Statische Anforderungen für Dach- und ... - Schletter GmbH

Statische Anforderungen für Dach- und FreiflächenmontagenDr.-Ing. Cedrik ZapfeDr.-Zapfe GmbH, Ingenieurbüro für Konstruktiven Ingenieurbau und SolartechnikPhone: +49(0)8072 9191280; Fax: +49(0)8072 91919280E-Mail: cedrik.zapfe@ing-zapfe.deInternet: www.ing-zapfe.deÜberblickPhotovoltaikanlagen zu Gewinnung von solarer Energie sind den natürlichen klimatischenUmgebungsbedingungen des Standorts ausgesetzt. Aus Wind, Schnee undTemperatureinwirkungen entstehen Beanspruchungen, die die Module und die Gestell-Komponentenüber den geplanten Nutzungszeitraum zuverlässig ertragen müssen.Photovoltaikanlagen gelten im Sinne der Bauordnung als Teil eines Gebäudesoder als Bauwerk an sich, so dass die einschlägigen Regelungen des Bauwesens zuberücksichtigen sind. Aus dieser Forderung leitet sich der Bedarf nach einer statischenAuslegung nach den anerkannten Regeln der Technik und der Baukunst ab.Neben den planerischen Anforderungen sind auch bei der Herstellung der Komponentendie Qualitäts- und Zertifizierungsanforderungen der Bauproduktenrichtlinieanzuwenden. Für sämtliche in der Bauregelliste nicht geregelten Produkte, die sichauf Grundlage der eingeführten technischen Regelwerke nicht nachweisen lassen,sind allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen vorzulegen oder projektbezogen eineZustimmung im Einzelfall durch die obersten Baubehörden der Länder einzuholen.Bei Solaranlagen auf oder an Gebäuden ist zusätzlich der Standsicherheit des Gebäudesunter Berücksichtigung der zusätzlichen Last aus der Photovoltaikanlagenachzuweisen. Bei dach- und wandparallelen PV-Anlagen brauchen keine zusätzlichenBelastungen aus Wind und Schnee berücksichtigt werden. Aufgeständerte Anlagenbewirken hingegen zusätzliche Belastungen aus Wind und Schnee, die imRahmen einer Bestandsprüfung nachzuweisen sind.1. EinleitungIm Sinne des Baurechts und der Bauordnungen der Länder sind Photovoltaikanlagenals Teil eines Gebäudes oder als Gebäude an sich einzustufen. Dementsprechendobliegt dem Bauherrn einer Photovoltaikanlage die Pflicht, die verbindlichen Regelnder Bauordnung einzuhalten.

Bild 1 Einordnung der Photovoltaik im Sinne der BauordnungIn Bild 1 sind die grundlegenden Anforderungen der Musterbauordnung zusammengefasst,die für die Errichtung von Photovoltaikanlagen zutreffen. Neben der den Regelungenzur Gestaltung, dass sich ein Bauwerk harmonisch in die Umgebung einfügenmuss, ist die Standsicherheit der Anlage als Ganzes und ihrer einzelnen Teileals wesentliches Merkmal hervorzuheben. Da der Bauherr im Regelfall nicht über diefachlichen Kenntnisse bei der Planung und Montage verfügt, bestellt er Beteiligte wieden Entwurfsverfasser und den ausführenden Unternehmer. Häufig werden beideAufgabenstellungen durch den Installationsbetrieb wahrgenommen, der damit in dieVerantwortung für die Standsicherheit und die ausschließliche Verwendung zugelassenerProdukte tritt. In der gängigen Praxis übernimmt der Gestell-Hersteller denNachweis der Standsicherheit für das Montagegestell. Der Nachweis der Standsicherheitdes Gebäudes unter den zusätzlichen Lasten aus der Photovoltaikanlageverbleibt in der Verantwortung des Bauherrn. In dieser Fragestellung sollten Ingenieurbürosmit dem fachlichen Schwerpunkt der Tragwerksplanung eingeschaltet werden.Auch wenn die Musterbauordnung verfahrensfreie Bauvorhaben für Solaranlagendefiniert, entbindet dies den Bauherrn nicht von der Beachtung der entsprechendenVorschriften. Per Ergänzungserlass haben zahlreiche Länder die Genehmigungspflichtfür aufgeständerte Solaranlagen auf Dächern konkretisiert.

