DE2413552B2 - Brandsichere glasscheiben - Google Patents

Brandsichere glasscheiben

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DE2413552B2 DE19742413552 DE2413552A DE2413552B2 DE 2413552 B2 DE2413552 B2 DE 2413552B2 DE 19742413552 DE19742413552 DE 19742413552 DE 2413552 A DE2413552 A DE 2413552A DE 2413552 B2 DE2413552 B2 DE 2413552B2
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Description

'f
zeichnet sind, daß sie im Randbereich eine Druckspannung besitzen und aus Gläsern bestehen, deren Produkt aus Wärmedehnung α und Elastizitätsmodul E ] bis 5 [kp · cm"2 · 0C"1] beträgt.
Für den Brandversuch nach DJN 4102 müssen die Scheiben mit Rahmen als Raumab'.chluß in einen Brandofen eingebaut werden. Beim raschen Aufheizen nach der Einheitstemperaturkurve (ETK) Bl. 2, Absch. 5.2.4. baut sich zwischen der Scheibenmitte und dem Scheibenrand ein Temperaturgefälle auf, weil der Scheibenrand durch die wärmeisolierende Wirkung des Rahmens zunächst langsamer hochgeheizt wird als die Scheibenmitte. Durch dieses Tcmperaturgefälle entsteht im Randbereich eine Zugspannung, die zur Zerstörung der Scheibe führen kann. Die Höhe des Temperaturgefälles ist unter anderem abhängig von der Aufheizgeschwindigkeit, der Wärmeisolierung des Scheibenrandes durch den Rahmen und der Breite des Rahmens. Bei einem 2 bis 3 cm breiten Rahmen liegt die Temperaturdifferenz im allgemeinen zwischen 200 ao und 300 C. Bei einem breiteren Rahmen kann die Temperaturdifferenz auch höher werden. Da sich aber oberhalb der Transformationstemperatur (Tg) die Spannungen wieder abbauen, kann die Temperaturdifferenz, die zu Zugspannungen führt, nicht größer »5 als -Tg werden, d. h. für Borosilikatgläser etwa 550 C. Da im allgemeinen zur Halterung der Scheiben mindestens ein etwa 2 cm breiter Rahmen benötigt wird, müssen die beanspruchten Glasscheiben eine so hohe thermische Festigkeit besitzen, daß sie einem Temperaturgefälle zwischen heißerer Scheiben mitte und kälterem Scheibenrar.d von etwa >200 <55O C standhalten, ohne zu zerspringen.
Die nach DIN 4102, Bl. 3, Absch. 6.3.1. (Abb. Kurve 111) geforderte Aufheizgeschwindigkeit ist deutlieh langsamer als die Aufheizgeschwindigkeit nach der ETK, so daß auch die entstehenden Temperaturdifferenzen wesentlich niedriger liegen.
Normale Glasscheiben, deren Produkt aus
a- E >1 [kp -cm-2· C-1]
ist, besitzen im allgemeinen keine ausreichende thermische Widerständsfähigkeit, um einem Brandversuch zu widerstehen, ohne zu zerspringen.
Die erfindungsgemäßen brandsicheren Glasscheiben sind solche, die aus Gläsern bestehen, deren Produkt aus Wärmedehnung α und Elastizitätsmodul E 1 bis ■:;5 [kp · cm-2 · C1] beträgt und die zusätzlich entweder nur im Randbereich oder im Randbereicli und in der Oberflächenschicht der Scheibenmitte eine Druckspannung besitzen. Diese speziell gehärteten Scheiben besitzen eine ausreichende thermische Festigkeit, so daß sie einer Temperaturdifferenz von ^-200 <550 C widerstehen, ohne zu zerspringen.
Je höher die Druckspannung im Scheibenrand solcher Glasscheiben ist, je größer ist deren Widerstandsfähigkeit gegen temporäre Spannungen, die beim raschen Aufheizen zwischen Scheibenmittc und dem durch einen Rahmen eingefaßten Scheibenrand entstehen.
Es wurde gefunden, daß die Flöhe der Druckspannung, die im Scheibenrand vorhanden sein kann, durch die Zugspannung begrenzt wird, die gleichzeitig in der Scheibenmiltc als Reaktionsspannung entsteht.
Bei Gläsern wird im allgemeinen mit einer Festigkeit von 200 bis 300 kp/cm2 gerechnet. Damit auch die Glasscheiben mit einer Druckspannung im Rand-
bereich und einer Zugspannung im Mittebereich einer Belastung wie z. B. Winddruck widerstehen, darf die Festigkeit im Mittebereich nicht zu weit herabgesetzt werden.
