Bei PV-Montagesystemen für Flachdächer geht es häufig um die Optimierung des Ballasts zur Lagesicherung mittels aerodynamischer Maßnahmen. Bei festaufgeständerten Freilandanlagen - hierzu zählen auch nachgeführte Systeme - müssen statische und dynamische Windlasten bestimmt werden. Bei nachgeführten Systemen können auch Instabilitäten wie das Torsionsgalloping eine Rolle spielen.

Windlasten an PV-Flachdach-Montagesystemen

Aufgabe

Im Hinblick auf die Errichtung von PV-Anlagen stellt sich die Frage der Lagesicherheit, da diese Anlagen auf den vorhandenen Dächern in der Regel nur aufgestellt werden, nicht aber durch die Dachhaut gegen Verschieben oder Abheben gesichert werden können.

Da viele Flachdächer aber nur begrenzte Lastreserven aufweisen, versucht man Systeme zu finden, die mit möglichst wenig Ballast bzw. bei normaler Exposition allein mit dem Eigengewicht auskommen. Diese Systeme werden in der Fachliteratur aktuell unter den Begriffen „ballastarm“ oder „ballastoptimiert“ kontrovers diskutiert, da es nach DIN EN 1991-1-4:2010-12 keine Ansätze für die hierbei genutzten Druckausgleichsvorgänge gibt.

 

Lösung

Für ballastgesicherte Flachdach-Photovoltaik-Montagesysteme empfiehlt sich daher die Durchführung von Windkanal-Modellversuchen nach WtG-Richtlinie, um die realistischerweise zu erwartenden Windlasten und daraus zu bemessenden eventuellen Ballastanforderungen im Sinne der DIN EN 1991-1-4:2010-12Kapitel 1.5 korrekt zu ermitteln.

Flachdächer in diesem Sinne sind Dächer, die weniger als ± 5° geneigt sind (siehe DIN EN 1991-1-4:2010-12), so dass hinsichtlich der Überströmung durch Wind von einem Strömungsabriss an der Dachkante bzw. Attika ausgegangen werden darf.

Typisch für die Überströmung von Flachdächern ist die Ausbildung von Randwirbeln bei Anströmung über Eck, welche hohe lokale Drehgeschwindigkeiten besitzen und vor allem im Eck- und Randbereich entsprechend hohe Sogwirkungen auf das Dach erzeugen.

 

Vorteil

Messungen an einer Vielzahl von PV-Systemen am I.F.I. Institut für Industrieaerodynamik GmbH, Institut an der Fachhochschule Aachen konnten belegen, dass die Druckbeiwerte der auf einem Flachdach aufgestellten Anlagen aufgrund von Druckausgleichsvorgängen deutlich geringer als die streng genommen hierfür nicht gedachten Druckbeiwerte ähnlicher Geometrien (wie z.B. Flachdächer oder freistehende Pultdächer) nach DIN EN 1991-1-4: 2010-12 ausfallen.

Windlasten an dachparallelen PV-Montagesystemen

Es ist verlockend, für dachparallele PV-Montagesysteme die Außendruckbeiwerte für Flachdächer, Pultdächer, Sattel- und Trogdächer, Walmdächer und Sheddächer gemäß den Abschnitten 7.2.3 bis 7.2.7 der DIN EN 1991-1-4. anzusetzen. Diese Außendruckbeiwerte liegen in den meisten Fällen weit auf der sicheren Seite in Bezug auf die Anwendung auf dachparallele PV-Montagesysteme.

Der Grund hierfür ist, dass im Gegensatz zu Windkanaluntersuchungen an maßstäblich verkleinerten Modellen der Druckausgleich zwischen der Ober- und Unterseite der PV-Module in den Normwerten nicht berücksichtigt wird. Eben jener Druckausgleich sorgt aber dafür, dass die tatsächlich in Windkanalversuchen festgestellten Nettodruckbeiwerte um 40-60% geringer als die Norm-Außendruckbeiwerte ausfallen.

Windlasten an PV-Freiflächenanlagen

Für PV-Freilflächenanlagen werden nach DIN EN 1991-1-4, Abschnitt 7.3 bisher konservative Kraftbeiwerte von cf = -1,6 [-] bei 25° Modulneigungswinkel und -1,8 [-] bei 30° Modulneigungswinkel für freistehende Pultdächer gefordert.

