Die neue CEN/TS 19100: Gestaltung von Glaskonstruktionen

Sep 19, 2023

Datum: 9. Juni 2023

Autoren:Markus Feldmann, Maximilian Laurs, Jan Belis, Nebosja Buljan, Annie Criaud, Eric Dupont, Martina Eliasova, Laura Galuppi, Paavo Hassinen, Ruth Kasper, Christian Louter, Giampiero Manara, Anne Minne, Tim Morgan, Gabriele Pisano, Mauro Overend, Gianni Royer -Carfagni, Jens Schneider, Gregor Schwind, Christian Schuler, Geralt Siebert & Anna Sikynova

Quelle: Glasstrukturen und Ingenieurwesen | https://doi.org/10.1007/s40940-023-00219-y

Seit Anfang 2021 liegt CEN/TS 19100 Design of Glass Structures in den ersten drei Teilen vor. Der vierte Teil wird bald erwartet. Diese Technische Spezifikation der europäischen Normungsorganisation CEN dient als Vornorm für einen entsprechenden zukünftigen Eurocode. Bei diesen Dokumenten handelt es sich um den ersten umfassenden Designkodex für den gesamten Bereich der Glasbautechnik auf dem europäischen Markt. Neben einer klaren Gliederung wurde die Technische Spezifikation so gestaltet, dass sie mit EN 1990 „Grundlagen des Designs“ kompatibel ist und glasspezifische Designaspekte berücksichtigt, insbesondere im Zusammenhang mit Robustheit und Redundanz. Obwohl die Norm immer noch den Status einer CEN/TS hat und damit den europäischen Staaten die Möglichkeit lässt, sie ganz oder in Teilen einzuführen, enthält sie bereits nationale Öffnungen, durch die die europäischen Länder die Entwurfsergebnisse an ihre eigenen anpassen können eigenes Sicherheitsniveau durch National Determined Parameters (NDPs). Ein solcher Ansatz nimmt bereits den künftigen Eurocode vorweg, der voraussichtlich als EN 19100 – Entwurf von Glaskonstruktionen – veröffentlicht wird. Dieser Artikel liefert einen Kontext zur Geschichte und zum Konzept hinter den neuen Dokumenten und gibt einen Überblick über die Designregeln und den entsprechenden technischen Hintergrund der verschiedenen Teile von CEN/TS 19100.

Glas spielt in modernen Gebäuden eine immer wichtigere Rolle, sei es bei Anwendungen, die Innenräume mit Tageslicht durchfluten, bei der ästhetischen Außengestaltung oder bei nachhaltigen Fassaden, wie in Abb. 1 dargestellt. Die breite Verwendung von Verglasungsmaterialien wurde von den europäischen Institutionen anerkannt vor einiger Zeit (Feldmann et al. 2014). Zu den Normen für Glasprodukte gehört auch die Normung von Bauprodukten. Andererseits gibt es Normen für die Gestaltung von Glaskonstruktionen. Sie sollten den neuesten technischen Fortschritt für eine problemlose Umsetzung darstellen und sich für ein einheitliches Sicherheitsniveau einsetzen. Solche Standards harmonisieren auch die Entwurfsmethoden und das Sicherheitsniveau und ermöglichen den Einsatz fortschrittlicher numerischer Methoden.

In der Vergangenheit gab es eine Vielzahl unterschiedlicher nationaler Vorschriften zum Thema Glas im Bauwesen, Abb. 2, die teilweise widersprüchlich, unvollständig, veraltet oder nicht den europäischen Gestaltungsgrundlagen der EN 1990 (2010) entsprechen. Diese Situation hat häufig dazu geführt, dass konstruktive Glaskonstruktionen nur mit besonderen Genehmigungen realisiert werden können, was den Entwurfsprozess ineffizient und den Bau besonders großer Glaskonstruktionen vergleichsweise riskant macht. Eine solche Situation hat den technischen Fortschritt, die wirtschaftliche Entwicklung des Sektors und den freien Handel mit Dienstleistungen und indirekt mit Waren behindert.

Die Existenz einer solchen Vielzahl unterschiedlicher Ansätze auf dem Markt förderte einen europaweiteren Ansatz bei der Konstruktion von Strukturglas, ähnlich wie es bei anderen Baumaterialien seit den 1990er Jahren der Fall war. Nach ersten Gesprächen und vorbereitenden Maßnahmen im Jahr 2006 wurde 2012 von der Europäischen Kommission das spezifische Mandat M/515 (2012) für eine neue Generation von Eurocodes einschließlich der Erstellung eines neuen Eurocodes für die Gestaltung von Glaskonstruktionen erteilt.

Das Projekt war in drei Phasen unterteilt. In der ersten Phase (Aufgabe I) wurde ein JRC Scientific and Policy (SaP-)Report „Guidance for European Structural Design of Glass Components“ (Feldmann et al. 2014) erstellt, der einen Überblick über den Stand der Technik zum Glasdesign gibt um die notwendigen technischen Punkte des zukünftigen Standards zu identifizieren und die am besten geeignete Struktur für ein solches Dokument vorzuschlagen, Abb. 3. Diese Arbeit wurde mit der Veröffentlichung des Berichts im Jahr 2014 durch das Gemeinsame Forschungszentrum der Europäischen Kommission (JRC) abgeschlossen , Ispra). Anschließend wurde der Arbeitsgruppe 3 (WG3) des CEN/TC250 der Status eines Unterausschusses (CEN/TC250/SC11) verliehen, was notwendig war, um einem solchen Ausschuss die Möglichkeit zu geben, eigene technische Entscheidungen für die weitere Normungsarbeit zu treffen. Parallel dazu erhielt CEN/TC250/SC11 grünes Licht für die Erstellung einer Vornorm in Form einer Technischen Spezifikation (CEN/TS) als Vorläufer eines künftigen Eurocodes. Nach Abschluss der zweiten Phase (Aufgabe II) mit der Erstellung von CEN/TS 19100 – Design of Glass Structures (2021) (im Folgenden auch „CEN/TS“ genannt) in seinen ersten drei Teilen, Abb. 3, ein Untergeordneter Arbeitsgruppe wurde als CEN/TC250/SC11/WG1 hinzugefügt. Die dritte Phase (Aufgabe III), an der das Komitee derzeit arbeitet, ist die Umwandlung des CEN/TS in einen Eurocode.