Die maximale Zugspannung, die im praktischen Gebrauch in der Oberfläche der Scheibe zugelassen werden kann, sollte daher im allgemeinen etwa 80 bis 100 kp/cm2 nicht überschreiten, da sonst die mechanische Festigkeit zu weit herabgesetzt wird. Durch die im Randbereich der Glasscheiben vorhandene Druckspannung darf daher die mechanische Festigkeit der Scheiben höchstens um einen Betrag von etwa 80 bis 100 kp/cm2 vermindert werden. Die Glasscheiben, die sowohl im Randbereich als auch in der Oberfläche der Scheibenmine eine Druckspannung besitzen, weisen im allgemeinen auch eine erhöhte mechanische Festigkeit auf.
Die beanspruchten brandsicheren Glasscheiben, deren Produkt α · E >1 <5 [kp · cm-2 · C-1] ist, können z. B. aus Boro-Silikat-Gläsern mit Wärmeausdehnungen a (20 bis 300 C) zwischen 30 · 10 7 und 65 · 10 7 [ C"1] oder aus Alumo-(Boro)-Silikat-Gläsern mit Wärmeausdehnungen α (20 bis 300 C; zwischen 20 · 10 7 und 62 · ΙΟ'7 [ C"1] bestehen.
Aber aach Glasscheiben, die aus anderen Gläsern bestehen, deren Produkt «·Ε>Ι <5 [kp · cm-- · C 1J ist, können benutzt werden, wenn sie eine entsprechende Druckspannung im Randbereich aulweisen.
Ein Teil der Alumo-(Boro)-Silikat-Gläser besitzt eine sehr hohe Erweichungstemperatur von über 900 C. Das hat den Vorteil, daß Glasscheiben aus diesen Gläsern den Raumabschluß z. B. zu einem Ofenraum langer gewährleisten. Je nach Dicke und Größe der Scheiben können Glasscheiben dieser Gläser mit einer Erweichungstemperatur von über 900 C dem Feuer 90 min lang widerstehen, bevor das Glas seine Erweichungstemperatur erreicht hat und die Glasscheibe durch Zusammensinken dem Feuer und Rauch einen Durchtritt ermöglicht.
Glasscheiben aus den beanspruchten Gläsern wurden bisher nicht für Gebäudeverglasungen verwendet. Die Herstellung von Glasscheiben aus den beanspruchten Gläsern ist schwieriger und auch vom Rohstoff her teurer. Da diese Glasscheiben bisher bei der Gebäudeverglasung gegenüber dem Bauglas, Kristallspiegelglas oder Floatglas keine wesentlichen Vorteile aufzuweisen hatten, lag bisher kein Grund vor, diese Gläser zu verwenden.
Die erfindungsgemäßen brandsicheren Glasscheiben können auch abgerundete Ecken besitzen oder vollkommen rund sein. Dadurch wird ihre thermische Festigkeit eher erhöht als erniedrigt. Außerdem schließt die Erfindung auch leicht gewölbte oder zu Halbkugeln geformte Glasscheiben ein, wie sie z. B. für Lichtkuppeln benutzt werden.
Die erfindungsgemäßen brandsicheren Glasscheiben können sowohl bei der Gebäudeverglasung im weitesten Sinne, als auch überall dort eingesetzt werden, wo die Gefahr eines Feuerausbruches besteht. Eines der wichtigsten Einsatzgebiete für brandsichere Glasscheiben dürfte die Außenfensterverglasung in Hochhäusern, insbesondere aber in Krankenhäusern, Schulen und Altersheimen sein. Die brandsicheren Glasscheiben können dabei sowohl als Einzelverglasung als auch als Isolier- oder Mehrfachverglasung in Verbindung mit Float- oder Kristallspiegelglas zum Einsatz kommen. Durch den Einbau der neuen brandsicheren Glasscheiben kann in Zukunft ein Feuerüberschlag von
Stockwerk zu Stockwerk über die Außenwand verhindert werden.
Auch im Brüstungsbereich zwischen den beiden Fensterbereichen können die brandsicheren Glasscheiben sowohl auf der Außenseite wie auch auf der Innenseite eingesetzt werden. Ein Vorteil der brandsicheren Scheiben liegt darin, daß sie beim Brandausbruch nicht zerfallen und dabei die Feuerwehrleute und sonstige Personen verletzen.
