Achtung vor zu viel Spannung

Wenn sich Garagenfirmen zu global agierenden Unternehmen wandeln, ändert sich nicht nur deren Größe. Vielleicht etwas unbemerkt vollzog sich der Wandel außer bei den Zell- und Modulherstellern auch im Bereich Montagegestelle mit großen Auswirkungen auf die Vorgehensweise bei der Auslegung der Gestelle. Wo früher die Unternehmen meist nur über den Daumen gepeilte Erfahrungswerte heranzogen, um die maximale Tragfähigkeit von Schienen und Dachhaken abzuschätzen, bieten sie jetzt nachprüfbare und bis ins kleinste Detail doku mentierte statische Berechnungen und Auslegungen an. Auch Versicherer und Bauherren drängen auf solche dokumentierten Berechnungen für die installierten Systeme.

Das ist auch nur logisch, denn die Auslegung eines Montagegestells ist alles andere als trivial. Wenn sie schlecht gemacht wird, beeinträchtigt das die Lebensdauer der Anlage genauso wie schlechte Module oder nicht verlässliche Wechselrichter. Wer also eine Photovoltaikanlage plant, muss sich sicher sein, dass das Gestell und dessen Befestigung mindestens 20 Jahre Wind und Wetter trotzen.

Da es noch keine rechtsverbindliche Norm dafür gibt, die sich eigens auf Photovoltaikanlagen bezieht, müssen sich die Planer anders behelfen. Für den Nachweis der richtigen statischen Auslegung von Gestellen für Photovoltaikmodule können sie die gleiche baustatische Herangehensweise nutzen, die zur Berechnung von Brücken, Häusern oder anderen Tragkonstruktionen des Hochbaus gilt. Ein solcher Nachweis ähnelt dabei einer mathematischen Gleichung, in der man die auf das Gestell einwirkenden Lasten der Widerstandsfähigkeit der Konstruktion gegenüberstellt.

Nur wenn die Widerstandsseite größer ist als die Einwirkungsseite, gilt die Statik des Systems als sicher. Wichtig ist es, die einzelnen Teile beider Seiten der Gleichung richtig und gewissenhaft zu bestimmen.

Neue europäische Norm

Für die baustatische Herangehensweise steht Ingenieuren in Deutschland ein breites Feld von nationalen DIN-Normen zur Verfügung. Andere Länder in Europa und die USA haben ähnliche eigene Vorschriften, mit denen sich die Nachweise führen lassen. Spätestens im nächsten Jahr sollen diese – was Europa betrifft – durch gesamteuropäische Normen abgelöst werden, die Eurocodes, die mit EC abgekürzt werden.

Dadurch will die EU Handelshemmnisse im Baubereich beseitigen, eine einheitliche Basis für Forschung und Entwicklung schaffen und den Austausch von Dienstleistungen über Ländergrenzen hinweg vereinfachen. Im Jahr 1997 begann sie mit der Überführung von Vornormen, die probeweise eingeführt worden waren, in die eigentlichen europäischen Normen. Dabei besitzt auch heute jedes EU-Land spezifische nationale Anhänge, die Unterschiede in Bezug auf klimatische Bedingungen und Sicherheitsbestimmungen enthalten.

Laut Plan sollen alle 58 Teile der Eurocodereihe bis Ende 2010 veröffentlicht und die bis dahin gültigen entsprechenden nationalen Normen zurückgezogen werden. Allerdings könnte die langwierige Bestimmung der jeweiligen nationalen Parameter in den Anhängen den Plan verzögern.

In Deutschland wird sich durch die neuen Normen allerdings nichts Wesentliches ändern. Denn bereits 2006 wurden die DIN-Normen für Wind- und Schneelastberechnung überarbeitet. Seitdem sind sie den Eurocodes schon sehr ähnlich. Es lohnt sich deshalb, den heute gültigen Weg genauer zu beleuchten.