Der vorliegende Artikel erläutert den Inhalt, die technischen Regeln und den entsprechenden technischen Hintergrund der verschiedenen Teile von CEN/TS 19100.

Bei der Gestaltung und Strukturierung der Gliederung und des Inhalts des CEN/TS sollten drei Kernpunkte berücksichtigt werden:

Diese Anforderungen an die Gestaltung von Bauglasprodukten wurden respektiert und als vorherrschende Voraussetzungen bei der Erstellung des TS berücksichtigt.

Beispielsweise werden in der EN 1991 hinsichtlich der Belastungen keine Regeln und Parameter zur Bestimmung des Hohlrauminnendrucks und entsprechende Kombinationen mit anderen Einwirkungen für Isolierglaseinheiten festgelegt. CEN/TS 19100 behebt dieses Versäumnis.

Aufgrund des engen Zeitplans und der begrenzten Ressourcen wurden jedoch nicht alle relevanten Entwurfsaspekte im CEN/TS berücksichtigt. Beispielsweise werden Kaltbiegen, Knickkurven und andere Gestaltungsaspekte bereits im Eurocode-Stadium in das Dokument eingebracht, Abschn. 3.8 dieses Artikels. Darüber hinaus gab es einige formale Punkte hinsichtlich der Kompatibilität mit der auf CEN- und CEN/TC250-Ebene vereinbarten Struktur der ENs und der Eurocodes, die die Arbeit in ihrer jetzigen Form beeinflusst haben.

Hinsichtlich der Struktur des CEN/TS, Abb. 4, konnte die Modellstruktur der anderen Eurocodes nicht vollständig übernommen werden. Vielmehr musste sich die Vorgehensweise an den typischen Anforderungen des Glasbaus orientieren. Daher war von Anfang an klar, dass entscheidende glasbezogene Fragen in den Bereich der Designgrundlagen aufgenommen werden müssen – Elemente, die in EN 1990 (2010) nicht berücksichtigt werden, da sie spezifisch für den Glasbau sind. Unter Berücksichtigung der Materialien (Eigenschaften von Glas und Kunststoffen, Bezug zu Produktcodes etc.), der daraus resultierenden Gestaltungsprinzipien im Zusammenhang mit der extremen Sprödigkeit von Glas und spezieller Bewertungstechniken für die Sicherheit von Glas wurde frühzeitig entschieden die beiden Grundlagen „Materialien“ und glasbezogene „Grundlagen der Gestaltung“ in einem separaten und zwar ersten Teil der CEN/TS (2021) zu regeln.

Für den zweiten Teil (Teil 2) (2021) wurde beschlossen, die Gestaltung üblicher Glasstrukturen abzudecken, die seitlich, also außerhalb der Ebene, belastet werden. Dieser Dokumentteil behandelt auch die Gestaltung häufig verwendeter Träger (z. B. durchgehend unterstützte Verglasungen entlang ihrer Kanten, punktgestützte Verglasungen und freitragende Verglasungen, die an einer Kante gehalten werden) sowie Fragen rund um die Überprüfung von Verbundglas, Isolierglaseinheiten, Durchbiegungen und Vibrationen, Abschn . 3.

Bei der Betrachtung von in der Ebene belasteten Glaskomponenten wurde vereinbart, diese Komponenten in einem separaten dritten Teil (Teil 3) (2021) zu regeln und nicht zusammen mit den typischeren seitlich belasteten Konstruktionselementen. Es wurde erkannt, dass in der Ebene belastete Komponenten im Hinblick auf die Gesamtleistung und Stabilität häufig in die Primärstruktur integriert sind. Die Erforschung der entsprechenden Grenzzustände und der damit verbundenen Sicherheitsbewertungskonzepte solcher Strukturverglasungselemente ist jedoch relativ neu. Mit einem separaten Teil für die Bemessung von hauptsächlich in der Ebene belasteten Glasbauteilen kann man Ländern entgegenkommen, die den Inhalt der ersten beiden Teile, aber nicht den des dritten Teils von CEN/TS in ihr nationales Paket verbindlicher Gestaltungsregeln aufnehmen möchten .

Im Gegensatz zum technischen Charakter der in den ersten drei Teilen der CEN/TS enthaltenen Gestaltungsregeln gibt es parallel dazu und ebenso wichtig die Frage nach Regeln für eine geeignete Glasauswahl im Hinblick auf das Verletzungsrisiko für Menschen. Die Aspekte der Nutzungssicherheit (nicht zu verwechseln mit der Bausicherheit) werden in Europa durch nationale Vorschriften geregelt, die häufig eng mit der staatlichen Rechtsordnung verknüpft sind. Solche Regeln sind und werden auf der Ebene europäischer Designstandards nur schwer umzusetzen sein.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, liefert der vierte Teil Informationen über die Glasauswahl im Hinblick auf das Verletzungsrisiko für Menschen und bietet somit eine Anleitung für die Spezifikation von Glasprodukten in typischen Anwendungen. Es ist vorgesehen, dass der vierte Teil weiterhin den Status eines CEN/TS mit deutlich geringerer normativer Verbindlichkeit behält, auch wenn die anderen Teile in einen Eurocode umgewandelt und in den europäischen Ländern eingeführt werden.

