Ausgangspunkt für diese Innovation war schlicht die Fragestellung, ob es möglich sei, gläserne Tragprofile mit vergleichbaren Sicherheitseigenschaften wie jenen bei Stahl, Beton und Holz bekannten, herzustellen und diese im Hochbau einzusetzen. Die Arbeit dieses Projekts wurden von mir während meiner wissenschaftlichen Tätigkeit in den Jahren 1998 bis 2002 als Projektleiter im Auftrag und in Zusammenarbeit mit dem Instituts für Baukonstruktion an der Universität Stuttgart sowie der Schott Rohrglas GmbH, Mitterteich durchgeführt. Die Ergebnisse wurden patentiert und daraufhin vielfach veröffentlicht. Mit der erstmaligen Anwendung dieser neuartige Glasrohre mit Sicherheitseigenschaften wurden bei der Atriumsfassade des Bürogebäudes am Tower Place (Arch.: Foster und Partners) in London 2002 herkömmliche 4m lange Stahlrohre ersetzt und damit technisches-gestalterisches Neuland betreten.

Skelett aus Glas - Verbundglasrohre als konstruktives Element

Vielleicht ist es nur ein folgerichtiger Entwicklungsschritt nun auch Rohrgläser mit jenen Sicherheitseigenschaften auszustatten, die eine unbedenkliche Anwendung in Tragstrukturen erst möglich machen. Bei näherer Betrachtung wird jedoch deutlich, dass es sich bei Verbundglasrohren nicht nur um ein Bauprodukt handelt, welches dazu gedacht ist in Konkurrenz zu anderen Glasprodukten einfach ein weiteres hinzu zu fügen. Interessant ist vielmehr, dass neben der "Fläche aus Glas" (Flachglasscheiben, Verbundsicherheitsglasscheiben) mit konstruktiven Elementen aus Verbundglasrohren nun auch die "Achse aus Glas" beim Entwerfen und Konstruieren zur Verfügung steht und es sich hierbei um etwas schlicht gänzlich Neues handelt. Während bei anderen Materialien, wie Stein, Holz, (Stahl-)Beton, Stahl und Kunststoffen seit jeher flächige und stabförmige Bauteile gleichermaßen hergestellt werden können, um damit z.B. Skelettbauten zu erstellen, ist der konstruktive Glasbau, strukturell noch dem "Bauen mit Scheiben und Wänden", genauer dem transparenten Massivbau verhaftet. Verbundglasrohre erweitern das architektonische Repertoire also erheblich, denn damit lassen sich nun echte Glas-Skelettbauten realisieren. Verbundglasrohre verfügen z.B. in ihrer runden, axialsysmmetrischen Form, über optimale statische Eigenschaften. Sie eröffnen vielfältigste gestalterische Möglichkeiten im Umgang mit Licht, Farbe und Raum. Damit wird klar, dass die hohe Transparenz und das in schlanken Linien reflektierende Licht über das baukonstruktive Thema ästhetischen Anliegen von Architektur aufwirft.

Die Frage, ob sich Glasrohrprofile im Baugeschehen ähnlich durchsetzen werden wie dies z.B. Stahlprofile getan haben, kann hier offen gelassen werden. Mit entscheidend darüber wird sein, wie überzeugend es Architekten und Ingenieuren gelingt für Verbundglasrohre besonders geeignete Tragstrukturen zu entwickeln und diese in das jeweilige architektonische Gesamtkonzept zu integrieren und sich daraus eine für den Aufbau von Produktionslinien erforderliche Nachfrage ergibt.

Im folgenden sollen die für den planerischen Umgang mit Verbundglasrohren wichtigsten Aspekte näher betrachtet werden.


