DE19710289C1 - Feuerwiderstandsfähige Verglasung - Google Patents
Feuerwiderstandsfähige VerglasungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine feuerwiderstandsfähige
Verglasung der Feuerwiderstandsklassen G aus einer mit
einer üblichen Vorspannanlage mit Luftabschreckung
thermisch vorgespannten Silikatglasscheibe mit
Sicherheitsglaseigenschaften.
Feuerwiderstandsfähige Verglasungen der
Feuerwiderstandsklassen G müssen einschließlich ihrer
Rahmen und Halterungen beim Brandversuch nach DIN 4102 bzw.
ISO/DIS 834-1 für eine bestimmte Zeitdauer dem Durchtritt
von Feuer und Rauch widerstehen. Die Glasscheiben dürfen
während dieser Zeitdauer weder unter dem Einfluß der
Spannungen, die durch den Temperaturgradienten zwischen der
Scheibenfläche und dem eingespannten Rand entstehen,
zerspringen, noch dürfen sie während dieser Zeit ihren
Erweichungspunkt überschreiten, da sie sonst ihre
Standfestigkeit verlieren und dadurch die Öffnung
freigeben. Entsprechend der Zeitdauer in Minuten, während
der sie dem Feuer widerstehen, werden sie den
Feuerwiderstandsklassen G 30, G 60, G 90 oder G 120
zugeordnet.
Feuerwiderstandsfähige Glasscheiben sind üblicherweise in
Rahmen gehalten, die den Rand der Glasscheiben gegen die
Hitzeeinwirkung mehr oder weniger abschirmen. Der dadurch
entstehende Temperaturgradient zwischen der Scheibenmitte
und dem Rand führt zu erheblichen Zugspannungen im
Randbereich und zu einer Zerstörung der Glasscheiben, wenn
nicht besondere Maßnahmen zur Kompensation dieser
Zugspannungen getroffen werden. Diese Maßnahmen bestehen in
einer thermischen Vorspannung der Glasscheiben, durch die
im Randbereich starke Druckvorspannungen erzeugt werden.
Durch die thermische Vorspannung können der Glasscheibe
zusätzlich Sicherheitsglaseigenschaften verliehen werden,
wenn die Vorspannung so erfolgt, daß die Glasscheibe beim
Bruch in kleine Krümel zerfällt.
Die Höhe der Vorspannungen in der Scheibenfläche und im
Randbereich läßt sich grundsätzlich spannungsoptisch
messen. Die spannungsoptische Messung ist jedoch
verhältnismäßig aufwendig. In der Praxis ist man daher dazu
übergegangen, den Vorspannungszustand über die durch die
Vorspannung erreichte Biegezugfestigkeit entsprechend
DIN 52303 bzw. EN 12150 zu bestimmen. Dabei hat sich
empirisch gezeigt, daß es erforderlich ist, eine
Biegezugfestigkeit von wenigstens 120 N/mm2 zu erzeugen,
wenn die Glasscheibe den durch den Temperaturgradienten
entstehenden Zugspannungen am Rand standhalten soll. Da
nicht vorgespannte Glasscheiben eine Grund-Biegezugfestigkeit
von etwa 50 N/mm2 aufweisen, bedeutet
das, daß es notwendig ist, durch die Vorspannung die
Biegezugfestigkeit um wenigstens 70 N/mm2 zu erhöhen. Diese
Erhöhung der Biegezugfestigkeit entspricht in ihrem
Zahlenwert unmittelbar der Höhe der
Oberflächendruckvorspannungen.
Eine weitere Erhöhung der Feuerwiderstandsdauer läßt sich
durch Erhöhung der Einstandstiefe der Glasscheibe im Rahmen
erreichen. Bei einer Biegezugfestigkeit der Glasscheibe von
120 N/mm2 und einer Einstandstiefe von 10 mm entspricht die
Verglasung z. B. der Feuerwiderstandsklasse G 30, während
sich mit einer Einstandstiefe von 20 mm die
Feuerwiderstandsklasse G 90 erreichen läßt.
