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2015 | Book

Charakterisierung der Kratzanfälligkeit von Gläsern im Bauwesen

Characterisation of the scratch sensitivity of glasses in civil engineering

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About this book

Der spröde Werkstoff Glas wird immer häufiger für konstruktive Bauteile verwendet, sodass er heute baurechtlich den konventionellen Materialien des konstruktiven Ingenieurbaus nahezu gleichgestellt ist. Im Gegensatz zu duktilen Werkstoffen können mechanische Oberflächendefekte, wie beispielsweise Kratzer und Eindrücke, die Anwendbarkeit jedoch einschränken. Für Gläser im Bauwesen werden dabei maßgeblich die optische Qualität und auch die Materialfestigkeit beeinflusst.

Auf Grundlage bruchmechanischer Betrachtungen und eines umfangreichen Versuchskonzeptes wurde die Kratzanfälligkeit von kommerziellem Kalk-Natronsilikatglas charakterisiert, wobei thermisch entspannte als auch thermisch bzw. chemisch vorgespannte Glasarten berücksichtigt wurden. Dabei wurde konsequent zwischen einer optischen und einer statisch wirksamen Kratzanfälligkeit unterschieden. Hierzu wurde das aus einem spitzen Kontakt auf Glas resultierende charakteristische Risssystem analysiert und die wesentlichen Einflussparameter auf die Ausbildung und das Wachstum der differenzierten Risse untersucht. Hierbei wurden auch Risswachstumseffekte betrachtet, welche erst nach dem eigentlichen Kontaktvorgang stattfinden. Weiterführend wurde die Sanierung von mechanischen Oberflächendefekten auf Glasoberflächen untersucht. Neben einem abrasiven Polierverfahren wurde hierzu auch das Ätzen mit Flusssäure betrachtet.