Herstellung von Glasrohren

Die Herstellung von Glasrohren scheint denkbar einfach. Flüssiges Glas fließt der Schwerkraft folgend über eine sich drehende Pfeife, die von innen mit Blasluft beschickt wird. Der so entstehende Glasschlauch wird von einer Ziehmaschine erfaßt und in die Länge gezogen und auf einem Förderband kontrolliert abgekühlt. Für Durchmesser von 50 mm bis ca. 100 mm geschieht das Ziehen in horizontaler Richtung (Vellozugverfahren), weshalb für geringe Durchmesser theoretisch beliebig lange Glasrohre hergestellt werden könnten.

Für Durchmesser über 100 bis 150 mm ist eine Umlenkung aus der Vertikalen in die Horizontale nicht mehr möglich. Das Glasziehen findet deshalb senkrecht in einer Ziehgrube statt (Abwärtszugverfahren). Die max. Herstellungslänge solcher Glasrohre liegt z.Zt bei ca. 4.100 mm.

Für Rohrdurchmesser zwischen 155 bis 270 mm ist die Herstellungslänge aufgrund des zunehmenden Eigengewichts und der erschwerten Handhabung der noch nicht voll erstarrten, glühend heißen Glasmasse auf max. 2.500 mm begrenzt, bei Durchmessern bis 450 mm ist die Länge max. 2.000 mm. Die Wandungsstärken können bei Rohrdurchmessern von 50 bis 270 mm von 1,8 bis 9,0 mm zu nehmen. Darüber sind auch Wandungsstärken bis 10 mm möglich.


Materialeigenschaften

Borosilikatglas, wie es beim Ziehen von Glasrohrprofilen in der Regel zum Einsatz kommt, verfügt über hervorragende Eigenschaften. Es zeichnet sich durch hohe Reinheit, Transparenz, Farbneutralität, chemische Resistenz, Temperaturwechselbe- ständigkeit und eine für mechanische Beanspruchungen unerlässliche, hohe Homogenität aus. Hinzu kommt, dass Glasrohrprofile in Bezug auf Querschnittsform (z.B. Rundheit), Wandungsdicke, Längskrümmung, etc. mit relativ geringen Toleranzen hergestellt werden können. Diese Präzision ist Voraussetzung für die Weiterverarbeitung zu konstruktiv einsetzbaren Bauteilen und für planmäßige Lasteinleitungen.


Knicken

Unter Verwendung von Glas als konstruktiven Baustoff sind in jüngster Zeit besonders innovative Architekturbeispiele entstanden, von denen einige zweifellos zu den Meilensteinen der Architekturgeschichte zählen. Diese bislang realisierten Projekte haben gemeinsam, dass Ihr Tragwerk aus Verbundglasscheiben mit vorgespannten bzw. teilvorgespannten Flachgläsern besteht. Im Gegensatz zu Flachglas, welches wegen seiner gegen Knickversagen ungünstigen Geometrie nur vergleichsweise geringe Drucklasten aufzunehmen vermag, können über Glasrohre sehr große Druckkräfte übertragen werden, bis ein Bauteilversagen eintritt. Während versucht wird, die tendenzielle Knickgefahr von Scheiben durch einen materialintensiven, mehrschichtigen Scheibenaufbau zu kompensieren, ist die Rohrgeometrie im Sinne der Leichtbauweise bei sparsamem Materialverbrauch statisch optimiert. Ein Rechenbeispiel verdeutlicht das:

Ein Borosilikat-Glasrohr (DURAN) mit Außendurchmesser 150 mm, Wandstärke 5 mm und Länge (Höhe) 4.100 mm wird senkrecht mit Lastfall 2 (Knicklänge = 1 L) gelagert und axial belastet. Die Probe knickt bei einer Last von 221.678,0 N aus. Die dabei auftretende Knickspannung beträgt 97,3 N/qmm. Aufgeschnitten und abgewickelt ergibt dieses Rohr eine Flachglasscheibe mit Breite ca. 471 mm, Wandstärke 5 mm und Höhe 4.100 mm. Wird eine solche Scheibe bei identischer Lagerung ebenfalls axial belastet, knickt diese bereits bei einer Kraft von nur 175,0 N und einer auftretenden Knickspannung von 0,077 N/qmm aus.

