E-Book "Glasschäden"

2.5Druckfestigkeit

Glas hat allgemein eine sehr hohe Druckfestigkeit von ca. 700 – 900 N/mm2. Im Vergleich mit anderen Materialien zeigt sich dies; so hat Granit nur eine Druckfestigkeit von ca. 250 N/mm2 und Gusseisen von ca. 700 – 850 N/mm2. Eine einfache Definition ist im Glaserfachbuch von Seitz [21] enthalten und hier wiedergegeben: „Die Druckfestigkeit von Floatglas liegt bei ca. 900 N/mm2, das entspricht in etwa einer Gewichtskraft von 9 t Masse“ (pro cm2 – Anmerkung des Autors).

2.6Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit von Floatglas liegt wesentlich niedriger als die Druckfestigkeit. Der theoretische Wert liegt bei ca. 90 N/mm2. Allerdings sind diese theoretischen Werte für die Praxis nicht von Bedeutung. Je nach Lastfall werden heute unterschiedliche Werte für die einzelnen Belastungen und Glasarten angegeben. Diese werden in der Regel von der Bauaufsicht vorgeschrieben. Nachfolgende Tabelle 11 zeigt die rechnerisch zulässigen Biegezugspannungswerte verschiedener Glaserzeugnisse. In den vergangenen Jahren haben sich diese Werte durch neue Technische Regeln gegenüber den jahrzehntelang gültigen Werten verändert. In der deutschen Literatur finden sich für ein Glaserzeugnis oft mehrere Werte, die teilweise auch noch abhängig vom Anwendungsfall sind.

Im Rahmen der einheitlichen europäischen Normung und als Voraussetzung für einen gemeinsamen europäischen Binnenmarkt sind einheitliche Bemessungsregeln zwingend notwendig. Da die bisherigen Technischen Regeln nicht auf einem semi-probabilistischen Sicherheitskonzept aufgebaut waren, wurden sie in den letzten Jahren entsprechend geändert und dazu die DIN 18008 erarbeitet. Wie bereits in vielen anderen Bereichen vorhanden, wurde damit bei der Bemessung von Glas das Eurocode-konforme Sicherheitskonzept umgesetzt. Die Glasbemessung wurde dadurch komplizierter, eine Berechnung „von Hand“ ist damit nicht mehr möglich. Grundsätzlich geändert hat sich das Nachweiskonzept nach den europäischen Bemessungsregeln, da nicht mehr ein Globalsicherheitskonzept mit zulässigen Spannungen und Verformungen angewandt wird, sondern ein Teilsicherheitskonzept nach DIN 1055-100 mit Grenzzuständen der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit. Dabei ist nach wie vor die Biegezugfestigkeit der verschiedenen Glasarten ausschlaggebend.

Das Besondere bei Glas gegenüber anderen Materialien wie z. B. Metallen ist, dass Glas keinen plastischen Bereich kennt; bis zur Bruchgrenze ist es elastisch.

Tabelle 11:Biegezugspannungswerte für Glasarten

1) aus TRLV Technische Regeln für Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen, Fassung September 1998

2) 15 N/mm2 im Regelfall, 25 N/mm2 gilt nur für Überkopfverglasungen mit Isolierglas und den Lastfall „Versagen der oberen Scheibe“

3) keine Angaben dazu vorhanden

4) sofern bauaufsichtlich keine anderen Werte gefordert werden

5) Die DIN 18008 beinhaltet von der bisherigen Glasdickenbemessung deutlich abweichende, kompliziertere Verfahren, weshalb ein direkter Vergleich schwer möglich ist.

2.7Dichte

Die Dichte ρ eines Stoffes ist definiert mit Masse je Volumeneinheit. Die offizielle SI-Einheit ist kg⋅m-3, also kg/m3 oder g/cm3. Der genaue Wert für Floatglas liegt hier bei 2,5 x 103 kg/m3 oder 2,5 g/cm3, ist aber je nach Zusammensetzung des Glases geringfügig schwankend. Für die schnelle Ermittlung des Gewichts von Glastafeln kann man sich einfach merken, dass eine 1 m2 große Glastafel der Dicke 1 mm ein Gewicht von 2,5 kg hat. Nachfolgende Tabelle zeigt die Werte für verschiedene Glasarten nach Renno und Hübscher [16] mit einigen Ergänzungen des Autors.

Tabelle 12:Dichte unterschiedlicher Materialien und Glasarten

2.8Ausdehnungskoeffizient

Bei Erwärmung dehnt sich Glas wie jeder andere feste oder flüssige Körper aus. Dieser Wert wird als Ausdehnungskoeffizient bezeichnet und mit dem griechischen Buchstaben α gekennzeichnet. Die Maßeinheit ist K-1, also pro Kelvin (bzw. pro °C). Während der Wert z. B. für Metalle linear ist, ist dies bei Glas nicht exakt der Fall. Deshalb wird bei Glas der Wert für den normalen, im Hochbau vorkommenden Temperaturbereich (-20 °C bis +200 °C) angegeben. Bei wesentlich höheren Temperaturen ändert sich dieser Wert. Die nachfolgende Tabelle zeigt einen Vergleich verschiedener Materialien mit unterschiedlichen Glasarten.

