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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 auf ballastierte PV-Flachdach-Montagesysteme

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 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 und Nationalem Anhang keine Ansätze für die hierbei genutzten Druckaus¬gleichsvorgänge gibt. Typisch für die Überströmung von Flachdächern ist die Ausbildung von Delta-Flügel-Wirbeln bei Anströmung über Eck, welche hohe lokale Drehgeschwindigkeiten besitzen und die Spitzenwindlasten auf PV-Montagesysteme verursachen. Zum Dachinneren hin nehmen die Windlasten ab.

Windlasten auf ballastierte PV-Flachdach-Montagesysteme

Für ballastgesicherte Photovoltaik-Montagesysteme für Flachdächer empfiehlt sich daher die Durchführung von Windkanal-Modellversuchen gemäß dem WtG-Merkblatt, um die Windlasten und daraus zu bemessenden Ballastanforderungen im Sinne der DIN EN 1991-1-4:2010-12, Kapitel 1.5 korrekt zu ermitteln. Üblicherweise ist es erforderlich, die Geometrie der Solarpaneele inkl. ihrem Neigungswinkel, den Reihenabstand, den Abstand zu den Dachkanten, größere Lücken zwischen Reihen oder Feldern, die Reihenausrichtung zu den Gebäudeachsen, die Geometrie von Rückwänden sowie mit Abstrichen die Geometrie der Unterkonstruktion zu modellieren. Die Gebäudemodelle müssen über derartige Grundrisse verfügen, dass die Windwirkung auf mindestens sechs Feldreihen in unterschiedlichen Dachzonen erfasst wird. Hieraus resultiert, dass die Versuchsmatrix eine große Bandbreite an Grundrissen, Dachhöhen und Attikahöhen beinhalten muss. Ein weiterer wichtiger Parameter für die Bestimmung des für die Lagesicherung notwendigen Ballasts ist die Lasteinflussfläche, welche ein Maß für die Umverteilung und Mittelung von Lasten aufgrund des Systemverbunds ist.

Windlasten auf dachparallele PV-Montagesysteme

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 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 30-70% geringer als die Außendruckbeiwerte nach Eurocode ausfallen, sodass die Lagesicherung mittels Ballast anstelle von Dachdurchdringungen möglich wird.

Windlasten auf dachparallele PV-Montagesysteme

Windlasten auf PV-Freiflächen-Montagesysteme

Einachsig nachgeführte Photovoltaik-Montagesysteme, sogenannte Solartracker, wie auch bodengebundene PV-Montagesysteme mit festem Anstellwinkel werden üblicherweise in Reihen- oder Feldanordnungen errichtet. Aus diesem Grund sind sie sowohl für dynamische Windwirkung aufgrund von periodischer Wirbelablösung als auch für solche aufgrund von Anregung durch Nachlaufturbulenz anfällig. Als Konsequenz hieraus kann es zu einer dynamischen Überhöhung der statischen Windlasten durch resonanzartige Schwingungen kommen, wenn die Frequenz der ablösenden Wirbel mit der Eigenfrequenz der Struktur übereinstimmt. In Anbetracht oft nur geringer vertikal projizierter Höhen bedeutet dies zudem, dass auch für Eigenfrequenzen weit oberhalb von 1 Hz bemessungsrelevante Resonanzeffekte aus hochfrequenter turbulenter Energie resultieren, was bereits bei Windgeschwindigkeiten unterhalb der Bemessungswindgeschwindigkeit auftreten kann. Günstig wirkt sich diesbezüglich die vorhandene Strukturdämpfung aus, die jedoch i.d.R. bei vielen Schwingungsformen gering ist.

Aus den Windkanalversuchen müssen Druck-Zeit-Reihen extrahiert werden, welche die maximalen Lasteffekte wie z.B. die Normalkraft, das Reihendrehmoment oder Biegemomente reproduzieren. Die wesentlichen die Windlasten beeinflussenden Parameter sind der Modulanstellwinkel, der Reihenabstand, der Bodenabstand und die Sehnenlänge. Bei Solartrackern ist zudem ein Anstellwinkelbereich statt eines einzelnen festen Anstellwinkels von Interesse. In Abhängigkeit des Modulanstellwinkels ergibt sich eine günstige Windabschattung für Reihen in der Feldmitte, welche mit steigendem Modulanstellwinkel ansteigt.