Windkanalmessungen an Freiland-Photovoltaikanlagen zeigen hingegen, dass selbst für die erste Reihe einer Anlage im Norden die abhebenden Lasten zur Bemessung der Unterkonstruktionen um ca. 30% zu hoch bemessen würden. PV-Tische, welche sich windgeschützt in der Feldmitte befinden, erreichen im Sogbereich noch größere Windlastabminderungen oberhalb von 50%, die sich durch ein günstiges Zusammenwirken von Modulanstellwinkel und Reihenabstand in Relation zur Aufständerungshöhe erklären.

Windlasten an Solartrackern

Solartracker verhalten sich aerodynamisch gesehen ähnlich zu PV-Freilandsystemen. Bei Solartrackern ist jedoch ein Anstellwinkelbereich statt eines einzelnen festen Anstellwinkels von Interesse. Hierzu müssen mindestens der potentielle Bereich der Sturmstellung und der maximale Anstellwinkel in einer Windkanalmessung untersucht werden, um die für die Tragstruktur und das Fundament kritischen Lasten zu ermitteln.

Auch bei Solartrackern ergibt sich in Abhängigkeit des Modulanstellwinkels eine günstige Windabschattung für Reihen in der Feldmitte, welche mit steigendem Modulanstellwinkel zunimmt. Jedoch können dynamische Lastüberhöhungen durch Resonanzeffekte auftreten.

Stand der Nationalen Anhänge zur EN 1991-1-4

Die meisten CEN-Mitgliedstaaten („National members“ und „Affiliates“) haben mittlerweile Nationale Anhänge zur EN 1991-1-4 eingeführt, so dass der generellen Verwendung des Eurocodes an dieser Stelle nur noch wenig entgegensteht.

„National members“ sind reguläre Vollmitglieder des Comité Européen de Normalisation (CEN). Vollmitglieder sind nationale Normungsorganisationen der EU- und EFTA-Mitgliedsstaaten. Zudem kann die Generalversammlung Aufnahmekandidaten der EU und EFTA, wie z.B. die Türkei, als Vollmitglieder aufnehmen.

„Affiliates“ können nationale Normungsorganisationen werden, die sich in „europäischer Nachbarschaft“ befinden und Voll- oder korrespondierendes Mitglied der International Organization for Standardization (ISO) sind. Der Begriff „europäische Nachbarschaft“ wird historisch recht großzügig ausgelegt. Er umfasst neben Osteuropa und dem Kaukasus auch weite Teile der Mittelmeerregion und Vorderasiens. Dieser Status war ursprünglich als Vormitgliedschaft für EU/EFTA-Aufnahmekandidaten gedacht, wird heute aber auch anderen Interessierten gewährt.

Derzeitige CEN-Vollmitglieder sind:
Belgien, Bulgarien, Dänemark, Deutschland, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Kroatien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta, Mazedonien, Niederlande, Norwegen, Österreich, Polen, Portugal, Rumänien, Schweden, Schweiz, Slowakei, Slowenien, Spanien, Tschechien, Türkei, Ungarn, Vereinigtes Königreich, Zypern

„Affiliates“ in Europa sind:
Albanien, Belarus, Bosnien und Herzegowina, Moldawien, Montenegro, Serbien, Ukraine

„Affiliates“ außerhalb Europas sind:
Ägypten, Armenien, Aserbaidschan, Georgien, Israel, Jordanien, Libanon, Libyen, Marokko, Tunesien

Am einfachsten gestaltet sich die Recherche durch eindeutige Hinweise und Bestellmöglichkeiten direkt auf den jeweiligen Webseiten der nationalen Normeninstitute, in etlichen Fällen musste aber auch gezielt nachgefragt werden. Nicht immer waren die Antworten eindeutig oder überhaupt zu bekommen.

Der aktuelle Stand zeigt eine erfreulich weit fortgeschrittene Umsetzung unter den Vollmitgliedern der CEN, so dass der generellen Verwendung des Eurocodes an dieser Stelle nur noch wenig entgegensteht.

