gla as HS 2011 Falkk Wittel Instiitut für Ba austoffe ETH H Zürich

Herausgeber: Dr. Falk Wittel Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Institut für Baustoffe, ETH Zürich, Zürich, 2012 1. korrigierte Auflage Titelbild: Apple Store, Boston, USA, Quelle: Seele Glasbau

2

Vorwort: Glas ein besonderer Werkstoff Glas spielt im Bauwesen eine zunehmend wichtigere Rolle und unterschiedlichste Produkte dringen in immer neue Anwendungen vor. Dabei ist die Einführung von Glas in die Welt des konstruktiven Ingenieurbaus erst wenige Jahrzehnte alt. Vielleicht ist es der Traum vom transparenten Gebäude, dass die Trennung zwischen Umwelt und Gebäude aufhebt. Sicher ist jedoch, dass immer bessere Glasprodukte dabei helfen unseren CO2 Ausstoß zu reduzieren, sei es durch intelligente Gebäudehüllen oder durch hochdämmende Faserglasprodukte. Die industrielle, kostengünstige Herstellung und einfache Formbarkeit, verbunden mit ausreichender Festigkeit und einem guten Korrosionswiderstand, eröffnen den Baugläsern ein weites Anwendungsfeld bis hin zur Verwendung von Glasbauteilen als konstruktive Bauelemente. Zur Gruppe der Baugläser zählen Flachgläser, Pressgläser, Faser- und Schaumgläser. Bauglas ist also ein moderner Werkstoff mit hohem Innovationspotential zur Realisierung moderner Energie- und Konstruktionskonzepte. Der vermehrte konstruktive Einsatz von Glas als Strukturelement stellt jedoch neue Anforderungen an Ingenieure in Bezug auf Sicherheit, Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit oder Brandschutz. Um mit Glas gut konstruieren zu können, muss man den Werkstoff verstehen und die Möglichkeiten zur Herstellung, Formgebung und Bearbeitung kennen. In der Vorlesung werden die Grundlagen von Gläsern erarbeitet. Dafür befassen wir uns zunächst mit Glaschemie und Glasphysik. Ziel ist es Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen in glasartigen Werkstoffen zu verstehen und ein Gefühl für die Auswirkungen technologischer Modifikationen auf die mechanischen und optischen Eigenschaften des Materials Glas zu entwickeln. Ein großer Teil des Glasphysikkapitels befasst sich mit der, für Bauingenieure wichtige Vorhersage spröden Materialversagens. Nach der ausführlichen Darstellung der Glasgrundlagen wenden wir uns der technologischen Dimension der Glasherstellung, Formgebung und Weiterverarbeitung zu. Dabei stehen die üblichsten Verfahren zur Herstellung von Baugläsern im Vordergrund. Abgerundet wird dies durch eine Zusammenfassung der üblichsten Bauprodukte aus Glas. Zuletzt wird die Auslegung von Glasprodukten thematisiert. Dieses Kapitel soll einen Überblick über den aktuellen Stand der Normung bieten und in Kombination mit Anwendungsbeispielen die kritischen Punkte für Konstruktionen mit Glas besprechen.

3

Inhaltsverzeichnis Vorwort: Glas ein besonderer Werkstoff ................................................................................................................. 3  Inhaltsverzeichnis .............................................................................................................................................................. 4  1. 

Die Erfindung des Fensters .................................................................................................................................. 7 

2. 

Glaschemie ............................................................................................................................................................... 18  2.1. 

Was ist Glas eigentlich? ........................................................................................................................ 18 

2.2. 

Natürliche Gläser ..................................................................................................................................... 19 

2.2.1.  Gesteinsgläser.......................................................................................................................................... 20  2.2.2. 

Impaktgläser und Tektite ................................................................................................................ 21 

2.2.3. 

Andere natürliche Gläser .................................................................................................................22 

2.3. 

Synthetische Gläser ................................................................................................................................22 

2.3.1.  Strukturtheorien zur Glasbildung ................................................................................................... 24  2.3.2. 

Glaswandler .......................................................................................................................................... 25 

2.3.3. 

Stabilisatoren und Zwischenoxide .............................................................................................. 27 

2.3.4. 

Glasrezepte ............................................................................................................................................ 27 

2.4. 

Rohstoffe für silicatische-Gläser ...................................................................................................... 30 

2.4.1.  Rohstoffe in der Antike und im Mittelalter ................................................................................. 30  2.4.2.  2.5. 

Rohstoffe für moderne Gläser ....................................................................................................... 32  Glasbeständigkeit................................................................................................................................... 34 

2.5.1.  Glaskorrosion............................................................................................................................................ 34  2.5.2.  3. 

Entglasung ............................................................................................................................................. 37 

Glasphysik ................................................................................................................................................................ 39  3.1.  3.1.1. 

Thermische Eigenschaften ................................................................................................................. 39  Das V-T-Diagramm ................................................................................................................................ 39 

3.1.2.  Das -T-Diagramm ................................................................................................................................ 42  3.1.3.  Der Glaszustand ...................................................................................................................................... 44  3.1.4.  Thermische Eigenspannungen ......................................................................................................... 44  3.2. 

Mikrostrukturbeziehungen ................................................................................................................ 45 

3.3. 

Mechanische Eigenschaften .............................................................................................................. 45 

3.3.1.  Bruchzähigkeit ......................................................................................................................................... 48  3.3.2. 

Risswachstum und Lebensdauer ................................................................................................. 53 

3.3.3. 

Dynamisches Risswachstum ........................................................................................................ 54 

3.3.4. 

Unterkritisches Risswachstum ..................................................................................................... 55 

3.3.5. 

Festigkeit ............................................................................................................................................... 56 

3.4. 

Optische Eigenschaften .......................................................................................................................60 

3.4.1.  Lichtbrechung und Reflektionsvermögen..................................................................................... 61  4

3.4.2. 

Dispersion und Abbezahl................................................................................................................ 66 

3.4.3. 

Transmissivität ................................................................................................................................... 67 

3.4.4. 

Physiologischer Farbeindruck ....................................................................................................... 70 

3.5.  4. 

5. 

Eigenschaftsabschätzung .................................................................................................................... 75 

Glasformgebung ................................................................................................................................................... 79  4.1. 

Walz- und Ziehglas ................................................................................................................................ 79 

4.2. 

Floatverfahren.......................................................................................................................................... 82 

4.3. 

Hohlglasherstellung .............................................................................................................................. 84 

4.4. 

Schaumglas ............................................................................................................................................... 86 

4.5. 

Glasbiegeverfahren ............................................................................................................................... 87 

Glasverarbeitung................................................................................................................................................... 88  5.1. 

Glastempern und Abkühlen ............................................................................................................... 88 

5.2. 

Glasschneiden .......................................................................................................................................... 93 

5.3. 

Schleifen und Polieren .......................................................................................................................... 95 

5.3.1.  Kantenbearbeitung ............................................................................................................................... 96  5.3.2.  5.4. 

Bohren .................................................................................................................................................... 96  Oberflächenbearbeitung ..................................................................................................................... 97 

5.4.1.  Materialabtrag ......................................................................................................................................... 97  5.4.2. 

Chemisches Vorpannen .................................................................................................................. 98 

5.4.3. 

Stoffauftrag .......................................................................................................................................... 98 

6.  Glasprodukte .......................................................................................................................................................... 101  6.1. 

Monolithische Flachgläser................................................................................................................. 101 

6.1.1.  Spiegelglas ................................................................................................................................................ 101  6.1.2. 

Schutzglas ............................................................................................................................................ 101 

6.1.3. 

Vorgespannte Gläser ...................................................................................................................... 102 

6.1.4. 

Beschichtete Gläser ........................................................................................................................ 104 

6.1.5. 

Wärme- und Sonnenschutzgläser ............................................................................................ 105 

6.1.6. 

Selbstreinigende Gläser ................................................................................................................ 106 

6.1.7. 

Entspiegelte Gläser ......................................................................................................................... 107 

6.1.8. 

Prüfung von Glasprodukten ........................................................................................................ 107 

6.2.  6.2.1. 

Verbundsicherheitsglas ................................................................................................................ 109 

6.2.2. 

Verbundglas ......................................................................................................................................... 111 

6.3. 

5

Glaslaminate .......................................................................................................................................... 109 

Isoliergläser ............................................................................................................................................... 112 

6.3.1. 

Sonnenschutzglas ............................................................................................................................ 114 

6.3.2. 

Wärmeschutzglas ............................................................................................................................. 114 

6.3.3. 

Schallschutzglas ................................................................................................................................. 115 

6.3.4. 

Brandschutzglas ................................................................................................................................ 116 

6.3.5. 

Adaptive Isoliergläser ...................................................................................................................... 116 

6.4. 

Walzgläser ................................................................................................................................................ 119 

6.5. 

Betonglas .................................................................................................................................................. 119 

6.6. 

Schaum- und Blähglas........................................................................................................................ 120 

6.7. 

Faserglas ..................................................................................................................................................... 121 

7. 

6.7.1. 

Textilglasfasern .................................................................................................................................. 121 

6.7.2. 

Isolierglasfasern ................................................................................................................................ 122 

Glasauslegung....................................................................................................................................................... 123  7.1. 

Lagerungs- und Verbindungsarten................................................................................................ 123 

7.1.1. 

Formschlüssige Verbindungen ........................................................................................................ 125 

7.1.2.  Kraftschlüssige Verbindungen ........................................................................................................ 127  7.1.3.  Stoffschlüssige Verbindungen......................................................................................................... 128  7.2. 

Verglasungsarten ................................................................................................................................. 130 

7.2.1.  Vertikalverglasung ................................................................................................................................. 131 

8. 

7.2.2. 

Horizontalverglasung ..................................................................................................................... 133 

7.2.3. 

Absturzsichernde Verglasung ..................................................................................................... 135 

7.2.4. 

Begehbare Verglasung ................................................................................................................... 137 

Abbildungsverzeichnis ....................................................................................................................................... 138 

9.  Anhänge ...................................................................................................................................................................144  A Diagramme und Tabellen .................................................................................................................................144  A1 Periodensystem der Elemente ..................................................................................................................144  B Rechenbeispiele .................................................................................................................................................... 149  B1 Hinterlüftete Vertikalverglasung............................................................................................................ 149  B2 Überkopfverglasung ...................................................................................................................................... 151  B3 Vertikalverglasung aus Isolierglas .......................................................................................................... 153  C Normenübersicht ..................................................................................................................................................156  D Quellen ......................................................................................................................................................................163  10. 

6

Index .................................................................................................................................................................... 166 

1. Die e Erfindu ung des Fensterss Glas ist für uns heu ute sehr allttäglich, abe r stellen wir uns mal vo or, dass auff einmal alle e Gegenaus Glas od der glasartig gen Materiaalien wie Pla astik fort wären. Ebensso all die Dinge und stände a Erkennttnisse, die au uf der Erfind dung von Gllas beruhen n. Wir wären n in einer Weelt ohne Gla as. Unseäude hätten n entweder keine Fenstter und wären dunkel und warm, oder aber hell und re Gebä kalt. Fah hr- und Flug gzeuge wäre en ohne Glaasfenster fü ür modernen n Verkehr ggänzlich ung geeignet. Monitorre, Solarzellen, Satellite en, Spiegel, Fernseher, Fotos, Filme e – all diese technische en Errungenscha aften wären n nicht mög glich. Das FFehlen von optischen o Systemen S häätte viele naturwissenscha aftliche Entd deckungen verhindert und unser medizinischer Stand und wissen nschaftliches Weeltbild wäre en vermutlicch nicht vieel fortschritttlicher als im m Mittelalteer. Es wäre eine primitive W Welt. Glas besetzt in unserer u tecchnisierten Gesellschafft mehrere Schlüsselpo ositionen und in d der Tat gibt es kein älteres Materia l, das moderner ist und mehr Zuku unft hat als Glas. G Doch worauf basiert diese herausragendee Stellung vo on Glas? Die e hohe Wan ndelbarkeit von v Glas g auf Farbe,, Transparen nz, Form, Ob berfläche, Fe estigkeit, Steifigkeit, Hiitze- und ch hemische in Bezug Beständ digkeit, elekktrische und d thermisch he Leitfähigkeit ist eno orm. Es ist langlebig, biegsam, b formbarr, bearbeitbar und extre em formsta bil. Hinzu kommt eine gute Biokom mpatibilitätt. Glas ist vollstän ndig recyclie erbar und besteht aus fast unerscchöpflichen Rohstoffen n. Seit seine er Entdeb unerschöpflichees Innovatio onspotential in der Masssenglasherrstellung ckung zeigt es ein bislang ben dazu geführt, dass Glas fast al le Industriebereiche und Verredelung. Diiese Eigenscchaften hab durchdrrungen hat. Die Absatzmärkte für f Glasprodukte sind sehr breit gestreut g von n der Bauin dustrie übe er Verpan der Ernäh hrungs- und d Getränkei ndustrie hin n zur Fahrzeug- und EElektro(nik)in ndustrie. ckungen Wirtschaftsglas fürr Haushalt und u Gastron nomie und Flachglas F für Möbel- un nd Innenausbau sind nde Märkte. Spezialglässer für Medizin, Pharmazie, Chemiie und Kosm metik soebenfalls bedeuten d Wissensch haft stellen einen Bereich mit hoh hem Wertscchöpfungsanteil dar wie Forsschung und (vgl. Abb bildung 1). Spezialglas 13%

Glasfassern 10% %

Flachglas 11%

Wirtschaftsglas 4 4%

Gllasveredelung 39%

Behälterglas 23%

Abbildung g 1 Branchen der d Glasindustrrie.

Betrachttet man Da aten des sta atistischen Bundesamttes in Deutschland, so sieht man, dass in etwa do oppelt so viel Stahl he ergestellt w wird wie Gla as. Es hande elt sich alsoo um eine wichtige w Branchee mit Gesam mtumsätzen n von etwa 77.4 Mrd. € (22009) und einem e Produ uktionsvolumen von mehr als 3Mio m3 allein a in Deu utschland. D Daraus ergib bt sich ein volumenbez v zogener Umsatz von asveredelun ngsprozesse. mehr als 11oo€/m3. Ein beträchtlicher Anteeil entfällt dabei auf Gla Herstellung von Flacchglas 2009 BRD

7

1.7Mt

720.2Mio€

Gegossenes oder gewalztes Glas Gezogenes oder geblasenes Glas Floatglas Flachglasveredelung und -bearbeitung 2009 BRD Einscheibensicherheitsglas (ohne Fahrzeuge) Verbundsicherheitsglas (ohne Fahrzeuge) Wärmedämmglas Herstellung von Glasfasern 2009 BRD Textile Glasfasern und -wolle-Dämmstoffe Steinwolle-Dämmstoffe Gebrauchs- und Spezialglas 2009 BRD Bausteine und anderes Bauglas

9.4km2 2.3km2 165km2 7.4km2 25.5km2 24.3km2 673kt 237.7kt 435.4kt 321kt 11.6kt

64.4Mio€ 47.2Mio€ 608.6Mio€ 2’876.4Mio€ 238.4Mio€ 459.5Mio€ 1’017.9Mio€ 844.4Mio€ 486.3Mio€ 459.5Mio€ 1’105Mio€ 18.3Mio€

Tabelle 1 Glasprodukte für das Bauwesen. Quelle Statistisches Bundesamt, Bundesverband Glas.

Typische Glasprodukte für das Bauwesen mit Produktionsmengen und Umsätzen sind in Tabelle 1 aufgelistet. Allein deutsche Anlagen produzieren derzeit ca. 1.7 Mio. t Flachglas/Jahr, was bei 4mm Glasdicke und der üblichen Breite von 3.21m einem Glasband von 52000km Länge, das also 1.3-mal um die Erde reicht, entspricht. Ein Großteil wird zu Fensterglas verarbeitet, das grossen Einfluss auf die moderne Architektur hat. Im Folgenden wollen wir uns ansehen, wie die Fähigkeit zur Herstellung von Fensterglas, bis hin zu den heute möglichen Scheibengrössen, die Architektur massgeblich geprägt hat. Gehen wir zurück in eine Zeit ohne Fenster. Wandöffnungen waren meist klein, um Wärmeverluste gering zu halten, und die Räume waren dunkel und stickig. Man kannte Klapp- oder Schiebeläden, Matten zum Aufrollen, Gitter aus undurchsichtigen Stoffen oder von Natur aus durchscheinende Materialien wie dünn geschliffene Alabaster- oder Marmorplatten; Marienglas oder Fraueneis (durchsichtiger Gips, der sich in dünne Blätter spalten lässt) sowie russisches Glas (Muskovit (Glimmerart), ein Kalium Aluminium Silikat). Alternativ konnten tierische Häute, Fischblasen, Rindermägen, Pergament (dünn geschabte Tierhaut mit einer Lösung aus Gummiarabikum, Eiweiß und Honig aufgeweicht und feucht in einen Rahmen gespannt und mit Firnis (Klarlack) bestrichen) verwendet werden. Das Wort „Fenster“ kommt aus dem Lateinischen (Fenestra) und wurde in Zuge der römischen Eroberung Germaniens in den germanischen Wortschatz übernommen. Die altgermanische Bezeichnung für Fenster war hingegen näher bei „Window“ (Windauge), also ein zugiges Loch in der Wand und nicht ein winddichter Glasverschluss. Glasfenster sind somit eine Erfindung des römischen Reiches. Älteste Funde aus dem 1. Jhd. n.Chr. sind meist trübe, bläuliche oder grünliche Scheiben. Flachglas etablierte sich als völlig neues Produkt aus Glas zu einem Zeitpunkt da bereits gute Kenntnisse in der Hohlglasherstellung vorhanden waren. Zwar hatten die Scheiben schlechte optische Eigenschaften, dennoch fanden sie als Statussymbol in wichtigen Gebäuden in Rom, Luxusvillen auf Herculaneum und Pompeij sowie in kaiserlichen und öffentlichen Gebäuden und römischen Thermen Anwendung (45 cm × 44 cm bzw. 80 cm × 80 cm Scheibengrösse) (s. Abb.Abbildung 2). Der römische Philosoph und Erzieher Kaiser Neros, Lucius Annaeus Seneca (+65 n.Chr.) beklagt sich in seinen „Briefen an Lucilius“ über die Verweichlichung der römischen Jugend, die Bäder mit Glasfenstern bevorzuge. Nördlich der Alpen war Fensterglas aufgrund des raueren Klimas deutlich mehr als ein Statussymbol. Es finden sich Bruchstücke von Fensterglas in den Limeskastellen, insbesondere in den Wachtürmen. Leider wurden bei Grabungen bis ins 18. Jahrhundert Fensterglasreste nicht beachtet, da man glaubte, dass die Scheiben nicht so alt sein können.

8

Abbildung g 2 Römische Glasscheibe ca.1-70 c n.Chr. FFundort Haus in der Umgeb bung Herculanneums, das 79 9n.Chr. wie Pompeij vvon der Asche des Vesuvs bedeckt wurde. SScheibendicke e ist 3mm. Brittish Museum, LLondon.

Römisch he Fenstersccheiben wurden von ei ner eigenen n Handwerk kerschaft, deen speculariarii hergestellt.. Die älteste en Scheiben n haben ein ne sehr glatte und eine e raue Seitee, sind also lediglich durchsccheinend. Ve ermutlich siind sie in ei ner Gusstecchnik entsta anden bei deer zähflüssiges Glas auf einee mit Sand bestreute nasse n Holzp latte oder einen e Stein gegossen w wurde und die d Glasmasse m mit einem Werkzeug W zu den Ränd dern hin auseinandergezogen, eveentuell gew walzt und flammp poliert wurde. So entsta anden Glasp platten von 300 x 500 mm m Größe mit einer ra auen Unterseite und ungleichmäßiger Dicke in un nterschiedlicchen Farben n. Schließlich h wurden die ScheiBronze- oderr Holzrahme en gefasst. ben in B Römer sschätzten je edoch auch transparen nte Scheiben, die nichtt im Gussveerfahren he ergestellt werden konnten. Jü üngere römiische Scheib ben ab ca. 20 00 n.Chr., haben 2 glattte Seiten, was durch die Erfin ndung der Glasmacher G rpfeife mög glich wurde.. Mit dieser wurde die Entwicklun ng neuer Techniken wie dass Mondglasvverfahren u und Zylinderstreckverfa ahren zur FFlachglasherrstellung möglich h. Beim Mon ndglas- oder Schleuderrverfahren wird w zunäch hst eine Kuggel mit abge eflachter Kappe g geblasen (1).. Danach wiird mit eine m Glastropfen ein Heftteisen angeesetzt und die d Pfeife abgesprrengt (2). Na ach einer erneuten Erw wärmung wird w der offe ene Rand, aan dem die Glasmacherpfeife war umg gestülpt (3) und über d rehen eine runde r Scheibe mit bis zzu 60cm Du urchmesser gescchleudert (4), die zur Ab bkühlung in einen Kühlofen gestellt wird (5), n nachdem das Hefteisen abg gesprengt wurde w (vgl. Abbildung 3). Die eigentlichen Scheiben S weerden aus dem d geschleuderten, eben nen Teil aussgeschnitten n. Es sind also zwei ha albmondförm mige, flache e, relativ oraus der Name Mondg glas entstan nd. Die übrig gbleibenden n Butzen in der Mitebene SScheiben, wo te waren Scheiben 2. Wahl. Bis ins 18 Jah hrhundert war w dies die übliche Heerstellungsm methode. nster wurden in diesem m Verfahren hergestellt. Fast allee Kirchenfen

9

Abbildung g 3 Arbeitsschrritte beim Mon ndglasverfahreen=Schleuderv verfahren.

Nach deem Zerfall des römische en Reiches g ging es auch h mit der Gllasmacherk unst abwärrts: Techniken un nd Rezepturren wurden vergessen u und Rohstofffe konnten nicht mehrr importiert werden. Dies füh hrte dazu, dass d im Früh hmittelalterr Fenster au usnahmslos in Kirchen verwendet wurden. Aus diessem Grund verstehen wir w heute u nter „mittelalterlichen Glasfenste rn“ in der Regel R farbige Gla asgemälde in Kirchen, die d in der Ro omanik anfingen und in n der Gotik zzur höchsten Entfaltung kamen. Die go otische Kirchenbaukun st kann ma an, aufgrund d der grosseen Flächen, als erste Glasarch hitektur bezzeichnen. Die Kathedraale von Chartres (1240) hat zum B eispiel eine Glasfläche von annähernd d 5000m2, was w einem V Verhältnis zu ur Grundfläche des Kircchenraums von 10:6 (Vergleich romanissche Basilika 1:10) entsspricht. Der kompakte romanisch e Baukörpe er wurde also auffgelöst in eiin Skelett vo on Trag- un nd Stützelem menten, die Gewölbelaasten sind in n Rippen zusamm mengefasst und werde en über Stü tzen und Bögen B abgettragen. Dass ermöglicht es, die Wand d durch grossfflächige, gegliederte Feenster zu errsetzten. Die ese Tendenzz zur Auflössung der Wand isst auch derr modernen Glasarchit ektur eigen n, allerdings ist der Hin ntergrund ein e völlig andererr. In der Gottik ist es die e Symbolik d die Gott im Licht und seinen s Farbben verkörpe ert sieht. Kirchenffenster solle en die Vorsttellung einees „himmlisschen Jerusa alem“ zur A Anschauung bringen und erleebbar machen. Der Rau um öffnet siich zum Lich ht und das farbige Glass der Fenste er heiligt und verrschönert da as Licht. Gla asfenster si nd somit eine Art Filte er zwischen n innen und d aussen, zwischeen Gott und d den Mensschen, die d die mittelalterliche We eltanschauu ung offenba aren. Die Glasfläcchen besteh hen aus kleinen Einzelsscheiben, die durchgefä ärbt oder beemalt mit Bleiruten B zu grosssen farbigen n Flächen zu usammengeesetzt sind. Ab dem 12. Jahrhun ndert werde en auch Fen nster in herrrschaftlichen Burgen, aab dem 14. JahrhunJ dert in B Bürgerhäusern aufblüh hender Städ te verbaut. Im 15. Jahrh hundert warr bereits ein n grosser Teil der Häuser Wie ens mit Glassfenstern veersehen, wa as auf den Reichtum deer Stadt hinw wies. Die Scheiben waren Bu utzenscheibe en, also klei ne Mondgla asscheiben mit Durchm messer 10-155cm. Den Namen haben Butzzenscheiben n durch die typische un nd stets imm mer exakt in n der Mitte sitzende „Glasnabe“. Untersschieden wu urden durch hsichtige un nd gemeine Scheiben, ddas besonders klare venezianische Glas und das he eimische grü ünliche Waldglas mit Blasen und EEinschlüssen n. Produziert wu urden die Sccheiben in Wanderglas W shütten, die e meist in waldreichen w n Gebieten angelegt a 10

waren. FFür die Potttascheherste ellung wurd de sehr viel Holz benötiigt. Dafür w wurde der um mliegende Wald d abgeholzt. War ein Gebiet gerod det, wandertte die Glash hütte weiterr und die ge erodeten Flächen wurden lan ndwirtschafftlich genuttzt. Glasträg ger brachten n die Produ kte aus den n abgelegenen G Glashütten in i die Siedlu ungen, wo ssie von den Glasern G mit Hilfe von BBleiruten zu Fensterscheiben zusamme engesetzt wurden. w So d drang erstm mals, vor de em Wetterss geschützt,, natürliches Tag geslicht in die d sonst eh her dunklen n Wohnstub ben und Werkstätten u nd ersetzte dort die stark rußig-rauchen nden Talglicchter bzw. d ie sehr teurren Wachske erzen. Butzensscheiben liefern natürliich ein verzeerrtes Bild der d Aussenw welt und ess kann sogar passieren, dasss sie mit ihrren Unebenheiten wie ein Brenngllas wirken. So S gab Joha nn Georg Krünitz K in seiner Ö Ökonomisch h-technische en Enzyklop pädie 1786 den Ratschlag, an son nnigen Tage en keine brennba aren Gegenstände im Umfeld derr Fenster lie egen zu lasssen oder – noch sicherer – die Fenster abzudecken n. Die Glasvverluste beim m Mondglassverfahren sind s relativ hoch und die Scheibengrösssen klein im m Gegensattz zu Scheib ben die im Zylinderglasverfahren hergestellt werden. Dennoch blieb Mondglas z.B. in England bis in die Mitte M des 19 9. Jahrhundeerts das bevvorzugte Fensterg glas, da es sich s sehr dünn schleudeern lässt un nd die dortig ge Fensterstteuer sich nach dem Glasgew wicht richtette. 1100 beeschreibt der Benedikttinermönch h Theophiliu Presbyterr in den „ Diversarum m artium schedula“ kunstgew werbliche Techniken T w wie die Glassfabrikation seiner Zeitt, die sich vor v allem farbigem m Glas für Kirchen und d Klosterbau uten widme et. Hier wird d auch die Zylinderglasherstellung beeschrieben, die aber vermutlich beereits im 10 00 n.Chr. vo on den röm ischen Specculariarii praktizieert wurde. Der D Glasmacher bläst aaus heissem m, zähflüssig gem Glas eiine Blase, den sogenannten n Külbel (1). Durch schw wenken und d die Schwe erkraft formt sich die G Glaskugel zur langen Blase, die erkaltet (2-3). ( Nach absprengen a n der Kappen wird der Zylinderma Z ntel aufgeschnitten (4). Im SStreckofen wird w der Zylinder auf 7550°C erwärm mt und zu flachen f Glasstafeln ausg gebreitet und geb bügelt (vgl. Abbildung A 4). 4 Für Glasm macher bedeutet dies eine e Schwerrstarbeit. Biss zu 25kg Glas mü üssen transp portiert und d mit enorm mer Lungenkkraft ausgeb blasen werdden. Der Gla asverlust ist jedocch deutlich geringer als beim Mon ndglas. Dickkere und grö össere Sche iben können hergestellt w werden. Die Glasplatten n haben abeer eine ang geraute Obe erfläche undd sind weniiger klar. Entscheeidende Verb besserung des d Verfahreens kam durch die Verw wendung dees Glashobe els, einer zylindrisschen Holzrrinne, die de er Zylinderfo orm währen nd des ausblasens Halt gab. Rohre mit kleinerem Durchmesse er brachten n geringere n Materialvverlust. Die Scheiben ffanden sehrr schnell Eingang g in die Arch hitektur des Barock.

Abbildung g 4 Arbeitsschritte beim Zylinderglasverfaahren.

Im Baro ock spielte Liicht eine wichtige Rollee bei der Gestaltung des Raums. Niicht mehr das diffuse, mysttische Licht der gotisch hen Kathedrrale, sondern das helle, durch grossse Fenster und Türöffnung gen eintrete ende Sonnenlicht ist ra umschaffen ndes Element und Mitttel, um die Grenzen des Rau umes aufzulösen. Zusam mmen mit d der Malerei, dem Stuck k, hellen Farrben sowie Spiegeln entmateerialisieren sich die Wände, d. h. die massivven das Inne ere vom Äu usseren tren nnenden Aussenw wände werd den überspielt (vgl. Ab bbildung 5). Während Fensterglas F im Zylinderglasver11

fahren rrational herg gestellt werrden konntee, waren Spiegel wesenttlich schwieeriger in derr Herstellung. Bis ins 17. Jahrhundert waren w Spiegeel polierte, mit m Platin oder o Silber bbeschichtete e Metallplatten. Erst spät wurde w Glas, ausgehend von Venedig, für Spieg gel eingesettzt. Glas hatt bei diesen Spieegeln lediglich die Funkktion die refflektierende e Metallschicht zu trageen und zu schützen. Allerdings ist dazu höchste Gla asqualität w was Ebenheiit der Oberfläche, Homoogenität un nd Transparenz a angeht erfo orderlich, da das Glas jaa optisch niccht existent sein soll. Jeeder Glasfeh hler würde das vom Meta all reflektierte Bild stö ören. Diese Qualität liess sich n nur über eiin GussWalzverrfahren mit nachfolgen ndem arbeit sintensiven, beidseitige en Schleifen n und Polieren erzielen. Erfu unden wurd de es 1688 von v Louis d e Nehou (16 641-1728) in der von Köönig Ludwig g XIV gegründetten Spiegelg glashütte vo on SaintGob bain. Die zähflüssige Glasschmelzee wurde auff Metallplatten ausgegosse en und mitt einer gussseisernen Rolle R zu gleiichmässigerr Dicke ausgewalzt. Danach wurden die d rauen Oberflächen O n aufwändig geschliffe en und pooliert, bevorr es mit Amalgam beschich htet wurde. Das machtee was Spieg gel zu einem m Luxusproddukt. Diesess Verfahren blieeb bis Mitte e des 20. Ja ahrhundertss das Haup ptverfahren zur Spiegeelglasherstellung. Es handelt sich also um m eine erste e Glasveredeelung durch h Beschichtu ung.

Abbildung g 5 Galerie dess Glaces, Schlo oss Versailles. V Von Jules Hard douin-Mansartt und Charles LLebrun 1661. Die D Fassade des langeen Querflügelss an der Garte enseite besteh ht aus einer Re eihe von Bogenfenster. Dad urch löst sich die Wand auf und w wird fast zum Skelett, was sich s vis-à-vis aauf der Innenw wand als Spieg gelung widerhoolt und zu ein ner nahezu vollständigen Auflösung des Raumes führt.

Ende dees 18. Jahrhu underts enttwickelte sicch Eisen du urch technologische Veerbesserungen langsam zu einem ernsstzunehmen nden Bausttoff, der sich h neben den bis dahin n üblichen natürlich n vorkommenden Ma aterialien wie w Stein, Leehm oder Holz H schnell etablierte. In Verbind dung mit Glas wa ar die Vorau ussetzung für völlig neeuartige Kon nstruktionsp prinzipien ggegeben, die e Ingenieurbauw werke hervo orbrachten, die für die beginnende Industrialisierung typpisch wurde en: Glaskuppeln n, Volieren, Warenhäus W er, Gewäch hshäuser, Glasfassaden, Bahnhöfe (Gare de l’E Est 184759). In d dieser Zeit be eginnt die Aufgabentei A ilung von Architekten für f Gestaltu ng und Inge enieuren für die K Konstruktion n.

12

Abbildung g 6 Crystal Palace 1851.

Um die tropischen n Pflanzen, die aus alleer Herren Länder L nach h Europa g ebracht wu urden zu überwin ntern sowie zur Zucht, wurden Glaashäuser gebaut, die de en Treibhau useffekt nutzen, also die Durcchlässigkeitt des Glases für die Son nneneinstrahlung im sichtbaren W Wellenlängenbereich und sein ne Undurch hlässigkeit für f die Wärm mestrahlung von innen n. Aus einfaachen Gewä ächshäusern enttwickelte sich ein eigen ner Bautypu us, die Oran ngerie, die im m 18-19 Jah rhundert zu ur reinen Glasarch hitektur dess Palmenhauses, also e ines Eisenskkeletts mit durchsichtig d ger Hülle oh hne massive tragende Wän nde führt. Beispielhaft B für die Gla as-Eisen Verbund Arch itektur der zweiten Hälfte d des 19. Jahrh hunderts war der Crysttal Palace, der d zur Welttausstellungg 1851 in London errichtet w wurde (vgl. Abbildung A 6) 6 und als W Wendepunktt der Archite ekturgeschicchte gilt. Er benötigte 270.000 mund dgeblasene Scheiben (25.4x124cm m)((84.000m m2)=1/3 de r Jahrespro oduktion Grossbrritanniens, das d zur damaligen Zeit d die grösste Industrienation der Weelt war, 4.50 00t Eisen und etw wa 170.000m m3 Holz. Er wurde w 1854 im Vorort Sydenham S als Vergnügu ungshalle wiedererw richtet, wo das Bau uwerk 1936 bei einem Brand zersttört wurde. Das Glas w wurde von der Firma Chance Brothers &Co & geliefertt, die Mitte des 19. Jahrhunderts die d grösste Glasfabrik der d Welt war und d 1200 Glasmacher beschäftigte. D Das Gebäude war 563m m lang und 1 24m breit und u wurde von Joseph Paxto on, einem Gärtner, G entw worfen. Neue Ba auwerkstype en verlangte en nach Lich ht und Transparenz durrch grossflä chige Verglasungen und brachten damiit einen stark steigendeen Bedarf an Flachglas.. Die beginn nende Indusstrialisierung erröffnete Mö öglichkeiten n zur Produ uktionssteig gerung durch Mechan nisierung. Zunächst Z wurde d der schwersste Teils derr Glasmacheerarbeit im Zylinderstre eckverfahre n mechanissiert und die Zylin nder mit Pre essluft ausgeblasen. Sieevert und John Lubbers brachten eiin Verfahren n hervor, bei dem m mit Presssluft und maschinell m g geführten, kreisrunden k Fangkappeen Zylinder aus der Schmelzze senkrecht nach oben n gezogen w werden konnten. Damitt waren Län ngen bis zu 12m und Durchm messer von 75-80cm möglich. m Diee Scheiben wurden jedoch weiteerhin in Handarbeit durch sttrecken und d bügeln derr Zylinder heergestellt, wozu w die Zyllinder in diee Horizontale umgelegt werden musstten. Obwoh hl auf diese Weise kein ne kontinuie erliche Fertiigung möglich war, war dass Zylinderbla asverfahren n bis in die 11920er Jahre die wichtigste Hersteellungsmethode für Flachgla as. Das erstte Verfahren n, in dem eiine kontinu ierliche Ferttigung möglich wurde, war das BiccherouxVerfahreen, 1919 von den Deuttschen Maxx Bicheroux und Lambert von Rei s in den He erzogenrather G Glaswerken entwickelt. Bereits 10 J ahre späterr wurde 1/3 der weltwe iten Produkktion von Spiegelg glas in diese em Walzverfahren herrgestellt. Die e flüssige Glasmasse G w wird aus Ha afen zwi13

schen ein gekühltes Walzenpa aar gegosse n und so zu u einem Glasband gefoormt (vgl. Ab bbildung 7). Die G Glasdicke entspricht e dem d Walzen nabstand. Das D noch warme w Glas wird zu Ta afeln geschnitteen und in Öfen Ö abgekü ühlt. Mit deem Bicherou ux-Verfahre en waren Sccheibengrösssen von 4.5x6m mit beliebiig strukturierter Oberffläche möglich. Auch Drahteinlage D en sind einwalzbar, z.B. zur H Herstellung g von Drahto ornamentgl as.

Abbildung g 7 Walzglashe erstellung nacch dem Bichero oux-Verfahren n mit Drahteinlage.

Das Bich heroux-Verffahren wurd de mehrfac h verbesserrt, zuerst 192 20 durch Foord Motor Company C in Detro oid im Conttinuous-flow w Verfahren n und ein Ja ahr später durch d Saint Gobain im BoudinVerfahreen zur Einla age von Drahtgittern in n Walzglas. Einen Nachteil haben jjedoch alle WalzverW fahren. Durch Konttakt der Glassschmelze m mit den küh hlen Walzen entsteht eiine raue Oberfläche. Um diese zu beseitigen wurd de durch Piilkington An nfang der 1930iger 1 Jah hre mit dem TwinVerfahreen eine Metthode vorge estellt, bei d der automatisch beidse eitig, kontin nuierlich geschliffen werden konnte. Saint Gobain gelang es d dann in den n 1950iger Ja ahren beidsseitiges konttinuierliches Schleifen und d Polieren (P Poli-Continu u-Verfahren n) durchzufü ühren, was sich allerdings aus Kosteng gründen nicht durchsettzen konnte . Um beid dseitig glattte (feuerpolierte) Oberfflächen zu erhalten muss Kontaktt des noch verformv baren G Glasbandes mit Oberflächen verm mieden werrden. Beim Zylinderzieehverfahren ist dies prinzipieell der Fall, allerdings führt f der O berflächenkkontakt beim m Strecken wieder zu erhöhter e Oberfläcchenrauhigkeit. Idealerrweise musss die Glasscheibe als fla aches Band ddirekt ohne Umweg über diee Hohlform aus der Sch hmelze gezo ogen werden. Bereits 18 871 meldetee der Franzose Vallin ein früh hes Patent für f das Ziehe en von Fenssterglas an, das drei wiichtige Elem mente beinh haltet: (1) Senkrechter Ziehschacht mit Walzen, W (2) V Vorrichtung g zur Gewäh hrleistung eiiner gleichm mässigen Geomettrie und (3) Umlenkvorrichtung dees Glases in die Waagrechte. Die ttechnologische Umsetzung g hin zu eine er voll mech hanisierten,, kontinuierlichen Glasffertigung im m Ziehverfahren gelang alleerdings erstt später.

Abbildung g 8 Fourcault (links) ( und Libb bey-Owens (reechts) Ziehverffahren zur Herstellung von M Maschinenglass.

14

1902 liess sich der Belgier Fourcault ein Ziehverfahren patentieren, das er 1904 erstmals technisch umsetzen konnte. Dazu hatte er ein Grundproblem bei Ziehverfahren gelöst, das so bei Zylinderziehglas nicht auftritt, da ein geschlossener Ring gezogen wird. Ein Glasband jedoch zieht sich beim Abziehen aus einer Schmelze infolge der Oberflächenspannung zu einem Glasfaden zusammen. Fourcault gelang es, das Glasband durch einen Schamottbalken zu stabilisieren, der in die Glasschmelze eingedrückt wird und dessen mittlere Öffnung unter der Glasbadoberfläche ist. Folglich quillt Glasschmelze aus dem Schlitz der Ziehdüse und es bildet sich die sogenannte Zwiebel, in der sich die zähflüssige Glasmasse egalisiert. Um den Prozess zu starten wird mit einem Fangeisen die Zwiebel erfasst und in den Ziehschacht nach oben gezogen. Durch Kühlrohre wird der Rand des Bandes so stark abgekühlt, dass es sich nicht zusammenziehen kann. Über Transportwalzen wird das Band über mehrere Stockwerke nach oben gezogen, wo es weiter abkühlt. Im obersten Stockwerk wird das endlose Glasband dann von Arbeitern zu Glastafeln geschnitten (vgl. Abbildung 8). Gezogenes Flachglas wird auch als Maschinenglas bezeichnet. Fourcault erlebte den Siegeszug seines Verfahrens nicht mehr. 1910 musste er die Patentrechte verkaufen. Vier Jahre später ging in Belgien die erste industrielle Anlage mit 8 Ziehmaschinen in Betrieb, wurde aber im selben Jahr wegen des 1. Weltkriegs stillgelegt. 1916 vereinbarte Fourcault mit der deutschen Besatzungsmacht die Wiederaufnahme des Betriebs, was ihm nach Kriegsende den Ruf eines Kollaborateurs einbrachte. 1919 starb Fourcault seelisch gebrochen. In den 20iger Jahren setzte sich sein Verfahren weltweit durch, ausser in Deutschland, dem im Versailler Vertrag für 5 Jahre verboten wurde Flachglas nach dem Fourcault-Verfahren herzustellen. In Witten und Torgau wurde dann ab 1925 bis 1990 auf diese Weise Glas produziert. Heute wird es noch für Spezialflachgläser und überfangene Gläser (mit 2. überzogener Glasschicht) verwendet. In Entwicklungs- und Schwellenländern finden sich ebenfalls noch Fourcault Anlagen, da diese kostengünstig zu betreiben sind und ohne grosse Umrüstung unterschiedlich dicke Gläser hergestellt werden können. Zwar ist die Oberfläche von Ziehglas nach dem Fourcault-Verfahren feuerpoliert, da das zähflüssige Glas ja nur mit Luft in Berührung kommt, allerdings hat es Kontakt mit einem Schamottstein, was zu Einlagerungen führen kann. Prinzipiell lässt sich das Problem durch Führungen aus Platin (Schmelztemperatur >1770°C) lösen. Deutliche günstiger geht es allerdings mit zwei anderen Verfahren, dem Libby-Owens und dem Pittsburgh-Verfahren. Der Amerikaner Irving Colburn entwickelte 1904 das Libbey-Owens Verfahren, auch Colburn-Verfahren genannt. Dabei wird ein Glasbande ohne Düse senkrecht nach oben gezogen. Führungsrollen halten das Band in der gewünschten Breite, wo es in ca. 1m Höhe über eine wassergekühlte, hochpolierte Edelstahlwalze in die horizontale umgelenkt wird. Danach geht es über Walzen in den Kühlkanal. In dem Verfahren sind Scheibendicken von 0.8-20mm möglich (vgl. Abbildung 8). Das Verfahren wurde viel in Amerika angewandt wo Firmen wie Libbey-Owens-Ford mit dem stark gestiegenen Bedarf an Autoglas für geschlossene Fahrzeuge schnell wuchsen. Beim 1925 entwickelten Pittsburgh-Verfahren wird das Glas wie beim Fourcault-Verfahren senkrecht nach oben gezogen, aber nicht mit einer Ziehdüse, sondern mit einem Balken aus feuerfestem Material unterhalb der Glasoberfläche der die Glasströmung an der Abzugsstelle des Glasbandes stabilisiert. Da die Glasoberfläche nicht mit dem Schamottmaterial einer Ziehdüse in Berührung kommt, ist die optische Qualität von Colburn- oder Pittsburgh-Scheiben etwas besser als die von Fourcault-Glas. Mit den Ziehverfahren wurden Scheibengrössen möglich, die zwar leicht schlierig sind, aber dennoch eine akzeptable Planarität aufweisen. Große Scheiben ermöglichten neue Baustile, bei denen teilweise die Außenwand völlig aufgelöst wurde, z.B. bei Bauhausgebäuden wie dem Schulgebäude von Walter Gropius in Dessau oder den in Amerika entstandenen Wolkenkratzern wie dem Crysler Building in New York (1928-1930). All diese Scheiben wurden über Ziehverfahren hergestellt. Ein relativ moderndes Ziehverfahren ist das Corning-Down-Draw-Verfahren zur Herstellung dünnen Flachglases für TFT Displays und andere elektronische Geräte. Das Verfahren wurde 1964 vom Amerikaner S.M. Dockerty von Corning Glass Works patentiert. Man lässt Glas zu beiden Seiten aus einer Platinrinne aus- und nach unten laufen. Unten verbinden sich die beiden 15

Glasfilm me, und es wird w rasch weiter w nach h unten gezzogen, um sehr dünnee Gläser zu erhalten (vgl. Abbildung 9). Durch die Verwendun V g von Platin n (TS>1770°C) kann ein ne gute Glassqualität gewährleistet werd den, da wed der Erosioneen von Schamottsteine en, noch M Metallionen die optische Qu ualität beein nflussen kön nnen. Es wird d auch overrflow-fusion n Verfahren genannt.

Abbildung g 9 Overflow-ffusion-Verfahrren: 1 Zufluss d der Glasschme elze, 2 Überlaufrinne aus Plattin, 3 Ziehzwie ebel.

Bereits M Mitte des 19 9. Jahrhunderts formul ierte der Engländer Henry Bessem er die Idee, Glas auf Metallscchmelzen flach zu form men, um daamit verzerrrungsfreie, plane Oberrflächen in Spiegelqualitätt zu bekomm men. 1902 meldete m derr Amerikane er William E. E Heal ein PPatent für die d kontinuierlich he Glaszufu uhr auf eine e Zinnschm melze, das Ziehen des Glases G und das anschliessende Kühlen an. Die Ideen für das Float-Verfa hren waren n da, aber für f die tech hnische Realisierung waren eeinige Vorau ussetzungen n noch nich ht erfüllt. In den 1950err Jahren beggann Pilking gton mit ersten V Versuchen zur z Umsetzung, die 7 J ahre späterr zum Erfolg g führten. H Heute wird 95% des Flach- u und Spiege elglases in Floatanlageen hergesttellt. Grosse e Floatglasaanlagen lie efern ca. 3000m2/Std. In diesen Anlagen fliesst f die 10 050°C heissee Glasschmelze aus dem Glasschm melzofen üb ber einen Lippensttein aus ho ochwertigem m, feuerfesttem Materia al auf das flüssige f Zinn nbad der Floatkammer. Das Material des d Lippenstteins muss korrosions- und erosion nsbeständigg sein, was ein e technologiscches Hinderrnis bei derr Umsetzun g war. Die Floatkamm mer steht un nter leichtem Überdruck m mit einer Stiickstoff/Wasserstoffatm mosphäre (Formiergas)), um ungew wünschte OxidatioO nen mitt dem Zinn zu z verhindern. Die Bereeitstellung grösserer g Me engen Wassserstoff war Anfang des 20. Jahrhunderrts ebenfalls eine tech nologische Hürde. Die Glasschmeelze breitet sich wie ein Ölfillm auf der Oberfläche aus, da es eine 60% geringere g Dichte als Zi nn hat und d erstarrt während es horizon ntal über da as flüssige Z Zinn gezogen n wird. Man n kann auch andere Metalle wie Gallium m, Indium, oder o Blei nehmen, Zinn n ist allerdin ngs das kosstengünstiggste und be esitzt bei einem SSchmelzpun nkt unter 60 00°C einen niedrigen Dampfdruck D k. Selbst beii 1000°C rea agiert es noch im mmer nicht mit Glas. Ziehgeschw windigkeit, Viskosität V der d Schmelzze und einllaufende Glasmenge bestimmen die Glasdicke, diee von 0.4 biss 24mm mö öglich ist. Au uf 600°C ab bgekühlt verlässt es die Floa atkammer mit m einer seehr glatten Oberflächen und wird im Kühlofe en spannungsfrrei gekühlt, danach d optisch kontrol liert, geschn nitten und abgestapelt a t (vgl. Abbild dung 10).

16

Abbildung g 10 Grundauffbau einer Floa atglasanlage.

Seit den n 80ger Jahrren wird Flachglas fast ausschliessslich nach de em Float-Veerfahren hergestellt. Die optiische Qualittät der Glassscheiben istt so gut, dasss die Glasplatten direkt kt für die Spiiegelherstellung g verwendett werden können und aufwändig ges Schleife en und Polieeren überflüssig ist (vgl. Abb bildung 11).

Abbildung g 11 Übersicht über Herstellu ungsverfahren für Flachglas.

Fenster haben sich von einer einfachen e vverschliessbaren Mauerröffnung hi n zu einer architeka tonischeen, multifunktionalen Gebäudeh ülle entwicckelt. Die te echnologiscchen Verfah hren der Glasherstellung und –verarbeittung stellen n dabei stets eine techn nologische RRandbeding gung dar. Architekkten und In ngenieure entwickeln e immer weittere Möglicchkeiten hin n zur vollsttändigen Transpa arenz. Die Ko ombination n von Stahls trukturen und u Glas wa ar über ein JJahrhundertt hinweg die Mög glichkeit dass Ideal von Helligkeit H un nd Transparrenz zu verw wirklichen. D Die Abschafffung von Stahl alss Trageleme ent führt diesen Weg ffort. Glasträger aus Verbundsicher heitsglas tragen die Glashülle und scha affen auf diiese Weise fast vollständige Transsparenz. Inttelligente, eventuell e schaltba are Beschich htungen we erden sich zzum Schlüsselelement der Klimareegelung in Bauwerken entwickeln, die e Wärme un nd Lichtströ öme regeln. Glas wird zum z Träger,, das in Verrbindung mit Beschichtungen neue Funktionen aussübt. Planerrn bietet Bauen mit Glaas fasziniere ende gestalterissche Möglicchkeiten. De er konstrukttive Einsatz dieses Werkstoffs verlaangt jedoch h materialspeziffisches und verfahrensstechnischess Wissen als Grundlag ge zur Erst ellung dauerhafter, funktion naler und sicherer Anwendungen.

17

2. Gla aschemie «Nimm 60 Teile Sand, 180 Teile Asche au s Meerespfllanzen und 5 Teile Kreidde – und du erhältst a König Assubanipal (7. Jh.v. Chr.) Glas» Älltestes Glasrezept des assyrischen

2.1. Was ist Glas G eigen ntlich? Wenn ees darum ge eht, genau zu beschreeiben was Glas G ist, tun sich Wisseenschaftler äusserst schwer und in der Tat ist bis heute keinee umfassend zufriedenstellende D Definition ge efunden. D findet sich h in der Oeconomischen n Enzyklopäädie von 17779, worin Eine derr ältesten Definitionen D.J.G. Krrünitz schre eibt, dass „G Glas ein auss Sand oder Kieseln mitt einem Alkkali und Salzz zusammengesschmelzter, durchsichtiger, glänzen er im gemeiinen Leben zu mannder Körperr ist, welche cherlei B Bedürfnisse en gebrauch ht wird“. Beiispiele für Gläser, G die dieser Definiition widerssprechen sind zah hlreich. Der Glasforsche er Gustaf Ta mman (1861-1938) definiert in sein nem Buch „D Der Glaszustand d“ Glas als ein e „festes nicht-kristalllines Material (strukturrell) … eine eeingefrorene, unterkühlte FFlüssigkeit, die d ohne zu kristallisierren erstarrt.“ In der DIN N 1259-1 wirdd Glas hing gegen als ein anorrganisches Schmelzpro S odukt aus baasischen und sauren Ox xiden definiiert, das im Wesentlichen o ohne Kristallisation erstarrt. Organiische oder metallische m Gläser wäreen demnach h von der Definitio on ausgescchlossen. Die relativ brreite strukturelle Defin nition der bbeiden Glassforscher W.L. Zacchariasen (11932), B.E. Warren W (19 33) von Gla as als „ein aus a räumlicchen, ungeo ordneten Netzwerken aus Baugruppen mit kleine r Koordinattionszahl be estehender Feststoff“ umfasst jedoch a auch diese Gläser. G Aus den n Definitionen wird klar, dass ein Festkörper durch d zwei völlig verscchiedene Orrdnungsprinzipieen realisierrt werden kann: k einm al mit nich htkristalliner, amorpheer Struktur (Glaszustand), a aber auch im m kristalline en Zustand aals Ein-/bzw w. Polykristall.

Abbildung g 12 Temperaturabhängigkeit des Volumeens bei Kristalliisation und Glasbildung.

Betrachtten wir ein nmal die Te emperaturab bhängigkeitt des Volum mens bei deer Abkühlun ng eines Stoffes wie SiO2 au us der Schm melze. In de r flüssigen Phase sind die Molekü üle ungeord dnet und B Molekulardy M ynamik „durchmischt“.. Bei ca. 17122°C ist die SchmelzS werden durch die Braunsche atur erreich ht und die Flüssigkeit F b beginnt zu erstarren. e Für die Moleeküle bedeu utet dies, tempera dass siee sich jetzt mit m ihren Na achbarn arraangieren un nd ordnen müssen. m Da mit der Tem mperatur nehmen, wirrd es für ein nzelne Mole eküle imauch diee Molekularrbewegung und die Visskosität abn mer sch hwerer sich zu ordnen, insbesondeere wenn de er ungeordn nete Zustan nd energetissch nicht weit vom geordnetten entfernt ist. Nehm men wir einm mal an, dasss sehr viel Zeit zur Ve erfügung uarz (Bergkrristall) heissst. Durch steht, dann kann sich das SiO2 zu einem Kristall ordnen, das Qu uktur sind die d Molekülee im globallen Energieminimum u und viel dicchter gedie geordnete Stru e, was sich d durch einen charakterisstischer Spru ung im Volu umen bei packt als in der flüsssigen Phase melztemperatur Ts zeig gt (s. Abbild dung 12 Pfad d 14). Unter technoloogisch realissierbaren der Schm Bedingu ungen nimm mt bei der Abkühlung A d die Viskositä ät jedoch de erart zu, dasss nur noch ein sehr 18

lokales Gleichgewicht erreichtt werden kaann. Die Scchmelze kom mmt also in n den Bereiich einer unterkü ühlten Schm melze. Wesentlich für diie Glasbildu ung ist das Ausbleiben A jjeglicher Krristallisation im Bereich derr unterkühltten Schmelzze. Der kristtallinen Konfiguration ssind über da as perioKristallgitter Bindungsw winkel und Molekülabsstände vorgegeben. Allee Verbindun ngen hadische K ben folg glich mehr oder wenig ger die gleicche Festigkeit, was sicch in einem m scharfen SchmelzS punkt zeeigt. Die untterkühlte Scchmelze hin ngegen ist amorph. Es liegt lediglic h eine Nahn nordung, aber keiine Fernordnung vor. Der D Begriff aamorph kom mmt aus de em Griechisschen und bedeutet b „ohne G Gestalt“. Bin ndungswinkkel und Absttände sind breit verteillt, was zu eeinem Transsformationsbereeich führt in n dem die Scchmelze ersstarrt. Am Ende des Transformatioonsbereichs liegt der Glasübeergang, bei dem d die ung geordnete SStruktur eing gefroren wird. Am Glassübergang beobachb tet man n eine sprun nghafte Änd derung der Wärmedeh hnung und die Abnahm me der spezzifischen Wärme cp. So erhällt man z.B. bei b der Abk ühlung von SiO2 Quarzzglas – eine unterkühlte, eingefrorene Flüssigkeit.

Abbildung g 13 Gegenübe erstellung amo orpher und krisstalliner Stoffe e.

Zusamm menfassend wollen wir hier festhaalten, dass Glas G ein Zusttand zwisch hen flüssig und kristallin istt. Es besitzt Inseln kristalliner Naho ordnung, die aber unte ereinander eeinen unreg gelmässigen Verrband bilden n. Gläser verbinden Eig genschaften von Kristallen (Steifigkkeit) und Flü üssigkeiten (räu umliche Uno ordnung), un nterscheideen sich jedocch stark von n beiden. Glaas ist also ein Werkstoff oh hne Gefüge, ohne innerre Versetzu ngen oder Phasengren P zen. Das istt zum einen n die Voraussetzzung für die optische Durchlässig gkeit, bedingt aber aucch das Brucchverhalten. SiO2 ist sehr geg genwärtig in i unserer Umwelt U und d so erstaun nt es nicht, dass auch in der Natu ur Gläser gebildett werden kö önnen, wenn n genügend d Energie fürr die Bildung g einer Schm melze vorha anden ist und die Erstarrung mit entspre echenden Ab bkühlraten erfolgt.

2.2.. Natürlich he Gläserr Natürlicche Gläser fiinden sich in unterschieedlicher Forrm auf der Erde, E auf dem m Mond alss orangefarbige Mondglasp perlen und in vielen M Meteoriten. Da Meteore e wegen deer fehlenden Atmo19

sphäre recht häufig auf dem Mond einschlagen, sind Mondglasperlen sehr häufig und tragen in grossem Umfang zur Albedostrahlung (Rückstrahlung) des Mondes bei. Es gibt mehrere Möglichkeiten wie Glas natürlich gebildet werden kann:    

Am häufigsten finden sich natürliche Gesteinsgläser als amorphe Erstarrungsprodukte vulkanischer Schmelzen. Hohe Temperaturen können auch bei Meteoriteneinschlägen entstehen, woraus sich Impaktgläser oder Tektite bilden können. Die freigesetzte Energie bei Blitzeinschlägen reicht ebenfalls zur Verflüssigung von Quarz, wodurch sogenannte Fulgurite (Blitzröhren) entstehen können. Durch Schockwellen bei Meteoriteneinschlägen oder bei unterirdischen Atombombenexplosionen können diaplektische Gläser entstehen.

