Dimensionierung von Blitzschutzsystemen nach Eurocode

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1 Seite 1 von 5 Infolge der globalen Erderwärmung werden auch Wetterextreme weltweit zunehmen. Auswirkungen wie höhere Windgeschwindigkeiten, mehr Stürme sowie Stark-Niederschläge sind unübersehbar. Vor allem im Bereich Windlast werden Konstrukteure, Planer und Installateure vor neue Herausforderungen gestellt. Neben den Gebäudekonstruktionen sind auch Fangeinrichtungen betroffen. Der Beitrag gibt einen kurzen Überblick zur zukünftigen Umgangsweise mit Thema Windlast hinsichtlich der Auslegung und Dimensionierung von Fangeinrichtungen. Bei der Planung sowie Installation von Fangeinrichtungen als Teil von Blitzschutzanlagen spielt das Thema Windlast eine große Rolle. Aufgrund immer komplexerer baulicher Anlagen werden auf Gebäuden auch immer komplexere Fangeinrichtungen notwendig. Neben einfachen Fangstangen reicht das Spektrum bis hin zu aufwendigen Fangsystemen. Bei direkter Montage von Fangeinrichtungen an Dachaufbauten ist zu beachten, dass zusätzliche Kräfte/Momente in diese eingeleitet werden. Basis hierbei bildet die durch die Fangstange resultierende Windangriffsfläche sowie das Eigengewicht. Bei der Dimensionierung von Fangeinrichtungen müssen unterschiedliche Belastungen berücksichtigt werden. Im Bereich der Biegebeanspruchung spielen sowohl Materialdimensionen als auch die Materialbeschaffenheit eine nicht unwesentliche Rolle. Bei freistehenden Fangeinrichtungen, wie beispielsweise Fangmasten, ist neben der Biegebeanspruchung auch das Kippmoment ausschlaggebend. Wichtig hierbei sind vor allem die Standfläche sowie das zugehörige Sockelgewicht. Beide Faktoren zusammen erzeugen das notwendige Gegenmoment. Normative Situation Verschiedenste Normen nehmen im Bereich der Gebäudetechnik Bezug auf das Thema Windlast. Im Bereich Blitzschutz wurden bisher die Normen DIN : als auch die DIN 4131 als Dimensionierungsgrundlage für die Auslegung der Produkte von DEHN + SÖHNE verwendet. In der DIN : wird auf die windlasttechnischen Einwirkungen bei Tragwerken Bezug genommen. Die DIN 4131: 2008 bezieht sich inhaltlich auf die Auslegung von Antennentragwerken aus Stahl. Mit Erscheinen der Eurocodes im Juli 2012 wurden die bis dato verwendeten Normen ersetzt. Bei Eurocodes handelt es sich um eine europaweite Vereinheitlichung von Regeln für die Bemessung im Bauwesen (Tragwerksplanung). Die Eurocodes umfassen 58 Normen der Reihe DIN EN 1190 bis Folgende Eurocodes gibt es: - Eurocode 0: Grundlagen der Tragwerksplanung - Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke - Eurocode 2: Betonbau - Eurocode 3: Stahlbau - Eurocode 4: Verbundbau - Eurocode 5: Holzbau - Eurocode 6: Mauerwerksbau - Eurocode 7: Grundbau - Eurocode 8: Erdbeben - Eurocode 9: Aluminiumbau Die bis dato verwendete Norm DIN : (Einwirkungen auf Tragwerke Teil 4: Windlasten) wurde in den Eurocode 1 als DIN EN : (Einwirkungen auf Tragwerke; Teil 1-4: Allgemeine Einwirkungen, Windlasten) integriert. Zudem wurde die DIN V 4131: (Antennentragwerke aus Stahl) in den Eurocode 3 als DIN EN : aufgenommen. Somit bilden diese beiden Normen die Basis für die Auslegung von Fangeinrichtungen für Blitzschutzsysteme von DEHN. Außerhalb von Deutschland sind zudem nationale Anhänge NA zu berücksichtigen, welche jedes europäische Land selbst definiert. Inhaltlich weichen diese erheblich voneinander ab. Faktoren wie beispielsweise die Geländekategorie oder der Staudruck sind durchaus unterschiedlich bemessen und bei der statischen Berechnung zu berücksichtigen. Windlast (Windkraft) Die Windlast oder auch Windkraft gehört zu den klimatisch bedingt veränderlichen Einwirkungen auf Bauwerke oder Bauteile. Sie ergibt sich aus der Druckverteilung um ein Bauwerk, welches einer Windströmung ausgesetzt ist. Bei Fangstangen wirkt somit die Windlast immer senkrecht zur Angriffsfläche und kann dadurch auch als Flächenlast bezeichnet werden. Somit entsteht durch diese Last eine Druckwirkung auf die Fangstange. Infolge der Luft Verwirbelung um die Fangstange entsteht neben der Druck- auch eine Sogwirkung. Beides zusammen - Druck- und Sogwirkung - wird als Windlast oder auch Windkraft bezeichnet. Basisparameter für die Bestimmung der Windkraft Für die Bestimmung der Windkraft sind Standort- sowie Umgebungsparameter ausschlaggebend. Neben der Windzone und Geländekategorie sind auch die Standorthöhe und die Objekthöhe für die Bewertung wichtig. Durch Kombination der unterschiedlichen Faktoren erhält man die Böenwindgeschwindigkeit, welche als Basis für die Auslegung von Fangeinrichtungen sowie Installationen zu verwenden ist.