Während die ersten drei Teile der TS bei der formellen Abstimmung die nötige Unterstützung erhalten haben und bereits veröffentlicht wurden, wird CEN/TS250/SC11 in Kürze den vierten Teil zur formellen Abstimmung einreichen, woraufhin die Veröffentlichung der CEN/TS erfolgt ist auch damit zu rechnen.

Im Zusammenhang mit all diesen Arbeiten besteht auch ein Zusammenhang zwischen dem CEN/TS 19100 oder dem zukünftigen Eurocode für die Gestaltung von Glaskonstruktionen (beide wurden oder werden im Rahmen des designorientierten CEN/TC 250 erstellt) und die bestehende Europäische Norm EN 16612 (2019), die vom produktorientierten CEN/TC129-Komitee erstellt wurde. Bei der Betrachtung der Beziehung zwischen diesen beiden Arten von Normen sollte berücksichtigt werden, dass (a) das Ziel darin bestand, einen möglichst reibungslosen Übergang der Entwurfsergebnisse zwischen den Regelwerken zu erreichen, und (b) die Notwendigkeit bestand, die Anwendungsbereiche verschiedener Normen zu klären . In Bezug auf den ersten Punkt wird in Abschn. 1 erläutert, wie dies erreicht wurde. 3.3. Für den zweiten Punkt wurde vereinbart, dass sich das CEN/TS bzw. der künftige Eurocode auf Fälle konzentriert, in denen Länder entscheiden, dass Glaskomponenten unter die Regeln der EN 1990 (2010) fallen, wenn eine Komponente entsprechend der Konsequenzklasse 1 klassifiziert werden muss , 2 oder 3, während EN 16612 (2019) typischerweise niedrigere Klassen abdeckt, Abb. 5.

3.1 Konzeptualisierung, Grenzzustände und Einwirkungen

Bei der Erarbeitung des Rahmenwerks für die Norm war klar, dass im Glasbau neben den üblichen Bemessungssituationen, in denen die Struktur intakt ist, auch Fälle zu berücksichtigen sind, in denen die Struktur bricht oder (teilweise oder vollständig) gebrochen ist . Diese Eigenschaft steht in deutlichem Kontrast zu anderen Baumaterialien. Die Berücksichtigung unterschiedlicher Bemessungssituationen erfolgt in den Regeln des Abschn. 3.2 der EN 1990 (2010), die bei der Erstellung von CEN/TS 19100 angewendet wurde. Bei der Verfolgung dieser Strategie wurde es notwendig, zwei weitere Grenzzustände einzuführen, die die zusätzlichen Bemessungssituationen während und nach dem Bruch widerspiegeln, nämlich den „Bruchgrenzzustand“ ( FLS) bzw. der „Post Fracture Limit State“ (PFLS). Vom Charakter her gehören die zusätzlichen Grenzzustände eindeutig zur Gattung der „Ultimate Limit States“, sie erhielten jedoch aufgrund ihrer Bedeutung und Wichtigkeit im Glasdesign eigene Namen, Abb. 6.

Aufgrund der unterschiedlichen historischen Herangehensweisen an Glasprodukte und -design ist vorhersehbar, dass gleiche oder ähnliche Glaskomponenten in gleichen oder ähnlichen Gebäuden in den verschiedenen europäischen Ländern hinsichtlich ihrer Sicherheitsanforderungen unterschiedlich behandelt werden. Aus diesem Grund ist neben der Einstufung in die verschiedenen Konsequenzklassen (CCs) nach EN 1990 (2010) und der Auswahl der Sicherheitsfaktoren die Klassifizierung, unter der ein Glasbauteil nachgewiesen werden soll und in welchem ​​Grenzzustand, ist durch entsprechende Formulierungen in den National Application Documents (NADs) den Nationalstaaten vorbehalten. Die Bündelung von Grenzzuständen in sogenannten „Grenzzustandsszenarien“ als Definition des erforderlichen Nachweissatzes hilft bei der sicherheitstechnischen Spezifikation einzelner Glaskomponenten, Abb. 7.

Die Schaffung von Robustheit und Redundanz ist ein vorherrschendes Thema im konstruktiven Glasdesign und spiegelt sich deutlich im CEN/TS wider, angefangen von der Detaillierung über die Komponentenebene bis hin zur Integration in den Gesamtkontext, Abb. 8.

Durch die Berücksichtigung dieser zusätzlichen Grenzzustände wird das Bewusstsein für die notwendigen Robustheitseigenschaften gestärkt, die wie bereits erwähnt im Glasbau aufgrund der Sprödigkeit des Baustoffs eine ganz besondere Rolle spielen.

Zweifellos unterscheidet sich das Sicherheitsniveau von Glaselementen, die nicht in den strukturellen Kontext des übergeordneten Bauwerks integriert sind, von denen, die in diesen integriert sind. Dies ist natürlich auf die deutlich unterschiedlichen Ausfallfolgen zurückzuführen, Abb. 9.

