Durchbruchsicherheit von Überkopfverglasungen

Entwicklung eines Nachweisverfahrens für betretbare Verglasungen in der Schweiz

Text: Dr.-Ing. Thiemo Fildhuth (HSLU) / Bilder: Florian Budde (HSLU)

Horizontale Verglasungen sind in der Regel zur Reinigung und Wartung betretbar; bei ihnen muss daher die Durchbruchsicherheit (Hinweis: Im SIA-Merkblatt 2057 wird bislang der Begriff «Durchsturzsicherheit» verwendet) nachgewiesen werden. Im SIA-Merkblatt 2057 «Glasbau» [1] wird hierfür kein spezifisches Nachweisverfahren vorgegeben, es heisst dort jedoch: «Die Durchsturzsicherheit einer auf der Verglasung befindlichen Person ist projektspezifisch zu berücksichtigen. Wenn nötig, kann die Durchsturzsicherheit durch entsprechende Massnahmen (z.B. konstruktiv, rechnerisch oder durch Versuche) nachgewiesen werden.»
Hingegen wird im SUVA-Factsheet Nr. 33027 eine dynamische Einwirkung (z.B. Belastungsversuch) für den Nachweis durchbruchsicherer Dachflächen gefordert. Bindende Basis dafür ist die Bauarbeitenverordnung BauAV (SR 832.311.141:2024) [2]. Darin wird festgehalten, dass eine durchbruchsichere Dachfläche «[…] allen Belastungen standhält, die während der Ausführung von Arbeiten auftreten können.» (Art. 2c.). Bei nicht durchbruchsicheren Flächen, Bauteilen und Abdeckungen sind Abschrankungen anzubringen oder andere Massnahmen zu treffen, damit sie nicht versehentlich begangen werden. Nötigenfalls sind sie mit tragfähigen Abdeckungen oder Laufstegen zu überbrücken. Auf dieser Grundlage wird von der Suva unter anderem  gefordert, dass alle zu Reinigungs- und Wartungszwecken oder während Bauarbeiten betretbaren  Dachbauteile und Materialien eine dynamische Einwirkung ohne Bruch überstehen. 

Die Aufprallenergie muss dabei 1200 Joule betragen, damit ein Bauteil als durchbruchsicher gilt. Für Lichtkuppeln und Dachlichtbänder aus Kunststoff oder Faserzement-Wellplatten wird der vertikale Stosstest mit einem 50 kg wiegenden, sphärokonischen Sack und einer Fallhöhe von 2,4 m durchgeführt (Basis: SN EN 1873, SN EN 596, siehe Tabelle 1, sowie GS-Bau 18 [4]). Glas wird zwar nicht spezifisch erwähnt, fällt aber unfallversicherungstechnisch momentan unter dieselbe Kategorie. Die Pendelschlagverfahren mit Doppelreifen nach den Normen SN EN 12600 [5] oder DIN 18008-6 [6] belegen gemäss Suva im Übrigen keine Durchbruchsicherheit.

 

Die hierüber beschriebene Situation führt bei zahlreichen Beteiligten der Wertschöpfungskette des Glas-, Fassaden- und Metallbaus in der Schweiz zu erheblichen rechtlichen und technischen Unsicherheiten, was die Bemessung und den Nachweis von Überkopfverglasungen betrifft, die zu Reinigungs- und Wartungszwecken betreten werden können. Gemäss der Regelung der Suva für allgemeine Dachflächen wären für solche betretbaren Glasflächen stets dynamische 1200-Joule-Stossversuche durchzuführen, was einen hohen Aufwand darstellt. Da die Bauteile nach jener Vorgabe den Stoss ohne Bruch überstehen müssen, kann der Vorteil der Resttragfähigkeit von Verbundsicherheitsglas im gebrochenen Zustand nicht gezielt genutzt werden. Es gibt bislang auch keine Simulationsverfahren, um den weichen Impakt von Stössen mit Kugelsäcken, wie sie in der Schweiz anzuwenden sind, rechnerisch abzubilden und somit in Teilen auf Versuche verzichten zu können.
Da Metall-Glas-Konstruktionen auch in der Metallbaubranche eine wichtige Rolle spielen, hat diese Thematik auch für Metallbauunternehmungen eine hohe Relevanz.

