Geld sparen durch Ingenieurmethoden − Befestigung von PV-Anlagen auf dem Dach

PV-Anla­gen wer­den mit unter­schiedlichen Befes­ti­gungsmit­teln auf Däch­ern befes­tigt. Sie sind gegen Abheben zu sich­ern. Gle­ichzeit­ig wirkt das Eigengewicht plus Schnee und Wind als zusät­zliche Last auf ein Dach, bis hin­unter in den Boden. Die Sys­temher­steller ste­hen im Konkur­ren­zkampf um die wirtschaftlich­sten Befes­ti­gungsmit­tel, denn das Gewicht und die Anzahl an Befes­ti­gungsmit­tel entschei­det darüber, wie hoch Mate­ri­alkosten und Mon­tageaufwand für den Handw­erk­er sind. Ein span­nen­der Tätigkeits­bere­ich für Inge­nieure.

Wie werden PV-Anlagen auf Steildächern befestigt?

Eine PV-Anlage für ein Steil­dach beste­ht aus Solar­mod­ulen, einen Schienen­sys­tem und ein­er Befes­ti­gung am Dach. Das Schienen­sys­tem trägt die einzel­nen Solar­mod­ule. Die Schienen wer­den mit Befes­ti­gungsankern ver­bun­den (Schraub­verbindung). Die Befes­ti­gungsanker wer­den auf dem Spar­ren mit Schrauben befes­tigt.

Nor­mgerecht wäre es, das Dach dabei nicht zu beschädi­gen. Heißt: Auch Dachziegel bzw. Pfan­nen dür­fen nicht geschnit­ten wer­den, um den Befes­ti­gungsanker vom tra­gen­den Spar­ren auf die Dachauf­sicht zu führen. Spezielle Pfan­nen und Ziegel wur­den von den Sys­temher­stellern entwick­elt, in denen Befes­ti­gungsanker bzw. Hak­en durchgeschraubt wer­den kön­nen. Bei älteren Däch­ern stellt dies ein Prob­lem dar, weil die alten Pfan­nen oft nicht mehr pro­duziert wer­den (Far­bun­ter­schiede, Größe­nun­ter­schiede etc.).

Weit­er­hin befind­et sich häu­fig unter­halb der Pfan­nen eine Unter­spannbahn. Auch diese sollte nicht beschädigt wer­den. Die Unter­spannbahn dient dazu, dass ein­tre­tendes Wass­er von außen nicht in die Kon­struk­tion­sebene (+ Däm­mebene) gelan­gen kann.

Das Schienen­sys­tem und die Befes­ti­gungsanker (“Hak­en”) wer­den im Regelfall vom Sys­temher­steller sta­tisch dimen­sion­iert. Um ein Pro­dukt möglichst flächen­deck­end anbi­eten zu kön­nen, wird das Sys­tem im Regelfall für den schlecht­esten Ein­tritts­fall dimen­sion­iert. Also für eine Region, in der viel Schnee und Wind vorherrscht und das Dach ver­gle­ich­sweise flach ist (und der Schnee liegen bleibt). Auch beim Spar­ren­ab­stand wer­den ver­gle­ich­sweise große Span­nweit­en rech­ner­isch berück­sichtigt. Wind­las­ten im Rand­bere­ich sind typ­is­cher­weise höher als in Innen­zo­nen. Die Sys­teme der Pro­duk­ther­steller wer­den auf Wind­las­ten im Rand­bere­ich zuge­lassen sein.

Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Sys­teme für den Einzelfall häu­fig überdi­men­sion­iert sind. Eine Indi­vid­u­al­lö­sung durch einen Sta­tik­er lohnt sich im Regelfall nicht bei kleineren Dachflächen (EFH-Kun­den). Bei größeren Steildäch­ern und erhe­blichen Mate­ri­alkosten kön­nte es sin­nvoll sein, das Befes­ti­gungssys­tem sta­tisch zu hin­ter­fra­gen. Hier ist der Anteil an Rand­zo­nen geringer und die Mate­ri­alkosten sind höher. Neben der Mate­ri­al­stärke kön­nte auch die Form der Befes­ti­gungsanker, des Schienen­sys­tems, sowie der Schrauben hin­ter­fragt wer­den.

Wie wird eine PV-Anlagen auf einem Flachdach befestigt?

Im Regelfall wer­den die Solar­mod­ule samt Unterkon­struk­tion nicht mech­a­nisch auf dem Flach­dach befes­tigt (keine Schrauben oder Dübel), damit die Abdich­tungsebene nicht beschädigt wird. Spezielle PV-Mon­tagesys­teme für Flachdäch­er haben eine Art Sat­tel­dach-Unterkon­struk­tion mit flach­er Nei­gung. Die Solar­mod­ule wer­den darauf ver­schraubt. Zwis­chen der Dachhaut und dem Schienen­sys­tem wer­den typ­is­cher­weise nur Schutzfolien/Gummimatten ver­legt. Das Eigengewicht der PV-Kon­struk­tion sollte so hoch sein, dass kein Abheben und kein Ver­schieben entste­ht. Dies wird bei nicht aus­re­ichen­dem Eigengewicht durch zusät­zliche Last­plat­ten erzielt.