Glasscheiben aus üblichem Floatglas (Kalk-Natron-Silikatglas)
lassen sich mit herkömmlichen Vorspannanlagen
gut vorspannen, da diese Glaszusammensetzungen einen
verhältnismäßig großen Wärmeausdehnungskoeffizienten von
mehr als 8,5.10-6K-1 aufweisen. Mit üblichem Floatglas
lassen sich Biegezugfestigkeiten von bis zu 200 N/mm2
erreichen. Unter der Wirkung der durch den
Temperaturgradienten entstehenden Zugspannungen zerspringen
sie deshalb bei einem Glaseinstand von etwa 10 mm nicht,
jedoch verlieren sie ihre Standfestigkeit wegen ihrer
verhältnismäßig niedrigen Erweichungstemperatur von etwa
730°C. Vorgespannte Glasscheiben aus Floatglas entsprechen
daher unter normalen Einbaubedingungen allenfalls der
Feuerwiderstandsklasse G 30.
Es sind jedoch auch monolithische Glasscheiben der
Feuerwiderstandsklasse G 60 und höher bekannt. Diese
bestehen aus Glaszusammensetzungen mit einer hohen
Erweichungstemperatur von oberhalb 815°C, und weisen
infolgedessen eine lange Standzeit beim Brandversuch auf.
Hierfür eignen sich insbesondere hitzebeständige
Borosilikat- und Alumosilikatgläser. Auch diese
Glasscheiben müssen jedoch thermisch vorgespannt werden,
wenn sie den beim Brandversuch im Randbereich entstehenden
hohen Zugspannungen widerstehen sollen.
Die Anwendung der thermischen Vorspannung für
Brandschutzgläser aus hitzebeständigen Borosilikat- oder
Alumosilikatgläsern ist aus der DE 23 13 442 B2 und der
DE 24 13 552 B2 bekannt. Nach diesen Druckschriften eignen
sich zum Vorspannen nur solche Gläser, deren Produkt aus
Wärmedehnung α und Elastizitätsmodul E 1 bis 5 kp.cm -2. °C-1
beträgt, das heißt Boro- oder Alumosilikatgläser mit einer
Wärmedehnung von α20-300 = 3 bis 6,5.10-6 °C-1. Die nötige
Randvorspannung dieser Glasscheiben kann jedoch nicht mit
Hilfe der üblichen Luftvorspannanlagen erreicht werden,
sondern erfolgt nach einem speziellen Verfahren, bei dem
die Glasscheiben beim Aufheizen zwischen etwas kleinere
Keramikplatten gelegt werden, so daß der Rand der
Glasscheibe über die Keramikplatten hinausragt und daher
beschleunigt abgekühlt wird, während die Scheibenmitte
unter der Wirkung der Keramikplatten sich mit starker
Verzögerung abkühlt. Zwar läßt sich auf diese Weise die
erforderliche Randvorspannung erzeugen, doch weisen die so
hergestellten Glasscheiben keine
Sicherheitsglaseigenschaften auf.
Aus der DE 43 25 656 C2 ist es bekannt, zur Herstellung
monolithischer Brandschutzgläser Gläser zu verwenden, die
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α zwischen 3 und
6.10-6 K-1, eine spezifische Wärmespannung ϕ zwischen
0,3 und 0,5 N/(mm2.K), einen Erweichungspunkt (= Temperatur
bei der Viskosität 107,6 dPa.s) oberhalb von 830°C und einen
Verarbeitungspunkt (= Temperatur bei der Viskosität
104 dPa.s) von 1190° bis 1260°C aufweisen. Die spezifische
Wärmespannung ist diejenige glasspezifische Größe, die sich
aus dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α, dem
Elastizitätsmodul E und der Poisson-Konstante µ nach der
Formel ϕ = α.E/(1-µ) errechnet. Gläser mit diesen
physikalischen Eigenschaften lassen sich auf einer
herkömmlichen Luftvorspannanlage sowohl mit der
erforderlichen Randdruckvorspannung als auch auf der
gesamten Fläche mit der für eine feine Krümelung
erforderlichen Vorspannung versehen, so daß keine
speziellen Maßnahmen zum Vorspannen erforderlich sind und
das Herstellverfahren dadurch wesentlich vereinfacht wird.
Gläser mit diesen physikalischen Eigenschaften enthalten
jedoch notwendigerweise B2O3, Al2O3 und ZrO2 in Mengen, die
den Schmelzprozeß und den Verarbeitungsprozeß erschweren.