Der mit der Auslegung beauftragte Ingenieur hat also die Aufgabe, aus den bestehenden Vorschriften die für seinen Fall geeigneten auszuwählen. Die Einwirkungsseite setzt sich aus Lasten für Wind, Schnee und dem Eigengewicht der Anlage, also dem Gewicht der Module und des Gestells, zusammen. In europäischen Nachbarländern, wie zum Beispiel Italien, können dazu noch Belastungen aus Erdbeben kommen. In Deutschland ist in der DIN 1055 mit den Teilen 4 und 5 für Wind- und Schneelasten beschrieben, wie diese maßgebenden Belastungen auf Bauwerke berechnet werden müssen. Das europäische Gegenstück dazu ist der Eurocode 1, in dem ebenfalls Angaben zu Wind, Schnee und Eis zu finden sind. Die beiden Normenwerke ähneln sich in Aufbau und Anwendungsart.

Schnee- und Windlast nach Karte

Die auf die Konstruktion wirkende Schneelast lässt sich etwas einfacher bestimmen als die Windlast. Der zuständige Planer muss abhängig vom Projektort und mit Hilfe der in der Norm hinterlegten Karte die Schneelastzone ermitteln. Für ganz Europa sind diese Karten basierend auf den Schneemengen der vergangenen Jahrzehnte erstellt. Wenn der Planer die dem Projektort zugehörige Zone gefunden hat, kann er die Schneelast auf dem Boden bestimmen. Je nach Neigung des Daches, der Freiflächenanlage oder der Flachdachaufständerung kann dieser Wert noch abgemindert werden. Diese Abminderung berücksichtigt das Abrutschen des Schnees auf schrägen Flächen. Der in der Norm hinterlegte Faktor erhöht sich mit steigender Dachneigung. Ab einer Modulneigung von 60 Grad muss keine Schneelast mehr angesetzt werden.

Besonders beachten muss man dabei Schneeanhäufungen und -verwehungen, die etwa durch Aufständerungen auf dem Flachdach entstehen können. Diese haben zwar keinen unmittelbaren Einfluss auf die Bemessung des Befestigungssystems, können aber die Tragfähigkeit des Gebäudes negativ beeinflussen. Denn meistens wurden die Lasten, die durch Schneeverwehungen an Modulen auf der Dachhaut entstehen können, im Vorfeld bei der Planung des Gebäudes nicht berücksichtigt. Deshalb sollte man am besten vor dem Bau der Photovoltaikanlage einen Statiker fragen, der sich mit Gebäuden auskennt, ob die Veränderung der Lasten einen Einfluss auf die Gebäudestatik hat.

Die Bestimmung der wirkenden Windlasten ist für den Planer etwas komplizierter als die Schneelastberechnung. Er kann dabei jedoch ebenfalls mit einer Zonenkarte beginnen, aus der die Grund windgeschwindigkeit des Gebietes bestimmt wird. Des Weiteren hat die Oberflächenbeschaffenheit des Geländes einen hohen Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeit des Windes. Typischerweise herrscht in stark bebauten Stadtgebieten eine geringere Geschwindigkeit vor als auf dem flachen Land ohne Bäume und andere Hindernisse, die den Wind abbremsen könnten. Je rauer das Gelände also ist, desto geringer ist die Anströmgeschwindigkeit des Windes. In der Norm sind deshalb vier verschiedene Geländekategorien angegeben, aus denen der Planer zugehörige Werte ablesen und sich den sogenannten Topographiebeiwert berechnen kann, den man mit der Grundgeschwindigkeit verrechnet.

Was erfahrene Drachenlenker wissen, muss der Planer beherzigen. Der Wind bläst nicht konstant, sondern nimmt mal an Geschwindigkeit und Druck zu, mal flaut er ab. Die Windlast besteht also aus einer Grundlast und einem Anteil aus schwankender Last, welcher aus den turbulenten, böigen Anteilen des Windes resultiert. Um diese Eigenschaft des Windes abzubilden, muss der Planer auf die bereits ermittelte Grundströmung einen aus der Norm zu entnehmenden Zusatz faktor aufschlagen, der die Böigkeit des Windes beschreibt.