2.2.1.Gesteinsgläser Als Vulkanglas oder Gesteinsglas wird ein vulkanisches Gestein bezeichnet, das im amorphen Zustand als Glas vorliegt und nicht aus kristallinen Mineralien besteht. Es ist keine eigene Gesteinsart, sondern ein bestimmtes Gesteinsgefüge, das durch schnelle Abkühlung oder Abschreckung einer Lava oder eines Magmas entsteht. Die nötige rasche Abkühlungsgeschwindigkeit wird meist durch den Kontakt von Lava mit Wasser oder Gletschereis erreicht. Kleinere Lavapartikel können durch die Luft abgeschreckt werden. Ein solches Gestein kann vollständig (hyalin) oder nur teilweise (hypokristallin) aus Glas bestehen (glasfrei = holokristallin). Im Kontaktbereich mit Kühlmedien kann sich eine glasige Abschreckungszone entwickeln, während das Innere mehr oder weniger kristallisiert vorliegt. Bimsstein und Obsidian sind die bekanntesten Formen von Vulkanglas. Bims (Bimsstein) ist ein blasenreiches, sehr poröses schaumiges Glas, welches bei explosiven Vulkanausbrüchen aus gasreichem Magma entsteht. Die poröse Struktur entsteht durch die Ausdehnung in zähflüssiger Lava eingeschlossener Gase, wenn diese an die Erdoberfläche gelangt, dabei der Druck plötzlich abfällt, die Lava "aufkocht" und sehr schnell erstarrt. Alle Arten von Magma (Basalt, Andesit, Dacit, Rhyolit) formen sich zu Bimsstein. Da es aus einem Netzwerk von Gasblasen inmitten von zerbrechlichem vulkanischem Glas und Mineralien besteht, ähnelt es einem Schwamm mit einem Porenvolumen von bis zu 85%, der mit einer Dichte von ρ=0.3kg/dm3 auf Wasser schwimmt. Bimsstein dient als Baustoff, als Füllmittel (Bimskies), zur Hohlblocksteinherstellung, als Dämm-Material, Isolierplatten etc.. Als Bimsmehl wird er als Schleif- und Poliermittel, Seifenzusatz, Körperpflege- und Drogerieartikel zur Hornhautentfernung, Katzenstreu, Zahnpasta, und für vieles mehr verwendet. Obsidian ist ein kompaktes, vulkanisches Gesteinsglas mit geringen Gasresten und weniger als 1% Massenanteil an Wasser. Es entsteht bei rascher Abkühlung von siliciumreicher Lava. Bei höheren Gehalten an flüchtigen Stoffen (neben Wasser hauptsächlich CO2) würde sich das Gestein zu Bimsstein aufblähen. Bei langsamer Abkühlung entsteht Pechstein. Die Bildung vulkanischer Gläser ist in hohem Maße von der Zähflüssigkeit und deshalb vom Kieselsäuregehalt der Lava abhängig (je höher, desto zähflüssiger). Die Farbe von Obsidian variiert stark, abhängig von Verunreinigungen und deren Oxidationszuständen. Trotz der meist hohen Gehalte an Kieselsäure (zum Vergleich: Granite sind normalerweise helle Gesteine) ist Obsidian meist schwarz, dunkelgrün, dunkelgrau bis -braun gefärbt, gelegentlich auch braun oder rötlich. Der Grund sind feinst verteilte Hämatit- oder Magnetitminerale im Gestein. Ihr Name leitet sich von dem Römer Obsidius ab, der in der Antike den ersten Obsidian von Äthiopien nach Rom gebracht haben soll. Man findet es in Gebieten mit Vulkanismus, bei denen kieselsaure Laven ausgeflossen sind, vor allem in Italien (Lipari), Griechenland, auf Teneriffa, auf Island und in Mexiko. Bereits Steinzeitmenschen machten sich Obsidian für Werkzeuge zu Nutze. Ausserdem sind zahlreiche Beispiele kultischer Verwendungen oder als Schmuck bekannt. Indianervölker (u.a. Azteken und Maya) stellten sich aus Obsidianglas scharfe Messerklingen und Pfeilspitzen 20

her. In der heutigen Zeit wird schwarzer Obsidian größtenteils als Schmuckstein verarbeitet und verkauft.

2.2.2. Impaktgläser und Tektite Wie Obsidiane wurden auch Gläser, die von Meteoriteneinschlägen stammen, bereits vor mehreren Jahrtausenden für Gebrauchsgegenstände, als Schmuck und für kultische Zwecke verwendet. Man unterscheidet Impaktgläser und Tektite. Impaktglas entsteht durch das Aufschmelzen des Gesteins am Ort des Einschlags. Diese Schmelze erstarrt danach zu einem natürlichen Glas, das Spuren des Impaktors sowie Einschlüsse von Hochdruckmineralen wie Coesit enthält. Folglich wird es im jeweiligen Krater oder dessen näherer Umgebung gefunden. Tektite entstehen ebenfalls beim Einschlag großer Meteorite, werden jedoch bis zu einige hundert Kilometer vom Einschlagsort weggeschleudert und sind weitgehend frei von Einschlüssen.

Impaktgläser Libysches Wüstenglas, kurz auch LDG (Libyan Desert Glass) oder LDS(G) (Libyan Desert Silica (Glass)), wird im Gebiet des grossen Sandsees im ägyptisch-libyschen Grenzgebiet, der Libyschen Wüste, gefunden. Das hellgelb, honiggelb, grüngelb, milchig weiss bis schwarzgrau schimmernde Impaktglas mit hoher Transparenz aufgrund eines hohen Quarzanteils von 98%, entstand mit hoher Wahrscheinlichkeit durch einen Meteoriteneinschlag in der östlichen Zentralsahara vor ca. 28 bis 30 Millionen Jahren. Bei hohem Druck und Temperaturen wurde der damals oberflächlich anstehende Sandstein aufgeschmolzen, fortgeschleudert und rasch abgekühlt. Durch Wüstensand wurde an der Erdoberfläche gefundenes Wüstenglas poliert, in der Erde steckendes hingegen sieht zerfressen und matt aus. Bei den Ägyptern galt es als sehr wertvoll und findet sich an zahlreichen Kultgegenständen, wie dem Skarabäus, Sinnbild des Sonnengottes, auf dem Tutanchamun-Amulett. LDSG besteht zu 98% aus Lechatelierit, einem natürlichen Quarzglas. Es konnten Einschlüsse von Baddeleyit, der bei Temperaturen von über 1700°C aus Zirkonsand entsteht, sowie Spuren des Meteoriten (bis zu 0,5%) nachgewiesen werden. (Chemische Zusammensetzung: 97,53 % SiO2; 1,37 % Al2O3; 0,02 % K2O; 0,37 % FeO; 0,21 % CaO; 0,26 % Na2O3; 0,19 % TiO2; 0,05 % MgO)

Tektite Tektite (gr. tektos=geschmolzen) sind bis zu einige Zentimeter grosse Glasobjekte, die schwarz oder grünlich durchsichtig sind. Ihre Form variiert von aerodynamisch rundlich, scheiben-, tropfen- oder hantelförmig bis unregelmäßig. Ihre Bezeichnung ist meist mit den jeweiligen Impaktkratern und Fundorten assoziiert, die mehrere hundert Kilometer vom Einschlagort entfernt sein können. Beim schrägen Einschlag eines Meteoriten in der sogenannten Jetting Phase, dem Moment des ersten Kontakts des Meteoriten mit der Erdoberfläche, entsteht ein Strahl aus extrem heissem Gesteinsdampf eventuell sogar Plasma. Die herauskatapultierten Glasschmelzen werden viele Kilometer hoch, wahrscheinlich sogar aus der Erdatmosphäre heraus geschleudert, wo sie kondensieren und abkühlen. Folglich ist es nicht verwunderlich, dass ihr Wasseranteil von nur 0.005% im Vergleich zu anderen Gesteinen extrem gering ist. Das in der Atmosphäre erkaltete und erhärtete Material regnet in den Streufeldern nieder. Tektite entstehen nur bei bestimmter Grösse und Einschlagswinkel des Meteoriten, weshalb die wenigsten Meteoriten Tektite hervorbringen. Moldavite sind Tektite, die beim Einschlag eines grossen Meteoriten im Nördlinger Ries im heutigen Bayern vor 14.2 Millionen Jahren entstanden. Das entsprechende zentraleuropäische Streufeld des Meteoriten erstreckt sich ins Gebiet der Tschechischen Republik, daher haben Moldavite ihre Bezeichnung von Fundorten am Oberlauf der Moldau in Südböhmen. Es sind grünlich transparente Gläser mit kleinen Gaseinschlüssen, unverkennbaren Fliessstrukturen im Inneren sowie einer typisch muscheligen Oberflächenstrukturierung. Bereits in der Steinzeit 21

wurden Moldavite als Grabbeigaben verwendet, was auf ihren Wert schliessen lässt. Da die Gegend der Fundstellen ein traditionelles Glashüttengebiet ist, wurde lange Zeit Moldavit als Abfallprodukt der Glasherstellung verkannt. Erst 1961 konnte in einer Probe nachgewiesen werden, dass sie eine Hochdruckmodifikation von Quarz enthält, welche nur bei Meteoritenkratern entsteht. Der fälschlich als Vulkan angenommene Nördlinger Ries wurde als Meteoritenkrater erkannt und in Verbindung mit den Moldaviten gebracht. (Chemische Zusammensetzung: 80 % SiO2; 10 % Al2O3; 3 % K2O; 2 % FeO; 2 % MgO; 1,5 % CaO; 0,5 % Na2O3; 0,5 % TiO2) Andere bekannte Tektite bzw. Streufelder sind: Australasiatisches Streufeld (obwohl dieses Streufeld eindeutig das größte ist und rund 10% der Erdoberfläche bedeckt, ist der Krater unbekannt.): Australite (Australien, dunkel, meist schwarz); Indochinite (Südostasien, dunkel, meist schwarz); Chinite (China, schwarz); Nordamerikanisches Streufeld (Chesapeake-Bay-Krater, USA): Bediasite (USA, Texas, schwarz); Georgiaite (USA, Georgia, grünlich); Elfenbeinküste (Lake Bosumtwi-Krater, Ghana): Ivorite (Elfenbeinküste, schwarz).

2.2.3. Andere natürliche Gläser Fulgurite Fulgurite (lat. fulgur=Blitz) sind hohle Röhren, die in der extremen Hitze eines Blitzeinschlags von mindestens 1800°C durch Blitzverglasung/-sinterung in sandigen Böden innerhalb einer Sekunde entstehen. Andere Bezeichnungen sind "gefrorene Blitze" oder Blitzrohre, die Durchmesser bis zu mehreren Zentimetern und Längen von bis zu 5 Metern mit Gabelungen erreichen können. Ihre Farbe und chemische Zusammensetzung hängt stark von der Zusammensetzung der Böden ab und reicht von schwarz über grün bis weiss. Das Innere ist für gewöhnlich sehr glatt mit feinen Blasen, während das Äussere von rauen Sandkörnern gebildet wird. Wird ein Fels getroffen, können Felsfulgurite gebildet werden, während bei der Anwesenheit organischer Stoffe sogar Fullerene (C60und C70) gebildet werden können.

Diaplektisches Glas Die Glasbildung in der Natur muss nicht über die Unterkühlung einer Schmelze erfolgen. So wird beim diaplektischen Glas die Gitterstruktur eines Kristalls durch äussere Krafteinwirkung in Form von Schockwellen zerstört, ohne dass die flüssige Phase durchlaufen wird. Resultat ist ebenfalls ein amorpher Körper, der jedoch nicht durch Schmelzen und Erstarrung entstanden ist. Solch extrem starke Schockwellen können durch Meteoriteneinschläge entstehen, aber auch unterirdische Atombombenversuche können künstliches diaplektisches Glas erzeugen. In Meteoriten wird oft Maskelynit gefunden. Maskelynit ist ein diaplektisches Glas mit der Zusammensetzung von Plagioklas, aus dem es auch durch Stosswellen-Metamorphose erzeugt wird. Es wurde nach dem britischen Mineralogen M. Maskelyne benannt, der als "Keeper of Minerals" beim Britischen Museum als einer der ersten glasförmigen Feldspat in Meteoriten beschrieb. Maskelynit findet sich in Meteoriten aber auch in Mondgesteinen. Besonders viel enthalten die shergottitischen Marsmeteoriten, in denen aller Plagioklas in Maskelynit umgewandelt wurde.

2.3. Synthetische Gläser Der Legende nach gelang die Entdeckung der Glasherstellung phönizischen Kaufleuten rein zufällig, als sie um 5000 v.Chr. am Strand im heutigen Libanon ein Lager machten. Der römische Historiker Pliny (23-79 n.Chr.) beschreibt wie sie zum Kochen ein Feuer am Sandstrand mit nitrathaltigen Blöcken aus ihrer Handelsware eingrenzten und einen Kochtopf darauf stellten. Durch die hohen Temperaturen verflüssigten sich zur Überraschung der Kaufleute die Blöcke mit dem Sand zu einer opaken, glasartigen Substanz. Ob die Legende wahr ist, lässt sich nicht belegen, sicher ist jedoch, dass die ersten künstlich hergestellten Gläser nicht transparent wa22

ren und eher für Scchmuck verw wendet wurrden. Ebenso ist es mög glich, dass h herabtropfende Glasur beim m Brennen von Keramiken, überko ochende Scchlacke bei der Metallvverhüttung oder ein Brand in n einer Getreidemühle zum z ersten,, künstlich hergestellte h n Glas führtte. Das Potential des Werksto offs für die technologische und kkulturelle En ntwicklung der Mensc hheit liess sich aus diesen eersten Glasp produkten je edoch siche rlich nicht erkennen. e Die Tem mperatur vo on 1800°C, die d zum Sch hmelzen von SiO2 erforrderlich ist w wurde höch hstwahrscheinlich nicht errreicht. Wie kam es den nnoch zu eiiner Schmelze? Durch das Natrium moxid in on Soda wurrde die Schm melztemperaatur herabg gesetzt: Form vo

≡Si-O-Si≡ + Na-O-Na ≡  Si-O-Na + Na-O-Si ≡ SiO2 wird als Glasbildner bezeiichnet, Na2O als Glasw wandler und das Produkkt ist Wasse erglas (≡ offionen). Als A Wasserglas werden aus einer Schmelze S bezeichnet weitere Bindungen zu Sauersto ge, also am morphe, waasserlösliche Natrium- und Kalium msilicate od der ihre erstarrtee, glasartig wässrigen Lösunge en bezeichne et - hier Nattronwasserg glas. Dieses Glas war n natürlich niccht stabil gar wasserlö öslich. Da je edoch genug g Kalk in de er Pflanzena asche es Feu uer war, kon nnte das und sog Wasserg glas stabilisiert werden n:

≡Si-O-Na + Na-O-Si≡ + Ca-O C  ≡Si--O-Ca-O-Si ≡ + Na-O-Na a und es kkonnte sich ein stabiless Siliziumdio oxidnetz ausbilden. In Versuchen V kkonnten die Vorgänge der LLegende nacchgebildet werden w und es entstehtt tatsächlich h Glas, wen n auch nur ein opakes. Docch wie ist ess möglich, dass d sich au s SiO2 ein Netzwerk N bildet, also diee Fähigkeit zur Polymerisation besteht? diglich eine Sammelbezzeichnung für f alle mögglichen Mod difikatioZunächsst ist Siliziumdioxid led nen derr Oxide des Siliciums mit m der Sum mmenforme el SiO2. Die Grundstrukktur der verrschiedenen SiO O2-Kristalle ist ein Tetra aeder bei deem Silicium m von vier Sauerstoffen n umgeben ist. Eine Tetraederstruktur ist jedoch nur durch diee Ausbildun ng von Hybridorbitalen möglich. Da a Si über 2 2 3 n verfügt (w wie C) wäre der Grundzzustand 3s p . Durch spp Hybridisie erung ist 4 Valenzelektronen jedoch d die Tetraederstruktur mit m dem ch harakteristischen Bindungswinkel vvon 109.5° möglich. Die Hyb bridorbitale besitzen grö ößere Elektrronenwolken als Atomo orbitale woddurch größe ere Überlappung gsbereiche möglich m werden, was d der Glasbildung zugute ekommt. Urssache für die Hybridisierun ng ist ein zu usätzlicher Gewinn G an B Bindungsen nergie (vgl. Abbildung A 144). Der hybrridisierte Zustand d ist jedoch nicht an ein nem isolierteen Atom wie einem Insselsilicat beoobachtbar. Das D Konzept der Hybridisie erung hat nur n für gebu ome eine Be erechtigungg. Es ist aber zweckundene Ato mäßig, die Verbind dungsbildun ng gedanklicch in einzelne Schritte zu zerlegen n und für die Atome hen Valenzzu ustand zu fo ormulieren. einen hyypothetisch

Abbildung g 14 sp3 Hybrid disierung und Inselsilicat alss Grundbaustein.

Die [SiO O4]4- Tetraeder der Inselsilicate kön nen nun üb ber O als brü ückenbilden nden Sauersstoff also ≡Si-O-Sii ≡ kovalentte -Bindun ngen eingeh hen und pollymerisieren n. Als σ-Binddung wird eine e Bindung beezeichnet, die d rotation nssymmetrissch zur Bindungsachse e ist, z.B. s- s oder s-p-Orbitale. 23

Diese Bindung erla aubt unterscchiedliche B Bindungswinkel, worau us sich die eenorme stru ukturelle Vielfalt der Silicate e, wie Ketten, Bänder, R Ringe, Schicchten und Gerüste G erk lärt. Ein nattürliches Schichtssilicat von dem d man scchon schlech htes gehört hat ist z.B. Asbest. Diee Fähigkeit zur z Netzwerkbild dung mit unterschiedlichen Ringg grössen ist die Vorausssetzung zurr Glasbildun ng. Diese können bei Silicate en entweder kristallin o oder amorp ph sein, wie e bereits da rgestellt (vg gl. Abbilo die Nahorrdnung wob bei ein Tetraaeder aus einem Si+dung 13). [SiO4-] Tettraeder besttimmen also und 4 O-- An nionen gebildet wird. Kation u

2.3.1. Strukkturtheorie en zur Gla sbildung Aus derr Definition des Glasess als gefroreene, unterkühlte Flüssigkeit lassen n sich Rückkschlüsse auf die Struktur des Glases zie ehen. Die Neetzwerkhypothese von Zachariasen n (1932/33) ist dabei n. In Flüssigkeiten liegeen Teilchen ungeordne et nebenein ander vor und u gleiam bedeutendsten uss auch fü ür Glas gelten. Ist SiO2 Hauptbestandteil, so ist die Koorrdination des Si die ches mu gleiche wie in eine em Silicat, also a [SiO4-] TTetraeder. (Koordinatio onszahl = A Anzahl der nächsten n w. die Anzah hl der an ein n Zentralato om direkt Nachbarn einer Struktureinheit in einem Kristall bzw Während im m Kristall die Tetraederr regelmässsig angegebundenen Atome in einem Komplex). W N Allerdings sin nd die Energ gieunterordnet ssind, bilden sie im Glas ein unrege lmässiges Netzwerk. schiede zwischen Glas G und Kristall relat iv gering. Bei B Gläsern mit SiO2 alls Hauptbesstandteil geordnet seiin oder ein unregelmässsiges Netzw werk bilmüssen [SiO4-]-Tetrraeder regelmäßig ang den. mitives Kug gelmodell kann erstee Einblicke in die Struktur von Kationen-A AnionenEin prim Packung gen geben. Der einzige e Kontrollpaarameter isst das Radie enverhältniss von Kationen und Anionen n, der Rest isst Geometriie. Der Unteerschied zu mechanisch hen Kugelpaackungen lie egt allerdings da arin, dass diie Kationenllücke immeer ausgefülltt sein muss, es also nich ht klappern darf (im Gegensa atz zu Meta allen, wo da as Elektroneengas stabilisiert. Desh halb ist die Variabilität metallischer Gitter so gering und die e dichtesten n Packungen n dominiere en). Ist dies nicht erfülllt, ist die nd springt zur z nächst kkleineren Ko oordinationsszahl. Tetra edrische Ko onfiguraStrukturr instabil un tionen ssind somit nur bei Kattionen-Anio nen-Radienverhältnisse en 0.225
Abbildung g 15 Kationen-Anionen Packu ungen und Kattionenabständ de bei tetraedrrischer Konfiguuration.

Aus diesser Betrachttung kann man m nun ei nige Regeln n für die Gla asbildung abbleiten, warrum also bestimm mte MaXb Verbindunge V en Einkomp ponentengla as bilden kö önnen und andere niccht. Man geht davon aus, da ass eine nottwendige Beedingung die d Bildung eines unenddlich ausgedehnten nde Struktu ren bilden leicht Gläse er, nicht pollymerisieren nde könNetzwerkes ist. Pollymerisieren aber auch. Die D Bedingun ngen der Neetzwerkhypo othese sind: nen es a



24

V Verbindung g der Tetrae eder dürfen nur über gemeinsame g e Ecken, niccht Kanten oder o Fläcchen entste ehen, was zu maximaalem Abstan nd der Katiionen führtt (vgl. Abbildung 15 rechts).

   

Koordinationszahl des Kations muss klein sein (3 oder 4). Netzwerkbildner sind vornehmlich saure Oxide mit Radienverhältnis Kation zu Anion 0.2-0.4. Anion darf nicht an mehr als 2 Kationen gebunden sein. Summe der Elektronen in p-Orbitalen geteilt durch Anzahl der Atome muss grösser als 2 sein (Wintersche Regel).

Elemente der Gruppen III, IV,V,VI haben 1, 2, 3, 4, 5 p-Protonen. Für SiO2 bedeutet dies (1*2+2*4)/3=3.33>2 (vgl. Periodensystem der Elemente im Anhang) und in der Tat beobachtet man eine sehr starke Tendenz zur Glasbildung. Diese letzte Regel weist darauf hin, das bei der Glasbildung nicht die kugelsymmetrischen Elektronenschalen sondern die anderen (p,d,f) besonders wichtig sind. Diese gerichteten oder kovalenten Bindungen sind Elektronenpaarbindungen, die durch Überlappung von Suborbitalen entstehen. Im Gegensatz zu zentralsymmetrischen Couloub-Kräften, bei denen sich Vorzugsrichtungen nur aufgrund geometrische Aspekte und der Elektroneutralitätsbedingung ergeben, bestimmen kovalente Bindungen unmittelbar die Nahordnung der Struktur und verkürzen die Ionenabstände durch Überlappung der Orbitale. Die Bedingung der Elektroneutralität führt damit dazu, dass die Regeln nur von Stöchiometrien (M2X3, MX2, M2X5 ) erfüllt werden können. Eine Darstellung für Glasbildner, die Einkomponentenglas bilden können ist in Tabelle 2 gegeben. Die meisten Glassorten bestehen allerdings aus mehreren Komponenten, bei denen Fremdionen in die Netzwerkstruktur eingelagert werden. Tabelle 2 Glasbildner für Einkomponentenglas.

M2X3 Siliciumdioxid

SiO2

Bortrioxid

B2O3

Phosphorpentoxid

P2O5

Germanium

GeO2

Arsenik / Diarsentrioxid

As2O3

Antimon

Sb2O5

MX2

M2X5

x

Elektronensumme 3.33

x

2.8 x x

3.71 3.3

x

3.6 x

3.71

2.3.2. Glaswandler Da Glas kein Gefüge hat, müssen die Eigenschaften über die Chemie der Bindungen beeinflusst werden. Man manipuliert das Netzwerk über Fremdionen und damit die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Gläser. Fremdionen können als Netzwerkwandler oder Zwischenoxide auftreten. Netzwerkwandler spalten das Netzwerk auf und verringern die Zahl der Verknüpfungsstellen und damit die Viskosität. Die Schmelze tritt folglich bei geringeren Temperaturen ein.

25

Abbildung g 16 Kalk-Natron-Glas mit Netzwerkwand lern.

Glaswan ndler sind vornehmlich basische O xide mit gro ossen Kation nen:

   

Natriumoxid (Na2O)  ↓ C d (CaO)  chemische c R Resistenz ↑ Calciumoxid Kaliumoxid (K2O)  Gla as wird läng ger; Litiumoxid (Li2O)  ↓↓ sseltener: Ba ariumoxid, Nioboxid, N Ru ubidiumoxid d, Strontium moxid, Caes iumoxid (CssO), Tanttal(V)-oxid, Telluroxid

Durch h hohe Anteile e von Netzw werkwandleern sinkt de er SiO2 Geha alt, was zu einer gewü ünschten Absenku ung der Visskosität und Glasüber gangstemp peratur führrt, aber zu einem Ansstieg der elektriscchen Leitfäh higkeit und Korrosionsaanfälligkeit führt. Für Kalk-Natron K n-Glas sind Natrium bzw. Kaliumoxid un nd Calciumo oxid Netzw erkwandler. Sie reissen n die Netzw werkstruktur auf. Dangen der Brrückensauerrstoffe der [SiO4-]-Tetra aeder aufgeebrochen. Zunächst Z bei werrden Bindun werden wie bereitss gezeigt un nabhängige Kettenende en gebildet: ≡Si-O-Si≡ + Na-O-Na ≡Si-ONa + Na a-O-Si ≡. Ansstelle der Attombindung g mit dem Silicium S geh ht der Sauerrstoff eine Io onenbindung m mit einem Alkaliatom ein und es bi ldet sich Wasserglas. In n einem zw weiten Schrittt erfolgt das Sch hliessen von n Kettenend den über io onische Bind dung mit Metallkation M n: ≡Si-O-Si≡ + Ca-O ≡Si-O--Ca2+ + Ca2++ -O--Si ≡ (vg gl. Abbildung g 17 Herstelllung von Kalk-Natron-G Glas.)

Abbildung g 17 Herstellun ng von Kalk-Na atron-Glas.

Die Herrstellung de er Netzwerkwandler eerfolgt aus preisgünstigen Carbon naten: CaCO O3CaO +CO2 un nd Na2CO3Na2O +CO2. Während d dem Erschm melzen wird also CO2 freeigesetzt, da as bei der Läuterung der Glasschmelze en ntweichen m muss.

26

2.3.3. Stabilisatoren und Zwischenoxide Zwischenoxide wie Aluminiumoxid und Bleioxid können als Netzwerkwandler und –bildner fungieren, sind allerdings alleine nicht zur Glasbildung fähig. Für silicatische Gläser kommen folgende Oxide zum Einsatz:       

Mangan(II)-oxid (MnO)  Glas wird länger Aluminiumoxid (Al2O3)  Glas wird länger, mech. Festigkeit ↑, chem. Resistenz ↑ Bleioxid (PbO)  Tg ↓, Brechzahl↑, el. Widerstand ↑, Absorption v. Röntgenstrahlen Titandioxid (TiO2)  Brechzahl ↑, Säureresistenz ↑ Zirconium(IV)-oxid(ZrO2)  chemische Resistenz↑, Trübmittel für Emails Zinkoxid ZnO  Härte ↑ Ploniumoxid (PoO) Zinn(II)-oxid (SnO) Cadmiumoxid (CdO) Berylliumoxid(BeO) Thoriumoxid (ThO2) Selen(IV)-oxid (SeO2) Eisen(II)-oxid (FeO) Eisen(III)-Oxid(Fe2O3) Nickel(II)-oxid (NiO) Cobalt(II)-oxid (CoO)

2.3.4. Glasrezepte Während der Regentschaft von Kaiser Tiberius (14-37 n.Chr.) soll ein römischer Glasmacher ein bemerkenswertes Glas demonstriert haben. Im Gegensatz zu gewöhnlichem Glas zerbrach es nicht. Die Geschichtsschreiber Pliny und Petronus nannten es „vitrum flexile“. Der Glasmacher demonstrierte dem Imperator eine transparente Vase, die er vor dessen Augen auf den Boden schleuderte. Nach der Legende zerbrach es nicht, verbog sich aber und wurde vom Glasmacher mit einem Hammer ausgebeult. Tiberius fragte, ob er das Geheimnis des flexiblen Glases mit jemand geteilt hatte. Als der Glasmacher verneinte, wurde er auf der Stelle umgebracht und seine Glaswerkstatt zerstört, da der Imperator fürchtete, dass das neue Material den Wert seiner wertvollen römischen Glaswaren mindern würde. Bis heute existiert kein schockresistentes Glas, das plastische Verformungen wie die beschriebenen zulassen würde. Diese Geschichte ist wahrscheinlich nicht wahr, vielleicht ist sie aber auch nur stark übertrieben und der Glasmacher war über eine primitive Art von schockresistentem Borosilicatglas gestolpert. Nur ein paar Prozent Boroxid kann die Glasstruktur stark verändern und zu resistenten Gläsern führen. Borax war in Rom bekannt und wurde von Goldschmieden als Flussmittel verwendet. Auf jeden Fall sind aus der Antike viele Glasrezepturen überliefert, die über die Versuchs-und Irrtumsmethode gefunden wurden. Erst während der Industrialisierung fanden systematische Untersuchungen statt, die eine grosse Anzahl von Sondergläsern mit speziellen Eigenschaften hervorbrachten. Glas hat ja oft keine definierte chemische Zusammensetzung, es ist vielmehr eine Mischung aus Metalloxiden und anderen chemischen Elementen und Verbindungen mit den Bausteinen Si, B, Al, Mg, Ca, Ba, Pb, Zk, Li, Na, K, die in Form von Oxiden vorliegen. Die chemische Analyse bezeichnet Anteile eines Elements in Form dessen Oxids. Dietzel schlug einen pragmatischen Weg vor, um die Rolle einzelner Oxidkomponenten in einem Glas zu beschreiben. Er ging von der Coulomb-Wechselwirkung mit Zentralsymmetrie für Ionen aus:

zcat  zan  e2 zan  e 2 zcat    f  , a  rcat  ran a2 4 0 4 0 a 2 . 1

In der Formel ist 0 die elektrische Feldkonstante oder Permittivität des Vakuums, e die Elektronenladung, z die Anzahl Anionen und Kationen und a der charakteristische Abstand der Anionen. Da die Kationen-Anionen-Abstände experimentell aus verschiedenen Mineralien bestimmt wurden, wird der kovalente Anteil der Bindung implizit mitberücksichtigt. Wenn man die Formel betrachtet, sieht man, dass die Wechselwirkung in der Umgebung eines gemeinsa27

men Anions nur du urch die unterschiedlich hen Ladungsszahlen der Kationen u und ihre cha arakteristischen Abstände z.B. z zum Sau uerstoffanio on bestimm mt ist, der Re est ist konsttant. Der nicht konstante T Teil zcat/a wird w als F bezeichnet b u und Dietzelsche Feldsttärke genan nnt. Eine Fe eldstärke müsste eigentlich proportiona p l zu 1/a sein n. Somit ist es in Wirklichkeit eine Kraft, die unglücklid. F wird im Allgemeineen als dimen nsionslocherweiise als Dietzzelsche Feldstärke bezeeichnet wird se Grössse mitgeteilt, die Wertte von a sin d in Anströ öm einzusettzen. In Anh hang A sind Dietzelfeldstärken und Io onenradien aufgelistet. Hohe Werrte sind Gla asbildnern eeigen (1-2), mittlere 0.5-1) und kleine Werte (0.1-0.5) fin nden sich fü ür Netzwer kwandler. Wie W man Zwischeenoxiden (0 sieht, ka ann die Diettzelsche Feldstäre auch h verwende et werdend das Verhaltten eines Ele ementes in einer Glasstruktu ur abzuschätzen. g unterschie edlicher Glaasrezepturen kann nacch untersch hiedlichen Kriterien Die Klassifizierung n: erfolgen

    

A Art der Genese (künstliche/natürli che Gläser).. A Art des Chemismus (ox xidisch/nich toxidisch od der Hart-/ Weichgläser) W ). G Grundform des Produktes oder Verrfahrens ( Hohl-/FlachH /Spezialglass). men (Antikg glas, Kronglaas, …). Handelsnam O Oder Marke ennamen (Ceran, Jenae r, Schottglas, Pyrex…) .

Die Eintteilung nach h oxidischen n und nichttoxidischen Gläsern ist für uns am m zweckdienlichsten, und einee Übersicht ist in Abbild dung 18 Übeersicht überr Glassorten gegeben.

Abbildung g 18 Übersicht über Glassorten.

Die siliccatischen Gläser G sind für das Baauwesen am Bedeute endsten. Kieeselglas bezeichnet Quarzglas, also rein nes SiO2. Ess zeichnet s ich durch einen e niederren Ausdeh nungskoefffizienten, V-Durchlässsigkeit, Tem mperaturbesständigkeit bis 1400°C, hohe elekttrische Leitffähigkeit hohe UV und eine gute chemische Besttändigkeit aaus. Da seh hr hohe Tem mperaturen für die Herrstellung ndet es eher für Produkkte wie Lichttleitfasern oder o Laborgeeräte Anwendung. erforderrlich sind, fin Alkali-Erdalkalisilica atglas ist eine der älteesten Glasa arten und gleichzeitig ddie gebräucchlichste on-Glas bestteht aus Si liziumdioxid mit Zusatz von Netzzwerkwandlern wie Glasart. Kalk-Natro moxid und Calciumoxid C d. (Chemiscche Zusamm mensetzung g: SiO2 72%;; Na2O 14.5%; CaO Natrium 8.5%; Al2O3 1.5%; Mg gO 3.5%). Eine ganze Reeihe von Zusatzoxiden kann zur Moodifikation der optischen und mechanischen Eigenschaften h hinzugemisccht werden: 28

      

Flussmittel (Zinkoxid, Thallium): Verminderung des Schmelzpunktes, Beschleunigung der Läuterung, Verminderung der Entglasung . Veränderung der Brechzahl (Bariumoxid, Blei für Röntgenschutz). Absorption von Infrarotstrahlung (Cer). Veränderung der thermischen und elektrischen Eigenschaften (Boroxid). Erhöhung der Bruchfestigkeit (Aluminiumoxid). Unterschiedlichste Oxide zur Glasfärbung (s. Kap. Optische Eigenschaften). Trübungsmittel (Zinndioxid, Calciumphosphat, Fluorid, Zirkoniumdioxid).

Es weist eine geringe Erweichungstemperatur auf und hat eine geringere chemische Beständigkeit als z.B. Kieselglas sowie einen deutlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizient. Als Massenglas wird es für Fenster-, Guss- und als Verpackungsglas eingesetzt. Alumosilicatglas hat hohe Anteile Al2O3 (15-25%). Hohe Transformations- und Erweichungstemperaturen zeichnen diese Gläser aus, weshalb sie auch für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden wie Halogenlampen, Verbrennungsröhren oder den Brandschutz. Alkali-Blei-Silicatgläser haben typischerweise Bleioxidgehalte von mehr als 10% bis zu 30%. Große Bedeutung kommt diesen Gläsern als Strahlenschutzglas zu. Borosilicatgläser enthalten wesentliche Anteile von SiO2 und Borsäure B2O3 als Glasbildner, sind also Gemische aus zwei Glasbildnern mit weiteren Zusätzen: Na2O-B2O3-SiO2. Bessere Schmelzbarkeit, hohe chemische Beständigkeit und niedrige Ausdehnungskoeffizienten führen zu hoher Temperaturwechselbeständigkeit und thermischer Belastbarkeit. Dies sind ideale Eigenschaften für Laborgläser aber auch monolithische Brandschutzverglasungen. Eine Übersicht über genaue Zusammensetzungen und Eigenschaften findet sich im Anhang. Farbiges Glas faszinierte seit jeher die Menschen. Prinzipiell gibt es zwei unterschiedliche Arten Glas zu färben: Die kolloidale Färbung und die Ionenfärbung. Beimischung von Metallen in Form von Nanopartikeln in der Schmelze (Silber / Gold in Korngrössen <10nm, Form wichtig) nennt man kolloidale Färbung. Die zugemischten Metalloxide als Zusätze für Farbe, Brechungsindex, Trübung sind nicht an der Reaktion beteiligte. Eine Übersicht gibt Tabelle 3. Bereits die Ägypter benutzten Antimon zur Entfärbung, konnten also farbloses, durchsichtiges Glas herstellen. Tabelle 3 Oxide für die Ionenfärbung von Kalk-Natron-Glas.

Oxide

Farbe

Kupferoxid (einwertig)

CuO

Rot (Kupferrubinglas)

Kupferoxid (zweiwertig)

Cu2O

Blau

Kobaltoxid

Co2O3

Dunkelblau

Chromoxid

Cr2O3

Grün

Eisenoxide

Fe2O3

Gelb /grün-blaugrün je nach Wertigkeit

Uranoxid

UrO

Gelb-/Grünfärbung (Annagelb mit grüner Fluoreszenz)

Nickeloxid

NiO

Violett, rötlich, bräunlich (Entfärbung)

Manganoxid (Braunstein)

MnO

Glasmacherseife

Selenoxide

SeO/SeO2

Rosa (Rosalin) und rot (Selenrubin)

Silber

Feines Silbergelb

Gold

Rubinrot (in Königswasser aufgelöst)

29

Indiumoxid

In2O3

Gelb bis bernsteinorange

Neodym

NdO

Rosa bis purpur, lila

Praseodym

PrO

Grün

Samarium

SmO

Gelb

Europium

EuO

Intensives rosa

2.4. Rohstoffe für silicatische-Gläser Die Verfügbarkeit von Rohstoffen hat zu jeder Zeit die Möglichkeiten der Glasherstellung eingeschränkt. Zwar ist SiO2 ein Hauptbestandteil der Erdkruste, an dem es eigentlich nirgendwo mangeln sollte, doch Netzwerkwandler und Stabilisatoren waren und sind deutlich seltener oder aufwändiger zu beschaffen.  Man kann 3 Hauptressourcen der Glasproduktion identifizieren: Rohstoffe, Energie und Anlagen. Anlagen erfordern Investitionen in Schmelzaggregate, Wärmetauscher und periphere Anlagen wie Einlegemaschinen, Brenner, Abgasreinigungsanlagen, Gemengevorwärmer etc.. Energie kommt aus fossilen (Gas, Schweröl, Leichtöl) synthetischen Brennstoffen oder in Form von Elektrizität. Bei Rohstoffen wird zwischen primären und sekundären Rohstoffen (Eigenscherben, Recycling-Scherben) unterschieden. Primäre unterscheiden sich in mineralische (Sand, Feldspat, Kalkstein, Dolomit,….)und synthetische(Soda, Sulfat, Farboxide). Weiter unterscheidet man in Hauptrohstoffe, die für die Grundglaszusammensetzung wichtig sind und Neben-Rohstoffe wie Läutermittel, Farboxide, redoxaktive Zusätze.

2.4.1. Rohstoffe in der Antike und im Mittelalter Gemäß dem ältesten, bekannten Glasrezept des assyrischen König Assubanipal (7. Jh.v. Chr.) waren Sand, Asche aus Meerespflanzen und Kreide die Zutaten für Glas. So wurde Quarzgestein zerkleinert, mit sodahaltiger Meerpflanzenasche vermengt, in einen Krug gefüllt und bei vielleicht 800°C zu einer Fritte geschmolzen. Die Fritte wurde mechanisch zerkleinert und in einer weiteren Schmelze bei 900 - 1100°C zu einem 8-10 cm hohen Barren mit ca. 12 cm Durchmesser geschmolzen. Gefärbt wurde das Glas durch Beimischen von Metall-Oxiden schwarz, violett, blau, grün, rot, gelb oder weiß und an weiterverarbeitende Werkstätten geliefert. Der niedrige Anteil SiO2 der damaligen Mischungen (Glassatz) lässt darauf schließen, dass man keine hohen Schmelztemperaturen erreichte. Geschmolzen wurde das Glas in muldenförmigen Tonpfannen, die in einfachen Grubenöfen erhitzt wurden – also ein Erdloch mit einem Steinboden unter dem Feuer gemacht wurde. So erreichte man Temperaturen von 600-700°C, also gerade genug um Glas zu einer teigartigen Masse zu schmelzen. Transparentes Glas war auf diese Weise nicht zu erreichen. Zur Römerzeit wurde Glas mit Flusssand und Natron aus Ägypten geschmolzen. Ägyptisches Natron kam vom Wadi Natrun, einem natürlichen Natronsee in Nord-Ägypten und enthielt mehr als 40 % Natriumoxid und bis zu 4 % Kalk. Die Glasproduktion war immer noch in Primär- und Sekundärwerkstätten gegliedert. Primärwerkstätten stellten Rohglas her, das dann an die Sekundärwerkstätten geliefert und verarbeitet wurde. In Bet Eli’ezer im heutigen Israel wurde eine Primärwerkstatt mit 17 Glasschmelzwannen freigelegt, die jeweils beeindruckende 2m × 4m groß sind, was 8-9t Glas entspricht. Nachdem das Gemenge in die Wanne eingelegt worden war, wurde der Ofen zugemauert und 10 bis 15 Tage lang befeuert. Nach dem Feuerungsstopp und dem Abkühlen wurde das Gewölbe des Ofens abgetragen, der Glasblock herausgestemmt und das Rohglas zur weiteren Verarbeitung versandt. Tabelle 4 Entwicklung der Zusammensetzung von Alkali-Erdalkali-Silicatglas.

30

Ägypten 15. Jhd. v.Chr.

Rom 1.Jhd. n.Chr.

Europa 13.Jhd. n.Chr.

Syrien 14.Jhd. n.Chr.

Heute

SiO2

65

68

53

70

73

Soda, Na2O

20

16

3

12

16

Pottasche, K2O

2

0.5

17

2

0.5

Kalkstein, CaO

4

8

12

10

5

Magnesium, MgO

4

0.5

7

3

3

Gemenge

Pflanzenasche, Quarz

Natron, Sand

Holzasche, Sand/Quarz

Holzasche, Sand/Quarz

Synthetische Komponenten

Durch das zerfallende römische Reich wurden die Länder nördlich der Alpen vom ägyptischen Natron und römischen Glas abgeschnitten und mussten auf eigene Rohstoffe zurückgreifen. Den italienischen Glashütten standen weiterhin ideale Rohstoffe zur Verfügung. Rohstoffe wie Marmor und Soda gab es in Altare und in Mailand aber nicht nördlich der Alpen. Das „crystallo“, ein Soda-Kalk-Glas, das mit Manganoxid entfärbt war, begründete den Weltruhm des venezianischen Glases. Die Soda wurde aus Alexandria importiert, ausgelaugt und versiedet, bis ein reines Salz entstand. Als Sand wurde ein reiner Glassand aus dem Ticino oder gebrannter Marmor verwendet. So konnte venezianisches Glas in einer Qualität produziert werden, die weit über der des Waldglases lag. Waldglas bezeichnet durch Eisenoxide grünlich gefärbtes Glas, welches vom Mittelalter bis zur frühen Neuzeit (etwa 12.-17. Jahrhundert) nördlich der Alpen in Waldglashütten hergestellt wurde. Glasbildner war Sand, der möglichst leicht zu schmelzen war und den man möglichst in der Nähe der Hütte abbauen konnte, z. B. in Bachbetten. Mit dem Sand kamen Eisenoxide ins Gemenge, welche das Glas selbst in Mengen von weniger als 0,1 % grün färben. Als Schmelzmittel wurde aus Pflanzenasche gewonnenes Kaliumcarbonat (K2CO3) verwendet. Eiche, Buche oder Fichte sind ideale Pottascheträger, aber auch Farnkraut, Melasse oder Meerespflanzen wurden verwendet. So enthält Buchenholzasche etwa 18% K2O. Die Bezeichnung Pottasche kommt von der Herstellung im Verbrennungstopf, in dem die Pflanzen eingedampft und ausgelaugt wurden. Die Pflanzenasche lieferte auch einen Teil des Kalks, der für die Herstellung guten Glases nötig war. Typische Standorte waren Böhmischer, Bayrischer, Thüringer Wald, Spessart, Sollingen oder das Fichtelgebirge, also alles Waldgegenden. War der günstig gelegene Wald abgeholzt, so wanderten die Glasmacher in ein anderes waldreiches Gebiet, wo sie neue Öfen bauten. Die Holzbefeuerung und Pottascheherstellung (Kaliumkarbonat; K2CO3) verschlang unglaubliche Holzmengen. So benötigte man für 0.43 m3 Pottasche ca. 1000 m3 Holz. Für die Herstellung von 1 kg Glas wurde etwa ein Raummeter Holz benötigt, was zu einem Holzbedarf einer einzigen Glashütte von jährlich 2.000 bis 3.000 Festmeter Holz (2.800 bis 5.200 Raummeter, etwa 20-30 ha Wald) führte. 80 bis 85 % des Holzes wurde für die Pottaschegewinnung veräschert. Für Landherren war eine Glashütte die lukrativste Art, ihren Wald auszunutzen. In den verlassenen Wohnstätten konnten Ackerbauern und Viehzüchter angesiedelt werden, die auf den abgeholzten Flächen wiederum Nahrung produzierten und das Wachstum so weiter förderten. In einigen Gegenden wurde das Befeuern der Glasöfen mit Holz schon im 17. Jahrhundert verboten (England 1615, Böhmen 1650), was zum Ende der Waldglashütten führte.

31

2.4.2. Rohstoffe für moderne Gläser Der Preis eines Rohstoffs wird durch Qualität und Verfügbarkeit bestimmt. Kriterien der Qualitätsbeurteilung sind: • • • •

Chemische Zusammensetzung: Hauptkomponenten, Verunreinigungen (z.B. Fe-Gehalt), Feuchte, etc. Phasenbestand: Hauptphasen, Kritische Phasen. Kornhabitus und –grössenverteilung. Konstanz der Qualität.

Für die Verfügbarkeit sind Marktgrössen, Transportdistanzen und Zuverlässigkeit wichtige Fragen. Rohstoffe werden sinnvollerweise als Träger bestimmter Steuer-Oxide geordnet. So enthält ein Feldspat nur 17-20% Al2O3, wird aber als Trägerrohstoff für Al2O3 eingesetzt. Wie man in Tabelle 5 sieht gibt es für fast jedes Oxid in der Glaszusammensetzung mehrere Optionen an Trägerrohstoffen. Tabelle 5 Rohstoffe für Glas.

Element

Oxid

Rohmaterial

Si

SiO2

Sand

Bruchglas

Ti

TiO2

Illmenit, FeTiO3

TiO2

Zr

ZrO2

Zirkon, ZrSi04

ZrO2

Al

Al2O3

Feldspat (Ba,Ca,Na,K,NH4)(Al,B,Si)4O8

Nephelinit

Al(OH)3

Al2O3

Hochofenschlacke

Klingstein

Kaolinit

Colemanit

Tinkal

Gips

BaSO4

B

B2O3

Borax

H3BO3

B2O3

Fe

Fe2O3

Rotes Eisenoxid

FeS

FeS2

Cr

Cr2O3

Cr2O3

K2Cr2O7

Na

Na2O

Natriumcarbonat Na2CO3

NaOH

K

K2O

Pottasche, K2CO3

Ca

CaO

Kalkstein, Dolomit

Mn

MnO

MnO2

MnCO3

S

SO3

Na2So4

K2SO4

Pb

PbO

PbO

Pb3O4

Mg

MgO

Dolomit, CaMg(CO3) 2

MgCO3

CaSo4

Durch gezielte Rohstoffauswahl kann die grüne Eigenfarbe von Kalknatronglas nahezu aufgehoben werden.  Bei Quarzsand ist der Eisenanteil die kritische Grösse. Akzeptable Werte sind 0.001% für optisches Glas, 0.01% für Kristallglas, 0.03% für Floatglas und 0.2% für Farbglas. Soda wird als Netzwerkwandler in grossen Mengen benötigt. Es gibt nur wenige Fundstellen für Natursoda und der Import ist schwierig. Durch einen wachsenden Bedarf an Glas, musste 32

ein Ersa atz gefunden werden. In den USA w wird Soda aus a dem Carbonat-Min neral Trona über das Trona-V Verfahren ge ewonnen, was w möglich ist, da es riesige Trona-Vorkommeen in Wyom ming gibt, bei denen Trona bergmännisc b ch gewonneen wird. Dieses wird zerkleinert z u und durch Lösen in n Begleitsto offen befreitt. Nach dem m Eindampfen im Vaku uum erhält man ein heißem Wasser von Z etzung Na 2CO3· H2O, das zu Na atriumcarboonat kalzinie ert wird. Monohyydrat der Zusammens (Kalzinieerung= erhiitzen eines Materials m mit dem Ziel, dieses zu entwässern n, zu verfärb ben oder zu zerseetzen). In Eu uropa stehen solche Vo orkommen jedoch nichtt zur Verfüggung. Eine entscheie dende V Voraussetzung für den vermehrten v n Einsatz von n Glas in der Architektu ur war die Erfindung des künstlichen Sod da, das als Flussmittel F aanstelle derr in Mitteleu uropa bis daahin übliche en Pottahen 19. Jh. geelang die in ndustrielle Herstellung H von Soda aus Kochsche beigefügt wurrde. Im früh d Kalk (Lebla anc-Verfahren), das in d der zweiten Hälfte es 19 9. Jahrhundderts durch das heusalz und te noch übliche Sollvay-Verfahren abgelösst wurde Diies verbilligtte die Fertiggung von Glasscheie die Produkktion der fü ür die Glaspaläste erforrderlichen Sttückzahben erheblich und ermöglichte len.

Leblancc-Verfahren n Die Vorraussetzung g für das Leblanc-Verffahren war die Entdecckung von Glaubersalzz (Natriumsulfa at, Na2SO4) durch Rudo olf Glauber (1604-1670). 1790 gela ang dem fraanzösischen n Arzt Le Blanc die künstliche e Herstellun ng von Sodaa. Die Sodaherstellung nach n Leblan nc ist ein che emischer prozess (grün = Edukte, schwarz =Z Zwischenpro odukte, rot = Produkte)) (s. Abbildu ung 19). Stufenp

Abbildung g 19 Leblanc-Prozess.

Zunächsst wird Kocchsalz (Natrriumchlorit)) mit heisse er Schwefelsäure beha ndelt. Chlorwasserstoffgass entweichtt und Natriiumsulfat ((Glaubersalzz) bleibt alss „Salzkuch hen“ zurückk. Dieser wird mit Kalk und Kohle vermischt und g ebrannt. Die Kohle wird d zu Kohlen ndioxid oxid diert und e „schwarrze Aschee“ enthältt Soda das Sulffat zu Sulfid reduziert. Die veerbleibende und Callciumsulfid.. Die wasserrlösliche Sod da kann ausgewaschen n und ausgeekocht werd den. Das Leblanc--Verfahren war zunäch hst durch d das entweicchende Chlo orwasserstooffgas sehr umweltschädigend, und auch das auff Halden geekippte Calcciumsulfid setzte bei sseiner Verw witterung n Schwefelw wasserstoff frei. giftigen

Solvay--Verfahren Im Jahree 1885 wurd de eine Prod duktion zur Herstellung g von Soda durch d den BBelgier Ernesst Solvay entwickkelt. Bis zum m heutigen Tag T wird So da nach seinem Verfah hren hergesttellt. Diese Entwicklung ist eine der Wichtigsten in n der Hersteellung von Glas. G Der Pro ozess geht vvon den billiigen und n vorhanden nen Rohstofffen Kalk (C Calciumcarb bonat) und Kochsalz (N Natriumin großeen Mengen chlorid) aus, deren Reaktion zu Soda und Calciumchlorid CaCO3+2NaCl  N Na2CO3+CaC Cl2 jedoch nicht freeiwillig ablä äuft, da die Rückreaktio on zu den Au usgangsstofffen Calcium mcarbonat und u Natriumchlorid die the ermodynam misch bevorzzugte ist. Zu ur Realisieru ung der Hin reaktion wird daher olvay-Verfah hren ein we eiterer Stofff, Ammoniak, mit ins Spiel S gebraccht, der in der d letztbeim So 33

endlicheen Stoffbilanz dann abe er wieder feehlt, da das Solvay-Verffahren als ch hemischer KreisproK zess arb beitet, bei dem d der zug gesetzte Am mmoniak in n einem gesschlossenen n Kreislauf verbleibt v und Um mweltbelastungen der Größenordn G nung des Le eblanc-Verfa ahrens verm mieden werd den können.

Abbildung g 20 Solvay-Ve erfahren.

Beim Ka alkbrennen (Reaktion 1 in Abbildu ung 20 Solvvay-Verfahre en.) wird Caalciumcarbo onat mit Hitze zu u Calciumox xid ("Gebran nnter Kalk")) und Kohlen nstoffdioxid d zersetzt. In n Schritt 2 wird w Kohlenstofffdioxid zusa ammen mitt Ammonia k in eine konzentriert k te Kochsalzzlösung ein ngeleitet, wobei N Natriumhyd drogencarbo onat ausfäl lt, das von n der Amm moniumchlooridlösung getrennt g werden muss. Genauer gesa agt reagier en Kohlensstoffdioxid und Wassser zu Kohlensäure (CO2+H2OH2CO3), die wie ederum m mit Ammoniak zu Ammonium mhydrogenccarbonat (H2CO3 + NH3  NH H4HCO3), das wiederum m reagiert da ann mit Kocchsalz zu Naatriumhydro ogencarbonat (""Natron") un nd Ammoniumchlorid (("Salmiak") (NH4HCO3+N NaClNaHC CO3 + NH H4Cl). In Schritt 3 wird das Natriumhyd N onat auf ca. 200°C erhitzt. Natrium mhydrogenccarbonat rogencarbo spaltet in der Hitze e Wasser und Kohlensto offdioxid ab b, wodurch Soda S entsteeht. In Schrittt 4 wird edergewonn nen und Sch hritt 2 zugefführt: Das Ammoniumcchlorid aus Reaktion das Ammoniak wie mit dem geb brannten Ka alk aus Reakktion 1 zu Am mmoniak, Calciumchlo rid und Wasser um2 wird m gesetzt.. Ein Nachte eil bleibt alllerdings aucch beim Solvay-Verfahren. Es verbbraucht große Menmchlorid inss Abwasser abgegegen Wasser und pro Kilo Soda wird immeer noch ca. 1 Kilo Calcium d damit in Flüsse und Meere. M ben und

2.5. Glasbesttändigkeitt 2.5.1.Glaskkorrosion Die chemische Resistenz gege en Säuren u nd bakterio ologische An ngriffe ist eeiner der wirtschaftgenschaften n von Glas. Allerdings ist Glas nich ht vollkomm men resisten nt gegen lich wichtigsten Eig griff von Säuren und Basen, B jedocch sind die Reaktionen oft so langgsam, dass man m nur den Ang einen geringen Effe ekt feststellen kann. A Antike Gläser haben sich erstaunlicch gut geha alten, alurer Regen) zu zunehm mender Zersstörung histtorischer lerdingss führt die Industrialisierung (sau Gläser. n, Glasro ost-, -bran nd, -pestt oder –krankheitt wird Als Glaskorrosion ukturelle Veränderung und damitt verbunden ne Verwitte erung der O Oberfläche von v Glas die stru durch veerschiedena artige chem mische und p physikalisch he Einflüsse bezeichnett. Von Glaskkorrosion betroffeene Gläser zeigen z im Fa alle durchsicchtiger Obje ekte eine Trü übung, die iihre Ursache e in mikroskopissch dünner Aufrauhung g der Oberffläche hat. Gläser, G die Jahrzehnte bbis Jahrhunderte im Erdreich h lagen, zeig gen eine typisch schmuttzig-regenb bogenfarbige Oberfläch e. Man unterscheidet 3 verschied dene Angrifffe auf Glas:

• 34

A Angriff durcch Flusssäurre

• • •

Angriff durch wässrige Säuren Angriff durch Basen Aber auch Kombinationen wie Angriff durch Wasser & kombinierter Säure/Basenangriff

Angriff durch Flusssäure Fluorwasserstoffsäure ist eine der aggressivsten Säuren und löst das Siliciumdioxid auf, indem es SiO2 zu SiF umwandelt. In wässriger Lösung reagiert es weiter zu Hexafluorokieselsäure: SiO2 + HF  SiF4 + H2O;

SiF4 + 2HF  H2(SiF6).

Siliziumhexafluorid (SiF6) ist leicht löslich und wird abgewaschen. Flusssäure wird zum gezielten Ätzen von Glas (Mattglas) genutzt. In der Viktorianischen Zeit wurde Glas mit Wachs beschichtet und ein Muster mit einem scharfen Gegenstand in die Wachsschicht gekratzt. Das freiliegende Glass wurde danach mit Flusssäure angelöst. Der Prozess ist sehr Zeitaufwändig und gefährlich. Heute wird Flusssäure für Feinätzungen zur Reflektionsminderung oder zum Mattieren von Scheiben verwendet. Beim Einsatz fluorhaltiger Holzschutzmittel ist Glas vorbeugend zu schützen. Auch in sauren Fassadenreinigern ist meistens Flusssäure enthalten, das zu Schäden an der Glasoberfläche führen kann, die nur aufwändig herauspolierbar sind.

Angriff durch wässrige Säure Bei Kontakt von Glas mit wässriger Säure werden in Ionenaustauschreaktionen Kationen des Glases durch Protonen der Säure ersetzt. Die Auslagerungsreaktion ist -Si-O-Na + + H +  -Si-OH + Na + Durch die Reaktion verarmt die Säure an Protonen und der pH-Wert steigt. Auf diese Weise entsteht eine Silicatgelschicht, die mit Protonen gesättigt ist und als Diffusionsbarriere den weiteren Angriff hemmt. Die Glasoberfläche wird folglich passiviert. Bei verwitterten Fassaden kommen oftmals Steinverfestiger zum Einsatz, die sehr häufig aus Kieselsäureestern bestehen.

Angriff durch Basen Der Angriff von Basen erfolgt auf den brückenbildenden Sauerstoff des Kieselsäuregerüstes. Die vollständige Auflösung des Netzwerks ist die Folge. SiO2 Moleküle gehen in Lösung und bleiben dort als Polysilicate: ≡Si-O-Si≡ + OH- ≡Si-OH + -O-Si ≡

≡Si-O- + H2O ≡Si-OH + OH-

Es entstehen immer neue Oberflächen und eine Schutzschicht kann nicht aufgebaut werden. Die Stärke des Laugenangriffs nimmt in der Reihenfolge ab: NaOH, KOH, LiOH, NH3. Basische Lösungen (Kalkwasser, Mörtelwasser) greifen das Netzwerk an. Das kann zum Beispiel von Regenwasser hervorgerufen werden, das eine Betonfassade herabläuft. Kalkmilch greift die im Glas enthaltenen Bestandteile Alkali und Kalk an und führt somit zu einer Oberflächenbeschädigung, die oftmals durch weissliche Rückstände sichtbar ist und zum Erblinden der Scheibe führen kann. Oberflächenverätzungen entstehen meist dann, wenn oberhalb oder unterhalb (Regenspritzer) der Glasflächen Betonteile angeordnet sind, die aus Sicht-, Struktur-, Waschbeton oder Zementfaserplatten bestehen. Die Trübung kann durch arbeitsintensives schleifen und polieren wieder entfernt werden. Auch Glasfaserbewehrungen in Beton sind von Korrosion betroffen, weshalb hier nur alkalibeständige Glassorten mit hohen Anteilen ZrO2 zum Einsatz kommen sollten.

35

Angrifff durch Wassser Erblindeen kann aucch Folge lan ng einwirke nder feuchttwarmer Luft, stehendeen Kondensswassers oder von n Industriea abgasen sein. Selbst reiines Wasserr (Ph7-9) kann zur Korroosion führen. Durch die Auto oprotolyse des d Wasserrs sind imm mer freie Pro otonen vorh handen. Dieese greifen das Glas mittels Auslagerun ngsreaktione en an. Die h herausgelösten Alkaliionen erhöheen den pH-W Wert des n Hydroxidio aktion 2, de r Angriff de er HydroWasserss durch die Bildung von onen. Jetzt beginnt Rea xidionen n auf das da as Netzwerk. Die Gelscchicht, die sich durch das Herauslöösen der Netzwerkswandlerr aus der Gla asstruktur gebildet g hatt, wird nun durch d den Basenangrifff aufgelöst. Dadurch werden wieder Hyd droxidionen n aufgebrau ucht, die Kon nzentration an Protoneen in der an ngreifenw und der Kreisla uf beginnt von v vorne (v vgl. Abbildu ung 21 Angriff durch den Lösung steigt wieder Wasser..).

Abbildung g 21 Angriff du urch Wasser.

Ein hoher Anteil Glaswandler erhöht die Korrosionse empfindlich hkeit, da meehr Ionische e Kettens Durch die Zugabee von Al2O3 kann die Beständigkeiit gegen Wasser erenden vvorhanden sind. höht weerden. Weiteree Gefahren für f Gläser sind s Silikonee. Diese kön nnen sich ch hemisch mitt Silicaten der d Glasoberfläcche verbinde en und sind d nicht meh hr ablösbar. Silikone we erden in Hyddrophobieru ungsmitteln eingesetzt. Bei Stein- und d Metallfasssaden kommen häufig g Konservierrungs- und Imprägn, Siloharzen oder lösem mittelhaltigge Silikon- Acrylharzniermitttel auf Basiss von Salinen, Siloxanan kombinationen zum m Einsatz. Glasflächen m müssen vor deren Einsa atz geschützzt werden.