Forschungs- und Entwicklungsvorhaben

Um die oben beschriebene Situation zu ändern und eine konkrete Basis für ein übergreifendes, schweizweit anwendbares Nachweisverfahren der Durchbruchsicherheit von Überkopfverglasungen zu schaffen, haben die Hochschule Luzern HSLU als Forschungseinrichtung, die Verbände SFV-SIGAB, AM Suisse / Metaltec Suisse sowie der Verband Gebäudehülle Schweiz als Interessenvertreter der Glas-, Fassaden und Metallbaubranche, die Unfallversicherung Suva, der SIA und das Ingenieurbüro Lüchinger Meyer Partner AG ein von der Innosuisse gefördertes Forschungs- und Entwicklungsprojekt initiiert, das im November 2025 begonnen hat und über zwei Jahre laufen wird. Das Projekt verfolgt folgende Ziele:
• Gemeinsame Erarbeitung des Konzepts für eine geeignete, wirtschaftliche und effiziente Nachweismethodik für Glas, das zu Reinigungs- und Wartungszwecken betreten werden kann. Vorgesehen ist ein fallabhängiges, mehrstufiges Verfahren mit rechnerischen, tabellarischen und versuchsgestützten Nachweismöglichkeiten.
• Festlegung eines geeigneten Stosskörpers und Fallhöhe für versuchsgestützte Nachweise;
• Erarbeitung / Wahl eines numerischen Simulationsverfahrens für weiche Stösse auf Glas unter Berücksichtigung geeigneter Stosskörper, wie beispielsweise dem in der Schweiz und international verbreiteten sphärokonischen Sack mit Glaskugelfüllung;
• Vorschlag vereinfachter analytischer Berechnungsverfahren, sofern solche sinnvoll machbar sind;
• Erstellung einer Liste von Standard-Glasformaten und -aufbauten, die ohne weiteren rechnerischen Nachweis als durchbruchsicher gelten können.
• Formulierung entsprechender Empfehlungen zum Nachweisverfahren.

Schutzziel ist dabei stets das Verhindern des Durchbrechens / Durchstürzens einer auf dem Glas befindlichen Person sowie der Schutz unterm Glas anwesender Menschen vor herunterfallenden Bruchstücken oder ganzen Bauteilen.
Um diese Ziele zu erreichen, sind unter anderem umfangreiche Versuchsprogramme an entsprechenden Glasbauteilen sowie parallele, vergleichende numerische Simulationen im Projekt vorgesehen. Weltweit gibt es dabei eine Vielzahl an Verfahren zum Nachweis der Durchbruchsicherheit, wie Tabelle 1 und Abbildung 4 zeigen. Dabei kommen für Versuche meist mit Glaskugeln, Sand oder Schrot gefüllte Säcke verschiedener Form als Stosskörper zum Einsatz. Während deren Gewicht typischerweise 45 kg oder 50 kg beträgt, werden Themen wie Fallhöhe beziehungsweise Stossenergie und der Umgang mit einer möglichen Resttragfähigkeit nach einem Bruch überall unterschiedlich gehandhabt. In Deutschland wird hingegen ein 50 kg schwerer Doppelreifen als Impaktor verwendet, der im Vergleich zu Kugelsäcken einen eher elastischen Stoss erzeugt. Dort gibt es auch ein an Doppelreifen-Stossversuche angepasstes, genormtes rechnerisches Konzept für Nachweise mit statischen Ersatzlasten sowie für dynamisch-transiente Stosssimulationen mittels FEM. Während statische Ersatzlasten nur konservative, weniger wirtschaftliche Ergebnisse bei der Glasbemessung erzielen, erlaubt die dynamische-transiente Stosssimulation eine deutliche bessere Ausnutzung des Glases, setzt aber das Vorhandensein entsprechender Software voraus.  