Bei der Berechnung dieses Zusatzfaktors unterscheidet die Norm zwischen schwingungsanfälligen und nichtschwingungsanfälligen Konstruktionen. Die große Mehrzahl an Gestellen kann man als nichtschwingungsanfällig ansehen, da die Befestigungen und Verschraubungen das System dämpfen. Hier können Planer das Verfahren zur Ermittlung der Böengeschwindigkeit für nichtschwingungsanfällige Konstruktionen anwenden, was einfacher ist als das Verfahren für die Konstruktionen, die schwingungsanfällig sind.

Norm nicht eindeutig

Damit ist man immer noch nicht fertig. Man muss noch die aerodynamischen Beiwerte einberechnen. Diese Beiwerte sind abhängig von der Fläche und Form des umströmten Bauteils und beschreiben, wie die Geometrie die Windströmung beeinflusst. Für dachparallele Aufdachanlagen können die Beiwerte der Norm benutzt werden, wie sie jeweils für Sattel-, Trog- und Walmdach verwendet werden. Bei Freiflächenanlagen oder Aufständerungen auf Flachdächern ist es schwieriger, da es keine entsprechenden geometrischen Formen in der Norm gibt. Die Werte für seitlich offene Pultdachhallen können aber Anhaltspunkte geben.

Die tatsächlich wirkende Kraft oder Last auf die Modulfläche setzt sich also aus der Grundwindgeschwindigkeit, welche aus der Windlastzone entnommen wird, den Topographie- und Böenfaktoren sowie den aerodynamischen Beiwerten zusammen.

Wer glaubt, damit stünde exakt fest, wie man eine Anlage bemessen muss, irrt. In der Auswahl dieser Werte liegt nämlich ein gewisser Ermessensspielraum des Planers. So beeinflusst beispielsweise die Wahl der Geländekategorie das Ergebnis maßgeblich, was dazu verleiten kann, den kleineren und damit für die Rechnung günstigeren Wert anzusetzen. Noch mehr Interpretationsspielraum hat der Planer bei der Abschätzung des Beiwertes. Die Norm legt die Beiwerte ja nur für bestimmte Dachformen fest, so dass sie bei manchen dachparallelen Anlagen näherungsweise übernommen werden können. Bei auf Flachdächern oder Freiflächen aufgeständerten Modulen ist die Näherung mit den Wer

ten für offene Pultdachhallen jedoch nicht optimal. Es wird zwar immer wieder diskutiert, ob dazu eine eigene Photovoltaiknorm nötig ist, noch gibt es sie aber nicht. In der Regel führt das nicht dazu, dass die Gestelle für zu geringe Lasten ausgelegt werden. Im Gegenteil, Planer legen oft für zu hohe Lasten aus, was unwirtschaftlich ist. Um die Gestelle wirklich wirtschaftlich zu bemessen, müsste jedes Mal eine Überprüfung im Windkanal stattfinden. Man sieht es an den ballastarmen Flachdachanlagen, die mit wenig Gegengewicht auskommen. Diese Annahme wird durch Angaben der Norm nicht gestützt, kann aber mit Windkanaltests überprüft werden.

Eurocodes			DIN-Normen
Bezeichnung	Inhalt	Veröffentlichung	Bezeichnung	Inhalt
EC 0	Grundlagen	2002-10	DIN 1055-100	Grundlagen
EC 1	Einwirkungen	2002-10	DIN 1055-1	Grundlagen, Nutz-/Eigenlasten
2004-09	DIN 1055-5	Schneelasten	2005-07	DIN 1055-4
Windlasten	EC 2	Betonbau	2005-10	DIN 1045
Grundlagen	EC 3	Stahlbau	2005-07	DIN 18800
Grundlagen	Es ist also dem Projektplaner überlassen, gewissenhafte Entscheidungen zu treffen, um das Gestell auch über die nächsten 20 bis 25 Jahre haltbar zu berechnen. Dabei ist auch die bauliche Veränderung über die nächsten Jahrzehnte zu bedenken. Wird die installierte Anlage auf der Lagerhalle im Gewerbegebiet auch weiterhin im Windschatten anderer Gebäude liegen oder besteht die Gefahr eines Abrisses dieser Gebäude? Wird die Baumreihe auch inEC 7	Grundbau	2008-10	DIN 1054
Grundlagen	EC 9	Aluminiumbau	2010-03	DIN 4113