2. LastannahmenDie Ermittlung der Lasten erfolgt auf Grundlage der DIN 1055 in ihren Teilen bzw.DIN EN 1991 (Eurocode 1) mit nationalen Anhängen, die DIN 1055 im Zuge der europäischenHarmonisierung der technischen Regelwerke ablösen wird.Ständige Lasten (Eigengewicht g)Das Eigengewicht g der Gesamtkonstruktion wird im Wesentlichen durch das Gewichtder Module bestimmt. Das Gewicht der Unterkonstruktion ist vernachlässigbarklein, kann aber aus dem Produkt der Querschnittsfläche des Tragprofils und derspezifischen Dichte des Werkstoffs Aluminium ermittelt werden. Das Gewicht einesModuls ist im Herstellerdatenblatt angegeben.Schneelasten (s)Die Ermittlung der Schneelasten hängt von folgendenEinflussfaktoren ab: Schneelastzonenkarte Höhe des Projektstandorts ü.NN Modulneigung Höher liegende DachbereicheNebenstehende Karte (Bild 2) entspricht den Angabender DIN EN 1991-1-1-3/NA (04/07). Sieenthält die Einteilung des Gebiets der BundesrepublikDeutschland in 3 Schneelastzonen. Diestandortspezifischen Schneelasten am Bodensind in Abhängigkeit von der Schneezone mit folgendenGleichungen zu ermitteln:norddt.TieflandBild 2 SchneezonenkarteZone 1: s k = 0,19 + 0,91· Zone 2: s k = 0,25 + 1,91· A 140 760140 760A 22mindestens 0,65 kN/m 2mindestens 0,85 kN/m 2 A 140 Zone 3: s k = 0,31 + 2,91· mindestens 1,10 kN/m 2 760A Höhe des Projektstandorts über Normalnull2

Die Schneelasten der Zonen 1a und 2a sind durch Multiplikation der Werte der Zonen1 und 2 mit dem Faktor 1,25 zu ermitteln. Die Regelungen gelten bis zu einerHöhe über Normalnull bis 1500 m. In höheren Lagen sind die Schneelasten bei denzuständigen Behörden zur erfragen. In der norddeutschen Tiefebene (Bild 2) ist zusätzlichein außergewöhnlicher Lastfall mit dem 2,3 fachen Wert der Schneelasten zubetrachten. Hier sind jedoch andere Teilsicherheitsbeiwerte und Kombinationsbeiwertezu verwenden, so dass dieser Sonderfall nur zu geringfügig höheren Gesamtlastenführt. Für die Feststellung der Bemessungsschneelasten sind die Schneelastenam Boden s k mit einem Formbeiwert µ 1 in Abhängigkeit von der Dachneigungbzw. Modulneigung zu multiplizieren. Dieser ergibt sich zu: 30° = 0,830° < 60° µ = 0,8·(60 - /30> 60° = 0Der Berechnungswert der Schneelast beträgt:s = s k · µ 1Darunter ist die vertikale Schneelast auf einer horizontalenFläche zu verstehen. Diese kann angesetztwerden, sofern angrenzend kein höheresDach vorhanden ist, von dem Schnee abrutschenFormbeiwert 10.90.80.70.60.50.40.30.20.100 10 20 30 40 50 60 70Neigung Neigung [°] [°]Bild 3 Formbeiwertkönnte. In derartigen Fällen sind genauere Detailbetrachtungenerforderlich.Windlasten (w)Bei den Windlasten ist grundsätzlich zwischen Winddruckund Windsog zu unterscheiden. In erster Instanzwird der Böengeschwindigkeitsdruck ermittelt, dernicht mit den Windlasten gleichgesetzt werden darf.Unter Böengeschwindigkeitsdruck (Staudruck) verstehtman den Druck, den die mit definierter Geschwindigkeitbewegte Luft im gestauten Strömungsfeld bewirkt.Bild 4 Windzonenkarte

