Sicherheitsaspekte der Befestigung von PV-Modulen auf Gebäuden - VDI 6012, Blatt 1.4 -

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1 Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik Sicherheitsaspekte der Befestigung von PV-Modulen auf Gebäuden - VDI 6012, Blatt Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 19. Sept

2 - Ü b e r s i c h t - 1 Gründung des VDI-Ausschusses 2 Hauptziele und Themenschwerpunkte der VDI-Richtlinie 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen 4 Sicherheitsrelevante Hauptursachen für mängelbehaftete Befestigungslösungen 5 Schlussbetrachtung und Ausblick Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 2

3 1 Gründung des VDI-Ausschusses Technische Sicherheit bedeutet /1/: Ein technisches System (Anlage oder Produkt) muss über einen geplanten Zeitraum hinweg die vorgesehenen Funktionen erfüllen und darf bei bestimmungsgemäßer Nutzung keine geschützten Rechtsgüter verletzen - d.h. weder Personen noch Sachen. Für den langjährigen störungsfreien Betrieb von PV-Anlagen auf Gebäuden ist die sichere Befestigung der PV-Module in einer gewünschten räumlichen Anordnung eine Grundvoraussetzung. Seit 2009 beschäftigt sich ein VDI-Ausschuss mit dem Thema Befestigung von Solarmodulen und Solarkollektoren auf Gebäuden /2/ - VDI 6012, Blatt 1.4. (Erscheint voraussichtlich Ende des Jahres 2013.) Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 3

4 1 Gründung des VDI-Ausschusses In Fachbüchern überwiegend grob strukturierte Überblicke, relativ unvollständig behandelt Ausnahme: Spezieller und ausführlicher Themenbereich zur Aufständerung von Solarkollektoren /3/, Neu erschienen sind Fachbeiträge: - OTTI-Fachforum 2011 /4/ Montage von Photovoltaik-Anlagen und - Veröff. Achtung Bruchgefahr /5/ in Zeitschrift photovoltaik, April Normen und Richtlinien: ÖNORM M7778 /6/ sowie Merkblatt Solartechnik für Dach und Wand /7/ (ZdDH) und Solarenergieanlagen Gütesicherung RAL-GZ 966 /8/. Aktuelles betriebsspezifisches Wissen ist in Schutzrechtsanmeldungen und frei zugänglichen Firmeninformationen enthalten (Prospekte für Befestigungselemente und Montageanleitungen für die Installation von Montagesystemen der Photovoltaik und Solarthermie). Erfahrungen der Betreiber von Solaranlagen und Schadensberichte (Fachzeitschriften, Fachtagungen, Berichte von Versicherungen, ). Informationsquellen zum Thema Befestigung Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 4

5 1 Gründung des VDI-Ausschusses Montagesystemhersteller für Photovoltaik, Hersteller von PV-Modulen, Hersteller von Solarkollektoren und Montagesystemen, Dachziegel-/Dachsteine-Hersteller, Zentralverband der Dachdecker, Industrieverband für Bausysteme IFBS, Betreiber von Solaranlagen, TÜV Rheinland, BSW Bundesverband der Solarwirtschaft, Gesamtverband der Versicherungswirtschaft GDV, Vertreter aus Hochschule und Gutachter für Solaranlagen. Interdisziplinäre Ausschuss-Zusammensetzung Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 5

6 2 Hauptziele und Themenschwerpunkte der VDI-Richtlinie D A C H F A S S A D E Parallel auf Schrägdach Parallel auf Flachdach Parallel an Außenwand Parallel an Brüstung Aufgeständert auf Schrägdach - Parallel zum First - Senkrecht zum First - Ggf. schräg zum First Aufgeständert auf Flachdach - Parallel zur Außenwand - Ggf. schräg zur Außenwand Aufgeständert an Außenwand Aufgeständert an Brüstung Übersicht zu grundsätzlichen additiven Montagemöglichkeiten Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 6

