PV-Freiflächenanlage im Landkreis Havelland, Brandenburg

Standsicherheitsnachweis dank Windsimulation

Bei dem Pro­jekt han­delt es sich um ein genehmi­gungspflichtiges Bau­vorhaben für eine rd. 250.000 m² große PV-Anlage auf ein­er vorhan­de­nen Grün­fläche. Zum Zeit­punkt der Beauf­tra­gung war der Bauantrag bere­its gestellt. Es fehlte der Stand­sicher­heit­snach­weis.

Herausforderung: Norddeutsches Tiefland mit besonderen Wind-/Schneelastbedingungen

Das nord­deutsche Tiefland ist beliebt für die Auf­stel­lung ein­er PV-Frei­flächenan­lage, weil die Topogra­phie sehr eben ist und geeignetes Land ver­gle­ich­sweise gün­stig ist.

Das Havel­land in Bran­den­burg ist gemäß DIN EN 1991–1‑3 der Schnee­last­zone 2 zuzuord­nen. Bei der sta­tis­chen Berech­nung für außergewöhn­liche Ereignisse sind erhöhte Sicher­heits­bei­w­erte zu beacht­en. Die Schnee­last ist als ver­gle­ich­sweise mod­er­at zu bew­erten. Beim Wind han­delt es sich um Wind­last­zone 2. Die Beson­der­heit­en in der Nähe zur Nord- und Ost­see waren hier nicht rel­e­vant. Die Rauigkeit des Bodens ist jedoch ver­gle­ich­sweise ger­ing, sodass − ohne genauere Unter­suchung − der Wind unge­hin­dert auf die PV-Frei­fläche trifft.

Die Beson­der­heit bei diesem Pro­jekt ist vielmehr die planer­ische Aus­gangssi­t­u­a­tion. Ein beste­hen­des PV-Sys­tem eines inter­na­tionalen Her­stellers und Plan­ers sollte in Bran­den­burg mon­tiert wer­den. Nach Durch­sicht der Unter­la­gen war fest­stell­bar, dass Sta­bil­ität­snach­weise durch die aus­ländis­chen Trag­w­erk­s­plan­er nicht geführt wur­den. Weit­er­führend waren Las­tan­nah­men für Schnee und Wind nicht nachvol­lziehbar doku­men­tiert. Im Ver­gle­ich zu den in Deutsch­land üblicher­weise ange­set­zten Wind­las­ten waren die resul­tieren­den Las­tan­nah­men in den Berech­nun­gen zu ger­ing.

Mit den fehlen­den rech­ner­ischen Nach­weisen und zu gerin­gen Las­tan­nah­men kon­nte der Stand­sicher­heit­snach­weis nicht aus­gestellt wer­den.

Lösungsansatz 1: Windsimulation zur Vermeidung zu konservativer Lastannahmen

Ein Teil unseres method­is­chen Lösungsansatzes bestandt darin, eine Wind­sim­u­la­tion für den gewählten Stan­dort durchzuführen. Die PV-Frei­flächenan­lage wird drei­di­men­sion­al nach­mod­el­liert und virtuell in einen Wind­kanal gestellt. Die Topografie, Boden­rauigkeit und Umge­bung kann mit­berück­sichtigt wer­den. Im Regelfall lassen sich durch solche Sim­u­la­tionsver­fahren die anset­zbaren Las­tan­nah­men reduzieren und schlanke Kon­struk­tio­nen rech­ner­isch nach­weisen.

Bei Wind­sim­u­la­tio­nen sollte die Kon­struk­tion möglichst real­itäts­ge­treu berück­sichtigt wer­den. Die Wind­las­ten kön­nen in Rand­bere­ichen deut­lich höher aus­fall­en als im inneren Bere­ich. Dies gilt sowohl für Baukon­struk­tio­nen im direk­ten Win­dan­griffs­bere­ich, als auch in den seitlichen Rand­bere­ichen. Grund dafür sind Ver­wirbelun­gen, die je nach Auf­stel­lart und Anla­gen­größe vari­ieren.