Tabelle 1 Geschwindigkeitsdrücke nach dem vereinfachten Verfahren.Geschwindigkeitsdruck QWindzoneh ≤10 m 10 m < h ≤18 m 18 m < h ≤25 m1 Binnenland 0.50 0.65 0.75234Binnenland 0.65 0.80 0.90Küste und Inseln der Ostsee 0.85 1.00 1.10Binnenland 0.80 0.95 1.10Küste und Inseln der Ostsee 1.05 1.20 1.30Binnenland 0.95 1.15 1.30Küste und Inseln der Ostsee 1.25 1.40 1.55Inseln der Nordsee 1.40Beim vereinfachten Verfahren nach DIN 1055-4 (03/05) ist von einer stufenweisenErhöhung des Staudrucks auszugehen. Die Schwellen liegen bei 10 und bei 18 m.Oberhalb von 25 m ist das genauere Verfahren anzuwenden. Beim vereinfachtenVerfahren wird die maximale Gebäudehöhe als Referenzhöhe zur Ermittlung desvereinfachten Geschwindigkeitsdrucks (Staudruck) verwendet. Die tatsächlich auf einBauteil wirkende Windbelastung hängt von den aerodynamischen Eigenschaften desangeströmten Baukörpers ab. Zur Ermittlung der Windbelastung wird der vereinfachteGeschwindigkeitsdruck gemäß Tabelle 1 mit den aerodynamischen Beiwertenmultipliziert.w e = c pe·q(z e )mit c pe aerodynamischer Beiwert (abhängig von der Gebäudegeometrie)q(z e ) GeschwindigkeitsdruckIm Fall von Dachanlagen sind die Dimensionen des Solargenerators im Regelfall untergeordnetgegenüber Gebäudeabmessungen. In diesem Fall sind die globalenStrömungseigenschaften des Gebäudes dominant gegenüber den lokalen Eigenschaftender Solaranlage. Bild 5 zeigt eine Zusammenstellung der häufigsten Anwendungsfällefür PV-Anlagen. Bei an der Gebäudehülle anliegenden Dach- undFassadenanlagen entstehen durch die PV-Anlage nach allgemeiner Auffassung derFachschaft keine ungünstigen zusätzlichen Wind- und Schneelasten. In diesen Fällendürfen die Druckbeiwerte der DIN 1055 Teil 4 (07/05) für die verschiedenen Gebäudegrundformenuneingeschränkt angewendet werden. Anders verhält es sich beiaufgeständerten Dachanlagen und Freiland- und Carportanlagen.

Schrägdach dachparallel Isotop aufgeständert Alulight ballastarmFreilandanlagenCarportanlagenBild 5 Anlagenkategorien für Photovoltaikanlagen (Schletter Solarmontage GmbH)Nachfolgend sind exemplarisch die Regelungen zur Ermittlung der Windlasten fürSatteldächer und Pultdächer zusammengefasst. Aufgrund der Umströmung des Gebäudes,das als Hindernis für den Windstrom zu betrachten ist, entstehen Sogspitzenan den Dachrändern und insbesondere in den Dacheckbereichen, die mit erhöhtenLastansätzen zu berücksichtigen sind. Die normierten Sogbeiwerte sind in DIN 1055-4 (03/05) für verschiedene Dachzonen aufgeführt (Bild 6):F EckbereichG RandbereichH InnenbereichDie Größen e x und e y sind entweder von der Gebäudeabmessung oder von der Gebäudehöheh (Firsthöhe) abhängig:e x = min(x;2·h) e y = min(y;2·h)In Tabelle 2 sind die Druckbeiwerte für die Zonen F, G und H (negatives Vorzeichenbedeutet Sog) für die Satteldach und die Pultdachkonfiguration eingetragen. Dabeihandelt es sich um eine Zusammenfassung der normativen Vorgaben, die für Anströmungaus verschiedenen Richtungen ausgeführt sind. Da Wind an einem Gebäudeaus verschiedenen Richtungen einströmen kann, ist jeweils der ungünstigsteFall zu betrachten.

