Und sie bewegt sich doch

Solaranlagen an oder auf Gebäuden sind klimatischen Einwirkungen ausgesetzt. Sowohl kurzfristige Schwankungen der Lufttemperatur über den Tag als auch saisonale Temperaturunterschiede bewirken thermische Verformungen und Zwängungskräfte, die durch das Montagegestell sowie durch die Anschlüsse an das Gebäude aufzunehmen sind. Zudem können Bauteile, die direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, entsprechend ihrer Wärmekapazität erhebliche Temperaturen annehmen. Hier hat auch die Farbgebung einen signifikanten Einfluss. Abhängig von der Wärmeleitfähigkeit können sich zwischen sonnenbeschienenen und verschatteten Bauteilflächen Temperaturunterschiede aufbauen, die eine Verkrümmung von Profilen und im Falle einer behinderten Verkrümmung ausgeprägte Zwängungen bewirken.

Diese Effekte sind qualitativ bekannt und werden bei der Planung basierend auf Erfahrungswerten berücksichtigt, ohne dass eine genaue Berechnung vorgenommen wird. In den Klempnerfachregeln wird zum Beispiel ein Temperaturfenster von minus 20 Grad Celsius und 80 Grad Celsius definiert. Das entspricht einem Temperaturunterschied von 100 Kelvin zwischen der kältesten und der wärmsten Situation.

Ohne genaue Berechnung

Einer genauen Rechnung steht im Weg, dass sich die Temperatur über den Tagesverlauf ändert und der genaue Status während der Montage nicht bekannt ist. Blechdächer werden in der Weise mit Festhaften und Schiebhaften am Gebäude befestigt, dass sich diese zwängungsarm ausdehnen und zusammenziehen können. Zudem werden Grenzlängen definiert, ab denen eine Dehnungsfuge vorzusehen ist.

Temperatureinwirkungen sind gemäß Eurocode 1 Teil 1–5 auch bei der Tragwerksplanung zu berücksichtigen, sofern sie zu bemessungsrelevanten Beanspruchungen oder Verformungszuständen führen. Dies trifft zum Beispiel im Brückenbau, im Behälterbau und im Fall von Türmen und Masten zu. Bei normalen Gebäuden werden Temperatureinwirkungen im Regelfall nicht berücksichtigt. Als wesentliche Ausnahme sind hier Sandwichelemente für Dach und Wand zu nennen, die aus Temperatureinwirkungen tragfähigkeitsrelevante Beanspruchungen erfahren (EN 14509). Die maximale Temperatur im Sommer ist je nach Farbe zwischen 55 und 80 Grad Celsius anzusetzen. Die niedrigste Temperatur im Winter liegt je nach Region zwischen minus 30 und null Grad.

Auf die Stehfalzklemme kommt es an

Eine Vernachlässigung der Temperaturdehnungen bei der Planung führt in der Praxis häufig zu Schäden, die bei Einhaltung der konstruktiven Begrenzung der Modulfeldgrößen vermeidbar gewesen wären. Nachfolgend soll die Problemstellung der thermischen Dehnungen anhand von Beispielen verdeutlicht werden.

Ein prominenter Anwendungsfall sind handwerklich gefertigte Stehfalzdächer und hier insbesondere Zink-Titan-Bleche. Jeweils am Ende einer Montageschiene können sich Risse in der unteren Kantung parallel zum Stehfalz einstellen. Diese sind auf wiederholte Bewegung des Stehfalzes durch die Temperaturdehnung zurückzuführen. Begünstigt wird das Schadensbild durch die Art der Befestigung einer Stehfalzklemme. Die typische Stehfalzklemme wird auf dem Falz aufgesetzt und durch Anziehen der Schrauben mit einem definierten Drehmoment seitlich am Falz geklemmt. Abhebende Kräfte aus Windsog werden demnach durch Formschluss eingeleitet, während Schubkräfte aus dem Hangabtrieb von Eigengewichts- und Schneelasten durch Reibung übertragen werden. Die Klemmung erfolgt mit diesem Klemmentyp verhältnismäßig weit unten am Stehfalz, sodass thermische Dehnung wiederholte lokale Belastungen bewirkt, die zu Ermüdungsrissen mit der Konsequenz der Dachundichtigkeit führen können.