Sie lassen sich nach dem wegen seiner besonderen
Wirtschaftlichkeit bewährten Floatverfahren nicht
herstellen, weil ihr Verarbeitungspunkt zu hoch ist und der
Schmelzprozeß außerdem besondere Maßnahmen erfordert.
Aus der DE 28 18 804 B2 sind zwar für die Verwendung als
Brandschutzgläser vorgesehene
Borosilikatglaszusammensetzungen bekannt, die sich aufgrund
eines verhältnismäßig niedrigen Verarbeitungspunkts nach
dem Floatglasverfahren erschmelzen und auch mit Hilfe
üblicher Vorspannanlagen vorspannen lassen. Diese Gläser
enthalten jedoch 11,5 bis 14,5% B2O3 und weisen im
übrigen ähnliche physikalische Eigenschaften auf wie die
aus der DE 43 25 656 C2 bekannten Gläser. Auch bei diesen
Gläsern sind die durch Luftabschreckung erzielbaren
Druckvorspannungen bzw. die Biegezugfestigkeit auf
verhältnismäßig niedrige Werte begrenzt, und darüber hinaus
weisen diese Gläser die beim Erschmelzen von
Borosilikatgläsern bekannten Schwierigkeiten und Nachteile
auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, monolithische
Brandschutzgläser der Feuerwiderstandsklassen G
bereitzustellen, die einerseits mit Hilfe herkömmlicher
Luftvorspannanlagen vorgespannt werden können, andererseits
aber aus Glaszusammensetzungen bestehen, die sich
wirtschaftlich und technologisch problemlos erschmelzen und
nach dem üblichen Floatglasverfahren zu Flachglas
verarbeiten lassen, das bezüglich seines Aspekts und seiner
optischen Eigenschaften mit dem bekannten Floatglas
vergleichbar ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Verwendung
von Gläsern gelöst, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
α20-300 von 6 bis 8,5.10-6 K-1, einen Wärmespannungsfaktor
ϕ von 0,5 bis 0,8 N/(mm2.K), einen Erweichungspunkt
(Viskosität = 107,6 dPa.s) von 750° bis 830°C und einen
Verarbeitungspunkt (Viskosität = 104 dPa.s) von höchstens
1190°C aufweisen.
Glaszusammensetzungen, die diese physikalischen
Eigenschaften aufweisen, lassen sich unter bekannten
Glaszusammensetzungen auswählen, wobei darauf zu achten
ist, daß diese Glaszusammensetzungen kein oder zumindest
möglichst wenig B2O3 und Al2O3 aufweisen.
Es hat sich gezeigt, daß Gläser mit den erfindungsgemäßen
Eigenschaften sich nicht nur verhältnismäßig gut
erschmelzen lassen, sondern daß sie sich für die
Herstellung von monolithischen Brandschutzgläsern besonders
eignen, weil sie auch bei der herkömmlichen Luftvorspannung
eine wesentlich höhere Biegezugfestigkeit aufweisen als die
für die Herstellung von Brandschutzgläsern bekannten
Borosilikat- und Alumosilikatgläser. Wegen ihres größeren
Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihres größeren
Wärmespannungsfaktors lassen sich nämlich mit Hilfe der
üblichen Vorspannanlagen deutlich höhere
Biegezugfestigkeiten, das heißt deutlich höhere
Druckvorspannungen erzeugen, so daß die erzielbare
Temperaturunterschiedsfestigkeit (TUF) zwischen dem
eingespannten kalten Rand und der heißen Scheibenmitte
dadurch deutlich höher wird. Andererseits hat es sich
gezeigt, daß die Standfestigkeit dieser Gläser vollständig
ausreichend ist, um selbst bei einer Scheibendicke von nur
5 mm und einer Einstandstiefe im Rahmen von 10 mm der
Feuerwiderstandsklasse G 30 zu genügen. Mit den
erfindungsgemäß verwendeten Gläsern können aber auch die
höheren Feuerwiderstandsklassen G 60 und G 90 und sogar
G 120 erreicht werden, wenn gegebenenfalls Glasscheiben
größerer Dicke und Rahmen mit einem größeren Glaseinstand
verwendet werden, das heißt Rahmen, die den Rand der
Glasscheibe um ein größeres Maß, beispielsweise bis zu
25 mm, überdecken.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung
verschiedener Ausführungsbeispiele.
