A r c h i t e c t u u r & o n t w e r pGlasconstr uc tiescement 2008 2 9ir. F.P. Bos, TU Delft, Faculteit BouwkundeGlas is een onveilig materiaal voor bouwkundige con-structies. Toch is er in de normen en de literatuur op hetgebied van constructief glas opvallend weinig te vindenover veiligheidsbenaderingen. Desalniettemin dimensio-neren constructeurs niet alleen op sterkte, maar nemenze ook robuustheid en reststerkte op in hun ontwerpen.Door een enqu?te en interviews met een aantal experts,onderzocht de auteur de benaderingen die in de praktijkgehanteerd worden. Hoewel de uitgangspunten in grotelijnen gelijk bleken, laat de uitwerking daarvan in depraktijk belangrijke verschillen zien. Vooral de matewaarin expliciet en kwantitatief eisen worden gesteld,loopt uiteen.Dat glas van zichzelf een onveilig materiaal is voorbouwkundige constructies, is algemeen bekend. Deafwezigheid van mechanismen om spanningen teherverdelen maakt glas extreem gevoelig voor zowelmicro- als door macroscopische beschadigingen. Ertreedt daardoor een grote spreiding in praktischesterkte op. Bovendien gaat er aan breuk geen waar-schuwende mate van (plastische) vervorming voorafen loopt een scheur vaak volledig door als hij een-maal gestart is.Zowel in de normen als in de literatuur over con-structief glas, is er opvallend weinig over veilig-heidsbenaderingen te vinden. Desalniettemin blij-ken constructeurs niet alleen op sterkte te dimensi-oneren, maar ook robuustheid en reststerkte in tebouwen in hun ontwerpen (foto 1, 2, 3). Welke uit-gangspunten zij daarbij hanteren en in hoeverredeze overeenstemmen, blijft echter onduidelijk.Om inzicht hierin te krijgen, voerde de auteur eenenqu?te uit onder glasconstructeurs, gevolgd doorinterviews met Rob Nijsse (RN), Graham Dodd(GD), Tim Macfarlane (TM) en Frank Wellershof(FW). Hoewel de uitgangspunten in grote lijnengelijk bleken, laat de uitwerking daarvan in de prak-tijk belangrijke verschillen zien.E n q u ? t eDe enqu?te, bestaande uit vijf vragen, is uitgezetonder enkele tientallen constructeurs en onderzoe-kers op het gebied van constructief glas. In totaalhebben 21 personen de enqu?te ingevuld (tabel 1).Een glasconstructie moet restdraagvermogen bezit-ten, dat wil zeggen dat breuk van een glaslaag nietdirect tot bezwijken mag leiden. Dit uitgangspuntBenaderingen uit de praktijkVEILIG CONSTRUERENMET GLAS1 |Glazen dak in ING-kan-toor, Budapest, 1994.Glasconstructie: ABT.Ligger: overspanning4,5 m, drie lagen (8-12-8 mm), gelamineerd metPVB, combinatie vangehard en ongehard glasTabel 1 | Achtergrond van de respondenten van de enqu?teberoepsgroep # resp. land waarin werkzaam # resp.A ingenieur bij een adviesbureau 12 Duitsland 8B ingenieur bij een gevelbouwer 5 Frankrijk 1C onderzoeker 4 Nederland 7Verenigd Koninkrijk 3Verenigde Staten van Amerika 1Zwitserland 1totaal 21 totaal 21A r c h i t e c t u u r & o n t w e r pGlasconstr uc ties10 cement 2008 2(vraag 1) wordt door vrijwel iedere respondentgehanteerd. Een kwantitatieve, algemeen geaccep-teerde invulling van dit begrip ontbreekt echter.Enkele respondenten specificeerden dat ze reke-ning hielden met de breuk van ??n, meer of alleglaslagen in de doorsnede van een constructief gla-zen element.In de praktijk wordt reststerkte gecre?erd door hettoepassen van meerlaagse, gelamineerde elemen-ten voor vloeren (vraag 4) en liggers (vraag 2). Voorbeide typen vindt een meerderheid dat minimaaldrie lagen moeten worden toegepast, alhoewel dezemeerderheid voor vloeren (bijna 90 %) groter is danvoor liggers (ruim 50 %). Gevelvinnen (vraag 3)blijken anders te worden beoordeeld. Het kamp datminimaal een meerlaagse oplossing eist, blijkt vrij-wel even groot als de groep die een enkellaagseoplossing in bepaalde gevallen kan accepteren.De behoefte aan reststerkte be?nvloedt tevens dekeuze voor de mate van thermische voorspanningvan het glas. Het breukpatroon van ongehard enthermisch versterkt glas, dat gekenmerkt wordtdoor relatief grote brokken, wordt