Abbildung 10 gibt einen Überblick über die technischen Themen von CEN/TS 19100 nach den einzelnen erklärten Teilen, differenziert nach Geltungsbereich, Haupttext und Anhängen.

In Bezug auf Maßnahmen gibt CEN/TS 19100 zusätzlich zu den Bestimmungen der EN 1991 (2002) zusätzliche produktspezifische Hinweise. Insbesondere bei Isolierglaseinheiten (IGUs) sind die Eingabeparameter zur Bestimmung des Hohlrauminnendrucks (der in der Glaswelt üblicherweise als „klimatische Einwirkungen“ bezeichnet wird, aber mit den anderen „klimatischen Einwirkungen“ gemäß EN verwechselt werden kann 1991 (2002)) bereitgestellt. Kombinationsfaktoren für den Hohlraumdruck gemäß CEN/TS 19100-1 finden Sie in Tabelle 1. Das Verfahren zur Bestimmung des Hohlrauminnendrucks folgt der Methodik gemäß EN 16612 (2019). Ein weiteres vielversprechendes Verfahren, das die Berücksichtigung eines breiteren Spektrums an Geometrien und Belastungskonfigurationen ermöglicht, stellt der BAM-Ansatz (Betti's Analytical Method) dar, siehe Galuppi und Royer-Carfagni (2020a), Galuppi (2020) und Galuppi und Royer-Carfagni (2020b). . Ein solcher Ansatz kann in der endgültigen Fassung des Eurocodes hinzugefügt werden.

Tabelle 1 Kombinationsfaktoren für Hohlraumdrücke von Isolierglaseinheiten (IGUs) in CEN/TS 19100-1 (2021) –Tisch in voller Größe

Darüber hinaus liefert Anhang C von CEN/TS 19100-1 (2021) wertvolle Informationen zur Bestimmung von Wärmegradienten und temperaturbedingten Spannungen in Glasscheiben, um thermische Brüche in Glas zu verhindern, Abb. 11.

3.2 Arten von Glaskomponenten, Glasarten und andere Materialien

CEN/TS 19100 befasst sich erwartungsgemäß mit der europäischen Familie von Glasprodukten im Bauwesen, Abb. 12, und verwendet dabei die charakteristischen Grundwerte der Materialfestigkeit, die in den Produktnormen angegeben sind. Im Hinblick auf Basis-Kalk-Natron-Silikatglas beginnt der Ansatz mit verschiedenen Arten von getemperten Gläsern gem. EN 572 (2012) Überhitzungsvorgespanntes Glas gem. EN 1863 (2011) auf thermisch vorgespanntes Glas gem. EN 12150 (2015) oder sogar auf chemisch vorgespanntes Glas gem. EN 12337 (2000). Zusätzlich zu den Standardformen von Glassubstraten bezieht sich CEN/TS 19100 auch auf andere Glasprodukte wie Borosilikatglas, Erdalkalisilikatglas, Alumosilikatglas usw. Da diese Produkte jedoch derzeit im Bauwesen nicht weit verbreitet sind, gelten nur die Normen werden referenziert, ohne weitere Werte anzugeben.

Bei den in CEN/TS 19100 behandelten Produkten handelt es sich um Flachglas, entweder als monolithische, laminierte, isolierende Glasanordnung oder als Kombination davon, einschließlich der üblichen Kantenbehandlungsarten. Design aus Acrylglas ist nicht abgedeckt.

3.3 Bemessungsbiegefestigkeit

Vielleicht ist kein Thema für die Glasdesigner-Community von größerem Interesse als die Bestimmung der resultierenden Biegefestigkeit von Designglas. Basierend auf den Materialfestigkeiten der Produktnormen wurden im Anhang A der CEN/TS 19100-1 (2021) entsprechende Berechnungsregeln für die Flächenbereiche erstellt (Laufs und Sedlacek 1999a; b; Veer et al. 2009; Pisano und Royer-Carfagni 2015), Kante (Kleuderlein et al. 2014; Vanderbroek et al. 2012, 2014), Loch (Schneider und Wörner 2001; Schneider 2004) und Eckzonen für verschiedene Lasteinleitungsdauern, Abmessungen, Kantenqualitäten und Vorspannungsgrade , Abb. 13. Bei diesem Ansatz wird die Eigenfestigkeitskomponente von der Vorspannungskomponente getrennt. Vorgehensweise und Konzept entsprechen denen der EN 16612 (2019). CEN/TS 19100-1 (2021) ist in dieser Hinsicht kompatibel und kann als entsprechende Erweiterung angesehen werden.

Galt diese Methode der Festigkeitsbestimmung noch vor einigen Jahren als Stand der Technik, sind heute in bestimmten Bereichen Weiterentwicklungen zu beobachten. Insbesondere die Auswertungen und Vergleiche mit Tests sollen einen Konservatismus ergeben haben, der darauf zurückzuführen ist, dass die Wahrscheinlichkeit schlechterer Oberflächen bzw. ungünstiger Ritzorientierung nicht (oder nur in geringerem Maße) mit der Wahrscheinlichkeit schlechterer Eigenfestigkeiten übereinstimmt (Pisano et al. 2019a). Dies führt zu einem Störfaktor ki, der eine günstigere Festigkeit ermöglicht. Der Faktor ki kann dann über das NAD in Anhang B der CEN/TS 19100-1 (2021) eingeführt werden. Die Berechnung dieser verbesserten Festigkeitsvorhersage unterscheidet sich nicht wesentlich von Anhang A. Das neue Modell von Anhang B gibt jedoch bisher keine numerische Angabe der Verbesserungen durch ki an, die je nach Glastyp unterschiedlich sind. Laut CEN/TS müssen solche Werte im Einzelfall ermittelt oder in den Ländern gesondert festgelegt werden. Für die künftige Eurocode-Version wurden entsprechende Zahlenwerte aber bereits erarbeitet. Hintergrundinformationen finden sich in (Pisano et al. 2022) sowie in Abb. 14 und Tabelle 2, nach Pisano et al. (2022).

