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DE10017697C2 - Thermisch hochbelastbare Verglasung mit einem Glaskörper - Google Patents

Thermisch hochbelastbare Verglasung mit einem Glaskörper

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DE10017697C2
DE10017697C2 DE10017697A DE10017697A DE10017697C2 DE 10017697 C2 DE10017697 C2 DE 10017697C2 DE 10017697 A DE10017697 A DE 10017697A DE 10017697 A DE10017697 A DE 10017697A DE 10017697 C2 DE10017697 C2 DE 10017697C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine thermisch hochbelastbare Verglasung, insbesondere für Brandschutzverglasung mit einem Glaskörper.
Brandschutzverglasungen müssen einschließlich Rahmen und Halterungen entsprechend den Feuerwiderstandsklassen einer Temperaturbelastung nach der Einheitstemperaturzeitkurve (ETK) gemäß der DIN 4102 (bzw. ISO 834) zwischen 30 Minuten bis zu 180 Minuten lang widerstehen und dabei den Durchtritt von Feuer und Rauch verhindern.
Darüber hinaus werden an Gebäudeverglasungen oftmals zusätzliche Anforderungen gestellt. So müssen z. B. Verglasungen in Türen neben dem Brandschutz auch die Sicherheit der Benutzer gewährleisten. Dazu müssen die Verglasungen die Anforderungen der einschlägigen Sicherheitsglasnormen (z. B. Einscheibensicherheitsglas DIN 1249, Teil 12) erfüllen.
Bei bekannten Brandschutzverglasungen werden diese Anforderungen auf unterschiedliche Art und Weise gelöst, wobei jedoch alle bekannten Systeme spezifische Nachteile besitzen.
So sind z. B. Brandschutzverglasungen bekannt (DE 38 17 240 A1), bei denen vorgespannte Gläser (Kalk/Natron- oder Borosilicatgläser) in entsprechender Dicke verwendet werden. Dies sind z. B. Kalk-/Natrongläser in den Dicken 6- 15 mm für Feuerwiderstandszeiten 30 oder 60 Minuten oder Bososilicatgläser in den Dicken 5-8 mm für Feuerwiderstandszeiten von 30 bis 120 Minuten. Diese vorgespannten Gläser haben jedoch den Nachteil, daß sie während der bei einer Brandbelastung nach ETK auftretenden Temperaturbelastung zu einem relativ frühen Zeitpunkt (vor der 60. Minute) ihre Erweichungstemperatur überschreiten und die zuvor festen, elastischen Gläser in einen niedrig-viskosen, plastischen Zustand übergehen. Durch die DE 43 31 082 C1 ist es dabei bekannt, die Kalk-/Natronglasscheibe vor ihrer Vorspannung mit einer TiO2 oder ZrO2 Schicht zu versehen, die von einer SiO2-Schicht überdeckt ist und die im Brandfall die physikalischen Eigenschaften des Glases verändert und die Scheibe aussteift.
Das Erreichen von hohen Feuerwiderstandszeiten hängt jedoch in erster Linie ab vom Erweichen der Gläser (Erweichungstemperatur). Weitere Einflussfaktoren sind die Scheibengröße, die Scheibendicke und die Breite der Randabdeckung sowie die Haltekräfte der Scheibe und auch die Beschaffenheit der Rahmen (Material).
Je breiter z. B. die Randabdeckung der Scheibe bei den vorgenannten Gläsern ist, desto länger wird ein Herausrutschen der Gläser aus dem Randbereich verhindert, wenn die Gläser im Verlaufe der Brandbelastung ihre Erweichungstemperatur erreicht haben.
Gleichzeitig ist jedoch die Breite des abgedeckten Randbereichs ein sehr stark bestimmender Faktor für die Höhe der bei der Brandbelastung zwischen heißer (freistehender) Scheibenmitte und kaltem (abgedecktem) Scheibenrand entstehenden Wärmespannungen.
Überschreiten die in der Aufheizphase entstehenden thermisch bedingten Spannungen, einschließlich der durch andere Ursachen wie z. B. Rahmenverbiegung hinzukommenden Spannungen, die Festigkeit des Glases, so kommt es unweigerlich zum Bruch der Glasscheibe und somit zum vollkommenen Verlust der Schutzwirkung der Brandschutzverglasung. Daher ist es nicht ohne weiteres möglich, die Randabdeckung der Scheiben beliebig groß zu wählen, um eine möglichst hohe Feuerwiderstandszeit zu erreichen. Zur Erreichung dieser höheren Feuerwiderstandsklassen können andere, ergänzende Maßnahmen dienen, z. B. Verringerung der Scheibengröße oder in geringem Maße die Erhöhung der Scheibendicke oder die Anpressung der Scheibe im Randbereich des Rahmensystems durch unter entsprechender Vorpressung stehender Glashalteleisten oder durch ein expandierendes Dichtungsband.
