Die Haftreibung von Unterkonstruktionen bei Photovoltaikanlagen ist ein zentraler Aspekt der Lagesicherung. Sie bestimmt, inwieweit horizontale Kräfte aus Wind- und Schneelasten sicher über die Auflagerflächen in die Dachscheibe abgeleitet werden können. Da Photovoltaikanlagen oft ohne Verankerung installiert werden, ist das Produkt aus Anlagengewicht (inklusive Ballastierung) und Reibung entscheidend dafür, ob sich die Anlage unter Windeinfluss bewegen kann. In diesem Artikel werden die mechanischen Grundlagen der Haftreibung, relevante Einflussfaktoren sowie deren Bedeutung für die Standsicherheit beleuchtet.
„In den Kontaktflächen zweier starrer Festkörper wirken in ihrer Ebene verteilte Spannungen, die eine Relativbewegung der Körper verhindern beziehungsweise ihr entgegenwirken“ – so beschreibt eine 2010 veröffentlichte Dissertation die wesentlichen Faktoren der Reibungskraft (siehe Grafik). Bei dieser Kraft kann zwischen zwei Zuständen unterschieden werden: Der Zustand, in dem keine Bewegung vorhanden ist (Haftreibung) und der Zustand, in dem sich der Körper bewegt (Gleitreibung).
Für die Lagesicherheit der Photovoltaik-Unterkonstruktionen ist der unbewegte Zustand (Haftreibung) relevant. Ist die einwirkende Abtriebskraft größer als die maximale Haftreibungskraft, muss das System an die Dachscheibe angebunden werden. Dies kann durch die Anbindung der Konstruktion an das Dach oder aufgehende Dachelemente erfolgen oder bei Satteldächern durch Kopplung mit gegenüberliegenden Anlagenteilen.
Einwirkungen
Auf Photovoltaikanlagen wirken andrückende, abhebende und verschiebende Kräfte. Der Einfluss der Haftreibung ist für die verschiebenden Einwirkungen jeweils in Kombination mit den abhebenden Lasten (Eigengewicht und Windsog) relevant.
Haftreibung und Abtriebskraft: Auf Dächer wirken unterschiedlich gerichtete Einwirkungen. Ständige Lasten und Schneelasten wirken senkrecht zur Bodenfläche, während der maßgebende Teil der Windlasten senkrecht zur Dach- beziehungsweise Modulfläche wirkt. Um die Haftreibung zu bestimmen, wird in der Praxis mit einem geeigneten Messmittel (zum Beispiel einer Federzugwaage) diejenige Kraft gemessen, bei der sich ein definiertes Gewicht gerade nicht verschiebt.
Mit dem so ermittelten Haftreibungskoeffizienten kann unter Berücksichtigung des im Eurocode für die Lagesicherheit definierten Teilsicherheitskonzepts nachgewiesen werden, ob das Anlagengewicht inklusive Ballastierung unter Windsoglast ausreichend ist und sich Anlagenteile nicht verschieben. Hierbei darf das Eigengewicht nur zu 90 Prozent angesetzt werden und die Windlast muss mit dem Faktor 1,5 erhöht werden.
Die Abtriebskräfte lassen sich aus den dachparallelen Lastanteilen der ständigen Lasten (Eigengewicht und Ballastierung) unter Berücksichtigung der Dachneigung bestimmen. Die Schneelast wird für diesen Nachweis vernachlässigt, da sie in der Regel durch das erhöhte Gewicht stabilisierend wirkt.
„Raupeneffekt“: Neben den statischen Lasten müssen weiterhin Temperaturausdehnungen berücksichtigt werden, da diese im Zusammenspiel mit der Hangabtriebskraft zur Temperaturwanderung der Anlage führen können.