Tabelle 2 Kalibrierte Werte des Störfaktors ki für die in Abb. 14 dargestellten Bauwerksfamilien Schneeeinwirkungsfall -Tisch in voller Größe

Es sollte klar sein, dass, wenn CEN/TS 19100 von einer „Biegefestigkeit“ spricht, dies auch die Festigkeit sowohl unter Biegung als auch unter Normalkraft (sowie Kombinationen davon) umfasst. Dies berücksichtigt die Fortschritte, mit denen wir uns mittlerweile auch bei flächig belasteten Tragwerken befassen (siehe CEN/TS 19100-3 (2021)).

Im Hinblick auf das Bemessungsniveau der Widerstände im Vergleich zum charakteristischen Niveau wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt, verbunden mit einer Diskussion mit CEN/TC250/SC10, das für die Entwicklung von EN 1990 (Eurocode) verantwortlich ist. Für die Grundfälle konnten die in Tabelle 3 angegebenen Sicherheitskoeffizienten für die verschiedenen Konsequenzklassen (CCs) abgeleitet werden. Dort konnte der Sicherheitskoeffizient γm = 1,8 für CC 2 bezogen auf einen Sicherheitsindex von β = 3,8 durch mehrere statistische Ansätze bestätigt werden. Einmal mit einer FORM-Analyse (First Order Reliability Method) auf der Widerstandsseite mit αR (FORM Sensitivitätsfaktor für Widerstand), die eine logarithmische Normalverteilung für die Festigkeit annimmt (Wellershoff 2006), und einmal mit einer Weibull-Verteilung basierend auf einer vollständigen probabilistischer Ansatz einschließlich zufälliger Kratzerorientierung und statistischer Lastmodellierung unter Verwendung der Extremwertverteilung (Ballarini et al. 2016; Pisano et al. 2019b).

Tabelle 3 Sicherheitsbeiwerte γM und γp für verschiedene Schadenswirkungsklassen –Tisch in voller Größe

3.4 Design von Verbundglas

Bei der Auseinandersetzung mit den Entwicklungen von Zwischenschichttechnologien und deren Eigenschaftsvielfalt ist die Berücksichtigung des Zwischenschicht-Scherkopplungseffekts einer der Schlüsselfaktoren zur Massenreduzierung im Glasdesign, Abb. 15.

Scherkopplungseffekte können in Form von Zeit und Temperatur ausgedrückt werden. Vereinfacht ausgedrückt ermöglicht CEN/TS 19100 drei verschiedene Ebenen der Bemessung: (1) vollständige oder keine Schubkopplung, (2) analytische Modelle zur Bestimmung der effektiven mechanischen Eigenschaften der elastisch geschichteten Querschnitte und (3) numerische Modellierung, Abb. 16.

Was IGUs unter normalen Umständen betrifft, erfordert die Art des Hohlraumdrucks und der Lastkopplung im Hohlraum besondere Sorgfalt bei der Überlegung, was der relevanteste Fall sein könnte, d. h. ob das steifere oder weichere Verhalten der Zwischenschicht in welcher Kombination berücksichtigt werden muss der der anderen Scheibe, also ob der höhere oder niedrigere Wert für den Schubmodul der Zwischenschicht anzunehmen ist. Dies erfordert natürlich die Verfügbarkeit entsprechender verlässlicher Materialwerte auf beiden Seiten der Verteilungen. Da es sich jedoch um eine sehr schwierige Aufgabe handelt, können wir von der Kunststoffseite keine einfache Lösung erwarten, sondern wird auch über die Einführung des Eurocodes hinaus noch einige Zeit in Anspruch nehmen. Es ist auch zu bedenken, dass der Sicherheitseinfluss aufgrund des Widerstandsanteils nicht so hoch ist wie beispielsweise der der Glasfestigkeit selbst.

Obwohl Normen normalerweise nicht die Eigenschaften eines Lehrbuchs aufweisen sollten, kam CEN/TC250/SC11 zu dem Schluss, dass bei der Spannungs- und Verformungsbestimmung von Verbundgläsern Hilfestellungen gemäß den neuesten Ergebnissen für die analytische Berechnung bereitgestellt werden sollten. Ein solcher Ansatz bietet eine Alternative zu den aufwändigen und anspruchsvollen Simulationen mit Finite-Elemente-Modellierung (FEM). Dies ist nun im Anhang A des zweiten Teils von CEN/TS 19100 (2021) zu finden.

Die Theorie basiert auf der Enhanced Effective Thickness-Theorie (EET) (Galuppi et al. 2013, 2014; Galuppi und Royer-Carfagni 2014) als Verbesserung gegenüber der Bennison-Wölfel-Methode (Wölfel 1987). Sie liefert vergleichbare Ergebnisse wie die EN 16612 (2019), umfasst nun aber ein deutlich erweitertes Anwendungsspektrum mit einem deutlich größeren Spektrum an Randbedingungen. Dabei beziehen sich die Berechnungsformeln auf zweifach bzw. dreifach Verbundglas für unterschiedliche Belastungsarten und Lagerbedingungen für seitlich belastete Träger und Platten. Abbildung 17 zeigt Beispiele der Berechnungsformeln.

