Where do optical distortions on glass facades come from and how can they be avoided?

Ein Spaziergang durch eine Großstadt bietet eine Vielzahl von ästhetischen Erfahrungen — und leider manchmal auch recht zweideutige. Vor allem, wenn man Gebäude mit großformatigen Fassadenverglasungen auf der Basis von Multifunktionsglas betrachtet. Obwohl diese Lösung eine hervorragende thermische Leistung und ein hohes Reflexionsvermögen aufweist.

Das ist der Grund für unsere ästhetische Unzufriedenheit. Statt einer Fassade, die die Welt um sich herum präzise widerspiegelt, sieht man meist ein feines Geflecht aus gebogenen Spiegeln. Warum wird aus einer schönen architektonischen Idee eine so harte Realität?

Optische Fehler können technischen Ursprungs sein. Sie können zum Beispiel beim Härten des Glases auftreten, wenn der so genannte Schiefer entsteht. Das Glas hängt auf den Walzen durch und nimmt eine sinusförmige Form an, weil die Temperatur für die Vorspannmaschine falsch ist. Dagegen ist nichts zu machen.

Solche Mängel treten bei niedrigpreisigen oder temporären Konstruktionen für unkritische Anwendungen auf. Die gute Nachricht ist, dass diese Fälle immer seltener werden, da sich die Qualität der Härtemaschinen und die Qualifikationen des Personals verbessern. Die schlechte Nachricht ist, dass die Produktionskette immer noch schwache Stellen aufweist.

Es gibt eine weitere Ursache für Verzerrungen. Es handelt sich um optische Fehler, die bei der Montage der Isoliergläser und ihrem Betrieb auftreten. Darauf werden wir in diesem Artikel näher eingehen.

Beispiele für optische Defekte

Beginnen wir mit dem Zusammenbau von Isolierglaseinheiten, der Wahl der Anzahl der Kammern und wie sich alles zusammen auf die Optik und die Wärmephysik auswirken wird.

Zur Bestimmung der geometrischen Parameter der Isolierglaseinheit haben wir das MERLIN-Gerät verwendet. Es ermöglicht, mit Hilfe eines Laserstrahls absolute Werte der Glasdicken, der Sprühposition und der Glasabstände in verschiedenen Bereichen der Isolierglaseinheit zu ermitteln.

Zum besseren Verständnis des Problems erheblicher optischer Verzerrungen bei Isolierglaseinheiten werden die Beispiele auf dem Foto herangezogen.

Die Verzerrungen an diesen Fassaden sind mit dem bloßen Auge sichtbar. Eine der wichtigsten architektonischen Anforderungen an ein lichtdurchlässiges Element besteht jedoch darin, eine verzerrungsfreie Reflexion zu erzielen. Dadurch entsteht ein ästhetischer Eindruck, der unbewusst die Positionierung des Bauwerks in einer bestimmten Ruf- und Preiskategorie beeinflusst.

Die auf dem Foto gezeigten Verzerrungen sind auch bei kleineren Isolierglaseinheiten vorhanden. Werden sie vergrößert (und das ist ein Trend, denn Architekten planen manchmal Isolierglasfenster mit einer Fläche von mehr als 10 m² in ihre Projekte ein), wird das Ergebnis unbefriedigend sein. Dies bedeutet eine noch stärkere Verformung der Glasschichten bis hin zur Zerstörung.

Ursachen der optischen Verzerrungen

Zur Feststellung der Ursache der Verzerrung führten die Spezialisten von Aestech empirische und rechnerische Untersuchungen durch. Das Objekt war eine herkömmliche Isolierverglasung und Isolierglas mit erhöhter Festigkeit. Letzteres ist eine Entwicklung von Aestech und ist für den Einsatz in lichtdurchlässigen Fassadensystemen mit großformatiger Fragmentierung vorgesehen.

Die Auswirkungen der Linsenbildung bei Isolierverglasungen stehen in direktem Zusammenhang mit der "klimatischen" (inneren) Belastung. Unter dieser Belastung versteht man einen erhöhten oder verringerten Gasdruck in einer Isolierglaseinheit im Vergleich zum Ausgangszustand (zum Zeitpunkt der Herstellung). Gasdruckänderungen in der Isolierglaseinheit werden durch die klimatischen Bedingungen beim Betrieb der Isolierglaseinheiten (Lufttemperatur, Druckänderungen mit der Höhe, Luftdruckschwankungen) verursacht.