e x /10e x /10ey /10 ey /10GEckbereichFHRandbereichEckbereichGRandbereichEckbereichInnenbereichDachmitteFFGRandbereichRandbereichEckbereiche x /4 e x /4xGFey /4ey /4yBild 6 Aufteilung der Dachzonenbereiche für Satteldächer und PultdächerTabelle 2 Druckbeiwerte für Satteldächer und PultdächerSatteldachPultdach Zone F c p10 Zone G c p10 Zone H c p10 Druck Zone F c p10 Zone G c p10 Zone H c p10 Druck0 -2.00 -1.25 -0.70 0.20 -1.80 -1.20 -0.80 0.205 -1.70 -1.30 -0.70 0.20 -2.30 -1.80 -0.80 0.2015 -1.30 -1.30 -0.60 0.20 -2.50 -1.90 -0.80 0.2030 -1.10 -1.40 -0.80 0.40 -2.10 -1.50 -1.00 0.4045 -1.10 -1.40 -0.90 0.60 -1.50 -1.40 -1.00 0.6060 -1.10 -1.20 -0.80 0.70 -1.20 -1.20 -1.00 0.7075 -1.10 -1.20 -0.80 0.80 -1.20 -1.20 -1.00 0.80Bedingt durch die begrenzte räumliche Ausdehnung einer Windböe wird zwischenden Druckbeiwerten für eine Lasteinzugsfläche A = 1 m² und A = 10,0 m² unterschiedenen.Gemäß nachstehendem Bild sind bei kleinen Einzugsflächen größere Druckbeiwerteanzusetzen. Die erhöhten Werte c p1 gelten für die Anschlüsse der Module.Bei Solargeneratoren mit zusammenhängendem Untergestell sind im Regelfall dieDruckbeiwerte c p10 maßgebend.Bild 7 Aufteilungen der Dachzonenbereiche für Satteldächer und Pultdächer

Für aufgeständerte Systeme auf dem Dach und auf dem Boden (Carports und Freilandanlagen)enthält DIN 1055-4 explizit keine Regelungen. Gemäß NABau (NormungsausschussBauwesen) dürfen in diesem Fall die Regelungen des Eurocode 1(EN 1991-1-4) für freistehende Dächer angewendet werden.Die Druckbeiwerte für den Nachweis der Dachkonstruktion (hier nicht dargestellt)folgen einer ähnlichen Systematik wie bei den Pultdächern, sind aber aufgrund derUnterströmung signifikant höher. Für den Nachweis der Unterkonstruktion bei Carportsund Freilandanlagen und für den Nachweis der Befestigung an der Dachhautbei Dachanlagen sind Kraftbeiwerte gemäß Tabelle 3 in Verbindung mit Bild 8 zuverwenden. Die Positionierung der Gesamtwindlast in den Viertels Punkten desDachs trägt in erster Linie den Strömungseigenschaften der Dachform, andererseitsaber auch der Schwingungsgefahr Rechnung.Bild 8 Lastansätze für freistehende Dächer nach EN 1991-1-4Tabelle 3 Kraftbeiwerte c f für freistehende Dächer nach EN 1991-1-4Neigungswinkel 0° 5° 10° 15° 20° 25° 30°drückend 0,2 0,4 0,5 0,7 0,8 1,0 1,2abhebend f = 0 -0,5 -0,7 -0,9 -1,1 -1,3 -1,6 -1,8abhebend f = 1 -1,3 -1,4 -1,4 -1,4 -1,4 -1,4 -1,4Der zuvor beschriebene Lastansatz stellt insbesondere für Dachanlagen eine konservativeLösung dar, da die gegenseitige Verschattung hintereinander liegenderReihen nicht berücksichtigt wird. Windkanalversuche versprechen deutlich wirtschaftlichereLösungen. Aufgrund fehlender systematischer Untersuchungen können dieErgebnisse gegenwärtig noch nicht allgemeingültig standardisiert werden.