Es lassen sich folgende Ländergruppen unterscheiden:

  • Die derzeit 33 Vollmitglieder der CEN haben die EN 1991-1-4 bis auf wenige Ausnahmen umgesetzt und Nationale Anhänge veröffentlicht. Ausnahmen sind Malta, Mazedonien, die Schweiz, Spanien und die Türkei. Aus Malta ist noch kein Veröffentlichungsdatum eines Nationalen Anhangs bekannt. Aus Mazedonien waren keine verwertbaren Informationen zu erhalten. Die in der Schweiz gültige SiA 261 wurde teilrevidiert und im Juli 2014 neu publiziert. In Spanien und der Türkei sind uns gültige nationale Normen bekannt, jedoch keine Nationalen Anhänge zur EN 1991-1-4.
  • Unter den „Affiliates“ hat bisher nur Belarus einen Nationalen Anhang zur EN 1991-1-4 veröffentlicht. Serbien, Bosnien und Herzegowina und Montenegro erarbeiten derzeit ebenfalls Nationale Anhänge, haben aber noch nicht entschieden, wann diese veröffentlicht werden.
  • Armenien hat keine nationale Windlastnorm und wird auch den Eurocode nicht einführen.
  • In der Ukraine wurde bisher kein Nationaler Anhang veröffentlicht. Die gültige ukrainische Windlastnorm ähnelt stark der russischen.
  • In Russland und Aserbaidschan ist weiterhin die Windlastnorm der ehemaligen Sowjetunion anzuwenden.
  • Israel hat eine eigenständige Windlastnorm.

Keine offiziellen Windlastnormen konnten für die Länder Albanien und Moldawien, sowie Ägypten, Georgien, Jordanien, Libanon, Libyen, Marokko und Tunesien beschafft werden. Wohl existieren aber inoffizielle Anwendungsdokumente in einigen dieser Länder.

Windlastnormen in den USA

In den USA gelten besonders strenge Anforderungen an Windkanaluntersuchungen, die in den derzeit gültigen Normen ASCE 7-05 und ASCE 7-10 definiert sind. Mit ASCE 49-12 ist Ende 2012 außerdem eine spezielle Norm zur Durchführung von Windkanaluntersuchungen hinzugekommen. Aus diesem Grund müssen Windkanaluntersuchungen, welche auf dem US-amerikanischen Markt Anwendung finden sollen, in der Regel aufwändiger als nach WTG-Richtlinie durchgeführt werden.

Kalifornien nimmt innerhalb der USA eine Vorreiterrolle hinsichtlich Normgebung wahr. Dies zeigt sich auch daran, dass bereits 2012 ein erster Normvorschlag seitens der SEAOC (Structural Engineers Association of California) erschienen ist. Dieses Dokument definiert für Kalifornien verbindliche Windlastansätze für PV-Flachdachanlagen und legt fest, dass Windkanalgutachten mittels „Peer-review“ überbeglaubigt werden müssen.

I.F.I. Institut für Industrieaerodynamik GmbH ist als einziges nicht-amerikanisches Institut in dem Dokument „SEAOC-PV2-2012 – Wind loads on low profile solar photovoltaic systems on flat roofs“ als geeignetes Labor für Grenzschichtwindkanaluntersuchungen an PV-Flachdachanlagen aufgeführt.

Auf Kundenwunsch hin haben wir uns ebenfalls als erstes Windkanalinstitut überhaupt beim City of LA Department of Building and Safety (LADBS) akkreditieren lassen.

Verfügbare Downloads

Testing Agency Certificate of Approval

Zertifikat „Department of Building and Safety“, City of Los Angeles, USA

Gültig bis: 01. September 2020
Ausstellungsdatum: 01. September 2019

Internationale Windlastnormen

Auch auf internationalem Niveau existieren fortgeschrittene Windlastnormen. Hier sind insbesondere die für Australien und Neuseeland gültige Windlastnorm, AS/NZS 1170.2, sowie in Japan die AIJ Recommendations on Loads for Buildings und das Building Standard Law of Japan zu nennen.

Der International Building Code übernimmt traditionell große Teile der US-amerikanischen ASCE 7 und mit ISO 4354:2009 ist eine Windlastnorm erschienen, welche Länder ohne eigene Windlastnorm einfach adaptieren können.

Die vorgenannten Normen unterscheiden sich unter anderem in den zugrundeliegenden Mittelungszeiten der Basis- oder Böenwindgeschwindigkeiten, den für die jeweils betrachteten Baukörper gültigen Druckbeiwerten und in dynamischen Windeffekten.

Unsere Ansprechpartner

Dr.-Ing. Thorsten Kray

Leiter der Abteilung für Bauwerksaerodynamik

Ihr Ansprechpartner für:
Windlasten auf Bauwerke und Solaranlagen

Sprache:
Deutsch, Englisch, Französisch
+49.241.879708-12 | +49.241.879708-10 | kray@ifi-ac.com

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