Planer­isch sollte im ersten Schritt ein Bele­gungs­plan erstellt wer­den. Dann sollte sta­tisch die Wind­sog­wirkung (Abheben) und die hor­i­zon­tale Wind­last (Ver­schieben) ermit­telt wer­den. In einem fest­gelegten Raster (ide­al­er­weise iden­tisch mit dem Raster, in dem Last­plat­ten ver­legt wer­den kön­nen) soll­ten mech­a­nisch die einzel­nen Kräfte ermit­telt wer­den. Abzüglich der drück­enden Last aus dem Eigengewicht ergibt sich beim Abheben eine Kraft­d­if­ferenz, die durch Last­plat­ten aus­geglichen wird.

Beim Ver­schieben ist die entste­hende Hor­i­zontalkraft dem Eigengewicht, mul­ti­pliziert mit einem Rei­bungs­bei­w­ert gegenüberzustellen. Der Rei­bungs­bei­w­ert ist abhängig von den bei­den Mate­ri­alien, an denen die Kraftüber­tra­gung von PV-Anlage ins Dach stat­tfind­et. Auch hier kann über Last­plat­ten die Dachlast kün­stlich erhöht wer­den, damit sich die PV-Anlage nicht ver­schiebt.

Nun fol­gt die Berück­sich­ti­gung der Dachtragfähigkeit. Das Dach wird durch die PV-Anlage zusät­zlich belastet. Ide­al­er­weise soll­ten Nachbesserun­gen am Dachtrag­w­erk, an Stützen, Fun­da­menten und son­sti­gen Bauteilen ver­mieden wer­den.

Wie können PV-Anlagen auf Flachdächern statisch optimiert werden?

Bei Flachdäch­ern, ins­beson­dere bei Binder- oder Fach­w­erkkon­struk­tio­nen (sprich keine Deck­enkon­struk­tio­nen) kann es schnell zu ein­er Über­las­tung eines Flach­daches oder flach geneigtem Steil­daches kom­men. Inge­nieur­seit­ig kön­nen fol­gende Stellschrauben geprüft wer­den:

• Wind­las­ten anstelle kon­ven­tioneller Wind­last­berech­nung alter­na­tiv durch Wind­sim­u­la­tio­nen ermit­teln
• Verän­derung des PV-Mon­tagesys­tems zur Erhöhung der Auf­s­tands­fläche (höhere Rei­bung und verbesserte Kraftüber­tra­gung)
• Neu­berech­nung der Gebäud­esta­tik anhand der real ver­baut­en Pro­file, Las­ten und Verbindungsmit­tel
• Neu­berech­nung der Gebäud­esta­tik anhand numerisch­er Inge­nieurmeth­o­d­en (3D-FEM Sim­u­la­tio­nen)
• Indi­vidu­elle Probeent­nah­men vor Ort zur Ermit­tlung des tat­säch­lichen Gewicht­es auf dem Dach (inkl. Sicher­heits­bei­w­erte)

Wie man sieht, sind ver­schiedene method­is­che Ansätze denkbar, um eine sta­tis­che Unbe­den­klichkeit zu bescheini­gen. Die richtige Auswahl erfordert Meth­o­d­enken­nt­nisse und Erfahrun­gen über die Auswirkun­gen der einzel­nen Ansätze. Ide­al­er­weise wer­den die Meth­o­d­en gewählt, mit denen möglichst kostengün­stig eine sta­tis­che Unbe­den­klichkeit bescheinigt wer­den kann.

Fazit: Ingenieurmethoden sind aufwändiger, können jedoch Geld sparen

Ver­gle­icht man die Kosten für einen Inge­nieur und stellt diese den möglichen Einsparun­gen inner­halb eines Pro­jek­tes gegenüber stellt man schnell fest, dass mod­erne Berech­nungsan­sätze wirtschaftliche Vorteile für Eigen­tümer (gün­stigere Ange­bot­spreise), Her­steller (Wet­tbe­werb­svorteile) und Inge­nieur­di­en­stleis­ter (zusät­zliche Aufträge) mit sich brin­gen. Erforder­lich ist jedoch ein hin­re­ichen­des method­is­ches Know-How, Sorgfalt bei der Anwen­dung und Erfahrung bei der Auswahl geeigneter Meth­o­d­en. Die Befes­ti­gung bzw. Unterkon­struk­tion bei ein­er Solaran­lage ist ein wesentlich­er Kos­ten­treiber gewor­den, seit­dem die Solar­mod­ule selb­st deut­liche Preisko­r­rek­turen nach unten erfahren haben.

Zusammenfassung