positief beoor-deeld ten opzichte van thermisch gehard glas datbreekt in kleine stukjes (ongeveer ter grootte vaneen dobbelsteen). Door het in elkaar grijpen van degrote brokstukken kan gebroken glas nog enige(druk)krachten overdragen. Vooral thermisch ver-sterkt glas wordt gezien als een uitstekend compro-mis tussen (lange duur) sterkte en breukgedrag.Een volledig verslag met de resultaten van deenqu?te is te vinden op www.glass.bk.tudelft.nl >projects > glass survey.I n t e r v i e w sNijsse en Macfarlane staan bekend als pioniers ophet gebied van constructief glas. Al in 1986 werkteNijsse voor ABT aan het Sonsbeek Paviljoen, eenlange glazen doos met glazen kolommen. Daarnavolgden onder meer glazen liggers in het dak vanhet ING-kantoor in Budapest (foto 1) en verschil-lende glazen bruggen in Rotterdam en Arnhem(foto 5) [1].Macfarlane werkte aan meer dan dertig glazen trap-pen, waarvan de eerste gerealiseerd werd in 1990.Daarnaast werkte hij aan verschillende projectenmet (halve) glazen portalen, zoals het BroadfieldHouse Glass Museum (1994, foto 2). Zijn bekend-ste project is waarschijnlijk de entree van hetYurakucho-metrostation in Tokio uit 1997, een 9 muitkragende glasconstructie (foto 6).Dodd is al bijna twintig jaar actief op het gebied vanconstructief glas, eerst bij Pilkington en sinds 1994bij Arup. Hij werkte onder andere aan het atrium-dak van het Wolfson Building (foto 7) in Glasgow(2002) waarin 's werelds langste glazen ligger(15,5 m) is opgenomen. Wellershof is van een jon-gere generatie. Hij promoveerde in 2006 op de sta-biliserende werking van glas in gevels en werkttegenwoordig als Team Leader Engineering bij Per-masteelisa.2 |Broadfield House GlassMuseum, 1994.Glasconstructie:Dewhurst Macfarlane.Ligger: overspanning5,7 m, drie lagen(3x10 mm), gelamineerdmet giethars, thermischgehard glas3 |Allied Irish Bank, Dublin,2007. Glasconstructie:Permasteelisa.Ligger: overspanning8,0 m, drie lagen(3x12 mm), gelamineerdmet PVB, thermisch ver-sterkt glas.Dakconstructie voorzienvan tweede draagwegmiddels kettingwerkingin de dakplatenA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pGlasconstr uc tiescement 2008 2 11Een probleem waar zowel Nijsse als Macfarlane inde jaren '80 tegenaan liep, was dat er heel weinigbekend was over de sterkte van glas. RN: "De kleinehoeveelheid beschikbare informatie suggereerdeeen treksterkte van ongeveer 40 N/mm2. Ik deeldedie door een (arbitraire) materiaalfactor van 5; datleidde tot een ontwerpsterkte van 8 N/mm2." Mac-farlane kwam via een andere weg op een vergelijk-baar resultaat. TM: "Na een lange zoektocht naareen getal voor de sterkte van glas, vond ik in eentechnisch handboek uit 1941 een waarde:70 N/mm2. Ik deelde deze door 10, een intu?tievefactor of ignorance, en hanteerde een rekenwaardevan 7 N/mm2". Opvallend genoeg liggen beidewaarden zeer dicht bij de langeduursterkte vanongehard glas volgens de pas recentelijk definitiefgeworden NEN 2608-2 [2]: 7,25 N/mm2.Sinds het begin van de jaren '90 is er discussiegeweest over de vraag welk type glas het veiligstekan worden gebruikt in glasconstructies. ZowelNijsse, Dodd als Macfarlane stelt dat de gedachtedat de kleine glasscherven waarin gehard glasbreekt niet gevaarlijk zouden zijn, achterhaald is.Ervaringen met faalgevallen laten zien dat ook uitgehard glas grote schollen kunnen vallen die pas inkleine stukjes breken na contact met een anderobject (foto 8). Testen hebben laten zien dat dezeook gevaarlijke verwondingen kunnen veroorza-ken. Het is dus beter elementen z? te ontwerpendat de glasscherven na breuk bijeengehouden wor-den. De opkomst van thermisch versterkt glas sindshet midden van de jaren `90, wordt gezien als eenpositieve ontwikkeling op het gebied van construc-tieve veiligheid, omdat dit het breukpatroon vanongehard glas combineert met de impactweerstanden tijdsonafhankelijkheid van gehard glas.FaalgevallenNijsse benadrukt dat het onzorgvuldig produceren,transporteren of monteren