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Ergänzung einer Norm für Einscheiben-Sicherheitsglas um spannungsoptische Messmethoden und Analysekonzepte zur Reduzierung zerstörender Prüfungen

Im Bauwesen werden Anforderungen an das Bauprodukt Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG) zur Einhaltung des beschriebenen Sicherheitsniveaus gestellt. Die dafür wichtigsten Eigenschaften sind die mechanische Biegefestigkeit und die Bruchstruktur. Die Prüfung zur Sicherstellung der Eigenschaften haben sich seit der Erstveröffentlichung der relevanten europäisch gespiegelten Produktnorm EN 12150 im Jahr 1996 nicht verändert. Vorgeschrieben ist, zerstörende Prüfungen an begleitend (täglich) produzierten Kleinstglaselementen (0,36m x 1,1m) zur Bestimmung der Bruchstruktur und der Biegefestigkeit durchzuführen. Innovative spannungsoptische Verfahren und Analysekonzepte werden in den aktuellen Normen nur bedingt berücksichtigt.

Das Ziel des Projekts ist daher der Entwurf für eine Ergänzung der uropäischen Norm um spannungsoptische Messmethoden und Analysekonzepte zur Reduzierung zerstörender Versuche zur Bestimmung der Biegefestigkeit und der Bruchstruktur in thermisch vorgespanntem Einscheiben-Sicherheitsglas.

Fenster und FassadenSysteme mit VakuumIsolierGlas

Glas, Fenster und Fassaden gehören zu den wichtigsten Bauelementen in der Architektur, mit denen Energie eingespart und Sonnenenergie genutzt werden kann. Zentraler Bestandteil der Fenster und Fassaden ist mit einem Anteil von 80 bis 90 % Glas. Benötigt werden „schlanke“ Rahmen die trotzdem einen Uw-Wert von möglichst 0,6 W/(m²K) sicherstellen und hochwärmedämmende und multifunktionale „schlanke” Gläser mit einem Ug-Wert von 0,3 W/(m²K). Das seit November 2020 geltende Gebäudeenergiegesetz (GEG) führt dazu, dass im Neubau die Anforderungen an Fenster- und Fassadesysteme nur noch mit 4fach-Isoliergläsern oder mit Vakuumgläsern als Komponenten von multifunktionalen Isolierglaseinheiten (VIG+) realisierbar sind. Mit dem jetzigen Standard von 3fach-Isoliergläsern müsste man die transparenten Gebäudeflächen reduzieren, damit die Vorgaben des GEG eingehalten werden können. Das entspricht nicht den Vorstellungen von Architekten, Planern und Endanwendern. Bei der Renovierung von Bestandsgebäuden sind ebenfalls schlanke Rahmen- und Glassysteme mit o.g. Ug- und Uw-Werten von Vorteil. Bestehende Zweischeiben-Verglasungen können durch neue VIG+ mit gleicher Aufbaustärke sehr effizient energetisch, bei deutlich besserer Nutzenrechnung, erneuert werden.

Das Gesamtziel dieses Forschungsvorhabens besteht darin, hochwärmedämmende und schlanke Fenster- und Fassadensysteme mit einer hybriden Verglasung bestehend aus Vakuum-Isolierglas und Vorsatzscheibe (VIG+) zu aufeinander optimierten Systemen zu entwickeln, diese zu testen und im praktischen Einsatz zu erproben. In Hinblick auf das neue Gebäude-Energie-Gesetz (GEG) schafft FFS-VIG die Voraussetzung, dass im Neubau die Fensterflächen gleichbleiben oder sogar größer ausfallen können. Weiterhin ermöglicht die geringe Aufbaustärke von VIG+ den Einsatz in Bestandsgebäuden, wodurch enorme Energieeinsparpotentiale erschlossen werden können. Eine Vorsatzscheibe garantiert eine hohe Dauerhaftigkeit der Vakuum-Isolierglas-Systeme, welche im Projekt nachgewiesen werden soll, und ermöglicht das Einbringen multifunktionaler Komponenten (BIPV, schaltbare Verglasung, etc.). Aufgrund der erheblichen Verbesserung des Dämmwertes halbiert sich der Wärmeverlust durch die Fensterfläche im Vergleich zu aktueller Dreifach-Isolierverglasung. Allerdings fehlen noch effiziente Systemlösungen im Bereich thermisch und bauphysikalisch optimierter Rahmen und Fassaden, um das Potential auch ausschöpfen zu können. Daher ist die im Rahmen von FFS-VIG erfolgende Entwicklung praktikabler und wirtschaftlicher Systemlösungen Rahmen/VIG+ essentiell für einen schnellen Markteintritt und eine weite Marktdurchdringung. Weiterhin beschleunigt die im Rahmen des Projektes erfolgende Erstellung von Produktnormen (VIG und VIG+) für den europäischen Markt sowie die Erreichung von allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen (abZ) der entwickelten Gläser den Einsatz der Systeme in der Praxis.