Windlasten auf PV-Freiflächen-Montagesysteme

Liegen die Ergebnisse einer Modalanalyse hinsichtlich Schwingungsformen und Eigenfrequenzen vor, lassen sich in Abhängigkeit des logarithmischen Dämpfungsdekrements dynamische Überhöhungsfaktoren, sogenannte DAFs bestimmen. Die statisch-äquivalente Windlastverteilung wird somit aus der kombinierten Wirkung von statischen und dynamischen Lastanteilen berechnet.

Statisch-äquivalente Windlasten stellen ein für Tragwerksplaner gewohntes Format dar und können beispielsweise zur Berechnung von Verformungen, Spannungen etc. mithilfe der Finite-Element-Methode (FEM) genutzt werden. Ebenso können sie einfach z.B. nach EN 1990 mit anderen Lasten wie Schneelasten oder ständigen Lasten aus Eigengewicht etc. kombiniert werden.

Torsionsinstabilität von einachsigen Solartrackern

Instabilitäten bei einachsig nachgeführten PV-Montagesystemen, die dem Flattern bzw. dem Galloping ähneln, sind vielfach bei Anlagen auf Freiflächen beobachtet worden, wenn der Antrieb aus zentraler Position über eine flexible Welle erfolgte. Die aerodynamische Instabilität ist eine Kombination aus einer zunächst stetigen Zunahme des Anstellwinkels und einer plötzlichen Anregung der Schwingungsform mit der niedrigsten Eigenfrequenz, welche typischerweise eine Torsionsschwingung ist. Die schraubenförmige Verdrehung entlang der Reihe ist bei dieser Schwingungsform am Reihenende am größten und nahe dem Motor am kleinsten. Die Wirbel lösen abwechselnd und periodisch von den Modulunter- und -oberkanten ab, was zu einem Aufschwingen des Solartrackers führt. Das aerodynamische Moment führt zunächst in quasistatischer Manier zu einem Anstieg des Anstellwinkels, ohne dass jedoch der Zustand der Torsionsdivergenz erreicht wird. Erst das plötzliche Freisetzen eines Drehmoments, welches durch das Ablösen eines Wirbels verursacht wird, löst Rotationsbewegungen aus, die unkontrolliert mit der Windgeschwindigkeit ab dem Erreichen einer kritischen Windgeschwindigkeit anwachsen. Die kritische Windgeschwindigkeit stellt einen Grenzzustand dar, bei dem die Summe der aerodynamischen Dämpfung und der Strukturdämpfung gerade gleich null ist. Im Allgemeinen ist die Frequenz der Drehbewegung geringer als die Eigenfrequenz der Torsionsschwingung, aber bei Anstellwinkeln oberhalb von 10° kann es zur Kopplung der Wirbelablösefrequenz an die Eigenfrequenz kommen. Man spricht dann vom sogenannten Lock-In-Effekt.

Die hieraus resultierende Instabilität ist bei kleinen Anstellwinkeln (0°-10°) maßgeblich durch die Torsionssteifigkeit beeinflusst und wird als Torsionsgalloping bezeichnet. Die auftretenden großen aeroelastischen Kräfte und Rotationen können nicht signifikant durch die Strukturdämpfung vermindert werden.

Bei mittleren Modulanstellwinkeln (20-35°) kann die als Torsionsflattern bezeichnete Instabilität dagegen günstig durch die Strukturdämpfung beeinflusst werden, auch wenn das Auftreten aeroelastischer Kräfte und Drehbewegungen weiterhin möglich sind. Die äquivalent-statischen Windlasten sind dagegen deutlich größer als bei geringen Anstellwinkeln.

Bei hohen Anstellwinkeln von 45° oder größer treten die größten Windlasten auf. Lediglich bei dem Sonderfall, dass ein negativer Anstellwinkel mit einer geringen Strukturdämpfung kombiniert wird, kann es noch zu aerodynamischen Instabilitäten kommen. Ansonsten treten aber keine aerodynamischen Instabilitäten mehr auf, wenngleich kleine aeroelastische Drehbewegungen auch weiterhin möglich sind. 

Durch selbsterregte Schwingungen kann es zu Schäden beispielsweise infolge Dauerbruchs kommen, sodass die Wahl einer Sturmstellung von mindestens 30° eine Lösung sein kann. Die Torsionsinstabilität hängt von der Windgeschwindigkeit, der Eigenfrequenz, der Torsionssteifigkeit und der Strukturdämpfung ab. Hierbei sind die Auswirkungen selbsterregter Kräfte vor allem dann zu erwarten, wenn der Wind aus +30° zur senkrechten Anströmung auf das PV-Feld auftrifft.