Die Europäischen Normen (EN) befassen sich eingehend mit dem Wert der klimatischen Belastung und der Notwendigkeit, diese in verschiedenen Fällen zu berücksichtigen. Nach EN13474-1 kann die klimatische Belastung +20,4 kPa und —23,4 kPa erreichen. Diese Zahlen sind für europäische Klimabedingungen berechnet. Unter Klimabedingungen in der Ukraine kann die innere Belastung im Winter —33,7 kPa und in der warmen Jahreszeit +20,8 kPa erreichen, was auf einer Kombination verschiedener Faktoren beruht.

Ab dem Moment, in dem die Isolierglaseinheit versiegelt ist, bewirkt die innere Belastung einen Druck auf die Scheiben und verformt sie. Wenn sich die Scheiben verformen, ändert sich das Innenvolumen. Die Änderung des inneren Volumens hängt mit dem inneren Druck zusammen und wird durch die Mendelejew-Clapeyron-Gleichung beschrieben.

Ab dem Moment, in dem die Isolierglaseinheit versiegelt ist, bewirkt die innere Belastung einen Druck auf die Scheiben und verformt sie. Wenn sich die Scheiben verformen, ändert sich das Innenvolumen. Die Änderung des inneren Volumens hängt mit dem inneren Druck zusammen und wird durch die Mendelejew-Clapeyron-Gleichung beschrieben. Da sich die Temperatur in diesem Fall nicht wesentlich mit dem Volumen und dem Druck ändert, können wir die Temperatur als konstant betrachten. Vergrößert sich also das Innenvolumen, sinkt der Innendruck. Das Auftreten von Verformungen wirkt sich auf die Belastung aus. Dieser Druck wird gleichzeitig auf zwei Arten wahrgenommen. Ein Teil der Belastung wird durch den Verformungswiderstand der Gläser aufgenommen, ein anderer Teil wird durch die Veränderung des Gasvolumens bei der Verformung der Gläser kompensiert.

Man geht davon aus, dass bei konventionellen Isoliergläsern nur die äußere Scheibe den Windlasten ausgesetzt ist (die inneren Scheiben sind aufgrund ihrer tragenden Eigenschaften "parasitär" und sollen nur die thermische Leistung der Isoliergläser beeinflussen). Diese Aussage trifft zu, wenn die Glaseinheit an allen Seiten mit einem Gelenk versehen ist.

Die Idee hinter der hochfesten Isolierverglasung ist es, die inneren Scheiben der Isolierglaseinheit zu zwingen, sich am Gesamtwiderstand gegen die Windlast zu beteiligen. Mit anderen Worten: Die herkömmliche Isolierglaseinheit wird von mehrschichtig, bei der die Scheiben frei gegeneinander gleiten können, zu röhrenförmig, bei der die Scheiben in einem größeren Abstand starr miteinander verklebt werden und mit einem Pultrusionsprofil ausgesteift. So wird eine strukturelle Erhöhung der Steifigkeit der Isolierverglasung durch die Modifikation herkömmlicher Isoliergläser erreicht, indem das Sekundärdichtungsvolumen durch ein starr verklebtes rechteckiges Pultrusionsprofil ersetzt wird.

Methoden zur Berechnung des Spannungs-Dehnungszustandes von Glas in einer konventionellen Isolierglaseinheit (z.B. SJ MEPLA) basieren auf der Annahme einer gelenkartigen Randbefestigung und können nicht zur Berechnung der von Aestech hergestellten Isoliergläser verwendet werden, da zur Berechnung hochfester Isolierglaseinheiten eine praktisch starre Befestigung verwendet werden muss. Vor der Berechnung einer Isolierverglasung muss jedoch die klimatische Belastung — der Überdruck in der Isolierverglasung — berechnet werden.

Auf der Grundlage der Daten, die mit der Methodik zur Berechnung des Überdrucks von Isolierglas gewonnen wurden, wie sie in dem Artikel von A. Kurenkova, A. Kuzmenko und O. Kurenkova "Isilierverglasungen Formel für Hochhäuser" (Engineering and Construction Journal, Nr. 8, 2011) beschrieben ist, wurde die statische Festigkeit unter dem Einfluss der klimatischen Belastung sowie die statische Festigkeit unter dem Einfluss der klimatischen Belastung bestimmt.

А. Kurenkova, A. V. Kuzmenko und O. M. Kurenkova stellen in ihrem Artikel "Isilierverglasungen Formel für Hochhäuser" (Engineering and Construction Journal, Nr. 8, 2011) Daten vor, die mit der Methode zur Berechnung des Überdrucks in einer Isolierglaseinheit ermittelt wurden. Auf ihrer Grundlage haben wir die statische Festigkeit von Isolierglaseinheiten unter dem Einfluss von Klimabelastung für herkömmliche Isolierglaseinheiten und Isolierverglasung mit erhöhter Festigkeit bestimmt. In diesem Zusammenhang sind folgende Aspekte relevant:

1. Die Art der Spannungsverteilung bei Einkammer-Isoliergläsern ist sehr unterschiedlich: Bei herkömmlichen Isoliergläsern sind die Eckzonen stärker belastet, bei hochfesten Isolierverglasungen die Randzonen.