Table of Contents

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Der Werkstoff Glas wird seit etwa 25 Jahren neben der herkömmlichen Verwendung als flächenfüllendes Fensterelement auch für konstruktive Bauteile verwendet. Durch baulich immer größer werdende Herausforderungen wurde das spröde Material mittlerweile baurechtlich aus dem Schattendasein gelöst. Dies ist an einer immer stärker wachsenden Produktpalette mit interessanten Weiterentwicklungen ersichtlich. Nicht zuletzt die steigende Anzahl an Zustimmungen im Einzelfall (ZiE), die zahlreichen Richtlinien, die allgemein bauaufsichtlichen Zulassungen (abZ) und Prüfzeugnisse (abP) sowie die aktuell tätige nationale und internationale Normungsarbeit verdeutlichen dies.
Sebastian Schula
2. Glas im Bauwesen
Zusammenfassung
Der Werkstoff Glas ist der Menschheit bereits seit 3000 v. Chr. bekannt. Zunächst ausschließlich als Schmuck genutzt, wurden ab ca. 1000 n. Chr. die ersten Fenster aus Glas hergestellt. Hierfür wurden handtellergroße, flache, kreisförmige Butzenscheiben im Walzverfahren oder durch Blasen hergestellt und mit Hilfe von Bleifassungen zu Kirchenfenstern verarbeitet. Fensterglas im heutigen Sinne ist seit dem 17. und 18. Jahrhundert bekannt. Ab diesem Zeitraum sind Verglasungen nicht mehr nur für Kirchen und Klöster verwendet worden, sondern wurden fortan auch in Schlössern und Stadthäusern genutzt.
Sebastian Schula
3. Oberflächendefekte auf Glas im Bauwesen
Zusammenfassung
Im alltäglichen Gebrauch ist eine Glasoberfläche mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Unter mechanischer Belastung sind hierbei tribologische Abriebs-, Kratz- (Abb. 3.1) und Verschleißvorgänge zu verstehen, die zur lokalen Schädigung der Oberfläche führen (Abs. 3.2). Generell gilt für alle konstruktiven Anwendungen aus Glas, dass neben der Gebrauchstauglichkeit auch die Gewährleistung prinzipieller Sicherheitsanforderungen zu erfüllen ist.
Sebastian Schula
4. Bruchmechanische Grundlagen
Zusammenfassung
Die Festigkeit von Glas ist im Wesentlichen von der chemischen Glaszusammensetzung C, der Oberflächenbeschaffenheit R, der Temperatur T, der Reaktionsfähigkeit der Umgebungsbedingung X und schließlich der Dehnrate \(\dot{\varepsilon }\) abhängig. Je nach Kombination dieser Parameter kann die Festigkeit von Glas stark variieren.
Sebastian Schula
5. Subkritisches Risswachstum
Zusammenfassung
Über den Zusammenhang zwischen Belastungsdauer und Bruchfestigkeit von Glas berichtet erstmals L. Grenet 1899. Außerhalb inerter Umgebungsbedingungen wird die Festigkeit von Glas durch die Belastungsdauer, die Belastungsgeschwindigkeit, das chemische Umgebungsmedium und die Umgebungstemperatur bestimmt (vgl. Abs. 4.1). Derartige Einflüsse auf die Festigkeit von Glas werden unter dem Begriff subkritischs Risswachstum zusammengefasst.
Sebastian Schula
6. Festigkeit von Glas im Bauwesen
Zusammenfassung
Entsprechend DIN EN 1990 sind im Bauwesen sehr geringe Ausfallraten von tragenden Bauteilen gefordert. Für Bauteile aus Glas wird üblicherweise die Zuverlässigkeits-Klasse RC2 zugrunde gelegt. Hierunter werden mittlere Folgen für Menschenleben, beinträchtliche wirtschaftliche, soziale oder umweltbeeinträchtigende Folgen (z. B. Wohn- und Bürogebäude, öffentliche Gebäude) verstanden.
Sebastian Schula
7. Härte von Glas
Zusammenfassung
Der Begriff der Härte ist definiert als der materialspezifische Widerstand eines Werkstoffes gegenüber dem Eindringen eines härteren Körpers (vgl. Martens, 1898). Die Härte ist eine materialspezifische Kenngröße zur Beschreibung eines Werkstoffes bzw. Werkstoffzustandes (VDI/VDE 2616-2; Tabor, 1956). In Bezug auf den Werkstoff Glas verstehen Rouxel et al. (2010) den Begriff der Härte für Gläser mit geringen Querkontraktionseigenschaften als Widerstand gegenüber einer Verdichtung, bzw.
Sebastian Schula
8. Kontaktspannungen und Rissinitiierung
Zusammenfassung
Bedingt durch elastische und inelastische Verformungen ist das Vorhandensein von Tiefen-, Radial- und Lateralrissen charakteristisch für Kratzspuren und Härteeindrücke auf Glas (Abs. 3.3.1). Neben den in Abs. 3.3.2 genannten frühen Arbeiten zum lokalen inelastischen Materialverhalten von Gläsern, wurden auch mechanische Ansätze zur Beschreibung des Spannungsfeldes unterhalb von singulären Eindringkörpern Bestandteil der Forschung. Erste Grundlagenuntersuchungen zur Rissinitiierung im Kontaktbereich gehen auf Lawn & Wilshaw (1975), Lawn & Swain (1975), Swain & Hagan (1976), Hagan & Swain (1978), Swain (1978), Swain (1979) und Conway & Kirchner (1980) zurück. Im Folgenden werden analytische Kontaktspannungsfunktionen genutzt, um die Rissinitiierung von Tiefen- und Lateralrissen bruchmechanisch zu beschreiben. Hierfür wird thermisch entspanntes und vorgespanntes Glas betrachtet.
Sebastian Schula
9. Experimentelle Untersuchungen zur Kratzanfälligkeit von Glas im Bauwesen
Zusammenfassung
Der Untersuchungsumfang der vorliegenden Arbeit sieht neben der in Kap. 7 beschriebenen Versuchsdurchführung zur Bestimmung der Eindringhärte von Kalk-Natronsilikatglas ein objektives Untersuchsungsprogramm zur Bewertung der optischen als auch statischen Kratzanfälligkeit vor. Hierzu wurden zunächst Oberflächendefekte an bis zu über 30 Jahre genutzten Verglasungen aus Einscheibensicherheitsglas mittels einer fluoreszierenden Eindringprüfung detektiert und durch mikroskopische Untersuchungen charakterisiert. Hierauf aufbauend wurden anhand systematischer Kratzversuche in Kombination mit einem numerischen Postprocessing die wesentlichen Einflüsse auf das laterale Risswachstum von Kratzspuren bestimmt (optische Kratzanfälligkeit).
Sebastian Schula
10. Ätzen und Sanierung von Glas
Zusammenfassung
Das Ätzen von Glas gehört zu den traditionellen Bearbeitungs- bzw. Veredelungsmethoden. Hierunter werden chemische Reaktionen verstanden, welche das Glasnetzwerk auflösen. Ursprünglich ist die Glasätzerei in der künstlerischen Bearbeitung von Glasoberflächen begründet. In vereinzelten Forschungsaktivitäten wurde auch ihre festigkeitssteigernde Wirkung untersucht. Im Folgenden werden die chemischen Grundlagen des Ätzens von Glas erläutert und im Anschluss hieran die Festigkeitssteigerung durch Ätzen anhand planmäßig vorgeschädigter Glasoberflächen untersucht und diese mit einem kommerziellem Polierverfahren verglichen. Für beide Verfahren wird außerdem die optische Wirkung der Oberflächendefekte nach der jeweiligen Behandlung beurteilt.
Sebastian Schula
11. Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
Die Ursachen für Kratzer auf Glasoberflächen im Bauwesen sind vielseitig. Während kleinere und meist unbedeutende Oberflächendefekte bereits aus der Produktion undWeiterverarbeitung von Glas resultieren, entstehen maßgebliche Schäden auf der Glasoberfläche im Wesentlichen infolge des Bauprozesses, der Glasreinigung und der eigentlichen Nutzung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Kratzanfälligkeit von Gläsern im Bauwesen charakterisiert.
Sebastian Schula
Backmatter
Metadata
Title
Charakterisierung der Kratzanfälligkeit von Gläsern im Bauwesen
Author
Sebastian Schula
Copyright Year
2015
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-47782-3
Print ISBN
978-3-662-47781-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-47782-3