Zur Herstellung des Brandschutzglases wird eine 5 mm dicke
Flachglasscheibe verwendet, die nach dem Floatverfahren
hergestellt wurde und folgende Zusammensetzung in Gew.-%
aufweist: 75,4% SiO2, 11,0% Na2O, 12,0% CaO, 1,0%
Al2O3, 0,3% K2O, 0,3% andere Oxide.
Dieses Glas weist folgende physikalischen Eigenschaften
auf:
Wärmeausdehnungskoeffizient α20-300 = 7,6 . 10-6K-1
Wärmespannungsfaktor ϕ = 0,69 N/(mm2.K)
Elastizitätsmodul E = 7,14.104 N/mm2
Poisson-Konstante µ = 0,215
Erweichungspunkt EP = 761°C
Verarbeitungspunkt VP = 1061°C
Wärmeausdehnungskoeffizient α20-300 = 7,6 . 10-6K-1
Wärmespannungsfaktor ϕ = 0,69 N/(mm2.K)
Elastizitätsmodul E = 7,14.104 N/mm2
Poisson-Konstante µ = 0,215
Erweichungspunkt EP = 761°C
Verarbeitungspunkt VP = 1061°C
Mehrere Glasscheiben der Größe 90 × 55 cm2 wurden an den
Kanten feingeschliffen und auf einer üblichen
Luftvorspannanlage in horizontaler Lage vorgespannt. Zu
diesem Zweck wurden sie auf eine Temperatur von etwa 670°C
erwärmt und mit zwei üblichen Blaskästen schroff abgekühlt.
Die Blaskästen waren mit in Reihen angeordneten Blasdüsen
versehen, wobei der Abstand der Blasdüsenreihen voneinander
etwa 8 cm, der gegenseitige Abstand der Blasdüsen in den
Blasdüsenreihen 3 cm und der Durchmesser der Düsenöffnung
8 mm betrugen. Der Abstand der Düsenöffnungen von der
Glasoberfläche betrug etwa 5 cm, und der statische Druck
der Luft in den Blaskästen 7,5 kPa.s ± 10%.
Messungen der Biegezugfestigkeit an den vorgespannten
Glasscheiben nach dem in der EN 12150 beschriebenen
Verfahren ergaben Biegezugfestigkeiten der Glasscheiben in
Höhe von 210 ± 10 N/mm2. Dieser Wert entspricht einer
Oberflächendruckvorspannung von etwa 160 N/mm2.
Mit drei derartigen Glasscheiben wurden Brandversuche
entsprechend der Norm ISO/DIS 834-1 durchgeführt, wobei der
Glaseinstand im Rahmen 10 mm betrug. Bei zwei
Brandversuchen hielten die Glasscheiben dem Feuer 65 min
lang stand, bei dem dritten Brandversuch 71 min lang. Damit
erfüllt diese Brandschutzverglasung die Bedingungen der
Feuerwiderstandsklasse G 60.
Es wurden 6 mm dicke Glasscheiben der im Beispiel 1
genannten Zusammensetzung verwendet, die ebenfalls nach dem
Floatglasverfahren hergestellt wurden. Das Glas wies
folglich dieselben physikalischen Eigenschaften auf wie im
Beispiel 1. In diesem Fall wurden mehrere Glasscheiben mit
den Abmessungen 70 × 150 cm2 am Rand feingeschliffen und
unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 1
thermisch vorgespannt.
Messungen der Biegezugfestigkeit an diesen vorgespannten
Glasscheiben ergaben Werte von 250 ±15 N/mm2. An drei
dieser 6 mm dicken Glasscheiben wurden Brandversuche
durchgeführt, wobei der Glaseinstand im Metallrahmen bei
diesen Versuchen 15 mm betrug. Bei allen anderen drei
Brandversuchen betrug die Standzeit mehr als 90 min, so daß
diese Brandschutzgläser mit 6 mm Dicke und 15 mm
Einstandstiefe im Rahmen den Bedingungen der
Feuerwiderstandsklasse G 90 genügen.