Eine effektivere Maßnahme kann aber darin bestehen, die Torsionsinstabilität durch konstruktive Änderungen, z.B. mittels Torsionssperre an jedem Stützpfosten, gänzlich auszuschalten, sodass sich das PV-Montagesystem trotz der Nachführung wie eines mit festem Anstellwinkel verhält.

Nicht zu unterschätzen ist in diesem Zusammenhang auch, dass bereits bei der Installation von Solarkraftwerken aerodynamische Instabilitäten auftreten können. Dringend zu empfehlen ist deshalb eine Montagereihenfolge, bei der die Dämpfer vor den Modulen installiert werden. Auch kann im Laufe des meist 25-jährigen Lebenszyklus die Anfälligkeit gegenüber Torsionsschwingungen durch Verschleiß der Dämpfer ansteigen.

Windlastnormen in Europa

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

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 und die Türkei. Aus Malta und aus Mazedonien ist noch kein Veröffentlichungsdatum eines Nationalen Anhangs bekannt. In der Türkei wird weiterhin eine Windlastnorm verwendet, die auf einer früheren Version der DIN 1055-4 basiert.
  • Unter den „Affiliates“ haben bisher nur Belarus und Serbien einen Nationalen Anhang zur EN 1991-1-4 veröffentlicht. Bosnien und Herzegowina sowie 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 sind für die Länder Albanien und Moldawien, sowie Ägypten, Georgien, Jordanien, Libanon, Libyen, Marokko und Tunesien erhältlich. Wohl aber werden in einigen dieser Länder der Eurocode oder die ASCE 7 zusammen mit Empfehlungen für die anzusetzenden Basiswindgeschwindigkeiten angewandt.
 

Windlastnormen in den USA

Die in den USA derzeit gültigen Windlastnormen sind ASCE 7-10 und ASCE 7-16. In einigen Bundesstaaten sowie vielfach außerhalb der USA findet auch die Vorgängerversion ASCE 7-05 noch Anwendung.

Mit ASCE 49-12 existiert außerdem eine spezielle Norm, welche die Durchführung und Auswertung von Windkanaluntersuchungen reglementiert. Aus diesem Grund müssen Studien in Grenzschichtwindkanälen, welche auf dem US-amerikanischen Markt Anwendung finden sollen, in der Regel aufwändiger als nach dem WTG-Merkblatt durchgeführt werden. Dies gilt insbesondere für Untersuchungen an ballastierten PV-Flachdachsystemen, für deren Durchführung und Auswertung in ASCE 7-16 ein eigenes Kapitel hinzugekommen ist.

Kalifornien nimmt innerhalb der USA eine Vorreiterrolle hinsichtlich der Normgebung ein. Dies zeigt sich auch daran, dass die seitens der SEAOC (Structural Engineers Association of California) 2017 veröffentlichte Richtlinie mittlerweile überall in den USA zu einem Standard geworden ist. Das in SEAOC PV2-2017 erstmals definierte Verfahren zu Windkanaluntersuchungen an ballastierten PV-Flachdachsystemen, das zudem die fachliche Begutachtung durch eine Drittpartei („Peer-review“) erfordert, wurde in ASCE 7-16 übernommen. 

Das I.F.I. Institut für Industrieaerodynamik war als einziges nicht-nordamerikanisches Labor für Grenzschichtwindkanaluntersuchungen maßgeblich an der Entwicklung der Richtlinie „SEAOC PV2-2017 – Wind design for solar arrays“ beteiligt.

Auf Kundenwunsch haben wir uns als erstes Windkanalinstitut überhaupt beim City of LA Department of Building and Safety (LADBS) für die Durchführung von Windkanaluntersuchungen in der Bauwerksaerodynamik 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 in der Version IBC 2018 reproduziert große Teile der US-amerikanischen ASCE 7. Mit ISO 4354:2009(R:2014), der Windlastnorm der International Organization for Standardization, liegt eine Grundlage vor, welche Länder ohne eigene Windlastnorm einfach adaptieren können. Die vorgenannten Normen unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich der zugrundeliegenden Mittelungszeiten der Basiswindgeschwindigkeiten, der für die jeweils betrachteten Baukörper gültigen Druckbeiwerte sowie auch bei der Handhabung resonanter dynamischer Windeffekte.

Ihre Ansprechpartner

Dr.-Ing. Thorsten Kray

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

Daniel Markus, M.Sc.

Daniel Markus, M.Sc.

Stellv. Leiter der Abteilung für Bauwerksaerodynamik

Ihr Ansprechpartner für:
Windlasten auf Bauwerke und Solaranlagen

Sprache:
Deutsch, Englisch
+49.241.879708-18 | +49.241.879708-10 | markus@ifi-ac.com

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