Tabelle 13:Lineare Ausdehnungskoeffizienten α verschiedener Materialien

2.9Wärmeleitfähigkeit

Floatglas gehört weder zu den Stoffen, die Wärme sehr gut leiten, noch zu den hoch dämmenden Materialien mit sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit liegt, wie die untenstehende Tabelle zeigt, im mittleren Bereich. Damit eignet sich Glas allein nicht besonders gut zur Wärmedämmung. Deshalb werden Einfachverglasungen bereits seit Jahrzehnten nicht mehr im Wohnungsbau eingesetzt, sie sind heute auch nicht mehr zulässig (EnEV).

Tabelle 14:Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien

2.10Wärmedämmung mit Glas

Vor 3000 Jahren war das Haus ein Schutzraum und Fenster dabei nicht unbedingt notwendig. Erste Verglasungen wurden bei den Römern in Fenstern eingesetzt, nachweisbar ab ca. 50 v. Chr. auch als Kastenfenster und damit hauptsächlich zur Wärmedämmung. Dies zeigten Ausgrabungen aus Pompeji. In weiteren 2000 Jahren hat sich das Fenster als Bauteil zur Wärmedämmung nur geringfügig verbessert. Das Kastenfenster oder Verbundfenster wurde seit der kleinen Eiszeit (ca. 1550 – 1850) in der Renaissance ab ca. 1550 verstärkt eingesetzt. Da die Herstellung von Flachglas ein sehr kostspieliger Prozess war, waren größere Fenster und Verglasungen den betuchteren Bürgern vorbehalten. In einigen Gegenden wurde im 18. und 19. Jahrhundert anstelle der teuren Gläser wesentlich preiswertere, transparente Glimmerplatten (Muskovit) eingesetzt. Diese waren zwar meist bräunlich eingefärbt und nicht so eben wie Gläser, aufgrund ihrer Transparenz jedoch alternativ einsetzbar. Mit der Entwicklung von Isolierglas (Cudo ab ca. 1930), der Erfindung der Floatglasherstellung und ihrer praktischen Umsetzung 1959 durch die Gebrüder Pilkington war ein Quantensprung erreicht, der zu immer besseren Fenstern und Verglasungen führte.

Tabelle 15:Entwicklung der Wärmedämm-Maßnahmen in den letzten 3000 Jahren

Während in den 60er und 70er Jahren die Einfachverglasung durch Isolierglas abgelöst wurde, führte die erste Energiekrise 1974 zu einer rasanten Entwicklung im Bereich der Wärmedämmung an Wohngebäuden. Zuerst kam – da noch keine hochwärmedämmenden Beschichtungen am Markt verfügbar waren – die gute Dreifachverglasung verstärkt zum Einsatz. Dies brachte eine Reduzierung der Ug-Werte um ca. ein Drittel, pauschal gesagt, von 3,0 auf 2,0 W/m2K. Ein erster Schritt zu höherer Wärmedämmung, der durch Reduzierung von Wärmeleitung und Konvektion erreicht wurde. Der Strahlungsanteil war damit aber nicht beeinflusst worden. Zweifach-Isolierglas und teilweise Dreifach-Isolierglas noch ohne Beschichtung, aber bereits mit Edelgasfüllung im SZR wurde zum damaligen Stand der Technik. Steigende Energiepreise für Strom, Öl, Glas und Holzbrennstoffe heizten die Nachfrage nach immer besser dämmenden Isolierglaseinheiten und Fenstersystemen an. Durch den Einsatz von Anlagen zur Kathodenzerstäubung für die Herstellung von Edelmetallbeschichtungen für Sonnenschutz- und Wärmedämm-Isoliergläser führte der Weg zur Wärmedämm-Beschichtung. Wer zeigen wollte, dass er sich teures Wärmedämm-Isolierglas leisten konnte, ließ sich goldbeschichtetes Isolierglas einbauen. Dies war bei Weitem noch nicht so gut und neutral in Ansicht und Durchsicht, wie man es heute gewohnt ist. Aber es zeigte allein durch seinen rötlich-violetten Glanz, dass hier etwas Besonderes eingebaut war. Vieles an unterschiedlichsten Schichtsystemen wurde entwickelt, kurz im Markt eingesetzt und verschwand dann wieder, wie z. B. die Kupferbeschichtung. Aber die Entwicklung ließ sich nicht aufhalten und so wurde an harten und weichen Beschichtungssystemen geforscht und entwickelt. Die Zinnoxid-Beschichtung als harte Schicht (hardcoating) war über viele Jahre eine oft und gerne verwendete Wärmedämmschicht, da sie nicht randentschichtet werden musste und auch unter schlechten Lagerbedingungen haltbar war. Und sie wird auch heute noch in geringem Umfang als Einfachverglasung vor allem bei Kastenfenstern im Denkmalschutz eingesetzt. Waren diese Beschichtungen in den Anfangsjahren noch durch ihre besondere Farbgebung in Durchsicht und Reflexion auffällig, da sie von den Sonnenschutzbeschichtungen abgeleitet waren, entwickelte man immer bessere, neutralere Beschichtungssysteme bis hin zur heute standardmäßig eingesetzten Silberbeschichtung. Zuerst noch skeptisch betrachtet, denn wer will schon eine Wärmedämmbeschichtung, die – wie von Silber bekannt ist – im Laufe der Zeit wohl schwarz anläuft. Dies war und ist aber nie der Fall gewesen.