7 2 Hauptziele und Themenschwerpunkte der VDI-Richtlinie Die vorliegende Richtlinie soll Unterstützung leisten, Solaranlagen nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik zu entwickeln und zu errichten, um diese gefahrlos betreiben zu können. Sie behandelt Trag- und Verbindungselemente von Montagesystemen für Solarmodule und Solarkollektoren, die additiv auf Dächern zum Einsatz kommen. Sie gibt einen Überblick zu prinzipiellen Lösungsmöglichkeiten und zum Stand der Technik. Weiterhin gibt sie Hinweise und Empfehlungen zur Planung, Auslegung, Errichtung, Abnahme und Instandhaltung. Es werden ausschließlich mechanische Einwirkungen betrachtet. Elektrische und hydraulische Leitungen sowie Blitzschutz und Potentialausgleich, werden nicht thematisiert. Weiterhin sind gebäudeintegrierte Solarsysteme nicht Inhalt der Richtlinie. Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 7

8 2 Hauptziele und Themenschwerpunkte der VDI-Richtlinie Einleitung - u.a. Begriffe und Definitionen Ausführungsmöglichkeiten - u.a. Bauarten von Solarmodulen/-kollektoren - Komponenten eines Montagesystems mit Schnittstellen zu angrenzenden Systemen Lösungsübersicht zur Befestigung von Solarmodulen und Solarkollektoren Auslegung und Bemessung von Montagesystemen Planung Installation und Abnahme Betrieb und Instandhaltung Verantwortung der Beteiligten Schrifttum Anhang A - Überschlägige Ermittlung der Spannungen und Verformungen an Dachhaken unter Berücksichtigung der Einbausituation an Dachsparren Inhaltsübersicht mit Arbeitsthemen der VDI 6012, Blatt 1.4 Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 8

9 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen Modul-Befestigung am Traggestell (Modulklemmen) Einwirkungen (Wechselnde Flächenlasten) Traggestell-Arten Wärmedehnungen Unterschiedliche Dachdeckungen Dachunterkonstruktion Verankerungselemente (Abdichtung der Dachdurchdringungen) Standsicherheit bei ballastierter Aufständerung Themenfelder bei der Entwicklung eines Montagesystems Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 9

10 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen Einwirkungen (Flächenlasten) q Befestigung der Solarmodule/-kollektoren Traggestell für Schräg- oder Flach-Dach - Einzelschienensystem - Kreuzschienensystem - Dreieckschienensystem ggf. mit Verkleidungsblechen Verankerung am Gebäudetragwerk Verankerungselemente für Flach-Dach: - Stützfuß - Balla-... stierung - Verankerungselemen te für Schräg-Dach: - Dachhaken/-anker - Stockschraube / Solarbefestiger - Formelement - Verankerungseleme nte für Metalldach: - Profilschelle/-schuh - Falzklemme - Stockschraube / Solarbefestiger Montagesystem Solarmodule Solarkollektoren Auflast Dachabdichtung / Dachdeckung Dachtragwerk (Dach-Unterkonstruktion) Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn Aufgabenbereich des Montagesystems 10

11 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen α µ=0 F n F Abstützung am Modul/Kollektor F H Grundlage für das Festlegen der zu erwartenden Belastungen ist das Normenwerk DIN EN >> Ist allerdings keine solartechnische Norm: Berücksichtigt nur zum Teil die Besonderheiten der montierten Modul- bzw. Kollektorfelder! α µ=0 F n F H F Schneeanhäufung an Solarmodulen/-kollektoren durch Anfrierungen am Modul-/Kollektorrahmen Einwirkungen: Beispiele für wechselnde und ungleich verteilte Flächenlasten Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 11

12 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen A A B B Quelle: IBC SOLAR Abstützung des Modulrahmens zur Vermeidung von Schäden durch überhöhte Hangabtriebskräfte bei Schneeanhäufungen Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 12

13 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen Obergurt Tragschiene Quelle: Firma LORENZ Montagesysteme Beispiele für Klemmhalter mit Schraubverbindung zum Erzeugen des Kraftschlusses zwischen Modul-/Kollektorrahmen und Tragschiene Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 13

14 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen BP LP 1 1 LP bis LP Gelb: Möglicher Klemmbereich für Standard Lastaufnahme ist max. LP und max. BP 5 3 Rot: Eingeschränkter bzw. nicht möglicher Klemmbereich (für reduzierte Lastaufnahmen) Grün: Klemmbereich für maximale Lastaufnahme ist Die exakten Bereiche sind jeweils abhängig vom Modultyp; Herstellerangaben sind zu beachten! Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn Zulässige Klemmbereiche bei symmetrischer Anordnung an vier Auflagerpunkten des Moduls/Kollektors 14