Die Druckkraft aus Eigenmasse beträgt bei beiden Proben 210,0 N.

Dieses Beispiel veranschaulicht, dass eine senkrecht aufgestellte, großformatige Flachglasscheibe eigentlich nicht mehr als ihr Eigengewicht zu tragen vermag, während ein Glasrohr bei gleichem Materialeinsatz um ein vielfaches leistungsfähiger und zur Übertragung von in der Bautechnik real auftretenden Kräften sehr wohl geeignet ist.


Herstellung von Verbundglasrohren

Die Herstellung von Verbundglasrohren wird durch Längsteilung des äußeren Glasrohres und ab einer Länge über 1.500 mm auch Querteilung erst ermöglicht. Die optisch kaum wahrnehmbaren "Herstellungsfugen" dienen zugleich der Ableitung von Zwängungskräften innerhalb des mehrschichtigen Gefüges bei Temperaturwechseln. Nur so lassen sich für die Anforderungen im Bauwesen hinreichend beständige Konstruktionselemente aus Verbundglasrohren herstellen.

Aus den theoretisch möglichen Lösungswegen zum Verbundglasrohr hat sich letzlich eine neuartige Modifikation des Autoklav-Verfahrens als das sicherste erwiesen. Nach dem Vorverbund der (Vakuum) Einzelteile werden unter Verwendung von zäelastischen, transparenten Polymer-Folien (Polyvinylbuteralharz oder Polyurethan) das Glasrohr und koaxial geführte Glasrohr- Halbschalen unter Hitze und Druck praktisch unlösbar miteinander verbunden. Der Verbund beider Glasrohre, bei dem das innere trägt und das äußere schützt, wirkt im Bruchfall splitterbindend und formstabilisierend, was einer von mehreren Faktoren für den besonderen Sicherheitscharakter von Verbundglasrohren ist.

Dieses Verfahren stellt zugleich sicher, dass die eingangs erwähnten hervorragenden Materialeigenschaften von Glasrohren auch bei Verbundglasrohren weitestgehend erhalten bleiben, wodurch die an konstruktive Elemente aus Glasrohren im Bauwesen zu stellenden Anforderungen erfüllt werden können. (Abb.: Satz der Einzelteile eines Verbundglasrohres)


Kraftübertragung

Die hohe Leistungsfähigkeit eines Verbundglasrohres wird jedoch nicht allein von der Verbundwirkung im Normalquerschnitt des Profils bestimmt. Erst in Verbindung mit einem eigens dafür entwickelten und mit spezifischen Merkmalen ausgestatteten Glasrohr-Endbauteil kann die enorme Leistungsfähigkeit der Verbundglasrohre als Systembauteil voll entfaltet werden. Endbauteile für konstruktiv eingesetzte Glasrohre bestehen prinzipiell aus drei Hauptbaugruppen:

Einer Basisplatte, einem die Kräfte bündelndes Zentrierstück und einem vorzugsweise gelenkig ausgebildeten Schnittstellenbolzen für den Anschluß an das Bauwerk oder andere Bauteile.

Wesentlich für die Funktionstüchtigkeit sind Materialbeschaffenheit und Formausbildung der Basisplatte, die spezielle Bearbeitungstechnik des Glasrohrendes und die direkte (!) - somit von den bisherigen Lehrsätzen der Flachglaslagerung abweichende - Lagerung des Glasrohrendes auf der Basisplatte. Sind diese Voraussetzungen alle erfüllt, können Verbundglasrohre vergleichbare Kräfte wie Stahlrohre übertragen.