3.5 Themen zu planbelasteten Glasbauteilen, erhöhter Robustheit, Stabilität und speziellen Verbindungen

Die Transparenz und Lichtdurchlässigkeit eines Bauwerks wird zweifellos erhöht, wenn Glaskomponenten statisch in das übergeordnete Bauwerk integriert werden, z. B. in Balken, Wänden oder Schubplatten. Charakteristisch für diese Bauteile ist, dass sie zusätzlich zur Querbelastung einer erheblichen, oft überwiegenden, Längsbeanspruchung, also in der Ebene, ausgesetzt sind. Aus diesem Grund ist Teil 3 von CEN/TS19100 (2021) den in der Ebene belasteten Glaselementen gewidmet.

Unter solchen Umständen kann die erforderliche Robustheit und Zuverlässigkeit solcher Glaskomponenten nicht durch die Übernahme der einfachen Regeln für FLS und PFLS erreicht werden, wie sie für die untergeordneten querbelasteten Komponenten gemäß CEN/TS 19100-2 (2021) vorgesehen sind. Dieser Ansatz gilt insbesondere für die Bauteile, die Teil des tragenden Systems der Gesamtkonstruktion sind. In der Regel werden solche Bauteile aus ausreichend mehrschichtigem Verbundsicherheitsglas hergestellt, um eine ausreichende Robustheit zu erreichen und darüber hinaus einen alternativen Lastpfad für den Fall des Einsturzes eines gesamten Glaselements zu gewährleisten. Zusätzlich zu CEN/TS 19100-2 (2021) werden in CEN/TS 19100-3 (2021) weitere Hinweise zu den erhöhten Anforderungen an die theoretische und experimentelle Bewertung gegeben.

Es ist zu beachten, dass potenziell zerstörende Bauteilprüfungen häufig nicht im Gebäude selbst durchgeführt werden können, da das verbleibende Bauteil dann vorgeschädigt und nur schwer auszutauschen wäre. Aus diesem Grund werden solche zerstörenden Bauteilprüfungen typischerweise an einem anderen Ort (z. B. in einem Labor oder einer Werkstatt) an speziell vorbereiteten, zusätzlichen Prüfkörpern durchgeführt. In einigen Sonderfällen erlaubt CEN/TS 19100-3 (2021) jedoch auch die Verifizierung in FLS und PFLS ohne Prüfung.

Neben der Lasteinleitung an den Kanten der Bauteile, die neben grundlegenden Nachweisformeln eher konstruktiv gelöst werden muss, werden Regeln für die Beurteilung der Stabilität sowohl im intakten als auch im gebrochenen Zustand angegeben, was bei der Bemessung und für die Konstruktion von besonderer Bedeutung ist Dimensionierung von Glasbauteilen. Wenn beispielsweise Glasscheiben (Glasplatten) in der Ebene belastet werden, können sie aufgrund einer Verformung außerhalb der Ebene (Biegeknicken (Langosch und Feldmann 2016), Biegedrillknicken (Luible und Crisinel 2004; Kasper et al.) versagen. 2007; Amadio und Bedon 2011) oder Plattenknicken (Luible und Crisinel 2005)), abhängig vom Grad der Schlankheit, geometrischen Unvollkommenheiten (Belis et al. 2011) und Randbedingungen, oder Teilbruch.

Teil 3 enthält Regeln für die äquivalente Imperfektion, die bei der Überprüfung solcher Komponenten unter Belastung in der Ebene für die auftretenden Stabilitätsphänomene zu verwenden ist. Die äquivalenten geometrischen Imperfektionen sollten an der größten Ordinate der Eigenmodenverformung in Bezug auf die Krümmung aufgetragen werden, Abb. 19. Zusätzlich zu den Imperfektionswerten des Bauteils selbst müssen auch Installationsimperfektionswerte berücksichtigt werden, die von der Ebene abweichen können Ausführungskontrolle.

In der zukünftigen Eurocode-Version erwarten wir für solche Fälle konsistente Beulkurven, die für einfache Fälle den FEM-Nachweis überflüssig machen und damit die Stabilitätsnachweise erleichtern, Abschn. 4 dieses Artikels.

Darüber hinaus werden für thermisch vorgespanntes Glas Regelungen zur Berücksichtigung der Sicherheit für den Fall gegeben, dass eine Glasscheibe, aus welchen Gründen auch immer, plötzlich bricht und im verbleibenden intakten Querschnitt eine kurzfristige spannungserhöhende Stoßwirkung induziert wird.

Aber nicht nur die Kunst der Konstruktion und Dimensionierung der Komponenten selbst wird in der Norm behandelt. Zum Repertoire eines erfahrenen Designers gehört es auch, die Verbindungen zu und zwischen strukturellen Glaselementen fachgerecht zu gestalten. Bei in der Ebene belasteten Elementen wurde die Verbindung solcher aus Glas bestehenden Komponenten bis vor Kurzem kaum thematisiert. Diese Situation hat sich durch weitere Forschungsarbeiten geändert (Baitinger und Feldmann 2010; Nielsen et al. 2010; Watson et al. 2013).