Für das Falzblech deutlich günstiger sind Falzklemmen, die ausschließlich am Bördel festgeklemmt werden, ohne die senkrecht stehenden Blechstege des Falzes zu berühren. Dadurch wird der keilförmige Spalt zwischen den Blechscharen nicht gezwängt. Die elastische Verformbarkeit des Stehfalzes erlaubt damit ein gewisses Maß an Temperaturdehnung. Es gilt jedoch auch hier, dass eine Begrenzung der Profillängen das Risiko von Schäden an der Dacheindeckung deutlich reduziert.

Das Gleiten auf dem Dach berechnen

Ein weiterer Anwendungsfall, bei dem Temperatureinwirkungen eine erhebliche Rolle spielen, sind ballastierte Systeme auf Flachdächern mit Bitumen- oder Folieneindeckung. Dabei handelt es sich im Regelfall um aerodynamisch optimierte Systeme, bei denen die Ermittlung der erforderlichen Ballastmenge aus den Ergebnissen von Windkanalversuchen resultiert.

Eine wesentliche Erkenntnis daraus ist, dass die erforderliche Ballastierung geringer ausfallen kann, wenn möglichst viele Module in einem festen Verbund angeordnet sind. Dann ist nicht mehr die begrenzte Ausdehnung einer Windböe oder Verwirbelung für die Bemessung ausschlaggebend, sondern es kann mit einer mittleren Beanspruchung des verbundenen Modulfeldes gerechnet werden.

Konkurrierende Optimierungsziele

Ein Konzept zur Vergrößerung der im Verbund liegenden Montageeinheiten liegt in der Verwendung durchlaufender Grundträger, auf denen Aufständerungsreihen fixiert sind. Dadurch wird auch ein Kippen aufgeständerter Module wirkungsvoll ausgeschlossen, sodass bei der Nachweisführung nur noch das Abheben der Montageeinheit und das Gleiten auf dem Dach infolge horizontaler Windeinwirkungen durch Ballastierung kompensiert werden muss.

Generell handelt es sich demnach bei der Minimierung der Ballastierung infolge Windeinwirkung und bei der Betrachtung thermischer Bewegungen um zwei konkurrierende Optimierungsziele. Eine Minimierung der Ballastmenge verlangt nach möglichst großen Montageeinheiten, während die Minimierung der temperaturbedingten Verformungen zu möglichst kleinen Montageeinheiten führt. Bei der Wartung von ballastierten Solaranlagen wird in vielen Fällen festgestellt, dass sich die Solaranlage auf dem Dach verschoben hat.

Die Verschiebung findet entweder zwischen dem Gestell und der Bautenschutzmatte oder zwischen der Bautenschutzmatte und der Dachfolie statt. Bei fehlerhaften Lastansätzen oder zu hoch angesetzten Reibbeiwerten zwischen Dach und Montagesystem sind Verschiebungen des Solargenerators infolge Windeinwirkung möglich. Aber selbst bei hinsichtlich der Windeinwirkung korrekt geplanten Solaranlagen sind auch bei kleinen Dachneigungen Bewegungen der Anlagen infolge Temperatureinwirkung möglich oder sogar wahrscheinlich.

Kontinuierliche Prozesse

In der Bewertung der Ursachen ist eine systematische Beobachtung der Verschiebungsrichtung hilfreich. Wenn sich das Gestell in Richtung der Entwässerungsneigung verschoben hat, dann kann dies als Indiz für Temperatureffekte betrachtet werden. Typische Schäden, die auf Verschiebungen ballastierter Systeme auf der Dachhaut zurückzuführen sind, sind Undichtigkeiten, wenn scharfkantige Elemente des Montagegestells in die Dachhaut einschneiden. Dies tritt auf, wenn die kritische Gleitebene zwischen der Bautenschutzmatte und dem Gestell liegt, da das Gestell sich in diesem Fall von der Bautenschutzmatte herunterbewegt.

Temperaturbedingte Verschiebungen ballastierter Systeme auf dem Dach sind kein einmaliger Vorgang, sondern kontinuierliche Prozesse, die sich bei jedem Erwärmungs- und Abkühlungszyklus ereignen. Betrachtet man Zwängungskräfte aus behinderter Temperaturdehnung, dann wird schnell offenkundig, dass diese über Ballastierung nicht abgebaut werden können. Wenn die Schubnachgiebigkeit der Bautenschutzmatte überschritten wird, muss es zu Verschiebungen kommen.