Tragfähigkeit

Glasrohrprofilen können problemlos mit mindestens 400 N/qmm axialen Druck belastet werden. Serienprüfungen haben ergeben, dass es bei diesen Belastungen zu keinen Versagensfällen kommt. Diese treten erst bei weit höheren Spannungen auf, mitunter erst bei annähernd 1.000 N/ qmm (!) Druckbelastung.
Daraus leitet sich für die Bemessung unter konservativsten Annahmen eine zulässige Druckspannung von 60 N/qmm als Rechenwert ab, wobei hier mehrfache Sicherheit bereits enthalten ist. Bei der max. zulässigen Zugspannung beträgt dieser Wert 7 N/qmm.

Damit kann beispielsweise ein Glasrohr von 200 mm Außendurchmesser und 9 mm Wandstärke (Kontaktfläche 5.400 qmm) ca. 33 Tonnen Last aufnehmen (330 KN). Dies entspricht der Lastaufnahme bei einem Flachdach mit einem Stützraster von 10 x 10 m (Einzugsfläche 100 qm) und einem Flächengewicht von 2,5 KN/ qm zzgl. 0,75 KN/qm Schneelast (Gesamt 3,25 KN/qm).


Sicherheit

Tragfähigkeits- und Sicherheitsversuche an der Fachhochschule Mänchen und der Staatlichen Materialpräfanstalt der Universität Stuttgart haben bestätigt, dass Verbundglasrohre selbst bei massiver Beschädigung äußerst leistungsfähig bleiben und eine alle Erwartungen äbertreffende Reststandsicherheit aufweisen. So können z.B. Verbundglasrohre die mit Stahlstäben mehrfach durchbohrt wurden (Beschusssimulation) oder mit einer 10kg schweren Stahlkugel aus 1 Meter Fallhöhe (Pendelschlagversuch) öfter als ein dutzend mal getroffen wurden immer noch mit voller Bemessungslast beaufschlagt werden. Die Reststandsicherheit bleibt dennoch gewährleistet.


Kompatibilität

Ein wichtiger Aspekt für die Anwendungs- und Gestaltungsmöglichkeiten von Verbundglasrohren ist die Kompatipilität mit anderen bereits im Bauwesen eingeführten Konstruktionskomponenten, wie z.B. End-, Verbindungs- und Knotenbauteilen. Je nach Aufgabenstellung können solche Bauteile eine geeignete Alternative zur projektspezifischen Serienfertigung sein. (Abb.: Glas-Skelett; mit "Mero"-Raumfachwerk-Knoten)


Integration weiterer Systeme und Funktionen

Der besondere Vorteil von Glasrohren bzw. Verbundglasrohren gegenäber z.B. Stahlrohren ist die Transparenz und die Lichtreflexionen an der Glasoberfläche. Es ist deshalb naheliegend, diese optischen Qualitäten als Gestaltungsanlaß zu sehen und weitere technische Funktionen zu integrieren, die auf der Transparenz aufbauen. In der Entwicklung sind im Endbauteil integrierbare Leuchtmittel, in der Verbundschicht eingearbeitete Funktionsträger wie LED-Licht- quellen und Displays, Bedruckungen und Beschichtungen mit farbigen, lichtstreuenden oder ornamentalen Eigenschaften u.a.m.

Aus baukonstruktiven oder funktionellen Gränden kann die Vorhaltung von Molekularsieb-Depots oder die Führung von gasförmigen oder flässigen Medien (z.B. Brandschutz- konzepte) sinnvoll sein. Fär den Fall, daß mit einem Systembauteil mit Verbundglasrohr abwechselnd hohe Druck- und Zug- bzw. Biegezugkräfte übertragen werden müssen, kann im Zentrum der Basisplatte ein Anschlußkanal vorgesehen werden, in den ein Zugseil oder stab integriert und vorgespannt werden kann.