Temperaturänderungen führen zu Verformungen und Zwangskräften, die von der Unterkonstruktion der Photovoltaikanlage aufgenommen und in das Dach eingeleitet werden müssen. Auch wenn es sich bei der temperaturbedingt auftretenden Verlängerung oder Verkürzung der Bauteile nur um wenige Millimeter handelt, findet diese Bewegung wiederholt auf der Dachabdichtung statt. Im Zusammenhang mit den Hangabtriebskräften können die Längenänderungen zu kontinuierlichem Abrutschen der Photovoltaikanlage führen. Als bildhafte Beschreibung dieser Wanderung wird häufig der Begriff „Raupeneffekt“ verwendet, so auch in dem vom Bundesverband Solarwirtschaft 2019 herausgegebenen Hinweisblatt „Lagesicherung von PV-Flachdachanlagen gegen Verschiebung aufgrund thermischer Dehnung (‚Temperaturwanderung‘)“.
Dem Hinweispapier zufolge treten die Verschiebungen entweder zwischen dem Gestell und der Bautenschutzmatte oder zwischen der Bautenschutzmatte und der Dachabdichtung auf. Selbstverständlich kann es beim Verschieben zu Schäden kommen, beispielsweise an der Dachabdichtung, der Attika, Lichtkuppeln oder elektronischen Anlagen – und im schlimmsten Fall zum vollständigen Absturz der Photovoltaikanlage vom Dach. Ein Verschieben der Anlage kann ohne Befestigungen kaum ausgeschlossen werden, weshalb die Konstruktion zum Schutz vor dem Herunterfallen gesichert werden muss.
Lösungen gegen Abrutschen
Im BSW-Hinweispapier werden drei unterschiedliche Lösungsansätze vorgeschlagen: die Kopplung der Felder untereinander, die Aufteilung in kleine Felder oder die Befestigung an Fixpunkten am Gebäude.
Der erste Lösungsvorschlag funktioniert bei Dächern mit entgegengesetzter Neigung, beispielsweise durch Kopplung mittels Stahlseilen oder Metall-Lochblechen (Windrispenbändern) über den First. Dabei ist darauf zu achten, dass im Umlenkbereich (also am First) eine lastverteilende Platte auf einer Bautenschutzmatte vorgesehen wird, um die Dämmung und Abdichtung zu schützen. Außerdem müssen beide Seiten in etwa die gleiche Masse und die gleiche, entgegengesetzte Neigung aufweisen, damit Kräftegleichgewicht vorliegt.
Der zweite Lösungsvorschlag besteht darin, die Temperaturausdehnung durch geplante Bewegungsfugen klein zu halten. Dabei ist allerdings zu beachten, dass die hierdurch bedingten, kleineren Modulfelder zu einer höheren Ballastierung führen, weil weniger Module gegen Windsog aktiviert werden können. Bei Bestandsgebäuden kann dies zur Traglastüberschreitung führen. Außerdem kann eine Wanderung ohne mechanische Befestigungen auch bei kleinen Modulfeldern nicht definitiv ausgeschlossen werden.
Der dritte Lösungsvorschlag sieht Befestigungspunkte vor, an denen die Photovoltaikanlage fixiert wird. Dabei werden drei unterschiedliche Möglichkeiten vorgeschlagen, nämlich die Anbindung an zusätzlichen Befestigungspunkten, die Befestigung an der Unterkonstruktion der Attika (nicht an deren Blechabdeckung) oder die Abstützung gegen die Attika. Die bei der Anbindung zu sichernde Anbindelast entspricht dabei der Abtriebskraft abzüglich der Reibungskraft (siehe Kasten).