2 Seite 2 von 5 1. Windzonen Deutschland als Grundparameter 2. Geländekategorien Deutschland ist in verschiedene Windzonen unterteilt. Durch die jeweilige Windzone sind die Grundwerte der Basiswindgeschwindigkeit definiert. Somit unterscheiden sich die Windzonen wie folgt: - Windzone 1: Grundwert der Basiswindgeschwindigkeit 22,5 m/s - Windzone 2: Grundwert der Basiswindgeschwindigkeit 25,0 m/s - Windzone 3: Grundwert der Basiswindgeschwindigkeit 27,5 m/s - Windzone 4. Grundwert der Basiswindgeschwindigkeit 30,0 m/s Durch die Bestimmung des Standortes wird der Grundwert der Basiswindgeschwindigkeit bestimmt. Die Geländekategorien definieren die Umgebung um ein bauliches Objekt. Es wird hierbei zwischen Geländekategorie I: Offene See; Seen mit mindestens 5 km freier Fläche in Windrichtung; glattes, flaches Land ohne Hindernisse Geländekategorie II: Gelände mit Hecken, einzelnen Gehöften, Häusern oder Bäumen, z. B. landwirtschaftliches Gebiet Geländekategorie III: Vorstädte, Industrie- oder Gewerbegebiet; Wälder sowie Geländekategorie IV: Stadtgebiete, bei denen mindestens 15 % der Fläche mit Gebäuden bebaut sind, deren mittlere Höhe > 15 m ist, unterschieden. Bilder 2 bis 5: Geländekategorien: I, II, III, IV Diese Festlegung fließt ebenfalls als Faktor in die Bestimmung der Böenwindgeschwindigkeit ein,. 3. Höhe über Flur / Normalhöhennull (NHN) Neben Windzone sowie Geländekategorie sind zusätzlich die Einflussfaktoren - Höhe über Flur (Gebäudehöhe/Objekthöhe) sowie - Normalhöhennull (NHN) zu bestimmen. Beide Faktoren fließen ebenfalls in die Berechnung mit ein. Bild 1: Windlastkarte (Wiedergegeben mit Erlaubnis des DIN Deutsches Institut für Normung e. V. Maßgebend für das Anwenden der DIN-Norm ist deren Fassung mit dem neuesten Ausgabedatum, die bei der Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, Berlin, erhältlich ist.)

3 Seite 3 von 5 4. Böenwindgeschwindigkeit Durch die definierten Parameter kann somit die Böenwindgeschwindigkeit bestimmt werden. Für nachfolgendes Beispiel wurden die Böenwindgeschwindigkeiten entsprechend der Windzone berechnet: Parameter für die Berechnung: - Geländekategorie III: Vorstadt, Industriegebiet - Gebäudehöhe: 40 m - Höhe über Meeresspiegel: bis max. 800,00 m Normalhöhennull Ergebnis: Windzone 1: Böenwindgeschwindigkeit 128 km/h Windzone 2: Böenwindgeschwindigkeit 142 km/h Windzone 3: Böenwindgeschwindigkeit 156 km/h Windzone 4: Böenwindgeschwindigkeit 170 km/h Auslegung einer Fangeinrichtung; statisch bestimmtes Systems Als statisch bestimmtes System wird beispielsweise eine freistehende Fangstange betrachtet (Bild 7). Zudem sind auch Fangstangen, welche direkt an Geländer montiert werden, als statisch bestimmte Systeme zu werten. Da diese Systeme keine zusätzlichen, von der Fangeinrichtung entfernten Befestigungspunkte haben (z. B. DEHNiso-Distanzhalter), können Sie alleine mit den Gleichgewichtsbedingungen betrachtet werden. In Abhängigkeit der Gebäudestandorte sowie Situationen differieren die Böenwindgeschwindigkeiten. In den Graphen Bild 6 werden die Abhängigkeiten der Einflussfaktoren dargestellt (Bild 6). Bild 7: Statisch bestimmtes System: freistehende Fangstange Bei der Bewertung eines statisch bestimmten Systems fließen entsprechend Eurocode 1 folgende wichtigen Parameter, welche durch die verwendeten Materialkomponenten definiert werden, mit ein - Strukturbeiwerte (dynamischer Faktor z. B. Eigenschwingung) - Kraftbeiwert (aerodynamischer Faktor z. B. Strömungsverhalten) - Böengeschwindigkeitsdruck - Bezugsfläche (Windangriffsfläche) - Sicherheitsbeiwerte (Kippen, Spannung) Bild 6: In den vier Graphen werden die Abhängigkeiten der Einflussfaktoren dargestellt.