Thermobruch Normenentwurf zur Bestimmung der thermischen Belastung von Glas und Glas-PV-Modulen (BIPV) in der Bauindustrie

Aufgrund der Vielzahl an Schadensfällen wurden in der Vergangenheit bereits Forschungsprojekte bezüglich der Bestimmung der thermischen Beanspruchung von Fassadenverglasungen bearbeitet, welche jedoch nicht in die (deutsche) Normung eingeflossen sind. Infolge der Anstrengungen und Maßnahmen rund um die Energiewende gewinnen bauwerksintegrierte Photovoltaik Module (BIPV-Module) als Bestandteil einer energetisch effizienten, solaren Gebäudehülle immer mehr an Bedeutung, weswegen auch diesbezüglich wachsender Forschungsbedarf besteht.

Das Projekt hat zum Ziel, Fassadenverglasungen und Glas-PV-Module (BIPV) im Bauwesen, die durch Sonneneinstrahlung thermisch beansprucht werden und meist in kritischen Konstellationen brechen (können), fundiert zu untersuchen und einen Normentwurf anhand der Ergebnisse der Untersuchungen zu erarbeiten. Einerseits wird ein grundlegendes Verständnis für die relevanten klimatischen und konstruktiven Einflussparameter und deren Zusammenhänge entwickelt. Zusätzlich gilt es als Schwerpunkt hier die Auswertung und Bereitstellung von zuverlässigen (frei) verfügbaren Klimadaten in Europa und Deutschland zu erarbeiten. Anderseits werden Ansätze in der französischen Norm (NF DTU 39 P3), die sich mit der Bemessung von thermisch beanspruchten Gläsern beschäftigt und quasi als “state-of-the-art” bzw. bisher einziges Regelwerk in der aktuellen Baupraxis “inoffiziell” in ganz Europa Anwendung findet, als Orientierung näher betrachtet. Zweck des Vorhabens ist es durch eine europäische Normung das Auftreten des thermisch induzierten Glasbruches (Thermobruch) zu reduzieren bzw. zu vermeiden. Dadurch können wirtschaftliche Schäden abgewendet werden.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die experimentelle Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Biegezugfestigkeit von thermisch entspanntem Floatglas in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis in den Bereich der Glasübergangstemperatur. Um Vorhersagen zum Versagen des Glases während des thermischen Vorspannens von Glas und bei der additiven Fertigung mit Glas treffen zu können, muss die Biegezugfestigkeit des Glases im relevanten Temperaturbereich, der zugehörigen Spannungsrate aus dem Kühlvorgang sowie für die aus den vorlaufenden Produktionsprozessen resultierenden typischen Schädigungszuständen der Glasoberfläche bekannt sein. Für Kalk-Natron-Silikatglas sowie Borosilikatglas liegen bezüglich der Temperaturabhängigkeit der Biegezugfestigkeit im Bereich bis zur Glasübergangstemperatur nur sehr wenige experimentelle Forschungsergebnisse vor. Die bisherigen Arbeiten fokussieren auf die Temperaturabhängigkeit der Bruchzähigkeit (Kalk-Natron-Silikatglas) und die Temperaturabhängigkeit der Biegezugfestigkeit (Borosilikatglas). Zudem wurden die bisherigen Versuche meist mit hohen Spannungsraten von bis zu 320 MPa/s durchgeführt. Entsprechend der Prozessdauer beim Kühlprozess des thermischen Vorspannens und des Kühlvorgangs während des additiven Fertigens sollte die Spannungsrate für eine Anwendbarkeit der Ergebnisse im Bauwesen niedriger liegen. Daher soll in diesem Forschungsvorhaben insbesondere die Biegezugfestigkeit bei hohen Temperaturen im Bereich bis zur Glasübergangstemperatur und mit zwei Spannungsraten (2 MPa/s, 20 MPa/s) untersucht werden. Die Untersuchung des Einflusses der Temperatur und der Spannungsrate soll an Proben mit prozesstypischen Oberflächenschädigungen (definierte Kratzer, zylindrische Bohrungen im Diamantbohrverfahren) durchgeführt werden. Da im Bauwesen primär Kalk-Natron-Silikatglas verwendet wird, sollen die Untersuchungen hauptsächlich mit Floatglas aus Kalk-Natron-Silikatglas durchgeführt werden, eine Versuchsreihe zum Vergleich auch mit Borosilkatglas.