15 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen (Quelle IBC SOLAR) Abrutschsicherung für Solarmodule/-kollektoren - auf Einzeltragschienen montiert - Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 15

16 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen Verankerungselemente Direkte Lastableitung in das Dachtragwerk Indirekte Lastableitung in das Dachtragwerk über Dachziegel/-stein Ohne Austausch eines Dachziegels/-steins Mit Austausch eines Dachziegels/-steins Befestigung am Sparren Einhängung an Dachlatte Dachhaken mit Ziegelbearbeitung (Aussparung) I Dachhaken mit Flächenlüftern II Dachhaken mit Metall- Unterlegplatte III Dachanker mit Ziegelbearbeitung Formelement mit Befestigungsstütze IV V Dachanker mit Ziegelbearbeitung VI Dachanker ohne Ziegelbearbeitung VII Übersicht: Verankerungselemente für Dachdeckungen mit Dachziegeln/Dachsteinen Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 16

17 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen Quelle: Firma Roeder Maschinenbau I Dachhaken für bearbeitete Dachziegel (Aussparung für die freie Verformung des Auslegers) Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 17

18 3 Befestigungslösungen im Blickfeld F n der Sicherheitsanforderungen F δ F t f α I Befestigungssituation für Dachhaken zur Ableitung unterschiedlicher Lasteinwirkungen in das Dachtragwerk Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 18

19 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen F e I Erhöhte Schraubenbelastung und Kantenpressung an Konterlatte durch exzentrischen Dachhakeneinbau Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 19

20 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen Sichere Kabel- oder Rohrdurchführung Großer horizontaler Positionierbereich für Dachhaken, ohne Bearbeitung der Dachziegel (Quelle: Firma Marzari Technik) III Metall-Unterlegelemente Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 20

21 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen IV Beispiel für Metall-Formelement mit Stützbohle zwischen den Sparren Quelle: Firma Erlus Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 21

22 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen 2 F : Eingehängter Metall-Dachhaken 2: Oberer Dachziegel/-stein 3: Unterer Dachziegel/-stein 4: Dachlatte 5: Konterlatte 6: Unterspannbahn 7: Dachsparren VII An Dachlatte und Dachziegel/-stein eingehängter Dachhaken Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 22

23 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen Beispiele für vormontierte Stockschrauben mit unterschiedlichen Dichtkonzepten Verankerungselemente für großformatige Dachdeckungen mit vormontierten Stockschrauben/Solarbefestigern Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 23

24 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen Seilbefestigung an tragender Attika: Quelle: Vaillant Group Ballastierte Aufstellung mit zusätzlicher Seilabspannung auf Flachdach zur Absicherung der horizontalen Schubkräfte Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 24

25 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen Lastweiterleitung an benachbarte Module über Tragschienen ist hilfreich. Quelle: Firma LORENZ Montagesysteme Quelle: BayWa r.e. Solarsysteme GmbH Raum für Unterbringung von Beschwerungselementen Für die Auslegung sind Kenndaten durch Versuche zu ermitteln! Beispiele für ballastarme Aufständerung durch Nutzung aerodynamischer Effekte (strömungsoptimiert) Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 25

26 3 Befestigungslösungen im Blickfeld der Sicherheitsanforderungen Quelle: EJOT Baubefestigungen GmbH Befestigungsbeispiel für Metalldach mit Aufdachdämmung Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 26

27 4 Sicherheitsrelevante Hauptursachen für mängelbehaftete Befestigungslösungen Produktentwicklung und Konstruktion: Unzureichendes fächerübergreifendes Wissen besonders zum Dachdeckerhandwerk. Nicht ausreichend wissenschaftlich abgesicherte Erkenntnisse z. B. - Reibbeiwerte µ für den Gleitnachweis bei Aufständerungen auf Flachdächern, - Druckbeiwerte c p für Windbelastungen bei Aufständerungen auf Flachdächern, - Langzeitverhalten von Holzschraubverbindungen bez. Vorspannkraftverlust und Lockern, Unvollständige Produktinformationen (bei Dachdeckung, Verankerungselementen, ). Planung: Planung der PV-Anlage ausschließlich anhand von Fotos der Dachansicht. Zustand der Dachunterkonstruktion (einschl. Traglastreserve) und Restlebensdauer der Dachdeckung sowie eventuell Aufdachdämmung wird unzureichend geprüft. Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 27