Konstruktion in kleinen Einheiten

Die wirkenden Kräfte sind das Eigengewicht der Konstruktion, zerlegt in eine reibungswirksame Auflast senkrecht zur Dachebene und eine Hangabtriebskomponente. Damit wird die eine Verschiebung auslösende Haftreibung bei Erwärmung zuerst an der Traufseite und bei Abkühlung zuerst an der Firstseite überschritten. Anschaulich stellt sich eine raupenartige Bewegung dachabwärts ein.

Dieser Bewegungsmechanismus wird durch die Temperaturspanne innerhalb eines Tages und durch die Verschiebewege und damit durch die zusammenhängende Länge eines Teilgenerators beeinflusst. Wenn die Dehnungen durch die Elastizität der Bautenschutzmatte aufgenommen werden können, treten theoretisch keine Verschiebungen auf. In vielen Fällen kann es auch ausreichen, die Konstruktion in kleine Einheiten aufzuteilen. Wenn die thermischen Längenänderungen klein genug sind und von der Elastizität des Gesamtsystems beziehungsweise des Dachaufbaus kompensiert werden können, wird die Haftreibung zwischen Dachhaut und Montagesystem nicht überschritten. Eine Wanderung des Systems ist dann nicht zu befürchten.

Sicherheitswert aufschlagen

Die Verschiebungen können vermieden werden, wenn der Solargenerator entweder an die Dach-konstruktion angebunden wird oder bei annähernd symmetrischer Belegung über den First gekoppelt wird. In diesem Fall heben sich dann die Hangabtriebskräfte gegenseitig auf und die Konstruktion bleibt in der Position. Die Kräfte in dem Verbindungselement entsprechen dann dem Gewicht des ballastierten Solargenerators einer Dachhälfte multipliziert mit dem Reibbeiwert µ, der im Zuge der Planung bekannt sein muss, um den Gleitnachweis führen zu können.

Für die Dimensionierung der Verbindung sollte hier ein Sicherheitsbeiwert aufgeschlagen werden. Für den Gleitnachweis wird der ungünstigste und damit niedrigste Gleitbeiwert angesetzt. Für den Nachweis der Verbindung ist aber der maximale Gleitbeiwert maßgebend.

Der Gleitbeiwert hängt von verschiedenen Einflussfaktoren wie der Verschmutzung, den Dachunebenheiten oder Folienübergängen ab. Als geeignete Größe kann hier ein Faktor zwei angesetzt werden.

Effekte aus klimatischer Temperatureinwirkung können also erhebliche Zwängungen und im Fall von ballastierten Systemen Verschiebungen hervorrufen. Planungstechnisch können diese Einflüsse durch Dehnungsfugen oder durch die Aufteilung in kleinere Teilgeneratoren minimiert werden.

Eine Aufhebung störender Einflüsse wäre nur durch Schaffung entsprechender Nachgiebigkeiten in der Montagekonstruktion oder bei den Anschlüssen an das Gebäude möglich. Diese müssen dann so ausgelegt sein, dass Temperaturdehnungen ohne den Aufbau von unverträglichen Zwängungskräften stattfinden können.

Repositionierung bei Wartung

In der Praxis bedeutet das schlichtweg, dass ballastierte Systeme nicht wartungsfrei sind. Im Rahmen turnusmäßiger Kontrollen müssen verrutschte Bautenschutzmatten in die Ausgangslage zurückgelegt werden, was bei ballastarmen Systemen im Regelfall mit wenig Kraftaufwand möglich ist.

Eine Repositionierung verschobener Generatoreinheiten ist in den meisten Fällen nur nach einer Entballastierung möglich. Auch hier bieten kleinere Generatoren Vorteile gegenüber einem großen, zusammenhängenden Modulfeld.

Rechtliche Rahmenbedingungen

Durch die Herausgabe der „Hinweise für die Herstellung, Planung und Ausführung von Solaranlagen“ in der Ausgabe Mai 2012 informiert das Deutsche Institut für Bautechnik über die einzuhaltenden Regelungen und die bautechnischen Anforderungen (Produkt- und Bemessungsregeln) der Landesbauordnungen. In Bezug auf Photovoltaikanlagen werden die Regelungen für die Module, das Montagesystem und die Befestigungsmittel erläutert.

Module dürfen unter folgenden Voraussetzungen ohne zusätzlichen Verwendbarkeitsnachweis eingesetzt werden:

• CE-Kennzeichnung,
• Zertifizierung nach DIN EN 61215 beziehungsweise DIN EN 61464 sowie DIN EN 61730,
• Dachneigung 75 Grad,
• Freilandanlagen im öffentlich unzugänglichen Bereich (eingezäunt),
• Modulfläche bis zwei Quadratmeter.