Für die Herstellung des Brandschutzglases wird ein Glas mit
folgender Zusammensetzung verwendet: 67,0% SiO2, 10,0%
CaO, 2,0% MgO, 2,5% SrO, 7,0% Na2O, 5,0% K2O, 1,0%
Al2O3, 5,5% ZrO2.
Dieses Glas hat folgende physikalischen Eigenschaften:
Wärmeausdehnungskoeffizient α20-300 = 7,9 . 10-6K-1
Wärmespannungsfaktor ϕ = 0,76 N/(mm2.K)
Elastizitätsmodul E = 7,7.104 N/mm2
Poisson-Konstante µ = 0,21
Erweichungspunkt EP = 800°C
Verarbeitungspunkt VP = 1190°C
Wärmeausdehnungskoeffizient α20-300 = 7,9 . 10-6K-1
Wärmespannungsfaktor ϕ = 0,76 N/(mm2.K)
Elastizitätsmodul E = 7,7.104 N/mm2
Poisson-Konstante µ = 0,21
Erweichungspunkt EP = 800°C
Verarbeitungspunkt VP = 1190°C
Aus dem geschmolzenen Glas wird nach dem Floatverfahren ein
8 mm dickes Glasband hergestellt. Mehrere Glasscheiben der
Größe 150 × 70 cm2 wurden an den Kanten feingeschliffen und
wie in Beispiel 1 beschrieben auf einer üblichen
Luftvorspannanlage vorgespannt.
Messungen der Biegezugfestigkeit an den vorgespannten
Glasscheiben ergaben Werte von 235 ±10 N/mm2.
Mit drei derartigen vorgespannten Glasscheiben von 8 mm
Dicke würden Brandversuche nach der genannten Norm
durchgeführt, und zwar in diesem Fall mit einem
Glaseinstand von 22 mm in Stahlrahmen. Bei allen drei
Brandversuchen betrug die Standzeit mehr als 120 min, so
daß diese Brandschutzverglasung den Bedingungen der
Feuerwiderstandsklasse G 120 genügt.
Claims (5)
1. Feuerwiderstandsfähige Verglasung der
Feuerwiderstandsklassen G aus einer mit einer
herkömmlichen Vorspannanlage mit Luftabschreckung
thermisch vorgespannten Silikatglasscheibe mit
Sicherheitsglaseigenschaften,
gekennzeichnet durch die Verwendung von
Gläsern mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
α20-300 = 6 bis 8,5 . 10-6K-1, einem Wärmespannungsfaktor
ϕ = 0,5 bis 0,8 N/(mm2.K), einem Erweichungspunkt
(Viskosität = 107,6 dPa.s) von 750° bis 830°C und einem
Verarbeitungspunkt (Viskosität = 104 dPa.s) von
höchstens 1190°C.
2. Feuerwiderstandsfähige Verglasung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Gläser
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α20-300 von 6,5 bis
7,5 . 10-6 K-1, einen Wärmespannungsfaktor ϕ von 0,6 bis
0,7 N/(mm2.K), und einen Erweichungspunkt von 800° bis
820°C aufweisen.
3. Feuerwiderstandsfähige Verglasung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende Glaszusammensetzung in
Gew.-%:
SiO2 73 -76
CaO 11-13
Na2O 10-12
K2O 0,1- 0,5
Al2O3 0,5-1,5
SiO2 73 -76
CaO 11-13
Na2O 10-12
K2O 0,1- 0,5
Al2O3 0,5-1,5
4. Feuerwiderstandsfähige Verglasung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende Glaszusammensetzung in
Gew.-%:
SiO2 65-69
CaO 9-11
MgO 1-3
SrO 2-4
Na2O 6-8
K2O 4-6
Al2O3 0,5-1,5
ZrO2 4-6
SiO2 65-69
CaO 9-11
MgO 1-3
SrO 2-4
Na2O 6-8
K2O 4-6
Al2O3 0,5-1,5
ZrO2 4-6
5. Feuerwiderstandsfähige Verglasung nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Glasscheibe eine Oberflächendruckvorspannung in Höhe
von 120 bis 200 N/mm2, und vorzugsweise in Höhe von
150 bis 190 N/mm2 aufweist.
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