Eine andere Art von Brandschutzverglasungen verwendet zur Erreichung von hohen Feuerwiderstandszeiten (< 60 Minuten) mit Kalk-/Natrongläsern sogenannte Mehrschichtverbundglassysteme. Diese Systeme bestehen gewöhnlich aus mehreren Kalk-/Natronglasscheiben (z. T. auch vorgespannt) mit dazwischenliegenden Hitzeabsorptionsschichten. Diese Verbundgläser haben jedoch den Nachteil, daß sie zur Erreichung höherer Feuerwiderstandsklassen sehr viele Schichten aus Glas und Hitzeabsorptionsschichten aufweisen müssen. Dadurch sind diese Verbundgläser in der Herstellung sehr aufwendig und damit teuer. Außerdem weisen solche Gläser eine große Dicke und damit ein sehr hohes Gewicht und damit verbunden aufwendige Rahmensysteme auf. Dadurch verteuern sich auch die Rahmenkonstruktionen zum Einbau solcher Gläser.
Vergleichbares gilt für die Verbund-Brandschutzplatte nach der EP 0 524 418 B1.
Eine weitere bekannte Brandschutzverglasung, z. B. eine solche gemäß "Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-19.14-546", beschreibt die Verwendung von Scheiben aus Glaskeramik.
Scheiben aus diesem Material haben den Vorteil, daß sie erst bei sehr viel höheren Temperaturen erweichen. Diese Temperaturen werden bei einer Brandbelastung nach ETK erst nach sehr viel längerer Zeit erreicht, so daß die Scheiben aus Glaskeramik nicht oder allenfalls nur wenig erweichen. Dies hat zur Folge, daß diese Scheiben nur in sehr geringem Maße zum Herausrutschen aus dem Rahmensystem neigen und daher sehr hohe Feuerwiderstandszeiten erreicht werden können.
Der Nachteil dieser Brandschutzverglasungen aus Glaskeramik liegt darin, daß die entsprechenden Scheiben aus Glaskeramik im Vergleich zu vorgespannten Scheiben eine nur geringe Festigkeit aufweisen und daher empfindlich auf die bei einer Brandbelastung auftretenden Verbiegungen der Rahmensysteme reagieren. Solche Scheiben können insbesondere nur in solchen Rahmensystemen verwendet werden, welche eine sehr hohe Stabilität und geringe Verbiegung im Brandfalle aufweisen (z. B. spezielle dickwandige oder isolierte Stahl- oder Betonprofile).
Des weiteren können solche Glaskeramik-Scheiben (z. B. nach DIN EN 1748, Teil 2) wegen ihrer fehlenden Vorspannung nicht ohne weiteres die z. B. nach DIN 1249, Teil 12 verlangten Anforderungen an Einscheibensicherheitsgläser erfüllen. Um mit solchen Scheiben aus Glaskeramik die an Sicherheitsgläser gestellten Anforderungen zu erfüllen, müssen z. B. mehrere dieser nicht vorgespannten Glaskeramik-Scheiben mit geeigneten Zwischenschichten zu Verbundsicherheitsgläsern verbunden werden, wie sie z. B. in der EP 0 581 620 A1 beschrieben werden. Diese Zwischenschichten bestehen jedoch typischerweise aus hochzähen Kunststoffmaterialien, welche das Verhalten solcher Verbundsicherheitsgläser im Brandfalle durch ihre leichte Entzündbarkeit negativ beeinflussen können.
Neben Brandschutzverglasungen gibt es weitere Anwendungsgebiete, die einen thermisch hochbelastbaren Glaskörper benötigen. Für diese Anwendungen gilt entsprechendes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermisch hochbelastbare Verglasung mit einem Glaskörper zu schaffen, der die Vorteile der Glaskeramik zur Erreichung hoher Standzeiten im Belastungsfall mit den Vorteilen von vorgespannten Gläsern zur Erfüllung der Sicherheitsglasanforderungen kombiniert, ohne daß die Nachteile dieser Gläser auftreten.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung durch eine thermisch hochbelastbare Verglasung mit einem Glaskörper, der in der Zusammensetzung als Hauptbestandteile (in Gew.-% auf Oxidbasis)
55-69% SiO2
19-25% Al2O3
3,2-5,0% Li2O
und Zusätze von bei der Keramisierung von Glas üblichen Keimbildnern für die Ausbildung von kristallinen Strukturen im Glaskörper bei auftretender thermischer Hochbelastung der Verglasung enthält.