Klassifizierung Angriffssmechanism men werden in 5 verschiiedenen Typ pen eingeteilt.

Abbildung g 22 Abtragratten für unterscchiedliche Ang griffsmechanissmen.

Typ I: B Bildung eine er passiviere enden Oberfflächenschiccht (Absorptionsschutzzschicht), z.B B. Kieselglas in N Neuralsalzlö ösung. Die Abtragrate A d dc/dt ∞ te-t (Fall 1 in Ab bbildung 22)). Typ II: Schutzschich ht durch Auslaugung vo on Alkalien bildet sich, aber Netzw werk bleibt unveränu dert. Beispiel ist Angriff von Säure auf Siliccatgläser. Auslaugung g und Oberfflächenreakttionen führen zu zwei Schutzschicchten unterrschiedliTyp III: A cher Zussammensettzung. Netzw werk bleibt stabil. 36

Typ IV: Auslaugung g und Abtra agung findeen simultan n statt. Auslaugungssch hicht wächsst in das Netzwerk. Alkalisilicatgläser in n Wasser sin nd ein Beisp piel. Man hat zwei konkkurrierende Reaktioösung c∞t ((Fall 2 in Abb bildung 22). nen, Difffusion c∞t1/2 und Auflö Typ V: Gleichmässsige Abtrag gung des Neetzwerkes ohne o Auslau ugungsschiccht. Flusssä äure und starke Laugen fallen in diese Klasse. Man b beobachtet eine konsta ante Abtraggrate dc/dt∞ ∞a (Fall 3 in Abbild dung 22).

Abbildung g 23 Einflüsse ausgewählterr Glasbestandtteile auf die ch hemische Beständigkeit einees speziellen Basisglases B gegenübeer Korrosion du urch Wasser.

Die Bestimmung der d chemiscchen Bestän ndigkeit von n Glas ist in mehreren n Normen geregelt: g n hydrolytiscche Klassen n für Bestän ndigkeit ge egenüber DIN 121111 bzw. ISO 719 mit Einteilung in Wasser,, DIN 12116 gegenüber g Säuren S und DIN 52322 bzw. b ISO 69 95 gegenübeer Basen und Witterungseinflüssen. Die hydrolytiische Klassee ist ein Ma aß für die Extrahierba E rkeit basisccher Vergen aus dem m Glas durcch den Angrriff von Wassser bei 98°°C nach ISO O 719: 2 g Gla as, Kornbindung größe 30 00–500 μm m, wird 60 min m in 50 ml deionisierte em Wasser der Güte 2 bbei 98°C gekocht. 25 ml der eerhaltenen Lösung wird gegen 0.0 01 mol/l HC Cl bis zur Neutralisatioon titriert. Das D Volumen der verbrauchtten HCl wird d zur Klassiffizierung ve erwendet: wie Borosilicatgläser: Hydrolyytische Klassse 1 (Typ I) (bis zu 0.1 ml 0.01moll/l HCl): Neutralglas w Glas dieeser Klasse e enthält wesentliche w Mengen an Bor-, Aluminium- odder Erdalkalioxiden. Höchstee hydrolytiscche Resisten nz. Es weist gegenüber sauren und d neutralen Lösungen eine e sehr gute cheemische Beständigkeit auf, aufgru und des geriingen Alkaligehalts aucch gegenüber alkalischen Lö ösungen. Hydrolyytische Klassse 2 (Typ II) (0.1 bis zu 0 0.2 ml 0.01m mol/l HCl): Natronkalk--Silicatglas mit sehr hoher hyydrolytische er Resistenzz durch Obeerflächenverredelung. Hydrolyytische Klassse 3 (Typ III)) (0.2bis zu 0.85 ml 0.0 01mol/l HCl)): Natronkallk-Silicatglas mittlerer hydrrolytischer Resistenz, R welche mindeestens zehn nmal niedrig ger ist als beei Glas der Klasse 1.

2.5.2. Entglasung Lange frragte man sich s warum keine vulkaanischen Gläser aus dem Präkambbrium (>4.5M Mrd Jahre) gefunden wurden, wo Glass doch so altt wie das Universum isst. Der Grun nd liegt in der Struke sich als eingefrorene,, unterkühltte Flüssigkeiten in eine m metastab bilen Zutur von Gläsern, die ber geologissche Zeiträu ume jedoch kann es zu ur Entglasu ng kommen n, einem stand befinden. Üb 37

Übergang zur thermodynamisch stabileren Kristallstruktur ausgehend von Keimen. Gläser aus dem Präkambrium sind heute schlichtweg vollkommen rekristallisiert. Der Kristallisationsprozess lässt sich bei Schneeflockenobsidian beobachten, bei dem SiO2 zu Cristobalit kristallisiert. Auskristallisation unterhalb des Transformationsbereichs ist auch in technischen Gläsern möglich und wird sogar technologisch genutzt, wie bei Reaumurschem Porzellan, das eigentlich ein entglastes Glas ist. Quarzglas ist dabei besonders gefährdet. Durch hohe Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt und langsames Abkühlen kann sich eine Entglasungsschicht bilden, die in das Material wächst (ß-Cristobalit). Die Ausscheidung kristalliner Kieselsäure in Form feldspatartiger Kristalle geht mit einem Festigkeitsverlust, lokalem Härtegewinn und Erblinden einher. Das sich bildende Hochcristobalit hat nahezu dieselbe Dichte wie Quarzglas und lässt sich auf der Oberfläche nicht erkennen. Beim Herabkühlen auf unter 275°C findet jedoch ein struktureller Übergang von einer kubischen in eine tetragonale Kristallstruktur statt, was mit einer starken Abnahme der Dichte einhergeht. Dies kann letztlich zu Rissbildung und Abplatzungen führen. Brechungsindexunterschiede, die sich aus der doppelbrechenden tetragonalen Kristallstruktur ergeben, lassen die Entglasungsstellen nun weiß erscheinen. Bei älteren Hallogenlampen kann man Entglasung direkt beobachten.

38

3. Gla asphysik k 3.1. Thermiscche Eigen nschaften n Die therrmischen Eigenschaften sind entsccheidend für die Herste ellung und dden Einsatz von Produkten aus Glas. Auch A Gläser im Bauwessen sind eno ormen thermomechan ischen Bela astungen w zum Beisspiel an Sch lagschatten n bei Glasfasssaden oderr Brand denkken. ausgeseetzt, wenn wir

3.1.1. Das V-T-Diagra V amm Schauen n wir uns die zu Anfan ng dargeste llte Wärmedehnung od der Dilatatioon genanntt, einmal genauerr an, indem m wir das Vo olumen übeer der Temp peratur betrrachten, fürr einen Stofff der sowohl kristallin als auch a amorp ph erstarren kann. Silicciumdioxid ist, i wie wir gesehen ha aben, ein ergkristall isst er fast reiines, kristallines SiO2 mit m weniger aals 0.06% VerunreiV solcher Stoff: Als Be Q ein Einkomp ponentengla as mit hoher Temperat urbelastbarrkeit und nigungeen und als Quarzglas Lichtdurrchlässigkeit sowie geriinger Wärm medehnung.

Festkörrper <¦>

Viskose Sc chmelze

Abbildung g 24 Schema eines e V-T-Diagrramms.

Zunächsst kühlen wir w aus der Schmelze S ab ng 24). Das Volumen V bzzw. die Dich hte, nehb (Abbildun men zunächst aufg grund der asymmetriscchen Potenttiale der ato omaren Weechselwirkun ngen ab. malfall tritt am Schmelzpunkt Tf, w wenn wir uns im therm modynamiscchen Gleich hgewicht Im Norm befinden, Kristallisa ation ein. Fü ür SiO2 daueert dies sehr, sehr lange. Da die Paackungsdich hte in eier ist als in u ungeordneter Form (Fccc, hcp =0.74405, rcp=0.637), geht ner Kristtallkonfigurration kleine dies mitt einem Dichtesprung einher. e Danaach geht die Volumena abnahme w weiter, allerd dings mit einem g geringeren Ausdehnun A gskoeffizien nten beim Kristall K als bei b der Flüsssigkeit. And ders verhält es ssich, wenn man m mit ein ner endliche n Abkühlratte abkühlt. Bei B der Abkü ühlung verla angsamt sich die Molekulare e Dynamik extrem, e wass eine Erhöhung der Viskosität miit sich bring gt. Steigt h, können thermodyna t amische Gle eichgewichtszustände nicht mehr erreicht die Viskkosität rasch werden und ein me etastabiles thermodyn amisches Gleichgewich G ht wird einggenommen. Mit anWorten, die zu z jeder Tem mperatur geehörende Flüssigkeitssttruktur kann n aufgrund der steideren W genden Viskosität nicht mehrr erreicht w werden. Una abhängig vo on der Zusaammensetzzung der v ca. 1013 dPas (Die Eiinheiten fürr die VisGläser eerfolgt dies bei einer einheitlichen Viskosität von -1 kosität ist Poise=10 0 Pas=dPas)). Die zu dieeser Viskosittät gehören nde Temperaatur wird als Transonstempera atur TG oderr Glasüberg gangstempe eratur bezeicchnet und iist in etwa über das formatio Verhältn nis Tf:TG≈3:22 für viele Glassorten ab bschätzbar. Es bilden sich zunächstt Kristallkeime, aber da sich zu schnell ein e fester Zu ustand einsttellt, reicht die Zeit nicht aus um dden Kristallisations39

prozess abzuschliesssen. Folglicch bleibt es bei der krisstallinen Na ahordnung u und die den n Kristallen eigeene Fernordnung über das gesamtte Netzwerkk bleibt auss. Das entsppricht im Diagramm dem gestrichelten Bereich derr unterkühltten Schmelzze oder Flüsssigkeit. De r Wärmede ehnungsmationsbereeich nimmtt kontinuierlich ab, wäh hrend die un nterkühlkoeffizieent in diesem Transform te Flüssigkeit einfriert. Die Abn nahme der D Dichte ist alllerdings niccht beliebigg. Ab einer bestimmmperatur beobachtet man, m dass diee Dichteabn nahme in ettwa parallell zu der des Kristalls ten Tem läuft. So o erhält ma an eine eing gefrorene, u unterkühlte Flüssigkeit – ein amorrphes Glas. Die beobachtete Wärmede ehnung im Transformaationsbereicch hat nun nicht n nur deen Anteil de er asymn auch einen n Anteil durrch Änderun ngen der Nettzwerkstrukktur. metrischen Potentiale, sondern Weder d die Glasübergangstemp peratur nocch die Dichte e des Glases sind Mateerialkonstan nten. Beide häng gen vielmeh hr davon ab b, wie viel Z Zeit der Sch hmelze gela assen wird einen meta astabilen Gleichgeewichtszusttand einzun nehmen, deer dem miniimalen (krisstallinen) am m nächsten kommt. Wird lan ngsam abge ekühlt, sinkkt die Glasü bergangstemperatur und u das Gla s hat anderre Eigenschaften n. Trägt man die Temperaturdehn ung über der Temperatur auf, erkeennt man, dass d verschiedene Abkühlgeschwindigkeiten au us der Sch hmelze auff verschieddenen Tem mperaturonskurven führen f (s Ab bbildung 25)). Wird gena auso schnell aufgewärm mt wie abgekühlt, so Dilatatio sind die Kurven identisch, bei abweichend a den Raten jedoch wird z.B. z die Kurvee flacher - die d Strukdichtet sich also, d.h. die innere Strruktur des Glases G ändert sich mit dder Temperatur. Die tur verd Dichte d des Netzwerks kann da adurch verriingert werd den, dass ma an schnelle r abkühlt. So S haben Moleküle keine Zeitt sich in ihre Gleichgew wichtslage zu z bewegen n. Kühlt man n langsam ab, a führt werk. Für Fen nsterglas sin nd Abkühlra aten von 1K//min üblich,, metallidies zu eeinem dichtteren Netzw sche Glä äser hingegen benötige en über 1000 0K/min.

Abbildung g 25 Glasbildu ung bei untersschiedlichen A Abkühlgeschwindigkeiten (2< <1, 3>1). 0 Gleiichgewichtsku urve, 1 normale, 2 langsame, 3 sch hnelle Abkühlu ung, 3’ normalees Aufwärmen n.

Die Wärrmedehnung kann zur Bestimmun ng der Glastemperatur im Dilatom eter gemessen werden. Zur dilatomettrischen Besstimmung vvon TG solltte man DIN-52334 befoolgen: Ein GlasstäbG 0 mm) wird zuerst von TG + 30 K bis TG – 150 K mit 2 K/m min abgechen (tyypischerweise 5 x 5 x 50 kühlt. Die eigentlich he Messung g erfolgt mitt 5 K/min. Die D gleiche Probenvorbeehandlung isst für die mung des th hermischen Ausdehnu ngskoeffizie enten  nacch ISO-7991 erforderlich h. Grund Bestimm ist die in n Abbildung g 25 dargesttellte Pfada bhängigkeitt des Glasübergangs. BBei hohen Kühlraten wird ein ne Glasstrukktur mit einer etwas niiedrigeren Dichte D einge efroren, wass absolut nichts mit dem Phänomen the ermischer Spannungen S n zu tun hatt. Wenn eine rasch abggekühlte Pro obe lange von TG in einen dichtteren Zusta and, was sam auffgeheizt wird, relaxiertt das Glas iin der Nähe Messungen verfälsschen würd de (s. Abbil dung 26). In der prak ktischen Gl astechnolog gie wird nicht als Steigung, d.h. als erste Ableitu ung der Dila atationskurv ve bestimmtt, sondern als a Diffewischen den Längen bei zwei zu ben nennenden Temperatu uren. Bewäh hrt hat sich die d Temrenz zw peraturd differenz 20 0 – 300°C od der 20 – 400 0°C. Die line earen Ausde ehnungskoeeffizienten L lassen sich ein nfach in Volumenausde ehnungskoeeffizienten v umrechn nen. Zur exxakten Bestimmung 40

der Lagee des dilatometrischen Erweichung gspunktes TD bildet ma an am besteen eine Diffe erenzenfolge  L/L der Meesspunkte und u bestimm mt deren Nulldurchgan ng wie in A Abbildung 26 dargestellt.

Abbildung g 26 Dilatometrische Bestim mmung der Tra nsformationsttemperatur.

Die lineearen Ausde ehnungskoe effizienten aanorganisch her Gläser reichen r übeer einen we eiten Be-6 -1 reich vo on nahezu 0 bis 35·10 K (Tabelle 6 6). Es lassen n sich sogar SiO2-TiO2 G Gläser mit negativen  darsteellen. Der Wärmedehnu W ungskoeffiziient der Sch hmelze ist in n etwa dreim mal so grosss wie der des Glasses (Schmelze:Glas ≈ 3:1) über ü alle Glaassorten hin nweg. Tabelle 6 Typische Temperaturdehungskoeffizienteen von Gläsern n.

Glastyp p

L in n10-6 K-1

SiO2-TiO O2 Glas

0.0

Quarzglas

0.54 4

Jenaglas

3.3

Kalk-Na atron Glas

9.4

Bleiglass

7

Stellt m man die Tem mperaturdeh hnungen säämtlicher Gläser G in ein nem Diagra mm zusam mmen, so erhält m man das Dia agramm in Abbildung 27. Man erkkennt, dass sich nur sc hwer Gläser finden, die hohe TG und ho ohe L vereinen, was fü ür Glas-Meta all-Verbindu ungen wichttig wäre, un nd ebennen L verein nen, was für Laborgläseer und im Apparatefalls solcche, die niedrige hohe TG mit klein bau nüttzlich wäre.

41

Abbildung g 27 Gegenübe erstellung unterschiedlicherr Gläser im -T T -Plot. G

3.1.2. Das -T-Diagra amm Glas sch hmilzt nichtt plötzlich sondern s hatt einen grosssen Erweicchungstempperaturbereich. Zwischen Schmelz- und d Zimmerte emperatur d durchlaufen Gläser eine en Zähigkeittsbereich vo on bis zu nterliegen in nnerhalb die eses Bereich hes drei versschiedenen thermo15–20 Zeehnerpotenzen und un dynamisschen Zustä änden: 1. Bereich der Schmelze – oberhalb Liiquidustemperatur. 2. Bereich der unterkühlte en Schmelzee – zwischen Liquidus- und Einfrierrtemperatur. 3. Eingefroren ne Schmelze e – „Glasberreich“, unte erhalb Einfriertemperattur (~ Transsformatio onstempera atur). Wesentlich für die Glasbildung g ist die Ab wesenheit jeglicher j Kristallisation n im Bereich h der unereichen ein ne stetige Änderung terkühltten Schmelzze (2). Man beobachtett in allen Temperaturbe der Zähigkeit. Für die d Herstellung von Glläsern ist die Temperaturabhängi gkeit der Viskosität V ßgebliche Eigenschaft. Der prinzipiielle Verlauff der Abhängigkeit der Zähigkeit  von der die maß Temperatur bei derr glasigen Erstarrung eiiner Schmelze ist in Abbildung 28 dargestellt, mit den niken und der Lage von n ZähigkeitssfixpunkZähigkeeitsbereichen für wichtige Verarbe itungstechn ten.

Abbildung g 28 Logarithm mischer Viskositätsverlauf un nd Arbeitspunkte bei Gläsern.

42

Die Zähigkeitsfixpunkte sind für die Verarbeitung von Glas von grosser Wichtigkeit (ISO 7884). Man bezeichnet die einem Viskositätsfixpunkt entsprechenden Temperaturen mit hochgestellter Viskosität T:   







Der Verarbeitungspunkt T4 (Working Point) kennzeichnet die Temperaturlage mit Viskosität 104 dPa·s, die für maschinelle Glasverarbeitung eingehalten werden sollte. Der Fliesspunkt T5 (Flow Point) ist für manuelle Herstellungsverfahren wie Blasen die richtige Temperatur. Ab der Temperatur T7.6 des Erweichungspunkts (Softening Point) ist manuelle Formgebung möglich. Glasartikel verformen sich unter ihrem Eigengewicht und Glaspulver werden gesintert Die Zähigkeit wird zunehmend zeitabhängig aufgrund der Verzögerung bei der Einstellung mikrostruktureller Gleichgewichte. Der untere Erweichungspunkt (Deformation Point, TD=T11.3) wird über das Dilatometer wie oben beschrieben bestimmt und kennzeichnet die Temperatur bei der die Viskosität 11.3dPa·s beträgt. Die Verzögerung bei der Einstellung struktureller Gleichgewichte wird so gross, dass ab dem obere Kühlpunkt (Annealing Point) die Glasstruktur als erstarrt oder eingefroren gilt. Dies ist die T13 Temperatur, also die Glastemperatur TG. Die Viskosität ist jedoch noch so klein, dass innerhalb von Minuten innere Spannungen ausgeglichen werden können. Die Änderung des Anstiegs des Längenausdehnungskoeffizienten kann zur Bestimmung der Transformationstemperatur TG nach ISO 7884-8 verwendet werden. Bei einer auf diese Weise bestimmten Temperatur weisen die meisten Gläser Viskosität im Bereich von 1012 bis 1013,5 dPa·s auf. Ab TG ist die Formstabilität für viele Zwecke ausreichend und das Sprödbruchverhalten nahezu voll ausgebildet. Ab dem unteren Kühlpunkt (Strain Point) ist die Zähigkeit des Glases bei 1014,5 dPa·s angekommen und der Abbau von Eigenspannungen dauert mehrere Stunden. Ab dieser Temperatur kann schneller abgekühlt werden, ohne das neue Eigenspannungen eingefroren werden. Folglich ist der untere Kühlpunkt auch der Maximalwert für kurzzeitige Temperaturbelastung. T14,5 ist in etwa 30-40K unter T13.

Über die Vogel-Fulcher-Tamman (VFT) Gleichung lässt sich die Abhängigkeit der Viskosität der Glasschmelze von der Temperatur beschreiben. Es ist eine rein empirische Gleichung die nur oberhalb der Glastemperatur gilt (T>TG):

log   A 

B . T  T0

T0, A und B sind Konstanten, die nur von der Glaszusammensetzung abhängen. Man beachte, dass für sehr hohe Temperaturen die Viskosität gegen A geht, obwohl eigentlich irgendwann die Siedetemperatur erreicht ist. Die T Kurve von Gläsern ist eine stetige Kurve, die 16-18 Grössenordnungen umspannt. Da keine Messmethode einen solchen Viskositätsbereich abdecken kann, sind unterschiedliche Methoden erforderlich, angefangen von Balkenbiegung 1013,5dPas, Fadenziehen oder KugelPenetration hin zu Torsions- und Rotationsviskosimetern für kleine Viskosität bis zu 1dPas. Abhängig von der Glaszusammensetzung lässt sich der Viskositätsverlauf eines Glases für spezifische Anwendungen einstellen. Beim Mundblasen benötigt man z.B. Schmelzen, deren Viskosität sich nicht so stark über einen grösseren Temperaturbereich hinweg ändert. Man nennt diese «lange Gläser». Bei maschineller Herstellung hingegen ist eine schnelle Viskositätsänderung erforderlich, um Taktzeiten zu senken, was man als «kurze Gläser» bezeichnet. Alternativ wird auch der Begriff harte und weiche Gläser genannt, wobei dies nichts mit der Oberflächen43

härte vo on Gläsern zu z tun hat. Einige Beis piele sind in Abbildung g 29 dargesstellt. Je nacch Größe des Tem mperaturinte ervalls zwiscchen 103 un d 107 dPa·s unterscheid u et man alsoo zwischen „langen“ „ (große T Temperaturdifferenz, geringe Kurvvenneigung)) und „kurze en“ Gläsern.

Abbildung g 29 Viskositätsverlauf für unterschiedlich u he Gläser: 1 Quarzglas; 2 Qu uarzglas/B O (33%); 3 Natron--Kalk-Glas; 4/5 Bleikrristall 21/58%P PbO; 6/7 Boro osilika las 21/28 8%B O ; 8/9/10 0 Aluminosilica atglas 5.6/14.55/20.5%AL O (links) ( und Angell-Diagramm (rech hts). 2

tg

2

3;

3

2

3

A. Angeell hatte die e Idee, die Viskositätsve V erläufe nich ht über der Temperatu r, sondern über der reziprokken, reduzie erten Tempe eratur aufz utragen. Man M hatte gehofft, dasss alle Kurve en aufeinander Fallen was wie man in Abbildung 29 erkennt nicht der Fall ist. Man findet zweii Klassen asbildner u nterschiedlich stark die als ffragil bzw. stark bezeicchnet werd en. Grund ist, dass Gla sind. Fra agile Glasbildner sind z.B. z organiscche Gläser mit m flachen Kurven, staarke Glasbild dner wie SiO2 füh hren zu steilen Kurven.

3.1.3. Der Glaszustan G nd EDG

3.1.4. The ermische Eigenspan E nungen ng von Glasshütten, wirrd den Besu uchern oft eingeschärf e ft, keine Gla asgegenBei der Besichtigun n, auch wen nn sie noch so schön sin nd. Der Grun nd, erklärt man, m wästände vvom Boden aufzuheben re die G Gefahr, dass diese schlagartig explo odieren kön nnen. Das lä ässt sich aucch bei Prince Rupert ogneser Tränen“ zeigen n. Es sind Glastropfen G mit ausgezzogenem „SchwänzTropfen oder „Bolo die hergeste ellt werden, indem ma n flüssige Glasschmelz G ze ins Wassser tropfen lässt. Sie chen“, d können mit einem m Hammer bearbeitet werden, oh hne dass ettwas passieert. Wenn aber a das nzchen" abg gekniffen wird, w so exp plodieren die e Tränen. Glas G baut näämlich bei raschem "Schwän Abkühleen ("Abschre ecken") enorrme Eigensp pannungen auf, die sich beim geri ngsten Anriitzen der Oberfläcche entladen können, wenn di ese unter Zugspannu ungen steh ht. Steht sie unter Drucksp pannungen wie die Tro opfen, wird die grosse Festigkeit F vo on Glas auff Druck eind drücklich demonsstriert. Da Brüche B in Gläsern fast iimmer von der Oberflä äche ausgeh hen und durch Zugspannungen ausge elöst werden n, sind Abkü hlvorgänge e viel gefährlicher als ra sche Erhitzu ung. Ungleichmässiges Abkühlen führt unwei gerlich zu Eigenspann E ungen, da A Ausdehnung gskoeffizienten--Temperatu ur und Visko ositäts-Tem peratur Bezziehungen nichtlinear n ssind. Zudem m ist die Wärmelleitung von Glasschmelzen nicht ssehr hoch (tyypisch 0,9–11,2 W/(m·K) bei 90 °C, hochbleih haltige G m 0,6 W/(m·K)), w was unweig gerlich zu Te emperaturgrradienten fü ührt, aus Gläser bis minimal denen sstarke Spann nungen resu ultieren. Fürr Vergleiche e unterschie edlicher Glässern dient der d Stoff44

kennweert, der die maximal m zu erwartendee, thermisch h induzierte e Spannung in einem biegesteifen Glassstück für eiinen örtliche en Temperaaturuntersch hied von 1 K angibt:



T  E   E   ; f Kalk-Nattron-Glas.  0.9 MPa Stoffwert für K 1  1 

Selbstveerständlich ändern sich die elastiischen Konsstanten beim Glasübeergang, da sich s hier auch diee Netzwerkkstruktur än ndert (s. Abb bildung 30). Oberhalb TD ist die Q Querkontrakktion 0.5, was derr Inkompressibilitätsbed dingung ein ner Flüssigke eit entsprich ht.

Abbildung g 30 Entwicklu ung der Temp peraturdehnun ng, der Steifigk keit und Querkontraktionszzahl mit der Te emperatur bei untersschiedlichen Gläsern. G

Eigensp pannungen sind jedoch h nicht nu r negativ, beim therm mischen Vo rspannen von v Glas macht m man sie sich h Zunutze, indem man n durch Absschrecken eine Oberfläcche mit Dru uckspannungen erzeugt, was w festigke eitssteigernd d wirkt. The ermisch vorrgespannte Gläser verlieren jeannungen mit m merklich her Geschw windigkeit bereits 200––300K unterhalb TG. doch ihre Eigenspa er Formtreue (z.B. Endm maße) sowie bei extremen Forderrungen an die KonFür Glässer höchste stanz geewisser Glaseigenschafften können n die maxim malen Gebra auchstempeeraturen bereits auf 100 bis 2200 °C begrrenzt sein.

3.2. Mikrostrrukturbeziehungen n EDG

3.3. Mechaniische Eige enschafteen Die max ximal erreicchbare Festigkeit einess Stoffes wird über sein ne atomareen Bindunge en gegeben. Dazu schätzen n wir die Fe estigkeit derr ≡Si-O-Si≡ -Bindung ab b. Die Bildu ngswärme von SiO2 aus den n Elementen n beträgt 90 08 kJ/mol b bzw. 1.5×10--18 J je Si-Attom. Das m molare Volum men von SiO2 ist der Quotien nt aus mola arer Masse ((60.084 g/m mol) und Dicchte (2.2 g/ccm3). Das en ntspricht 45

27.3 cm3/mol bzw. 4.5 4 ×10-29 m3 je Si-Atom.. Der Quotie ent aus Energie und Voolumen ergibt einen Schätzw wert für die Festigkeit, mit m der das Si gebunde en ist, von 33.5 GPa. Dieeser Wert istt extrem hoch un nd widerspriicht unseren n Alltagserffahrungen mit m dem Werkstoff Glass. So sind im m Bauwesen Festtigkeiten vo on 20MPa, also a mehr aals 1500mall weniger erlaubt. Nun n könnte die e Diskrepanz damit erklärbar sein, dasss Bauglas jaa im Allgemeinen wenig ger stark ve rnetzt ist un nd in der he Festigkeit zu nur noch 20 GPaa, aber imm mer noch Tat erreechnet sich hierfür die theoretisch 1000 mal höher alss erlaubt. In Experime nten mit ku urzen Glasfa asern lassen n sich solche Festigdurchaus verifizieren un nd industrieell hergestellte Endlos-G Glasfasern eerreichen ohne weikeiten d teres Zu ugfestigkeiten von 10 GPa. G Grösserre Glasobjekkte mit eine er frisch prooduzierten (feuerpolierten) oder säurepolierten Oberfläche O eerreichen 50 00 bzw. 100 00 MPa (Raauhigkeitswerte von ormalen Ein satz (10 μm m-Defekte) erreicht wen niger als 50 MPa. Ein etwa 12 bzw. 3 nm). Glas im no G verliert seine Festigkeit vollkommen. Die geringen Festigkeimakroskkopisch beschädigtes Glas ten von Glasprodukkten in der Anwendung A g ist somit hauptsächlic h ch auf die Exxistenz von Oberflählern zurückkführen (s. Abbildung A 311). chenfeh

Abbildung g 31 Abhängigkeit der Zugfestigkeiten von n wirksamen Risslängen. R

Zudem weist die Festigkeit F vo on Gläsern eine relativv grosse Strreuung auf,f, was wiede er daran ass bei Gläse ern die Zugffestigkeit vo or allem vom m Zustand der d Oberfläcche abhängtt. Umgeliegt, da kehrt lässt sich die Festigkeit einfach steig gern, indem die Oberfläche geätzt w wird, wodurch auch en. scharfe Kratzer entffernt werde Oberfläcchenfehler entstehen schon s bei d er Glasherstellung. Feu uerpoliertes Glas hat noch eine unbesch hädigte Obe erfläche, aber die erste n Fehler entstehen da wo das Glaas das erste Mal mit einem W Werkzeug zusamment z h diesee Fehler nocch einen rifft. Im nieederviskosen Bereich haben geringen Einfluss auf die Fesstigkeit, da sie zum Te eil durch Fliessen des Glases wie eder verden können n. Erst nach h der Erstarrrung entsttehen bleibende Fehle r. Das ist auch a ein schwind Grund d dafür, weshalb Glasfase ern gleich n nach dem Ziehen mit einem Kunsttstoff-Schuttzmantel geschlicchtet werden und zwiscchen Scheib ben Pulver gestäubt g wirrd. So wird ddirekter Kon ntakt mit gleichha arten oder härteren h Ma aterialien veerhindert.

46

Abbildung g 32 Rasterkrafftmikroskopische Messung eeiner Glasoberrfläche.

Glasobeerflächen kö önnen unterschiedlichsste Oberfläcchenfehler aufweisen, a die in Tabe elle 7 zusammen ngefasst sin nd. Für die Festigkeit sspielen Fehler der Ebenheit und ddie Welligke eit keine Rolle, w wohl aber die Rauigkeitt. Allerdingss ist eine auch nur du urchschnittl ich gut pro oduzierte Oberfläcche nicht ra auer als 10 nm n (feuerpo oliert). Durch h alltägliche en Gebrauch h stellen sich jedoch bald ein nzelne Defekkte im Bereich von 10 μ μm ein, die für die prak ktische Festtigkeit einess Glasobjektes viiel kritischer sind als die e Rauigkeit. Tabelle 7 Oberflächenfe ehler bei Floatg glasscheiben.

Fluktua ation der Eb benheit

Welligkeit

Wellenlänge

Obeerflächenwe ellen

2-3ccm

beim m Floatprozess

Wellenlänge

Küh hlriffel bei Formkon takt

0.1--1mm Rauigkkeit

Ra ca. c 1-10nm

Feu erpolitur

Oberflä ächenprofil

Deffekttiefen

Krattzer durch

bis 10m

males Hand norm dling

Das Rassterkraftmikkroskop biettet hochaufflösende Au ufnahmen der d Oberfläcchentopographie (s. Abbildung 32). Wie e man erken nnt ist die O Oberfläche von Rissen durchzogen n. Die Frage e ist also n darf und ab a wann welche Grösse exisstierender Risse noch a ls ungefährrlich angesehen werden den muss. Jee grösser die e Oberfläche e ist, desto w wahrscheinlicher ist ihr Wachstum betrachtet werd erflächenfeh hler im Bau teil zu habe en, was zu geringeren g Festigkeiten führen es auch grosse Obe Glasfasern erreichen e hohe Festigkkeiten, da ihre Oberfläch he sehr klei n ist. Folglicch ist die würde. G Festigkeeit kein brau uchbarer Ma aterialkennw wert für Glä äser, obwoh hl im Bauweesen danach h bemessen wird d.

47

Entwurfs relevante mechanische m e EEigenschaftten Bruchzähigkeit

Risswachsstum/ Lebensdaauer Statisch

Festigke eit

Kriechen

Dynamisch

Abbildung g 33 Entwurfsrrelevante mechanische Eigen nschaften.

Im Folgeenden wolle en wir uns den d wichtig gen entwurffsrelevanten n mechanis chen Eigenschaften von Gläsern nähern n, der Bruchzähigkeit, aalso der Beziehung zwisschen Defekktgrösse und Festigge des Wach hstums besstehender Risse R und da amit der Le bensdauer über die keit, derr Vorhersag Beziehu ung zwische en Risswach hstumsrate und Belastu ung und lettztlich der BBeziehung zwischen z en ist bei Ba augläsern voon untergeordneter Festigkeeit und Verssagenswahrrscheinlichkkeit. Krieche Bedeutu ung.

3.3.1. Bruch hzähigkeitt Zunächsst wollen wir w der Frage e nachgehe n, wie die Defektgröss D e mit der Feestigkeit ein nes Bauteils in Verbindung g gebracht werden ka nn. Dies istt eine der Grundfrage G en der tech hnischen etrachten wir w zunächstt eine Streiffenprobe un nter Zug. W Wir können die d Probe Bruchmechanik. Be useinandersschneiden ohne o die Spaannung, die das Material ertragen muss zu verändern. längs au Fügen w wir jedoch die d auseinandergesägtte Probe so mit zwei zusätzlichen z n Teilen zussammen, dass ein n Loch entsteht, ändert sich alles.. Die Spann nung um da as Loch ist pplötzlich sig gnifikant grösser als die Span nnung die aus a einer ein nfachen Recchnung übe er die makrooskopisch verfügbaächen und angelegte äu ussere Kräfte errechnet wird. ren Queerschnittsflä

Abbildung g 34 Kerbwirku ung.

Die Spa annungskon nzentration am Loch kaann man sich leicht vorstellen, v in ndem man sich die Spannungslinien alls Gummifä äden vorstel lt, die in der Umgebung des Lochees konzentriert werden (s. A Abbildung 35). 3 Kolosov lieferte 190 9 eine allge emeine elasttische Lösun ng für die maximale m Tangenttialspannun ng an elliptischen Löch ern in einerr unendlich grossen Sc heibe unterr einachsigem Z Zug. Die ma aximale Tangentialspan nnung mit dem d Krümm mungsradiu us a=b2/a errechnet sich zu

a   t ,max    1  2     1  2 a     Kreissloch  3 . a  b  

48

Abbildung 35 Spannu ungsverlauf in n der gelochten n Probe.

Stellen w wir uns nun n vor, wie b immer klein ner wird und letztlich ganz g gegen 0 geht. So kommen k wir zu eeinem scharrfen Riss, der Griffith Ri ss genannt wird, da er von Alan Arrnold Griffitth untersucht w wurde. Die Sp pannungssp pitzen sind umgekehrt proportiona al zum Kerbbradius, werrden also unendlich gross, wenn der Rad dius gegen 0 geht. Im Kristall wäre der Radiu s der Atomabstand. erhöhung ka ann über deen Kerbfakttor Kt ausge edrückt werrden. Darau us sehen Die Spannungsübe össeren Erhö öhung führe en als kleinee abgestumpfte. Für wir, dass grösse, scharfe Risse zu einer grö g a>>a den scharfen Riss gilt

 t ,max    1  2 a    2 a  . a  a  Der Kerb bfaktor wird d definiert als K t 

 t ,mmax 2 a n Abbildungg 36 dargestellt.  a und ist in 

Abbildung g 36 Von der Lochprobe zum m Griffith-Riss.

Ähnlich wie bei Ke erbfaktoren, können diee Spannung gsfelder um einen Riss berechnet werden. Riss (2D, ein nseitig angeerissene, halbunendlich he Zugprobee) wurden diese d BeFür eineen Griffith-R ziehung gen von Westergaard und u Sneddo n in Polarko oordinaten hergeleitet (vgl. Abbild dung 37). Man sieeht die 1/r Divergenz aller Spannun ngskompone enten an de er Rissspitzee (r=0). In de en Beziehungen findet sich der Spannu ungsintensiitätsfaktor (SIF) ( K. K ist ein Maß fü ür die Intenssität des n der Nähe der Rissspiitze. Er hängt von der Geometrie des Risses, von der Spannungsfeldes in n Belastung g und von der Bauteil geometrie ab. Die Ein nheit des SIIF ist Nmm m-3/2=MPa äußeren mm0.5.

49

Abbildung g 37 Griffith-Riss mit Spannu ungsfeld in Pollarkoordinaten n (Westergaard-Gleichungenn).

Der allgemeine Spa annungsinte ensitätsfakttor (Mode I) ist definiertt als

a K I    aaYI   .  w he Bauteilab bmessung u und YI ist ein n Korreka bezeicchnet die Risslänge, w ist eine charrakteristisch turterm für Geome etrie (Lage / Form / Grö össe). Für den Griffith--Riss ist YI=11, für beliebige Geon muss YI numerisch oder o experim mentell bestimmt werd den. In den n Standard-T Theorien metrien der Bruchmechanikk spröder Materialien M ungsfälle werden vor allem drei verschiedeene Belastu erflächendeefektes beha andelt: eines einmal vorhandenen Obe Moduss I

symm metrisches der Risssufer

Moduss II

Abgleiiten der Rissufer in Rissricchtung (du urch ebenen Scchub)

a K II   yx  a YII   w

Moduss III

Abgleiiten der Risssufer quer zur Rissrichtung R g (durch nicht ebenen e Schub)

a K III   yz  a YIII   w

Abheben

a K I   yy  a YI   w

Der Modus I, bei dem d Zugspa annungen ssenkrecht zu um Defekt auftreten, iist mit Absttand der Wichtig gste für sprö öde Materia alien wie G las und wird im Folge enden behaandelt. Die kritische Bruchsp pannung un nter Belastungsart I wirrd mit Ic od der Ic bezeiichnet. Sie i st synonym m mit der Festigkeeit des Glase es. 50

Instabiles sprödes Risswachstum setzt ein, wenn KI einen kritischen Wert die “Bruchzähigkeit” KIc übersteigt.

K I  K IC KIc gibt an, wie gut ein spezifisches Material unter Spannung fähig ist, der Risserweiterung zu widerstehen. Je höher KIc ist desto schwieriger ist Rissfortschritt, je geringer desto höher die Sprödbruchgefahr. Die Geometrie der Risse im System geht über den Y-Faktor ein, der wie beschrieben die Intensität und Spannungsverteilung um einen Defekt aufgrund äußerer Lasten beschreibt. KIC ist ein experimentell bestimmbarer Werkstoffkennwert, der von Temperatur, Belastungsgeschwindigkeit und Spannungszustand abhängt. Damit erhalten wir den ersten Zusammenhang zwischen Grösse eines Oberflächendefekts und der Festigkeit:

c 

K IC

 aYI

a w

.

Tabelle 8 K Werte für typische Werkstoffe. IC

KIc (MPa-m1 / 2)

Material

KIc (MPa-m1 / 2)

Aluminiumlegierung

24

Kalk-Natrium Glas

0.7-0.8

Stahl

50

Beton

0.2-1.4

Al2O3-Keramik

3-5

PMMA

0.7-1.6

Material

In Tabelle 8 KIC Werte für typische Werkstoffe. sind typische Werte für den kritischen SIF aufgelistet. Die Erklärung für die niedrigen Werte für Glas im Gegensatz zu Metall liegt in der Fähigkeit von Metallen, über plastische Versetzungen, Spannungsspitzen wie die Singularität an der Rissspitze, abzubauen. Bei Glas hingegen können Spannungsspitzen an Defekten nicht plastisch abgebaut werden und es versagt praktisch ohne plastische Verformung. Prinzipiell können Zugversuche, Biegeversuche und Indentationsversuche verwendet werden, um die Risszähigkeit von spröden Materialien zu bestimmen. Zugversuche erfordern jedoch genaueste Probenherstellung und sehr viel Sorgfalt bei deren Einspannungen, weshalb sie in der Regel nicht für spröde Werkstoffe eingesetzt werden. Biegebruchversuche können als 3 oder 4-Punktlagerung durchgeführt werden. Die Proben unterscheiden sich hauptsächlich in der Form der Kerbe (Chevron Kerbe, durchgängige Kerbe oder Oberflächenriss). Die Kerbe wird mit 0.1mm dicken Diamantschneidern erzeugt. Die Risszähigkeit einer Chevron-Notched Beam Probe wird bestimmt über:

K IC 

Fmax SS   (3.08  5a0  8.33a02 ) 1  0.007 1 22  . W  B W 

Man kann jedoch auch an ganz kleinen Ausschnitten Risszähigkeiten bestimmen. Dazu werden die Risse, die sich an den Spitzen von Vickerseindrücken bilden zur Auswertung herangezogen (s. Abbildung 38). Die Länge und der Eindruck gibt ein Mass für die Zähigkeit. Es gibt Abschätzungen mit Korrekturfaktoren für unterschiedliche Materialien. Wichtig sind ideale Oberflächen ohne Eigenspannungen und Defekte.

51

Abbildung g 38 Bestimmu ung der Risszähigkeit mit 3-PPunkt Biegeproben (links) od der Indentatioonsversuchen (rechts). (

Über Vicckershärteeindrücke kann man zun nächst die Härte H H besttimmen:

H  0.102((2 F sin(136 / 2)) d 2 

1.891 {

Fd d 2,

Inddentorgeometrie

Was in einem zweiten Schritt mit unters chiedlichen Ansätzen zur z KIC-Abscchätzung verwendet werden kann: 1

1

 E 2  c 2 K IC  0.0322 H a     . H  a dung neuer Rissoberfläächen mit de er durch Die Grundidee von Griffith war es, die Eneergie zur Bild n freigesetzzten elastiscchen Energie in Beziehung zu setzzen. Betrach htet man die Risspropagation uen Risses in n Verbindun ng gebrachtt werden ka ann, wird die Enerrgie, die mitt der Bildung eines neu zwischeen mechaniischer Enerrgie und O Oberflächene energie untterschieden n. Die mech hanische Energie besteht auss der im Körrper elastiscch gespeicherten Energ gie und der ppotentiellen n Energie ößerung de es Risses nim mmt bei konstanter der von außen auffgebrachten Kraft. Bei eeiner Vergrö Oberflächen, die neu Last diee mechaniscche Energie ab und förrdert so dass Risswachstum. Die O geschafffen werden n, erhöhen die Oberfläch henenergie was die Risssausbreitun ng behindertt.

Abbildung g 39 Herleitun ng der Energieffreisetzungsra te.

Für die unterschied dlichen Kom mponenten d der Energie in Abbildun ng 39 erhältt man für einen Körper der Dicke t: 1. 2. 3. 4.

52

Freie Energ gie in Abwessenheit äussserer Spannungen. Energie im Volumen V0 durch Anleegen einer äusseren ä Spannung. e Energie im m entlasteten n Gebiet der Grösse a22·t. Freigesetzte elastische Oberflächen der Grösse 2·a·t. Energie zurr Bildung von 2 neuen O

Dem liegt die Anna ahme zugrunde, dass d as entlastette Volumen einen dreieeckigen Que erschnitt hat mit tan=a/a= =, woraus ein Winkel  von 72.3° folgt. Die En nergiebilanzz im System m bei Einbringen eines Risses ist folglich h

U tot  U 0  U V0  UV  Risss  U S  Riss , bbzw. eingesetzt U tot

V0 2  a 2t   2  U0    2at   . 2E 2E

Betrachttet man de en Verlauf der d Gesamteenergie, so erkennt ma an ein Maxiimum (s. Ab bbildung 40). Die Ableitung nach der Rissslänge ergiibt die Posittion des Maximums. Ph hysikalisch bedeutet b nt mehr Eneergie freigesetzt wird, als durch ddie Bildung der Rissdas, dasss für ein Rissinkremen oberfläcchen verbraucht. Das bedeutet, da ss der Riss ab a dieser Länge selbstsständig wäcchst. Dieser Punkkt heisst aucch Griffithlä änge. Aus derr Griffith-Gle eichung sieht man, da ss zu jeder Spannung eine kritisc he Fehlergrrösse geagen führt, bzw. zu jedeem Fehler eine e kritische e Spannungg gehört, bei der das hört, diee zum Versa Bauteil zerbricht. Die D Gleichun ng beschreib bt also wie die d Festigke eit von der G Grösse einess Fehlers m als Fehlergrösse deen Atomabsstand, erhält man die ttheoretische Festigabhängtt. Nimmt man keit, die ca. 0.1·MOE E (Modulus of o Elastitcityy=E-modul) beträgt. Krittische Fehlergrösse bei bekannter FFestigkeit:  acrit  Kritiische Spann nung für Bau uteilversageen:   crit 

2 E

 2

2E a

Abbildung g 40 Gesamtenergie bei Rissswachstum.

3.3.2. Rissswachstum m und Leb bensdauer Betrachtten wir uns den Energiefluss von d der elastisch h vorgespannten Region n in den Riss genauer. Aus d der Griffith--Gleichung bekommen wir die Ene ergie pro Flä äche neuen Risses. Darin findet sich derr Spannung gsintensitätsfaktor von n Irwin wied der. Für Linear-elastiscche Bruchm mechanik, also sprröde Materialien wie Glas, G besteh ht diese direkte Beziehung zwiscchen Energiiefreisetzungsra ate und Spa annungsinte ensitätsfakttor. Zu Ehre en von Grifffith wurdee die Energiiefreisetzungsra ate (EFR), alsso die beim m Wachstum m eines Risses freigesettzte Energiee / Fläche mit m G bezeichnett:

GI  

53

dU 1  t { a 2 da E K I2

für sprö öde Materiallien ist GI 

K I2 mit E '  E (ESZ)) und E'=E/((1- 2 ) (EVZ Z). E'

In der R Realität trittt ein reiner Bruchmodu us nur sehr selten auf. Meistens h herrscht an der Rissspitze eein mixed–m mode Zustand. Die EFR R der untersschiedlichen n Moden köönnen supe erpositioniert weerden. Somitt gilt

Gges  GI  GII  GIII  Gges 

EVZ

1 1 2 K III ; K I2  K II2    2G E

 Gges  ESZ

1  2 1 K I2  K II2   K III2 .  2G E

Bei den gerichteten n Spannungsintensitätssfaktoren istt dies so dire ekt nicht mööglich. h ein kritisch her Wert fü r die Energiefreisetzungsrate defin nieren, der eine e MaAuch hier lässt sich nngrösse ist und, im Gegensatz G zzur Risszähig gkeit, unabhängig von n der aufgeb brachten terialken Last und d Riss/Körpe ergeometrie e ist. Ein Ris s wächst, wenn w die krittische EFR kkleiner ist als die EFR bei der gegebenen Risslänge: GI>GIC. Som it lässt sich h auch rechn nen, wie weeit ein Riss bei einer ng der aufge ebrachten Last L wächst.. Erhöhun

3.3.3. Dyn namischess Risswach hstum Die oben dargestellten Beziehu ungen lasseen zwar erke ennen, ab wann w ein Risss instabil wird, w aber müssten in der d Energieb bilanz der EEinfluss der Trägheit nicht wie schnell er dann wächst. Dazu m D maximale Geschwin ndigkeit ist darüber und die kinetische Energie berücksichtigtt werden. Die n wie schne ell sich eine Deformatio on in einem elastischen n Körper forrtpflanzen kann. k Die gegeben Schallgeeschwindigkkeit v in ein nem elastisschen Mediu um, berechnet sich au us der Wurzzel eines elastisch hen Modulss M und der Dichte  alss v2 = (M/).. Da es verscchiedene elaastische Mo oduli gibt (E, G, K)), werden sich auch diie entsprech hend zugeo ordneten ela astischen Loongitudinal-, Scherund Kom mpressionsw wellen unte erschiedlich schnell ausbreiten. Rissse sind Obeerflächen, fo olglich ist die Oberflächenwellengeschwindigkeit, d ie Rayleigh--Wellengescchwindigkeiit die maxim male Gedigkeit vR mit m der sich ein e Riss aussbreiten kön nnte. Allerdings wurde n solche Ge eschwinschwind digkeiteen noch nich ht beobachttet, da bei G las ab 0.36 vR bei Glas Rissspitzeni R nstabilitäten (Gabelungen) zusätzlich Energie E disssipieren.

Abbildung g 41 Impakt ein ner Stahlkugel d=30mm auff eine Glasplatte. Rissausbreitungsgeschw windigkeit ca. 14 456m/s.

Abbildung 41 zeigt die experim mentelle Besstimmung der d Rissausb breitungsgeeschwindigkkeit. Eine d Glaspllatte wird seenkrecht au ufgestellt un nd dem Aufpprall einer fallenden 10 cm breite, 3 cm dicke gel ausgese etzt. Ein Riss breitet sicch nicht gle eichmäßig aus. a Es find et eine anffängliche Stahlkug Beschleunigungsph hase statt, der d qualitattiv ganz untterschiedliche Phasen dder Rissausbreitung en kann. (Stillstand, Weiterlaufen, etc.) folgen, auff deren Nattur hier nicht eingega ngen werde dserie lässt sich s die höc hste auftrettende Rissausbreitungssgeschwindigkeit zu Aus der obigen Bild 0 m/s bestim mmen, was etwa e 1/2 biss 1/3 der Rayleigh-Wellengeschwinddigkeit entsspricht. ca. 1500

54

3.3.4. Untterkritisches Risswa chstum Ein Risss kann aberr auch sehr langsam w wachsen. Man M redet dann von un nterkritische em Risswachstu um, da er wächst, w obwo ohl die Risszzähigkeit no och nicht errreicht ist. Ri sse wachsen sobald sie belastet sind, ab ber nur sehr langsam m mit der Wacchstumsrate e da/dt=f(KII)). KI nimmt bei kone ist ((s. Abbildung 42). stanter Last solange zu, bis KIc erreicht

Abbildung g 42 Unterkritisches Risswacchstum für Kallk-Natron-Glass.

Die Wacchstumsrate e hängt nicht nur allein ne vom KI Wert W ab. Wie e man erken nnt beeinflusst auch die Umg gebung die Rissgeschw windigkeit. D Da auch die e Umgebun ngsluft die RRissgeschwindigkeit beeinflu usst, muss an a der Risssspitze etwaas Chemisch hes passiere en. Die Risssgeschwindiigkeit ist höher, w wenn die Umgebungsluft während d der Messung feuchte er ist. Das ggilt insbeson ndere im Bereich 1. Die Rissg geschwindig gkeit wird aalso durch chemische c Prozesse geesteuert, die e an der n. Wasser au us der Luft kann aufgrrund der bereits erwäh hnten Autop protolyse Rissspitzze ablaufen freie Pro otonen bild den, die dan nn mittels A Auslagerung gsreaktion das Netzweerk direkt angreifen (Laugen nangriff), wa as zur Spann nungskorrossion führt (ss. Abbildung g 43).

Abbildung g 43 Spannung gskorrosion an n der Rissspitzee in Glas.

Da bei einem Riss die Rissöfffnung in Riichtung Rissspitze abn nimmt, treteen untersch hiedliche Transpo ortmechanissmen wie viskoser v Masssenfluss, Diffusion D un nd aktiviertee Diffusion auf und ermöglichen den Transport T vo on Wasser aan die Risssspitze. Diesse bestimmeen untersch hiedliche e in Abbildu ung 42 darge estellt sind: Phasen des Risswacchstums, die 1.

55

Der Massentransport von Wasser an n die Risssp pitze über Diffusion D beestimmt die e Rissgewindigkeit. Zugspannungen erhöh hen die Risssöffnung wa as den Tran nsport besch hleunigt. schw

Der starke Gescchwindigkeitsanstieg isst über ein Potenzgeset P z da/dt=f(KII))=AKIn besch hreibbar. Für Kalk-Natron n-Glas sind die Werte n n=81/21, A=6 6.98/-0.46 für Wasser bbzw. Luft 20 0% relative Feuchte. Da Diffusion te emperaturab bhängig ist,, sind es diesse Materialkkonstanten auch. 2. Die eingeschränkte Mobiliität der rea ktiven Stofffe führt zu einem Platteauwert mit m annänd konstantter Geschwindigkeit. hern 3. Die Rissausbreittungsgeschwindigkeit erreicht den n Wert für Vakuum, V diee Umgebung g ist also eschwindigkkeit nimmt zzu, bis KIC erreicht ist un nd Spontanbbruch eintrittt. egall und die Ge Zum Ende dieser Betrachtung B en wollen w wir noch ein nmal festha alten, dass aalle Materia alien Deaben, die zu u Spannung gserhöhung en führen. In duktilen Materialien n können plastische fekte ha Verform mungen Rissse abstump pfen, was in n spröden Materialien M nicht mögllich ist. Folg glich bestimmt die Grösse von Defektten die Festtigkeit. Dara an sieht ma an, dass diee Festigkeit nur eine d Ideentische Kom mponenZahl ist und bei spröden Werksstoffen kein en Materialkennwert darstellt. M verrsagen nichtt beim eine em reproduzierbaren Feestigkeitsw wert, sonten aus sprödem Material estigkeitsve erteilung, fo olglich musss die Festigkeit mit stat istischen Methoden M dern folgen einer Fe ulation bescchrieben weerden, was im Folgende en dargestelllt wird. für eine Defektpopu

3.3.5. Festtigkeit man die Festigkeit einer Glasprob be misst, sttellt man fe est, dass diie Werte se ehr stark Wenn m streuen, obwohl man sich alle Mühe gegeeben hat, da ass die Prob ben identisc h waren. De er Grund d jedem Ba auteil eigen n sind. Folglich hängt die Festigkei t von der DefektpoD liegt in Defekten, die n, der Grössse und Posittion des verrsagensrelevvanten Defe ekts (s. Abbiildung 44) und u dem pulation kritischeen Spannun ngsintensitä ätsfakor, alsso der Spannung, die das d Materia l am Defektt hat ab. Die Festtigkeit einerr Probe ist fo olglich schw wer vorhersa agbar und korreliert k miit der Defektpopulation. Dieese allein isst jedoch nicht massgeebend, da es eine grossse Zahl klei ner Defekte e in dem Materialausschnitt gibt, die zw war belastet sind aber nicht zum Ve ersagen füh hren.

Abbildung g 44 Defektpo opulation in ein ner Probe.

Stellen w wir uns vor,, dass wir eine grosse A Anzahl Versuche mit identischen PProben unte er identischen B Bedingungen n durchführren und tra gen wir uns die Verteilungsdichtee der Festigkeit f(c) aller Meessungen an n der Probe auf. Wir errhalten prinzipiell ein Histogramm H m, auch Wah hrscheinlichkeitssdichtefunkktion genann nt. Die Verteeilungsdichtefunktion f( f c) hat 3 w wichtige Eigenschaften: 

1.

Fläche unte er der Kurve ist 1:

 f (

c

)d c  1.

0

2. Integral zwischen 2 Werten entsp pricht der Wahrscheinli W ichkeit, dasss die Festigkeit zwisschen diese en Werten liegt (s. Abbilldung 45): 56

P( c1   c   c 2 ) 

c2



f ( c )d c .

 c1

3. W Wahrschein nlichkeit, dass die Festig gkeit <c ist lautet: P(   c )  F ( c ) 

c

 f (

c

) d c .

0

Umgekeehrt ist die Wahrschein W lichkeit, dasss die Festig gkeit >c istt P(>c)=1-FF(c).

Abbildung g 45 Festigkeittsverteilung.

Wie obeen dargeste ellt, wird die e Festigkeit über den grössten, g sch hädigungsreelevanten Fehler innerhalb des Bauteils bestimmtt. Dieser ist jedoch nich ht in allen Bauteilen gleeich, sonderrn untererteilung, diee auch norm miert ist (s. Abbildung A 446). liegt ebeenfalls einer Grössenve

Abbildung g 46 Verteilun ngsdichte von max. m Fehler & Festigkeit.

Die Prob be ist also nur n so starkk wie es derr grösste, ve ersagensrele evante Defeekt zulässt. Nehmen wir nun an, dass die e Defekte siich nicht ge genseitig be eeinflussen. Folglich köönnen wir uns unser nderreihung g von Materiial mit je ein nem Defekt einer gewisssen Grösse e vorstelBauteil als Aneinan nlichkeit (Ex xtremereign nis) PSi hat. D Da jedoch je eder Auslen, das jeweils die Überlebensswahrschein schnitt ffür sich verssagen kann und dann zzum Gesamtversagen führt, ist die Wahrscheinlichkeit für das Ü Überleben der d Kette von Materialaausschnitten n

PS ( Kette) 

NGlieder

 i 1

PSi .

Dies ist die Grundidee der We eakest-Link-TTheorie, die e auf die We eibullverteil ung führt. Nehmen n zwei Volum mina V und d V1, die beid de mit der Wahrschein W nlichkeit Ps(V V) und Ps(V1) überlewir nun ben: PS (V  V1 )  PS (V )  PS (V1 ) . Die Ableit ung bei kon nstantem V1 führt auf:

57

dPS (V  V1 ) dPS (V )  PS (V1 ).  dV dV Teilen w wir dies durcch die erste Gleichung eerhalten wirr:

dPS (V  V1 ) dPS (V ) d d dV ln( PS (V  V1 ))  ln( PS (V ))  c,  dV  PS (V ) PS (V  V1 ) dV dV Mit der Konstanten n c, die nur von der Sp annung abhängt. Integ grieren wir mit der Ran ndbedingung PS(0)=1 erhält man PS(V V)=e-cV, bzw.. die Bruchw wahrscheinlichkeit PF(V V)=1-e-cV. Die e Bruchwahrsch heinlichkeit nimmt also o mit dem Volumen zu u. Allerdings ist dies eiine sehr allg gemeine Beziehu ung, die auff unterschiedlichste Pro obleme ang gewandt we erden kann. Erst durch den von Weibull vorgeschlagenen empirischen Anssatz für c:

 1     m u für    u  c( )  V0   0  für    u  0  man die Brucchwahrsche einlichkeit n ach Weibull oder auch Weibullvertteilung genannt: erhält m

 V     m  u PF (V )  1  exp    . V0   0   Die Vertteilung hat 3 Parameter, das Weib ullmodul m, m den Schwe ellwert für V Versagen u und die charakteeristische oder o mittlerre Festigkeitt o. Wenn n man die charakterist c tische Festig gkeit erwähnt, haben bere eits 2/3 allerr Komponen nten versagtt. Diese Parameter korrrelieren mitt der Ded Weibullmodul 1 erh hält man eine Exponen ntialverteilu ng, ist es unendlich fektvertteilung. Ist das eine Stu ufenfunktion n (s. Abbildu ung 47). Es b beschreibt also die Breitte der Verte ilung.

Abbildung g 47 Weibullve erteilung und -modul.