Versuche zu Raupeneffekt und Anbindelast
Bei Photovoltaik-Montagesystemen stellen Temperaturunterschiede ein wichtiges, jedoch oft unterschätztes Kriterium dar. Insbesondere bei ballastierten Aufdachsystemen kann es aufgrund des temperaturbedingten Ausdehnungsverhaltens der Systemschienen zu Verschiebungen und Bewegungen kommen, die je nach Temperaturänderung und Aufstellbedingungen Auswirkungen auf die Dachkonstruktion sowie Lagesicherheit des Montagesystems haben können. Dieser Effekt kann auch schon bei geringen Dachneigungen zu einer dachabwärts gerichteten Wanderbewegung führen. In diesem Zusammenhang wurden die PMT-Photovoltaik-Montagesysteme „EVOLUTION“ und „EVO 2.0“ in einem temperierbaren Container untersucht.
Hmax ≤ μ0 ∙ N
Wenn die äußere Kraft F die maximale Haftreibungskraft Hmax übersteigt, geht das System in den zweiten Zustand über – die Gleitreibung, wobei die Gleitreibungskraft die Bewegung hemmt und entgegen der Bewegungsrichtung wirkt. Die Gleitreibungskraft R ist gleich dem Produkt aus Gleitreibungskoeffizient µ und der Druckkraft senkrecht zur Kontaktfläche N:
R = µ ∙ N
Hintergrund und Problematik: Bei ballastierten Systemen werden die Montageschienen durch das Eigengewicht von Ballaststeinen stabilisiert. Die Systemschienen selbst bestehen häufig aus Aluminium und sind somit anfällig für temperaturbedingte Längenänderungen. Diese Bewegungen werden insbesondere bei signifikanten Temperaturänderungen durch die Wechselwirkungen zwischen den Systemkomponenten und der Dachfläche verstärkt. Eine dauerhafte und unkontrollierte Bewegung der Schienen kann langfristig zu Schäden an der Dachhaut und zum Verlust der Lagesicherheit des Montagesystems führen, vor allem dann, wenn die Schienen nicht ordnungsgemäß an die Dachstruktur angebunden sind. Daher sind Maßnahmen notwendig, um diese Bewegungen zu kontrollieren und das System sicher und dauerhaft zu montieren.
Versuchsaufbau und Methodik: Es wurden zahlreiche Tests zur Temperaturwanderung durchgeführt. Diese Versuche fanden in einem 40-Fuß-Container statt, der auf Temperaturen von plus 30 bis minus 30 Grad Celsius reguliert werden konnte. Der Versuchsaufbau bestand aus einer klassischen Dachkonstruktion, die den realen Bedingungen auf einem Flachdach möglichst nahekam.
Der Dachaufbau im Kühlcontainer bestand aus einer Holzunterkonstruktion (Konstruktionsvollholz), einem Stahltrapezblech, PU-Dämmung und einer PVC-Dachfolie.
Die Dachneigung konnte flexibel eingestellt werden, in den Versuchen wurde ein Neigungswinkel von 7,5 Grad gewählt.
Das Montagesystem wurde so montiert, dass die Bodenschienen entlang der Dachfläche in Richtung vom First zur Traufe verliefen. Eine Schiene pro System wurde frei auf den Dachaufbau gelegt, während die andere Schiene an der Dachhaut fixiert wurde. Zwischen dem Montagefuß und der Bodenschiene war ein Kraftsensor installiert, der die kontinuierliche Lastaufzeichnung ermöglichte.
Zu Beginn der Versuche wurden die Gleit- und Haftreibung in Abhängigkeit von Temperatur und Standzeit untersucht. Es wurden insgesamt 15 Prüflinge verwendet, die aus einer Bodenschiene und einem Ballaststein (40 x 40 x 4 Zentimeter) bestanden. Das mittlere Eigengewicht der Prüflinge betrug 16,363 Kilogramm. Mit Hilfe von Federzugwaagen und Kraftsensoren wurde ermittelt, mit welcher Kraft die Haft- beziehungsweise Gleitreibung überwunden werden konnte. Auf dieser Grundlage wurden der Haftreibungskoeffizient und der Gleitreibungskoeffizient bestimmt.