28 4 Sicherheitsrelevante Hauptursachen für mängelbehaftete Befestigungslösungen Installation/Montage: Extremes Saisongeschäft bei Installation bis Ende 2011 (ca. 3.5 GW im Dezember!). Gering qualifiziertes Fachpersonal (fächerübergreifendes Wissen ist erforderlich). Vorgaben der Hersteller (u. a. Einbau- und Montageanleitungen) und Fachplaner (u. a. Anzahl und Position der Verankerungselemente) werden bei der Montage unzureichend beachtet. Fehlende Zwischen- und Abschluss-Überprüfung mit Mängelbericht vor der Inbetriebnahme >> (bei großen Anlagen dringend empfohlen). Betrieb und Instandhaltung: Keine regelmäßige Prüfung und Wartung gemäß Vorgaben des Herstellers einschließlich Mängelbeseitigung >> (besonders nach extremen Wetterbedingungen). Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 28

29 5 Schlussbetrachtung und Ausblick Nach der Pionierzeit junger Unternehmen mit wenig Erfahrungshintergrund (2000 bis 2005) und dem großen Tempo der PV-Anlagennachfrage wurden zahlreiche Produkt- und Montagemängel schnell sichtbar, die häufig zu Sachschäden führten. Die Schadensfälle des schneereichen Winters 2005/2006 führten u. a. zu großen Anstrengungen bei der Weiterentwicklung praxistauglicher Befestigungssysteme und deren Montage. Nach den Boomjahren bei der Installation 2009 bis 2010 ist die Lernkurve der PV- Branche bezüglich der Montagesystementwicklung und Montage heute auch durch behördliche Vorgaben /9/ im Jahr 2012 bedingt - in der Realität angekommen: Praxistaugliche Montagesysteme werden verstärkt angeboten und von Fachbetrieben mit hoher Qualität auf Gebäuden montiert. Hersteller von Montagesystemen stehen weiterhin unter erheblichem Druck, Funktionen und Qualität ihrer Produkte und Dienstleistungen mit Blick auf die lange betriebssichere Nutzung einer PV-Anlage deutlich zu verbessern - bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten. Dies gilt insbesondere für den Installations- und Instandhaltungsbereich. Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 29

30 Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 30

31 Anlage: Hinweise zum Schrifttum /1/ Qualitätsmerkmal Technische Sicherheit. Düsseldorf (2010), ISBN /2/ VDI 6012 Blatt 1.4: Befestigung von Solarmodulen und Solarkollektoren auf Gebäuden. Entwurf erscheint voraussichtlich Ende /3/ Solarpraxis Supernova AG (Hrsg.): Tragkonstruktionen für Solaranlagen Planungshandbuch zur Aufständerung von Solarkollektoren. Berlin: MEDIALIS Offsetdruck (2001); ISBN /4/ Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.v. (OTTI): Montage von Photovoltaikanlagen. Regensburg: OTTI-Fachforum (28. Febr. 2011). ISBN /5/ Hahn, W.; Strozyk, H.: Achtung, Bruchgefahr. photovoltaik 04/2012, S /6/ ÖNORM M7778: Montageplanung von Solarpanelen (thermische Kollektoren und Fotovoltaikmodule). Wien: Austrian Standards Institute, April /7/ Deutsches Dachdeckerhandwerk - Regelwerk -: Merkblatt Solartechnik für Dach und Wand. Köln: Verlagsgesellschaft Rudolf Müller GmbH&Co. KG (2010) /8/ RAL Deutsches Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung (Hrsg): Solarenergieanlagen Gütesicherung RAL-GZ 966. Berlin: Beuth-Verlag (2008) /9/ Deutsches Institut für Bautechnik (DIBT): Hinweise für die Herstellung. Planung und Ausführung von Solaranlagen. Berlin: Eigenverlag (Juli 2012). Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn 31