Stark un ngeordnete Werkstoffe e weisen ein n geringes, spröde, hom mogene hin ngegen eine en hohes Modul a auf. Beim Weibullmodu W ul spricht m man auch vo on Zuverlässsigkeit, da dder Modul ein e Mass für die SStreuung de er Festigkeitswerte ist. Die Weibullparame eter können n aus Versu uchen bestim mmt werde en, wie in A Abbildung 48 dargegarithmisch er Auftrag gemacht, g de er eine Geraade mit Steigung m stellt. Dazu wird ein doppellog deren Lage durch d ln(0) bestimmt i st: ergibt, d

1 ))  m ln  ln  ln(ln(    m c 1  P m x F C  y

58

Im log-llog Plot ist 0 das der Punkt wo lln(ln(1/(1-Pf)))) = 0 ist. Zur Bestimm mung der Pa arameter werden zunächst alle Versuche e durchnum mmeriert und nach steig gender Festtigkeit geord dnet. Die h jetzt vom Rank ab. a Dann we erden die D Daten ins Diagramm Versageenswahrscheinlichkeit hängt eintrageen und die Geradenglei G gression besstimmt. chung überr lineare Reg

Abbildung g 48 Bestimmu ung des Weibu ullmoduls aus Versuchsreihe en.

Um trottz grosser Sttreuungen Bauteilsiche B erheit zu gewährleisten n, kann man n Bauteile zu ur Qualitätssicherung nach h der Herste ellung eine r Mindestbelastung au ussetzen. Daas wird aucch Überahren oder Proof-Testing genanntt. Die Weibullverteilung der verbleeibenden niicht auslastverfa gesondeerten Teile ändert sich h durch dieeses Verfahren wie in Abbildung 49 dargesttellt. Die Überlasttprüfung eliminiert alsso das unte re Ende derr Festigkeitssverteilung, folglich erh hält man keine W Weibullverteiilung mehr, sobald Prob ben aussortiert werden.

Abbildung g 49 Proof-Tessting im Weibu ull-Plot.

59

Die vo on Weibu ull vorgeschlagene mathematische Besschreibung von Versagens/Überlebenswahrsccheinlichkeiten beinhaaltet das be etrachtete Volumen. V FFolglich lassen sich umen/Oberfflächen, also o Grossenefffekte berecchnen. Für 2 Proben hierüber der Einfluss von Volu G gilt: unterschiedlicher Grösse

   m V  PS 1  exp    1  1     0  V0 

und

   m V  PS 2  exp p   2  2  ,    0  V0  m

 V  gt die Skalie erungsbeziehung 1   2  . also folg  2  V1  In Abbilldung 50 ist dies für drei d unterscchiedliche Glasproben G gezeigt - R ingdruckverrsuch, 4Punkt- u und 3-Punkttbiegeversu uch. Wie maan erkennt sind die Ste eigungen iddentisch, da a ja auch das Matterial identisch ist. Led diglich die m mittlere Fesstigkeit ist verschoben. v . Dieses statistische Instrum mentarium lässt sich selbstverstän ndlich auf viele anderre Phänomeene anwenden, die durch eiine Weakestt-Link-Situation wie z.B B. Oberfläche enfehler, ge ekennzeichn net sind.

Abbildung g 50 Grösseneffekte bei unte erschiedlichen n Probengrösse en.

3.4.. Optische e Eigensch haften Die optischen Eige enschaften von Gläserrn sind neb ben den me echanischen n Eigenscha aften die parenz, Farb be und Disp persion sind Eigenschafften, die du rch die Zusammenwichtigssten. Transp setzung g des Glases und den Prozessverl auf einfach h für versch hiedene Anw wendungen n variiert werden können. So o kann man n bestimmtte Wellenlängenbereich he durch Eiinfärben des Glases herausffiltern oder das d Reflektio onsvermögeen und die Aufspaltung A g von Licht aan Grenzfläcchen auf die für d die Anwend dung gewün nschten Weerte einstelle en. Bei Glas gibt es fün nf wichtige optische Kennzah hlen: Brechungsindex n, Reflektio onsvermöge en und Durchlässigkeiit sowie Dispersion und Abb besche Zahl (vgl. Abbild dung 51), diee wir im Folg genden betrachten werdden.

60

Entwurfsreleevante optische Kennzahlen

Brecchungsindeex

Reflektion svermögen n

Durchlässig gkeit

Dispersion/ Abbesche e Zahl

Abbildung g 51 Entwurfsrrelevante optissche Kennzahl en.

3.4.1. Lich htbrechung und Refflektionsve ermögen Lichtund durchlässige Körper refflektieren u und absorbie eren auftrefffende Lichttströme, lichtdurchlässige Körper transmittieren es e zusätzlic h (vgl. Abbildung 52), allerdings a im mmer abhän ngig von eflektierte und u transmiittierte Ante eile können in ihrer speektralen Zusammender Wellenlänge. Re g und Ve erteilung verändert werden. Prinzipiell gilt für die Lich htströme setzung reflektiert+absorbiert+traansmittiert=1. Beezogen auf dden Lichtstrrom  gilt mit m dem Refflektionsgrad d , dem Transmissionsgrad  und dem Absorption sgrad 

1

R A A       .   

olgt beim Übergang in ein Medium m mit abwe eichender LiichtausbreittungsgeLichtbreechung erfo schwind digkeit ci. Ein optisch dichteres Meedium hat ein e kleineress ci und dass Licht wird zum Lot hin abgeelenkt, entsprechend dem Snelliuss'schen Brechungsgesettz

sin  c0   n1. sin  c1 Die Brecchzahl n bezzogen auf Vakuum (c0) ist dann c0/c=n. / Typisch he Werte fü r n sind für Vakuum 1.0, Luft 1.0003, Wa asser 1.333, Glas G 1.5 bis 1 .9 und für Diamant D 2.4 417. Die Brecchzahl ist ke eine Konhängig von der Wellen länge des Liichts, wie be ei den Lichtsspektren in Prismen stante, ssondern abh deutlich h wird. Der absolute a Brechungsind dex wird gemessen wenn ein Lichttstrahl aus dem Vakuum in n den betrefffenden Stofff eintritt.

Abbildung g 52 Reflektion n, Absorption und Transmisssion eines Lich htstrahls an einem teilweisee lichtdurchlässsigen Körper.

Der rela ative Brechungsindex ist definierrt als der Quotient Q de er absoluten n Brechung gsindices zweier SStoffe. Beim m Übergang von einem optisch dicchteren zu einem e optissch dünnere en Medium wird d der Lichtsstrahl mit dem Einfallsswinkel  vo om Einfallsllot weggeb rochen. Derr grösste Winkel, den der Ausfallswinkel  dabei an nehmen kann ist 90°. Diesen D nenn nt man Gren nzwinkel 61

g, da fü ür >g Tota alreflektion an a der Gren nzfläche aufftritt, d.h. ein n Lichtstrah hl wird an de er Grenzfläche zzwischen de en beiden Medien M vollsständig zurrückgeworfe en. Es gilt ssin(g)=n1/n2. Diesen

Effekt m macht man sich in der Nachrichteen- und Kom mmunikatio onstechnik bbei Lichtleitterfasern zunutzee. Die Lichtle eitfaser bessteht aus ei nem dünne en Kern (5-100 m) auss hoch-brecchendem Glas. Da arum hat es einen Mantel aus nied drig-brechen ndem Glas. Tritt T nun ein n Lichtstrah hl auf der Stirnseitte in den ho och-brechen nden Kern e in, wird er durch d die To otalreflektio n weitergeleitet, bis er auf d der anderen Seite wiede er austritt. W Wenn der Brechungsin B ndex des Keernglases n= =1.81 und die des Mantelglasses n=1.50 beträgt, b we rden Strahlen aus dem m gesamten n Halbraum m vor der t reflekt iert und weitergeleitet.. Eintrittssseite in der Lichtfaser total

Abbildung g 53 Durchgan ng durch eine Platte (links) und Anwendu ung bei /4 En ntspiegelung. Niedrigbreche endes Substrat (z.B. Kryolith, AlF6 6Na3, n=1.33, od der TiO ). 2

Eine weeitere Anwe endung ist die /4-Enttspiegelung g (s. Abbildu ung 53). Um m die Reflektion an Glasobeerflächen zu u reduzieren n können dü ünne Schich hten von ein nem niedriggbrechenden, transparenteen Stoff (z.B. Kryolith, AlF6Na3, n=1..33) auf die Oberfläche O aufgebrach ht werden. Wenn W die g 1/4 der Wellen länge des auftreffende a en Lichtes bbeträgt, werden die Dicke der Schicht gerade n an der Vorrder- und Rü ückseite so reflektiert, dass d sie insg gesamt eineen Ganguntterschied Strahlen von /22 haben und d sich gegenseitig ausllöschen. Die e Brechzahl des Substrrats sollte zwischen z G liegen. Der Reflekttionsgrad vo on üblicherweise ca. 88% bei Glas kann so der von Luft und Glas duziert werd den. Durch mehrere Sc hichten lässst sich der Efffekt noch ssteigern. stark red Der an eeiner Glasflä äche reflektierte Anteil R berechnett sich zu 2

 n 1  R  .  n 1 Der Breechungsinde ex von Gla as in Luft b beträgt 1.5, was zu einem reflekktierten An nteil von R=1/25= =4% führt. Der D an der Oberfläche O d durchgelasse ene Anteil D ist D=1-R=44n/(n+1)2. GemesseG ne reflektierte Ante eile bei Sche eiben liegen n jedoch bei ca. 8%. Die e Diskrepan nz erklärt sicch durch n (s. Abbildung 54). Mehrfacchreflektion

62

Abbildung g 54 Mehrfach hreflektion an einer e nicht abssorbierenden Glasscheibe. G

Bei eineem Flachglass reflektiert sowohl diee vordere alss auch die hintere Gren zfläche. Die e Intensität des insgesamt reflektierten r n bzw. transsmittierten Lichtes lässt sich durch h eine geom metrische M beachtte: Auch ein n 100 % tran nsparentes Material M errreicht als Ob bjekt (als Reihe beestimmen. Man optischee Komponen nte) niemals 100 % Tra nsmission, sondern nur 100 % x 2n n/(n2 + 1). Fü ür n = 1.5 sind diees 92,3 %. Ein Teil des durchgehend den Lichtstrrahls wir bei realen Glääsern natürlich noch absorbieert. Trifft nu un ein Lichttstrahl nicht senkrechtt auf eine Scheibe, S wird die Partiaalwelle mit Schwingung pa arallel (s=su urface) und senkrecht s (p p=perpendiccular) zur Oberfläche u unterschiedlich stark reflektieert: 2

2

 sin(   )   tan(   )  Rs    .  , Rp    sin(   )   tan(   )  Setzt man das Sne ellius'sche Brechungsgeesetz ein, errkennt man, dass der ssenkrechte Anteil A Rp vollstän ndig verschw winden kann n: Rp=0= =arctan(n2/n n1). Den Win nkel für diesse vollständige Polarisierung nennt ma an Brewsterw winkel und er liegt, wie e man in Abbildung 55 eerkennt für Fensterglas bei einem Einfa allswinkel von v 56.3°.

Abbildung g 55 Anteile der senkrecht (p) ( und paral lel zur Oberflä äche (s) reflek ktierten Partiallwellen in Abh hängigkeit des Einfalllswinkels .

Reflektio onen und Transmissio T nen können n gerichtet, gestreut oder gemisc ht erfolgen. Die Art und Weeise wie ein Körper Lichtt verteilt beezeichnet man als das Streuvermög S gen des Körrpers. Bei lichtund durchlässige en Körpern entscheidett hierüber le ediglich die Oberflächeenstruktur, bei b lichtdurchlässigen Körp pern zusätzliich Einlagerrungen mit abweichend a den optischeen Dichten. 63

Prinzipieell ist Lichttbrechung oder o -beug ung immerr frequenza abhängig. D Der Brechun ngsindex hängt vvon Dichte, Zusammen nsetzung un nd Herstellu ung ab (Sch hlieren) (vgl . Abbildung g 56). Im Allgemeeinen nimm mt er mit Alka aligehalt un nd Anteil von Zwischenoxiden zu (vvgl. Abbildung 57).

Abbildung g 56 Beziehung zwischen Brechzahl und D Dichte für Silika at- und Borosilikatgläser.

Die Abschätzung der Brechzah hl ist mit ei nem empiriischen Syste em über oxxidspezifisch he Faktoglich. Dies zeigt z die Ab bhängigkeit der Brechza ahl von der Zusammen nsetzung. So o nimmt ren mög mit steigendem Alkaligehalt der d Brechun gsindex ein nes binären Alkalisilikattglases zu. Auch A die henoxiden ka ann den Breechungsinde ex mehr ode er weniger sstark erhöhe en. Zugabe von Zwisch

Abbildung g 57 (links) Ab bhängigkeit de er Brechzahl vo om Alkaligeha alt für binäre Gläser G und (m mittig und rech hts) für ein Na2O-SiO2-Glas (20-80 Gew%) G bei Austausch von SiiO durch gewicchtsmässige Anteile A andererr Oxide.

brechung Doppelb Doppelb brechung wurde w 1669 von Erasmu us Bartholin n an Calcit Kristallen eentdeckt. Sie e tritt in Materialien auf, die e optisch an nisotrop sind d, die also für f unterschiedliche Ricchtungen de es eingend untersch hiedliche Po olarisationssrichtungen einen untterschiedlich hen Brestrahlteen Lichts un eisen (s. Abbildung 58) . Die Lichtgeschwindig gkeit in solch hen Medien n ist aufchungsiindex aufwe grund ih hres atomaren Aufbaus, nicht in aallen Richtun ngen gleich. Tritt ein Liichtstrahl in n ein solches Meedium ein, wird w es in zwei z zueina nder senkre echt polarisierte Teilbü ndel aufgesspalten einen orrdentlichen und den au ußerordentl ichen Strah hl. Ein unterschiedlicherr Brechungssindex in Abhäng gigkeit von der d Ausbreittungsrichtu ng und Pola arisation des Lichts lässst sich natürlich nur bei eineem Lichteinffall beobach hten, der sicch von der optischen o Achse A des M Mediums untterscheidet.

Abbildung g 58 Doppelbrechung in eine em optisch aniiostropen Kristtall.

64

Bei Kristtallen kann man sich das gut vorrstellen, abe er auch bei isotropen M Materialien können äussere Einflüsse wie w mechanische Spann nungen, ele ektrische oder magnetissche Felder zu Dophung führe en. Solche Materialien M nennt man n photoelasstisch aktivee Materialien. Man pelbrech muss deen Effekt vo on Dichroism mus untersccheiden, bei dem Licht in Abhängiggkeit von de er Polarisation u unterschiedllich stark ab bsorbiert wirrd. Technologisch maccht man sich h Doppelbreechung in de er Spannung gsoptik zun utze. Spann nungsakplikationen von v Bauteileen aus span nnungsoptisch aktiven M Materialien sind ein tive Lacke oder Rep ug zum schn nellen findeen kritischerr Punkte in einem Matterial oder auf a einer wichtigees Werkzeu Konstru uktion mit komplizierte k er Geometr ie, oder zurr Verifizieru ung von Fin nite Elemente Rechopie entsteh ht durch Diichtegradien nten aufgru und elastisccher Vernungen. Die optiscche Anisotro gen, die zu Gradienten n in Brechu ungseigenscchaften führen. Die Stäärke der Do oppelbreformung chung h hängt somitt von der Grösse der Sp annungsdiffferenz an einem Punktt im Materia al ab. Ein polarisieerter Lichtsttrahl wird in n den Haupttspannungssrichtungen n zu unterscchiedlichen Anteilen gebroch hen, was zu einer Phase enverschieb bung der beiden Anteile e führt. Die spannungsoptische Gleichung mit der spannungssoptischen Konstanten n C und Pro obendicke t ist der direkte Zuhasenversch iebung R un nd der Haup ptspannunggsdifferenz: R=Ct(11sammen nhang zwischen der Ph 22). Die Phasenversschiebung kann k über 2 Polarisation nsfilter als Beugungsbil B g ld sichtbar gemacht d Isochroma aten unterscheiden: werden. Man muss zwischen Issoklinen und pannungsricchtungen faallen mit Po olarisationsrichtung zu usammen  SpanIsoklinen: Hauptsp nungstrrajektorien. Isochrom maten: Linie en gleicher Hauptspann H nungsdifferenz. Monoch hromatische es Licht füh hrt zu Streiffenbildern, weisses w Lich ht zu bunteen Bildern. Für eine Quantiffizierung istt monochro omatisches Licht besse er geeignet. Darin sindd Isoklinen und Isochromatten enthaltten. Dreht man m die Pro obe oder de en Polarisatiionsfilter, ä ndern sich lediglich die Isochromaten, nicht n aber die d Isoklinen n. Bei zirkula ar-polarisierrtem Licht ssind nur die IsochroA dem in Abbildung 59 dargestellten spannungsoptiscchen Bild für einen maten eenthalten. An Riss erkeennt man deutlich die grösste g Dich hte an Isoch hromaten se enkrecht zurr Rissausbre eitung. Über Fa arbtafeln de er Doppelbre echungsfarb ben ist der direkte Zussammenhan ng zwischen n Farben und Hauptspannun ngsdifferenzzen herstelllbar (s. Abbildung 59). Die unterscchiedlichen Steigund Spannungsabhäng gigkeit der spannungso optischen K Konstanten C. Zum gen enttsprechen der Beispiel ist für Gläser C=28.5 (nm/cm)/M MPa. Eine Doppelbrechung von 2885nm entspricht bei G 10MPa, während e s bei einem 4mm dicke en bereits 255MPa wären n. 10MPa einem 1cm dicken Glas nz stellen für ein normaales Spiegellglas bereitss eine gefäh hrliche Schw wächung Spannungsdifferen b Gläsern n noch mit op ptischen Elementen ein ne Farbverscchiebung dar, wesshalb man in Realität bei durchfü ührt.

Abbildung g 59 Spannungsoptisches Bild um eine K Kerbe und Farb btafel der Dop ppelbrechungssfarben für Kalk-NatronGlas.

65

3.4.2. Disp persion un nd Abbezaahl Wie berreits angede eutet, hängtt der Brechu ungsindex eines Glases von der Weellenlänge des Lichts ab. Diesse Abhängig gkeit wird als Dispersio on bezeichnet. Dispersio on spaltet aalso weissess Licht in seine Fa arben auf, ein e Effekt, der d zu wund arben bei Prismen P füh hrt, für optissche Andervollen Fa wendun ngen jedoch h fatal ist. Zur Kennzzeichnung der d Disperssion werden n die sogenannten Fraunho ofer’schen Linien L herangezogen, w welche die Wellenlänge W bestimmterr Farben im sichtbaren Spektrum des Lichts L bezeichnen (s. A bbildung 60 0). Die Diffe erenz der Brrechungsind dices der e Dispersion n bezeichnett: Linien F und C wird als mittlere

m  nF  nC .

Abbildung g 60 Frauenho ofersche Linien n.

Die Disp persion maccht also eine e Aussage d darüber, wie e stark transmittiertes LLicht in die verschiev denen FFarben die es e beinhalte et aufgebrocchen wird. Das D Verhältnis von nF-n nC zu dem um u 1 vermindertten Brechun ngsindex nd wird als relaative Disperrsion bezeichnet:

rel 

nF  nC . nd  1

Der Keh hrwert ist diie nach dem m deutschen n Physiker Ernst E Abbe (1840–1905)) bezeichnette Abbesche Zah hl:



1

rel



nd  1 , nF  nC

also dass dimension nslose Verhältnis von B Brechung zu u Dispersion n. Je kleinerr die Abbesche Zahl ist, destto grösser isst die Dispe ersion. Halteen wir fest: der Brechu ungsindex iist keine Ko onstante, sondern n abhängig von v der Welllenlänge dees Lichts. Die D Abhäng gigkeit heiß ßt Dispersion. Die Dispersiion wird durch die chem mische Zusaammensetzu ung beeinflusst (s. Abbiildung 61).

Abbildung g 61 Änderung g der Abbesche en Zahl aufgru und verschiede ener Glasbestandteile.

Zur grob ben optischen Charakte erisierung eeines Glasess genügt die e Kenntnis ddes Brechun ngsindex nD und d der Abbesch hen Zahl. Gläser mit ei ner hohen Farbstreuun F ng haben ei ne hohe Disspersion, d.h. einee kleine Abb besche Zahl. Gläser mitt einer klein nen Dispersion nennt m man Kronglä äser und Gläser m mit einer ho ohen Disperrsion Flintg läser. Im Allgemeinen werden Glääser gesucht, die einen hoh hen Brechungsindex bei möglichsst kleiner Dispersion D aufweisen. TTrägt man den Brechungsiindex nD üb ber der Abb beschen Zah hl auf, erhält man das Abbe Diaggramm, in das d man 66

sämtlich he Gläser eintragen kan nn (s. Abbild dung 62). Diie Lage eines Glases in ddiesem Geb biet wird durch seeine Zusammensetzung g bestimmtt wird.

Abbildung g 62 Abbe Diag gramm mit un nterschiedlicheen Glassorten.

Aufgrun nd der Disp persion erze eugen Linseen einen ch hromatische en Linsenfeehler (chrom matische Aberration), da die verschieden nen Wellenl ängen des Lichts L durch h das Glas deer Linse versschieden w Das Abbild hintter Linse ha at, je nach Fokussierun ng, untersch hiedliche stark geebrochen werden. Farben. Diese Abwe eichung lässt sich durcch eine Sam mmellinse zu umindest fü ür zwei Farben korriA gieren. Dies funktioniert aberr nur dann, wenn die beiden Linssen unterscchiedliche Abbesche haben, die in der Kombination den n Farbfehler aufheben. Zahlen h

Abbildung g 63 Korrektur der chromatischen Aberraation durch Ko ombination aus Kron- und FFlintglas (Bsp. Bikonvexe Linse)

3.4.3. Tran nsmissivittät Neben d der Reflektio on ist die Einstellung d der Transmissivität und d damit aucch des Abso orptionsverhalteens die wich htigste Mög glichkeit zurr Anpassung g von Gläsern an spezieelle Anwen ndungen. Gewissee Wellenlängenbereiche sollen refflektiert ode er absorbiertt, andere m möglichst vollständig transmittiert werde en. Bei Fenssterglas steeht dabei, neben energ getischen Geesichtspunkkten, das hliche Empfinden im Vo ordergrund. mensch netischen W Das Speektrum der elektromag e Wellen umfa asst einen riesengroßen n Bereich mit m vielen Zehnerp potenzen. Die D Frequenzzen reichen von technisschen Wech hselströmen n der Teleko ommunikation, Mikrowellenstrahlung,, die für W Wärmestrahlung zuständigen Freq uenzen, biss zu den m von Lichtt werden im m Allgemeinen drei hocheneergetischen gamma-Sttrahlen. Bei m Spektrum 67

Bereichee unterschie eden. Das kurzwellige u ultraviolette e Licht (UV) von 10-380 nm ist mit blossem Auge niicht sichtba ar. Der Bereich des sich htbaren Lich hts (VIS) ist nur ein gan nz dünnes Band im Bereich von 380-78 80 nm mit blau auf d der kurzwellligen Seite und steigen enlängen nden Welle b hin zu ro ot mit 780n m. Längerw welliges Lich ht von 780 n nm bis 10 und mehr grün-geelb-orange bis mm wirrd als Infraro otlicht (IR) bezeichnet. b

Abbildung g 64 Elektromagnetisches Sp pektrum mit ssichtbarem Lich ht.

Die spektralen und d optischen Eigenschafften eines Stoffes S stam mmen aus dder Wechsellwirkung u dem elektromagneetischen Feld. Den Freq quenzbändeern lassen sich s chazwischeen Materie und rakteristtische atom mare, elektro onische ode r nukleare Prozesse P zuordnen. Fre quenzen bis zu 300 GHz weerden technisch erzeugt durch Sch hwingungen n von Elektronengas in Leitern, Halbleitern und Pla asmen. Der IR-Bereich steht in Beeziehung zu u den Schw wingungen u und Rotatio onen der und Moleküle. Im sichtb baren (VIS) u und ultravio oletten (UV) Bereich intteragieren Photonen Atome u des Lich hts mit Elekttronen im Material M du rch Elektron nenübergän nge in der ääußeren Elektronenhülle deer Atome. Be ei Röntgenstrahlung weerden die Ellektronen de er inneren H Hülle angere egt. Harte -Stra ahlung kenn nen wir von nuklearem Zerfall. Wenn eelektromagn netische We ellen in ein M Material ein ndringen, intteragieren ssie mit den mobilen bertragen d dadurch Ene ergie. Die Energie der W mt expoelektriscchen Ladungen und üb Welle nimm nentiell mit der Ein ndringtiefe ab (s. Abbil dung 65). Das D Lambertt-Beersche G Gesetz gibt den Zunhang der Intensitätssschwächun g mit der Konzentrati K on einer abbsorbierend den Subsammen stanz an n, wenn Eig genemission n und Streu ung vernachlässigbar sind. s Die Eiggenemission n ist vernachlässigbar, wen nn die Strahlungsintenssität erheblich über der Eigenstrah hlung, insbe esondere egt. Das Lam mbert-Beerssche Gesetzz gibt die sogenannte EExtinktion E (Absorder therrmischen, lie banz dees Materialss für Licht der d Wellenl änge ) alss Funktion der d Intensittätsverhältn nisse des einfallen nden zum transmittier t rten Licht I0//I1 bzw. zum m spektralen n Absorptio nskoeffizien nt , der Volumeenkonzentra ation c des absorbierend den Medium ms und der Probendicke P e l an:

I  E   lg  1      c  l.  I0  Man beachte den Logarithmu L s der Intenssitäten für den d exponentiellen Abffall als Funkktion der gtiefe. Eindring Freie Eleektronen kö önnen mit Wellen W aller Frequenzen n von 0 Hz bis b zur soge nannten Pla asmafre-199 quenz Fp in Wechse elwirkung treten. Mit der Elementarladung e=1.602·10 e [A·s] der efffektiven Elektron nenmasse me, und der Ladungsträägerdichte Ne/V mit der Zahl derr Elektronen n Ne und dem Volumen V errrechnet sich h die Plasmaafrequenz zu u

Fp2 

68

( N e / V )  e2 , 4 2 0 me

bzw. diee Plasmawe ellenlänge mit der Licchtgeschwin ndigkeit im Medium zzu p=c/Fp. Typische T Plasmaw wellenlänge en für Kupffer, Silber, A Aluminium oder Nicke el sind pCu= =82nm, pAgg=141nm, pAl=78n nm, pNi=64nm. Für We ellenlängen >p sind Metalle M nich ht transpareent. Sichtbares Licht dringt in n Metalle nu ur wenige nm n ein. Met allschichten n, die dünne er als die miittlere freie Weglänge der Elektron nen le sind (durc hschnittlich he Wegläng ge, die eein Elektro on ohgen kann) sind partiell transparent. Werte ne Wecchselwirkung mit anderen Teilche n zurückleg sind le = 42, 57, 17 nm für Cu, Ag g, Al. Dabei wird die Pla asmafrequenz (“Plasmaakante“) zu höheren Wellenlängen bis in den sichttbaren oderr IR Bereich hinein versschoben un nd zugleich wird die f Absorpttionskante flacher.

Abbildung g 65 Interaktio on einer Welle e mit einem M edium mit exp ponentieller Abhnahme (linkks) und UV-Ka ante unterschiedlich her Gläser. 1: SiiO -Glas sehr re ein, 2: SiO -Gla s normal, 3: Na a O-3 SiO Glas sehr rein, 4: N Na O-3 SiO -Glas, normal 2

2

2

2

2

2

UV-Licht ist sehr ho ochenergetiisch, wodur ch eine sehr deutliche Wechselwirrkung mit dem d Glas erden die B indungselektronen der Sauerstoff ffionen angeregt. Je resultiert, genauer gesagt we her das O2-IIon gebunden ist, desto nergetischer muss das Photon sein, um in schwäch o niedrig en Wechseelwirkung trreten zu kön nnen. Sind vviele Trennsstellen vorhanden ist d ies der Fall und wie man in Abbildung 65 erkennt, wird die Absorption nskante von n etwa 170 0nm für ho ochreines 3+ N 2O-SiO2 Glas angehobben. Fe -Ionen fühQuarzglas auf zwisschen 300-3350 nm für einfaches Na nfalls zu ein ner Verschiebung der Pl asmakante bis in den sichtbaren s BBereich. ren eben Im langw welligen IR--Bereich ist ein ganz an nderer Mech hanismus fü ür die Absor ption von Photonen verantw wortlich als im UV- ode er sichtbareen Bereich. Im IR werde en durch diie Photonen n niederenergettische Gitterschwingun ngen angereegt. Im Glasnetzwerk schwingen vor allem die d Si-Ogen. Es können je nach h Energie veerschiedene e Arten von Schwingun ngen angeregt werBindung den. Im sichtbaren Bereich (VIS) hingege n entsteht durch die Absorption A vvon Lichtwe ellen des be von Glas. Prinzipiell unterscheid u et man zweei Mechanissmen der sichtbarren Spektrums die Farb Färbung g: Färbung durch d Ionen der Übergaangselemente und kollo oidale Färbu ung. Die Färb bung durch Ionen ist die üblichste Art ein Glas bunt zu fä ärben. Die M Metall-Ionen n sind im Glas gelöst, weswe egen man auch von Lössungsfarben spricht. Die Farbe ko mmt durch Elektroerhalb des Bandschem mas eines Ions zustande e, weshalb ddie Ionen der Übernenübergänge inne metalle mehrere Bänderr höherer O Ordnung frei haben mü üssen. Trifft ein Photon n auf ein gangsm solches Ion, wird eiin Elektron aus a einer in nneren Schale angeregtt und auf ei ne höhere Bahn B geDies geschie eht nur dann, wenn dass anregende e Photon ge enau die Eneergie besitztt, die das hoben. D Elektron n benötigt, um von de em tieferen Niveau au uf das höhe ere angehobben zu werrden. Bei Übergan ngsmetallen n liegt diese im Bereicch des sichttbaren Lichtts. Das Photton wird ab bsorbiert und dass Licht der Wellenläng ge des Phottons verschw windet aus dem Spekttrum - das Glas erscheint farbig. Da viele v der Ion nen polyvaleent sind kom mmt es vor, dass ein un nd dasselbe Element en erzeugen n kann, je n nachdem in welcher Oxidationsst ufe es vorliegt. Das verschieedene Farbe eindrücklichste Beispiel ist Eisen, das als reduzierte Form Fe2+ oder als oxiddierte Form Fe3+ vorliegt. Fee(II) färbt bla au, indem es e auf der laangwelligen roten Seite e des sichtb aren Spektrrums absorbiertt und die verrbleibenden n Wellenläng u addieren. FFe(III) färbt dagegen d gen sich zur Farbe Blau 69

auf der anderen Seite des Spektrums das Glas gelb ein. Da in Kalk-Natron-Glas beide Wertigkeitsstufen nebeneinander vorliegen, erhält man den typischen, leichten Grünstich. Interessanterweise ist auch die Koordination entscheidend. Ni(II) färbt in tetraedrisch koordinierter Umgebung blau und in oktaedrisch koordinierter Umgebung gelb (s. Tabelle 9).

Tabelle 9 Übergangsionen für die Ionenfärbung von Glas.

Wertigkeit

Koordination

Farbe

Wertigkeit

Koordination

Farbe

Ti(III)

6

Violett

Fe(II)

6

Blau

V(III)

6

Grün

Fe(III)

6

Gelb

V(V)

4

Farblos

Co(II)

4

Blau

Cr(III)

6

Grün

Co(II)

6

Pink

Cr(VI)

6

Gelb

Co(III)

4

Grün

Mn(II)

6

Farblos

Ni(II)

4

Blau

Mn(III)

6

Violett

Ni(II)

6

Gelb

Cu(II)

6

Blau

Cu(I)

Farblos

Eine völlig andere Methode Glas zu färben ist die kolloidale Färbung durch feinstverteilte Partikel. Grosse Partikel mit Durchmesser d>> absorbieren Licht auf allen Wellenlängen und das Glas erscheint grau. Je kleiner die Partikel im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichts werden, desto mehr Licht wird an den Partikeln gestreut. Der Farbeindruck entsteht also über Lichtstreuung, genauer Mie- oder Rayleigh-Streuung. Sind die kolloidalen Partikel so gross wie die Wellenlänge, findet bei sphärischen Partikelformen Mie-Streuung statt, die sich mit Absorption überlagert. Ein prominentes Beispiel sind Goldkolloide, die in Lösung rot färben. Sind sie in einer Glasmatrix gelöst, spricht man von Goldrubinglas. Diese Methode der Färbung wird vor allem bei kunsthandwerklichen Gläsern aus Böhmen angewandt. Ein technisches Anwendungsgebiet für kolloidale Färbung sind die sogenannten phototropen Gläser, wie sie gerne für Brillen eingesetzt werden. Hierfür wird Silber zusammen mit Chlor in die Glasmatrix eingebracht. Ohne Einwirkung von Licht liegt das Silber als Ag+ vor und das Chlor direkt neben dem Silber als Cl-. Durch UV-Licht gibt jedoch das Cl- sein Elektron an das Ag+ ab. Dadurch entstehen kolloidal ausgeschiedene Silberpartikel die das Glas so lange braun färben, bis kein UV-Licht mehr für die Anregung auf das Glas fällt. Werden die kolloidalen Partikel noch kleiner (0.1-0.4·), beobachtet man Streuung an molekularen Dipolen, die Rayleigh-Streuung. Dieser Effekt ist für das Himmelsblau am Tag, wo Licht nur einen geringen Weg durch die Atmosphäre zurücklegen muss, sowie die Abendröte, wo aufgrund des langen Wegs die blauen Anteile weggestreut werden, verantwortlich. Das erklärt sich dadurch, dass Licht an O2- und N2-Dipolen streut, wobei blau viel stärker streut als rot. Aus diesem Grund wird bei langen Übertragungsstrecken durch Glasfasern langwelliges IR-Licht verwendet, obwohl kurzwelliges höhere Übertragungsraten ermöglicht.

3.4.4. Physiologischer Farbeindruck Um die Eigenschaft „Farbe“ quantifizieren zu können, benötigt man die Eigenschaften des für uns wichtigsten optischen Sensors - dem menschliche Auge. Unser Auge hat vier verschiedenen Rezeptoren auf der Netzhaut für die Wahrnehmungen hell/dunkel sowie rot, grün und blau. Die Sensitivität eines Rezeptors hängt nun von der Wellenlänge ab und wurde von der 70

Commisssion Internationale d´Éclérage (C. I.E.) festgele egt. Dazu wurden w die w wellenlängenabhängigen G Größen X(), ) Y(), Z() definiert (ss. Abbildun ng 66 links)). Die Farbeempfindlich hkeit des mensch hlichen Auge es ist nicht nur für das Farbsehen wichtig, der blaue Anteeil (Z) ist we esentlich ögen bei Du unkelheit. D arüber hina aus sorgt ein n niedriger A Anteil von Z (blaues für unseer Sehvermö Spektrum) für die Produktion von Schlafh hormonen, was zu Mü üdigkeit füh hrt, wie wir sie typiden. scherweeise bei künstlichem Liccht empfind

Abbildung g 66 Sonnensttrahlung und normierte n Emp pfindlichkeit des Auges

Der phyysiologische e Farbeindru uck, den wi r von einerr Glasscheib be haben, isst das Ergebnis des Zusamm menwirkenss einer Lichtquelle, ein nes lichtdurrchlässigen Objektes u und des Auges. Die Lichtqueelle wird durch ihre spektrale Inttensität I() charakterrisiert, das O Objekt durch seine spektralle Durchlässigkeit T(), das Auge durch die drei d Größen X(), Y(), ZZ() (vgl. Ab bbildung 67).

Abbildung g 67 Verkettun ng, die zum Farbeindruck ein ner Scheibe führt.

Das Tag geslicht im Freien ist bereits b alless andere alss ein gleichmässiges SSpektrum. Prinzipiell entspriccht Sonnensstrahlung einem schwaarzen Strahler (Planckssches Strahllungsspektrrum) von 5777K. SSie hat ihr Maximum M bei b 500nm W u-grünes Liccht ist. Durcch StrahWellenlänge, was blau lungsab bsorption in der Chrom mosphäre deer Sonne fehlen jedoch h schon gew wisse Wellenlängen, bevor da as Licht auff die Erdatm mosphäre triffft. Was auff der Erdobe erfläche nocch ankommt ist maximal noch knapp die Hälfte der d solaren Strahlung im VIS Bere eich. Infrarootstrahlung wird zu d Wasseermoleküle absorbiert. UVA dringtt weitgehen nd durch, etwa 255% in der Atmosphäre durch hauptsä ächlich gescchwächt du urch die obeen angesprochene Ray yleigh-Streu ung. UVB wird w von der Ozonschicht sta ark absorbie ert, UVC von n Luftsauersstoff. Daraus folgt ein ssehr ungleicchmässiahlungsspekktrum, das in n Abbildung g 66 rechts dargestellt d ist. ges Stra

71

Abbildung g 68 Transmissionsspektrum m eines 3mm d dicken Kalk-Na atron-Glases.

Tritt nun Licht durcch einen tran nsparenten Körper mit einem beka annten Tran nsmissionsspektrum m in Abbildu ung 68 dargestellten, so o entsteht für f den Betrachter ein bbestimmter Farbeinwie dem druck, der durch de en Farbort P definiert istt. Dies ist ein Vektor P(X XP, YP, ZP), deessen Komponenten mbinierten Efffekte im Be ereich 380 b bis 760 nm integrieren: die kom 760 nm

XP 



X ( ) T ( )  I ( )d  , ettc.

380 nm

Setzt man T() = 1 für f ein Glas, so bleibt daas Spektrum m der Lichtquelle unveräändert. Der entsprearbneutral) und wird als Weißchende Farbort W = (XW, YW, ZW) definiertt die Qualittät weiß (fa d wiederum die eingeesetzte Beleuchtungsart identifizieert. punkt bezeichnet, der borte graph hisch darstellen zu könn nen, werden n die Größen n X, Y, Z so n normiert, da ass sie in Um Farb der Sum mme 1 ergeben:

x

72

X Y Z ;y  ;z  ; miit x  y  z  1. X Y  Z X Y  Z X Y  Z

Abbildung g 69 Das CIE Fa arbdiagram.

Aus diesser Vorgabe e ergibt sich h, dass von d den drei norrmierten Größen x, y, z nur zwei vo oneinander unabhängig sin nd, was eine e zweidimen nsionale Darrstellung vereinfacht. A Auf diese We eise lässt n der normiierte Farbort (xP, yP) und d der Weißp punkt (xW, yw) bestimm men. Die Darrstellung sich nun ist im so ogenannten n C.I.E.-Farbd diagramm m möglich (s. Abbildung A 69). 6 Die C.I.EE.-Farbkarte ist ganz auf die Gegebenhe eiten des me enschlichen n Auges abg gestimmt. Der D Auftrag der normie erten Aupfindlichkeitten y() übe er x() führrt zur Farblinie der reinen Spektraalfarben. Man M kann genemp dies als die Ortslinie aller Lichtquellen au uffassen, die e jeweils nu ur eine einziige Spektralllinie abstrahlen Die Lücke dder Ortslinie n. Deren We ellenlängen sind an derr Ortslinie angegeben. a e der reinen Speektralfarben n zwischen 380 und 78 80 nm wird d durch die Purpurliniee verbunden. Somit schliesstt sich der „FFarbkreis“ von v violett n nach rot. Alss nächstes kann k man ddie Schwarzstrahlerkurve b berechnen, indem i man n als I() diie im sichtbaren Bereiich vorhanddene Intenssität des schwarzzen Strahlerrs in das Inttegral einseetzt. Die Kurrve endet, wie w inAbbilddung 69 dargestellt, bei eineer unendlich h hohen Tem mperatur m itten im Farbfeld des blauen b Bere ichs. Als We eißpunkt wir der Farbort derr Lichtquelle e eingetrag gen. Beispiele sind bei Tageslicht ((bedeckter Himmel) ei direkter Sonneneinsttrahlung die e Lichtquelle e C und bei kkünstlichem m Licht B. die Lichttquelle E, be Diese Licchtquellen liegen allesa amt auf derr Ortslinie de er Farben de er schwarzeen Strahler. Um zu vverstehen, wie w CIE Farb bdiagrammee praktisch eingesetzt e werden w kön nen, betrachten wir eine Sch heibe mit ge egebenem Transmissio T nsspektrum m. Zunächst tragen wir dden Weissp punkt der Lichtqueelle C mit xc=0.3101, yc=0.3161 = in d as Diagram mm Abbildun ng 70 ein. M Mit dem Tra ansmissionsspekktrum T() können k wir den d Farbortt P=(XP ,YP ,ZP) errechnen. Den normiierten Wert P=(yP ,xP) kann man nun in das d Diagram mm einzeich hnen und diie Linie CP bis b zur Spekktrallinie verrlängern, m Punkt Q schneidet. s Aus A dem Diaagramm erhält man nun n folgende M Masszahlen n: die sie im



73

d die Farbsätttigung aus dem d Verhälttnis s 

CP . C Q

76 60 nm



d die Farbhelligkeit (das ist i der Wertt YP), YP 



YTId  .

38 80 nm



d die dominie erende Wellenlänge doom anhand des d Schnittp punktes Q.

Abbildung g 70 Beispiel für den Einsatz von CIE Farbd diagrammen.

Die Farb bintensität ist i in dem zweidimensiionalen Plott nicht direk kt darstellbaar, vielmehrr wird sie pauscha al YP zugeorrdnet. YP ist nicht aus d dem Farbdia agramm ablesbar, da e s der errech hnete Integralw wert ist. Legtt man das C.I.E.-System C m und die Beleuchtungsart C zugrrunde, dann n bleiben pektren die einzigen Variablen V di e den Farbeindruck die Unterschiede in den Transmissionssp men. bestimm

Abbildung g 71 Transmisssionsspektren verschieden g gefärbter Gläse er Cu2+, Fe2+, Cr3+, Co2+ unnd Mn3+ sowiie von Se0FeSe.

Nun bettrachten wir die Transsmissionssp pektren von Gläsern, diie mit unte rschiedliche en Ionen gefärbt sind (Abbild dung 71). Cu u2+ und Fe2+ haben eine Kanten- (od der Cut-off- ) Charakteristik und A anderen n Spektren lassen Spek ktralbänder aus versch hiedenen eignen sich für Filttergläser. Alle n und schne eiden nur eiin oder zwei Bänder im VIS heraus.. Cr3+-gefärb btes Glas Bereicheen passieren 2+ 3+ als Filter vor eine Glühbirne G ge esetzt würd e gelbes Liccht erzeugen, Co und Mn erzeugen eine arbe aus blauem und ro otem Licht. TTragen wir nun diese Gläser G in dass CIE-Diagra amm ein, Mischfa liegen d die dominierenden Welllenlängen d der Co2+- un nd der Mn3++-Farbe tatsäächlich auf der Pur74

purlinie. So trifft Co o2+ die Ecke der Linie deer Spektralfa arben mit dom = 380nm m, für Mn3+ teilt t man d die dom minierende Wellenlänge W e comp der K Komplementtärfarbe mitt (s. Abbildu ung 72). Ebenso lässt sich derr Farbeindru uck darstelle en, den zweii- und dreiw wertige Eisen nionen hint erlassen. Fe e3+ absorbiert nu ur schwach h im blauen Bereich, Fe2+ hingeg gen stark im gelben und roten Bereich (Abbildu ung 71 rechtts). Ein Glas mit einem Fe2+-Anteil von v 20 % de es Gesamteiisens ergibt das dick gepunkttete Spektru um, das kom mplementärr zum Spekttrum des Mn3+ verläuft.. Eine Überlagerung beider SSpektren wü ürde eine ne eutrale Farbee ergeben, was w früher genutzt g wurrde, um Glas „physikalisch“ zu entfärbe en (vgl. Abb bildung 72). Im Gegensa atz dazu bezeichnet diee chemische e Entfärme Schmelzzführung du urch Rohsto offselektion. Wie man in Abbildun ng 72 erbung eine eisenarm 3 atz von Mn3+ gewisse N Nachteile: ne eben der Ne eigung zur SSolarisation n (Verfärkennt hat der Einsa urch Sonnenlicht, da einige e Ionen n ihre Valen nz bei Bestrahlung durrch UV-Lichtt ändern bung du 3 können)) kann Mn3++ nur ein ganz bestimm mtes Fe2+/Fe3+ -Verhältniss farblich koompensieren. Durch 2+ 0 eine Kom mbination aus a Co und d Se lässt s ich, wie in Abbildung A 72 7 dargestel lt, ein breite es Spektrum an Komplementärfarben erzielen, daas fast den gesamten g Bereich B der ddurch Eisen n erzeugborte neutra alisieren kan nn. Co2+ erg gibt eine intensiv blaue Farbe mit ddominierender Welten Farb lenlängee nahe 380 nm und die e rosa Selen nfarbe liegt bei 593 nm. Dabei werrden nur sehr kleine Mengen n zum Entfärben eingessetzt.

Abbildung g 72 Physikalissche Glasentfärbung im CIE- Diagramm.

3.5. Eigensch haftsabschätzung Method den zur Abscchätzung vo on Glaseige nschaften gehören g eig gentlich nich ht in die Gla asphysik, da sie m meist aus einer statistisschen Analyyse über viele Glassorte en hinweg eentstanden und nur in geringem Umfan ng physikalisch begründ det sind. 75

Eine wichtige Quelle für Glaseigenschaften sind Glasdatenbanken wie die SciGlass oder Interglas Datenbank, die mehr als 360.000 Glaskompositionen enthalten. Innerhalb dieser Datenmenge erfolgen Eigenschaftsvorhersagen anderer Zusammensetzungen über eine Regressionsanalyse. Prinzipiell gilt dies für alle physikalischen und chemischen Eigenschaften von Gläsern und glasbildenden Schmelzen. Es kann zwischen unterschiedlichen Interpolationsmethoden gewählt werden, wie zum Beispiel der Gleichung zweiter Ordnung: n n   Glaseigenschaft  b0    bi Ci   bik Ci Ck . i 1  k 1 

b kennzeichnen variable Koeffizienten, n die Anzahl aller Glaskomponenten und C deren Konzentration. Der Glas-Hauptbestandteil SiO2 ist in der dargestellten Gleichung ausgeschlossen, bzw. wird über b0 berücksichtigt. Viele Glieder in der Gleichung sind nicht signifikant und haben ein vernachlässigbares bi. Da oft mehrere Glaseigenschaften sowie Produktionskosten optimiert werden müssen, kann mit Optimierungsmethoden, wie der Methode der kleinsten Quadrate gearbeitet werden. Eine Voraussetzung muss jedoch erfüllt sein: Kristallisation oder Phasentrennungen dürfen nicht auftreten. Zur Abschätzung der elastischen Konstanten aus der chemischen Zusammensetzung der Gläser gibt es Schemata, wie das von Mackenzie, mit Wichtungsfaktoren. Die Genauigkeit der Berechnung ist für das Elastizitätsmodul ± 2 GPa, was recht gut ist. Entsprechend der Tatsache, dass zwei voneinander unabhängige elastische Konstanten berechnet werden sollen, werden für jedes Oxid j zwei Faktoren V0(j) und U0(j) angegeben. Dabei stellen die V0(j) eine Art Partialvolumen, die U0(j) einen partialen elastischen Modul dar. In Tabelle 10 kennzeichnen des weiteren xj den Molenbruch, yj den Massenbruch und Mj die molare Masse. Das molare Volumen VM wird aus Dichte und Glaszusammensetzung berechnet. Tabelle 10 Abschätzung der elastischen Eigenschaften E, , G, K ±2GPa (nach Mackenzie). Rot hinterlegte Zeilen markieren die Bestandteile von Kalk-Natron-Glas.

j

V°(j)

U°(j)

y(j)

x(j)

V°(j)·x(j)

U°(j)·y(j)

[cm3/mol]

[GPA]

[-]

[-]

[cm3/mol]

[MPA]

SiO2

28

64.5

0.717

0.709

19.859

45746

TiO2

29.2

86.7

0.001

0.001

0.030

88

ZrO2

30.2

97.1

Al2O3

42.8

134

0.012

0.007

0.307

960

B2O3

41.6

77.8

P2O5

69.6

62.8

MgO

15.2

83.7

0.042

0.062

0.936

5157

CaO

18.8

64.9

0.067

0.071

1.341

4628

BaO

26.2

40.6

ZnO

15.8

41.5

PbO

23.4

17.6

Li2O

16

80.4

Na2O

22.4

37.3

0.149

0.143

3.21

5346

K2O

37.6

23.4

0.004

0.002

0.09

56

76

S

25.773

61981

Zur Verdeutlichung wird der Rechengang für die Zusammensetzung des Standard-Float-Glases kurz skizziert. Aus den in Tabelle 10 angegebenen Werten errechnet sich das molare Volumen zu

1

VM 



 xjM j  j

1 3  23.723 cm mol ,   yjM j

Vo  v o  1.086, VM

j

und das Elastizitätsmodul und die Querkontraktionszahl zu

E  v oU o  67312 MPa;

  0.5 

0.278  0.244. vo

Aus den berechneten Größen wird noch der Kompressionsmodul K und der Schermodul G berechnet:

KE

3(1  2 )

 43823MPa;

GE

2(1  )

 27055MPa.

Mit ähnlichen Verfahren lässt sich der Wärmedehnungskoeffizient abschätzen. Die Dichte von Glas liegt zwischen 2g/cm3 und 6g/cm3, je nach Zusammensetzung. Für reines Quarzglas wurde die Dichte zu 2.0-2.2g/cm3 bestimmt. Die Dichte von kristallinem SiO2 in der Form des Quarzes ist 2.65g/cm3 und für die Cristobalit Modifikation 2.32g/cm3. Daran erkennt man, dass die Struktur des SiO2-Glases aufgelockerter sein muss, was das Netzwerkmodell mit SiO4-Tetraedern mit grossen Hohlräumen zusätzlich bestärkt. Die Unterschiede zwischen einzelnen Messungen für identisches SiO2-Glas von bis zu 0.2g/cm3 sind auf unterschiedliche Abkühlraten zurückzuführen. Die Zugabe von Alkalioxiden zum Glas erhöht die Dichte des Glases (s. Tabelle 11, Abbildung 73). Zwar wird das Netzwerk geweitet, bzw. gesprengt, aber gleichzeitig werden die bestehenden Hohlräume ausgefüllt, was zu einer erhöhten Raumfüllung führt. Aufgrund der atomaren Massen nimmt die Dichte in der Reihe Li2O-Na2O-K2O zu. PbO und BaO erhöhen die Dichte von Gläsern sehr stark, während andere Oxide die Dichte von Gläsern je nach ihrem Gewichtsanteil in der Zusammensetzung erhöhen bzw. erniedrigen können. Interessant ist die Beobachtung, dass geringe Anteile die Dichte des Glases erhöhen, höhere Anteile jedoch zu einer Abnahme der Dichte führen können (s. Abbildung 73). Man kann die Dichte eines Glases auch aus dessen Zusammensetzung abschätzen:



100 ,  pi / i i

wobei pi die prozentualen Anteile der einzelnen Komponenten in Gew% und i die für jedes Oxid charakteristischen Faktoren für die Dichte aus Tabelle 11 sind. Tabelle 11 Dichte von Glaskomponenten.

Oxid

i (g/cm3)

Oxid

i (g/cm3)

SiO2

2.24

As2O5

3.33

K2O

3.2

Al2O3

2.75

CaO

4.3

MgO

3.25

B2O3

2.9

ZnO

5.94

PbO

10.3

Na2O

3.2

BaO

7.2

77

Oxid

i (g/cm3)

Abbildung g 73 Änderung g der Glasdich hte durch Alkaalioxide. (linkss) Dichten binä ärer Alkalisilikkatgläser, (rechts) Änderung der D Dichte eines binären Alkalisiilikatglases beei gewichtsmässsigem Ersatz von SiO2 durc h andere Oxid de.

78

4. Gla asformg gebung Ein gescchichtlicherr Abriss übe er die Entwiicklung der Herstellung gsverfahren n von Flachg glas und ihrem Einfluss auf die Architekturgeschic hte wurde zu Beginn in Kapitel 1 ggegeben (vg gl. Abbil4). Dieses Ka apitel widmet sich tech nologischen n Fragestellungen rundd um die ind dustrielle dung 74 Herstellung von Gla asprodukten n für das Ba uwesen, um mfasst also neben n Flach hglas auch Hohlglas, H mglas und Fa aserglas. Zud dem wird au uf Glasbiege everfahren eingegange e en. Schaum

Abbildung g 74 Geschichttliche Entwickllung der Hersttellungsverfah hren für Flachg glas

4.1. Walz- un nd Ziehgla as Guss- oder Walzgla as wird hau uptsächlich nach dem Bicheroux-V Verfahren h hergestellt, bei dem hlten Walzeen zu einem m Glasband geformt un nd im noch warmen flüssiges Glas zwischen geküh d zu Tafeln geschnitten n und in Öfeen abgeküh hlt wird. Die e Glasdicke w d Walwird über den Zustand zenabsttand eingestellt. Mit diesem Verfaahren erreicchte man die d heute nooch übliche en Scheibengrösssen von 3x6m. Es können auch p unktgeschw weisste Drah hteinlagen eingewalzt werden. Diese geeben dem Glas G splitterrbindende EEigenschafte en, allerding gs zulasten der Biegefe estigkeit. Die Wallzen können n glatt oderr profiliert ssein, um Ornamentglass oder Drah tornamentg glas herzustellen. Gussglässer sind transluzent, d a der Konta akt mit den n kalten Waalzen zu sch hlechten haften führtt. Um Scheib ben mit hoh her Transparenz zu erhaalten kann nach der optischeen Eigensch Abkühlu ung das Glas geschliffen und polieert werden. Poliertes P Gu ussglas ist reecht teuer, aber a von deutlich h höherer Trransparenz als gezogen nes Flachgla as. Durch de en Ziehprozzess kann zw war dünneres Glas deutlich h günstiger produziert werden, Schlieren und Dickenunteerschiede in nnerhalb en jedoch nicht vermie den werden n. einer Scheibe könne hen ist ein bei b vielen Werkstoffen W angewandttes Formgeb bungsprinzi p. Die Glassschmelze Das Zieh ist inkom mpressibel und es bild det sich ein einachsigerr Spannungszustand au us. Zieverfah hren wie das Fou urcoult-Verffahren habe en auch heeute noch starke Verbreitung, dda Floatglassanlagen enorme Investition nen darstellen und in Bezug auf Glasdickenä änderungen n und verscchiedene anischen Sp pannungen relaxieren spontan Glassortten keine hohe Flexibilität haben . Die mecha wodurch sich das ursprüngliche Querscchnittsprofil (mit Ausn nahme derr Rundung scharfer präzise affin n abbildet (vvgl. Abbildu ung 75). Diess macht ma an sich für ddie Herstellu ung sehr Ecken) p dünner Glasfolien im Corning g Down-draawing Verfa ahren, aber auch zur H Herstellung g dünner Glasfaseern für Textil- oder Isoliierfasern zu nutze. Da die G Glasschmelzze inkompre essibel ist un nd beim Ziehen die Masssen konstaant ist gilt: 79

m  vZieh    d  L(1  12   12  2 )  const t mit der Ziehgeschw windigkeit vZieh, der Glaasdichte , Dicke d und d Länge L, ssowie der Dehnung D =L/L.

Abbild dung 75 Affine e Abbildung deer Querschnitttsgeometrie be eim Ziehen vonn Glas.

ne Abbildun ng des Querschnitts füh hrt mit der Inkompressibilitätsbediingung zu der einfaDie affin chen geeometrischen Beziehung g

V  L  d d   0 1  2 V L  L L  hen von Glassfasern verw wendet werden kann. Man M untersccheidet Texttilglasfawie sie ffür das Zieh sern, diee unendlich h lang und von v hoher Q Qualität sind d und Isolie erglasfasern n die deutlicch kürzer sind und variable Dicken D aufw weisen. Da d die optische e Qualität von v Isoliergllasfasern un nwichtig d hier ein ho oher Anteil Altglas veraarbeitet. Gla asfasern wu urden bereitts in der Antike herist, wird gestellt und verwebt. Eine ind dustrielle Heerstellung fand f auch bereits b um 11893 statt, zunächst z M Glaasstäbe werrden senkrecht eingesppannt und das d untenach deem Stabziehverfahren. Mehrere re Ende erhitzt. Du urch die Sch hwerkraft lö öst sich ein Tropfen, der einen Fa den hinter sich her D Verfahreen hat den grossen g Nacchteil, dass es diskontinuierlich zieht, deer aufgewicckelt wird. Das ist. Das auch heute e noch wich htigste Verffahren zur Herstellung H g auf von Endlossglasfäden geht Cornings Fib berglass Corporation (11930) zurücck und nennt sich Düssenziehverfa ahren (s. Owen C Abbildung 76). Kern n des kontin nuierlichen V Verfahrens ist ein Schm melzgefäss aaus Platin mit m bis zu oden (Ø1-2m mm). Jede Dü üse entspriccht einem einzelnen Fil ament mit definier4000 Düsen am Bo ( 5-24 m). m Die Filam mente werde en mit 25-50 0m/s senkreecht nach unten getem Durchmesser (ca. geschlichtett und aufge ewickelt. Diee Polymerscchlichte redu uziert den RReibungswid derstand zogen, g der Glassoberflächen währen des d Wickelp rozesses un nd der Verarrbeitung, scchützt die Fä äden vor Beschäd digung und dient später als Haftveermittler fürr Matrixmatterial. Die eiggentlichen Rowinge sind Fasserbündel, die d aus einer großen Zaahl sehr dün nner Primärffasern verzw wirnt werde en. Diese werden zur Weitervverarbeitung zu Textilieen verwebt. Textilfasern n werden au us hochelastischem, hochfesstem, alkaliffreien E-Glass hergestelltt, es sind ab ber auch and dere Glasartten im Einsa atz:

•

80

E-Glas (E=Electric): Standardfaser mit Markta anteil ~90% %, wird in baasischer Um mgebung a angegriffen n. E-Glas ist die Bezeich hnung für ein e Glas mitt Hauptkom mponenten (in Mas-

• • • • •

ssen-%) 53-6 60 SiO2, 13-155 Al2O3, 2-7 B2O3, 23-24 CaO. Die Glastemperattur liegt je nach n Zussammensettzung bei 7330-790 °C, d der MOE be ei 80-85 GPa a. Zum Verggleich: Ein Floatglas F hat - vereinfacht - eine Zusammen nsetzung vo on 72 SiO2, 1 Al2O3, 3 MggO, 9 CaO, 14 4 Na2O, 1 ssonstige, mit Glastemp peratur 540 °C und MOE E von 67 GPa. SS-Glas (S=Sttrength): Faser mit erhö öhter Festig gkeit und Beständigkeitt. C C-Glas (C=C Corrosion): Faser F mit beesonders hoher Korrosio onsbeständiigkeit. ECR-Glas (E-Glas Corrossion Resista nt): besonders säurebe eständiges EE-Glas. D-Glas (D=D Dielectric): Faser F mit nieedrigem die elektrischem m Verlustfakktor. A AR-Glas (AR R=Alkali Ressistant): Fasser für die Anwendung A g basischer Umgebung g wie Betton. Mit Zirrkonium (ZrO2) angereicchertes Glas, das resisttent gegenü über basischem Ang griff ist.