een van de meest voor-komende oorzaken van voortijdige breuk is. Het isdus erg belangrijk niet alleen een veilig ontwerp afte leveren, maar tevens in de uitvoeringsfase bij-zonder waakzaam te blijven. Dit pleidooi wordt vanharte ondersteund door Macfarlane en Dodd, maardeze laatste voegt toe: "Je kunt dit soort fouten nietuitbannen. Behalve fouten die per ongeluk wordenbegaan, kunnen ook tijdsdruk, financi?le druk ofgewoon onwetendheid tot cruciale fouten leiden. Ikken een geval waarbij een puntgesteund gevelpa-neel brak doordat er in een verbinding gebruik wasgemaakt van de dop van een frisdrankfles in plaatsvan de benodigde kunststof vulring. Het probleemis dat je daar niets van ziet tot het glas breekt."Constructief ontwerp en veiligheidDe algemene benadering van een project met con-structief glas verschilt enigszins tussen de ge?nter-viewden. Nijsse gaf aan dat hij begint met hetberekenen van de constructie met gebruikmakingvan de sterktes en veiligheidsfactoren zoals die doorNEN 2608-2 worden gegeven. De glaselementenmoeten vervolgens gelamineerd worden uitgevoerdwaarbij rekening wordt gehouden met breuk van??n of twee glaslagen, afhankelijk van het risico opvandalisme. Bij vandalisme aan de glazen brug bijhet kantoor van Kraaijvanger Urbis in Rotterdamwerden buitenste lagen van het dak en een dra-gende wand gebroken met stoeptegels. De gebro-ken lagen vormden een bescherming voor de bin-nenste lagen, die ongedeerd hun werk bleven doen(foto 9).4 |De ge?nterviewden,v.l.n.r.: Rob Nijsse,Tim Macfarlane,Graham Dodd,Frank Wellershof5 |Glazen brug, Burger'sBush, Arnhem, 2000.Glasconstructie: ABTA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pGlasconstr uc ties12 cement 2008 2De overgebleven glaslaag moet in staat zijn 1,1maal de momentaanbelasting te kunnen dragen.Indien die 0 is (bijvoorbeeld bij windbelasting),doet Nijsse zelf een redelijke schatting van de ver-eiste reststerkte (vaak zo'n 25% van de bruikbaar-heidsgrenstoestand).Macfarlane volgt een vergelijkbare benadering. TM:"Eerst doe je de sommetjes. Vervolgens probeer jete bedenken wat er zoal mis zou kunnen gaan enontwerp je de constructie z? dat er geen excessieveschade optreedt ?ls dat gebeurt. Het ontwerp moetniet alleen de constructieve gevolgen van glasbreukbeperken, maar ook een eenvoudige uitwisselingvan elementen mogelijk maken. Verder houd ik alsbasisregel aan dat al het glas op enig moment zoukunnen breken. Er kunnen altijd onbekende onbe-kenden zijn: situaties waarvan je niet eens ver-moedt dat ze voor kunnen komen". Macfarlane vultdeze scenariobenadering verder niet a priori kwan-titatief in, en bekijkt van project tot project hoe deveiligheid geregeld moet worden. Om met dezewerkwijze een constante kwaliteit te bereiken is eengoede kennis van glas, constructieve principes enbovenal een verantwoordelijke houding onontbeer-lijk.Juist hierin ziet Dodd een risico voor de komendejaren. GD: "De ontwikkeling van glasconstructiesbevindt zich op een kantelpunt. De pioniersfasewaarin degenen die zich met constructief glasbezighielden, zeer voorzichtig en goed onderlegdhandelden, begint achter ons te raken. Maar hetstadium van volledig begrip, vastgelegd in richtlij-nen en normen, is nog (lang) niet bereikt. Het risicobestaat dat ingenieurs, ge?nspireerd door bestaandevoorbeelden, ontwerpen over gaan nemen zonderde achtergronden volledig te begrijpen." Doddbeveelt daarom een werkwijze aan waarin de veilig-heid expliciet naar voren wordt gebracht. Bij hetontwerp van een constructief glaselement over-weegt hij alle stadia van bezwijken (1, 2, ..., n lagengebroken, waarbij n het totale aantal lagen is). Hijstelt kwantitatieve eisen aan de reststerkte in elkefase en aan de tijdsduur waarover het element diesterkte moet bezitten. Hij baseert deze eisen, netals Macfarlane, op scenariodenken (`wat kan ermisgaan?'). Deze benadering impliceert dat ookaltijd met breuk van de gehele glasdoorsnede reke-ning moet worden gehouden, alhoewel de