Aus diesem Grund wurde die Bemessung von „Sonderverbindungen“ in Teil 3 der CEN/TS 19100 aufgenommen. „Sonderverbindungen“ sind solche, die die Übertragung von Schnittgrößen in der Glasebene von einem Glasbauteil auf das andere ermöglichen . Zu diesen Methoden zählen die Verbindung mit Bolzen auf Scherung, Klebeverbindungen oder Klemmverbindungen mit Reibung zur Schubübertragung und sollten nicht mit „normalen“ Halterungen wie Punktbefestigungen (Graf et al. 2004) verwechselt werden, die im CEN behandelt werden /TS 19100-2 (2021). Vereinfacht ausgedrückt wird empfohlen, solche Verbindungssysteme mit Hilfe der FEA (Finite-Elemente-Analyse) zu entwerfen und zu verifizieren. Für einige Konfigurationen bietet CEN/TS 19100 – 3 jedoch analytische Entwurfsmethoden, die eine schnelle Überprüfung des strukturellen Layouts ermöglichen, Abb . 18,zusätzlich zu Baudetaillierungsempfehlungen.

3.6 Probleme mit der Wartungsfreundlichkeit

Während es in manchen Ländern und in einigen anderen Branchen üblich ist, Grenzwerte für Verformungen aus einer Berechnungsspezifikation auszuschließen, wurden solche Grenzwerte aus gutem Grund in die CEN/TS aufgenommen. Tatsächlich kann der Grenzwert für die Verformung bei Glasprodukten je nach Art der vorhandenen Glaskomponente unterschiedlich sein. Dieses Problem ist bei Glas aus Gründen des Komforts und der Ästhetik sowie der funktionellen Durchbiegungsgrenzen stärker ausgeprägt als bei anderen Baumaterialien (Abb. 19). Beispielsweise sind die Verformungsgrenzen von Isolierglaseinheiten vorhanden, um die Luftdichtheit des Hohlraums zu gewährleisten, die eine funktionale Anforderung ist, Abb. 20.

Eine übermäßige Durchbiegung kann auch dazu führen, dass sich verglaste Produkte von ihren Trägern lösen, was wiederum eine Anforderung ist, die sich auf die ULS (Tragfähigkeit) auswirkt. Aus diesem Grund ist ein ausreichend großer Glasbiss erforderlich, der in der CEN/TS geregelt ist. Zusätzlich zu diesen spezifischen Grenzwerten, Abb. 21, wurden vereinfachte Regeln für eine schnelle Entwurfsprüfung bereitgestellt. Darüber hinaus sind im Anhang B von Teil 2 der CEN/TS 19100 Regeln zur Berechnung und Ermittlung von Grenzwerten für zulässige Schwingungsfrequenzen (Dynamik) enthalten.

3.7 Teil 4 von CEN/TS 19100

Teil 4 von CEN/TS 19100 ist eine Besonderheit, die diese Normenreihe von den „klassischen“ technischen Entwurfsfragen im Zusammenhang mit Berechnung oder Prüfung unterscheidet. Wie in seinem Anwendungsbereich definiert, soll Teil 4 als Leitfaden für die Entwicklung oder Verbesserung von Regeln dienen, die bei der Auswahl des geeigneten verglasten Produkts zum Schutz vor Verletzungen und Stürzen helfen sollen. Diese Regeln können als Spezifikationen angesehen werden, die nationale Vorschriften, nationale Normen, Empfehlungen eines Berufsverbands, Anforderungen für ein bestimmtes Projekt usw. umfassen können. Daher enthält Teil 4 auch einen speziellen Abschnitt, der Vorschläge für einen möglichen Inhalt solcher Spezifikationen enthält. Teil 4 befasst sich mit der Sicherheit von Personen bei der Betrachtung.

Der Rat unterscheidet zwischen vertikaler und nicht vertikaler Verglasung, Funktion, kritischen Zonen, Art des Glaselements, Glasart und -abmessungen des Glaselements, Art der Befestigung, Anordnung und Geometrie der umgebenden Struktur, Art der Kollision oder des Sturzes, Verletzungsfolgen usw. Abbildung 2 gibt einen Überblick über grundlegende europäische Normen, die bereits existieren, z. B. DIN 18008 (2020), FD DTU 39 P5 (2017) oder NBN S23-002 (2020).

Darüber hinaus enthält Teil 4 drei Anhänge. Anhang A schlägt Bereiche geometrischer Abmessungen und Umgebungsgeometrien vor, innerhalb derer das Verletzungsrisiko als akzeptabel angesehen wird. Anhang B befasst sich mit Empfehlungen zur Auswahl des Glastyps und Anhang C gibt mögliche Hinweise für die Gestaltung von Schutzeinrichtungen (siehe Beispiele in Abb. 22). Alle Anhänge sind informativ.

Eine Umwandlung des Teils 4 in einen Eurocode ist derzeit nicht vorgesehen, da dessen Inhalt im Sinne von „Sicherheit und Barrierefreiheit im Einsatz“ zu verstehen ist – Fragestellungen (Grundanforderung 4 an Bauwerke der Bauproduktenverordnung). (HLW)). Der Gegenstand von Teil 4 umfasst nicht „Mechanische Festigkeit und Stabilität“ (Grundanforderung 1 für Bauwerke der CPR), wie dies für die anderen Teile der CEN/TS der Fall ist. Fragen im Zusammenhang mit der „Sicherheit im Gebrauch“ lassen sich aufgrund der Vielfalt der in den einzelnen Ländern Europas verwendeten Rechtssysteme nur schwer in einen Eurocode einbeziehen. Aus diesem Grund wurde entschieden, dass diese Art der Regulierung sowohl jetzt als auch in Zukunft im Status von Empfehlungen, also einem CEN/TS, belassen werden sollte.