Isolierglasfasern sind deutlich h kürzer un d haben va ariable Dick ken. Glaswoolle wurde erstmals G ze hergestellt. Dabei 1930 bei der Firma Hager in Bergisch-Gla dbach direkkt aus der Glasschmelz die Herstellung von Zu uckerwatte als Vorbild: Flüssiges Glas G tropft auf eine ro otierende diente d Platte u und wird durch das Aussschleudern n zu Fasern ausgezogen n, die an deer Luft soforrt erstarosse Produkttionsmenge en waren miit diesem Ve erfahren jed doch nicht m möglich. ren. Gro

Abbildung g 76 Herstellu ungsverfahren n für Faserglaas. (links) Düssenziehverfahren, (mittig) SSchleuderblasverfahren, (rechts) D Düsenblasverfa ahren.

Die heu ute wichtige en Verfahren sind das Schleuderb blasverfahren (TEL) undd das Düsen nblasverfahren ((TOR), auch Sillanverfahren genan nnt (s. Abbildung 76). Das D Schleudderblasverfa ahren ist ein zweeistufiges Ve erfahren, be ei dem flüsssiges Glas in n einen sich h drehenden n Schleuderrring mit antel gefülltt wird. Die vvom Rand des d Rings weggeschleu w uderten Glastropfen gelochteem Ringma ziehen FFäden hinte er sich her. Die Bewegu ung des Tro opfens und der d Scheibee dehnen de en Faden noch aus. Durch die Zentriffugalkraft w wird der Scchmelzstrah hl unter M Mitwirkung des Abms eines Brenners weiter zerfaseert und als Rohfilz gesa ammelt. Ru und um die Scheibe gasstrom sinkt ein schlauchartiges Fasergebilde n nach unten. Es entstehen schmeelzperlenfreiie, kurze en Klebstofffen wie Kun nstharzlösun ngen oder SStärkeverbin ndungen Glasfaseern, die mitt organische zu Däm mmmatten oder o Glasvliesen verkleebt werden n können. Beim B TOR-V Verfahren en ntstehen sehr feine, kurze Fa asern. Aus einer e Glassc hmelzwann ne mit Düse en am Boden n werden se enkrecht nten feine Fasern F gezo ogen. Die Faasern zerreissen dabei unter hoheem Druck und u Luftnach un strömun ngsgeschwindigkeiten bis zu 100 m/s in kurzze Stücke. Durch ihren hohen Lufta anteil ist Glaswollle ein hervo orragender, leichter, niccht brennbarer Dämmstoff für Schaall und Wärrme.

81

4.2.. Floatverffahren Das Floa atverfahren ist heute bei b der Hersttellung von Flachglas führend. f Gru undlage dess Verfahrens ist die Ausbreiitung oder Spreitung S eiiner leichterren (Glas) auf einer sch hwereren Flü üssigkeit ürfen die Flü üssigkeiten nicht misch hbar sein. G las nimmt die d Form (Metall)). Selbstversständlich dü L mit de er Gleichgew wichtsdicke e deq ein. deq hängt von dden Dichten n  der einer seehr flachen Linse beiden Flüssigkeite en, ihren Ob berflächens pannungen n 1/2 sowie der Grenzfflächenspan nnung 12 druck PSp treibt das Systtem ins Gleichgewicht. Die Verhälttnisse der Ober- und ab. Der Spreitungsd Grenzflä ächenspann nungen spie egeln sich im m Kontaktw winkel  wid der (s. Abbilddung 77). Der Spreitungsdrruck berechn net sich zu

Psp   1  ( 2   12 ). Daraus ergeben sicch 3 Fälle: isst Psp>0 breiitet sich dass Glasband aus, bei Psp =0 ist die GleichgeG dicke deq erre eicht und be ei Psp<0 konttrahiert das Glasband. Die D Gleichgeewichtsdicke für das wichtsd Floaten von Glas au uf flüssigem m Zinn errech hnet sich zu u

d eq 

 GGlas 2  Snn  (1  cos  )   0.73cm Glass  g  Sn  Glas

1 4 2 43 0.356 cm

1 4 44 2 4 4 43 2.063

d der Gravittationskonsttante g. mit Sn = 6.5g/cm3, Glas= 2.4g/ccm3Glas = 0.3 N/m2.  = 100° und Tatsächlich hatten n die ersten n Floatgläseer die Gleicchgewichtsd dicke. Durch h sogenann nte TopRoller, d die als wasse ergekühlte, gezackte M Metallzahnrä äder in die noch weichee Glasmasse e eingreifen, kan nn ein laterraler Zug od der Druck a uf das Band ausgeübtt werden. D Durch Änderrung der Radachssen in Bezug auf die Flussrichtung g kann dünn neres oder dickeres d Glaas als deq im m Bereich von 1-12mm gefertiigt werden. Um Glas im m Dickenbe ereich bis 24 4 mm im Flooatverfahren herzustellen m müssen Ran ndleisten au us Graphit ((Fender) auf dem Zinnbad installi ert werden, die das flüssige Glas seitlich aufstauen n.

Abbildung g 77 Ausbreitu ung des Glasba andes auf der fflüssigen Meta alloberfläche.

Zwar ga ab das eigentliche Aufsschwimmen n dem Verfa ahren den Namen, N im Floatverfah hren sind jedoch noch weite er Verformu ungsprinzipiien wirksam m. Der Ausffluss aus d er Schmelzzkammer wird du urch einen Spalt S gerege elt. Danach fliesst ein Glasfilm ein ne schräge Ebene des Lippens82

teins hin nab und die e Geschwind digkeit erhö öht sich (s. Abbildung A 78 8). Da die G lasschmelze e inkompressibeel ist, nimmtt die Dicke des d Rieselfil ms ab und erreicht eine stationäree Dicke. Diese hängt vom Ma assenstrom dm/dt, dem m Winkel deer schiefen Ebene E , derr Glasviskossität und -dichte  sowie der Gravitationskonstanten g ab:

dm  v  d L dt mit

  g  d 2 cos   x 2    1  2  ; v  23  vh ,max vh  d  2 1 4 4 2 4 43  vh ,max

dm  2  g  d 3  L  coss   d dt 3  bzw. diee Dicke

ergibt e sich 3

3   dm / dt  2  g  L  cos  .

Wird die Fliessgescchwindigkeiit zu gross erhält man n eine gerifffelte Oberflääche. Über die Reynoldszahl für einen Rieselfilm

Re 

4d  v  



lässt sicch dies abscchätzen. We erte für Re vvon 4-25 sind laminare Strömung, 1000-2000 laminar mit Riffeeln und We erte darüberr kennzeichn nen turbule ente Strömung. Die Tem mperaturen über die ganze B Breite des Lip ppensteins müssen m relaativ konstan nt sein. Der Lippenstein L ist so geforrmt, dass Volumin na, die im direkten Kon ntakt mit deem Schamotttmaterial stehen, s an ddie Ränder des d Films gelenkt werden, wo sie abgeschnitten weerden können. Nach de em Durchlaaufen der Floatkammer wirrd das Glasb band am kalten Ende ab bgezogen. Auch A dieses Ziehen hatt einen Ante eil an der Formung des Glasb bandes, der hier h jedoch nicht näherr betrachtet wird.

Abbildung g 78 Rieselfilm m über den Lipp penstein.

Die Flüsssigkeit in der d Floatkam mmer selbsst bedarf eb benfalls eine er genauereen Betrachttung. Sie muss eine höhere Dichte D als das Glas hab ben und im Bereich T13 des d Glases fflüssig sein, darf and Glases keinen hohen Dampfdruck haben n. Neben den viel zu dererseiits aber im Bereich T4 des teuren M Metallen Ga allium und Indium kom mmt nur Zinn in Frage e. Leider oxi diert Zinn sehr s gut, mosphäre in der Floatk was durrch eine Sticckstoff-Wassserstoff Atm kammer (N22-H2-Atmop pshäre (5 bis 10 % H2)) vermieden werden soll. Tro otz der Verw wendung die eses Formieergases kann Sauerstoff in geringen Mengen M in die d Kammerr gelangen. Die Quelle sind Undich htigkeiten der d KamG selbst. Die Löslichkeit von O2 in metalliscchem Sn ist sehr gemer abeer auch das oxydische Glas 83

ring und d stark temperaturabhä ängig (630, 95, 5 ppm bei b 1000, 80 00, 600°C). Wird die Lö öslichkeit übersch hritten krista allisiert SnO O2 aus und laagert sich als Defekt an der Unterseeite des Gla asbandes an. Übeer die Verda ampfung vo on SnO könn nen auch Oberflächend O defekte enttstehen. Im Hinblick auf Obeerflächendeffekte ist jed doch die Verrdampfung von Zinnsulfit (SnS) krritischer. Die e Schwefelquellee ist wiederrum das Glas selbst. Es eentsteht Zin nnsulfitdam mpf, der an dden Decken der kühleren Reegionen derr Floatkamm mer kondenssiert und au uf das Glasband tropftt. Unter 700 0°C kann Zinnsulffit auch mit dem Wassserstoff dees Formiergases reagie eren und ess bildet sich h zudem Zinnkon ndensat (s. Abbildung A 79 rechts).

Abbildung g 79 Oberfläch hendefekte durch chemischee Reaktionen in n der Floatkam mmer.

Die Obeerfläche von Floatglas isst extrem gl att mit Rauhigkeitswerrten von ca. 4nm, was optischer o Qualitätt entsprichtt. Allerdingss besitzt ein n Floatglas zwei chem misch untersschiedliche Flächen. Auf der Unterseite im Floatba ad dringt Sn n wenige 10 0nm tief in das Glas ei n und liegt dort als d vor. Bei vielen Vergüttungs- oderr Beschichtu ungsverfahren ist es weesentlich, die Seiten Zinnoxid zu unterscheiden, was w bei streifendem Licchteinfall an n einer schw wachen Fluorreszenz der Sn-Seite nnen ist. zu erken

4.3.. Hohlglassherstellu ung Der Beg griff Hohlgla as bezieht sich s auf me hrere Glash herstellungssverfahren - Mundblasen, Pressen und d maschinelles Blasen. Pressglas w wurde erstm mals im früh hen 19. Jahrh hundert in den USA zur Hersstellung von n Möbelgrifffen verwen ndet und en ntwickelte sich schnell zu einer der bedeutendsten Innovatio onen seit de er Einführun ng des Glasb blasens. Zu den grössteen Vorteilen n gegenahren zählt die Tatsach he, dass bei Pressglas feine f Struktturen an de er Innenüber deem Blasverfa öglich sind.. Beim Pressen wird eiin Glasposten zwiund Aussenseite eines Gegenstandes mö n und einer äusseren F orm zusammengedrücckt. Die Dickke des fertig gen Glasschen einer inneren wird dabei über ü den Absstand zwiscchen den beiden Formen bestimmtt, die auch die d Strukstücks w turen deer zwei Obe erflächen de efinieren. Im m Bauwesen n dient das Pressen meeist der Herrstellung robuster, dickwandiger Produkkte wie Glas bausteine. Die Porttionierung der d Glaspossten erfolgt über einen n Scherenschnitt (s. Ab bildung 80)). Würde man aus einer grosssen Düse portionieren p n, würde da as Eigengew wicht das En nde des Tropfens zu angen Fade en ausziehen. Grosse Po osten (1 – 10 0 kg) muss man mechaanisch halte en, bevor einem la man siee frei ausstrrömen lässt und schne idet. Dieser Schneidvorrgang darf aallerdings nicht n mit beliebig gen Geschw windigkeiten erfolgen, d da die Glassschmelze ein viskoelasttisches Matterialverhalten a aufweist. Be ei langsamer Belastung gsgeschwind digkeit fliessst das Mateerial durch die d angelegte Sccherspannun ng , wird je edoch die Reelaxationsze eit / deutlich unterscchritten, verhält sich die Glassschmelze sprödelastiscch und brich ht. Man spricht dabei vo on Heissbru ch oder Heissriss.

84

Abbildung g 80 Portionie erung von grossen Glasposteen. Die Farben entsprechen den d herrschendden Temperaturen in °C.

Die kritische Gesch hwindigkeit die zum H Heissbruch beim b Schere enschnitt fü ührt, kann über die aturabhäng gige Faustformel tempera

 krit 

3 2     vSch hnitt  vkrit , Scchnitt  d

3

2  krit t d 2   

 krit  k

4800MPa M d  kriit  vkritt  2  T 1000 K

berechn net werden. Bei Temperaturen derr Außenhautt des Posten ns von 800 °C darf die Schnittgeschwindigkeit 50 0 m/s nicht überschreitten – was fü ür ein schne ell arbeitenddes Werkzeug keine öhnliche Gesschwindigkeit ist. ungewö Die Vorg gänge beim m Pressen kann man sic h am Fall einer Plattensströmung vverdeutliche en. Presst man ein n viskoses Material M mit einem D ruck P zusa ammen, bild det sich ein n paraboliscches Geschwind digkeitsproffil mit der Randgeschw windigkeit Null aus. Vertikal (x-Rich htung) trete en Scherspannungen propo ortional zum m Gradienteen der x-Kom mponente der d Geschw windigkeit au uf, die in d. Betrachteet man die zeitliche z Enttwicklung dder Plattena abstände der Mitttelebene maximal sind (Abbildu ung 81), so fällt f auf, dass die Expon nenten des Zeitgesetze es für die D ickenänderu ung sehr klein sin nd. Das gilt sowohl s beim m Pressen u nter konstanter Kraft, wie w auch ko nstantem Druck. D

Abbildung g 81 Pressvorgang bei zylindrischen und prrismatischen Posten P zwische en 2 Platten.

Eine signifikante Diickenabnahme beim Prressen erfolg gt wie in Ab bbildung 81 links dargesstellt nur bruchteile. EEine zu hoh he Viskosität bzw. die ffalsche Tem mperatur währen der ersten Sekundenb m also durch die Erh öhung der Presszeit nicht kompeensieren. Du urch den des Glases kann man ostens mit der d Form kü ühlt dieser oberflächlich o h rasch ab. Der niedervviskosere Kontaktt des Glaspo Kern kann auf diese Weise leiccht die Form m füllen (s. Abbildung A 82). 8 Allerdin ngs beobach htet man 85

bei eineer bestimmtten Tempera atur (s. Abb ildung 82) ein e Festkleben an der FForm, was beim Entformen zu Schäden n führt. Warrum wirklich h Kleben au uftritt ist biss heute nich ht völlig verstanden, m mit einer Öl-Wasser-E Ö Emulsion ve erhindert es kann aber durch gelegentlicches Benetz en der Form werden.

Abbildung g 82 Temperatturverläufe beim Formpresseen und Tempe eraturen für Kleben.

Formgieessen kann als eine Arrt des Presssens unter dem d Eigeng gewicht dess Glases verrstanden werden. Massive, gegossene g Glasbaustein G ne sind Prod dukte für da as Bauweseen, die im Fo ormgieserden. Diese e werden jeedoch äusse erst selten eingesetzt, da herstellungsbesen herrgestellt we dingte EEigenspannungen und grosse Toleeranzen zu viel Ausschuss führt. W Wegen der geringen g Presskrä äfte ist es wichtig w den Giessvorgaang schnell durchzufüh hren. Bei zu langsamerr Füllung bzw. zu niedriger Viskosität V kühlt das Gl as im Form mkontakt so rasch ab, ddass wärme ere Volumente die kälteren k übe erholen wass zu Kühlrifffeln führt (ss. Abbildungg 83 links). Das Diamenelem gramm fasst die besprochene b en Phänom ene Kleben n, Heißbruch h, Kühlriffe l, gute Form mbarkeit hlendes Form mgedächtnis als Funkttion von Scherrate und d Temperattur (bzw. Viskosität) und feh zusamm men.

Abbildung g 83 Kühlriffellbildung beim Formgiessen u und Zusamme enfassung der Arbeitspunktee beim Formgiiessen und -pressen.

4.4. Schaumg glas Schaum mglas ist ein n druckfester Wärmed dämmstoff für unterscchiedliche D Dämmbereiche, der überwieegend aus Altglas A herg gestellt wird d. Gewalztes Glas wird d erwärmt u und mit Wa asser besprüht ((gefrittet), wodurch w da as Glas durcch thermiscche Spannu ungen in Kr ümel zerfälllt. Diese 86

werden fein gemahlen und mit m gasbilde nden Stoffe en (Erdalkalikarbonate,, Sulfat und d Wasser oder Ko ohlenstoff) vermischt. v Das D Mahlgu ut wird es in beliebige Form gebraacht und bei 650°C gesinterrt, um Schaumbildner einzubinden w auf 900°C erwärm mt, was übe er der Ern. Danach wird weichun ngstempera atur von Gla as liegt. Du rch Blähgasse wie CO2 und H2S (fa uliger Geru uch beim Schneiden von Sch haumglas) schäumt s da s flüssige Glas G auf. Es entstehen beim Ersta arren der eine geschlo ossene Poreen (s. Abbildung 84). Glasschaum m besitzt daher ein Schmelzze viele kle dampfd diffusionsdicchtes Gefüg ge. Wird lang gsam abgekkühlt entste ehen kompaakte Platten, die men. Wird die aufgeblähte Glasmassse abgeschre eckt (z.B. chanisch weiterverarbeite werrden können um-Granula at oder Scho otter. mit Wassser), so zersspringt sie in Glasschau

Abbildung g 84 Aufgeschäumte Schaum mglasplatte un nd geschlossen n porige Zellstruktur.

Werden n dem Mahlgut Bindem mittel hinzu ugefügt, kön nnen auf einem Granu ulierteller ru unde Kugeln gefformt werden. Im Dreh hofen wird d das Granula at anschliesssend bei 90 00°C aufgebläht. Es entsteht Blähglas - ein feinporriges, leichtees, stabiles Rundgranulat, das abggekühlt und in Grösonzuschlag für Leichtbe eton mit geringem U-W Wert weitervverarbeisenklasssen sortiert z.B. als Beto tet wird d.

4.5.. Glasbieg geverfahre en Gebogene bzw. gekkrümmte Gläser ermög glichen faszzinierende Glasanwend G dungen in Fassaden, pfverglasungen oder als Geländerrausfachung g. Prinzipiell können al le Glassche eiben geÜberkop bogen w werden. Derr Biegevorga ang lässt si ch technolo ogisch mit dem d thermiischem Vorspannen kombinieren. Die Glasscheibe G eichmässig auf 650°C eerwärmt. Abhängig A n werden iin Öfen gle olgt die Um mformung m maschinell durch d Druck k zwischen Formen oder durch vom Verfahren erfo mte Gläser, mit Krümm mungsradien >2m könn nen im GravviationsGravitattion. Schwach gekrümm biegeverfahren hergestellt werden. Stärrkere Krümmungen werden im PPressbiegeverfahren O bleiben Abdrücke der d Aufhäng gungspunktte sichtbar. Mit beihergestellt (s. Abbildung 85). Oft d beliebig gekrümmte Flächen mö öglich. Für einachsig e geekrümmte Scheiben S den Verrfahren sind können Biegemascchinen verw wendet werd den, die ein ne hohe geometrische Reproduzie erbarkeit mgraden erm möglichen. A Ausserdem sind s diese gut g mit Vorsspannen kombinierbei hohen Umform K sradius für FFloatglas be eträgt ca. 50 0mm. bar. Derr minimale Krümmungs

87

Abbildung g 85 Press- und d Gravitationsbiegeverfahreen. (rechts) 1 Heizung, 3,7,10 Isolierkammerr, 9 Biegeform, 5 Glas.

5. Gla asverarb beitung Ein wirttschaftlich bedeutende er Teil in d der Wertsch höpfungskettte von Glaasprodukten n ist die Flachgla asveredelun ng und –bea arbeitung m mit mehr alss 1/3 des Gesamtumsattzes der Gla asindustrie. Ausg gehend von, eventuell geformten g FFlachgläsern, sind thermische undd mechaniscche Bearbeitung g, aber auch Oberflächenbeschichtu ungen die bedeutendst b ten Bearbeittungsschrittte.

5.1. Glastempern und Abkühleen Durch g gezielte Abkkühlung kan nn die Festig gkeit eines Glases G signifikant gestteigert werd den, aber auch deer gegenteiliige Effekt errzielt werde n. So zerbriccht ein Glas bei falsche r Abkühlung g infolge Eigensp pannungen noch währe end der Abk ühlung auf Raumtemp peratur von selbst. Da Brüche B in Gläsern fast immer von der Oberfläche O aausgehen und durch Zugspannun ngen ausgelöst were Erhitzung, da die Obeerflächentem mperatuden, sind Abkühlvorgänge viel gefährlicheer als rasche a die Kerntemperaturren. Infolge der geringe en Wärmeleeitfähigkeit (typisch ren geriinger sind als 0,9–1,2 W W/(m·K) bei 90 °C, hochbleihaltigee Gläser bis minimal 0,6 W/(m·K)) bedingen TemperaT turverän nderungen im Glas rela ativ hohe Teemperaturg gradienten ΔT, Δ die je naach den ela astischen Eigenschaften E (Elastizitätsm modul) und μ (Querkon ntraktionszahl) sowie ddem Längen nausdehoeffizienten n hohe Span nnungen zu Folge habe en können. Der D Stoffken nnwert gibtt die manungsko ximal zu u erwartend de, thermiscch induziertee Spannung g in einem biegesteifen b Glasstück für f einen örtlichen Temperatturunterschied von 1 K aan:



T  E   E    0.9 MPa Stoffkennw ; wert für Kalk k-Natron-Gllas. K 1  1 

Um einee rasche Absschätzung für f von der PPlatte abwe eichende Geometrien zu u erhalten, kann der Stoffken nnwert mit einem Geo ometriefakto or fgeo für Kugeln (2/3), Stäbe(1/2) oder Platte en (1) gewichtet werden:   f geo 

T  E   1  .

nkts TD exist ieren keine Eigenspann nungen meh hr. Oberhallb des Erweiichungspun Für Bauanwendung gen ist die Abkühlung A fflacher Glasplatten von praktische r Relevanz. Wir wolA änge betracchten und abschätzen, welche Kon nsequenlen hier drei untersschiedliche Abkühlvorgä A von v Temperratur- und Spannungsv S verteilung h haben. Die abzuküha zen diesse auf die Ausbildung lende P Platte sei syymmetrisch h und eben nen. Der Wärmetransp W port über ddie Plattend dicke (xRichtung) wird über

88

T  2T   q0  T  2 , t x

T (t  00)  T0 im m Gebiet und au uf den T ( x  00, t )  Tc (t ); T ( x   d2 , t )  Ts (t ) , be rechnet. Diee drei betracchteten Fällee sind:

mit

d den

Randb bedingunge en

Rändern

1. Abküh hlen mit kon nstanter Ratte; wie bei e inem langsa am durch einen Kühlofe fen laufende en Band;

T t  q0  const 2. Abküh hlen in eine em ruhende en Medium;; Abkühlen an Luft. (Re eine Wärmeeleitung, keine Konvektion))

T ,Glas  T ,Medium , 3. Absch hrecken durcch Anblasen n mit Luft. H Hoher Wärm meübergang g an den Obberflächen, die d Oberflächenttemperatur nimmt dab bei quasi soffort die Tem mperatur dess Kühlmediu ums an:

Ts  const  T . T ist die Temperatturleitfähigkkeit in cm2/ss. Bei silicatischen Gläsern gilt etw wa T = 0.003 –0.004 Die Tempera aturleitfähig gkeit setzt ssich aus Wä ärmeleitfähiigkeit  in W W/(m·K), Dicchte  in cm2/s. D 3 g/cm und Wärmekkapazität cP in J/(g·K) zu usammen in ist T = /(ccP·).

Abbildung g 86: Tempe eraturprofile für f die drei unterschiedlicchen Abkühlsituationen. 1ccm dickes Gllas mit  =0.003cm m /s.

T

2

Fall1: Ko onstante Abkühlrate Für einee konstante Abkühlrate dT/dt=-q0 eergibt sich als a besonders einfache Lösung der Wärmeleitungssgleichung ein e paraboliisches Temp peraturproffil T(x). Die maximal m möögliche Tem mperaturdifferen nz ist damit Differenz vo on Zentral- u und Oberflä ächentempe eratur Tc–Ts. Es gilt:

q T  2T 2  q0  T  2  T   0  const mit paraboolischem Pro ofil T ( x)  aax  bx  c t x T

89

a  12 T ( x)   q0 (2T ) ; b  0 (Symmetriebedingung); c  T ( x  0)  Tc . Damit gilt für Temperaturprofil und Oberflächentemperatur

T ( x )  Tc 

q0 d 2 2 T

2

q d2 x .    und Ts  T ( x   d2 )  Tc  0 8T d 

Neben der maximalen Temperaturdifferenz Tc–Ts ist auch die mittlere Temperatur von Interesse. Sie ergibt sich aus der Zentraltemperatur Tc, der Abkühlrate q0, der Temperaturleitfähigkeit T und der Dicke d des Objektes: d

q d2 2 2 T   T ( x )dx  23 Tc  13 Ts  Tc  0 24 T d 0 und ist 2/3 der maximalen Temperaturdifferenz. Fall2: Abkühlung im ruhenden Medium Die Berechnung der Abkühlung in einem ruhenden Medium erfolgt über die allgemeinen Lösungen der Wärmeleitungsgleichung, ähnlich der Diffusionsgleichung. Die allgemeine Lösung der Wärmeleitungsgleichung ist das Funktionspaar der GAUSS‘schen Fehlerfunktionen erf(x) und erfc(x) ähnlich wie das Funktionspaar sin(x) und cos(x) bei Schwingungsproblemen. Die Randbedingung für den Fall sind

T ,Glas  T ,Medium   ;

TMedium ( x  )  T ; TGlas (t  0)  T0 .

Das Temperaturprofil mit der Fehlerfunktion ist

 x  d2 x  d2 T ( x, t )  T  (T0  T )   erf  erf  4 t 4 t 

  

mit der Oberflächen- und Kerntemperatur

Ts (t )  T  (T0  T )  erf

d ; Tc (t )  T  2(T0  T )  erf 4 t

d 2

4 t

.

Die Fehlerfunktion kann mit der Näherungsformel erf ( x )  1  exp( 4 x 2 /  ) berechnet werden, die allerdings systematisch etwas zu hohe Werte liefert (max. 0.7% Fehler). Die resultierenden Temperaturprofile sind in Abbildung 86 dargestellt. Fall3: Abschrecken Das Problem der Zwangskühlung mit einer konstanten Oberflächentemperatur, die dem Kühlmedium entspricht lässt sich nur durch eine unendliche Summe ausdrücken:

(2  1)   T ( x )  Ts 4  1 d   .    sin   ( x  )   exp(  2 T t ) mit   d T0  Ts   1 2  1 2   Die Auswertung der ersten 30-40 Summanden führt auf das in Abbildung 86 dargestellte Temperaturprofil. Es lassen sich auch ein Kurz- und Langzeitgrenzwert abschätzen:

  2 T t  8  8 t  T  Ts  T0  Ts    1  2T  und T  Ts  T0  Ts   2 exp   . d   d2    Abschrecken wird zur thermischen Vorspannung von Gläsern eingesetzt. Durch Einbringen permanenter Druckspannungen in der Oberfläche wird deren Festigkeit erhöht. Glasscheiben 90

werden langsam und gleichmäßig auf ein ne Temperatur unterha alb der makkroskopische en Formstabilitä ätsgrenze TL = T(7.6) » 720 0 –750 °C au ufgeheizt. Dann D erfolgt die rasche A Abkühlung auf T
Abbildung g 87 Spannung gszustand in thermisch vorg gespanntem Flachglas.

Die lateerale Verteillung der Sp pannungen in einem th hermisch vo orgespannteen Glas kan nn spannungsoptisch sichttbar gemach ht werden. Oft genügt bereits eine visuelle In nspektion in n Umgeer Blickrichttung des BR REWSTER-Winkels von 56°, 5 um Abs chreckmustter sichtbungsliccht unter de bar zu m machen, die e durch ung gleichmässig ges anblase en beim Absschrecken eentstehen. Diese D gehören bei getempertem Glas dazu und steellen keinen Mangel dar (Abbildungg 88).

91

Abbildung g 88 Abschreckmuster in vorrgespanntem G Glas.

Spannungsarmes Abkühlen A Die vorh handenen Restspannun R ngen res steellen mit Werten von 0.2 0 bis 2 MPaa ein Qualittätskriterium für ein Glasprrodukt dar. Nach Festleegung der Werte W kann die Abkühlggeschwindig gkeit beb TG bis T(14.55) nicht übe rschreiten darf. d Aus rechnet werden, die den Bereich von kna pp oberhalb nduzierte Sp pannungen der Gleichung für thermisch in





 ( x)  E   1    T  T ( x)  lässt sicch sofort eine für Thermoschock maximal zulässige Temperaturdiifferenz dTshock=c/C abschättzen. Als Th hermoschocck wird die schnelle, schockartige s e Temperatturveränderrung am Material bezeichnet. Ab 50 K wird w es für eiin Massenglas bereits gefährlich, g bbei Einhalten des für messung geeltenden Grrenzwertes von 20 MPaa sogar scho on ab 20 die bauiingenieurmässigen Bem K. Mit der maximalen Tempera aturdifferen nz bei konsta antem q

Tmax  q  d 2 / (8 ) lassen sich die Eigenspannung gen nach Kü hlung (bei konstantem k q) zu

  d2 q  2  res   E     0.6  d  q  8   1        berechn nen. d bezeicchnet die dickste Stellee des Bauteiils. Ein typisches Abküh hlprofil ist in n Tabelle 12 dargeestellt. Tabelle 122 Abkühlprofil für =10 K ; T =550°C; =0.0 003cm /s; d=1cm;  =2MPa. -6

-1

2

G

TStaart [°C C]

92

TEnde [°C]

res

q [K/min]

Zeit [min]

Phase 1 Aufwärm men

300 0

560

10.8

24.1

An npassung derr Temperaturr aller Produkkte auf ein nheitliches Niveau. qmax niicht überschrreiten.

Phase 2 Ausgleichen

560 0

560

0

25

Miinimierung der Temperat urgradienten n. Erforrderliche Zeitt DTmax=res/C C

Phase 3 1. Kühlph hase

560 0

533

-1.1

24.7

Ab bsenken auf T
Phase 4 2. Kühlph hase

5333

483

-2.2

23.1

Ab bsenkung um m weitere 50K K (oder auf T144.540 0K) mit 2·q1

Phase 5 Rasches Abkühlen

4833

80

-10.8

37.3

Rasches Abkühlen. qmax nich ht überschreitten. Biss zu einer Tem mperaturdiffferenz zur Um mgebu ungsluft, die nicht n mehr zu ur Überschre eitung von qmax führt.

5.2. Glasschn neiden Verläuftt der Kühlprozess bei der d Glashersstellung niccht richtig, so s entsteheen Eigenspannungsfelder, d die beim Brechen des Glases G zu eeinem abwe eichenden Sprunglauf S fführen. Beim Laserschneiden hingegen macht ma an sich durcch gezielten n Wärmeein ntrag induzi erte Eigenspannunnutze. Die Brruchfläche guter g und scchlechter Scchnitte unte erscheidet ssich durch die Glätte gen zun bzw. diee Unregelmäßigkeiten der d Schneid dkanten. Eine Übersichtt über gäng ige Schneideverfahren bietet Abbildun ng 89.

Abbildung g 89 Verfahren n zum Glasschneiden.

93

Das am m Häufigsten verwende ete Schneid deverfahren n für Flachg glas ist Ritzzen mit gehärteten Schneidrädern ode er Diamante en mit anscchliessendem m Brechen. Durch das Entlangfüh hren des er die Schnittlinie entssteht ein feiner Spalt im Glas. Es gibt nur einen eng Glasschneiders übe ddruck, der die beste SSpaltwirkung erzeugt. Die D Kerbe reeduziert die e Zugfesbegrenzzten Schneid tigkeit eenorm. Entlang des Schnitts entsttehen beide erseits Begleitsprünge, die beim StahlradS schnitt sehr gut sicchtbar sind. Beim Ritzeen entsteht Glasstaub, von dem eiin Teil in de en, durch eug geöffne eten Spalt fä fällt. Folglich h kann sich dieser nich ht mehr vollständig das Schneidwerkze ht unter Spa annung. Das Rissspann nungsspitze enfeld (s. schließeen, bleibt also aufgekeilt und steh Kapitel Bruchmechanik) reicht sehr tief in n das Glas hinein. Der entstehende e e Spalt, desssen Tiefe ende Spann nungsfeld errmöglichen eine leichtee und saube ere Trenund dass den Bruch unterstütze nung dees Glases. Das D Spannu ungsfeld kaann spannu ungsoptisch sichtbar geemacht we erden. Es geht jed doch nach kurzer k Zeit zurück und d verliert seine Wirksam mkeit, da d er eingekeilte Glasstaub zu weiteren feinsten Ab bsplitterung gen an den oberen Kan nten des Scchnittspaltes führt alter Schnittt bricht sch hlecht, nach h einigen TTagen oder Wochen der Schnitt wird „kkalt“. Ein ka upt nicht mehr. m Es musss daher im mmer sofort gebrochen werden, soolange die Spannunüberhau gen den n Trennvorgang noch un nterstützen .

Abbildung g 90 Bruchfläcche und Kerbe an einer Oberrfläche verursa acht durch eine en Glasschneidder.

Schneidflüssigkeite en wie Terpentinöl, Pettroleum ode er Wasser kann die Treennbarkeit erheblich e üssigkeit bin ndet alle Glaassplitter und kann au uch bis in d ie Tiefe dess Spaltes verbesseern. Die Flü eindring gen und Glasstaub tra ansportieren n, was zu einem e stärk keren und läänger beste ehenden Spannungsfeld füh hrt. Schneid dflüssigkeiteen bewirken eine saubere Schnitttführung, besseres ertem Schne eidruck, wass Diamanten oder Rädcchen schontt. Bei Petrole eum sind Gleiten bei verringe eich von 40- 60 N. übliche Schneiddrücke im Bere s aals dickes, da d der aufgewendete D Druck geringer sein, Dünnes Glas ist schwerer zu schneiden eies Schnitt bild erzielt werden mu uss. Für Dü nnglas werrden aus aber deennoch ein einwandfre diesem Grund Diam mantglassch hneider verw n weniger Druck D als wendet, da mit einem Diamanten mit Stah hlrädchen ausgeübt we erden muss.. Glasschneiden mit Wasserstrahl Beim W Wasserstrahlschneiden wird Glas d durch einen n feinen Ho ochdruckwassserstrahl getrennt. g Der Stra ahl tritt aus einer 0.1-0.6mm Düsee mit einem m Druck von bis zu 4000 0 bar und einer e Geschwind digkeit von bis zu 1000m/s aus. Deem Wasser wird w zur Erh höhung der Schneidleistung ein Abrasiv wie z.B. Korund (Al2O3) zugesetzt (Abbildung 91). Im Prin nzip wird alsso ein Schlittz in den off geschlifffen, was zu einer sehr g guten Oberflächenqualität der Sch hnittfläche führt. Es Werksto lassen ssich beliebig ge Formen und u sogar B ohrungen schneiden. s Zudem Z ist d as Verfahre en geeignet, um sehr dicke Glaslaminat G te präzise zu u schneiden n.

94

Abbildung g 91 Prinzipskizze einer Wasserstrahlmascchine und wassserstrahlgesch hnittenes VSG G.

Glasschneiden mit Laser Lasersch hneiden von n Glas unterrscheidet sicch grundsättzlich von Laserschneidden bei Metallen, da der Laseerstrahl nich ht verwende et wird, um das Materia al aufzuschmelzen. Es iist vielmehrr die Aufspaltung des Mate erials durch eine Komb bination von n Erwärmung und Abkkühlung. Da azu wird m einem LLaserstrahl erwärmt, e was w zu Druckkspannunge en in der zunächsst die Glasflläche lokal mit Oberfläcche ohne Scchäden führt. Erst durcch lokale Kü ühlung durcch Luft an dder Schnittlinie entstehen hohe Zugspannungen auf der O berfläche in nfolge hohe er Temperaaturgradientten, was eibt. Es wird auch als Zeero-Width Cutting C Tech hnology (OW WCT) bezeicchnet, da einen Riiss vorantre Einläufee und Ausbrrüche vermieden werdeen. Es entstteht also kein Glasstau ub und die BruchfläB chen weeisen eine exzellente Oberflächenq qualität auff. Dies führt zu höherer Bruchfestig gkeit von Bauteileen bei gleich hzeitiger Red duzierung d der Kosten für f Kantenb bearbeitungg (vgl. Abbild dung 92). Mit diessem Verfahrren können Glasdicken von 0.05-10 0mm präzise e geschnitteen werden. Mit dem Verfahreen können Gläser G auch graviert, bzzw. Bohrung gen ausgefü ührt werden n.

Abbildung g 92 Laserschn neiden von Gla as.

5.3. Schleifen n und Polieren Schleifeen und Polie eren war frü üher bei derr Spiegelglasherstellung der wichttigste Arbeittsschritt, z optisch einwandfrei e iem Spiegellglas zu kom mmen. Vor der Einführrung des um von Walzglas zu w Glässer in autom matischen SchleifS und d Polierstrasssen oder im TwinFloat-Veerfahrens wurden Verfahreen teilweise e kontinuierrlich bearbeeitet. Dabei kommen fo olgende Zussatzmittel zum z Einsatz: Schleifm mittel: Quarzzsand (SiO2),) Korund (A l2O3), Karborundum (SiC C) Poliermittel: Polierrrot (Fe2O3), Diamant, D Bim mssteinmeh hl, Kork, Zirk konoxid, Cerroxid

95

Da beim m Schleifen die harten Schleifmitttel kleine Te eile aus dem m Glas heraausreissen, entsteht viel Wärme, die durch Kühlung mit Wassser abgeführt werden muss. m Die Scchleifmittel müssen z schleifende Materiall, wie in Tab belle 13 darge estellt. härter sein als das zu Tabelle 133 Übliche Schle eifmittel für Glas.

Mineral

Härte H (Mohs)

Abso olute Härte

Vickershäärte [HV]

Korund

9

1000 0

2060

Diamant

10 0

140.000

10.060

Siliziumkarrbid

9

2600

Kalk-Natronglas

6-7

400

önnen auch mit Ton, Ku unstharz, Gu ummi oder Metallen in n Scheibenfo orm oder Die Schlleifmittel kö auf Bändern gebun nden sein. Verschiedenee Körnungen im Bereich von 40-40 00 (Siebnum mmern = aterialabtrag. Glasschleeifen ist ein traditioMaschen/Zoll) führren zu unterschiedlich sstarkem Ma Glashandwerk, das bereits von den Römern gesschätzt wurde. nelles G

5.3.1. Kante enbearbeitung Bei Flachglasprodukten für dass Bauwesen n ist bekannt, dass schle echte Glaskkanten die Festigkeit uteile herabsetzen. Die durch das Schneiden verletzten Kantenober K rflächen kön nnen bei der Bau pannten Glä äsern sogar zum Bruch während des d Vorspannens führen n. Aus diese en Grünvorgesp den ist ffür fast alle Anwendungen eine Naachbehandllung der Kanten notweendig. Dies wird w maschinell mit Korund d oder Diamant besetztten Werkzeu ugen durchg geführt (Tabbelle 14). Tabelle 14 4 Kantenbearb beitung DIN 124 49-11.

Benennu ung

Kurzz-

Be eschreibung

Zeich hen Geschnittten

KG

Ge eschnittene, unbearbeite ete Glaskantee mit scharfka antigen Ränd dern. Quer da azu Wallnerliinien.

Gesäumtt

KGS

Mit M Schleifwerrkzeug gebrrochene, bzw w. gefaste Scchnittkante

Massgeschlif-fen n (Justiert))

KMG G

Au uf Mass gesc hliffene Sccheibe. Kann noch Ausmuschelungen n aufweisen

Geschlifffen (Feinjusttiert)

KGN N

Ga anzflächig geeschliffene Ka ante, die auch h gesäumt se ein kann

Poliert

KPO

Überpolierte, ffein gescchliffene Kantte. Poliersp puren sind zu ulässig.

5.3.2. Boh hren Neben d den bereits erwähnten n Bohrmeth oden auf Laser oder Wasserstrah W hl, besteht die d Möglichkeit mit rotiere enden Werkzeugen zu u bohren, die d prinzipie ell in die TTiefe schleiffen. Das mittel kann entweder wie w beim Scchleifen zug gegeben we erden oder ggebunden sein, s wie Schleifm 96

bei Diam mantwerkze eugen. Wie beim Schle ifen sind Kü ühlmittel wie Wasser, PPetroleum oder o Terpentin n notwendig, um die entsstehende W Wärme abzufführen.

Abbildung g 93 Untersch hiedliche Bohrer für Glas: Zw wei-/Dreikanttbohrer, Hohl- und Segmenntbohrer (von links nach rechts).

5.4.. Oberfläcchenbearb beitung Glasobeerflächen kö önnen mit einer e Vielzaahl von Verffahren vere edelt werdeen, die entw weder im erstarrteen oder viskosen Zusta and durchg eführt werd den und Ma aterialabtra g oder Stofffauftrag beinhaltten (s. Abbiildung 94 Übersicht Ü üb ber Oberflächenverede elungsverfah hren für Gla as.). Verfahren, die im viskkosen Zusta and durchgeeführt werd den, wurden bereits b ei der Form mgebung eser Stelle V Verfahren fü ür erstarrten n Zustand im m Vordergrrund steberücksichtigt, wesshalb an die hen.

A Abbildung 94 Übersicht Ü über Oberflächenv veredelungsverrfahren für Glaas.

5.4.1. Matterialabtra ag n, Gravieren und Schleiffen wurden bereits beh handelt. Beim m Sandstrah hlen wird Abrasiv A in Polieren einen D Druckluftstro om gemisch ht und gegeen die Glaso oberfläche geführt. g Einee matte, rau ue Ober97

fläche isst das Ergeb bnis. Durch vorheriges Abdecken können k Muster erzeuggt werden. Beim B Eisblumierren ist eine sandgestra ahle Oberflääche der Au usgangspunkt. Auf diesse wird eine e 1-2mm dicke Kn nochenleimschicht aufg getragen. D Durch die miit der Trockn nung einhe rgehende Schrumpfung entstehen starke Spannungen, die zu u Rissen in der d Leimschicht und Abbplatzungen n führen. aftung an der Glasoberrfläche werd den beim Ab bplatzen kleeine Glasstü ücke ausDurch eeine gute Ha gerissen n, die einen muschelige en Bruch haaben. Zuletzzt werden nicht abgepl atzte Teile abgewaa schen u und es bleib bt an diesen n Stellen di e matte, sa andgestrahltte Oberfläcche zurück. Die Auftragsrichtung des Leims L entsch heidet über die Musterung, die an Eisblumen eerinnert. g wurde ebeenfalls bereits im Rahm men der Gla schemie un nd KorroDer chemische Matterialabtrag handelt und d stellt eine en Angriff d durch Flusssäure dar, bei b dem Flu uorwassersttoffsäure sion beh das SiO2 Netzwerkk auflöst un nd es zu SiFF umwande elt. Technologisch wirdd diese Behandlung nt und wird d zur Entspiegelung du urch die StrukturieFeinätzeen oder Seidenmattierung genann rung der Oberfläche angewand dt.

5.4.2. Che emisches Vorpannen V n annen ist eine chemiscche Oberfläcchenmodifikation, die aauf Ionenau ustausch Chemiscches Vorspa basiert. Dabei werd den kleine Natriumione N en an der Oberfläche biis zu 0.1mm m Tiefe durch h grösseum ersetzt. Dies gesc hieht durch h stundenla anges lage rn in Kaliumnitratre Ionen wie Kaliu 400°C. Nach h der Abküh hlung üben die grösserren Ionen D Druck auf da as umlieSchmelzze bei 300-4 gende N Netzwerk au us und es en ntsteht einee hohe Drucckspannung g mit bis zu 500MPa, allso mehr als dreimal so hocch wie bei thermischer t r Vorspannu ung (s. Abb bildung 95 V Vergleich der Spanhermisch un nd chemisch h vorgespanntem Glas.)). nungsveerläufe in th

Abbildung g 95 Vergleich der Spannung gsverläufe in tthermisch und chemisch vorg gespanntem G Glas.

Da dieses Verfahre en aber seh hr aufwendiig und teue er ist, wird es nur für Spezialgläser angeM thermisch vorgespanntes Glas zzusätzlich chemisch wandt. Es besteht auch die Möglichkeit pannen. Eine e weitere Möglichkeit M zzur Steigeru ung der Vorrspannung ist ein zweistufiges vorzusp bei höherer Temperatu ur kleinere IIonen ausge etauscht Austausschverfahren, bei dem zunächst b werden die das Glasnetzwerk im i Oberfläcchenbereich verändern. In einem w weiteren Sch hritt weronen bei ge eringerer Teemperatur durch Ionen mit grosssem Radiuss ausgeden, dann diese Io werkes stattffindet. Gläseer, die in ein nem soltauscht,, ohne dass eine Modiffikation dess Glasnetzw chen Do ouble Ion Ex xchange Verfahren vorg gespannt werden, w sind d auch bei h höheren Tem mperaturen deuttlich stabile er als einfach h vorgespan nnte.

5.4.3. Stofffauftrag Die einffachste Art des Stoffau uftrags auf G Gläser ist deren Beschichtung (Cooating). Sie kann sowohl deekorativen Zwecken Z die enen als au ch funktion nelle Aufgab ben zum Sc hutz des Gllases vor mechan nischen und d chemischen Belastu ngen haben (Verbesse erung der Kratzfestigkkeit, des 98

Berstschutzes, Splitterbindung). Der Stoffauftrag kann durch Pinsel, Walzen, Spritzen oder ähnliches erfolgen, aber auch im Digital- oder Siebdruckverfahren aufgebracht werden, um spezielle optische Effekte zu erzielen. Ganz ähnlich ist das Aufbringen von Kunststofffolien für unterschiedlichste Zwecke. All diese Beschichtungen sind jedoch nicht kratzfest oder witterungsbeständig. Deutlich resistenter sind eingebrannte Farben. So können zum Beispiel über Siebdruckverfahren keramische Emailschichten aufgedruckt werden. Das kann zum Beispiel vor dem thermischen Vorspannen erfolgen. Durch die Erwärmung wird das Email auf das Glas aufgeschmolzen und verbindet sich fest mit der Glasmatrix. Kratzfeste und witterungsbeständige Schichten von 10-100 μm Dicke aus transparenten, farbigen und opaken Materialien sind auf diese Weise möglich. Durch die Emaillierung verringert sich die zulässige Biegefestigkeit von ESG jedoch von 120 auf 70MPa. Ausserdem kann, je nach Farbgebung, eine Zone mit hoher Absorption zu lokaler Aufheizung durch Sonnenstrahlung und damit zu erheblichen lokalen Eigenspannungen infolge Wärmedehnungen führen. Dunkle Farben bei der Gestaltung von Scheiben in einer sonnig exponierten Lage sollten also vorsichtig eingesetzt werden. Durch Beschichtungen mit Metallen und Metalloxiden können die optischen Eigenschaften von Gläsern stark beeinflusst, sowie Oberflächen mit neuer Funktionalität geschaffen werden. Beschichtungsmedien sind Metalle, deren Legierungen und -oxide, sowie organische Materialen. Es gibt eine grosse Anzahl von Beschichtungsverfahren, die man grob einteilen kann in: •

On-line/Off-line Verfahren: Beschichtung der oberen, (noch) heissen Glasfläche während des Herstellungsprozesses / nach der Herstellung.

•

Chemische Beschichtungsverfahren: Beschichtungen durch chemische oder pyrolytische Reaktion der Beschichtungsmedien (meist Metalloxide) auf der heissen Glasoberfläche. (Nass-chemische Beschichtung, Sol-Gel-Beschichtung, Beschichtung aus der Gasphase, Sprüh- und Pulverbeschichtung).

•

Physikalische Beschichtungsverfahren: Beschichtungsmedien werden durch Erhitzen verdampft und auf der Glasoberfläche niedergeschlagen oder mittels Kathodenzerstäubung (Sputtern) im Vakuum auf der Glasoberfläche kondensiert.

Chemische Beschichtung Bei der pyrolytischen Beschichtung werden flüssige Metalloxide in der Floatkammer auf das heisse, noch flüssige Glas gesprüht und eingebrannt. Bei diesem On-line Verfahren entstehen sogenannte Hardcoatings, da die Beschichtungen eine extrem hohe mechanische und Korrosionsbeständigkeit haben können. Beispiele sind reflektierende Metalloxide für Sonnenschutz, emissionsmindernde Zinnoxidbeschichtungen zum Wärmeschutz oder Titanoxidschichten zur Selbstreinigung. Eine andere Möglichkeit zur chemischen Beschichtung ist das Sol-Gel-Verfahren, bei dem die Gläser in Flüssigkeiten mit metallorganischen Verbindungen und Metalloxiden getaucht werden. Metallorganische Verbindungen sind Verbindungen von Metallen mit organischen Resten. Auch andere Verfahren zum Aufbringen der Flüssigkeiten wie schleudern, fluten oder sprühen sind bei diesem Offline-Verfahren möglich. Das aufgebrachte Beschichtungsmaterial haftet auf der Oberfläche und geliert bei der Trocknung. Durch tempern oxidieren die metallischen Bestandteile und die organischen werden durch Pyrolyse entfernt. Beispiele sind poröse SiO2 Schichten zur Entspiegelung oder abwechselnde Sol-Gel Beschichtungen mit niedrigbrechendem SiO2 und hochbrechendem TiO2 für Interferenzfilter zur Entspiegelung und zur Erzeugung von Farbeffekten.

99

Abbildung g 96 Prinzip de er Sol-Gel Bescchichtung.

Physikalische Besch hichtung: Sp puttern Das fürr Glas men ngenmäßig üblichste B Beschichtun ngsverfahren ist das M Magnetronssputtern, ebenfalls ein offlin ne-Verfahren n. Beim Spu uttern werd den Atome aus einem Festkörper (Target) Beschuss mit energiere eichen Edelg gasionen herausgelöstt, gehen in die Gaspha ase über durch B und sch hlagen sich auf der Oberfläche de s Glases nie eder – beschichten es also. Beim Magnetronsputttern sind hinter dem Target T Mag nete angeordnet, die dem d elektrisschen Feld ein e magnetischees überlagern. Dadurch h werden diee Ladungsträger auf Spiralbahnen abgelenkt, wodurch w sich die Zahl der Sttöße erhöht. Das effekttiv höhere Io onisierungsv vermögen dder Elektron nen führt g der Edelga asionenzah l und somit auch der Sputterratee. Da mehrr Targetzu einer Erhöhung hem Proutlich höheren Beschicchtungsrateen bei gleich Material zerstäubt wird, führt dies zu deu herum kann bei gleicheen Wachstu umsraten de er Prozessd ruck um biss zu einzessdruck. Andersh ger sein, alss beim konvventionellen n Kathodenzzerstäuben. Das führt zu z wenihundertt Mal gering ger Streeuung des Materials M au uf dem Weg g zum Glas und zu ein ner dichtereen, weniger porösen Schicht. Man kann Metalle, Le egierungen und Oxide sputtern. Durch zugeseetzte Reaktiionsgase uerstoff ode er Stickstoff (H2, S2, CH H2, CH4) können Oxidb beschichtun g realisiert werden. wie Sau Möglich h sind Mettalle (Al,Cr,G Ge,Au,Fe,Ni,,Pa,Pt,Ag,Ta,W), Legierungen (Al-C Cu-Si,CoCu,Al-Si,Al-C Fe,Co-Ni,Fe-Ni,Co-N Ni-Cr,Ni-Cr,T Ti-W,Gd-Co),, Oxide (Al2O3, BaTiO3, PbTiO3, CeO2, IN2O3-SnO2, LiNbO3, O,Ta2O3,TiO2, ZrO2, HfO2…..) … und vielees mehr. SiO2, SiO

Abbildung g 97 Magnetron-Sputterdep position mit R Reaktionsgasen. 1 Argonione en; 2 Reaktionnsgas; 3,5 hera ausgelöste Target-Attome; 4 Reaktionsprodukte.

Meist w werden mehrere nm-diccke Schichteen mit unterrschiedlicher Funktionaalität hintere einander aufgebrracht. Man redet r hier vo on einem so oft-coating.

100

6. Gla asprodukte Glas findet sich in unterschied u dlichster Forrm am Bau: Als Glassch heibe, -lamin nat oder Me ehrscheiG), als Walzg glas, Betong glas oder zur Isolation als a Glaswollle oder Scha aumglas, benisolierglas (MIG uch vereinze elte Anwendungen von n Glasfaserrkunststoffe en (GFK), alsso Faserglas finden aber au sich. Zunächst wird d in diesem Kapitel auff unterschiedliche monolitische Flaachgläser eingeganK n zu Laminaaten oder Issolierglas besprochen w wird. Ansch hliessend gen, bevvor deren Kombination werden Walzglas und u Betong glasproduktee dargestellt und Fase er- sowie Scchaumglasp produkte gezeigt..

6.1. Monolith hische Fla achgläserr 6.1.1. Spieg gelglas Die gebräuchlichste e Glasart istt Kalk-Natro on-Glas, also ein Alkali--Erdalkalisil ikatglas, dessen Zunsetzung und Modifika ation im Kaapitel Glasch hemie betra achtet wurdde. Für architektonisammen sche An nwendungen interessa ant ist der Unterschied d zwischen dem üblicchen, grünsstichigen Floatgla as und Weisssglas. Bei Weissglas W istt der Eiseno oxidanteil durch eine s orgfältige RohstoffR wahl red duziert (che emische Enttfärbung) un nd zusätzlicch ist es phy ysikalisch m it den Glassmacherseifen C Co2+ und Se e entfärbt. Das D Ergebni s ist ein pra aktisch farbneutrales G Glas für optisch relevante Anwendunge en. Der Grün nstich des n normalen Flo oatglases macht m sich bbesonders be ei dicken d Braandschutzglasaufbaute en, Sicherheeitsglas (Pan nzerglas) Gläsern bemerkbarr, wie z. B. dickeren haufenster oder o Anwen ndungen m mit erhöhter Lichtdurchlässigkeit, dda die Transsmission und Sch von Weeissglas höh her ist als die d von Floaatglas (Abbildung 98). Eine 19mm m Dicke Scheibe aus Weissglas weist 89% Transmisssion gegen über 81% be ei klarem Flo oatglas auf.

Abbildung g 98 Transmissionsspektren von Weissgla s und Floatgla as.

6.1.2. Schutzglas Gläser b bieten transsparenten Schutz S im B Brandfall od der gegen io onisierende Strahlung. Für den Brandfa all sind Glässer notwendig, die ein e hohe Tem mperaturwe echselbestän ndigkeit aufweisen. Sie müsssen Flammen- und Rauchdurchtriitt verhinde ern und solltten auch nooch bei hohen Temperatureen formstab bil sein und Transparen nz behalten.. Zudem dürfen sie bei hohen Tem mperatur101

gradientten nicht ve ersagen, wie sie zum B Beispiel beim m Einsatz vo on Löschwaasser entste ehen. Für diese Zw wecke werd den meist Borosilicatglääser verwen ndet, aber auch a Alumoosilicatglas kann für den Brandschutz eingesetzt werden. w Da d die Gläser transparent t bleiben un nd sich starkk aufheider Wärmed durchgang durch d Strah hlung signifikant. zen, ist d Strahlen nschutzverg glasungen bestehen b meeist aus Bleiglas und ha aben Bleioxxidanteile vo on bis zu 65% PbO O, was zu einer e hohen Dichte füh rt. Die Gläser weisen eine e hohe T ransparenz auf und bieten SSchutz gege en ionisieren nde Strahlun ng. Bei Strah hlenschutzg glas wird diee Schutzwirrkung als Bleigleicchwert ange egeben: 10m mm Glas mitt Bleigleichw wert 32% en ntspricht 3.22 mm Blei.

6.1.3. Vorgespannte Gläser Prinzipieell können alle Gläser (Floatglas, Gussglas, Walzglas…) W vorgespann v nt werden, wodurch w die resu ultierende Festigkeit F stteigt. Mechaanische Bea arbeitung isst nach dem m vorspannen nicht möglich h, da Störun ngen der Eig genspannun ngen durch bohren ode er schleifen zum Bruch h führen. Man unterscheiden n unterschie edliche Arten nnter Gläserr: n vorgespan Einscheiben-Sicherheitsglas (E ESG): Durch h hohe Abkkühlgeschwindigkeiten werden be ei bis zu 12mm d dicken Scheiben grosse e Eigenspan nnungen im m Bereich vo on bis zu 1220MPa erreicht. Das führt zu u Biegefestig gkeiten die 5mal so gro oss wie bei normalem Glas sind. D Dadurch we erden die Scheiben beständig g gegen Temperaturw wechsel und schlagfest (z.B. Hagel schlag) hab ben aber ndliche Kanten. Für no ormales Gla as kann man 20MPa aangesetzen, für ESG auch scchlagempfin 120MPa, für emaillliertes ESG G 75MPa un nd für ESG aus Ornam metglas/ geezogenes Flachglas F 90MPa. gespanntes Glas (TVG): Durch einee geringere Abkühlgesc A hwindigkeitt entstehen n geringe Teilvorg Eigensp pannungen im Bereich von 50MPa und grösse ere Bruchstücke. Als Gllaslaminat verarbeiv tet, weist der Verbund eine hö öhere Resttrragfähigkeitt der gebrocchenen Sch eibe für Gla asdächer VSG aus ESG G. Dies ist au uf grössere B Bruchstücke e zurückzuführen. auf als V Chemiscch vorgespanntes Kalknatronglass: Durch Ionenaustausschprozessee werden DruckvorD spannungen erzeug gt. Ab Scheibendicken von unter 3mm 3 ist the ermische Voorspannung gen nicht möglich, da die d Temperaturgradientten nicht me ehr ausreich hen. Hier bieeten sich chemische mehr m Vorspan nnung an. Bei gekrüm mmten Scheeiben mit kleinen k Krüm mmungsraddien kann Floatglas F auch ch hemisch vorrgespannt werden, w weenn diese Gläser G aufgrund ihrer Geometrie nicht in Vorspan nnöfen vorg gespannt we erden könneen. In Abbiildung 99 isst die Spann nungsverteiilung über die d Glasplatttendicke voon thermiscch vorgespannteem Glas info olge einer Biegebeansp B pruchung M dargestellt. Die zum Bruch führrende resultierende Zugspannung an der d kerbbehaafteten Glasoberfläche ist um den Wert der DruckvorD spannung kleiner als a die Zugsspannung aaus der Bieg gebeanspruchung. Die Druckspannung an enden Glaso oberfläche w wird um den Wert der Druckvorsppannung verrgrößert. der gegenüberliege ung führt jed doch wegen n der hohen Druckfestig gkeit von Gllas nicht zum m Bruch. Diese Druckspannu h Zug gspannungeen im Glasin nneren weg gen, im Allggemeinen, fe ehlender Ebenso sind auch höhere oblematisch h wie an deer Glasoberffläche. Es kö önnen jedocch auch Defekte im Kerben nicht so pro nden sein, die zum Brucch führen. Glasinneren vorhan

102

Abbildung g 99 Überlage erter Spannung gszustand für vvorgespannte Scheiben unte er Biegung.