Und diese Mehrschichtsysteme mit Silber als Funktionsschicht wurden immer neutraler in Ansicht und Durchsicht, sodass sie sich mehr und mehr durchsetzten. Natürlich wurden sie auch sehr schnell weiterentwickelt, mit der Folge, dass oft nach wenigen Jahren bei Reparaturverglasungen die eingebaute Schicht nicht mehr lieferbar war und noch neutralere Schichten zum Einsatz kamen. Im Zweifach-Isolierglas mit Argon als Füllgas im SZR entwickelte sie sich von Ug = 1,3 W/m2K bis zu 1,0 W/m2K bei extrem niedriger Emissivität von bis zu s = 0,01. Im Dreifach-Isolierglas mit Krypton im SZR werden die niedrigsten U-Werte bei geringer Einbaudicke erreicht. Auch Vierfach-Isoliergläser sind in der Diskussion, allerdings aufgrund des extrem großen Gesamtscheibenzwischenraums, des hohen Gewichts und der enormen Erwärmung der Mittelscheiben (thermisch verursachtes Glasbruchproblem zwingt zur ESG-Verwendung) heute keine Option, zumal der wärmetechnische Gewinn in keinem Verhältnis zum deutlich höheren Preis steht. Zur Gewichtsreduktion können heute Dünngläser mit Beschichtung oder Folien im SZR eingesetzt werden, entsprechende Systeme sind seit längerem am Markt erhältlich. Darüber hinaus wird heute an Isolierglas mit Vakuum in SZR gearbeitet und marktreife Systeme stehen bereits zur Verfügung. Die nachfolgende Tabelle zeigt beispielhaft die heute am Markt erhältlichen Aufbauten mit ihren aktuellen wärmetechnischen Werten. Geringe Abweichungen je nach Hersteller sind möglich.

Tabelle 16:Übersicht über die wärmetechnischen Werte verschiedener heute und zukünftig erhältlicher Glas- und Isolierglasaufbauten

*Erläuterungen: die technischen Werte außer Vakuum-Glas wurden mit Calumen III (SGG) 2020 ermittelt;

Doppelpunkt = Wärmedämmbeschichtung;

Ar = Argon, Kr = Krypton Gasfüllung im Scheibenzwischenraum; V = Vakuum

2.11Elektrische Eigenschaft

Floatglas (Alkali-Erdalkali-Silikatglas bzw. Kalk-Natronsilikatglas) ist bei normaler Raumtemperatur nicht elektrisch leitend und somit ein guter Isolator. Bei Temperaturerhöhung auf ca. 800°C sinkt der elektrische Widerstand des Glases sehr stark ab, Glas erreicht dann eine sehr hohe Leitfähigkeit. Allerdings spielt bei Flachglas im Hochbau und Innenausbau dessen elektrische Eigenschaften keine nennenswerte Rolle, anders als in der Elektrotechnik oder Elektronik. Deshalb sind im Nachfolgenden nur einige wenige Kennwerte für Glas genannt. Die elektrische Leitfähigkeit von Alkali-Erdalkali-Silikatglas liegt bei 10-13 bis 10-14 S m-1, bei Spezialgläsern liegt dieser Wert bei bis zu 10-18 S m-1. Silikatglas besitzt bei Normaltemperatur (20 °C, 50 Hertz) einen spezifischen elektrischen Widerstand von ς = 1010 bis 1012 Ω m und eine Dielektrizitbätszahl oder relative Dielektrizitätskonstante von e = 8,8 • 10-12 F/m [15]. Der dielektrische Verlustfaktor beträgt tan d = 0,008 bis 0,01. Die elektrische Durchschlagsfestigkeit ist abhängig von der Glasart, der Durchschlagsspannung U und der Probendicke s und liegt bei ca. 100 bis 450 kV/cm.