2. Das Spannungsniveau im inneren Glas einer hochfesten Isolierglaseinheit ist etwa 20% höher als das einer herkömlichen Isolierglaseinheit, was die Idee bestätigt, dass das innere Glas zur Gesamtbelastbarkeit beiträgt.

3. Unter dem Einfluss der klimatischen Belastung in der hochfesten Isolierglaseinheit biegt sich die äußere Scheibe (mit größerer Dicke) etwa 20 % weniger durch als in der herkömlichen Isolierglaseinheit, und die innere Scheibe (mit geringerer Dicke) biegt sich etwa 10 % mehr durch als in der herkömmlichen Isolierglaseinheit.

Daher kann eine Verringerung des Ausmaßes der Linsenbildung entweder durch Vergrößerung der Dicke des äußeren Glases bei Isolierglas oder durch hochfesten Isolierglaseinheit erreicht werden. Das beweisen die Fassadensysteme von Aestech, die großformatige Isolierverglasungen mit erhöhter Steifigkeit einsetzen. Das reduzierte Maß an optischen Verzerrungen ermöglicht es, dass die tatsächliche Konstruktion mit der architektonischen Lösung übereinstimmt und die Reflexion der Umgebung fast ohne sichtbare Verzerrungen gewährleistet. 

Ein weiterer wichtiger Faktor, der nicht übersehen werden darf und dem Verbraucher verborgen bleibt, ist die Installation der Isoliergläser.

Ein Beispiel: Bei der Kontrolle eines der Objekte wurde bei einer Außentemperatur von 25 Grad eine deutliche Verkleinerung des Glaszwischenraums festgestellt. Dies deutet nur darauf hin, dass die Isolierverglasung (die recht groß ist — etwa 4 m²) horizontal gestapelt wurde, ohne die Durchbiegung des oberen Glases auszugleichen. Und was wird im Winter passieren? Über welche Art von Wärmephysik kann man da sprechen?

Einkammer- oder Zweikammerisolierverglasung?

Die Leistung von Isolierglas mit zwei Kammern unterscheidet sich zwischen warmem Wetter und Winter. Bei sinkender Temperatur nimmt die Linsenbildung der Zweikammer-Isolierglaseinheit im Vergleich zur Einkammer-Variante zu. Der Grund dafür ist ein starker Rückgang des Partialdrucks des Gases (Luft oder Argon) in der ersten Kammer bei niedrigen Temperaturen, d. h. der Effekt der Temperaturverzerrung. Wenn die Fläche eines Zweikammer-Isolierglases größer als 3 m² ist und das Seitenverhältnis weniger als 2:1 beträgt, nimmt sein Wirkungsgrad ab. In der warmen Jahreszeit ist dies nicht der Fall. Die Muster von 350x350 mm sind ebenfalls in Ordnung.

Zum besseren Verständnis wird die Funktionsweise der Einkammer- und Zweikammerisolierglaseinheit in einem vereinfachten Diagramm dargestellt. Es werden dieselben Glasdicken und Abstandshaltergrößen verwendet. In Wirklichkeit können die Gläser unterschiedlich sein, insbesondere mit verschiedenen Beschichtungen und Tönungen, und auch die Abstandshalter sind in der Regel unterschiedlich, aber das Diagramm ist auf ein Minimum vereinfacht, um den Prozess zu verstehen.

In den letzten Jahren hat sich die thermische Leistung von Einkammer-Isolierglaseinheiten drastisch verbessert, die in vielen Fällen in Bezug auf die Energieeffizienz direkt mit Zweikammerverglasungen konkurrieren können, aber auch ein geringeres Gewicht, eine reduzierte Verglasung und niedrigere Kosten für den Einbau und das Profilsystem aufweisen.

Wir plädieren keineswegs für den völligen Verzicht auf Zweikammer-Isolierglaseinheiten, shttps://aestech.com/en/news/energy-efficiency-of-transparent-enclosing-structureshttps://aestech.com/uk/news/enerhoefektyvnist-svitloprozorykh-ohorodzhuvalnykh-konstruktsiiondern empfehlen, die Verglasung nach den Grundsätzen der angemessenen Angemessenheit zu prüfen. Schließlich arbeiten die Wissenschaftler und Ingenieure ständig daran, die Qualität der Lösung zu verbessern und damit Geld für den Bauherrn zu sparen.

AutorInnen:
Aestech Engineering Team