Im Innenausbau können die neuen brandsicheren Glasscheiben in feuerhemmende, feuerbeständige und hochfeuerbeständige Zwischen- und Trennwände eingebaut werden. Auch hier können die brandsicheren Scheiben entweder als Einzelverglasung oder als Mehrfachverglasung eingesetzt werden, wobei im allgemeinen nur eine der Scheiben eine brandsichere Scheibe zu sein braucht, um einen Feuer- oder Rauchdurchtritt jru verhindern. Weiterhin können die brandsicheren ^Glasscheiben in Kombination mit Wärmedämmschichten eingesetzt werden.
Ein weiteres Einsatzgebiet für die brandsicheren Ciasscheiben sind die Feuerschutzabschlüsse.
Die Forderungen, die an Verglasungen in Abschlüslen von Fahrschachtwänden gestellt werden, sind in bezug auf die thermische Festigkeit wesentlich geringer fels ζ. B. für feuerhemmende Trennwände. Daher halten die beanspruchten brandsicheren Glasscheiben diesen Forderungen ebenfalls stand.
Der Einsatz der brandsicheren Glasscheiben ist aber nicht auf die direkte Gebäudeverglasung beschränkt. Die Scheiben können überall dort eingesetzt werden, l^o zwei Räume voneinander abgetrennt werden müs- |en, bei denen zu befürchten ist, daß in einem der Räume ein Feuer ausbricht. So können z. B. auch Abzugsverglasungen aus brandsicheren Gläsern be-Itehen.
Zur Erläuterung der Erfindung dienen die folgenden Beispiele:
Beispiel 1
Eine Glasscheibe 1000 · 1000 · 7 mm aus einem Glas der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent): SiO2 80,50; B2O3 12,80; AI2O3 2,40; Nas,O 3,60 und K2O 0,70, und den physikalischen Eigenschaften :a (20 bis BOO C): 32,3 · 10~7/ C und E = 6,3 · 10s [kp/cm2] fc'ird zwischen zwei Keramikplatten von 1000 · 1000 · 50 mm3 gelegt.
Der gesamte Verbund wird in einem Kammerofen fcuf 630 C hochgeheizt und etwa 1 h bei dieser Temperatur gehalten. Dann werden die beiden Keramikplatten mit der Glasscheibe dazwischen aus dem Ofen herausgenommen und an der Luft abgekühlt. Der freiliegende Scheibenrand kühlt an der Luft rasch ab, »ährend die Scheibenmitte durch die Keramikabdeckung zunächst noch auf 630"C bleibt und dann langsam im Laufe von 30 bis 60 min auf die Transionnationstemperatur absinkt. Die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur in der Scheibenmitte absinkt, hängt sehr stark von der Dicke und dem Material der Keramikplatten ab. Nach dem Abkühlen der Scheibenmitte hat sich im Randbereich der Glasscheibe eine etwa 7 cm breite Durckspannungszone ausgebildet. Die Druckspannung nimmt von innen zum Scheibenrand hin zu. Die Druckspannung unmittelbar im Scheibenrand beträgt etwa 600 kp/cni2.
Hierdurch kann die Glasscheibe beim Aufheizen eine Temneraturdifferenz zwischen der heißeren Scheibenmitte und dem kälteren Scheibenrand vo^. etwa 3000C aushalten. Die durch diese Druckspannung verursachte Festigkeit verminderung der Scheibe be" trägt etwa 50 kp/cm2.
S Die Glasscheibe wird in einen Stahlrahmen eingebaut. Der Rand der Scheibe ist durch den Stahlrahmen etwa 20 mm breit abgedeckt. Der Stahl-Fensterrahmen mit Glasscheibe wird in eine !2 mm dicke Ziegelsteinwand eingemauert, die als Raumabschluß von einem
ίο Brandofen dient. Der Brandraum wird nach der Einheitstemperaturkurve DIN 4I02 (Ausgabe 1970) Bl. 2, Absch. 5.2.4. aufgeheizt. Die Glasscheibe übersteht den Aufheizprozeß und deformiert erst nach über 90 min so weit, daß ein Feuerdurchtritt möglich ist. Der Ofenraum weist nach 90 min eine Temperatur von etwa 990uCauf.
Beispiel 2
Zwei Glasscheiben 5OO-5OO-5 mm aus einem Glas der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent): SiO, 65,60; B2O3 11,50; AI2O3 5,10; Na2O 6,70; ZnO 4.5(5 und BaO 6,70 und den physikalischen Eigenschaften α
a5 (20 bis 300 C) = 54 · lO^7 fC"1); E = 7,0 · 105 (kp/cm2) werden nacheinander zwischen zwei Keramikplatten gepreßt, die beheizt werden können.