prestatie-eisen voor die toestand soepel kunnen zijn. GD:"Ontwerpen die afhankelijk zijn van de ongebrokenstaat van minstens 1 glaslaag, vertrouw ik eigenlijkniet. Helaas kun je er in de praktijk niet altijdomheen." In een aantal projecten (zoals het Wolf-son Building) heeft Dodd dat opgelost door de dak-platen constructief te verbinden tot een hangcon-structie en zo een tweede draagweg te cre?ren,haaks op de dakliggers.In tegenstelling tot Nijsse, Macfarlane en Dodd,begint Wellershof het ontwerp van een glascon-structie door conceptueel te bepalen hoe de veilig-heid geregeld zal worden. Pas daarna volgt dedimensionering. Net als Dodd, stelt ook Wellershofkwantitatieve eisen aan de reststerkte in iedere fasevan bezwijken. FW: "De discussies (met construc-teurs, autoriteiten, enz.) ontstaan wanneer de sterk-teniveaus moeten worden ingevuld. Het probleemvan de scenariobenadering is dat het heel moeilijkis te bepalen wat nog redelijk is en wat niet. Datleidt tot willekeur tussen verschillende projecten,maar vaak ook binnen ??n project." Om te vermij-den dat dezelfde discussie steeds opnieuw gevoerdmoet worden, vindt Wellershof dat er explicieteeisen aan de reststerkteniveaus in richtlijnen zou-den moeten worden opgenomen. Een benadering6 |Luifel ingang Yurakucho-metrostation, Tokio,1997. Glasconstructie:Dewhurst Macfarlane7 |Atriumdak van hetWolfson Building,Glasgow.Glasconstructie: ArupA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pGlasconstr uc tiescement 2008 2 13zoals voorgesteld door de auteur in [5] is volgenshem een stap in de goede richting.C o n c l u s i e sDe noodzaak van het cre?ren van reststerkte inconstructief glazen elementen wordt algemeenonderschreven in de praktijk. Over de wijze waaropdit begrip kwantitatief moet worden ingevuld lopende inzichten echter soms ver uiteen. Uit de inter-views bleek dat de benadering van de veiligheids-vraagstukken van glazen constructies wel op ??nlijn ligt, maar verschilt in de mate waarin eisenexpliciet worden gemaakt. De trend lijkt zich rich-ting verdere explicitering en kwantificering vanreststerkte-eisen te ontwikkelen. Een meerderheidvond dat er ook altijd met breuk van de gehele glas-doorsnede rekening gehouden moet worden, alhoe-wel de prestatie-eisen in zo'n geval laag kunnenzijn. Thermisch versterkt glas wordt erg gewaar-deerd vanwege het breukpatroon in combinatie metgoede impact- en langetermijnsterkte. nL i t e r a t u u r1. Nijsse, R., Glass in Structures. Elements, Con-cepts, Designs. Birkh?user, 2003.2. NEN 2608-2 Vlakglas voor gebouwen ? Deel 2:Niet-verticaal geplaatst glas ? Weerstand tegenwindbelasting, sneeuw, eigen gewicht ? Eisenen bepalingsmethode. Nederlands NormalisatieInstituut, Delft, 2007.3. NEN-EN 1990 Eurocode ? Grondslag van hetconstructief ontwerp. Nederlands NormalisatieInstituut Delft, 2002.4. DIN 18008-1 Entwurf ? Glas im Bauwesen ?Bemessungs- und Konstruktionsregeln ? Teil 1:Begriffe und allgemeine Grundlagen. Deut-sches Institut f?r Normung, Berlin, 2006.5. Bos, F.P., F.A. Veer, Consequence-based safetyrequirements for structural glass members.Proceedings of the 10thGlass PerformanceDays, Tampere, Finland, juni 2007.D a n k b e t u i g i n gDe auteur bedankt alle respondenten van de enqu?-te voor hun tijd en moeite. Bovendien spreekt hijzijn dank en waardering uit voor de inzichtelijkegesprekken met Rob Nijsse, Graham Dodd, TimMacfarlane en Frank Wellershof.Deze publicatie vormt onderdeel van het proef-schrift van de auteur dat naar verwachting begin2009 gepubliceerd zal worden. Graag wijst deauteur ook op het congres Challenging Glass, datgeheel in het teken zal staan van de architectoni-sche en constructieve toepassingen van glass. Infor-matie: www.bk.tudelft.nl/challengingglass.8 |Gehard glas breekt nietaltijd direct in kleinebrokjes. Grote schollenbreken pas na contactmet een ander object(foto: C. Isselmans)9 |Vandalisme aan de gla-zen brug bij het kantoorvan Kraaijvanger Urbis,Rotterdam.Glasconstructie: ABT