Die nach der Erfindung ausgebildete thermisch hochbelastbare Verglasung mit dem speziellen Glaskörper ist ohne weitere mechanische Zusatzmaßnahmen thermisch hochbelastbar. Diese thermisch hohe Belastbarkeit beruht darauf, daß der die Verglasung bildende Glaskörper aufgrund seiner Zusammensetzung während der thermischen Belastung eine Keramisierung erfährt.
Zusätzlich zu dem das Glas bildenden Bestandteilen sind nämlich in diesem die Verglasung bildenden Glaskörper bereits die erforderlichen "Keimbildner" enthalten, welche es dem Glas gestatten, sich bei entsprechender Temperatureinwirkung (z. B. bei einer Brandbelastung nach ETK) ganz oder teilweise zu einer Glaskeramik umzuwandeln. Diese, bei zunehmender Temperatureinwirkung stärker fortschreitende Umwandlung des Glases in eine ganz oder teilweise transparente Glaskeramik hat den Vorteil, daß diese Glaskeramik durch ihre sehr hohe Erweichungstemperatur nicht zum frühzeitigen Herausrutschen aus dem Rahmen neigt.
Dieser Effekt soll nachstehend vergleichend am Beispiel einer Brandprüfung nach DIN 4102, bei der Glasscheiben einer vorgegebenen Temperatur-/Zeitbeanspruchung, der sogenannten ETK (Einheits Temperatur­ zeit-Kurve), unterzogen werden, verdeutlicht werden.
Dabei erreichen die Temperaturen im Ofenraum nachstehend aufgeführte Werte:
nach 30 Minuten ca. 841°C,
nach 45 Minuten ca. 902°C,
nach 60 Minuten ca. 945°C,
nach 90 Minuten ca. 1005°C,
nach 120 Minuten ca. 1049°C,
nach 180 Minuten ca. 1109°C.
Die Temperaturen der einer solchen Brandbelastung unterzogenen Glasscheiben liegen auf der dem Feuer ausgesetzten Seite im allgemeinen um ca. 50-100 K niedriger als die Ofenraumtemperaturen und auf der dem Feuer abgekehrten Seite nochmals um ca. 50-100 K niedriger.
Durch diese unterschiedlichen Temperaturen wird der Erweichungspunkt der eingesetzten Gläser nicht gleichmäßig im gesamten Volumen der Scheiben erreicht, sondern die Glasscheiben erweichen in Schichten nacheinander von der feuerzugekehrten Seite beginnend zur feuerabgekehrten Seite.
Sind die für die Erweichung der Gläser kritischen Temperaturen durchgängig erreicht, so beginnen die herkömmlichen Glasscheiben mit ihren Rändern langsam aus dem Rahmen herauszugleiten. Mit zunehmender Durchwärmung der Scheiben verstärkt sich die Erweichung und damit dieser Gleit- bzw. Rutschvorgang, so daß die Scheiben nach einer gewissen Zeit mit ihren Rändern vollständig aus dem Rahmen herausrutschen.
Bei den erfindungsgemäßen Glasscheiben beginnt im Gegensatz dazu eine Teilkeramisierung der Glasscheiben auf der feuerzugekehrten Seite bereits, bevor die Erweichung des Glases die feuerabgekehrte Seite erreicht hat. Während auf der feuerzugekehrten Seite der Glasscheibe bereits eine Hochquarz-Mischkristalle enthaltene Schicht aufgebaut wird, bleibt die feuerabgekehrte Seite zunächst weitgehend glasig, und es kann somit die mit der teilweisen Kristallisation verbundene Volumenkontraktion thermisch abgebaut werden. Dadurch wird die Scheibe in ihrer Gesamtheit stabilisiert und verfestigt. Durch die mit zunehmender Temperaturbeanspruchung weiter zunehmende Keramisierung der Scheibe bleibt diese Stabilität praktisch über die gesamte Dauer der Brandbelastung bestehen, so daß mit solchen Glasscheiben sehr hohe Feuerwiderstandszeiten (< 120 Minuten) zu erreichen sind, ohne die Glasdicke von z. B. 5 mm erhöhen zu müssen oder die Glasgröße verringern zu müssen und ohne daß besondere Anpressmaßnahmen am Scheibenrand notwendig sind.