Zwischen Keramikplatten und Glasscheibe befindet sich jeweils ein 2 mm dicker AIuminium-Silikat-Faserfilz. Der Rand der Scheibe steht allseitig 5 mm über die Keramikplatten hinaus. Um den überstehenden Rand der Scheibe wird ein hohler Metallrahmen gelegt, der sowohl mit Wasser als auch mit Luft gekühlt werden kann. Die Glasscheibe zwischen den Keramikplatten wird über diese langsam auf 7003C hochgeheizt. Nach Erreichen dieser Temperatur wird der Rand der Scheibe auf 200 C abgekühlt, während die Scheibenmitte weiterhin auf 700 C gehalten wird. Zur Abkühlung des Scheibenrandes wird zunächst Luft und anschließend kurze Zeit Wasser durch den Metallrahmen geleitet. Wenn der Scheibenrand 200 C erreicht hat, werden die beiden Keramikplatten von der Scheibenmitte entfernt, und die im Stahlrahmen befindliche Scheibe wird rasch in eine Luftdusche, wie sie herkömmlicherweise zur Härtung von Glasscheiben benützt wird, gefahren.
Die mechanische Festigkeit der Scheibe liegt etwas höher als die Grundfestigkeit der unbchandelten Scheibe.
Die Scheiben werden zum Brandtest, ähnlich wie in Beispiel 1 beschrieben, mit einem Stahlrahmen als Raumabschluß in einen Brandofen eingebaut. Eine der beiden Glasscheiben wird, wie in Beispiel 1, nach der Einheitstemperaturkurve aufgeheizt. Die Glasscheibe übersteht den Aufheizprozeß und deformiert erst nach über 60 min soweit, daß ein Feuerdurchtritt möglich wird.
Die zweite Glasscheibe wird nach der abgeschwächten Einheitstemperaturkurve nach DIN 4102 (Ausgabe
1970) Bl. 3, Absch. 4.3.2. geprüft. Die Glasscheibe übersteht diesen Test 90 min lang, ohne zu zerspringen oder zu deformieren.
Beispiel 3
Eine Glasscheibe 500 ■ 500 · 7 mm aus einem Glas mit der in Beispiel 1 aneeeebenen Zusammensetzung
■ird, an Greifern hängend, in einen 700 C heißen Ofen ebracht und 8 min in dem Ofen erhitzt. Anschließend 'ird die Scheibe rasch zwischen zwei Luftgebläse ebracht und ein etwa 2 cm breiter Randbereich stark nd die restliche Scheibenmitte schwach mit Luft an-
geblasen. Nach dem Abkühlen wird im polarisierten Licht in einem etwa 2 bis 3 cm breiten Randbereich eine Druckspannung sichtbar. Der analog Beispiel 1 durchgeführte Brandtest verlief wie in Beispiel 1 beschrieben.

Claims (17)

•i Patentansprüche:
1. Brandsichere Glasscheiben, die eine so hohe thermische Festigkeit besitzen, daß sie als Raumabschluß einem Brandversuch nach DIN 4102 (1970) widerstehen, ohne (beim Aufheizen) zu zerspringen, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Randbereich eine Druckspannung besitzen und aus Gläsern bestehen, deren Produkt aus Wärmedehnung (α) und Elastizitätsmodul (E) 1 bis 5 [kp · cm-2 · 0C"1] beträgt.
2. Glasscheiben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich in der Oberflächenschicht der Scheibenmitte eine Druckspannung besitzen.
3. Glasscheiben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Borosilikat-Glasern bestehen, deren Wärmedehnung α (20 bis 300C) zwischen 30 · 10-7 und 65 ■ 10~7 CC"1) liegt.
4. Glascheiben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Alumo-Boro-Silikat-Gläsern bestehen, deren Wärmedehnung α (20 bis 300 C) zwischen 20 ■ ΙΟ"7 und 63 · 10"7 (C"1) liegt.
5. Glascheiben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichent, daß sie eine so hohe thermische Festigkeit besitzen, daß sie beim Aufheizen nach der Einheitstemperaturkurve gegen ein Temperaturgefälle von > 200 und <500 C zwischen der heißeren Scheibenmitte und dem kälteren Scheibenrand ausreichend widerstandsfähig sind.
6. Glasscheiben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet: daß sie an den Ecken abgerundet sind.
7. Glasscheiben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie rund sind.
8. Glasscheiben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie gewölbt sind.
9. Glasscheiben nach einem der Ansprüche 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß sie als Gebäudeverglasung bestimmt sind.