In allen anderen Fällen ist der Verwendbarkeitsnachweis durch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung erforderlich, sofern dieser nicht auf Grundlage eingeführter technischer Regelwerke des Glasbaus geführt werden kann.

Montagesysteme dürfen ohne zusätzlichen Verwendbarkeitsnachweis eingesetzt werden, wenn der Nachweis auf Grundlage eingeführter Normen rechnerisch geführt werden kann. Eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung ist erforderlich wenn:

• die Tragfähigkeit von Metallkonstruktionen im Versuch ermittelt wird,
• relevante Teile des Montagesystems aus Kunststoff bestehen,
• die Montageträger oder Aussteifungselemente des PV-Moduls geklebt sind.

Moderne, montagefreundliche Systeme weisen im Regelfall Konstruktionselemente auf, die normativ nicht erfasst sind. Demnach ist in nahezu allen Fällen eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung erforderlich.

Befestigungsmittel zur Verankerung und Befestigung von Solaranlagen am Gebäude oder am Fundament (Schrauben, Dübel, Ankerschienen etc.) bedürfen einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung, sofern der Nachweis nicht basierend auf eingeführten Normen rechnerisch geführt werden kann. Befestigungen durch eine adhäsive Verbindung (Verklebung/Verschweißung) mit der Dachhaut müssen durch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung nachgewiesen werden.

www.dibt.de/de/Fachbereiche/Data/Hinweise_Solaranlagen_Juli_2012.PDF

Berechnung der Längenänderung eines Profils

Der Eurocode definiert eine Tiefsttemperatur T_Min = - 24 °C und eine Höchsttemperatur der Luft T_Max = 37 °C. Für sonnenbeschienene Bauteile ist für dunkle Oberflächen dann noch ein Anteil von 42 K dazuzurechnen, was in der Summe eine maximale Temperatur von 85 °C bedeutet.

Die Längenänderung eines Profils kann mit nachstehender Gleichung berechnet werden:

mit: l Längenänderung

 N Normalkraft im Profil

 l Profillänge

 E Elastizitätsmodul (Aluminium E = 70.000 kN/cm²,Stahl E = 210.000 kN/cm²)

 A Querschnittsfläche des Profils

 T Wärmedehnzahl

  Stahl _T = 1,210^-5  Edelstahl _T 1,610^-5  Aluminium _T = 2,410^-5

 T Temperaturänderung in Kelvin

Eine Zwängungskraft tritt dann auf, wenn die Temperaturdehnung behindert wird.Anschaulich bedeutet dies, dass l = 0 anzusetzen ist. Danach kann die Gleichung nach Naufgelöst werden.

N = -_T T E A

Das negative Vorzeichen weist auf Druckkräfte hin. Das heißt, dass bei einer Erwärmung Druckkräfte und bei einer Abkühlung Zugkräfte entstehen. Bei der Auflösung der ersten Gleichung kürzt sich zudem die Profillänge heraus. Demnach ist die ungehinderte Zwängungskraft unabhängig von der Profillänge.

Die Größe der maximal möglichen Zwängung soll nachstehend durch ein Beispiel verdeutlicht werden. Bei einer Montage im Winter bei einer Lufttemperatur von 0 °C ist die maximale Temperaturänderung nach Eurocode mit T = 37 K anzusetzen. Als Modultragprofil wird ein typisches Aluminiumprofil (Solo05 der Schletter GmbH) mit den Abmessungen 40 mm x 40 mm mit einer Querschnittsfläche A = 3,64 cm² angenommen. Unabhängig von der Profilgeometrie ergibt sich eine Zwängungsspannung von = 6,0 kN/cm² nach Gleichung zwei, was annähernd 30 % der Werkstofffestigkeit von Aluminium entspricht, und eine Zwängungskraft N_k = 21,5 kN. Das entspricht anschaulich einer Last von 2,15 t.

Geht man hingegen von einer unbehinderten Längenänderung aus, beträgt diese 0,9 mm pro Meter Profillänge. Bei einer Modulträgerlänge von l = 10 m stellt sich unter der Annahme, dass der Schubruhepunkt in der Mitte liegt, eine Längung l = 4,5 mm in beide Richtungen ein. Im Gegensatz zur Zwängungskraft ist der Verschiebeweg der Profilenden abhängig von der Profillänge.