Die wichtigsten Eurocodes und DIN-Normen für die Auslegung von Montagegestellen.

zehn Jahren noch die Anströmung des Windes behindern oder wird sie laut städtischem Bebauungsplan in nächster Zeit abgeholzt? Diese Entwicklungen beeinflussen die anzusetzenden Lasten. Im Zweifelsfall sollten Projektplaner immer die sichere Seite wählen.

Widerstandskraft berechnen

Sind die Schnee- und Windlasten bestimmt und das Eigengewicht der Anlage berechnet, sind die Ein gangswerte für die Einwirkungsseite der Gleichung gefunden. Jetzt muss entsprechend die Widerstandsseite mit Werten gefüllt werden, sprich: welchen Belastungen ein Gestell standhält. Zum einen spielen die Geometrie der Schienen und Dachhaken eine Rolle, zum anderen die Materialeigenschaften, wie gut der Werkstoff Spannungen im Innern aushält.

Die meisten Anlagen sind aus Aluminium errichtet. Demnach werden entweder die DIN 4143 oder das europäische Gegenstück, der EC 9, angewendet. Beide Normen beschäftigen sich mit der Bemessung und Konstruktion von Aluminiumbauten (für Stahl- und für Holzkonstruktionen gibt es entsprechende Ausarbeitungen). Der zuständige Planer oder Entwickler des Gestellsystems fin det in diesen Vorschriften alle zulässigen Werte der für das Tragwerk ausgewählten Aluminiumlegierung und Bemessungsregeln für dessen Auslegung.

Den Projektierer interessieren für seine Planungen zudem die physikalischen Größen, die aus der Geometrie der Tragprofilquerschnitte resultieren. Den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit (Verformungsnachweis) und den Tragfähigkeitsnachweis (Nachweis der Spannung) erhält man, wenn man die errechneten Belastungsgrößen, die ermittelten maximalen Drücke und die Verformungen, die im Gestell auftreten dürfen, mit den zulässigen Größen vergleicht. Also: Welche Spannungen werden im System durch die einwirkenden Lasten aus Wind, Schnee und Eigengewicht erzeugt und welche Spannungen kann das System materialseitig aushalten? Wie stark wird sich das System durch die Lasten durchbiegen oder verformen und welche Verformung ist noch zulässig?

Mit Hilfe einer Berechnungssoftware bildet der Konstrukteur ein statisches System nach, welches dem tatsächlichen Tragwerk entspricht. Anhand dieses Computermodells werden anschließend die Spannungen und Kräfte berechnet, die aus den aufgebrachten Lasten resultieren. Zum Schluss stellt er die tatsächlich wirkenden den zulässigen Spannungen gegenüber. Sind diese größer, gilt das System als nachgewiesen.

Länderabhängiger Zuschlag

Trotz aller Berechnungen: Um mögliche Schäden durch Fehlplanungen, Ungenauigkeiten in der Berechnung oder Schwächen im Material auszugleichen, müssen Planer ihre Berechnungen für Tragkonstruktionen noch mit Sicherheitskonzepten absichern. Sie beschreiben, welchen Sicherheitszuschlag man aufschlägt, für den Fall, dass Fehler auftreten, also um wie viel höher man die Lasten ansetzt, als eigentlich nötig, und um wie viel niedriger die zulässigen Spannungen im Werkstoff.

In Europa gilt für die meisten Nachweise das semiprobabilistische Sicherheitskonzept – das Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte.