10. Glasscheiben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Außen-Verglasung bestimmt sind.
11. Glasscheiben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie zu Isolierverglasung verarbeitet werden.
12. Glasscheiben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Brüslungsverglasung bestimmt sind.
13. Glasscheiben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Innenverglasung bestimmt sind.
14. Glasscheiben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Verglasung in Zwischen- oder Trennwänden bestimmt sind.
15. Glasscheiben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Verglasung von Türen bestimmt sind.
16. Glasscheiben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Verglasung von Behältern, in denen ein Feuer ausbrechen kann, bestimmt sind.
17. Glasscheiben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Verglasung von Laborabzügen bestimmt sind.
Die Erfindung betrifft brandsichere Glasscheiben, die eine so hohe thermische Festigkeit besitzen, daß sie als Raumabschluß einem Brandversuch nach DIN 4102 (1970) widerstehen, ohne (beim Aufheizen) zu zerspringen.
Es ist allgemein bekannt, daß bei einem Feuerausbruch in einem Gebäude die Verglasungen in Fenstern, Türen und Zwischenwänden durch die dabei entstehende Wärme zerspringen und die Scherben aus den Fassungen herausfallen. Das Zerspringen unc Herausfallen der Verglasungen bei Feuerausbruch ist aus zwei Gründen sehr gefährlich. Zum einen können die herabfallenden Scherben zu erheblichen Verletzungen führen, und zum anderen kann das Feuer durch die dabei entstehenden öffnungen im Gebäudeinneren von Raum zu Raum und über die Außenwand von Stockwerk zu Stockwerk überschlagen. Welche Katastrophen dabei entstehen können, haben mehrere Hochhausbrände gezeigt.
Die bisher einzigen bei der Gebäudeverglasung eingesetzten Gläser, die nach DlN 4102 gegen Feuer widerstandsfähig sind, sind das Drahtglas und die Glasbausteine.
Für viele Einsatzgebiete sind aber das Drahtglas und die Glasbausteine ungeeignet. So kann Drahtglas aus optischen Gründen z. B. nicht als Fensterverglasung im Wohnbereich eingesetzt werden. Glasbausteine können auf Grund ihres hohen Gewichtes und ihrer stark verminderten Durchsichtigkeit nur für spezielle Zwecke eingesetzt werden.
Gegenüber dem handelsüblichen Bauglas, Kristallspiegelglas oder Floatglas, die in bezug auf ihre Wärmeausdehnung sehr ähnlich sind, besitzt das thermisch gehärtete Bauglas nicht nur eine erhöhte mechanische, sondern auch eine erhöhte thermische Festigkeit. Daher werden diese thermisch gehärteten Gläser auch im Brüstungsbereich eingesetzt, in dem es zu Temperaturdifferenzen bis zu 100 bis 120 C kommen kann.
Bei einem Brandversuch nach DIN 4102 (Ausgabe 1970), Bl. 2, Absch. 5.2.4. (Abb. Kurve 1) oder Bl. 3, Absch. 4.3.2. (Abb. Kurve 11), zerspringen die einfachen und die thermisch gehärteten Gläser aus Bauglas, Kristallspiegelglas oder Floatglas bereits nach 2 bis 3 min, wodurch die Forderung in bezug auf Feuer- und Rauchdurchtritt nicht mehr erfüllt ist. Das Drahtglas und die Glasbausteine zerspringen zwar ebenfalls nach 2 bis 3 min, jedoch wird bei diesen Gläsern entweder durch das Drahtgeflecht oder durch die Breite der Glasbausteine der Zusammenhalt gewahrt und ein Durchtritt von Feuer und Rauch mindestens 60 min lang verhindert.
Das Drahtgeflecht in dem Drahtglas hat sich bisher immer dann als sehr nachteilig erwiesen, wenn es darum ging, die verglaste öffnung als Fluchtweg oder als Rauchabzug zu benutzen.
Ziel der vorliegenden Erfindung sind Scheiben, die eine so hohe thermische Festigkeit besitzen, daß sie als Raumabschluß einem Brandveisuch nach DIN 4102 (Ausgabe 1970) Bl. 2, Absch. 5.2.4. oder Bl. 3, Absch. 4.3.2. mindestens 30 min lang widerstehen, ohne beim Aufheizen zu zerspringen, und die darüber hinaus keine Drahteinlagen benötigen. Im Gegensatz zu Glasbausteinen weichen die Dicken der Scheiben nicht oder nur unwesentlich von den bei der Gebäudeverglasung üblichen Scheibendicken ab.
Es wurde nun gefunden, daß dieses Ziel mit Glasscheiben erreicht werden kann, die dadurch gekenn-
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