Die tatsächlich vorhandene Zwängungskraft in den Profilen ist abhängig von der Nachgiebigkeit der Befestigungselemente in horizontaler Richtung. Bei weichen beziehungsweise nachgiebigen Anschlüssen treten demnach nur sehr geringe Zwängungskräfte auf. Eine exakte Berechnung ist in den meisten Anwendungsfällen nicht möglich, da die Nachgiebigkeit der Anschlüsse nicht bekannt ist. Zur Vermeidung von Schäden infolge thermischer Zwängungen wird deshalb in der Praxis die Länge eines Modulfeldes begrenzt. Dabei spielt der Abstand des Modulfeldes zum Anbindungspunkt eine erhebliche Rolle. Bei einer dachparallelen Schrägdachanlage liegt wenig Verformungsspielraum vor, sodass eine maximale Länge von 10 m vernünftig erscheint. Bei einer Freilandanlage mit einer Pfostenhöhe von einem Meter können längere Montageeinheiten gewählt werden. Bei einer Länge von 30 m stellt sich am Stützenkopf der Randstützen eine Verformung von rund 15 mm ein. Dies entspricht einer Schiefstellung der Stütze um rund 0,9 Grad, was im Regelfall toleriert werden kann.

Neuer Ilzohook vereinfacht Montage auf Trapezblechen

Mit Ilzohook stellt die Ilzhöfer GmbH aus Sand am Main die neueste Produktvariante der Produktlinie Ilzosurf zur Montage von Photovoltaikmodulen auf Trapezblechdächern vor. Ilzohook ist ein dachparalleles Montagesystem.

Dank der patentierten Befestigungstechnik kommt Ilzohook ohne Modulklemme aus und spart dem Installateur wertvolle Zeit. Das System besteht aus nur einem einzigen Bauteil. Dieses wird fertig konfektioniert mit dem Dichtband beklebt und mit den erforderlichen Dünnblechschrauben ausgeliefert.

Die Montage erfolgt immer mit genau zwei Ilzohook pro Modul. Da der Ilzohook mittig trennbar ist, beginnt man die Montage am oberen Modulfeldrand mit der einen Hälfte und verwendet am unteren Modulfeldrand die andere Hälfte des Ilzohook.

So kann man schon über die Modulanzahl die erforderliche Anzahl der Montageelemente verlässlich kalkulieren. Im Übrigen ermöglicht die konsequente Befestigung der Module am unteren Modulrahmenschenkel die Montage aller Rahmenhöhen.

Dies vereinfacht die Lagerhaltung erheblich. Ebenso ergibt sich daraus eine sehr ansprechende Optik des Modulfelds, weil keine Befestigungsteile sichtbar sind. Ein weiterer Vorteil ist die vereinfachte Reinigung der Modulflächen mit Rotationsbürsten. Hier können die Bürstenfasern sich nicht an den Modulklemmen verhaken.

Wie alle anderen Ilzosurf-Systeme wurde auch der Ilzohook vom Institut für Industrieaerodynamik in Aachen auf seine aerodynamischen Eigenschaften im Grenzschichtwindkanal nach WtG-Richtlinie getestet. Die Windkanalmessungen haben beste Werte ergeben. Auch bei einem verschraubten Montagesystem bietet dies erhebliche Vorteile.

Bei stark verringerten Soglasten ist der Einsatz in höheren Windlastzonen möglich. Ebenso kann die Anzahl der Befestigungspunkte gegenüber herkömmlichen Systemen reduziert werden. Auch die Preise können sich sehen lassen: 8,75 Euro kostet Ilzohook pro Solarmodul, bei Paketabnahme für 60 Module. Bei Paketen für 1.440 Module sinkt der Preis pro Modul auf 7,50 Euro. Die Preise beinhalten den Versand innerhalb Deutschlands.

www.ilzosurf.de

Dr.-Ing. Cedrik Zapfe

ist Geschäftsführer des Ingenieurbüros Dr. Zapfe GmbH und öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Metallbau bei der IHK München. Sein Büro führte in den vergangenen Jahren die Tragfähigkeitsprüfungen für die Montagesysteme der Firma Schletter durch. Er hat diverse fachtechnische Stellungnahmen zur Befestigung von Solaranlagen veröffentlicht.

info@ing-zapfe.de