Das Bru uchbild eine es nicht vorgespannten n Glases inffolge eines punktförmiigen Aufpra alls zeigt radial vo om Bruchvo organg ausg gehende Rissse. Bei Erhöhung der Schlagkraftt steigt die Zahl der Risse an n. Es entsteh hen dolchförmige, schaarfe Fragmente, die zu einem e sehr hohen Verle etzungsrisiko fü ühren (s. Tab belle 15 Verg gleich unterrschiedlich vorgespann v mgegenter Glaspro dukte.). Dem über ist das Bruchb bild eines th hermisch vo orgespannten Glases durch eine ggroße Zahl sehr s kleigmente (0.55 – 1 cm) gekennzeich net. Das Brruchbild kom mmt durch die laterale Spanner Frag nungsveerteilung un nd durch die enorme B Bruchbeschleunigung eines e einmaal eingeleite eten Bruches durch die Zug gspannungen im innereen der Scheiibe zustande. Das Verleetzungsrisikko ist miAllerdings führt der sicch innerhalb b von Bruch hteilen eine er Sekunde ausbreitend de Bruch nimal. A zur sofo ortigen Erblindung des Glases. G Dah er darf ESG als Frontsch heibe im Au utomobil niccht mehr eingesettzt werden. Tabelle 155 Vergleich untterschiedlich vorgespannter Glasprodukte.

Keine V Vorspannun ng

Teilvorgesspanntes (TVG)

Glas

Einscheiben n Sicherheitts Glas (ESG)

Spitze SSplitter; Glassschwerter

grosse Spliitter, nicht so o spitz  Resttragfä higkeit als La aminat

Krümeliger BBruch erhö öhter Verletzungssschutz

-

Druckvorsp pannung 50M MPa

Druckvorspaannung 120M MPa

Prüfbieegezugfestigkeit 45MPa Temperaturwechse elbeständigkeit 30-40 0K

Prüfbiegezzugfestigkeit (5% Fraktile) 70 0MPa Tempe eraturwechsel-beeständigkeit 100K

Prüfbiegezuggfestigkeit (55% Fraktile) 120M MPa Temperaturwechsel-besständigkeit 20 00K

Spontan nbruch von Glas kann durch d Partikkeleinschlüssse im Bereich der Zugsspannungen ausgelöst werrden. Gefährlich sind Einschlüsse, die einen kleineren the ermischen A Ausdehnung gskoeffizienten als das Glass haben (s. Abbildung A 10 gekehrten Fall reisst deer Einschlusss einfach 00). Im umg nur von der umgeb benden Glassmatrix ab. Das Problem tritt im Zusammenh Z hang mit re ecycelten en auf. Dün nne, zu De wecken auf fgebrachte Al-Folien ha aften fest Scherbe korationszw auf den Scherbeen. Sie reagie eren über 4A Al + 3SiO2  3Si + 2Al2O3 und erzeu ugen Si-Tröppfchen beim m Abkühlen, also o feste kuge elförmige Einschlüsse m mit  = 3·10-66 K-1. Alterna ativ kann Al uminium mit m Eisen-6 -1 oxid zu Eisenausscheidungen führen. Diee umgebend de Glasmatrrix hat  = 9.5·10 K . Glas mit urch eine Q Qualitätskontrolle sicher erkannt u und aussortiert wersolchen Einschlüssen muss du nnungsüberhöhung erg gibt sich zu den. Diee lokale Span 3

 tan

103

3

(   Glas )  T C r  r      0  ; rad  C   0  ; C  Stone . 1   Stone 1  Glas 2 r r   2EGlas 2 EStone

Abbildung g 100 Spannun ngsbild um ein nen Einschluss unter Drucksp pannung.

ESG neigt zusätzlicch zum Spon ntanbruch o ohne äußere Lasteinwirkung, was auf unverm meidbare ulfid-Einschlüsse (NiS) zurückgeht. z . Diese expa andieren durch Phasenu umwandlun ngen von Nickelsu -NiS zu u -NiS. Die damit verb bundene Au sdehnung führt f zu einem schlagaartigen Brucch (Spontanbrucch) im hoch zugvorgespannten In nenbereich von ESG. Das D ebenfal ls thermisch vorgespanntee TVG ist we egen der ge eringeren V orspannung g nicht spon ntanbruchggefährdet. CharakteC ristisch für das Brucchbild einess Spontanbrruchs ist die e Schmetterlingsform aausgehend vom v NiSung 101). Sp pontanbruch hgefahr bessteht bei so onnenbesch hienenen Fa assadenEinschuss (Abbildu beschichteten Gläsern mit hoher Energieabssorption. scheiben aus ESG, also gefärbten oder b agerungstesst (Heat Soaak Test) kan nn die Spontanbruchgeefahr reduziert werDurch eeinen Heißla den. Dazu wird Gla as bei 290°C ca. 8 Stu nden gelag gert, um die e Phasenum mwandlung der NiSüsse zu besschleunigen. Gläser mi t NiS-Einschlüssen geh hen bei die sem Test zu Bruch, Einschlü noch heeiles ESG wirrd als ESG-H H gekennzeicchnet.

Abbildung g 101 Glasbruch durch einen Nickelsulfideiinschluss.

6.1.4. Beschichtete Gläser Beschich htungen erllauben es, Gläsern G zusäätzliche Fun nktionalität zu geben ooder optisch he Eigenschaften n zu optimieren. Durch h Aufbringe n einer Schicht mit hoh her Brechzaahl lässt sich h der Reflektionsgrad erhöhen. Besonders wirksaam, zur gezzielten Beeinflussung vvon Scheibe eneigenn, sind nm-d dünne Meta allschichten n. Metalle sind im Prinzip für Strah lung undurchlässig, schaften da das ffreie Elektronengas sehr stark mit d dem elektro omagnetisch hen Feld weechselwirkt. Dies gilt aber nur bis zu einer oberen Frequenzgreenze nP, der sog. Plasma afrequenz, bbis zu der das Elektas den Schw wingungen zu z folgen veermag. Oberhalb von nP wird auch Metall tran nsparent. ronenga Für Mettallobjekte liegt nP bei 30 3 – 100 nm . Die Plasma afrequenz bzw. b ihr Äqu uivalent, die Plasmakante P = c/nP, ist eine Funktion des ele ktrischen Oberflächenw O widerstandees also der Flächendichte d der Elektronen in Strahlungsrichtu ung. Mit dün nner werdenden Schich hten verschiebt sich P zu im mmer höhere en Wellenlä ängen. Zugleeich wird, wie w im Kapittel über optiische Eigenschaften von Gläsern erklärt, die Kante weniger w steeil. Eine Ag-S Schicht von 8, 11, 14 nm erzeugt Tra ansmissi104

onsgrad de T > 80 % für  < 940 0, 730 bzw. 605 nm. Schiebt sich die d Kante in n den sichtb baren Bereich, so o entsteht ein e Farbeind druck, was i n der Archittektur weltw weit genutzzt wird. Für Infrarotlicht und durchlässige Beschichtungen schü ützen Innenräume vor dem d Aufheizzen im Sommer und reduzierren gleichze eitig die Wä ärmeverlust e im Winter, ohne die Durchsichtiigkeit wesentlich zu beeinträ ächtigen (selektive Glä äser). Neueere Entwickklungen erm möglichen sschaltbare, elektrochrome Beschichtungen, Antischmutz- od der Entspieg gelungsschicchten.

6.1.5. Wärme- und Sonnenscchutzgläse er S tzgläser weerden haup ptsächlich Gold, G Silber und Kupfer als BeFür Wärme- und Sonnenschu ungsmateria alien verwendet. Diese weisen ein hohes Transmissionsveermögen im m Bereich schichtu des sich htbaren Lich hts und ein hohes Refl ektionsverm mögen im Infrarotbereeich auf. Diie Eigenschaften n von Wärm me- und Sonnenschutzg gläsern werd den durch fo olgende Fakktoren angegeben: W Wärmedurcchgangskoeffizient (Ug--Wert): Gibtt an, wie viel Energie in W/(s·m2) bei einem d dT von 1K ve erloren gehtt.  klein fü r geringen Wärmeverlu W ust (DIN EN 673) G Gesamtenergie-Durchlassgrad (g--Wert): Gibtt an, wie viel v Energiee der auftre effenden SSonneneinstrahlung durch die Veerglasung ins Rauminnere gelan ngt. 2 Teile: Direkte SStrahlungsttransmission n und sekun ndäre Wärm meabgabe au us der Abso rptionserwä ärmung SShading Co oefficient (b b-Faktor): Q Quotient de er g-Werte von unbesschichtetem m zu besschichtetem m Glas.  Mass M für die SSonnenschu utzwirkung SSonnenabso orptionsgrad: Anteil deer Sonnensttrahlung die von der SScheibe auffgenomm men wird.  ab 50% so ollte Glas vo orgespannt sein s (Schlag gschatten). LLichttransm missionsgrad d (LT-Wert): Prozentualer Anteil de er Sonnensttrahlung im VIS, der vvon aussen nach innen durchgelasssen wird SSelektivitätskennzahl S: S Verhältni s von LT/g.  Bewertu ung einer V Verglasung in i Bezug a auf Lichtdurrchlässigkeit. Wärmesschutzglas lässt Sonne enlicht im sichtbaren Bereich pa assieren, refflektiert jed doch die langwelllige Wärme estrahlung aus dem R Rauminneren (Abbildun ng 102), dam mit wenige er Raumwärme durch Absttrahlung verloren gehtt und im Winter W viel Heizenergie H eingespart werden Wärmeschuttzglas musss also im ssichtbaren Bereich B (400-800nm) hohe Transsmission kann. W bzw. kleeine Reflektion aufweissen und im Infrarotbereich 1-20m hohe Refleektion bzw.. geringe Transmission. Ein typischer t mehrschichtig ger Aufbau für ein Low w-E-Glas (Loow Emissivitty Glass) beschichtun ng ist in Abb b mit Wärmeschutzb bildung 1033 gezeigt. Die Zinnoxid schichten bewirken g der Silberschicht und d dienen gle eichzeitig als Oxidatio nsschutz und Hafteine Enttspiegelung vermittller. Werte eines e so be eschichteten n Glases sin nd: Lichtdurrchlässigkeiit (TL-Wert) 78-81%; Gesamttsonnenenergie-Durchlassgrad (g-W Wert) 60-64 4%.

Abbildung g 102 Intensitä ätsverteilungen der Schwarzzkörperstrahlu ung bei 6500K und Zimmerteemperatur (lin nks), sowie Transmisssionsspektren unterschiedlicch gefärbter G Gläser.

105

Sonnenschutzglas hingegen soll s die Einsstrahlung im sichtbare en Bereich begrenzen und die nahen IInfrarotante eile des Son nnenspektru ums reflekttieren. Für diese Zweccke wird Silber (Ag) (Trösch Silverstar) als a 10nm dicke Schichtt eingesetzt. Im Wärme eschutzfall iist es im sicchtbaren ektierend, dafür im Inffraroten. Die Verdoppe elung des S ilberschichttsystems Bereich kaum refle n die Sonnen nschutzfunkktion, erhöh ht die Reflek ktion im sich htbaren Bereich und verbesseert dagegen steigert die im Infra aroten noch h. Die übrigeen Schichten dienen de em Schutz dder Silbersch hicht vor on, der Haf ftungsverbe esserung od der der Ent spiegelung sowie der Farbneutra Oxidatio lität der Funktionsgläser. De er in Abbild dung 103 da rgestellte Schichtaufba S au für Sonn nenschutzglas weist TL-Wert) vvon 64-68% und einen e Ges amtsonnen nenergieeine Lichtdurchlässigkeit (T Wert) von 32 2-34% auf. Z Zusätzlich können k zur Entspiegelu ung Metallo oxide mit Durchlassgrad (g-W hohen Brech hungsindex aufgebrach ht werden (z.B. NiCrOx)). einem h

Abbildung g 103 Schichtaufbau für (link ks) Wärmeschu utzglas und (re echts) Sonnenschutzglas.

Der einffachste Weg g, die Transmissionseig genschaften n eines Glases zu manippulieren, istt die Einfärbung g des Glasvo olumens. Die Scheiben können sicch dann jedo och so starkk erwärmen n, das infolge Scchlagschatte en von Rahmen oder aanderen Ge ebäuden Eig genspannun ngen entste ehen, die zum Versagen führen. Aus die esem Grund d empfehlen sich, ab einer e Absorpptionsrate von v 50%, pannte Gläse er. vorgesp

6.1.6. Selb bstreinigende Gläseer Durch O Oberflächenbeschichtungen kann Glas so verä ändert werd den, dass si ch Schmutzz schwer auf der Oberfläche e festsetzen kann und bei Regen weitestgehe w end von abbfließendem m Wasser aschen wird. Solche Glä äser werden n im Fenste er- und Fasssadenbau alls selbstrein nigendes abgewa Glas bezzeichnet, wa as den falscchen Eindrucck entstehen lässt, dass das Glas n nicht mehr gereinigt g werden muss. Vielm mehr wird die d Verschm mutzung verzögert und d die Reinig ung erleichtert. Um ein Glass mit selbstrreinigenden Eigenschafften herzusttellen, gibt es e unterschiiedliche Verfahren: Mit Tita anoxid pyrolytisch bescchichtetes F loatglas (Fla achglas) ist dualaktiv u und kombiniert zwei Eigenschaften. Die Beschichtu ung der Auß ßenseite mit Titandiox xid bewirkt eine Herab bsetzung annung (hydrophil) und d verhinderrt so die Tröpfchenbildu ung. Die selbstreinider Obeerflächenspa genden Eigenschaften werde en durch eeinen photo okatalytisch hen Effekt verstärkt. Die UVandioxid-Besschichtung erzeugt aktiven Sauerstoff. Dieser zersetzt org ganische Absorpttion der Tita Verschm mutzungen und die Hafftung des Scchmutzes auf der Oberffläche wird reduziert. Das D Wasser vertteilt sich als dünner Wasserfilm W berfläche (h hydrophil), um den ze ersetzten auf der Ob Schmutz beim Abfliessen aufzunehmen. Fluor- oder silikonh haltige Beschichtungen n: Glas mit selbstreinige s enden Eigen nschaften wird w häufig mit d dem so gen nannten Lottuseffekt beezeichnet od der gleichge esetzt und/ooder mit Na anotechnik in V Verbindung gebracht. Die D flur- odeer silikonhaltige Beschichtung hafftet auf dem m Untergrund m mit wasser- und schmu utzabweisen nder Wirkung. Ein solcche Nanobeeschichtung besteht aus min ndestens zw wei Schichte en: Die erstee Schicht isst für die Ve erbindung zzwischen de er bestehenden Oberfläche e und der ne euen, nano-- oder mikro ostrukturiertten Schicht erforderlich h. Superhydroph hobe Oberflächen weisen nicht nu ur Wasser, sondern auch Fette, Ölee und Säuren ab (Lotuseffekkt). 106

Silizium m-chemische e Verbindun ng mit dem m Glas: Diesse Verfahren sind aussschließlich für Glas geeigneet, da Siliziumatome alss glastypisc he Substanz zum Einsa atz gebrachtt werden. Das D Silizium wird d auf das Glas G aufgebrracht und a nschließend d mittels eines Foto-Prrozesses (Be elichtung mit Kaltlicht) chem misch mit dem Glas verbunden.. Das so ve eredelte Glaas ist wassser- und d, die Oberflächenstrukktur bleibt gänzlich g unv verändert u und das Glas ist verschmutzabweisend gelung ist vo on höchsterr Lebensdau uer, schützt das Glas voor Alterung und hält siegelt. Die Versieg elteinflüssen stand. Au uf der hydrrophoben Oberfläche O S kann sich Schmutz aggressiven Umwe nd wird dah her vom ab perlenden Regenwasse R er grösstentteils aufgen nommen nicht feestsetzen un und enttfernt.

6.1.7. Entspiegelte Gläser Gläser kkönnen auff unterschie edliche Arteen entspieg gelt werden n. Der einfaachste Weg g ist die Feinätzu ung der Ob berflächen, um fein st rukturierte Oberfläche en zu schaff ffen, deren Oberflächenstrukturen kleiner als die verwendet e Wellenlän nge des Lich hts sind. Alleerdings kön nnen soleicht versch hmutzen. D iese Art de er Reflektion nsverminde rung wird auch als che Obeerflächen le Mottena augeneffektt bezeichnet. Bei der λ / 4-Entspiiegelung wiird auf das Glas eine dünne Schich ht aufgetraggen, deren optische = Brechzahl x physikalissche Dicke d d) genau ein n Viertel der optischen W Wellenlänge ist und Dicke (= deren Brechzahl zw wischen der vom Substtrat (typisch h ~1.49-1.85) und der voon Luft (= 1.0 00) liegt berfläche re eflektierte Licht L interfeeriert destru uktiv mit (vgl. Abbildung 53)). Das direktt an der Ob as an der Grenzfläche zwischen der dünnen Schicht undd dem Glasssubstrat dem Licchtanteil, da reflektieert wird. Durch eeine alternie erende Sequ uenz von Oxxiden mit niedriger n Bre echzahl kan nn man nich ht reflektierendees Glas mit R < 0.1 % he erstellen. Du urch alternierende Schichten mit h hoher und niedriger n Brechzahl (TiO2/SiO O2/TiO2 ...) lasssen sich gaanz bestimm mte Spektralbereiche geezielt reflekttieren.

6.1.8. Prüffung von Glasprodu G ukten orgespannte em Glas erfo olgt nach der DIN 14179 9-1. Bei eineer 110x36cm grossen Die Prüffung von vo Scheibe wird der Brruch durch anschlagen a usgelöst (s. A 1 Prüfmit einem Hammer au Abbildung 104 A g.). Danach werden im gröbsten Beereich auf einer e Fläkörper ffür Bruchstrruktur und Auswertung che von n 5x5cm die Bruchstücke gezähltt, wobei Bruchstücke, die den A Auswertung gsbereich schneiden nur halb b gezählt werden. w Für ESG aus Flo oat- und ge ezogenes G las müssen bei den n Glasdicken von 4-12m mm mindesstens 40 Bru uchstücke gezählt g werdden, bei Ornamentüblichen glas sind d es 30.

Abbildung g 104 Prüfkörp per für Bruchsttruktur und Au uswertung.

Die Prü üfung der Biegefestig gkeit erfolg gt bei Gla as nach DIN D 12881-55. Der Dop ppelringBiegeversuches nacch DIN EN 1288-2: Glass im Bauweesen – Bestim mmung derr Biegefestig gkeit von 107

Glas wird zur Bestiimmung de er Biegefestiigkeit für te echnisch beanspruchte Gläser und d Glaskeramiken n verwendett. Quadratissche oder krreisförmige, ebene Prob ben werden auf einen Stützring S gelegt. Der Lastring g, der konze entrisch zum g angeordne et ist, belasstet diese Probe mit m Stützring nn die durch h den Lastrin ng begrenztte Fläche mit einem einer deefinierten Krraft Fring. Zusätzlich kan Gasdrucck p beaufscchlagt werd den. Um wirrklich die Glaseigenscha aften zu meessen, ist es wichtig, dass Rissse nicht vo on den Ausssenkanten w wachsen können. Durch h die Druckkprüfung mit Druckringen sstehen die Aussenkant A ten stets un nter Druck. Zusätzlich müssen kle ine Proben mit Gas bedrückkt werden (vvgl. Abbildun ng 105 Druc kprüfung nach DIN 12881-5.).

Abbildung g 105 Druckprü üfung nach DIN N 12881-5.

Das hom mogene, rad diale Zugspa annungsfeld d wird durch den Lastring begrenzzt (s. Abbildu ung 105). Die Prob be wird an der konvex x gebogene n Fläche au uf Zug belasstet. Im Mitttelpunkt der Probe sind tan ngentiale und radiale Zugspannu ngen gleich h, wobei die ese mit zun nehmendem m Radius abfallen n. Außerhalb b des Lastrin ngs fallen d ie Radial- und Tangenttialspannun ngen zur Pro obenkante hin steil ab, so dass d die Geffahr eines B Bruches auß ßerhalb des Lastringes sehr gering g ist. Die asdruck p werden mit kkonstanter Geschwindig G gkeit so langg gesteigertt, bis das Last Fringg und der Ga Material zu brech hen beginntt. Aufgrund d der max ximalen Zug gspannungeen kann man m den ung erfolgt über DIN EN 12603: Bruchurrsprung innerhalb des Lastringes eerwarten. Die Auswertu Bestimm mung der Bieegefestigkeit von Glas: SSchätzverfah hren und Be estimmung dder Vertraueensbereiche für D Daten mit Weibull-Verte W eilung. Bei vieleen Glasanw wendungen werden Ressttragfähigkkeiten geforrdert oder eein gewisser Widerstand g gegen Durchstossen, Anprall A und d sonstige Beanspruchungen. Ins besondere für Verbundgla as findet der Kugelfallve ersuch für V Verbundglass (DIN 52 338 8) Anwendu ung. Dabei wird w eine Stahlkug älzlagerstah hl mit Durcchmesser 633.5mm (ca. 1030g) auss unterschiedlichen gel aus Wä Fallhöheen auf eine 500x500mm grosse P robe fallen gelassen. Die D Norm gillt als erfüllt, wenn 5 Proben d durch den Fallkörper F nicht durchscchlagen werrden. Der Pendelschlagve ersuch (nach h DIN 12600 0) hingegen soll horizon ntalen Anprrall simulieren. Dazu n Stosskörper mit 50kg g Masse un nd 2 Gumm mireifen gegen eine Proobe der Abm messung wird ein 876x19338mm pendeln gelassen (s. Abbild ung 106). Der D Test wird d mit steigeender Fallhö öhe (190, 450, 120 00mm) wide erholt und gilt g als bestaanden, wenn bei vier Prroben die Sccheiben nich ht durchschlagen werden. Für F solche Anwendungeen werden Laminate L au us Glas und Kunststoff verwenn. det, die im Folgenden thematissiert werden

108

Abbildung g 106 Pendelscchlagversuch: Versuchsaufbaau.

6.2.. Glaslaminate Glaslam minate sind die Grundla age für den modernen Glasbau. Erst durch diie Kombination von steifen, allerdings spröde brecchenden Gl asscheiben mit duktile en Kunststooffen ist es möglich dukte für statisch relevvante Anwen ndungen zu u konstruierren, bzw. Gla as sicher geworden Glasprod h einsetzen zu können. Prinzipiell unterscheid u et man Verbbundsicherh heitsglas im Überrkopfbereich und Verrbundglas. Die Verbun ndfolien kö nnen neben n ihrer Trag gfunktion im m Versagen nsfall zusätzliche Funktiona alität haben n, wie zum Beispiel alss Träger fürr eine optiscche Gestaltung, zur o zu Illum minationszw wecken. Stromgeewinnung oder

6.2.1. Verbundsiche erheitsgla s Verbund dsicherheitssglas (VSG) besteht auss mindesten ns zwei Glassscheiben m mit organisch hen oder anorgan nischen Zwischenmate erialien. Die s sind meisst farblose transparent t te, eingefärbte oder bedruckkte Folien (i.d.R. Polyvin nyl-Butyral ((PVB), aber auch Ethyle envinylacetaat (EVA), Po olyacrylat (PAK), Po olymethylm methacrylat (PMMA), Po olyurethan (PUR) …). Als Silikatglassscheiben wird nichtvorgesp panntes Spie egelglas, TV VG und ESG G eingesetztt. Je nach Kombination K n entstehen n Sicherheits-, SSchallschutzz-, Alarm-, Brandschuttz-, durchscchusshemm mendes Glass, usw.. Die e Sicherheitswirrkung von VSG beruht auf der h hohen Reissdehnung der d zäh-ela stischen Zw wischenschicht und ihrer sttarken Haftung auf Glaas. Versagt eine e Scheibe e, so ist imm mer noch die e Tragfäere Scheibe en gewährleeistet. Selbsst nach dem m Bruch alleer Scheiben besteht higkeit durch weite ne, wenn au uch zeitlich begrenzte Resttragfäh higkeit, die von v den Fraagmentgrösssen und noch ein Folieneigenschaften abhängt. Im Verglei ch zur norm malen Scheibe wird du urch die Spllitterbineutlich gem mindert und im Untersch hied zu ESG G bleibt die BruchfläB dung die Verletzungsgefahr de w a usreichende e Durchsich ht. Deshalb löste VSG ESG als che gesschlossen und bietet weiterhin Windsch hutzscheibe e ab. Die Entd deckung de es Verbundkkonzepts fü ür Glas wird d dem franzzösischen M Maler und Chemiker C Edouard d Benedictus (1878-1930 0) zugeschrrieben, der im Jahr 1903 berichtet, wie ihm eiine Glasflasche zu Boden fä ällt aber niccht zersplitttert. Früher war in der Flasche Kolllodium ode er Äthermte Inhalt iim Laufe de er Jahre eingetrocknet und hatte das Flasalz, alleerdings war der gesam scheninnere mit einer äussertt zähen Sch hicht aus Ce elluloid überzogen. Dass Glas klebtte derart dieser Schiccht, dass sich h beim Aufp prall keine Glassplitter G ablösten. D amit war eine Mögfest an d lichkeit gefunden, das gefährliche Zerspl ittern von Glas G – insbe esondere beei Windschu utzscheiu verhinderrn. Kurz darauf begann n in Paris un nd London die d Herstellu ung von Ve erbundsiben – zu cherheittsglas mit Cellulosenitr C rat als Verbu undmaterial, allerdings führten Daauerhaftigke eitsprob109

leme von Cellulosenitrat (Verfärbung, nachlassende Haftung) ab 1933 zur Verwendung von PIB Folien. Die heutige industrielle Herstellung ist ein zweistufiger Prozess: Folie der entsprechenden Dicke wird zwischen die zu verbindenden Glasscheiben unter Reinraumbedingungen eingelegt und der Überstand abgeschnitten. Danach wird Luft aus dem Verbund entfernt, indem bei 70°C ein Walzenpaar die Luft herauspresst. Im anschliessenden Autoklavprozess wird bei dem einem Druck von 10 Bar und Temperaturen von 100°C der endgültige Verbund hergestellt. Noch verbliebene Restluft wird bei diesem Prozess in der Folie gelöst. Auf diese Weise können beliebig viele Scheiben unterschiedlicher Dicke mit einzelnen oder mehreren PVB-Schichten (transparenten oder farbigen), elektrisch leitenden (Scheibenheizung), oder metallbeschichteten Schichten (elektromagnetische Abschirmung), mit organischen Solarzellen, LEDs, Leuchtfolien, Sonnenschutzschichten etc kombiniert werden. Darüber hinaus können ganze Kunststoffscheiben z.B. Polycarbonatscheiben zum Erreichen einer Durchschusshemmung laminiert werden. Es entstehen Produkte, die absturz-, durchwurf-, einbruch-, durchschuss-, sprengwirkungshemmend sein können. Dies ist durch die hohe Biegefestigkeit, Schlagfestigkeit und Temperaturbeständigkeit möglich. Eingesetzt werden solche Scheiben für Überkopfverglasungen (punktgelagert), Brüstungsverglasungen, Treppen, Strukturelemente, aber auch als strukturelle Konstruktionselemente, wobei bei diesen immer außen liegende Opferscheiben zum Schutz der tragenden Scheiben auflaminiert werden. Geregelt sind diese Produkte in der DIN EN ISO 12543: Verbundglas und Verbund-Sicherheitsglas. Im Folgenden werden einige Produkte genauer besprochen. Die Normung unterscheidet zwischen durchwurfhemmender, durchbruchhemmender (DIN EN 356), durchschusshemmender (DIN EN 1063) und sprengwirkungshemmender (DIN EN 13541) Verglasung. Man spricht auch von 'Angriffhemmender Verglasungen'. Diese teilt man in verschiedene Klassen A - D ein. Ballwurfsichere Gläser kommen in Sporthallen zum Einsatz. Sie werden gemäß DIN 18032-3 mit einem Ballschussgerät mit Hand- und Hockeybällen geprüft. Weder das Glas, noch die Unterkonstruktion dürfen in Festigkeit, Funktion oder Sicherheit beeinträchtigt werden. Diese Anforderungen können bereits mit ESG der Dicke 8 mm oder VSG aus 2 x 5 mm Spiegelglas mit 0,76 mm PVB-Folie erfüllt werden. Meisst sind für die Glasdicken jedoch Wind- oder Holmlasten massgebend. Durchwurfhemmende Verglasung (Klasse A) werden nach DIN EN 356: Glas im Bauwesen Sicherheitssonderverglasung - Prüfverfahren und Klasseneinteilung des Widerstandes gegen manuellen Angriff mit einer 4,1 kg Stahlkugel im Kugelfallversuch geprüft. Abhängig von der Fallhöhe werden die Verglasungen in die Klassen A1 bis A3 eingeordnet. Die Prüfung relativ kleiner Normscheiben macht Aussagen über die Widerstandsfähigkeit einer Glaskonstruktion jedoch schwierig, da die Lagerungsbedingungen und Einstandstiefe der Versuche selten der tatsächlichen Ausführung entsprechen. Durchbruchhemmende Verglasungen (Klasse B) werden mit einem gezielten Schlag mit einer 2 kg schweren Axt auf eine vierseitig gelagerte Scheibe (110x 90cm) geprüft (DIN EN 356). Entscheidend ist die Anzahl der Schläge mit einer Axtmaschine, die zum Durchbruch einer 40x40cm grossen Öffnung notwendig sind. Es handelt sich also um eine vergleichende Prüfung unterschiedlicher Produkte, die hauptsächlich für Versicherungszwecke interessant ist. So klassiert der Verband der Schadensversicherer (VdS) Einbruchhemmungsklassen (EH 1-3) oder Durchbruchhemmungsklassen mit Axtversuch (P6B-P8B). Verwendet werden Verbundgläser oder Verbund-Sicherheitsgläser unterschiedlicher Aufbauten, wie VSG aus ESG oder TVG. Durchschusshemmende Verglasungen (Klasse C) müssen einem dreimaligem Beschuss widerstehen. Die Prüfung erfolgt nach EN 1063. Die Schüsse werden in Abhängigkeit der Widerstandsklasse mit unterschiedlicher Munition aus einem bestimmten Abstand auf 50x 50cm 110

grosse SScheiben ab bgefeuert. Das Projekttil darf nich ht durchschlagen und es muss zu usätzlich festgesttellt werden n, ob raumseitig ein Sp litterabgang g vorliegt (S SA = Splitterrabgang) od der nicht (SF = sp plitterfrei). Die D Verglasu ungen besteehen aus mehrschichti m gem, asym metrisch au ufgebautem VSG G mit unte erschiedlich hen Foliensttärken. Aussserdem können Aufbbauten mit Polycarbonatplatten das Gewicht G bei gleicher g Du rchschusshemmung de eutlich redu uzieren. wirkungshemmende Ve erglasungen n (Klasse D) werden nach DIN in d ie Klassen D1 D bis D3 Sprengw eingeteilt und nacch EN 13541 in die Klaassen ER 1 bis ER 4. Bei der Spreengprüfung werden gert in Freila and- oder Sttossrohrverssuchen gete estet. Die 9ox110ccm grosse Sccheiben vierrseitig gelag n durchschusshemmenden Verglaasungen. Laminattaufbauten entsprechen denen von VSG – Brandschuttzglas ist ein Glaslam inat mit sp peziellen Fo olien. Glas ist zwar ein nichtbrennba arer Baustofff (Baustoffklasse A), zeerspringt ab ber in Folge eines Branddes. Durch Laminate L kann au uch hier eine e splitterbin ndende Wirkkung erzieltt werden. De er eigentlich he Brandwid derstand wird jed doch durch eine oder mehrere m Th ermo-Transsformationsschichten eerzielt. Diese schäumen unter Hitze au uf, wodurch das Glas zeerbricht und d die Scheib be opak wirdd (s. Abbildu ung 107). er Transform mationsschicht, was zu einer gerin ngen Wärm meleitung Zudem isoliert der Schaum de hrt und som mit zu eine r hohen Sta andfestigkeit gegenüb er Feuer un nd Flamund –sttrahlung füh menwurf. Eingesetzt werden solche s Gläseer z.B. für Brandschutzttüren und --tore, verglaste Kononen, innen liegende Ve erglasungen n zu Fluchtw wegen. struktio

Abbildung g 107 Trösch Fiireswiss Foam im Brandtest und Laminataufbau.

Mit VG, bzw. VSG lassen sich nicht n nur Au ufbauten va ariieren. Bei größeren SScheiben lasssen sich bogene Verg glasungen iim sogenan nnten Lamin nationsbieggeverfahren realisieauch scchwach geb ren. Diee Formgebung erfolgt über ü den La minationsp prozess des VSG V in spezziellen Biege evorrichheiben/Folie enstapel wäährend des gesamten Herstellungs H sprozesses, auch im tungen, die den Sch m halten. Da die Autoklaavtemperatur mit ca. 14 40°C im Verrgleich zum SchwerAutoklaven in Form n mit etwa 600°C sehr gering ist, spricht s man vom Kaltbiiegeverfahre en. Nach kraftbieegeverfahren ühlung wird d die Biegev vorrichtung g entfernt. Dabei D kann ein e Rückstel llverhalten, bei dem der Abk hängigkeit ihrer Größe, des Schichttaufbaus un nd der Biegeeform etwass zurückdie Scheeiben in Abh federn, beobachtett werden. Dennoch v erbleiben dauerhafte d Biegespann nungen im Bauteil, weshalb b thermisch h vorgespannte Scheib ben verwen ndet werde en. Die opttische Qualität und Ebenheiit der kaltg gebogenen Scheiben isst der graviationsgebogener deuttlich überleg gen. Auf diese W Weise lassen n sich sogarr transpare nte Brücken n herstellen n, wie die A All-Glass Briidge von Thomass Heatherwick.

6.2.2. Verbundglas Glaslam minate ohne e Sicherheitsfunktion w werden als Verbundgla as bezeichn net. Der Auffbau des Verbund dglases (VG G) entspricht dem des VSG, jedoch h kommen als Zwischeenmaterialien keine PVB-Folien sondern n andere Ma aterialien, n normalerwe eise Reaktionsharze in eeiner Stärke e von 1-4 mm, zum Einsatz. Einkompon nenten Gieß ßharze oder Mehrkomp ponentenmaaterialien, die d eventuell unter UV-Lichtt aushärten, erlauben eeine Vielzahl von Anwen ndungen: Bei Scha allschutzgläsern könne en über die M Modifikation der Giessh harze die Proodukte auf spezielle Frequen nzbereiche eingestellt e werden. M an kann mit m Verbundglas vergleeichsweise schmale, s lange Gläser mit de eutlich gerin ngeren Toleeranzen hersstellen als bei b VSG, die mit Bohrun ngen ver111

sehen werden können. Es lassen sich unterschiedliche Komponenten in den Zwischenraum integrieren wie Displays, leuchtende Verbundfolien oder Solarzellen. Solarzellen Glasmodule können wie konventionelle Isolierglas- oder Paneel-Glasflächen in allen üblichen Konstruktionen eingesetzt werden. Sie stellen kleine Solarkraftwerke dar, die bis zu 60 kWh/qm und Jahr erzeugen können und gleichzeitig Sonnenschutz für exponierte Räume bieten.

6.3. Isoliergläser Nach einer UN-Studie werden im Jahr 2025 etwa 5 Mrd. Menschen im urbanen Bereich leben, die meisten von ihnen in Megacities mit 10 bis 50 Millionen Einwohnern. Diese Städte werden in moderner Architektur entstehen, vermutlich als Stahlkonstruktionen mit einem inneren Betonkern und Glasfassade. Solche Konstruktionen benötigen gegenüber Bauweisen mit Betonfassaden etwa nur die halbe Bauzeit und binden deutlich weniger Masse im Gebäude. Für solche Gebäude ist das Wärmemanagement entscheidend. Heizen ist ein vergleichsweise einfacher Vorgang, bei dem alle eingetragene Energie genutzt werden kann, die Kühlung hingegen ist deutlich schwieriger. Betrachten wir mal ein einzelnes Gebäude mit einer 5000 m2 grossen transparenten Fassadenfläche. Dies entspricht in etwa einer Sonneneinstrahlung von 5000kW. Bei einem g-Wert von 70% heisst das allein für die Kühlung gemässigtes Klima:

120 Tage, 8h: 3.4 MWh ≈0.7Mio€

tropisches Klima:

300 Tage, 12h: 12.6 MWh ≈2.5Mio€.

In einer typischen Megacity stehen heute schon 100 bis 500 solcher Häuser. Diese Rechnung ist zwar nicht exakt, aber man erkennt an solchen Abschätzungen die herausragende Bedeutung der optischen Eigenschaften der Flachgläser für unser Weltklima. Moderne Verglasungen und Wärmedämmsysteme schützen vor klimatischen Einflüssen, ermöglichen solare Wärmegewinne oder bieten optimierten Wärmeschutz. Verglasungen können die Tageslicht- und Frischluftversorgung autonom regeln und Umweltveränderungen adaptieren (schaltbar, regelbar oder selbstadaptierend). Durch sie wird es möglich thermischen und visuellen Komfort mit architektonisch und wirtschaftlich überzeugenden Lösungen zu verbinden. Die Wirtschaftlichkeit muss dabei ganzheitlich betrachtet werden und hängt vor allem von den Auswirkungen auf den Nutzerkomfort, den Energiebedarf des Gebäudes, der Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit der Verglasung ab. Dauerhaftigkeit ist ein wichtiges Thema, wenn man bedenkt, dass Bauwerke auf ca. 60 Jahre Lebensdauer ausgelegt werden, ihre Fassaden jedoch nur auf 25-30 Jahre. Isoliergläser bestehen aus zwei oder mehr, eventuell beschichteten Glasscheiben, die durch 1020mm dicke Abstandshalter (spacer) aus Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff getrennt sind. Die spacer sind mit Isobutylen mit den Scheiben verklebt, was die Primärdichtung bildet. Als Sekundärdichtung wird ein elastischer Rand aus PUR, Silikonen oder anderen Elastomeren aufgebracht. Der Scheibenzwischenraum (SZR) ist somit von der Umgebung abgetrennt und kann mit speziellen Gasen wie Argon-, Xenon- oder Krypton gefüllt werden, um die Wärmeleitfähigkeit herabzusetzen. Der SZR kann auch genutzt werden, um mit anderen funktionalen Medien gefüllt zu werden oder Vorrichtungen unterschiedlicher Art zu beherbergen (z.B. Jalousien). Die Hohlräume der spacer sind mit Trocknungsmittel gefüllt, die die Kapazität haben 30-35 Jahre Feuchte zu absorbieren.

112

Innen

aussen n Ab bbildung 108 A Aufbau einer Issolierglasscheibe.

Allen Iso oliergläsern ist eigen, dass die Massse der Füllu ung im SZR am Tag der Herstellung g festgelegt wirrd und sich durch die Versiegelun ng nicht me ehr ändert. Temperat uränderung gen oder meteoro ologische Druckschwan nkungen fü hren somit zu einem Druckunters D schied zwiscchen der Umgebu ung und de em SZR, derr zur konve xen oder ko onkaven, kissenförmiggen Verform mung der Glasscheiben führtt. Dies wird als Doppelsscheibenefffekt bezeich hnet und istt häufig an Glasfasbbildung 10 09). Die tatssächliche klimatisch in nduzierte Be eansprusaden zzu beobachtten (vgl. Ab chung h hängt von de er Nachgieb bigkeit der SScheiben ab.

Abbildung g 109 Vorzeich henregelung fü ür Isolierglas u und Doppelscheibeneffekt.

Großforrmatige Scheiben hoher Nachgiebiigkeit sind, im Gegensa atz zu kleinfformatigen, unproblematiscch. Die Scheiben müsssen als linieenförmig gelagerte g Pla atten den LLasten stan ndhalten. Durch d den abgesch hlossenen Scheibenzw S ischenraum m werden die Scheiben n gekoppelt,, d.h. die innere SScheibe musss ebenfalls eine Last ab btragen, die e die äussere e verformt ( Koppeleffekkt). Das Klim mamanagem ment von Ge ebäuden häängt im Idea alfall eng mit den optisschen Eigenschaften der Verglasung inssbesondere im IR-Bere ich zusamm men. Die Sccheibenaufbbauten hängen von dingungen und u der Aussrichtung de es Gebäude es ab. So kan nn zum Beisspiel das den regionalen Bed ebäudes du urch Sonnen neinstrahlung erwünsccht sein odeer muss ve ermieden Aufheizen eines Ge glases setzt auf der UV V-Seite bei etwa 300 werden. Die Durchlässigkeit eiines Standaard-Fensterg bildung 68 und Abbildu ung 110). Da amit werden n mehr als 50 5 % der nm ein (vgl. Abbildung 65, Abb d en (vgl. Abb bildung 66).. Der Innenrraum erwärrmt sich und strahlt Sonnenstrahlung durchgelasse ner charakteristischen Temperatu ur (16-17 μm m, vgl. Abbildung 102)). Solch langwellige bei sein Strahlun ng wird jedo och gänzlich reflektiertt und die Wärme W bleibt eingesperrrt (Gewächshauseffekt). Je nach Ziel la assen sich nun untersch hiedliche Strrategien verrfolgen:

113

 

V Von aussen n: Reduktion n der Transm mission derr Sonnenstra ahlung, abeer TVIS >75 durch Abssorptionsglä äser, Reflekttionsbeschicchtungen. V Von innen: Hohe Reflektion im RIR bei geringe er RVIS durch h Beschichtu ungen, die die d Emisssion IR abssenken. Da im Langwelllenbereich die d Transmission fast 0 ist, gilt AIR = IR = 1RIR. Wärmevverluste übe er Strahlung g hängen also a vom Em missionsverm mögen der Oberfläcche ab, die über ü Wärme edämmbescchichtungen n von 85% auf 4% gedrü ückt werden n kann.

6.3.1. Son nnenschutzglas Sonnenschutzgläse er sollen ein nerseits mög glichst viel Sonnenenergie von Inn nenräumen fernhalgrad von <550%), andere erseits sichttbares Lichtt gut transm mittieren ten (Gessamtenergiedurchlassg (>40%) (vgl. Abbildung 110). In der Regel k ommen hie er 2-Scheibengläser zum m Einsatz, bei denen e den Gesamtenergied durchlass du urch Reflektion und Ab sorption red duzieren die äusssere Scheibe soll. Folglich sind die d Innenscheibe aus K Klarglas und die Ausse enscheibe aaus Absorpttionsglas onsglas. Die Reflektionssschicht sollte auf der Innenseite der Aussen nscheibe und/odeer Reflektio aufgebrracht sein und u aus Me etalloxiden oder Edelm metallen (z.B B. Silber) be stehen, je nach n gewünschtem (optiscchem) Effekkt. Ein typisscher Aufba au wurde bereits b bespprochen (Ab bbildung enscheibe kaann noch zu ur Selbstrein nigung bescchichtet sein n. 103). Diee Aussenseitte der Ausse

Abbildu ung 110 Energie ebilanz bei einer Doppelverg glasung (links) und Transmissionsspektrenn von Kalk-Natron-Glas und Son nenschutzglass (rechts).

6.3.2. Wärmeschutzglas Bei Wärrmeschutzglas ist das Ziel ein gerin nger Wärme edurchgangskoeffizientt (U-Wert) bei b hoher Lichttransmission zur passive en solaren Energiegew winnung. Die Wärmeddämmeigenschaften R, der Füllun ng und der Zahl der Scheiben ab, aber auch der d Wärhängen von der Dicke des SZR dverbund is t nicht zu vernachläss v igen. Die un nterschiedlichen Armedurchgang durcch den Rand nsports durch Leitung, Strahlung und Konvek ktion bei Isoolierglas sin nd in Abten des Wärmetran mengefasst. bildung 111 zusamm

Abbildung g 111 Physikalissche Zusamme enhänge des U U-Werts von Iso olierglas.

Wärmesschutzglas besteht inzwischen fa st immer aus mindesttens 3 Sche iben. Die Scheibenzwischeenräume sin nd mit Argon, Krypton n oder selte ener mit Xen non gefüllt.. Wie man in Abbil114

dung 1122 erkennt, ist der Absta and der Sch heiben, das verwendete e Füllgas un nd der Füllg grad entscheidend für den U-Wert. Der U-Wert fü ür Standard-Isolierglas beträgt ca. 1.8W/(m2K)), gute 3beschichtung kommen heute auf 0 0.4-0.8 W/(m m2K). Die Scheiben Isolierglässer mit Wärrmedämmb dämmbesch hichtung istt zur Absenkkung der Strrahlungsemission im In nfrarotbereicch, muss Wärmed also auff der Innenseite der Innenscheibe aangebracht sein. Ein typ pischer Aufbbau ist in Ab bbildung 103 darg gestellt.

Abbildung g 112 Einfluss des d SZR auf de en Wärmedurcchgangskoeffizienten (Füllgrad 90%) und Einfluss des GasfüllgraG des auf deen Wärmedurcchgangskoeffizienten.

Der Wärmedurchgang kann noch weiter gesenkt we erden, indem Isolation smaterialien in den gebracht we erden, was allerdings aauf Kosten der d optische en Eigenschaaften geht (s. AbbilSZR eing dung 113). So können Kapillarplatten auss wabenartig angeordn neten, glaskklaren oder weissen S streuen das Tageslicht tief in den d Raum u und bieten zugleich Röhrcheen eingelegtt werden. Sie sehr gutten Sonnen- und Blend dschutz. Diee Kapillare senken s U-W Werte auf biss zu 0,4 W/m2K. Zusätzlich verbessert ihre vorwä ärts gerichteete Lichtstrreuung die Raumtiefen nausleuchtu ung, was an bedeckte en Tagen in seitenbelic hteten Räum men wertvo oll ist. In ach hsnaher Rich htung ist gerade a bei Kapiillarplatten eine partielle Durchsich ht möglich. Wird der SZ ZR hingegen n mit translu uzentem Silica-Aeerogel gefüllt, ist nur noch n eine diiffuse Lichtd durchlässigk keit gegebe n. Solche Fü üllungen sind dort einsetzba ar, wo Lichttstreuung b bei gleichzeitiger hervorragender W Wärme- und d Schallung gefragt ist. Aerogel ist ein hoch hporöser Fe eststoff (95% %Luft !!!, leicchtester Fesstkörper) dämmu mit bessonderen physikalische en Eigensch haften. Aero ogele bieten hervorraggende Wärmedämmung, d diffuse Lich htdurchlässiigkeit, sehrr gute Scha alldämmung g, uneingesschränkte FeuchtigF keitsbesständigkeit, UV-Stabilität, Umwelttfreundlichkkeit und sind d schwer en ntflammbar..

Abbildung g 113 Kapillarplatten und Aerrogel zur Erhöh hung der Wärmedämmung bei Wärmeschhutzglas.

6.3.3. Schallschutzg glas Schallscchutzverglassungen werrden durch d die Verdichttung der Siedlungsräum me immer wichtiger, w da vielee Wohngebiete an Indu ustrieanlageen, Bahntrassen oder stark befahrrene Strasse en direkt angrenzzen. Um nocch ausreichenden Woh hnkomfort zu z gewährle eisten, sind erhöhte Sch halldämmungen n notwendig g. Diese lasssen sich erz ielen durch eine erhöhte Glasmassse, asymme etrischen 115

Aufbau,, grosse SZR R, die mit scchweren Ga sen oder ga ar Giessharzzen gefüllt ssind. Wichtiig ist vor allem die Schalldäm mmung im unteren Freequenzbere eich, die durrch Verkehr entsteht. Aufgrund A geschlossenen Innenraums wirken n Schallschutzgläser als Masse-Feeder-Masse-System. des abg Über eine geschickkte Wahl de er Massen u und Federn lassen sich h bestimmtte Frequenzbereiche dämmen, was w im Beisp piel in Abbild dung 114 für einzelne Glasscheiben G n und unterrschiedligezielt d che Auffbauten darg gestellt ist. Dabei ist es wichtig die e Aufbauten n so zu gestaalten, dass der d Koininbruch im liegt. Bei d er Koinzide nzfrequenz entspricht zidenze nichthörbaren Bereich die Weldes Bauteils, was einen Einbruch dder Schalldä ämmung lenlängee des Luftscchalls der Biegewelle d bedeuteet. Durch Errhöhung/Erniedrigung der Masse oder der Biiegesteifigk eit kann die e Koinzidenzfreq quenz ange epasst werden. Durch u nterschiedliche Scheibendicken in einem Aufb bau wird vermied den, dass die e Koinzidenzzfrequenzen n aller Scheiiben identisch sind (Abbbildung 114)).

Abbildung g 114 Schalldäm mmung für un nterschiedlichee Glasdicken (links) und Glasaufbauten (m mittig).

6.3.4. Brandschutzg glas Brandscchutzgläser können ähn nlich wie Iso oliergläser aufgebaut a sein s mit dem m Unterschied, dass der SZR mit einem Brandschuttzgel wie W Wasserglas gefüllt g ist. Versagen diee äusseren Scheiben S nd der Hitzeeinwirkung g tritt das Geel aus und schäumt s auff, was zum EErblinden der Scheiaufgrun ben füh hrt. Durch de en Schaum werden diee Splitter ge ebunden, ab ber das sich bildende, undurchu sichtigee Schaumgla as stellt zud dem ein seh hr wirksame es Hitzeschild dar. Auff diese Weisse lassen sich die effizientestten Brandschutzgläser realisieren.

6.3.5. Ada aptive Isoliiergläser henraum vo on Isolierglääsern kann natürlich n zu u dekorativeen Zwecken verwenDer Scheibenzwisch a mit un nterschiedli chen Medie en mit adap ptiven oderr schaltbaren Eigendet werrden, aber auch schaften n gefüllt we erden oder kann sogar mit optisch hen oder mechanische n Apparaturen ausgestatteet werden. Ein Beispiel zur Dekoraation ist Ho olz im Scheibenzwischeenraum zurr Teilverschattung. Die Syntthese zwischen dem naatürlichen Material M Holz und der n nüchternen Oberfläche Glas kann z.B. bei den Seewürfeln in n Zürich bettrachtet we erden. Etwa s aufwändiiger sind onstruktion nen, die enttweder festsstehend od der regelbarr sein könneen. Bei diessen KonMetallko struktio onen ist eine e mögliche Erwärmung g im SZR zu beachten. Die D Mechan nik muss rob bust und glich sein. So o werden Laamellen eingesetzt, die feststehen d, manuell oder auim Idealfall zugäng n mit untomatisch regelbarr sind und an denen Liccht reflektiert. Zum Einssatz kommeen Lamellen ofilen, Stofffen und Fa rben. Richtungsselektiv ve Spiegelpprofile biete en einen terschieedlichen Pro Kompro omiss zwisch hen Sonnen nschutz und d Lichtversorrgung (Abbiildung 115). Interessant ist auch die regeelbare Verschattung des islamisc hen Zentru ums in Pariss, bei dem Blenden de en Lichtdurchlass regeln (A Abbildung 1155, rechts).

116

Abbilldung 115 Isolie erverglasunge n mit feststehenden bzw. ad daptiven Einbaauten.

Eine and dere Art derr lichtlenken nden Verglaasung kann über den Einbau mikroostrukturiertter Lichtleitelem mente, die das d einfallen nde Sonnen nlicht gezie elt umlenken oder refleektieren he ergestellt werden. Aus einer Isolierglassscheibe wird d so ein Tag geslicht- ode er ein Sonneenschutzele ement (s. on mit scha ltbaren Schichten eröfffnet zusätzliiche Möglichkeiten. Abbildung 116). Die Kombinatio

Abbildung g 116 (REM)-B Bild eines in Kunststoff reeplizierten Mikroprismen-Fe eldes zur Lichhtreflektion. PrismenabP stand=50 μm. Lichteinffall von links ob ben.

Bei therrmotropen Verglasunge V en sind die SZR mit ein nem Material gefüllt, ddessen Brech hungsindex sich h sprunghafft mit der Te emperatur ändert. Diesser Effekt ka ann mit verrschiedenen n Materialklasseen erzielt werden w (Hyd drogele, Polyymerblendss, mikroverk kapselte Pa rafine, etc.)) und es setzt beei Temperatturänderung gen selbsttäätig eine Trrübung ein. Eine mögli che Anwendung ist ein selb bsttätiger So onnenschutz mit phaseenseparieren nden, therm motropen Scchichten (Ab bbildung 117).

Abbildung g 117 Sonnenscchutz mit thermotropen, phaasenseparierenden Materiallien.

117

Der Nacchteil therm motroper Ve erglasungen n ist, dass die d Trübung g nicht an- oder ausgeschalten werden kann. Bei PDLC P (Polym mer-Dispers ed Liquid Crystal) C Flüssigkristallscchichten ist das anm sich Zun nutze, dass Flüssigkristalle einen richtungsab hängigen (a anisotroders. Hier macht man O angeleegte Spannung sind die Kristalle w willkürlich orientiert o pen) Breechungsindex haben. Ohne und Lich ht wird gesttreut (diffusse Transmisssion). Im ele ektrischen Feld jedoch rrichten sich die Teilchen au us und das Glas G ist transparent (ge richtete Transmission) (vgl. Abbild ung 118). Schaltbare Transpa arenz wird eingesetzt fü ür Medienfaassaden, Bessprechungsrräume, Tierkkäfige, etc.

Abbildung g 118 PDLC-Verrglasung.

Von Inteeresse sind jedoch j nich ht nur Schalttzustände transparent und translu uzent, sonde ern auch schaltba are Glasfärb bungen, sog genannte eleektrochrom me Verglasun ngen. Bei di esen lassen n sich die optischeen Eigensch haften mit der Aufnahm me und Abga abe von Ladungsträgerrn ändern. Bei B Wolframoxid dschichten erreicht ma an so eine intensive Blaufärbung,, die stufen nlos schaltbar ist (s. Abbildung 119). Alle erdings führt die hohe A Absorption unter u Sonne eneinstrahlu ung zur Auffheizung n Gläsern w werden, statt durch elek ktrische Laddungen, durch Lichtder Scheeibe. Bei photochromen einfall ffreie Ladung gen erzeugt,, die zur Färrbung führe en. Selbstverrständlich kkann man au uch photoelektrrochrome Gläser G bauen, bei deneen eine farrbstoffsensibilisierte Soolarzelle verwendet wird. Üb ber den Stro omkreis wird d dann die FFärbung gerregelt (offen n=gefärbt) (vvgl. Abbildu ung 120). Ausserd dem gibt es thermochro ome Schichtten, die ihre e Farbe ab bestimmten b n Temperatu uren (Vanadiumoxid bei ca. 68°C) wecchseln. Bei g gaschromerr Verglasung g erfolgt diee Verfärbun ng durch urch eine Katalysatorsch hicht verfüg gbar wird. Wassersstoff, der du

Abbildung 119 9 Elektrochrom me Verglasung.

ded-Particell Devices (SPD)-Gläser ähneln den PDLC-Syste emen, nur ddass hier die ausgeSuspend richteteen Teilchen in i einer Rich htung stark absorbieren n, wodurch ein gewisseer Teil des Transmisufenlos gescchaltet werd den kann (vg gl. Abbildung 120). sionsspeektrums stu

118

Abbildung g 120 Prinzipsk kizzen von pho otochromen, p photoelektroch hromen und SP PD Verglasunggen.

6.4.Walzglässer Walzglä äser sind in unterschiedlichen For men im Ein nsatz. Als sp plitterbinden ndes Drahtgussglas mit rauher oder ge eschliffenerr und polierrter Oberflä äche, als Rohgussglas, Design- oder Ornaas. Bei Gusssglas ist die Oberflächee nicht ganzz glatt und folglich niccht klar durcchsichtig mentgla wie bei Rohgussgla as. Durch Walzen könneen beliebige e Muster au ufgeprägt w werden wie z.B. z beim A 121). Ornameentglas (s. Abbildung

Abbildung g 121 Im Bauwe esen verwendete Walzgussg gläser.

Profilbauglas ist eine Unterforrm des Gus sglases, bei dem die noch verform mbare, 6-7m mm dicke m U-Profil geformt g wirrd, das bis zu 7.5m lang g sein kann.. Als ein- od der zweiGlasplattte zu einem schaligee Fassaden wird Profilb bauglas im Bereich von n Industrie-, Gewerbe-, Sport- und Freizeitgebäudeen eingesettzt (s. Abbildung 122). Wie bei Wa alzglas, kann auch hie r eine Drah hteinlage eingewa alzt sein (DIIN EN 572 -77: Profilbaug glas mit ode er ohne Drahteinlage) ooder die Pro ofile können theermisch vo orgespannt sein (DIN EN 15683-11: Thermiscch vorgespaanntes KalknatronProfilbau-Sicherheitsglas). Die Prüfung erffolgt im Bieg getest (DIN EN 1288-4).

Abbildung g 122 Beispiele e für Profilbaug gläser in der A Anwendung.

6.5.. Betongla as

119

Glashoh hlsteine werrden aus zw wei Pressgla shälften he ergestellt, diie bei hoherr Temperatu ur miteinander verschmolzen werden. Beim Abkü hlen entsteht innen ein n luftverdün nnter Raum, was die ensatbildung verhinde rt. Um die Haftung Wärme-- und Schallldämmung verbessert und Konde von Mörtel an den Kanten zu ermöglicheen, werden diese sand dgestraht, bbzw. mit ein ner Haftgrundieerung beschichtet. Glasbausteine s ind für alle Feuerwidersstandsklasssen erhältlich. N 1051 geregelt. Sie bestehen wie Glashohlsteine aus Glassteiine und Bettongläser sind in DINEN aus Presssglas oder werden in seltenen s Fä llen formge egossen (s. Abbildung A 1223). Betonglas muss in den umgebende en Beton oh hne Trennu ung eingebe ettet sein, Glasstahlbet G eton-Konstru uktionen ahlbewehru ng oder alss Fertigteile ausgeführt rt werden. Als A Glaskönnen mit Ortbetton mit Sta hnet man nur solche B auarten, be ei denen im Zusammen nwirken von Betonstahlbetton bezeich glas, Beton und Be ewehrung das Glas stattisch mit be eansprucht wird. Diesee Bauteile aus a Glasonen. Man unterscheide u et: stahlbetton sind also tragende Konstruktio

   

Bauteile auss Glasstahlb beton mit eiiner Verkehrslast von maximal m 5,0 kN/m2 (Obe erlichter, Lichtschach htabdeckung gen, Wandeelemente) (D DIN 4243), räumliche Tragwerke T (DIN 1045), aalso Schalen n und Faltwe erke mit zyl indrischen, über die g ganze Dicke e reichenden n Betonglässern. In Sonderfällen befahrb bare Bauteille nur mit Betongläsern n. emente auss Glasbaust einen (DIN 4242), die für Innen- und Aussenwände, Fertigteilele T Trennwände usw. verw wendet werd den.