Abschließend muss berücksichtigt werden, dass die Wahl des Glastyps in der Regel einer der ersten Entwurfsschritte ist und eine Aufgabe ist, die in enger Zusammenarbeit mit dem Architekten durchgeführt werden sollte. Aus diesem Grund sind die in Teil 4 der CEN/TS enthaltenen Themen besonders wichtig – vielleicht sogar wichtiger, als man auf den ersten Blick vermuten würde.

3.8 Verbleibende Elemente zum Eurocode

Es war immer die Absicht, dass die CEN/TS im gleichen Stil und mit dem gleichen Inhalt wie eine EN-Norm verfasst werden. Aus diesem Grund wird die Eurocode-Version der CEN/TS sehr ähnlich sein. Dennoch sind einige Überarbeitungen und Ergänzungen zu erwarten. Solche Überarbeitungen und Ergänzungen, sei es auf der Grundlage von Erkenntnissen aus Anwendungen in der Testphase oder auf der Grundlage von Punkten, die das Komitee CEN/TC250/SC11 bereits selbst identifiziert hat, werden voraussichtlich Folgendes umfassen:

Es ist wahrscheinlich, dass weitere Überarbeitungen und Themen einbezogen werden. Selbstverständlich werden sich abzeichnende Weiterentwicklungen und Verbesserungen, wie auch bei anderen europäischen Normen (EN), nach Fertigstellung des Eurocodes kodifiziert und durch entsprechende Änderungen aufgegriffen. Zu diesem Zweck hat CEN/TC 250 eine spezielle „systematische Überprüfung“ für alle Eurocodes bereitgestellt. Im folgenden Abschnitt wird ein grober Zeitplan für die zukünftige Arbeit bis zur Verfügbarkeit der Norm als Eurocode dargelegt.

Dieses Papier bietet einen historischen Überblick über die Konzeptualisierung der Technischen Spezifikation CEN/TS 19100 Teil 1 bis 4 und fasst einige der wichtigsten Regeln und technischen Hintergrund des Codes zusammen. Die Struktur und Kompatibilität des neuen CEN/TS mit den anderen Normen der Eurocode-Reihe wurde erläutert, einschließlich der Relevanz für EN 1990 (2010) sowie der Beziehung zu europäischen Produktnormen. Darüber hinaus zeigt der Artikel die Notwendigkeit von Grenzzustandsbetrachtungen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf intakte Zustände, auf und wie diese in die europäische Normung einbezogen werden können.

Die meisten relevanten technischen Designthemen und Anforderungen für die Normung in modernen Glaskonstruktionen werden in CEN/TS 19100 behandelt. Einige werden jedoch derzeit noch geprüft und sollen voraussichtlich in den zukünftigen Eurocode aufgenommen werden.

Die CEN/TS 19100 ist für den Versuchseinsatz im Glasdesign vorgesehen. Das Feedback der Industrie und der Design-Community wird dazu beitragen, das Dokument bei seiner Umwandlung in einen Eurocode zu verbessern. Hierzu sind die entsprechenden technischen Arbeiten im Gange und die Themen, die im Komitee CEN/TC250/SC11 noch diskutiert werden, wurden zusammengefasst.

Es wird erwartet, dass die hier beschriebenen technischen Arbeiten bis Ende 2023 abgeschlossen sein werden, so dass die Vorbereitung der Anfragephase wie geplant im Jahr 2024 beginnen kann. Nach Einarbeitung der Kommentare aus den Ländern, weiteren Formalitäten und Übersetzungsarbeiten sowie nach Formal Wir sind zuversichtlich, dass der Eurocode im Jahr 2026 veröffentlicht wird. Dann liegt es in der Verantwortung der europäischen Länder, ihre National Application Documents (NADs) zu erstellen, um sicherzustellen, dass einer Rücknahme der jeweiligen nationalen Normen nichts im Wege steht .

Die Datenfreigabe ist auf diesen Artikel nicht anwendbar, da während der aktuellen Studie keine Datensätze generiert oder analysiert wurden.

Die Autoren möchten der Europäischen Kommission und CEN/TC 250 ihren aufrichtigen Dank für ihr Vertrauen in die Erstellung von CEN/TS 19100 im Rahmen des Mandats M/515 aussprechen, insbesondere für ihre finanzielle Unterstützung. Darüber hinaus ist den folgenden Personen für ihre wertvollen Beiträge in den Diskussionen, die zur Erstellung von CEN/TS geführt haben, zu danken (in alphabetischer Reihenfolge): Mascha Baitinger (Contura Ingenieure, Mainz); Luigi Biolzi (Politecnico Milano); John Colvin (Shelmersdale); Graham Dodd (ARUP, London); Michel Dubru (Glass for Europe, Louvain-la-Neuve); Jo Joosten (kenniscentrum glas, Gouda); Ron Kruijs (Glasimpex Schiedam); Nils Landa (Bolseth Glass, Sandane); Peter Lenk (ARUP, London); Andreas Luible (Hochschule Luzern); Kent Persson (Universität Lund); Vlatka Rajcic (Universität Zagreb); Paolo Rigone (Politecnico Milano); Daniela Schön (DIN, Berlin); Wim Stevels (Eastman Chemical Company, Den Haag); Panu-Visum (Lumon, Kouvola); Norbert Wruk (Pilkington, Köln); Anke Zillmann (DIBt, Berlin).

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL.

Korrespondierender Autor

Korrespondenz mit Maximilian Laurs.

Interessenkonflikt

Im Namen aller Autoren erklärt der korrespondierende Autor, dass kein Interessenkonflikt besteht.