Lösungsansatz 2: 3D-FEM basierte Statik für Stabilitätsnachweise

Einzelne Bauteile, die sich auf­grund zu hoher Flächen­las­ten durch­biegen und zeit­gle­ich auch eine sta­bil­isierende Wirkung in Bauteil­rich­tung (Auf­nahme von Nor­malkraft) ein­nehmen, ver­lieren ihre Sta­bil­ität schneller, als Bauteile, die sich nur auf­grund hoher Las­ten durch­biegen. Im vor­liegen­den Fall wur­den die soge­nan­nten Nor­malkräfte nicht berück­sichtigt. Bei der Vorbe­mes­sung stellte sich her­aus, dass die Nor­malkräfte rech­ner­isch dazu führen, dass einzelne Stäbe ihre Sta­bil­ität ver­lieren wür­den. Ein Grund warum die Nor­malkräfte unberück­sichtigt blieben, kön­nte die Berück­sich­ti­gung von Solar­mod­ulen sein, denen eine aussteifende Wirkung zur Ver­mei­dung von Ver­drehen und Biegedrillknick­en unter­stellt wird. PV-Solar­mod­ule sind jedoch nicht wie eine durchgängige, steife Scheibe (z. B. voll­ständig ver­ankerte OSB-Plat­ten) als aussteifend bew­ertet wer­den. Die Befes­ti­gung der Solar­mod­ule erfol­gt mit kleinen Schrauben, welche einen ver­gle­ich­sweise weichen Alu­mini­um-Rah­men mit der Unterkon­struk­tion verbindet. Sie ver­mei­den haupt­säch­lich ein Abheben der Solar­mod­ule bei starkem Wind.

Unsere Lösung bestand darin, die PV-Unterkon­struk­tion ganzheitlich zu betra­cht­en und die einzel­nen Bauteile gemäß Auf­maß vor Ort dig­i­tal nachzu­mod­el­lieren. Erfahrungs­gemäß weisen real gekan­tete Bauteile min­i­mal Abwe­ichun­gen gegenüber der Pla­nung auf. Gle­ichzeit­ig wur­den Abstände und Stärken vor Ort geprüft. Durch das Auf­maß und die drei­di­men­sion­ale Berück­sich­ti­gung des Trag­w­erks war es möglich, die Tragfähigkeit der einzel­nen Bauteile nachzuweisen.

Fazit: Standsicherheitsnachweise für schmale PV-Freiflächenanlagen erfordern besonderes Know-How

Dieses Pro­jekt belegt, dass 20+ Beruf­s­jahre im Bere­ich Trag­w­erk­s­pla­nung in Kom­bi­na­tion mit Meth­o­d­enkom­pe­tenz dazu beitra­gen, frühzeit­ig neu­ral­gis­che Punk­te ein­er sta­tis­chen Berech­nung zu iden­ti­fizieren und darauf auf­bauende Stand­sicher­heit­snach­weise zu erstellen. In Kom­bi­na­tion mit geeigneten KI-Mod­ellen iden­ti­fizieren wir frühzeit­ige Schwach­stellen im sta­tis­chen Sys­tem und sind durch Anwen­dung mod­ern­er Tech­nolo­gien und Know-How im Stahlbau in der Lage, auch Leicht­baukon­struk­tio­nen für PV-Frei­flächen oder Dachan­la­gen rech­ner­isch nachzuweisen. Reine KI-Funk­tio­nen und Sim­u­la­tionsver­fahren hät­ten hier nicht weit­erge­holfen, da Vor-Ort Date­nauf­nah­men erforder­lich waren, um Steifigkeit­en und weit­ere Mate­ri­aleigen­schaften anhand der realen Bedin­gun­gen rech­ner­isch zu berück­sichti­gen.

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