4 Seite 4 von 5 Entsprechend der Windangriffsfläche, welche eine Fangeinrichtung dem Wind bietet, resultieren daraus die senkrecht wirkenden Windkräfte (Bild 8). Bild 9: Betrachtung eines statisch unbestimmten Systems Optimierung von Blitzschutzsystemen Bild 8: Auf eine freistehende Fangstange einwirkende Windkräfte Ergebnis einer Windlastbetrachtung ist, ob ausreichende Materialfestigkeit sowie Standsicherheit (Sicherheit gegen Kippen) gegeben sind. Bei letzteren ist vor allem die Standfläche als auch das Sockelgewicht ausschlaggebend. Auslegung einer Fangeinrichtung, statisch unbestimmtes Systems Statisch unbestimmte Systeme sind Konstruktionen, welche über die grundlegenden geltenden Gleichgewichtsbedigungen hinausgehen. Somit sind Fangstangen, welche mittels zusätzlicher Befestigung (z. B. DEHNiso-Distanzhalter) auf Abstand befestigt werden, als statisch unbestimmtes System zu werten. Bei dieser Art von Systemen sind gesonderte Betrachtungen nötig welche nur mit großem Aufwand durchgeführt werden können. DEHN bietet hierbei seine Unterstützung mit an. Neben der dem Stand der Technik entsprechenden Dimensionierung von Fangeinrichtungen bietet auch die exakte Windlastbetrachtung Vorteile. DEHN weist zukünftig für seine Produkte die jeweiligen maximale Böenwindgeschwindigkeit aus. Somit kann bei beispielsweise freistehenden Fangeinrichtungen das notwendige Sockelgewicht in Abhängigkeit der Standortparameter bestimmt werden. Dadurch erhält man neben einer statischen Sicherheit auch eine mögliche Reduzierung der Dachlast. Beispiel: Eine Fangstange freistehend 4,5 m mit klappbarem Dreibeinstativ, zum Schutz von Dachaufbauten, kann mit 3, 6 sowie 9 Betonsockel errichtet werden. Die Betonsockel werden an einem Dreibeinstativ mit einem Radius von 560 mm einzeln oder gestapelt befestigt/ gekeilt. Auf Grund der Anzahl der Betonsockel werden unterschiedliche Gegenmomente erzeugt wobei die Biegespannung in der Fangstange gleichbleibend ist. Auf Grund der Basisparameter ergeben sich folgende maximalen Böenwindgeschwindigkeiten: - Fangstange mit 3 Betonsockel à 17kg: maximale Böenwindgeschwindigkeit 124 km/h - Fangstange mit 6 Betonsockel à 17kg: maximale Böenwindgeschwindigkeit 167 km/h - Fangstange mit 9 Betonsockel à 17kg: maximale Böenwindgeschwindigkeit 188 km/h Eine Fangstange soll auf folgendem Gebäude errichtet werden: - Gebäudehöhe: 10,0 m - Standort: Windzone 1 - Geländekategorie III: Vorstadtgebiet Auf Grund dieser Parameter ergibt sich eine max. Böenwindgeschwindigkeit von 103 km/h. Somit sind für die Errichtung der Fangstange 3 Betonsockel à 17kg ausreichend.

5 Seite 5 von 5 Bild 10: Fangstange freistehend mit 3 Betonsockeln Errichtet man nun die gleiche freistehende Fangstange im Küstenbereich so würde man sich wo möglich in Windzone 4 befinden. Die Geländekategorie könnte man mit I und somit offene See definieren. Rechnerisch hätte man somit bei gleichbleibender Gebäudehöhe (10,0 m) als Ergebnis eine max. Böenwindgeschwindigkeit von 174 km/h erhalten. Die gleiche Fangstange, mit einer Länge von 4,5 m jedoch mit 9 Betonsockel à 17kg, könnte somit bei diesen extremen Einsatzbedingungen verwendet werden. DEHN bietet ab 1. Januar 2015 in seinem neuen Produktkatalog eine einfache Möglichkeit, schnell und zielführend Fangeinrichtungen entsprechend den Einsatzbedingungen auszuwählen. Fazit Die spezifische ortsabhängige Betrachtungsweise der Windlasten ermöglicht die Planung und Errichtung von windlasttechnisch optimierten Blitzschutzsystemen nach dem Stand der Technik. Bei der Betrachtung der Windlast ergeben sich je nach Geländekategorie, Windzone und Objekthöhe, in der Praxis für den Planer und Errichter reduzierte Anforderungen für Material und Montageaufwand. Gerade bei Geländekategorien III oder IV und Gebäuden mit geringer Höhe, welche in der Praxis häufig vorkommen, kann der neu anzuwendende Eurocode hinsichtlich des Preises und / oder Gewichtes zu wesentlich optimierten Lösungen führen. Es kann also der Materialeinsatz und der Montageaufwand reduziert werden.