 

Bisherige Untersuchungen

Voruntersuchungen, die an der HSLU unter anderem im Rahmen von zwei Bachelorarbeiten und einer Masterarbeit durchgeführt worden sind, zeigen erhebliche Unterschiede zwischen den Auswirkungen unterschiedlicher Stosskörper auf (Abbildung 3). So erzeugt ein 50 kg schwerer Sandsack beim Aufschlag eine um das 1,5-Fache höhere Zugspannung im Glas als ein sphärokonischer Sack gleichen Gewichts mit Leinenhülle. Für 700 mm Fallhöhe ist das als Beispiel ein Unterschied von 50 MPa. Bereits die Wahl einer steiferen Hülle für den ansonsten identischen sphärokonischen Kugelsack zeigt erhebliche Unterschiede bei den Spannungsergebnissen im Glas: Mit einer Hülle aus Plane ergeben sich um ein Drittel höhere Spannungen als für eine weiche Leinenhülle. Dies zeigt deutlich, dass der Wahl eines geeigneten Stosskörpers und dessen exakter Definition eine grosse Bedeutung zukommt, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten und um sicher und wirtschaftlich bemessen zu können. Der Stosskörper muss zudem typische Stösse, wie sie auf einem betretbaren Glas beispielsweise durch ein Stürzen von Personen auftreten, sinnvoll abbilden können. Hierbei gibt es Unterschiede zu den Stössen, die auf vertikale, absturzsichernde Verglasungen wirken. 

 

 

Abschliessend soll im Projekt bewertet werden, welche kosten- und materialtechnischen Auswirkungen das angestrebte Nachweisverfahren haben kann, beispielsweise durch eine wirtschaftlichere Bemessung von Überkopfverglasungen oder durch eine Verringerung des Materialverbrauchs und somit des Carbon-Footprints durch Erzielung geringerer Glasdicken und dazu passender Konstruktionen für die Glasauflagerung. Auch Unterkonstruktionen aus Metall müssen möglichen Stosslasten standhalten und profitierten somit von einer klar geregelten Bemessung für stossartige Einwirkungen.  

 

 

Referenzen

[1] SIA 2057: 2021 Glasbau. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein (Hrsg.), SNR 592057:2021 de, Zürich, 2021.
[2] 832.311.141 Verordnung über die Sicherheit und den Gesundheitsschutz der Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer bei Bauarbeiten (Bauarbeitenverordnung, BauAV) vom 18. Juni 2021 (Stand am 1. Januar 2024)
[3] SUVA-Factsheet Durchbruchsichere Dachflächen (2022). SUVA – Bereich Bau (Hrsg.), Luzern, 2022.
[4] GS-Bau 18:2024-12. Grundsätze für die Prüfung und Zertifizierung der bedingten Betretbarkeit oder Durchsturzsicherheit von Bauteilen bei Bau- oder Instandhaltungsarbeiten. DGUV Test Prüf- und Zertifizierungsstelle, Fachbereich Bauwesen. Haan, 2024.
[5] SN EN 12600: 2003-06. Glas im Bauwesen – Pendelschlagversuch – Verfahren für die Stossprüfung und die Klassifizierung von Flachglas. Zürich, 2003.
[6] DIN 18008-6: 2018. Glas im Bauwesen – Bemessungs- und Konstruktionsregeln – Teil 6: Zusatzanforderungen an zu Instandhaltungsmassnahmen betretbare Verglasungen und an durchsturzsichere Verglasungen. DIN Media GmbH. Berlin, 2018.
[7] DIN 18008-4:2024-12. Glas im Bauwesen – Bemessungs- und Konstruktionsregeln – Teil 4: Zusatzanforderungen an absturzsichernde Verglasungen. DIN Media GmbH. Berlin, 2024.  ■