Der Sicherheitszuschlag wird dabei auf beide Seiten aufgeteilt, indem die Einwirkungs- und die Widerstandsseite mit Sicherheitsbeiwerten belegt werden. Bei den Lasten der Einwirkungsseite unterscheidet man ständige Lasten, wie Eigengewicht, welche dauernd auf das Tragwerk einwirken, und veränderliche Lasten, wie Wind und Schnee, die über die Dauer der Standzeit verschieden stark auf das Tragwerk wirken und auch jahreszeitlich variieren. Für ständige Lasten erfolgt eine pauschale Erhöhung um 35 Prozent, veränderliche Lasten werden aufgrund der ungenaueren Einschätzbarkeit mit pauschal 50 Prozent erhöht. Auf der Widerstandsseite wird eine zusätzliche Sicherheit eingeführt, indem man die zulässigen Spannungen um zehn Prozent abmindert.

So stellt ein Konstrukteur über alle Bereiche der Gleichung sicher, dass eventuelle Ungenauigkeiten in der Aufstellung nicht zu Schäden oder gar zum Einsturz des Systems führen.

Da das Geschäft mit Photovoltaik zunehmend internationaler wird, müssen sich Planer auch bei den Sicherheitskonzepten auf länderspezifische Abweichungen einstellen. So rechnet man im US-amerikanischen Markt mit dem deterministischen Sicherheitskonzept, das die Sicherheitsaufschläge nur auf das Material umlegt. So werden hier die zulässigen Spannungen um 75 Prozent abgemindert, die wirkenden Lasten bleiben unberührt. Dabei gilt das in Europa verwendete semiprobabilistische Konzept als das modernere, da es mehr auf die natürlichen Gegebenheiten der Lasten und Werkstoffe eingeht. In der Regel muss man bei Berechnungen danach ein Gestell etwas weniger stark auslegen als nach dem deterministischen Berechnungssystem, das in den USA gilt – das Gestell wird also günstiger.

Sorgfaltspflicht beachten

Beide Konzepte entbinden jedoch Ingenieure und Planer nicht von ihrer Sorgfalts- und Gewissenspflicht. Im Gegen teil: Durch den Interpretationsspielraum funktioniert die Bemessung nur, wenn man gut mitdenkt.

Installateure müssen allerdings die Berechnung nicht selber durchführen, sondern bekommen zum Beispiel Hilfe von vielen Gestellsystemherstellern. Oft bieten diese ein Computerprogramm an, mit dem man eine Anlage auslegen kann. Wenn die Statik nachprüfbar sein soll, bekommen sie auch die notwendige Dokumentation mitgeliefert.

Dann können sie oder ihre Kunden aus einer einfachen Checkliste ersehen, ob die statische Berechnung der Installation den Anforderungen der Normen entspricht. So sollten auf der einen Seite Angaben zur Schnee- und Windlastzone, den Geländekategorien und natürlich dem Modultyp enthalten sein. Ebenso müssen Daten der benutzten Aluminiumlegierung oder gegebenenfalls anderer verwendeter Materialien sowie Zeichnungen der im Gestell benutzen Profile mit zugehörigen geometrischen Größen vorhanden sein. Ein Ausdruck des im Computer simulierten Aufbaus mit den wirkenden Spannungen und Kräften, so wie sie nach den Normen berechnet wurden, macht die Berechnung auch im Nachhinein noch nachvollziehbar. Dabei muss jedes Teil berücksichtigt sein. Für jede Schraube und Schiene muss die nachprüfbare Statik nachweisen, dass diese die an der entsprechenden Stelle wirkenden Kräfte aushalten.

Gütesiegel wie zum Beispiel TÜV- und VDE-Zertifkate für einzelne Komponenten bezeugen übrigens nur, dass diese Komponenten das halten, was auf ihnen draufsteht. Allerdings hält das ganze Gestell dann nur, wenn es richtig bemessen wird. Bei einer Satteldachmontage darf man zum Beispiel den Abstand der Haken nicht zu groß wählen, sondern muss sich nach den Werten richten, die die Auslegungsprogramme berechnen. Die müssen sich aber an den vorgeschriebenen Rechenweg halten. Wichtig ist deshalb, dass man sich auf die Programme verlassen kann.Fachwissen & Technik