Abbildung g 123 Verschied dene Betongla asprodukte un d Anwendung gen.

6.6.

Sch haum- und Blähglaas

Die Herstellung von Schaum- und Blähglaas wurde be ereits besprrochen. Aufggrund seine er homon, z.B. zu Plaatten. Seine Oberflägenen SStruktur lässst sich Schaumglas wiee Holz leicht verarbeiten che kann mit Emaille, Keramikk, Kunststoff ffen und Me etallen überrzogen werdden. Bewährt haben hichtplatten n (Verbundplatten) au us Schaumg glas (Kern) und Gussm mörtel (inn nere und sich Sch äussere Schicht). Scchaumglas hat eine Ro ohdichte von n 125 bis 135 5kg/m3, wass einer Porossität von d einer Wärrmeleitfähig gkeit von 0..05 W/mK. Schaumglas S s ist frostbe eständig, 92% enttspricht und da durch die geschlossenen Po orenwände kein Wasse er eindringen kann. Es iist also wassser- und dicht, was id deale Eigenschaften fü ür Perimeterr- oder Flachdachdämm mungen sin nd. Da es dampfd htigkeit auf und quillt nicht. n Glasscchaum ist a ufgrund seiiner ZellGlas ist,, nimmt es keine Feuch geometrie auch be ei Langzeitbelastung au ußergewöhn nlich drucksstabil (0.7-1.77N/mm2). Es E ist unbar, schädlin ngssicher, als a Schotterr kapillarbre echend und d ermöglich ht einen wä ärmebrüverrottb ckenfreiien Aufbau als Dämmsstoff mit kon nstantem Wärmedämm W mwert überr Jahrzehnte e im Erdreich. D Die Eigenschaften sind in Tabelle 16 6 denen von Styropor ge egenübergeestellt.

120

Tabelle 16 Eigenschaften von Glasschaum.

Schaumglas Lieferform

Blähglas

Gesintertes Blähglas

Styropor

Platten, Formteile

Splitt, Schotter

Granulat

Platten, Formteile

Platten

Abmessungen

mm

30
0-90

0.04-16

Beliebig

Beliebig

Rohdichte

kg/m3

110-220

250-600

270-1110

270

15

Schüttdichte

kg/m3

100-185

140-530

Wärmeleitfähigkeit

W/mK

0.04-0.058

0.074

0.05-0.07

0.08

0.04

Festigkeit

MPa

0.5-3.5

0.9-1.6

0.8-6.5

1.2

0.2

In Form von kompakten Teilen findet Schaumglas Einsatz als Bodendämmung im Grundwasser oder zur Dämmung erdberührter Aussenwände oder für begehbare, befahrbare oder begrünte Flachdächer, eventuell mit spezieller Geometrie. Schaumglasplatten finden auch Anwendung in wärmedämmenden Fassaden (hinterlüftete und vorgehängte Fassaden) oder als Innendämmsysteme und zur Rohrdämmung. Genormt sind die Produkte in DIN EN 13167: Wärmedämmstoffe für Gebäude – Werkmässig hergestellte Produkte aus Schaumglas (CG) – Spezifikation (SN EN 13167/SIA 279.167). In Form von Schotter wird Schaumglas zur Wärmedämmung gegen das Erdreich eingesetzt, als lasttragende Dämmung unter Bodenplatten, Kunsteisbahnen und um Schwimmbecken. Es ist auch sehr gut für Drainagen geeignet wie auch als Untergrund für Rasenflächen, Sportbahnen und Sportplätze oder als frostsichere, gewichtssparende und dämmende Schüttung über Tiefgaragen. Schaumglas in Form von kleinen Kügelchen findet als Blähglas Anwendung in gefügedichtem oder haufwerksporigem Leichtbeton oder Isolierbeton (=0.12-0.8W/(mK) (Beton = 2.3W/(mK)) Festigkeit 1-85MPa). Blähglas kann auch zu Mauersteinen, Schallschutzplatten oder Rollladenkästen gesintert werden. Zur Isolation von Fertigteilen können Blähglasschichten nass-in-nass aufgebracht werden. Kleinere Blähglaskügelchen werden auch in Leichtmörtel und Leichtputz für verbesserte Wärmeisolation eingesetzt.

6.7. Faserglas 6.7.1. Textilglasfasern Textilglasfasern finden sich im Bauwesen in unterschiedlichsten Anwendungen in Verbindung mit Polymeren der mit Zement als Matrixmaterial. Kunststoffbeschichtete Glasgewebemembran mit PTFE ist die Grundlage für den modernen Membranbau, da es reissfeste, hochbelastbare Membranen sind, vorausgesetzt die Belastung erfolgt in Faserrichtung. Eine der beeindruckendsten Anwendungen ist das Dach des Olympiastadions Berlin. Unidirektionale Glasfaserstangen mit hohem Faseranteil, die im Pulltrusionsverfahren hergestellt sind (Abbildung 124), können zur Bewehrung von Beton eingesetzt werden. Das ist überall dort sinnvoll, wo die Verwendung von Metallen stört, wie bei Fundamenten für Transformatorstationen, Mautstellen, im Wasserbau oder bei U-Bahnen. Wie man in Abbildung 124 erkennt, ist die Festigkeit von Glasfaserbewehrungen hoch, der E-Modul jedoch geringer als der von Stahl. Das Versagen tritt plötzlich ohne plastische Verformung auf.

121

Abbildung g 124 Prinzipskizze des Pulltrusionsverfah hrens zur Hersstellung von Glasfaserbewe G ehrungsstäben n und Vergleich von n Bewehrungssstäben aus GFFK und Stahl.

Wichtig g bei diesem m Einsatz von Faserglas ist die Verw wendung vo on alkaliresiistenten Gla assorten. Die Besttändigkeit wird w dabei durch eine n hohen Zirkoniumoxiidgehalt errreicht (s. Ab bbildung 125). Tex xtilglasfaserrn in Form von v groben Gittergewe eben aus ho ochzirkonhaaltigem AR-Glas finden aucch zur nachtträglichen Verstärkung V g im Bestand d, im Fertigtteilbau bei ddünnen Que erschnitten oder zur Risssta abilisierung von Böden , Aussen- un nd Innenputtzflächen An nwendung.

Abbildung g 125 Masseverlust von Glasffasern bei Lageerung in gesätttigter Zementtlösung (pH=122.9, T=80°C,t= =22Std.)

6.7.2. Isolierglasfasern Glaswollle-Dämmsttoffe sind Verbundwer V rkstoffe bestehend auss Glasfasern n und einem m Bindemittel, w welches die e Fasern an neinander b bindet und einen zusa ammenhänggenden Dämmstoff erzeugt. Sie haben n oft eine gelbliche g Fa rbe durch eingefärbte e , wärmehä rtende Kun nstbinder (Phenol--, Harnstofff- und Furan n-Formaldeh hydharze), es e werden zu unehmend aaber auch stärkebas sierte Binder verwe endet. Die Hauptanwe H ndung finden Glaswolledämmstooffe für die Isolation bäuden ode er Dachböden. Sie kön nnen auch mit Papierk kaschierunggen, auf We ellpappe, von Geb bzw. Drrahtgeflechtt ausgeführrt sein oder als Glasfilzzmatten mitt Bitumenp apier oder Alu-Folie A kaschierrt sein. Zur Umwicklun ng von Rohrren werden Glasfaserscchalen hersstellt und Glasfaserzöpfe kö önnen zur Dämmung D von Ritzen un R eingessetzt werden. nd Durchbrüchen um Rohre

122

7. Glasauslegung Glas nimmt bei den alltäglichen Konstruktions- und Bemessungsaufgaben im konstruktiven Ingenieurbau nicht den gleichen Stellenwert ein wie die geläufigeren Materialien Beton, Stahl oder Holz. Aber gerade Glas setzt genaue Kenntnisse der mechanischen, optischen und bauphysikalischen Eigenschaften voraus, damit materialgerecht konstruiert werden kann. Neben Fragen der Tragfähigkeit stehen immer auch die Dauerhaftigkeit und Gebrauchstauglichkeit im Vordergrund. Grundsätzlich verzeiht Glas keine konstruktiven Fehler, dennoch ist es bei richtigem Einsatz gutmütig. Um durch lokale Spannungsüberhöhungen hervorgerufene Schäden zu vermeiden, ist eine bis ins Detail gehende konstruktive Durchbildung notwendig. Unter allen Umständen muss der Kontakt von Glas mit härteren Werkstoffen vermieden werden, weil kleine Unebenheiten an den Kontaktflächen Spannungsspitzen verursachen können. Bei allen Lagerungen und Verbindungen ist grundsätzlich der direkte Kontakt von Glas auf Stahl oder Glas auf Glas unter Last- und Temperatureinwirkung zu vermeiden. Zwischen harten Materialien und Glas muss deshalb dauerhaft ein geeigneter Kunststoff (EPDM, Neopren, Epoxidharz) oder weiche Metalle, wie z.B. Weichaluminium, eingelegt werden. Die Festlegung einer geeigneten Verbindungstechnik ist folglich entscheidend. Breite Auflager und Krafteinleitungszonen sind prinzipiell günstig. Ebenso wichtig ist die Vermeidung von Zwangsbeanspruchungen. Dies umfasst unplanmässige Lasten wie Stösse oder Deformationen der Unterkonstruktion ebenso wie planmässige Belastungen aus Eigengewicht, Wind, Schnee und Temperatur. Alle Verbindungen sind so auszuführen, dass möglichst keine Zwängungen aus Temperaturdifferenzen, Bauwerksverformungen, Lasteinleitungen oder Toleranzproblemen entstehen können. Ausreichend hohe Steifigkeit der Glaskonstruktion ist dafür die Voraussetzung. Die Geometrie der Glaselemente muss ihrer Aufgabe angepasst sein. Das bezieht sich auf Scheibengrössen und Seitenverhältnisse. Aber auch Bohrungen und Ausbrüche stellen geschwächte Zonen dar, die besonderer Aufmerksamkeit bedürfen. Auch die Qualität der Kanten ist entscheidend für die Tragfähigkeit, weshalb unbearbeitete scharfe Kanten nach Möglichkeit zu vermeiden sind. Grundsätzlich nimmt Glas Druckbeanspruchungen um ein vielfaches besser auf als Zug. Glaskonstruktionen sind während der Planung so redundant auszulegen, dass die Tragsicherheit beim Versagen einzelner Elemente immer gewährleistet ist und keine Menschen durch herabfallende Teile oder durch einen plötzlich fehlenden Raumabschluss gefährdet werden können. Der Preis von Glasprodukten ist nicht zu vernachlässigen. So kostet eine 10mm dicke Floatglasscheibe ca. 20€/m2, eine gleichdicke ESG oder TVG Scheibe bereits 40€/m2 und VSG aus ESG/TVG über 100€/m2. Die Sicherstellung von Dauerhaftigkeit und Witterungsbeständigkeit der Glasprodukte verlangt folglich etwas Sorgfalt, um z.B. chemische Glasschäden durch Betonauswaschungen oder Delaminationen von VSG durch stehendes Wasser zu vermeiden. Die Gebrauchstauglich ist prinzipiell über die gesamte Nutzungsdauer eines Gebäudes (ca. 60 Jahre) zu erfüllen, wobei bei Fassaden und Fenstern eine reduzierte Lebensdauer von 25-30 Jahre gilt. Dabei ist neben der Dichtigkeit und Beständigkeit aller Materialien auch die Reinigungsmöglichkeit zu berücksichtigen. Bei schlecht zugänglichen Verglasungen können die Reinigungskosten über die Lebensdauer erheblich sein. Zunächst gehen wird im Detail auf Lagerungs- und Verbindungsarten eingegangen, bevor Verglasungsarten mit ihren vorgeschriebenen Anforderungen und Nachweisen besprochen werden.

7.1. Lagerungs- und Verbindungsarten 123

Für Anw wendungen im Glasbau stehen untterschiedlich he Verbindu ungsarten zu ur Verfügun ng, die in kraftsch hlüssige, forrmschlüssig ge und stofffschlüssige Verbindung gen eingeteeilt werden können. Kraftsch hlüssige Verrbindungen halten prin nzipiell durcch eine aufgebrachte K Kraft, die Einzelteile zusamm menpresst oder o klemmtt. Der Kraftsschluss kom mmt über Kontakt oderr Reibung zustande. Formsch hlüssige Ve erbindungen n gewährleeisten den Zusammenhalt über geometrissche Beschränkkungen, ineinandergreiffen oder ve rzahnen der Bestandte eile. Stoffsch hlüssige Verbindungen kön nnen im Gegensatz zu den kraft- und formscchlüssigen nachträglich n h nicht meh hr gelöst werden,, da Einzelte eile auf molekularer Eb bene über Ad dhäsions- und Kohäsioonskräfte verbunden werden. Eine Überssicht ist in Abbildung A 1126 gegeben n. Geklemm mte Lagerun gen stellen oft eine aft- und Formschluss daar. Verbindung aus Kra

Abbildung g 126 Grundleg gende Glaslagerungsarten im m konstruktiven Glasbau.

Bei Verg glasungen isst es dienlicch für die Laasteinleitung g zwischen Linienlager ung, Punktlagerung und Fläcchenlagerung zu unterrscheiden (ss. Abbildung g 127). Im Ba auwesen wiird Glas vorwiegend als Scheeibe beziehu ungsweise Platte P eingeesetzt. Dabe ei ist aus sta atischer Sich ht die vierseitige Linienlageerung am günstigsten. g Bei Punkth altern in Bo ohrlöchern können k even ntuell Tolera anzprobleme zu u Zwängung gen führen. Die lokale B Beanspruchung des Gla ases im Bereeich der Pun nkthalter muss, n neben der globalen Spa annungsberrechnung de er Glasscheibe, zusätzllich betrach htet werden.

Abbildung g 127 Möglichk keiten der Lage erung von Sch eiben.

Linienfö örmige Verg glasungen sind in DIN 18 8008-2 (12/22010) „Glass im Bauw wesen; Beme essungsund Kon nstruktionsrregeln Teil 2: 2 Linienförm mig gelagerrte Verglasu ungen“ gereegelt, die die e technische Reg geln für die Verwendun ng von linie nförmig gelagerten Verglasungen n (TRLV) erse etzt. Aufgrund d der EPDM Scchichten ode er Silikonpro ofile, die den Kontakt von Glas mitt harten Ma aterialien den sollen, muss m man grundsätzlic g ch von frei verdrehbare en Auflagerrn ausgehen n. Eingevermeid spanntee Scheiben sind s nur in Sonderfällen S n vorgesehen. Punktfö örmig gelagerte Verglasungen sind d zurzeit no och in den „Technische „ e Regeln für die Bemessung und die Ausführung A g punktförm mig gelagerter Verglasungen (TRPPV)“ geregelt, sollen ber die zukünftige Norm m 18008 ab gedeckt we erden. Im Bo ohrungsbereeich sind Zw wischenaber üb 124

schichteen aus weicchen Al-Legierungen od der EPDM, POM, PA6 vo orgeschriebeen. Für punktförmig gelagertte Glassche eiben wird grundsätzlic g ch vorgespa anntes Glas vorgeschri eben, um Versagen V durch Spannungsko onzentratio onen im Boh hrungsbereich zu verhin ndern. Eine sstatisch besstimmte, ungsfreie Lagerung lässst sich durcch Kombinattionen aus festen und verschieblichen Lazwängu gern erzzielen. Prinzzipiell können Klebeverrbindungen, Lochleibun ngsverbindu ungen und Reibverbindung gen als punkktförmige La agerungen ausgeführt werden.

77.1.1. Formschlüssige e Verbindu ungen Formsch hlüssige Ve erbindungen n gewährleeisten den Zusammenhalt über geometrissche Beschränkkungen der Bauteile un ntereinandeer. Linien- oder o punktfförmig geklootzte Verglasungen sowie Lochleibungssverbindung gen werden n darunter verstanden. v Bei einer LLinienlageru ung werpress-/Dichttprofile auf eine tragen de Unterkonstruktion aus a Stahl, A luminium oder o Holz den Anp montierrt (Riegel-Ko onstruktion)). Die Zwisc henlagen (E EPDM) ermö öglichen nebben der Abd dichtung auch eine zwängungsarme La agerung. Di e vertikalen n Scheibenlasten werdden über Klö ötze aus artholz, the ermoplastiscchen Kunsttstoffen ode er Elastomeeren in die FensterMaterialien wie Ha n oder die Un nterkonstruktion einge leitet (s. Abbildung 128)). rahmen

Abbildung g 128 Linienfö örmig geklemm mte Lagerung mit Stahlproffil, einfache Verglasung V mitt Glashalteleisste und linienförmig einspannte Lagerung.

Die Klöttze dürfen nicht n zum Kriechen K ne igen, müsse en druckfest und alteru ungsbeständig sein. Selbstveerständlich müssen sie e chemisch mit allen be eteiligten Materialien M vverträglich sein. Bei allen au uftretenden Verformungen müssen n sie den Ko ontakt zwischen Rahm en und Glas verhindern. Klötze sind 80-100mm 8 lang und m müssen 2mm m breiter se ein als die SScheibe. Neben den nleitung des Scheibengeewichts werden ca. 100 0-250mm voon der Scheiibenecke Tragklöttzen zur Ein entferntt Distanzklö ötze platzie ert, die das Verschiebe en der Sche eiben verhin ndern (s. Ab bbildung 129).

Abbildung g 129 Richtige e und falsche Klotzung einees Mehrscheib benisolierglase es (MIG) (linkss) und Verklotzung von Verglasun ngen mit Trag-- und Distanzk klötzen.

Lochleib bungsverbin ndungen leiten Kräfte mehr oder weniger punktförmig iin die Scheiben ein. Um Spannungsspittzen abzuba auen und so omit den Locchleibungsd druck gleich mässig aufss Glas zu gen, werden n plastisch verformbarre Hülsen eingebaut. Ess gibt vorgeefertigte Hü ülsen aus übertrag 125

wie weiichem Al, PT TFE, PA, POM, PEEK un nd anderen Kunststoffe en oder Giessshülsen au us Giessharzen. Vorgefertig gte Hülsen vereinfache v en die Monttage. Allerdings müsseen geringe MaßtoleM n werden, was w zum Beisspiel bei Me ehrbolzenverbindungen n schwierig ist. Beim ranzen eeingehalten Einbau vvon Giesshü ülsen müsse en die Glassscheiben biss zum Erhärrten des Gieeßharzes in der richtigen Po osition geha alten werde en. Da bei V VSG aus ESG G/TVG die Bohrungen B vvor dem Lam minieren hergestellt werden n müssen, flluchten die se nicht perfekt (s. Abbildung 130 0). Im Gegensatz zu n solche Masstoleranze en aufnehm en. Die Hülsendicke vorgefertigten Hülssen können Gießhülsen 4mm, um plastische p Verformung V en zu gewä ährleisten. Eine Mindeestglasdicke e von ca. ist ca. 4 12mm soll das Hera ausquetschen des Hülssenmaterials vermeide en. Die Bereechnung ein ner Lochg erfolgt fast analog z um Stahlba au, allerding gs mit einem m Beiwert k für das leibungsverbindung material, der vom Herstteller zur Veerfügung gestellt werde en muss: Hülsenm

  k 

F   r t .

 bezeiichnet die massgebend m de tangentiaale Hauptzu ugspannung g am Rand, F die Lochle eibungskraft, r d den geomettrischen Para ametern de s Bohrungsradius und t die Glasdiccke.

Abbildung g 130 Lochleibu ungsverbindung mit Giesshü ülse für VSG.

w aus architekton nischen Gründen gernee Punkthalte er eingeFür Glassscheibenlagerungen werden setzt, diie grob in Punkthalter mit Bohrlocch in der Gla asscheibe und Punkthaalter mit Kle emmung an den Glasscheibenkanten eingeteilt e w werden könn nen. Punkthalter mit BBohrloch kön nnen als der Tellerhalter aufgefü ührt sein. Senk- od

Abbildung g 131 Punkthalter mit Bohrlo och. Von linkss nach rechts: Starrer Senkh halter für VSG,, Senkhalter mit m Gelenk ausserhallb der Scheibenebene, Senkh halter mit Geleenk in Scheibe enebene, Telle erhalter mit Geelenk und Hintterschnittanker für VSG.

Punktha alter mit konusförmige em Bohrloch h ermöglicht durch die bündige Au ußenfläche eine optisch an nsprechende e Lösung un nd einfache Reinigung.. Ihre Resttrragfähigkeitt bei Scheibenversagen ist jedoch gerin nger als bei Tellerhalter T rn. Ein wichttiger Untersschied bei Pu unkthaltersyystemen Verbindung mit der Un nterkonstrukktion, die sttarr oder ge elenkig sein kann. Systeme mit ist die V Gelenkeen ermöglichen eine zw wängungsä rmere Lagerung. Zudem m kann dass Gelenk ausserhalb 126

der Scheeibenebene e sein, was ein e Momentt in der Gla asscheibe ve erursacht, w wohingegen das Gelenk in d der Glasmitttelfläche die es vermeideet (s. Abbildu ung 131).

Abbildung g 132 Zwängun ngsarme, statisch bestimmtee Lagerung von Glas in einerr Fassade überr Spider mit Ex xzentern.

Die zwä ängungsarm me, statisch bestimmtee Punktlage erung von Scheiben S in einer Fassa ade über sogenan nnte Spiderr ist in Abbiildung 132 g gezeigt. Die e horizontale und vertiikale Justierrung der Aufhäng gungspunktte ist über EinfachE odeer Doppelex xzenter mög glich. Möchtte man eine e Schwächung d der Scheiben durch Boh hrungen ve rhindern, kö önnen Punk kthalter mitt Klemmung g an den Ecken der Glassche eiben verwendet werdeen. Die eingelegten EPD DM Taschen n im Punkth halter erhen eine zw wängungsarm me Lagerun ng. Der Punkthalter ist gleichzeitigg Knotenpunkt zum möglich Beispiel für vorgesp pannte Seiln netzfassade n.

77.1.2. Kraftsschlüssige e Verbindu ungen Kraftsch hlüssige Verrbindungen halten prin nzipiell durcch eine aufg gebrachte K Kraft, die die Einzelteile zussammenpre esst oder klemmt. Der Kraftschlusss kommt über ü Kontakkt oder Reib bung zustande. Geeignete Reibschichtten zwischeen Stahl und d Glas sind meist Polym mere die ke eine releormungen aufweisen. D Der Reibung gskoeffizient wird vom m Hersteller angegevanten Kriechverfo mmt. ben odeer aus Versuchen bestim

Abbildung g 133 Beispiel einer e Reibverbindung.

Bei Reib bverbindung gen werden die zu verb bindenden Flächen F übe er vorgespan uben gennte Schrau geneina ander gepresst. Die Vorspannkraft kann, wie in Abbildung g 133 dargesstellt, über FederrinF ge aufreechterhalten werden, wobei w zulässsige Vorspa annungen ebenfalls e voom Hersteller angegeben w werden müsssen. Probleme können bei Reibverbindungen mit VSG en tstehen, da die kriechenden n Kunststofffeinlagen (P PVB) zu eineer starken Reduktion R de er Vorspann nung und damit der Reibung gskraft führe en können.

127

77.1.3. Stoffsschlüssige e Verbindu ungen Stoffsch hlüssige Verrbindungen sind im Glaasbau Klebvverbindunge en. Im Gegeensatz zu de en kraftund formschlüssige en, können diese nachtträglich niccht mehr ge elöst werden n, da Einzelteile auf o Silimolekularer Ebene über Adhäsions- und Kohäsionskkräfte mit Klebstoffen aauf PU, EP oder en werden. Die Klebeeverbindung g ermöglich ht eine na hezu gleich hmäßige konbasis verbunde urch Klebsto offeigensch aften und FugendiF Lasteinleitung. Dass Verhalten der Verbin dung ist du nstellbar. Dü ünne Klebscchichten füh hren zu steifen Verbind dungen mitt höheren Spannuncken ein gen an den Klebscchichtenden n während sich dicke Klebschichten deutlich h stärker ve erformen i Bezug auf Kriechen, UVkönnen.. Die Dauerhaftigkeitt der Verkklebung istt kritisch in Beständ digkeit, chem mische Umw welteinflüssse und Tem mperatur. Ein n geeigneteer elastomerer Klebstoff ist Silikon. Es zeichnet z sicch durch hoh he Alterung gsbeständigkeit, gute H Haftung an Glas G und n aus. Ein zu ugelassechemiscche Verträglichkeit mit PVB-Folien beziehungsweise mit Gießharzen nes Silikkon-Produktt für Klebevverbindungeen ist z.B. Sikasil S SG-50 00 von Sikaa. Die Beme essungsspannungen für diieses Produkt betragen n für dynam mische Beanspruchunggen (Wind) σRd=0.14 MPa fürr Zug und τRd=0.105 MP Pa für Schub b. Für ständ dig wirkende e Beansprucchungen wie Eigengewichtt dürfen nur wesentlich h geringere Werte ang gesetzt werd den (vgl. Ta belle 17 Geg genüberstellung g verschiede ener Glaskle ebstoffe.). G Glas darf nur unter ko ontrollierten n Bedingungen verklebt weerden. Tabelle 177 Gegenüberstellung verschiedener Glaskleebstoffe.

Silikonkleberr

Hersteller

Typ

Rdd

Rd

Rd,∞

DC 993

Dow Cornin ng

2K

0,14

0,11

0,11

Sikasil SG-50 00

Sika

2K

0,14

0,105

0,0105

DC 895

Dow Cornin ng

1K

0,14

0,14

-

Eine wicchtige Anwe endung von n Klebeverbi ndungen sind geklebte e Ganzglasfaassaden (StructuralSealant Glazing Syystem (SSGS S)). Dabei w werden die Glasscheibe G en mit Silikoon-Dichtsto offen auf ahmen eing gehängt werden. Die Klebung bew wirkt die Abd dichtung Metallprofile geklebt, die in Ra gung für kurrzzeitige Wiindsoglasten. Eigengew wicht wird im Allgeund die mechaniscche Befestig ng mit Klotzung in die Struktur ei ngeleitet. In n Europa meinen durch eine mechaniscche Halterun m SSGS no och gering im m Vergleich zu den USA A, wo SSGS seit über sind die Langzeiterffahrungen mit et ist. 40 Jahreen verbreite

Abbildung g 134 SSGS Verrglasungen.

Geklebte Ganzglassfassaden bieten ein o optisch eben nes, ungesttörtes Ersch heinungsbild d. Durch alteleisten werden w Ran dbereiche auch a nicht Verschattet, V was zu eine er besseden Verzicht auf Ha 128

ren Temperaturverteilung in der Scheibe führt. Neben Kosteneinsparungen durch leichte Reinigung, sind die Verglasungen auch wirtschaftlicher gegenüber punktgehaltenen Verglasungen, da Spannungen am Lochrand nicht massgebend sind und keine teuren Spider verwendet werden. SSGS bieten bessere Wärme- und Schalldämmung bei guter Schlagregendichtigkeit. Die Herstellung erfolgt aus Gründen der Qualitätssicherung werkseitig (DIN EN 13022). Als Klebstoffe sind nur Silikone zulässig und die Verklebung muss linienförmig sein und unter definierten Bedingungen erfolgen. Die Klebstoffe sind meistens mit Kreide, Kieselsäure und Russ gefüllt, um höhere Kriech- und UV-Lichtbeständigkeit zu erreichen. Organische Beschichtungen unter der Klebfläche im Randbereich sind zu entfernen, um hohe Adhäsionswerte zu erreichen. Während der Herstellung ist die Güte der Haftung auf beschichteten Scheiben zu prüfen, z.B. durch kohäsives Versagen beim Herunterziehen. Es wird eine Mindestfugendicke von 6mm gefordert damit Zwangsbeanspruchungen der linienförmigen Klebverbindung durch Unterschiede in der Wärmeausdehnung von Glas, Klebstoff und Metallprofil ausgeglichen werden können. Die Montage der Module erfolgt durch Einhängen der Adapterrahmen in PfostenRiegel-Konstruktionen. Man unterscheidet prinzipiell 4 Typen von SSGS Verglasungen, wobei die Typen I und II bei uns zum Einsatz kommen (vgl. Abbildung 134 SSGS Verglasungen.). Die Bemessung erfolgt mit semi-probabilistischen Kriterien, da als Bruchspannung die Spannung der 5% Fraktile angesetzt wird. Es muss nachgewiesen werden, dass der Bemessungswert der Einwirkung Ed kleiner ist als der Bemessungswert des WiderstandsRd. Die Klebfugen müssen 6-20mm breit und mindestens 6mm dick sein. Die Durchbiegung der Unterkonstruktion darf maximal L/300 betragen Widerstand Rd:    

Rd=Ru,5/6 Rd=Ru,5/6 Rd,∞= Rd /c Ru,5

Bemessungsspannung auf Zug (Sicherheit = 6) Bemessungsspannung auf Schub (Sicherheit = 6) Bemessungsspannung auf Schub bei Dauerlast (Kriechfaktor c>10) Bruchspannung 5% Fraktile

Einwirkung Ed:

 Ed  qd 

a 2h

wobei qd den Bemessungswert für Windlast, a die kürzere Scheibenkante und h die Klebfugenbreite bezeichnet. Die Verklebung entlang der längeren Scheibenkante wird vernachlässigt. Bei den bei uns üblichen Typ I und II wird das Eigengewicht über eine Klotzung abgetragen. Fugen werden oft mit den gleichen Stoffen ausgeführt wie Glasverklebungen. Fugen sollen Glas und Rahmen dauerhaft gegen Luft- und Feuchtigkeitseintritt schützen und den Durchlass von Schall und Wärme verhindern. Dabei müssen Bauteil- und Untergrundbewegungen, Temperaturdehnung (-20° bis +60°C) oder Quellungen ausgeglichen werden, um Zwängung der Scheiben zu vermeiden. Gleichzeitig müssen Bewegungen von Glas und Unterkonstruktion aus Windbelastungen, Schwingungen, Erschütterungen und niederfrequentem Schall ermöglicht werden. Die Mindestbreite für Stossfugen ist 4mm, die als Nass- oder Trockenfugen, aber auch Kombinationen aus beidem ausgeführt werden (s. Abbildung 135). Selbstverständlich müssen Fugenmaterialen UV-beständig und chemisch verträglich mit allen anderen Materialien sein.

129

Abbildung g 135 Fugenartten.

7.2. Verglasu ungsarten n Konstru uktion und Bemessung B müssen so ausgeführt werden, dass Menscheen nicht durrch Splitabstürzende e Scherben oder einen Absturz be ei Bauteilversagen gefäährdet werd den könter, hera nen. Um m dies zu ge ewährleisten n, orientiereen sich die existierenden Regelwerkke an Einbausituation, Nutzung, zu erwartenden Lastfällen u und Risiken. Im Glasba au erfolgt eiine Untersccheidung berkopfverg glasung, Verrtikalverglassung, abstu urzsichernde e Verglasun ng und bege ehbarem nach Üb Glas.

Abbildung g 136 Einteilun ng der Verglasu ungsarten.

Bis max ximal 10° spricht man von einer Ve rtikalverglasung (TRLV)), darüber voon einer Ho orizontalverglasu ung (vgl. Ab bbildung 1377). Die Unteerscheidung g basiert au uf den unteerschiedliche en, aufgrund d der Neigung g typischerw weise zu erw wartenden Lasten. L Wäh hrend bei Veertikalverglasungen das Eigeengewicht in i der Scheiibenebene w wirkt, vergrössert sich bei Überko pfverglasun ngen mit steigend dem Winkel zur Vertika alen der Kraaftanteil derr dauerhaft senkrecht zzur Glasebene wirkt. Da diesee Scheiben zunehmend z d auf Biegun ng beanspru ucht werden n, wirken siee als Platten n. Führen jedoch SSchneeanhä äufung vor Vertikalverg V glasungen zu Lasten, die e nicht nur w wie Wind kurzzeitig wirken, dann gelten die streng geren Besti mmungen für Überkop pfverglasun ngen. Vertikalverglan (wie Schau ufenster) sungen deren Oberrkante nichtt mehr als 44m über der Verkehrsfläche liegen ellt. Ebenso ffallen Dachfenster bis zu 1.6m2 Gröösse nicht unter u die werden von der TRLV freigeste mungen für Horizontalv verglasunge en. Bestimm

130

Abbildung g 137 Verglasungsarten nach h TRLV und Reg gelwerk für ko onstruktiven Glasbau.

Im konsstruktiven Glasbau G erffolgt eine U Umstellung auf semi-probabilistiscche Sicherh heitskonzepte. SSemi-probab bilistisch, da a zwar Teils icherheitsfa aktoren verw wendet werrden, die au uf probabilistische Weise errmittelt wurrde, der Nacchweis der Tragfähigkei T it jedoch miit determiniistischen gt. Anstelle eines globaalen Sicherh heitsfaktors kommen TTeilsicherhe eitsfaktoGleichungen erfolg nsicherheiteen ermöglichen. Der ren zur Anwendung, die eine differenzierrtere Erfassung von Un wert für die Einwirkung gen umfasstt ungünstig ge Abweich ungen sow wie ungeTeilsicheerheitsbeiw naue Modellannahmen für die e Einwirkung g und Unsiccherheiten in der Bestim mmung derr Auswirünstige Abw weichunkungen.. Der Teilsiccherheitsbeiwert für deen Widerstand berücksiichtigt ungü gen von n charakterisstischen We erten der M Material- ode er Produkteigenschafte n, Ungenau uigkeiten der Umrechnungsffaktoren sow wie geomettrischen Unsicherheiten und im TTragwidersta andsmonen werden mangels eigener Norm mung in der Schweiz dell. Zurr Bemessung von Glaskkonstruktion heute die technisch hen Regeln des Deutscchen Institutts für Baute echnik in Beerlin (BIDt) herangeh g 137). zogen (ss. Abbildung

77.2.1. Vertikkalverglasung Vertikalverglasunge en stellen den d häufigstten Anwend dungsfall da ar. Anforderrungen an die d Resten im Allgemeinen nich ht gestellt. Es kann neb ben VSG aucch ESG-H be ei erhöhtragfähiigkeit werde ten Tem mperaturbea anspruchungen eingeseetzt werden n. Wenn bei geneigten FFassaden ein Verletzungsrissiko für darrunter liegende Verkeh hrsbereiche e besteht, sind sie als Ü Überkopfverrglasung einzustu ufen. Für Ve ertikalverglasungen sind d folgende Nachweise N üblich. • Tragfä ähigkeit und d Gebrauchsstauglichkei t für Eigeng gewicht und d Windlast • Klimalast bei Isolierglas erglasungen n sind Vorh hangfassade en. Diese müssen m klim matisch, ene ergetisch Typischee Vertikalve und aku ustisch tren nnen, bezieh hungsweisee Licht, Luft und Wärm me kontrollieert durchlasssen. Zudem haben sie gelegentlich Schutzfunktiionen gegen Absturz, Brand, B Einbbruch oder ExplosioE eme untersccheiden sich h primär in Bezug auf die Tragstru uktur und die d Lagenen. Fasssadensyste rungsarrt der Glasscheiben. Die Unterkon struktion kann mit Pfo osten-Riege ltragwerken n, vorgespannteen Seilbinde ern, vorgesp pannten ebeenen Seilnettzen oder Netzschalen mit und oh hne Speichenräd dern ausgeführt werden n. Pfosten--Riegelkonstruktionen sind sehr h äufig. Glassscheiben we erden linien nförmig ode er punktförmig auf Biegeträgerkonstrruktionen o oder Fachw werken ange ebracht. Be i vertikalen n, vorgeerden die G lasscheiben n auf Seilnettzen punktfförmig gelagert. Die spannteen Seilnetzffassaden we Windlasst wird durcch entsprech hende Verfo ormung dess Seilnetzes abgetragen n. Das Eigen ngewicht des Glases wird üb ber Glassche eiben und PPunkthalter abgetragen n. Die Vorsppannkräfte der Seile den der Seilb binder in Staahlbetonwä ände, Stütze en oder Dac hträger eing geleitet. werden an den End

131

Abbildung g 138 Verschied dene Fassaden narten für Verttikalverglasun ngen.

Bei hintterlüfteten Aussenwan ndverkleidun ngen komm mt zusätzlich DIN 18516 6-4 ((02.199 90): Aussenwandbekleidung, hinterlüfftet: ESG, A Anforderung gen, Bemessung, Prüfu ung) mit fo olgenden nwendungen (Bsp. s. An nhang B1): Vorschriften zur An

    

 

Scheiben nur aus heissgelagerttem ESG (ES SG-H), mind d. 6mm starkk. Die Kan nten müssen mindesteens gesäum mt sein, Kanttenverletzu ngen sind bis max. 15% der Scheibendicke erlaubt (visuelle Prü üfung vor Eiinbau). Jedes Glaselement ist grundsättzlich einzeln, zwängun ngsarm zu bbefestigen. Lagerun ng linienförm mig (2-4) od er punktförrmig geklem mmt. Glaseinsstand min. 10mm 1 (allseeitig gelage ert); 15mm (2 2-3 seitig geelagert) oder Glasdicke + 1/500*Stüttzweite; 255mm (punkktförmig gelagert) g K Klemmfläche e mind. 2 m /Seite. 1000mm Tragfähigkeit ist errfüllt wenn zulässige Biegezugspa B annung <50 0MPa, die Be eanspruebene wird n nicht nachg gewiesen chung in Scheibene Gebraucchstauglichkeitsnachw weis: Durchb biegung freier Kanten <<1/100*Kanttenlänge (bei 4-se eitiger Lagerung keine B Begrenzung g).

Bei verttikalen Verg glasungen aus Isoliergl as kommt DIN 18008 und die TRLLV zur Anw wendung. en aus Wind ddruck und –sog sind Klimalasten n zu berückssichtigen, die d durch Zusätzlich zu Laste Volumeenänderung des Füllgasses infolge Temperatur- und Luftdruckdiffereenzen zwiscchen (3K  1kN/m m2 = 84m Höhe) H dem abgeschloss a senen Volum men im SZR und Umge bung und meteorom logisch bedingten Atmosphärrendrucksch hwankungen entstehen. Dieser soogenannte Doppelexen oder kkonkaven, kissenförmig gen Verform mung der Glasscheischeibeneffekt führt zur konve ne weitere Besonderhe B it von Isolieerverglasungen ist der Koppeleffeekt durch de en abgeben. Ein schlosseenen SZR de er dazu führrt, dass sich h alle Einzelg glasscheiben in Abhänggigkeit ihrer Steifigkeit und d des Isolierrglasfaktorss am Lastab btrag beteiliigen, auch die d nicht di rekt beansp pruchten Scheiben. Ein Beisp piel zur Bere echnung fin ndet sich in n Anhang B3. Der Randdverbund da arf nicht w eine unvverschieblicches, frei drehbares Lagger. Für Klim malasten angesettzt werden und wirkt wie bei Isoliergläsern aus a VSG ist der volle Scchubverbun nd zu berücksichtigen, da dies zu höheren o dessen n Ansatz. Fü ür Isolierglas besteht m meist eine DurchbieD Spannungen führen kann als ohne es Randverbbunds gewährleistet gungsbeeschränkung durch Hersteller bis zzu dem die Dichtheit de ist. Ist nichts bekannt gilt l/100 0 (TRLV).

132

Abbildung g 139 Vorzeichenregelung be eim Doppelsch heibeneffekt in n Isolierglas.

Punktfö örmige Laste einleitungen n sind über FE Berechn nung nachzuweisen. Daabei gelten für Glas eigene G Grundsätze. So sind alle beanspru uchungserhöhenden Einflüsse exaakt abzubild den. Dies sind Gla asbohrunge en, Ausschnitte, Einspaannungen, Exzentrizitä E ten, Deform mationen de er Stützkonstruktion, Toleranzen, MOE E und Dickee der elastischen Zwischenlager. Im m Lagerung gsbereich öglichst Volu umeneleme ente und Ko ontakteleme ente zu verw wenden, wä hrend für die Scheisind mö ben in d der Regel Scchalenelemente reiche n. Der Lasta abtrag musss der tatsäc hlichen Aussführung mit elasstischen Zw wischenlage en entsprecchen. Beispiielhalft sind d hier einigge Steifigke eiten genannt: EEPDM=400M MPa, EPOM=3G GPa, ESilikon=1 0MPa, EHilti HIT-HY =4GPa (Vergussmö ( örtel). H

77.2.2. Horrizontalverrglasung Für den Überkopfbereich wird eine passivve Absturzsiicherung ge efordert – beei Glasbruch dürfen ne gewisse Standzeit keine k große n Splitter auf Personen n fallen. Mitt VSG aus Floatglas F über ein oder VSSG aus TVG G können diese Anford derungen erreicht werrden. VSG aaus ESG be esitzt bei punktgeestützten Glasscheiben n nur eine reeduzierte Re esttragfähig gkeit und kaann bei linie enförmiger Lageerung wege en der groß ßen Verform mungen auss den Halterrungen glei ten. Werden Netze, die zusa ammenhäng gende Glaskkrümel aufffangen oderr splitterhem mmende Follien verwendet, sind auch ESSG Verglasungen möglich. Bei Isolieerglas kann n die obere Scheibe S auss ESG wegen n der hohen Wid derstandsfä ähigkeit geg genüber Hag gelschlag au usgeführt werden, w wen nn die untere Scheibe aus V VSG die Lastt übernehmen kann. Die Anfo forderungen n an Überko opfverglasun ngen sind neben n der Aufnahme A d er statische en Belastung aus Eigengew wicht und Schnee, eine aausreichend de Resttragffähigkeit nacch einem Glasbruch gebenenfalls eine Stoßssicherheit g gegenüber harten h Stöße en, wie sie zz.B. durch herab falund geg lende G Gegenstände e aus Wartu ungsarbeiteen auftreten n können. Für F Überkoppfverglasung gen sind folgende Nachweisse üblich.

• • •

T Tragfähigke eit und Gebrrauchstaug lichkeit für Eigengewicht, Wind un nd Schnee, Klimalast K bei Isolierglas higkeit nach Glasbruch muss im Ve ersuch nach hgewiesen ssein, wenn kein k VSG Resttragfäh a aus Spiegelg glas, TVG od der Drahtglaas verwende et wird. Die Stoßsiccherheit geg genüber haarten Stöße en muss du urch einen Kugelschlag gversuch nachgewiessen werden..

Einige w weitere Rege elungen für Vertikalver glasungen, also Verglasungen mitt mehr als 10 0° gegen die Verttikale (TRLV)) sind.

• • 133

V Verwendun ng von Drahttglas, VSG aaus Spiegelg glas oder TVG mit PVB-FFolie >0.76m mm. SSeitenverhä ältnis 3:1 darrf nicht überrschritten werden. w

• • • •

Bohrungen und Aussch hnitte sind u unzulässig in Überkopfv verglasungeen. ndsätzlich nicht G Günstig wirrkender Sch hubverbund oder MIG Randverbun nd darf grun n berücksichtigtt werden. Immer linie enförmige La agerung, ab b Stützweite e >1.2m allse eitig. Verhin ndern des Scheibenrutschens durch d Distan nzklötze. Durchbiegu ungsbegrenzzung 1/200**Scheibenlänge, max. 15 5mm.

Zum ex xperimentellen Nachweis der Ressttragfähigkkeit im Bauteilversuch wird zunächst z.B. über Sandsäcke ein ne flächige Prüflast au fgebracht. Danach werden VSG-SSchichten du urch Anschlagen im statiscch ungünstigsten Fall zerstört. Während der Standzeit ddürfen keine Bruchherunterfallen. Durch das d Kriechen n der PVB Fo olie versagt die Scheibee. Die Resttrragfähigstücke h keit ist der Zeitraum (Standzeit) vom Glaasbruch bis zum vollstä ändigen Verrsagen unte er Eigenen Krümel praktisch p niccht mehr mittragen, gewichtt mit Zusatzzlast. Da bei VSG aus ESSG die kleine verhalteen sich diese nach dem m Glasbruch h wie schlafffe Membranen aus ein nem stark kriechenk den Kun nststoff. Da as führt zum m Ausreisseen von Pun nktlagern un nd Rausrutsschen bei 2-seitiger 2 Linienlagerung. VSG G aus Floatg glas hat diee beste Restttragfähigke eit, VSG aus TVG die zw weitbeste G aus ESG die schlechte este. VSG au us ESG ist in etwa so gut wie Drahtgglas aber scchlechter und VSG als VSG aus TVG. Be ei Zerstörun ng aller Scheeiben bei VS SG ist eine vierseitige v Laagerung am m besten, weiseitige am m schlechte esten. Bei PPunktlageru ungen sind Tellerhalte r Senkhalte ern stark eine zw überlegen. ücksichtigung des Schu ubverbundss über die PVB-Folie P de es VSG würdde zu deutlich wirtDie Berü schaftliccheren Glassbauten füh hren, da diee Spannungen und Verrformungen n geringer sind. PVB Folie zeiigt jedoch stark temperaturabhän giges Verha alten (E-mod dul) und neeigt zu starkem Kriechen (Ta ab. Tabelle 18). Tabelle 18 8 Temperatura abhängigkeit der d Schubmodu uli in MPa für PVB Folien

Lastdauer

t<5s

t<10min

t<1d

t<7d

t<90d

stäändig

T<3°C C

1.86

1.44

1.01

0.84

0.62 0

-

T<25°°C

0.54

0.37

0.19

0.12

0.03 0

-

T<50°C

0.32

0.09

-

-

-

-

T<70°C

0.15

-

-

-

-

-

Abbildung g 140 Schub bverbundwirku ung bei 3-facch VSG unte er Biegebeanspruchung (l inks) und Sp pannungsDehnungslinien einer PVB P Folie bei un nterschiedlich en Temperatu uren.

134

Betrachttet man sicch das Kriecch- (Tabellee 18) und Te emperaturv verhalten (A Abbildung 14 40) wird sehr sch hnell deutlicch, warum die d Verbund dwirkung be ei VSG nicht angesetztt werden da arf. Neue Kunststofftypen od der bewehrrte Zwischeenschichten könnten hier h einen A Ausweg bie eten. Bei j die volle v Verbu ndwirkung gegeben un nd VSG kan n als monolithische Stossbelastung ist jedoch w Platte betrachtet werden. und/kein Veerbund für 4-seitig lin niengelagertte Platten kann k für Der Verrgleich zwisschen Verbu Verform mungen aus

wv ,l wm ,l

 3 (1  2 h / t )2    2 2  (1   )  4  k 

1

gerechn net werden, mit der Foliendicke h, der Gesamtglasdicke t=t t o+tu und dem Dicken nverhältnis to//tu. v kennzeichnet den n nachgiebig gen Verbund, m die mo onolithischee Platte mit der kurzen/langen Kante a/b, a dem E--Modul des Glases E und Schubm modul des PV VB G. Für die d Spannungen gilt

 v ,l  4  4h / t  2 2 k  a   Eht k  1  1.355     2 2 2  m ,l 3(1  2h / t )  1   k , mit dem Verbun  b   4Ga .  ndbeiwert

Abbildung g 141 Delamina ation durch ste ehendes Wassser.

Unter a anderem be ei Horizontalverglasun ngen im Da achbereich können du urch die beteiligten Kunststoffe beim VSG V Schäden auftreten n. Dies sind hauptsächlich Mängell der PVB Zw wischenH rlust (Delam mination), Blasenbildun ng oder Trüb bung der schicht von VSG in Form von Haftungsver urch chemissche Reaktionen, die d durch Wasssereindrang ausgelöst werden. Be esonders Folie du durch horizontale, freie Kanten oder Übeerkopfvergla asungen ohne Tropfkan nte werden Delaminationseerscheinung gen begünsstigt (s. Abb bildung 141). Neben de er optische n Beeinträcchtigung durch D Delamination, Trübung, Schmutzan nsammlung und Wachsstum von O rganismen, wird die Tragfähigkeit reduziert und ein Austauscch wird unu umgänglich. Bei Konta kt von PVB mit ben wurden Materialunve M erträglichke eiten festgestellt, die e benfalls zu Delamistimmteen Silikonen nationen führen.

77.2.3. Abssturzsichernde Verg lasung Als abstturzsichende e Verglasun ngen müsse n neben Ein nwirkungen aus Eigengeewicht, Win nd, Klima und Verrkehr Durchstoss- und Absturzsich A erung gewä ährleisten. Geregelt G sin nd diese in den d technischen Regeln für die Verwe endung von n Absturzsicchernde Ve erglasungen n (TRAV), die unterelle 19) von V Verglasung gen definiertt. Der Nachw weis muss statische s schiedlicche Kategorien (s. Tabe aber au uch stossarttige Einwirkkungen berü ücksichtigen n. Im Bruch hfall dürfen keine Splittter oder uf Verkehrsfflächen falle en. Ab 1m A Absturzhöhe e ist bereits eine 0.9m hohe Abstu urzsicheTeile au rung no otwendig, ab b 12m sogar mit Geländ derhöhe von n 1.1m.

135

Tabelle 19 9 Kategorien fü ür absturzsiche ernde Verglas ungen nach TR RAV.

Kategorrie A: linie enförmig gelagerte Verrtikalung ohne traverglasu gende Brüstungsrriegel e in baurechtlich erforderlicheer Höhe.

Kanten der Veerglasungen müssen durch erung (Pfossten, Riege el, benachb barte Lage Sche eiben) vor SStössen gescchützt sein. Beispie ele sind raum mhohe Verg glasungen, franf zösische Fensteer ohne Brü üstung in erfore ngen derlicher Hö he. Einfachverglasun VSG besteh hen, Mehrsccheimüsssen aus V benvverglasungeen können Kombinatio onen aus VSG und an nderen Erzeugnissen sein.

Kategorrie B: Eingespanntee, linienfö örmig gelagertte, trag gende Glasbrüstungen mit H durchgeehendem Handlauf.

ung aus VSG G, die am unteu Einffachverglasu ren Rand eing espannt istt. Ein durch hlauder Handlau uf schützt die obere GlasG fend kantte und träg gt horizonta ale Lasten ab. In der Regel wird er seitlich an a Pfosten oder nde angescchlossen, da amit auch beim b Wän Ausffall aller Sch heiben noch h eine Abstu urzsicherrung besteeht. Bei Bo ohrungen empe fiehlt sich ESG oder TVG, da nicht vo orgenntes Glas im Bereich von Bohrun ngen span stark geschwäccht ist. Glasskanten müssen gung gesch hützt prinzipiell vor Beschädig werden.

Kategorrie C: Ausfa achende, ab bsturzsicherrnde Vergla asungen, diie keine Hoolmlasten abtragen müssen. C1: Geländerausfachungen, die an mind. 2 gegenübernden Seiten liegen gelag gert sind.

müsssen aus VSG ausge eführt werrden. Punktförmig geelagerte sind nur für eb bene, hteckige Sccheiben im m Innenberreich rech zuge elassen.

C2: U Unterhalb eines Diess ist die Kattegorie für Pfosten- Rie egelin Holmhöhe angea fassaden abtraordneeten, lasta genden Querriegels befindliche und d an mind. 2 gegenübernden Seiten liegen linien nförmig gelagerte erglaVertikalve sung. C3: V Verglasung der Kateg gorie A mitt vorgesettztem, lastabtrageendem Holm m.

136

77.2.4. Beg gehbare Ve erglasung g Begehba are Verglasu ungen müsssen neben d der Auslegung auf die statische s Beelastung eine ausreichende Resttragfäh higkeit nach h Glasbruch und Stoßsiccherheit geg genüber harrten Stößen n aufweiF von h harten Gege enständen auftreten. D iese Anforderungen sen. Dieese können durch das Fallen können mit VSG au us mindeste ens 3 Glasscchichten erffüllt werden n. Dabei ist die oberste e Schicht 0mm), die in i der statisschen Berecchnung nicht angeeine Verschleißschicht aus ESG/TVG (t>10 d sie tiefe Kratzer und d Risse aufw weisen kann (s. Abbildu ng 142 Aufb bau einer setzt weerden darf, da begehba aren Verglasung.). Risse e in der Versschleissschicht werden von der PV VB-Folie abge efangen. Aus den n Gleichen Gründen G wie bei Horizo ontalverglasungen darf ein Schubbverbund de er einzelnen Glasschichten durch die PV VB Folie nich ht berücksicchtigt werde en. glasungen sind folgend de Nachweisse üblich: Für begeehbare Verg

• • •

T Tragfähigke eit und Gebrrauchstaugllichkeit für Eigengewic E ht und Nutzzlast Harter Stosss mit schwe erem Stossk örper Resttragfäh higkeit

Die Verb bindung der Glaseleme ente untereiinander erfo olgt durch Klebung, K Reiibverbindun ngen mit Edelstah hllaschen, Lochleibung L sverbindung gen oder Pu unkthalter. Aus psychoologischen Gründen, G zum Sicchtschutz und als Rutschhemmun ng werden mattierte m Verschleissscchichten ein ngesetzt. Die Scheeiben müsse en allseitig, durchgehen nd, linienförmig gelage ert sein (TRLV LV). n, Stege, Ab Eingesetzt werden begehbare Verglasung gen für Trep ppen, Podeste, Emporen bdeckunn Lichtschächten, Glassbrücken un nd –dächer die Nutzerrn frei zugäänglich sind d, wobei gen von Treppen n nicht im Re egelwerk errfasst sind.

Abbildung g 142 Aufbau einer e begehbaren Verglasun g.