Eine mit den erfindungsgemäßen Glasscheiben ausgestattete Brandschutzverglasung erfüllt daher bereits mit Einfachglasscheiben die Anforderungen an die Feuerwiderstandszeit von über 120 Minuten in geringen Glasdicken von z. B. 5 mm, gegenüber z. B. 8 mm Glasdicke bei Verwendung von speziellen Borosilicatglasscheiben.
Anforderungen an die Feuerwiderstandsfähigkeit von mehr als 60 Minuten mit Kalk-/Natrongläsern sind dagegen nach dem derzeitigen Stand der Technik mit Einfachglasscheiben gar nicht oder nur mit sehr kleinen Scheiben erreichbar, auch nicht mit solchen von großer Dicke (z. B. 15 mm). Dazu ist es notwendig, mehrere solcher Kalk-/Natrongläser mit hitzeisolierenden Zwischenschichten zu verbinden.
Besondere Vorteile hinsichtlich der thermischen Belastbarkeit und weiterer Eigenschaften des die erfindungsgemäße Verglasung bildenden Glaskörpers werden erzielt, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die Zusammensetzung ferner mindestens einen der folgenden Hauptbestandteile (in Gew.-% auf Oxidbasis) enthält:
jeweils bis zu
1,5% Na2O
1,5% K2O
2,2% MgO
2,5% ZrO2
1,5% CaO
1,5% SrO
2,5% BaO
1,5% ZnO
3,0% P2O5
1,0-5,0% TiO2
< 1,0% SnO2
bis zu 2,0% ΣNa2O + K2O, und
2,5-5,0% ΣTiO2 + ZrO2 + SnO2sowie ggf. übliche Läutermittel.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist dieser Glaskörper, insbesondere wenn er die Form einer Glasplatte oder Glasscheibe hat, vorgespannt, vorzugsweise thermisch. Denn die chemische Zusammensetzung des Glasgemenges des Glaskörpers ist so gewählt, daß das nach dem Schmelzen mit in der Glasindustrie üblichen Formgebungsverfahren (z. B. Ziehen, Gießen, Walzen oder Floaten) hergestellte Glas, die notwendigen, physikalischen Eigenschaften hat, um auf herkömmlichen bzw. modifizierten Luftvorspannanlagen zu Einscheibensicherheitsglas vorgespannt zu werden.
Damit erfüllen die Glasscheiben der erfindungsgemäßen Verglasung auch alle Anforderungen, welche in der täglichen Gebrauchsnutzung, z. B. in Türen, an ein sogenanntes Einscheibensicherheitsglas gestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Feuerwiderstandsfähigkeit des Glaskörpers erhöht werden, wenn er mit einer Metalloxidbeschichtung versehen ist.
Vorzugsweise ist der Glaskörper mit einer Bedruckung versehen. Dadurch kann erreicht werden, daß bei einer teilweisen Bedruckung architektonische und/oder Sicherheitsanforderungen (z. B. zur besseren Erkennbarkeit des Glaskörpers in Türen) erfüllt werden und/oder bei einer vollflächigen Bedruckung mit geeigneten Farben das Erwärmungs- und dadurch das Keramisierungsverhalten des Glaskörpers verbessert wird.
Wenngleich der Glaskörper der erfindungsgemäßen Verglasung bereits als Einscheibenglaskörper eine signifikante Feuerwiderstandsfähigkeit hat, so kann diese gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung noch gesteigert werden, wenn er mittels einer oder mehrerer Kunststoffschichten mit einem oder mehreren anderen Glaskörpern zu einem Verbundglas verbunden ist.
Dabei kann mit Vorteil die Kunststoffschicht durch eine handelsübliche PVB-Folie gebildet werden.
Die weiteren Glaskörper des vorgenannten Verbundglaskörpers können sämtlich oder teilweise eine Zusammensetzung entsprechend dem erfindungsgemäßen Glaskörper aufweisen. Sie können jedoch auch sämtlich oder teilweise aus einem Glasmaterial anderer Zusammensetzung bestehen, z. B. einem vorgespannten Kalk-Natronglas oder Borosilicatglas oder aus einer Glaskeramik.