Festigkeit von thermisch entspanntem Floatglas aus Kalk Natron Silikatglas bei hohen Temperaturen bis zum Transformationsbereich

Optimierung material – und Lay-out-technischer Parameter von Belüftungselementen bei der biologischen Abwasserbehandlung

Belebungsanlagen sind die weltweit am häufigsten eingesetzten Anlagen zur biologischen Abwas-serreinigung im industriellen und kommunalen Bereich. Das dabei eingesetzte Belüftungssystem benötigt bis zu 80 % des Gesamtenergiebedarfs einer Kläranlage bei der biologischen Abwasserreinigung, sodass das Belüftungssystem und die dabei eingebauten Belüfterelemente bei der energetischen Optimierung vorrangig zu betrachten sind (Wagner und Stenstrom, 2014). Die energetische Effizienz eines Belüftungssystems ist maßgeblich durch zwei Parameter bestimmt: 1.) Die Sauerstoffausnutzung stellt den Anteil des im Belebtschlamm gelösten Sauerstoffs aus der eingeblasenen Umgebungsluft dar. Der Stoffübergang ist u. a. abhängig von der Luftblasengröße und der Blasenaufstiegszeit sowie von abwasserspezifischen Parametern wie der Belebtschlammmatrix. Für einen energetisch effizienten Betrieb sollte eine möglichst hohe Sauerstoffausnutzung erreicht werden. Diese wird u. a. durch das Einblasen möglichst kleiner Luftblasen erreicht. 2.) Der Druckverlust im Belüfterelement beschreibt den zusätzlichen Gegendruck, den ein Verdichter aufbringen muss, um Umgebungsluft durch die perforierte Belüftermembran in die darüber liegende Wassersäule einzutragen. Der Druckverlust ist maßgeblich bestimmt durch Materialeigenschaften der Belüftermembran und deren Veränderungen im Betrieb mit Belebtschlamm. Für einen energetisch effizienten Betrieb sollte der Druckverlust so gering wie möglich gehalten werden. Dies kann z. B. durch periodische Reinigung der Belüfterelemente erreicht werden. Heutzutage werden überwiegend feinblasige Druckluftbelüftungssysteme mit Belüftungselemen-ten in Form von Tellern, Rohren und Platten aus den Materialien EPDM, Silikon und TPU eingesetzt (DWA 2017). Diese bieten eine deutlich höhere Sauerstoffausnutzung bei gleichzeitig jedoch höherem Druckverlust im Vergleich zu grobblasigen Druckbelüftungssystemen.

Das übergreifende Forschungsziel im Projekt WOBeS ist, die energetische Effizienz von Druckbe-lüftungssystemen durch angepasste Verfahrens- und Betriebsführung zu erhöhen. Im Rahmen der Optimierung material- und Lay-out-technischer Parameter von Belüftungselementen bei der biologischen Abwasserbehandlung soll der energetische Nachteil des höheren Druckverlustes bei feinblasigen Druckbelüftern im Vergleich zu grobblasigen Druckbelüftern durch weitergehende Untersuchungen der Membranmaterialeigenschaften verringert werden. Gleichzeitig soll das Abgasverhalten der untersuchten Membranmaterialien betrachtet werden, um durch eine geeignete Perforierung möglichst kleine Luftblasen zu erzeugen und damit die Sauerstoffausnutzung zu erhöhen.