3. LastkombinationenEntsprechend den Regelungen in DIN 1055-100 ist bei den Nachweisen für denGrenzzustand der Tragfähigkeit das Konzept der geteilten Sicherheitsbeiwerte zubeachten. Demnach sind die Lasteinwirkungen mit spezifischen Teilsicherheitsbeiwertenzu versehen. Es gelten folgende Konventionen: g = 1,35 für ungünstig wirkende ständige Lasten (Konstruktionseigengewicht) g = 0,9 für günstig wirkende ständige Lasten (in Verbindung mit Windsog) q = 1,5 für veränderliche Lasten (Wind und Schnee)Die Lastansätze für Wind und Schnee gelten jeweils für dasjenige Ereignis, das übereinen 50-jährigen Beobachtungszeitraum einmal auftritt bzw. einmal überschrittenwird. Da die Wahrscheinlichkeit, dass das ungünstigste Schneeereignis gleichzeitigmit dem ungünstigsten Windereignis eintritt sehr gering ist, dürfen die Wind- oder dieSchneelasten mit den sogenannten Kombinationsbeiwerten abgemindert werden: 0,w = 0,6 Kombinationsbeiwert mit Schnee als Leiteinwirkung und Wind 0,s = 0,5 Kombinationsbeiwert mit Wind als Leiteinwirkung und SchneeAus den zuvor beschriebenen Regelungen ergeben folgende Lastkombinationen:Lastkombination 1: g·g + q·s + 0,w· q·wLastkombination 2: g·g + 0,w· q·s + q·w= 1,35·g + 1,5·s + 0,6·1,5·w= 1,35·g + 0,5·1,5·s + 1,5·wLastkombination 3: g·g + γ q·w Sog= 0,9·g + 1,5·w SogIn der norddeutschen Tiefebene ist eine zusätzliche Lastkombination zu prüfen:Lastkombination 1a: g,A·g + q,A·s= 1,0·g + 2,3·sNur wenn diese außergewöhnliche Lastkombination höhere Werte liefert als dieLastkombination LK1 ist diese anstelle der Lastkombination 1 für die Nachweisführungzu verwenden.4. BestandsprüfungEin wesentlicher Bestandteil der Projektierung von Solaranlagen ist die Untersuchung,ob das aufnehmende Gebäude oder der Baugrund (Freiland/Carport) die Belastungenaus der Photovoltaikanlage aufnehmen kann. Bei dachparallelen Anlagenkann dies häufig durch Lastvergleich und Prüfung der Tragreserven anhand der sta-

tischen Berechnung des Bestandsgebäudes erfolgen. Aufwändiger gestaltet sich dieAufgabenstellung bei aufgeständerten Anlagen, da durch den Solargenerator erheblichezusätzliche horizontale Lasten aus Wind eingebracht werden, die durch dieAussteifungen des Gebäudes sicher in den Untergrund abgetragen werden müssen.Für die rechnerische Ermittlung der Windabschattung hintereinander liegender Reigenliegen keine normativen Regeln vor, so dass ingenieurmäßige Annahmen getroffenwerden müssen. Nachträgliche Verstärkungsmaßnahmen gefährden zumeistaufgrund der Akzeptanz des Gebäudeinhabers und der Kosten die Realisierung einesProjekts. Dennoch ist der Nachweis der Standsicherheit des Gebäudes unterden zusätzlichen Lasten aus der Photovoltaikanlage zwingend erforderlich.5. ZusammenfassungPhotovoltaikanlagen an Gebäuden oder auf dem Boden sind im Sinne der Bauordnungals Bestandteil eines Gebäudes oder als Gebäude an sich definiert. Darausfolgt neben anderen rechtlichen Voraussetzungen das Erfordernis eines Nachweisesder Standsicherheit des Montagegestells und der Anbindungen der Tragkonstruktionan das Gebäude oder den Baugrund sowie den Nachweis der Standsicherheit fürdas aufnehmende Gebäude. Die Ermittlung der maßgebenden Lasteinwirkungen ausEigengewicht, Wind und Schnee für Bauwerke ist in DIN 1055 geregelt. Während dieSchneelast am Boden und der Böengeschwindigkeitsdruck unabhängig von der DisziplinPhotovoltaik allgemein als zutreffend betrachtet werden können, müssen beider Frage nach zusätzlichen Schneelasten auf dem Dach infolge aufgeständerterPhotovoltaikanlagen und bei den Druckbeiwerten zur Ermittlung der Windlasten Annahmengetroffen werden. Die Ermittlung der Windlasten durch Analogiebetrachtungenzu den Bauwerksgrundformen der DIN 1005-4 liefern im Regelfall auf der sicherenSeite Ergebnisse, die in vielen Fällen beim Standsicherheitsnachweis des Gebäudeszu Problemen führen. Zur Ermittlung genauerer Werte gestattet DIN 1055-4ausdrücklich Windkanalversuche in Grenzschichtwindkanälen bei in der WTG (WindtechnologischeGesellschaft) zusammengeschlossen Instituten. Nach heutiger Erfahrunggestatten die genaueren Ergebnisse eine wirtschaftlichere Projektierung.