Die maximalen Lasten, die an der Dachanbindung ankommen können, wurden mit der Formel berechnet: Fmax = Gges · μ
Dabei steht Gges für das Eigengewicht und μ für den Reibungskoeffizienten. Je höher der Haftreibungskoeffizient, desto größer werden die Anbindelasten, was potenziell zu einer stärkeren Beanspruchung der Dachhaut führt.
Der Versuchsaufbau wurde insgesamt vier Temperaturzyklen zwischen plus 30 Grad Celsius, 0 und minus 30 Grad Celsius ausgesetzt, wobei jede Temperaturphase zwölf Stunden andauerte. Die folgenden Parameter wurden in diesen Zyklen aufgezeichnet:
Profilausdehnung und -stauchung: Hierbei wurde untersucht, wie stark sich die Schienen bei den unterschiedlichen Temperaturen ausdehnen oder zusammenziehen.
Verdrehung des Montagefußes: Die Rotation des Montagefußes wurde aufgrund der Temperaturunterschiede gemessen, um festzustellen, ob diese Verdrehungen zu Beschädigungen der Dachhaut führen können.
Anbindelasten: Durch kontinuierliche Lastaufzeichnungen wurde die Wirkung von Temperaturänderungen auf die Anbindelasten ermittelt.
Die Versuchsergebnisse zeigen, dass sowohl Haft- als auch Gleitreibung mit steigender Temperatur und längerer Verweildauer zunehmen. Mit sinkender Temperatur und kürzerer Verweildauer nehmen die Reibungskräfte jedoch wieder ab. Die Ballastierung hatte dabei keinen nennenswerten Einfluss auf die Anbindelast infolge der Temperaturänderungen.
Die ermittelten maximalen Anbindelasten für das untersuchte System lagen bei etwa 0,5 Kilonewton. Dieser Wert wurde unter Berücksichtigung eines Teilsicherheitsbeiwerts von 1,5 berechnet. Die Ergebnisse gelten unabhängig von der Systemlänge, der Dachneigung und der Ballastierung.
Empfehlungen zur Vermeidung des Raupeneffekts
Basierend auf den Versuchen empfiehlt es sich, bei der Installation von Photovoltaikanlagen auf Flachdächern eine punktuelle Anbindung des Systems an die Dachstruktur vorzunehmen, auch wenn eine konstruktive Sicherung durch eine Attika oder Traufbohle gegeben ist. Dies verhindert die unerwünschte Wanderbewegung der Schienen bei Temperaturänderungen und schützt so die Dachhaut vor möglichen Beschädigungen.
Zudem wird geraten, ballastierte Schienensysteme ohne weitere Sicherungsmaßnahmen nur auf Dächern mit einer maximalen Neigung von fünf Grad zu installieren. In Sonderfällen, bei Neigungen bis zu zehn Grad, sollten zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden, um die Bewegungen der Systemschienen zu minimieren und eine dauerhafte Funktion sicherzustellen. (Jonas Schmidt, Pauline Heid, Marlon Wagner, Michael Hacker)
Die Autoren
Jonas Schmidt ist verantwortlicher Tragwerksplaner und Prokurist der Ingenieurgruppe Knörnschild & Kollegen in Coburg. Des Weiteren ist er Sachverständiger für Statik und Konstruktion und bekleidet mehrere Lehraufträge im Bereich Konstruktiver Ingenieurbau an der Hochschule Coburg.
Pauline Heid arbeitet als Tragwerksplanerin unter anderem im Bereich Photovoltaik bei der Ingenieurgruppe Knörnschild & Kollegen in Coburg.
Marlon Wagner ist bei Premium Mounting Technologies (PMT) in Stadtsteinach verantwortlich für den Bereich Innovation Management Aerodynamics & Statics.
Michael Hacker ist Gründer und Inhaber des gleichnamigen Ingenieurbüros, Tragwerksplaner und Mitglied in verschiedenen Normenausschüssen.