Der Glaskörper der erfindungsgemäßen Verglasung kann, je nach Anwendungszweck, unterschiedliche Formen haben. Typischerweise besitzt er die Form einer Glasplatte oder Glasscheibe.
Anhand von zwei Beispielen soll nunmehr die Erfindung näher spezifiziert werden.
Beispiel 1
4 Flachglasscheiben aus dem Basisglas für eine kommerziell erhältliche Glaskeramik der Dicke 5 mm in dem Format 500 mm × 500 mm wurden in Stahlrahmen mit einem Randeinstand von 15 mm eingebaut und Brandversuchen unterzogen. Das Glas hatte folgende Hauptbestandteile (Angaben in Gew.-% auf Oxidbasis):
65% SiO2
22% Al2O3
3,6% Li2O
2,3% TiO2
1,6% ZrO2.
Die Scheiben wurden in einer Luftvorspannanlage bei Glastemperaturen von ca. 810°C soweit vorgespannt, daß sie die Sicherheitsglasanforderungen der DIN 1249, Teil 12 hinsichtlich Biegezugfestigkeit und Bruchbild voll erfüllten.
Die Standzeit dieser Verglasungen im Brandversuch nach der ETK der DIN 4102 Teil 13 war größer als 120 Minuten.
Beispiel 2
Zwei Flachglasscheiben aus dem Basisglas nach Beispiel 1 der Dicke 5 mm in dem Format 1100 mm × 2200 mm wurden in Stahlrahmen mit einem Randeinstand von 15 mm eingebaut und Brandversuchen unterzogen. Das Glas hatte folgende Hauptbestandteile (in Gew.-% auf Oxidbasis):
64,4% SiO2
22,0% Al2O3
3,7% Li2O
2,4% TiO2
1,7% ZrO2.
Die Glasscheiben wurden in einer Luftvorspannanlage bei Glastemperaturen von ca. 800°C soweit vorgespannt, daß sie die Sicherheitsglasanforderungen der DIN 1249, Teil 12 hinsichtlich Biegezugfestigkeit und Bruchbild voll erfüllten.
Die Standzeit dieser Verglasungen im Brandversuch nach der ETK der DIN 4102 Teil 13 war größer als 120 Minuten.

Claims (11)

1. Thermisch hochbelastbare Verglasung, insbesondere Brandschutzverglasung mit einem Glaskörper, der in der Zusammensetzung als Hauptbestandteile (in Gew.-% auf Oxidbasis)
55-69% SiO2
19-25% Al2O3
3,2-5,0% Li2O
und Zusätze von bei der Keramisierung von Glas üblichen Keimbildnern für die Ausbildung von kristallinen Strukturen im Glaskörper bei thermischer auftretender Hochbelastung der Verglasung enthält.
2. Verglasung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Glaskörpers ferner mindestens einen der folgenden Hauptbestandteile (in Gew.-% auf Oxidbasis) enthält:
jeweils bis zu
1,5% Na2O
1,5% K2O
2,2% MgO
2,5% ZrO2
1,5% CaO
1,5% SrO
2,5% BaO
1,5% ZnO
3,0% P2O5
1,0-5,0% TiO2
< 1,0% SnO2
bis zu 2,0% ΣNa2O + K2O, und
2,5-5,0% ΣTiO2 + ZrO2 + SnO2
sowie ggf. übliche Läutermittel.
3. Verglasung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper vorzugsweise thermisch vorgespannt ist.
4. Verglasung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper mit einer Metalloxidbeschichtung versehen ist.
5. Verglasung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper mit einer Bedruckung versehen ist.
6. Verglasung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper mittels einer oder mehrerer Kunststoffschichten mit einem oder mehreren anderen Glaskörpern zu einem Verbundglas verbunden ist.
7. Verglasung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht durch eine handelsübliche PVB-Folie gebildet ist.
8. Verglasung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Glaskörper eine Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 aufweisen.
9. Verglasung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Glaskörper aus einem Glasmaterial anderer Zusammensetzung als in den Ansprüchen 1 oder 2 gekennzeichnet bestehen.
10. Verglasung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Glaskörper aus Natronglas nach DIN EN 572 oder Borosilicatglas nach DIN EN 1748-1 oder Glaskeramik nach DIN EN 1748-2 bestehen.
11. Verglasung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper die Form einer Glasplatte oder Glasscheibe besitzt.
DE10017697A 2000-04-08 2000-04-08 Thermisch hochbelastbare Verglasung mit einem Glaskörper Expired - Fee Related DE10017697C2 (de)

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