Gestaltungs- und Anwendungsmöglichkeiten

Der Anwendung konstruktiver Elemente aus Glasrohrprofilen stehen in den Bereichen Technik, Architektur und Design vielfältige Möglichkeiten offen, die es im einzelnen noch zu entdecken gilt. Verbundglasrohre sind gegenwärtig in kreisrunder Form in verschiedenen Außendurchmessern (z.B. 100 mm, 165 mm, 183 mm) mit einer Länge bis zu 4.100 mm herstellbar, wodurch sich mitsamt den Endbauteilen Systemlängen von max. 4.500 mm ergeben können. Endbauteile können gestalterisch durchaus vielfältig ausgeformt sein, so z.B. monolithisch oder skelettiert, zylindrisch, konisch, pyramidal etc.. Entscheidend für die Tragfunktion sind die praktisch verformungsfreie Dimensionierung der Basisplatte des Endbauteis, die hohe Festigkeit und Fertigungsqualität und Präzision sowie die systematische Abstimmung sämtlicher Einzelteile und Fertigungsabläufe aufeinander.

Die weltweit erste Anwendung Konstruktiver Elemente aus Glasrohrprofilen im Hochbau ist die Atriumsfassade des Bürogebäudes Tower Place in London von Foster und Partners, die im September 2002 fertiggestellt wurde. Hier leiten ca. 40 je vier Meter lange, zentrisch vorgespannte und im Raster von 12 x 12 m angeordnete Systembauteile mit Verbundglasrohren die auf die membranartige Hängefassade einwirkenden Windkräfte (Druck- und Sogkräfte von + - 50KN pro Element) in das Primärtragwerk ein. Deshalb sind die in diese Bauteile mit je 75 KN vorgespannte Stahlseile integriert. Die Schlankheit dieser Systembauteile beträgt in etwa Faktor 24 ! (Abb.: Fassade Tower Place.).

Von derart spektakulären Tragwerkselementen konnten Architekten im letzten Jahrhundert hingegen nur träumen, obwohl es seinerzeit bereits eine kurze Episode gab in der Glasrohrprofile im Bauen verwendet wurden. Bekanntestes Beispiel sind die "Glasröhrenfenster" im Hauptverwaltungsgebäude der S.C Johnson and Son Company in Racine/Wisconsin 1936-1939 von Frank Lloyd Wright. Die damals als ornamentale, tageslichtstreuende, mit Glasröhren gestalteten Bauteile hatten jedoch keine strukturelle Funktion. Nicht zuletzt weil Sicherheitsaspekte damit nur unzureichend abgedeckt werden konnten, gerieten diese frühen Beispiele von Glasrohrprofilen in der Architektur wieder in Vergessenheit. Ungeachtet dessen sind für Architekten und Ingenieure Ludwig Mies van der Rohes Visionen für ein gläsernes Hochhaus von 1919-21 - obwohl von vielen in dieser Konsequenz für "niemals realisierbar" gehalten - bis heute lebendig.

Mit der jüngsten Entwicklung von Verbundglasrohren stehen wir heute vor einer ganz anderen Situation. Die Bedeutung "Konstruktiver Elemente aus Glasrohrprofilen" für die Architektur im 21. Jahrhundert kann jetzt neu entdeckt werden. Flachglas und Rohrprofilglas können sich in der Architektur synergetisch ergänzen, wodurch sich die Vorzüge des Skelettbaus im konstruktiven Glasbau erst voll ausschöpfen lassen. Verbundglasrohre können so zu einer echten Bereicherung werden und das Bauen den kühnsten Architektur-Visionen ein großes Stück näher bringen.

Joachim Achenbach

Anmerkung zum Verfasser :
Dipl.-Ing. Joachim Achenbach ist Freier Architekt BDA und war von 1992-1999 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Baukonstruktion der Universität Stuttgart. Er leitete des Forschungs- und Entwicklungs- vorhaben "Konstruktive Elemente aus Glasrohrprofilen", welches in den Jahren 1998-2002 im Auftrag der Schott Rohrglas GmbH Mitterteich, Dr. rer. nat. habil. Fritz-Dieter Dönitz und Dipl.-Ing. Herbert Jung und in Zusammenarbeit mit dem Institut für Baukonstruktion, Lehrstuhl 2 Prof. Stefan Behling durchgeführt wurde.