137

8. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Branchen der Glasindustrie. ................................................................................................................ 7  Abbildung 2 Römische Glasscheibe ca.1-70 n.Chr. Fundort Haus in der Umgebung Herculaneums, das 79n.Chr. wie Pompeij von der Asche des Vesuvs bedeckt wurde. Scheibendicke ist 3mm. British Museum, London. ............................................................................................ 9  Abbildung 3 Arbeitsschritte beim Mondglasverfahren=Schleuderverfahren. ...................................... 10  Abbildung 4 Arbeitsschritte beim Zylinderglasverfahren. .............................................................................. 11  Abbildung 5 Galerie des Glaces, Schloss Versailles. Von Jules Hardouin-Mansart und Charles Lebrun 1661. Die Fassade des langen Querflügels an der Gartenseite besteht aus einer Reihe von Bogenfenster. Dadurch löst sich die Wand auf und wird fast zum Skelett, was sich vis-à-vis auf der Innenwand als Spiegelung widerholt und zu einer nahezu vollständigen Auflösung des Raumes führt. .................................................................................................................................................................... 12  Abbildung 6 Crystal Palace 1851. ................................................................................................................................ 13  Abbildung 7 Walzglasherstellung nach dem Bicheroux-Verfahren mit Drahteinlage. .................... 14  Abbildung 8 Fourcault (links) und Libbey-Owens (rechts) Ziehverfahren zur Herstellung von Maschinenglas. ................................................................................................................................................................. 14  Abbildung 9 Overflow-fusion-Verfahren: 1 Zufluss der Glasschmelze, 2 Überlaufrinne aus Platin, 3 Ziehzwiebel. .................................................................................................................................................................... 16  Abbildung 10 Grundaufbau einer Floatglasanlage. .......................................................................................... 17  Abbildung 11 Übersicht über Herstellungsverfahren für Flachglas. ........................................................... 17  Abbildung 12 Temperaturabhängigkeit des Volumens bei Kristallisation und Glasbildung. ......... 18  Abbildung 13 Gegenüberstellung amorpher und kristalliner Stoffe. ........................................................ 19  Abbildung 14 sp3 Hybridisierung und Inselsilicat als Grundbaustein....................................................... 23  Abbildung 15 Kationen-Anionen Packungen und Kationenabstände bei tetraedrischer Konfiguration. .................................................................................................................................................................. 24  Abbildung 16 Kalk-Natron-Glas mit Netzwerkwandlern. .............................................................................. 26  Abbildung 17 Herstellung von Kalk-Natron-Glas............................................................................................... 26  Abbildung 18 Übersicht über Glassorten. ............................................................................................................. 28  Abbildung 19 Leblanc-Prozess. ................................................................................................................................... 33  Abbildung 20 Solvay-Verfahren. .............................................................................................................................. 34  Abbildung 21 Angriff durch Wasser. ....................................................................................................................... 36  Abbildung 22 Abtragraten für unterschiedliche Angriffsmechanismen. ............................................... 36  Abbildung 23 Einflüsse ausgewählter Glasbestandteile auf die chemische Beständigkeit eines speziellen Basisglases gegenüber Korrosion durch Wasser.......................................................................... 37  Abbildung 24 Schema eines V-T-Diagramms. .................................................................................................... 39  Abbildung 25 Glasbildung bei unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten (2<1, 3>1). 0 Gleichgewichtskurve, 1 normale, 2 langsame, 3 schnelle Abkühlung, 3’ normales Aufwärmen. . 40  Abbildung 26 Dilatometrische Bestimmung der Transformationstemperatur. .................................. 41  Abbildung 27 Gegenüberstellung unterschiedlicher Gläser im -TG-Plot. ............................................. 42  138

Abbildung 28 Logarithmischer Viskositätsverlauf und Arbeitspunkte bei Gläsern. .......................... 42  Abbildung 29 Viskositätsverlauf für unterschiedliche Gläser: 1 Quarzglas; 2 Quarzglas/B2O3 (3%); 3 Natron-Kalk-Glas; 4/5 Bleikristall 21/58%PbO; 6/7 Borosilikatglas 21/28%B2O3;; 8/9/10 Aluminosilicatglas 5.6/14.5/20.5%AL2O3 (links) und Angell-Diagramm (rechts)................................. 44  Abbildung 30 Entwicklung der Temperaturdehnung, der Steifigkeit und Querkontraktionszahl mit der Temperatur bei unterschiedlichen Gläsern. ....................................................................................... 45  Abbildung 31 Abhängigkeit der Zugfestigkeiten von wirksamen Risslängen. ..................................... 46  Abbildung 32 Rasterkraftmikroskopische Messung einer Glasoberfläche. ........................................... 47  Abbildung 33 Entwurfsrelevante mechanische Eigenschaften. ................................................................. 48  Abbildung 34 Kerbwirkung. ........................................................................................................................................ 48  Abbildung 35 Spannungsverlauf in der gelochten Probe. ............................................................................. 49  Abbildung 36 Von der Lochprobe zum Griffith-Riss. ....................................................................................... 49  Abbildung 37 Griffith-Riss mit Spannungsfeld in Polarkoordinaten (Westergaard-Gleichungen). ................................................................................................................................................................................................ 50  Abbildung 38 Bestimmung der Risszähigkeit mit 3-Punkt Biegeproben (links) oder Indentationsversuchen (rechts). ............................................................................................................................... 52  Abbildung 39 Herleitung der Energiefreisetzungsrate. .................................................................................. 52  Abbildung 40 Gesamtenergie bei Risswachstum. ............................................................................................ 53  Abbildung 41 Impakt einer Stahlkugel d=30mm auf eine Glasplatte. Rissausbreitungsgeschwindigkeit ca. 1456m/s. ................................................................................................ 54  Abbildung 42 Unterkritisches Risswachstum für Kalk-Natron-Glas. ........................................................ 55  Abbildung 43 Spannungskorrosion an der Rissspitze in Glas. ...................................................................... 55  Abbildung 44 Defektpopulation in einer Probe. ................................................................................................ 56  Abbildung 45 Festigkeitsverteilung. ........................................................................................................................ 57  Abbildung 46 Verteilungsdichte von max. Fehler & Festigkeit. .................................................................. 57  Abbildung 47 Weibullverteilung und -modul. .................................................................................................... 58  Abbildung 48 Bestimmung des Weibullmoduls aus Versuchsreihen. .................................................... 59  Abbildung 49 Proof-Testing im Weibull-Plot. .................................................................................................... 59  Abbildung 50 Grösseneffekte bei unterschiedlichen Probengrössen......................................................60  Abbildung 51 Entwurfsrelevante optische Kennzahlen................................................................................... 61  Abbildung 52 Reflektion, Absorption und Transmission eines Lichtstrahls an einem teilweise lichtdurchlässigen Körper. ........................................................................................................................................... 61  Abbildung 53 Durchgang durch eine Platte (links) und Anwendung bei /4 Entspiegelung. Niedrigbrechendes Substrat (z.B. Kryolith, AlF6Na3, n=1.33, oder TiO2). ................................................. 62  Abbildung 54 Mehrfachreflektion an einer nicht absorbierenden Glasscheibe. ................................. 63  Abbildung 55 Anteile der senkrecht (p) und parallel zur Oberfläche (s) reflektierten Partialwellen in Abhängigkeit des Einfallswinkels . ..................................................................................... 63  Abbildung 56 Beziehung zwischen Brechzahl und Dichte für Silikat- und Borosilikatgläser. ....... 64  Abbildung 57 (links) Abhängigkeit der Brechzahl vom Alkaligehalt für binäre Gläser und (mittig und rechts) für ein Na2O-SiO2-Glas (20-80 Gew%) bei Austausch von SiO durch gewichtsmässige Anteile anderer Oxide. ............................................................................................................. 64  139

Abbildung 58 Doppelbrechung in einem optisch aniostropen Kristall. .................................................. 64  Abbildung 59 Spannungsoptisches Bild um eine Kerbe und Farbtafel der Doppelbrechungsfarben für Kalk-Natron-Glas. ................................................................................................ 65  Abbildung 60 Frauenhofersche Linien. ................................................................................................................. 66  Abbildung 61 Änderung der Abbeschen Zahl aufgrund verschiedener Glasbestandteile. ............. 66  Abbildung 62 Abbe Diagramm mit unterschiedlichen Glassorten. .......................................................... 67  Abbildung 63 Korrektur der chromatischen Aberration durch Kombination aus Kron- und Flintglas (Bsp. Bikonvexe Linse) ................................................................................................................................ 67  Abbildung 64 Elektromagnetisches Spektrum mit sichtbarem Licht. ..................................................... 68  Abbildung 65 Interaktion einer Welle mit einem Medium mit exponentieller Abhnahme (links) und UV-Kante unterschiedlicher Gläser. 1: SiO2-Glas sehr rein, 2: SiO2-Glas normal, 3: Na2O-3 SiO2 Glas sehr rein, 4: Na2O-3 SiO2-Glas, normal ......................................................................................................... 69  Abbildung 66 Sonnenstrahlung und normierte Empfindlichkeit des Auges ........................................ 71  Abbildung 67 Verkettung, die zum Farbeindruck einer Scheibe führt. .................................................... 71  Abbildung 68 Transmissionsspektrum eines 3mm dicken Kalk-Natron-Glases. ................................. 72  Abbildung 69 Das CIE Farbdiagram......................................................................................................................... 73  Abbildung 70 Beispiel für den Einsatz von CIE Farbdiagrammen. ............................................................ 74  Abbildung 71 Transmissionsspektren verschieden gefärbter Gläser Cu2+, Fe2+, Cr3+, Co2+ und Mn3+ sowie von Se0-FeSe............................................................................................................................................ 74  Abbildung 72 Physikalische Glasentfärbung im CIE-Diagramm. ................................................................ 75  Abbildung 73 Änderung der Glasdichte durch Alkalioxide. (links) Dichten binärer Alkalisilikatgläser, (rechts) Änderung der Dichte eines binären Alkalisilikatglases bei gewichtsmässigem Ersatz von SiO2 durch andere Oxide. ............................................................................ 78  Abbildung 74 Geschichtliche Entwicklung der Herstellungsverfahren für Flachglas ....................... 79  Abbildung 75 Affine Abbildung der Querschnittsgeometrie beim Ziehen von Glas. ........................ 80  Abbildung 76 Herstellungsverfahren für Faserglas. (links) Düsenziehverfahren, (mittig) Schleuderblasverfahren, (rechts) Düsenblasverfahren. .................................................................................. 81  Abbildung 77 Ausbreitung des Glasbandes auf der flüssigen Metalloberfläche. ............................... 82  Abbildung 78 Rieselfilm über den Lippenstein. ................................................................................................. 83  Abbildung 79 Oberflächendefekte durch chemische Reaktionen in der Floatkammer. .................. 84  Abbildung 80 Portionierung von grossen Glasposten. Die Farben entsprechen den herrschenden Temperaturen in °C. ......................................................................................................................... 85  Abbildung 81 Pressvorgang bei zylindrischen und prismatischen Posten zwischen 2 Platten. .... 85  Abbildung 82 Temperaturverläufe beim Formpressen und Temperaturen für Kleben. .................. 86  Abbildung 83 Kühlriffelbildung beim Formgiessen und Zusammenfassung der Arbeitspunkte beim Formgiessen und -pressen. ............................................................................................................................. 86  Abbildung 84 Aufgeschäumte Schaumglasplatte und geschlossen porige Zellstruktur................ 87  Abbildung 85 Press- und Gravitationsbiegeverfahren. (rechts) 1 Heizung, 3,7,10 Isolierkammer, 9 Biegeform, 5 Glas. ........................................................................................................................................................... 88  Abbildung 86: Temperaturprofile für die drei unterschiedlichen Abkühlsituationen. 1cm dickes Glas mit T =0.003cm2/s. ............................................................................................................................................ 89  140

Abbildung 87 Spannungszustand in thermisch vorgespanntem Flachglas. ......................................... 91  Abbildung 88 Abschreckmuster in ESG. ................................................................................................................ 92  Abbildung 89 Verfahren zum Glasschneiden. ................................................................................................... 93  Abbildung 90 Bruchfläche und Kerbe an einer Oberfläche verursacht durch einen Glasschneider. .................................................................................................................................................................. 94  Abbildung 91 Prinzipskizze einer Wasserstrahlmaschine und wasserstrahlgeschnittenes VSG.95  Abbildung 92 Laserschneiden von Glas. ............................................................................................................... 95  Abbildung 93 Unterschiedliche Bohrer für Glas: Zwei-/Dreikantbohrer, Hohl- und Segmentbohrer (von links nach rechts). ............................................................................................................... 97  Abbildung 94 Übersicht über Oberflächenveredelungsverfahren für Glas. ......................................... 97  Abbildung 95 Vergleich der Spannungsverläufe in thermisch und chemisch vorgespanntem Glas. ...................................................................................................................................................................................... 98  Abbildung 96 Prinzip der Sol-Gel Beschichtung. ............................................................................................ 100  Abbildung 97 Magnetron-Sputterdeposition mit Reaktionsgasen. ....................................................... 100  Abbildung 98 Transmissionsspektra von Weissglas und Floatglas. ........................................................ 101  Abbildung 99 Überlagerter Spannungszustand für vorgespannte Scheiben unter Biegung ..... 103  Abbildung 100 Spannungsbild um einen Einschluss unter Druckspannung. .................................... 104  Abbildung 101 Glasbruch durch einen Nickelsulfiteinschluss. .................................................................. 104  Abbildung 102 Intensitätsverteilungen der Schwarzkörperstrahlung bei 6500K und Zimmertemperatur (links), sowie Transmissionsspektren unterschiedlich gefärbter Gläser..... 105  Abbildung 103 Schichtaufbau für (links) Wärmeschutzglas und (rechts) Sonnenschutzglas..... 106  Abbildung 104 Prüfkörper für Bruchstruktur und Auswertung. ............................................................... 107  Abbildung 105 Druckprüfung nach DIN 12881-5. ............................................................................................. 108  Abbildung 106 Pendelschlagversuch: Versuchsaufbau. .............................................................................. 109  Abbildung 107 Trösch Fireswiss Foam im Brandtest und Laminataufbau. ............................................ 111  Abbildung 108 Aufbau einer Isolierglasscheibe. ............................................................................................... 113  Abbildung 109 Vorzeichenregelung für Isolierglas und Doppelscheibeneffekt. ................................. 113  Abbildung 110 Energiebilanz bei einer Doppelverglasung (links) und Transmissionsspektren von Kalk-Natron-Glas und Sonnenschutzglas (rechts). ......................................................................................... 114  Abbildung 111 Physikalische Zusammenhänge des U-Werts von Isolierglas........................................ 114  Abbildung 112 Einfluss des SZR auf den Wärmedurchgangskoeffizient (Füllgrad 90%) und Einfluss des Gasfüllgrades auf den Wärmedurchgangskoeffizient. ........................................................ 115  Abbildung 113 Kapillarplatten und Aerogel zur Erhöhung der Wärmedämmung bei Wärmeschutzglas. .......................................................................................................................................................... 115  Abbildung 114 Schalldämmung für unterschiedliche Glasdicken (links) und Glasaufbauten (mittig)................................................................................................................................................................................ 116  Abbildung 115 Isolierverglasungen mit feststehenden, bzw. adaptiven Einbauten. ......................... 117  Abbildung 116 (REM)-Bild eines in Kunststoff replizierten Mikroprismen-Feldes zur Lichtreflektion. Prismenabstand=50 μm. Lichteinfall von links oben...................................................... 117  Abbildung 117 Sonnenschutz mit thermotropen, phasenseparierenden Materialien. ..................... 117  141

Abbildung 118 PDLC-Verglasung.............................................................................................................................. 118  Abbildung 119 Elektrochrome Verglasung. ......................................................................................................... 118  Abbildung 120 Prinzipskizzen von photochromen, photoelektrochromen und SPD Verglasungen. ............................................................................................................................................................................................... 119  Abbildung 121 Im Bauwesen verwendetet Walzgussgläser. ....................................................................... 119  Abbildung 122 Beispiele für Profilbaugläser in der Anwendung. .............................................................. 119  Abbildung 123 Verschiedene Betonglasprodukte und Anwendungen. ................................................. 120  Abbildung 124 Vergleich von Bewehrungsstäben und Prinzipskizze des Pulltrusionsverfahrens zur Herstellung von Glasfaserbewehrungsstäben. ........................................................................................ 122  Abbildung 125 Masseverlust verschiedener Glasfasern bei Lagerung in gesättigter Zementlösung (pH=12.9, T=80°C,t=22Std.) ........................................................................................................ 122  Abbildung 126 Grundlegende Glaslagerungsarten im konstruktiven Glasbau. ................................. 124  Abbildung 127 Möglichkeiten der Lagerung von Scheiben. ......................................................................... 124  Abbildung 128 Linienförmig geklemmte Lagerung mit Stahlprofil, einfache Verglasung mit Glashalteleiste und linienförmig einspannte Lagerung. .............................................................................. 125  Abbildung 129 Richtige und falsche Klotzung eines Mehrscheibenisolierglases (MIG) (links) und Verklotzung von Verglasungen mit Trag- und Distanzklötzen. ................................................................ 125  Abbildung 130 Lochleibungsverbindung mit Giesshülse für VSG. ...........................................................126  Abbildung 131 Punkthalter mit Bohrloch. Von links nach rechts: Starrer Senkhalter für VSG, Senkhalter mit Gelenk ausserhalb der Scheibenebene, Senkhalter mit Gelenk in Scheibenebene, Tellerhalter mit Gelenk und Hinterschnittanker für VSG.............................................................................126  Abbildung 132 Zwängungsarme, statisch bestimmte Lagerung von Glas in einer Fassade über Spider mit Exzentern. ................................................................................................................................................... 127  Abbildung 133 Beispiel einer Reibverbindung. ................................................................................................... 127  Abbildung 134 SSGS Verglasungen. ....................................................................................................................... 128  Abbildung 135 Fugenarten. ....................................................................................................................................... 130  Abbildung 136 Einteilung der Verglasungsarten. ........................................................................................... 130  Abbildung 137 Verglasungsarten nach TRLV und Regelwerk für konstruktiven Glasbau. ............... 131  Abbildung 138 Verschiedene Fassadenarten für Vertikalverglasungen. ................................................ 132  Abbildung 139 Vorzeichenregelung beim Doppelscheibeneffekt in Isolierglas. ................................ 133  Abbildung 140 Schubverbundwirkung bei 3-fach VSG unter Biegebeanspruchung (links) und Spannungs-Dehnungslinien einer PVB Folie bei unterschiedlichen Temperaturen. ....................... 134  Abbildung 141 Delamination durch stehendes Wasser. ................................................................................ 135  Abbildung 142 Aufbau einer begehbaren Verglasung. .................................................................................. 137  Abbildung 143 Periodensystem der Elemente. ..................................................................................................144  Abbildung 144 Ionenradien und Diezelfeldstärken. ........................................................................................144  Abbildung 145 Physikalische Eigenschaften in Abhängigkeit der Diezelfeldstärke. ......................... 145  Abbildung 146 Zusammensetzung und Eigenschaften unterschiedlicher Borosilicatgläser. ..... 146  Abbildung 147 Hydrolytische Klassen. .................................................................................................................. 146  Abbildung 148 Tabellen für Bachsche Plattenformel. ................................................................................... 148  142

Abbildung 149 ESG-H Verglasung eines Parkhauses. .................................................................................... 149  Abbildung 150 Viertelmodell mit Linienlagerung für Druck (links) und Punktlagerung für Sog (rechts)................................................................................................................................................................................. 151  Abbildung 151 Gegenüberstellung der linearen und nicht-linearen Rechnung mit Membranwirkung. ........................................................................................................................................................ 152  Abbildung 152 Vertikale Isolierverglasung und Vorzeichenregelung für Koppeleffekte bei Isolierglas. ......................................................................................................................................................................... 153  Abbildung 153 Feuerwiderstandsklassen. ............................................................................................................162 

143

9. Anhänge AD Diagramm me und Ta abellen A A1 Periode ensystem der Elemeente

Abbildung g 143 Perioden nsystem der Ele emente.

Abbildung g 144 Ionenrad dien und Dieze elfeldstärken.

144

Abbildung g 145 Physikaliische Eigensch haften in Abhä ngigkeit der Diezelfeldstärk D ke. Tabelle 20 0 Zusammense etzung techno ologisch wicht iger Gläser.

Al2O3

Na2O

K2O

MgO g

TiO2

F

As

Se

Ge

Te

Quarz

10 0

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

Kalknatron *

72

2

14

-

-

10

-

-

-

-

–

–

–

–

Float

72

1,5

13, 5

-

3,5

8,5

-

-

-

-

–

–

–

–

Bleikrista all

60

8

2,5

12

-

-

-

17,5

-

-

–

–

–

–

Borosilikat

80

3

4

0,5

-

-

12,5

-

-

-

–

–

–

–

E-Glas

54

14

-

-

4,5

17,5

10

-

-

-

–

–

–

–

Email

40

1,5

9

6

1

-

10

4

1 5

1 3

–

–

–

–

Chalkogenidgla as 1

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

12

55

33

–

Chalkogenidgla as 2

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

13

32

30

25

Floatgla as t= 10mm 20 €/m2 ESG, TVG G t= 10mm 40 €/m2 VSG auss Float t=2·10 0mm 60 €/m2 VSG auss ESG, TVG t=2·10mm t 10 00 €/m2

Chemissche Zusam mmensetzu ung üblicheer Gläser

PbO

CaO

Größen nordnung der d Preise von v Glas:

145

B2O3

SiO2

Glasart / Gewichttsprozent

SiO

2

Al O 2

3

Kiese elglas

KalknatronK glas g

Borosilikkatglas

Alum mosilikatglass

Bleiboratglas

100

73

81

62

56

1

2

17

2

CaO

5

8

MgO

4

7

Na O

177

2

4

1

KO

9

2

BO 2

3

4

13

PbO

5 29

Abbilldung 146 Zusa ammensetzun ng und Eigenscchaften unterschiedlicher Boorosilicatgläserr.

Abbilldung 147 Hydrrolytische Klasssen.

Thermo omechanische Grösse en von Kalkk-Natron-G Glas 146

Bezeichnung

Wert / Einheit

Wärmedehnungskoeffizient

9·10-6 K-1

Elastizitätsmodul

70GPa

Oberflächenspannung

0.34 N/m

Querdehnungszahl

0.225

Wärmeleitfähigkeit

1.3 W/(mK)

Dichte

2.5 g/cm3

Wärmekapazität

1.3 J/(gK)

Temperaturleitfähigkeit (=l/r·cp)

0.004 cm2/s

TG

Glasübergangstemperatur

550 °C

T14.5

Unterer Kühlpunkt

520 °C

TD

Dillatometrischer Erweichungspunkt

610 °C

b

Tiefe von Oberflächendefekten

10 m

E

cp

Tabelle 21 Beyle-Tabellen für 4-seitig gelagerte Platten.

t

3

4

5

6

8

10

12

15

19

At

83.33

46.88

30.00

20.83

11.72

7.5

5.21

3.33

2.08

Ct

77.5

32.7

16.74

9.69

4.09

2.09

1.21

0.62

0.31



1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8



0.31

0.37

0.43

0.4 9

0.54

0.59

0.6 4

0.6 8



0.37

0.43

0.4 9

0.54

0.59

0.6 4

0.6 8



2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7



0.83

0.85

0.87

0.88

0.9



0.84

0.8 6

0.88

0.9

3.2

3.4

3.5



0.95

0.9 6



0.9 6

0.9 6



147

1.9

2.0

2.1

0.72 0.75

0.78

0.8

0.72

0.75 0.78

0.81

0.83

2.8

2.3

2.4

3.0

3.1

0.91

0.92

0.85

0.87 0.93

0.94

0.95

0.91

0.92

0.93

0.8 6

0.88 0.94

0.95

0.96

3.6

3.7

3.8

3.9

4

5

6

10

50

0.9 6

0.97

0.97

0.9 8

0.9 8

0.9 8

1

1

1

1

0.97

0.97

0.9 8

0.9 8

0.9 8

0.9 9

1

1

1

1

2.9

Abbildung g 148 Tabellen n für Bachsche Plattenformell.

148

B Rechenbeispiele B1 Hinterlüftete Verrtikalverglasung Betrachttet wird die e hinterlüfte ete Aussenw wandverkleidung eines mehrgesch hossigen Parrkhauses mit ESG G-H 1785x29 925 Scheiben. Die Bem messung erffolgt nach DIN D 18516-44 (02.1990): Aussenwandbeekleidung, hinterlüftet: ESG, Anford derungen, Bemessung, B Prüfung. Geefordert sind:

• • • • • • • •

SScheiben ES SG heissgela agert (ESG-H H), mind. 6m mm stark Kanten min ndestens ge esäumt, Kan ntenverletzu ungen bis max. m 15% deer Scheibend dicke (vissuelle Prüfu ung vor Einb bau) JJedes Glaselement ist grundsätzlic g ch einzeln, zwängungsa arm zu lagerrn nienförmig (2-4) oder p punktförmig g geklemmt Lagerung lin G Glaseinstan nd min. 10mm (allseitig g gelagert); 15mm 1 (2-3 seitig gelageert) oder Gla asdicke + 11/500*Stützzenweite; 255mm (punkttförmig gela agert) Klemm mfläche min nd. 1000mm m2/Seite T Tragfähigke eit erfüllt, wenn w zulässi ge Biegezug gspannung <50MPa G Gebrauchsttauglichkeitsnachweis: Durchbiegu ung freier Kanten <1/10 00*Kantenlä änge (bei 4 4-seitiger La agerung keine Begrenzu ung) Beanspruch hung in Sche eibenebene wird nicht nachgewiessen

Abbildung g 149 ESG-H Ve erglasung eine es Parkhauses..

Auf Sog wird die Sccheibe über eine Punktlaagerung mit einem Gla aseinstand vvon 25mm gehalten, g deckende Flä äche 25*80= =2000mm2 > 1000mm2 ergibt. Auff Druck ist die Scheiwas eine glasüberd ngelagert mit m einem Glaseinstand von 15+17855/500=18.57mm < 25mm m. be linien Materia alkennwerte e für Kalk-N Natron-Silikaatglas aus DIN D EN 572--1 gilt für ESSG-H, 15mm m; EESG = 3 70GPa; =0.23;  = 24kN/m ; Zul. Z ESG = 50 0MPa (TRLV)). Die Einw wirkungen aus a Windlassten (Einbau u 3-13m überr Gelände) gemäss g DIN 1991-1-4, Eu urocode 1 sind: 149

w=cp·q

cp : Druck-(d) oder Sogbeiwert

q: Staudruck

Druckbeitwert: cp =

<8m: q=0.5kN/m2

0.8

Sogbeiwert Gebäudemitte: cp : =-0.56

8m
Sogbeiwert Gebäudekante: cp : =-2.0 Folglich ist die massgebende Höhe >8m. 

Winddruck: wd=e·cp·q=1.25·0.8·0.8=0.8kN/m2

(Laststeigerung 25% für lokale Druckspitzen)  

Windsog Gebäudemitte: wsm=cp·q=-0.56·0.8=-0.45kN/m2 Windsog Gebäudekante: wsk=cp·q=-2.0·0.8=-1.6kN/m2

Das Eigengewicht wird durch eine Klotzung aufgenommen. Spannungsberechnung Winddruck: Grundlage ist die Kirchhoff’sche Plattentheorie die vereinfacht über die Beyl‘schen Tabellen für 2 / 4-seitig gelagerte Platten verwendet werden kann, solange die Durchbiegung w kleiner als die Glasdicke t=15mm ist (vgl. Tab. Tabelle 21 Beyle-Tabellen für 4-seitig gelagerte Platten.). Für die dimensionsbezogenen Beiwerte At ,Ct ergibt sich folglich At=3.33 ,Ct=0.62. Das Seitenverhältnis  der langen zur kurzen Kante a/b ist =1.64. Da die Scheibe jedoch zweiseitig gelagert ist gilt für die Beiwerte =1. Mit der Last aus Winddruck : wd=0.8kN/m2 und der Stützweite l=1782mm folgt: Maximale Spannung:

s=·At· wd ·l2 =1·3.33·0.8·1.7822=8.49MPa < 50MPa

Maximale Durchbiegung: w=·Ct· wd ·l4 =1·0.62·0.8·1.7824=5.0mm < 1785/100=17.85mm Spannungsberechnung Windsog: Der Nachweis auf Sog mit Punktlagerung kann nicht analytisch geführt werden. Über eine lineare FEM Rechnung mit Volumenelementen ergibt sich eine maximale Durchbiegung von 10.55mm und Zugspannung von 16.97MPa. Aller Werte sind unterhalb der Bemessungswerte. In Abbildung 150 Viertelmodell mit Linienlagerung für Druck (links) und Punktlagerung für Sog (rechts). sind Rechenergebnisse für die Durchbiegung auf Druck und Van Mieses Vergleichsspannungen für den Sogfall dargestellt.

150

Abbildung g 150 Viertelm modell mit Linie enlagerung fürr Druck (links) und Punktlagerung für Sog (rechts).

B2 Überko opfverglasung Es wird die Überko opfverglasung eines Baahnhofvordachs mit VSG aus 2x88mm TVG-S Scheiben, 090mm, vierrseitig linien nförmig gelaagert, betra achtet. Für solche Verglaasungen gilt: 2190x10

•

• • • • •

V Verkehrsflächen unter Verglasung gen sind vorr herunterfa allenden Glaassplittern zu z schützzen. Die Sch heiben müssen also ein ne Resttragffähigkeit nach Glasbrucch haben was durch Drahtglas, VSG V aus Spiegelglas od der TVG mit PVB-Folie >0.76mm geewährleistett werden kann. hnitte sind i n Überkopfvverglasunge en unzuläss ig. Bohrungen und Aussch g wirkender Schubverbu und oder MIG M Randverrbund darf grundsätzliich nicht Ein günstig berücksichttigt werden. Durchbiegu ungsbegrenzzung 1/200**Scheibenlänge, max. 15 5mm. Immer linienförmige La agerung, ab b Stützweite e 1.2m allseittig. SSeitenverhä ältnis 3:1 darrf nicht überrschritten werden. w

Materia alkennwerte e für Kalk-Natronsilikaatglas (DIN N 1249-10, TRLV): EESG = 70GPa; =0.23; =25kN//m3 ; Zul. TVVG = 29MPa ungen auf eine e mittig gelegene g Sccheibe mit 2.6° Neigung g sind: Einwirku 991-1-4, Eurocode 1): Windlassten (DIN 19 Die Win ndlasten (ohne Herleitung) sind: w s,gesamt=ws,untterseite-ws,oberseeite=0.25kN/ m2 Schneelast (DIN 199 91-1-4, Euroccode 1, Schn eelastzone III): 2 Regelsch hneelast s0=0.75kN/m = , bis 30° ist R elast=Regelsschneelast Rechenwertt der Schnee

151

Eigengeewichtslast muss bei alllen Überkop pfverglasung gen angesetzt werden: g=·d=0 0.4kN/m2, Wichte W =25kkN/m2, Sche ibendicke d=2x8mm Gesamttlast (DIN 1991-1-4, Eurocode 1): Addieren der Lasten n, wobei bei gleichzeitig nd- und Sch neelast nurr der Magem auftretten von Win men wird: ximalweert aus s+w//2 oder w+s/2 genomm LLastfall 1: g+ +s+w/2=0.4+ +0.75+0.25//2=1.275kN/m m2  massg gebender Laastfall LLastfall 2: g+ +s/2+w=0.4 4+0.75/2+0.225=1.025kN//m2 nung : Scheiben müsseen einzeln ohne o Schub bverbund m mit je der Hä älfte der Spannungsberechn Last nacchgewiesen werden. n Beyle Tab bellen für 4-seitig 4 gelaagerte Plattten erhält man für ddas Seitenve erhältnis Mit den =2190//1090=2.012.0: Maxim male Spannung:

  ·At·q·l2 = =0.81·11.72·0..5·1.275·1.092=7.19MPa < 29MPa

Maxim male Durchb biegung: w= w ·Ct·q·l4 =0.78·4.09·0 0.5·1.275·1.09 94=2.87mm < 1090/100 =10 0.9mm mel für 4-se itig gelagerte Platten (A Abbildung 1448) Mit der Bach’schen Plattenform ale Spannun ng: ·p·(b b/2)2/t2=2.444·1.275/2·(1.09/2)2/0.008 82·1e-3=7.22M MPa Maxima Maxima ale Durchbie egung:



w= w ·p·(b/2)4 /(Et3)=1.77·1.275/2·(1.09//2)4/(7e7·0.0 0082) ·1e3=2.78mm

d dimensionsbezogene Beiwerte B

p

Flächenlast F [kN/m2]

t

G Glasdicke

a/b

la ange/kurze Kante [m]

E

EE-Modul [M MPa]

[mm]

ng der Plattte ausgenu utzt werden n. In diesem m Fall ist Ab a/d>>50 kann die Membrantragwirkun a/d=109 90/(2*8)68 8. Zur Berechnung werrden FE Schalenelemen nte mit red uzierter Integration verwend det, was der Kirchhoff Schale (dün nne Schalen ntheorie) entspricht. Diee Ergebnisse sind in Abbildung 151 darg gestellt. Wie e man erke nnt bringt in diesem Fall die nich echnung htlineare Re Vorteil. keinen V

Abbildung g 151 Gegenüberstellung derr linearen und nicht-linearen n Rechnung miit Membranwiirkung.

152

Alle Reechnungen zeigen zulässige B Biegezugspa annungen <29MPa u und Durch hbiegung en
B3 Vertika alverglasung aus Iso olierglas Man bettrachtet ein ne vertikale Isolierverglaasung die viierseitig linienförmig geelagert ist. Die Auflagersituation ist frrei drehbar mit m Scheibeen der Grössse 2977x2777 7  a/b=≈ 1.1, wobei die äussem SPG ausggeführt ist. Folgende F re Scheibe aus 10mm Spiegelglas und die innere aus 6mm dickem Punkte ssind zu beacchten:

 

  

  

G Grundsätzliich sind Isolierverglasun ngen nach TRLV T zu plan nen. Z Zusätzlich zu z Windlasten sind Klim malasten zu berücksichtigen, die d urch Volum menänderung des Fü üllgases info olge Tempe ratur- und Luftdruckdifferenzen zw wischen de em abgesschlossenen n Volumen im SZR und der Umgebung entsteh hen. Durchbiegu ungsbeschrä änkung durcch Herstelle er (Dichtheitt des Randveerbunds), DurchbieD g gung der Au uflagerprofile 10mm.

Abbildung g 152 Vertikale e Isolierverglassung und Vorzeeichenregelun ng für Koppeleffekte bei Isoliierglas.

Einwirku ungen auf eine e Scheibe e über 8m Eiinbauhöhe über der Verkehrsflächee: Windlassten ohne Herleitung H (D DIN 1991-1-44, Eurocode 1): 1 Druckfall: wD=e·cp·q=1.25·0.8·0 0.8=-0.8kN/m m2  masssgebender Lastfall Sogfall:

ws=cp·q=-0.5·0.8=-0.4kN/m2

Klimalassten (TRLV, Anhang A A): Klimalasst des isochoren System ms: pi=±·p0 mit



: Isolierglasfa aktor p0: iso ochorer Dru uck im SZR

m c1=0.34 kkPa/K und c2=0.012 kPa/m p0=c1·T-pmet+c2·H, mit

T Temperaturd T differenz zw wischen Herstellungs- und u Einbauoort 153

H Höhendifferenz zwischen Herstellungs- und Einbauort pmet Differenz des meteorologischen Luftdrucks zwischen Herstellungsund Einbauort Einwirkungskombination*

T [K]

Sommer

20

Winter

-25

pmet

H* [m]

p0 [kN/m2]

-2

600

16

4

-300

-16

2

[kN/m ]

* Sind Herstellungs- und Einbauort bekannt, können tatsächliche Werte verwendet werden. Die Lastkombinationen für die Berechnung des isochoren Drucks sind worst-case Kombinationen. Werden Gläser mit gesamtabsorptionsgrad 30%<<50% verwendet, führt dies zu einer zusätzlichen Erwärmung (+9K*3kPa). Innenlieger Sonnenschutz (+9K*3kPa), Absorption >50% (+18K*6kPa), dahinterliegende Wärmedämmung (+35K*12kPa), im Winter unbeheizt (-12K*-4kPa). Gemäss TRLV.



: Isolierglasfaktor:



1  a  1    a*

4

mit der kleineren Kantenlänge a und der charakteristischen Kantenlänge a*:

a*  28.9  4

d SZR  d a3  di3 (d a3  di3 )  BV

dSZR SZR in mm; da Aussenscheibendicke in mm; di Innenscheibendicke in mm Kirchhoff’sche Plattentheorie für =0.23

BV Beiwert (a/b) TRLV Anhang A1

a kleinere Kantenlänge, b grössere Kantenlänge; a/b =2777/2977=0.93 a/b

1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

B

0.00194

0.0237

0.0288

0.035

0.0421

0.0501

0.0587

0.0676

0.0767

0.0857

V

16 103  63 a*  28.9   546.05mm (103  63 )  0.0233 4

1

  2777  4    1    0.00149   546.05      Folglich ist die Klimalast pi=±·p0=±0.00149·16=±0.0238kN/m2. Für die äussere Scheibe ist die Winter- (+·p0) und für die innere Scheibe die Sommerbedingung (+·p0) massgebend. Kopplung der Scheiben (TRLV, Anhang A): • 154

pa,ges=(da+j·di)·wa + j·p0 + (1-j)·da·wi

Winter massgebend

•

pi,ges=(1+j) ·di·wa + j·p0 + (j·da+di)·wi

Sommer massgebend

Anteile der Einzelscheiben an der Gesamtbiegesteifigkeit: da=da3/(da3+di3)=103/(103+63)=0.8224 di=di3/(da3+di3)=63/(103+63)=0.1776 Hier wi=0: pa,ges=(da+j·di)·wa + j·p0 =(0.8224+0.00149·0.1776)·0.8+0.00149·16=0.682kN/m2 pi,ges=(1+j) ·di·wa + j·p0=(1-0.00149) ·0.1776·0.8+0.00149·16=0.1658kN/m2 Lastangriff auf Scheibe:

Einwirkung

Lastanteil auf äussere Scheibe

Lastanteil auf innere Scheibe

Äussere

Wind wa

(da+·di)·wa

(1+) ·di·wa

Schnee s

(da+·di)·s

(1+) ·di·s

Innere

Wind wi

(1-)·da·wi

(·da+di)·wi

Beide

Isochorer Druck p0

-·p0

·p0

Spannungsberechnung : Aus den Beyle Tabellen für 4-seitig gelagerte Platten (Tabelle 21 Beyle-Tabellen für 4-seitig gelagerte Platten.) folgt: Maximale Spannung:

=·At·q·l2

Maximale Durchbiegung: w=·Ct·q·l4 Zulässig sind bei vertikalen Isolierverglasungen 18MPa+15% = zul=20.7MPa. Eine Durchbiegungsbeschränkung nach TRLV besteht bei vierseitig gelagerten Scheiben nicht, jedoch müssen grosse Durchbiegungen mit dem Isolierglashersteller abgeklärt werden. Aussenscheibe:

a=0.43·7.5·0.682·27772=16.96MPa<20.7MPa wa=0.37·2.09·0.682·277724=31.36mm Innenscheibe:

a=0.43·20.83·0.1658·27772=11.45MPa<20.7MPa



155

wa=0.37·9.69·0.1658·27774=35.35mm

C Normenübersicht (Stand 6/2011) Allgemein DIN 1259-1 -2 DIN 1249-11

9/2001

Glas Teil 1: Begriffe für Glasarten und Glasgruppen

9/2001

Glas Teil 2: Begriffe für Glaserzeugnisse

9/1986

Flachglas im Bauwesen; Teil 11: Glaskanten, Begriff, Kantenformen und Ausführung

Monolithische Basiserzeugnisse aus Glas DIN EN 572-1

9/2004

Basiserzeugnisse aus Kalk-Natronglas; Teil 1: Definition und Allgemeine physikalische und mechanische Eigenschaften (SN EN 572-1/SIA 331.001)

-2

9/2004

Teil 2: Floatglas (SN EN 572-2/SIA 331.002)

-3

9/2004

Teil 3: Poliertes Drahtglas (SN EN 572-3/SIA 331.003)

-4

9/2004

Teil 4: Gezogenes Flachglas (SN EN 572-4/SIA 331.004)

-5

9/2004

Teil 5: Ornamentglas (SN EN 572-5/SIA 331.005)

-6

9/2004

Teil 6: Drahtornamentglas (SN EN 572-6/SIA 331.006)

-7

9/2004

Teil 7: Profilbauglas mit oder ohne Drahteinlage (SN EN 572-7/SIA 331.007)

-8

9/2004

Teil 8: Liefermasse uns Festmasse (SN EN 572-8/SIA 331.014)

-9

9/2004

Teil 9: Konformitätsbewertung/Produktnorm (SN EN 572-9/SIA 331.015)

DIN EN 1748-1-1

12/2004

Spezielle Basiserzeugnisse – Borosilicatgläser ; Teil 1-1: Definitionen und allgemeine physikalische und mechanische Eigenschaften (SN EN 1748-1-1/SIA 331.011)

-1-2

1/2005

Teil 1-2: Konformitätsbewertung/Produktnorm (SN EN 1748-1-2/SIA 331.016)

-2-1

12/2004

Spezielle Basiserzeugnisse – Glaskeramik; Teil 2-1: Definition und allgemeine physikalische und mechanische Eigenschaften (SN EN 1748-2-1/SIA 331.017)

-2-2

1/2005

Teil 2-2: Konformitätsbewertung/Produktnorm (SN EN 1748-2-2/SIA 331.018)

DIN EN 14178-1

1/2005

Basiserzeugnisse aus Erdalkali-Silicatglas; Teil 1: Floatglas (SN EN 14178-1/SIA 331.177)

-2 156

1/2005

Teil 2: Konformitätsbewertung/Produktnorm

(SN EN 14178-2/SIA 331.178) DIN EN 15681-1

7/2007

Basiserzeugnisse aus Alumo-Silicatglas; Teil 1: Definition und allgemeine physikalische und mechanische Eigenschaften

-2

7/2007

Teil 2: Konformitätsbewertung/Produktnorm

Glasprodukte für das Bauwesen DIN EN 1279-1

8/2004

Mehrscheiben-Isolierglas; Teil 1: Allgemeines, Masstoleranzen und Vorschriften für die Systembeschreibung (SN EN 1279-1/SIA 331.351)

-2

6/2003

Teil 2: Langzeitprüfverfahren und Anforderungen bezüglich Feuchtigkeitsaufnahme (SN EN 1279-2/SIA 331.352)

-3

5/2003

Teil 3: Langzeitprüfverfahren und Anforderungen bezüglich Gasverlustrate und Grenzabweichungen für die Gaskonzentration (SN EN 1279-3/SIA 331.353)

-4

10/2002

Teil 4: Verfahren zur Prüfung der physikalischen Eigenschaften des Randverbundes (SN EN 1279-4/SIA 331.354)

-5

11/2010

Teil 5: Konformitätsbewertung (SN EN 1279-5/SIA 331.355)

-6

10/2002

Teil 6: Werkseigene Produktionskontrolle und Auditprüfung (SN EN 1279-6/SIA 331.356)

DIN EN 12758

4/2011

Glas und Luftschalldämmung – Produktbeschreibungen und Bestimmung der Eigenschaften (SN EN 12758/SIA 331.161)

DIN 11525

6/1992

Gartenbauglas: Gartenblankglas, Gartenklarglas

DIN EN 1051-1

4/2003

Glassteine und Betongläser; Teil 1: Begriffe und Beschreibungen (SN EN 1051-1/SIA 331.761)

-2

12/2007

Teil 2: Konformitätsbewertung/Produktnorm (SN EN 1051-2/SIA 331.762)

DIN 4242

1/1979

Glasbaustein-Wände: Ausführung und Bemessung

DIN EN 14449

7/2005

Verbundglas und Verbund-Sicherheitsglas – Konformitätsbewertung/Produktnorm (SN EN 14449/SIA 331.407)

DIN EN ISO 12543-1

7/2008

Verbundglas und Verbund-Sicherheitsglas – Teil 1: Definitionen und Beschreibung von Bestandteilen (SIA 331.401)

-2 157

7/2008

Teil 2: Verbund-Sicherheitsglas (SIA 331.402)

-3

7/2008

Teil 3: Verbundglas (SIA 331.403)

-4

7/2008

Teil 4: Verfahren zur Prüfung der Beständigkeit (SIA 331.404)

-5

7/2008

Teil 5: Masse und Kantenbearbeitung (SIA 331.405)

-6

7/2008

Teil 6: Aussehen (SIA 331.406)

2/2000

Sicherheitssonderverglasung, Prüfverfahren und

DIN EN 356

Klasseneinteilungen des Widerstandes gegen manuellen Angriff (SIA 331.501) DIN EN 1063

1/2000

Sicherheitssonderverglasung, Prüfverfahren und Klasseneinteilung für den Widerstand gegen Beschuss (SN EN 1063/SIA331.511)

DIN EN 13541

2/2001

Sicherheitssonderverglasung, Prüfverfahren und Klasseneinteilung des Widerstandes gegen Sprengwirkung (SN EN 13541/SIA 331.502)

DIN EN 357

2/2005

Brandschutzverglasungen aus durchsichtigen oder durchscheinenden Glasprodukten – Klassifizierung des Feuerwiderstandes (SN EN 357/SIA 331.531)

DIN EN 1036-1

3/2008

Spiegel aus silberbeschichtetem Floatglas für den Innenbereich Teil 1: Begriffe, Anforderungen und Prüfverfahren (SN EN 1036-1/SIA 331.751)

-2

5/2008

Teil 2: Konformitätsbewertung - Produktnorm (SN EN 1036-2/SIA 331.752)

DIN EN 13167

5/2010

Wärmedämmstoffe für Gebäude – Werkmässig hergestellte Produkte aus Schaumglas (CG) – Spezifikation (SN EN 13167/SIA 279.167)

DIN EN 13162

2/2009

Wärmedämmstoffe für Gebäude – Werkmässig hergestellte Produkte aus Mineralwolle (MW) – Spezifikation

Glasverarbeitung DIN EN 15752-1

1/2008

Selbstklebende Polymerfolie. Teil 1: Begriffe und Beschreibungen

DIN EN 15755-1

2/2008

Glas mit selbstklebender Polymerfolie – Teil 1: Begriffe und Beschreibung

DIN EN 13022-1

7/2010

Geklebte Verglasungen - Teil 1: Glasprodukte für SSGSysteme – Einfach- und Mehrfachverglasungen mit und ohne Abtragung des Eigengewichtes (SN EN 1322-1/SIA 331.701)

-2 158

7/2010

Teil 2: Verglasungsvorschriften (SN EN 1322-2/SIA 331.702)

DIN EN 15434

7/2010

Produktnorm für lastübertragende und / oder UVbeständige Dichtstoffe (für geklebte Verglasungen und/oder Isolierverglasungen mit exponierten Dichtungen) (SN EN 15434/SIA 331.703)

DIN EN 12150-1

11/2000

Thermisch vorgespanntes Kalknatron-ESG Teil 1: Definition und Beschreibung (SN EN 12150-1)

-2

1/2005

Teil 2: Konformitätsbewertung/Produktnorm (SN EN 12150-2/SIA 331.212)

DIN EN 13024-1

4/2011

Thermisch vorgespanntes Borosilikat- ESG Teil 1: Definition und Beschreibung (SN EN 13024-1/SIA 331.705)

-2

1/2005

Teil 2: Konformitätsbewertung/Produktnorm (SN EN 13024-2/SIA 331.706)

DIN EN 14179-1

9/2005

Heissgelagertes thermisch vorgespanntes Kalknatron-ESG Teil 1: Definition und Beschreibung (SN EN 14179-1/SIA 331.213)

-2

8/2005

Teil 2: Konformitätsbewertung/Produktnorm (SN EN 14179-2/SIA 331.214)

DIN EN 14321-1

9/2005

Thermisch vorgespanntes Erdalkali-Silicat- ESG Teil 1: Definition und Beschreibung (SN EN 14321-1/SIA 331.215)

-2

10/2005

Teil 2: Konformitätsbewertung/Produktnorm (SN EN 14321-2/SIA 331.216)

DIN EN 15683-1

7/2007

Thermisch vorgespanntes Kalknatron-ProfilbauSicherheitsglas Teil 1: Definition und Beschreibung

-2 DIN EN 1863-1

7/2007

Teil 2: Konformitätsbewertung/Produktnorm

3/2000

Teilvorgespanntes Kalknatronglas Teil 1: Definition und Beschreibung (SN EN 1863-1/SIA 331.201)

-2

1/2005

Teil 2: Konformitätsbewertung/Produktnorm (SN EN 1863-2/SIA 331.202)

DIN EN 12337-1

11/2000

Chemische vorgespanntes Kalknatronglas Teil 1: Definition und Beschreibung (SN EN 12337-1/SIA 331.221)

-2

1/2005

Teil 2: Konformitätsbewertung/Produktnorm (SN EN 12337-2/SIA 331.222)

159

DIN EN 1096-1

1/1999

Beschichtetes Glas Teil 1: Definition und Klasseneinteilung (SN EN 1096-1/SIA 331.601)

-2

5/2001

Teil 2: Anforderungen an und Prüfverfahren für Beschichtungen der Klassen A, B und S (SN EN 1096-2/SIA 331.602)

-3

5/2001

Teil 3: Anforderungen an und Prüfverfahren für Beschichtungen der Klassen C und D (SN EN 1096-3/SIA 331.603)

-4

1/2005

Teil 4: Konformitätsbewertung/Produktnorm (SN EN 1096-4/SIA 331.604)

Glasprüfung DIN ISO 7991

2/1998

Bestimmung des mittleren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten

DIN 52340-1-11

11/1997

Chemische Analyse von ungefärbten Kalk-Natron-Gläsern

DIN EN 12898

4/2001

Bestimmung des Emissionsgrades (SN EN 12898/SIA 331.156)

DIN 52314

11/1977

Bestimmung des spannungsoptischen Koeffizienten im Zugversuch

DIN EN 410

4/2011

Bestimmung der lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kenngrössen von Verglasungen (SIA 331.151)

DIN EN 673

4/2011

Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) – Berechnungsverfahren (SN EN 673/SIA 331.152)

DIN EN 674

1/1999

Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten (UWert)– Verfahren mit dem Plattengerät (SN EN 674/SIA 331.153)

DIN EN 675

1/1999

Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten (UWert)– Wärmestrommesser-Verfahren 331.154)

DIN EN 12603

4/2003

(SN EN 675/SIA

Bestimmung der Biegefestigkeit von Glas, Schätzverfahren und Bestimmung der Vertrauensbereiche für Daten mit Weibull-Verteilung (SN EN 12603-1/SIA 331.191)

DIN EN 1288-1

9/2000

Bestimmung der Biegefestigkeit von Glas Teil 1: Grundlagen (SN EN 1288-1/SIA 331.171)

-2

9/2000

Teil 2: Doppelring-Biegeversuch an plattenförmigen Proben mit grossen Prüfflächen (SN EN 1288-2/SIA 331.172)

160

-3

9/2000

Teil 3: Prüfung von Proben bei zweiseitiger Auflagerung (SN EN 1288-3/SIA 331.173)

-4

9/2000

Teil 4: Prüfung von Profilbauglas (SN EN 1288-4/SIA 331.174)

-5

9/2000

Teil 5 Doppelring- Biegeversuch an plattenförmigen Proben mit kleinen Prüfflächen (SN EN 1288-5/SIA 331.175)

DIN EN 12600

4/2003

Pendelschlagversuch, Verfahren für die Stossprüfung und Klassifizierung von Flachglas (SN EN 12600/SIA 331.181)

DIN 52 338

9/1985

Kugelfallversuch für Verbundglas

DIN EN 13049

8/2003

Belastung mit einem weichen, schweren Stosskörper: Prüfverfahren, Sicherheitsanforderungen und Klassifizierung (SN EN 13049/SIA 331.058)

DIN EN 15998

2/2011

Brandsicherheit, Feuerwiderstandfähigkeit – Verfahren von Glasprüfungen zur Klassifizierung

DIN 12116

3/2001

Beständigkeit gegen eine siedende wässrige Salzsäurelösung

DIN 52308

7/1984

Kochversuch an Verbundglas

12/2010

Bemessungs- und Konstruktionsregeln

Bemessung DIN 18008-1

Teil 1: Begriffe und allgemeine Grundlagen -2 TRAV

12/2010

Teil 2: Linienförmig gelagerte Verglasungen

1/2003

Technische Regeln für die Verwendung von absturzsichernden Verglasungen

TRPV

8/2006

Technische Regeln für die Bemessung und die Ausführung punktförmig gelagerter Verglasungen

TRLV

8/2006

Technische Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen

EN ISO 14438

9/2002

Bestimmung des Energiebilanz-Wertes – Berechnungsverfahren (SN EN ISO 14438/SIA 331.15)

161

Abbildung g 153 Feuerwid derstandsklasssen.



162

D Quellen Bücher Bach H., Neuroth N. (Edts.): The Properties of Optical Glass, Springer Verlag 1995. Bach H., Krause D. (Edts.): Analysis of the Composition and Structure of Glass and Glass Ceramics, Springer Verlag 1999. Bucak Ö., Glas im konstruktiven Ingenieurbau, Stahlbau Kalender, Verlag Ernst &Sohn, 1999 Compagno A: Intelligente Glasfassaden: Material, Anwendung, Gestaltung, Birkhäuser Publishers 2002. Hagl A.., Kleben im Glasbau, Stahlbau Kalender, Verlag Ernst & Sohn, 2005 Hess R., Glasbau-Praxis in Beispielen, Bauwerk-Verlag, Berlin, 2005 Knaack U.: Konstruktiver Glasbau, Müller-Verlag, Köln 1998 Knaack U., Führer W., Wurm J.: Kunstruktiver Glasbau 2 Loch H., Krause D. (Edts.): Mathematical Simulation in Glass Technology, Springer Verlag 2002. Lohmeyer S., etal: Werkstoffe Glas III, expert Verlag 2001. Macfarlane A., Martin G.: Eine Welt aus Glas: Kulturgeschichte einer Entdeckung, Claassen Verlag 2004. Pilkington (www.pilkington.com) Glaskompendien Petzold A.: Anorganische, nichtmelallische Werkstoffe; Charakteristik, Eigenschaften, Anwendungen, VEB Deutscher Verlag, Leipzig 1981. Renno D., Hübscher M.: Glas Werkstoffkunde DVG 2000 Schittich etal: Glasbau Atlas, Birkhäuser Publishers, 2. Aufl. 2006. Scholze H.: Glas: Natur, Struktur und Eigenschaften, Springer Verlag 1988. Sedlacek G., Blank K., Laufs W., Güsgen J., Glas im Konstruktiven Ingenieurbau, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 1999 Siebert G., Entwurf und Bemessung von tragenden Bauteilen aus Glas, Verlag Ernst &Sohn, Berlin, 2001 Wagner E.: Glasschäden: Oberflächenbeschädigungen Glasbrüche in Theorie und Praxis, Fraunhofer IRB Verlag, 2005. Wedepohl K.H.: Glas in Antike und Mittelalter: Geschichte eines Werkstoffs, E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart 2003. Wörner J.-D., Schneider J., Fink A., Glasbau, Verlag Springer, 2001 Wörner J.-D., Konstruktiver Glasbau, Betonbaukalender, Verlag Ernst & Sohn, 2001 Wurm J.: Glas als Tragwerk Vorlesungen Wörner J.-D., Vorlesung Glasbau, TU Darmstadt Sobek W., Vorlesung Leichtbau und Glasbau, Universität Stuttgart Feldmann M., Glas im konstruktiven Ingenieurbau, RWTH Aachen 163

Ofner R., Leichtbau und Glasbau, TU Graz Zeitschriften Themenheft, Bauen mit Stahl und Glas, Stahlbau 67 (1998), Heft 4 Sobek W., Kutterer M., Messmer R., Untersuchungen zum Schubverbund bei VSG –Ermittlung des zeit- und temperaturabhängigen Schubmoduls von PVB, Bauingenieur 75 (2000) Laufs W., Kasper T., Biegedrillknicken thermisch vorgespannter Glasträger, Bautechnik 78 (2001), Heft 5 Laufs W., Mohren R., Neuartige Stahl-Glas-Konstruktionen mit Tragwirkung inScheibenebene, Bautechnik 78 (2001), Heft 10 Ensslen F., Untersuchungen zum Einfluss natürlicher und künstlicher Bewitterung auf den Schubmodul von VSG, Bautechnik 81 (2004), Heft 2 Sobek W., Beispiele für Vertikalseilfassaden, Stahlbau 73 (2004), Heft 4 Siebert G., Möglichkeiten der Bemessung von Bauteilen aus Glas, Stahlbau 73 (2004), Heft 5 Stutzki C., Versuche an Verbindungen für Glaskonstruktionen, Stahlbau 73 (2004), Heft8 Werner F., Eine Vollglaskonstruktion – Möglichkeiten und Probleme, Stahlbau 73 (2004), Heft 11 Schober H., Ein Glashaus für die Therme in Badenweiler, Stahlbau 73 (2004), Heft 11 Schober H., Gespannte Seilnetzfassaden, Stahlbau 73 (2004), Heft 12 Kutterer M., Verbundglasplatten – Schubverbund und Membrantragwirkung, Teil 1, Stahlbau 74 (2005), Heft 1 Kutterer M., Verbundglasplatten – Schubverbund und Membrantragwirkung, Teil 2, Stahlbau 74 (2005), Heft 2 Havemann K., Neue Messe Mailand – Verglasung der Freiformfläche, Stahlbau 74 (2005), Heft 5 Maier W., Stahlglas-Bauweise – an einer Treppe werden neue Perspektiven im konstruktiven Glasbau sichtbar, Stahlbau 74 (2005), Heft 7 Luible A., Crisinel M., Stability of load carrying elements of glass, Conference Proceeding, Eurosteel 2005, Maastricht Bericht, Seil-Glasfassade für das Lufthansa Aviation Center Frankfurt, Stahlbau 74 (2005), Heft 11 Schneider J., Ingenieurportät Joseph Paxton, db Deutsche Bauzeitung Heft 12/2005 Gugeler J., Lehrter Bahnhof Berlin: Das Nord-Süd-Dach, Stahlbau 75 (2006), Heft 3 Lindner J., Holberndt T., Neue Erkenntnisse zur Festigkeit von Glas bei doppelter Biegung, Stahlbau 75 (2006), Heft 5 Lindner J., Holberndt T., Zum Nachweis von stabilitätsgefährdeten Glasträgern unter Biegebeanspruchung, Stahlbau 75 (2006), Heft 6 Zschippang S., Glasdach Mensa und Rektorat der Technischen Universität Dresden, Stahlbau 75 (2006), Heft 6 Gugeler J., Lehrter Bahnhof Berlin: Die Haupteingangsfassaden, Stahlbau 75 (2006), Heft 6 Feldmann M., Gebäudehülle aus Stahl und Glas – Citroen Ausstellungszentrum in Paris, Stahlbau 75 (2006), Heft 6 Weller B., Glashäuser im Osten Deutschlands, Stahlbau 75 (2006), Heft 6 164

Weller B., Fügen und Verbinden mit UV- und lichthärtenden Acrylaten, Stahlbau 75 (2006), Heft 6 Weller B., Berechnungstabellen für den konstruktiven Glasbau, Stahlbau 75 (2006), Heft 6, Berichtigung in Stahlbau 75 (2006), Heft 7 Hagl A., Die Innovation - Kleben, Stahlbau 75 (2006), Heft 6 Bucak Ö., Kleben im Bauwesen - gestern, heute, morgen, Stahlbau 75 (2006), Heft 6 Bucak Ö., Verbund im Glasbau – Neues und Bewährtes, Stahlbau 75 (2006), Heft 6 Feldmeier F., Klimabelastung und Lastverteilung bei Mehrscheiben-Isolierglas, Stahlbau 75 (2006), Heft 6 Burmeister A., Weitgespannte gläserne Fassade, Stahlbau 75 (2006), Heft 6 Kasper R., Berechnungskonzept für die Bemessung von punktförmig gelagerten Glasscheiben, Stahlbau 75 (2006), Heft 6 Havemann K., Der Arbeitskreis „Punktgestützte Verglasungen“ im FKG, Stahlbau 75 (2006), Heft 6 Siebert B., Anforderungen für ein Berechnungskonzept für die Bemessung punktgelagerter Verglasungen, Stahlbau 75 (2006), Heft 8 Maniatis I., Spannungsermittlung punktgelagerter Verglasungen unter Beanspruchung in Scheibenebene, Stahlbau 75 (2006), Heft 8 Siebert G., Aktueller Stand der Regelungen für die Bemessung von Bauteilen aus Glas, Stahlbau 75 (2006), Heft 8 Pocanschi A., Tragende Glasstützen für eine Cafe-Bar in Göppingen, Bautechnik 83 (2006), Heft 10 Weller B., Forschung und Entwicklung im Konstruktiven Glasbau, Stahlbau 76 (2007), Heft 3 Weller B., Sonderheft Konstruktiver Glasbau Stahlbau (2011), Heft 3 (erscheint jährlich) Kasper R., Das Biegedrillknickverhalten von Glasträgern aus Verbundglas, Stahlbau 76 (2007), Heft 3 Maier W., Stahlglas-Bauweise – Rechnerische und experimentelle Nachweise am Beispiel einer Treppe, Stahlbau 76 (2007), Heft 3 Peters S., Ganzglastreppe mit transparenten SGP-Klebeverbindungen – Konstruktion und statische Berechnung, Stahlbau 76 (2007), Heft 3 Siebert G., Experimentelle Untersuchung von Punkthaltern, Stahlbau 76 (2007), Heft 3 Wellershoff F., Bemessungsschubmodulwerte für Verbundglasscheiben, Stahlbau 76 (2007), Heft 3 P. Nitz, A. Wagner: Schaltbare und regelbare Verglasungen, DINE themeninfo I/02 Websites BGT Bischoff Glastechnik AG http://www.bgt-bretten.de Dow Corning, Silikone http://www.dowcorning.com DuPont, SentryGlas, Folien http://www.dupont.com/safetyglass Eckelt Glas GmbH http://www.eckelt.at Fachverband konstruktiver Glasbau http://www.glas-fkg.org 165

Glas Troesch GmbH http://www.glastroesch.de Glassline GmbH, Punkthalter http://www.glassline.de Pilkington Glas http://www.pilkington.com Sadev, Punkthalter http://www.sadev.com/ Saint-Gobain Glas http://www.saint-gobain.de Schneider J., BauNetz Infoline Glas http://www.baunetz.de/infoline/glas Schott Glas, Glasrohre http://www.schott.com Seele GmbH, Glasfassaden http://www.seele-online.com (tolle Bilder) Sekurit-Partner http://www.securit-partner.de SJ MEPLA, Software für Glasstatik http://www.sj-software.de Solutia, Folien http://www.saflex.com Trosifol, Folien http://www.trosifol.com Glasverbände Schweizerisches Institut für Glas am Bau (SIGAB) http://www.sigab.ch Schweizerischer Flachglasverbandes (SFV) http://www.sfv-avp.ch/ Deutscher Bundesverband der Glasinsdustrie http://www.bvglas.de/ Bundesverband Flachglas http://www.bundesverband-flachglas.de/ Bundesverband der Jungglaser und Fensterbauer e.V. http://www.glaserhandwerk.de/ Deutsche Glastechnische Gesellschaft e.V. (DGG) und Hüttentechnische Vereinigung der Deutschen Glasindustrie (HVG) http://www.hvg-dgg.de/ Glasmuseen in der Schweiz Glasmuseum Glasi Hergiswil http://www.glasi.ch/ Musée Ariana - Schweizer Museum für Keramik und Glas http://www.ville-ge.ch/mah Vitromusée Romont: Schweizerisches http://www.vitromusee.ch/

Museum

für

Glasmalerei

und

Glaskunst

Glas-Werkstube im Gotthelf Dorf Lützelflüh http://www.glas-werkstube.ch/site/

10.

Index

Testgrafik.................................................................... 3 In next version

166

Toproller .................................................................... 6