Schneelast und Windlast

PV-Anlagen: Die Last von Schnee und Wind nicht unterschätzen!

Mit dem Klimawandel verändern sich die Anforderungen an die Statik: Während die durchschnittlichen Schneelasten in vielen Regionen Deutschlands tendenziell zurückgehen, treten zunehmend extreme Einzelereignisse mit hohen Wind- und Schneelasten auf. Gerade bei der verbreitetsten Montageart, der Aufdachmontage, gewinnt dieses Thema daher zunehmend an Bedeutung. Regelmäßig durch die Bundesländer erstellte Erhebungen zeigen: Noch hat sich im Vergleich zu 2010 nicht viel getan, noch sind die Werte in den Zonen-Karten also weiterhin gültig. Wir werden die Entwicklung beobachten und diesen Beitrag zur Wind- und Schneelast immer wieder anpassen.

Schneelast: zusätzliches Gewicht für Solaranlage und Dach

Schnee ist doch keine Last, der rutscht doch von der Dachanlage einfach ab – so die weit verbreitete Annahme. Dies mag stimmen, wenn das Dach steil genug ist und der Schnee locker und in nicht zu großer Menge auf die Solaranlage rieselt. Bleiben die Eiskristalle liegen, bedeutet dies je nach Schneeart bis zu 90 kg/m² Gewicht – schon bei einer Dicke von 10 cm (zum Vergleich: eine 10 cm hohe Wassersäule wiegt 100 kg/m²)! Und selbst das ist bereits eine Herausforderung an die Qualität der Photovoltaikmodule und ihrer Befestigungssysteme.

Schneelast-Zonen und ihre Bedeutung

Um die Schneelast in einer Region einzuschätzen, kann die Karte der Schneelastzonen in Deutschland hinzugezogen werden.

Die höchsten Schneelasten finden sich demnach in den Alpen, im Bayerischen und im Thüringer Wald, im Harz, im Erzgebirge und in Vorpommern. Mit der geringsten Schneelast ist entlang von Rhein, Ems und oberer Donau sowie im Rhein-Main-Gebiet zu rechnen. Für die fünf Schneelastzonen nennt die Norm DIN EN 1991-1-3/NA folgende Einwirkungen auf Tragwerke (auch: Lastannahmen). Für das Norddeutsche Tiefland gilt zudem ein Sonderlastfall mit erhöhten Werten, für lokale Eislasten zusätzlich die NA.F. Extremereignisse über das Norm-Niveau hinaus prüft im Einzelfall ein Tragwerksplaner:

Mit „a“ sind Höhenlagen innerhalb der jeweiligen Zonen gekennzeichnet. Die Werte geben die Lasten auf eine horizontale Fläche an, wobei ein KiloNewton (kN) etwa einhundert Kilogramm entspricht. Für die Schneelast auf Dächern hält die Norm Beiwerte bereit, die das Verhältnis der auf dem Dach liegenden Schneemenge zur gefallenen Schneemenge erfassen, d.h. sowohl die Dachform als auch die Dachneigung berücksichtigen. Bei der Aktualisierung von 2019 wurden Lasten auf aufgeständerte Anlagen und große Dächer ergänzt. Mit qualifizierten Berechnungsformeln können Fachkräfte die voraussichtliche Schneelast ermitteln.

Für Extremereignisse außerhalb der geregelten Sonderfälle liefert die DIN EN 1991-1-3 keine pauschale Standardformel; Sonderfälle wie das Norddeutsche Tiefland und Eislasten nach NA.F sind gesondert geregelt, darüber hinausgehende lokale Extreme prüft im Einzelfall ein Tragwerksplaner. Allerdings weist sie ausdrücklich darauf hin, dass bestimmte Regionen durch regelmäßig vorkommende Wetterereignisse deutlich höhere Schneelasten erfahren als durch die Karte ausgedrückt. Ein Beispiel: Die norddeutsche Tiefebene liegt eigentlich in der Schneelastzone 1. Bei ungünstiger Witterung kann es hier zu Schneefällen kommen, die sogar die Schneelast der höchsten Zone 3 übersteigt.

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Maßnahmen gegen übermäßige Modulbelastung durch Schnee

Ein Blick in die Unterlagen des Herstellers verrät die geprüfte Belastbarkeit der Module. Die IEC-Norm 61215 fordert als Mindest-Prüflast 2.400 Pa Front-Drucklast (Schneelast) und 2.400 Pa Sog-Last (Wind). Marktübliche Module sind heute auf der Frontseite meist auf 5.400 Pa Drucklast geprüft, hochwertige Module für alpine Lagen erreichen 6.000 bis 8.100 Pa. Wichtig: Prüflast (Testlast) und maximal zulässige Designlast unterscheiden sich in der Regel um einen Sicherheitsfaktor – verbindlich ist die Designlast aus dem Datenblatt. Besonders Vorsichtige und Menschen, die in anderen Regionen wohnen, sollten bei Auswahl und Montage folgende Faktoren bedenken:

• Module mit besonders widerstandsfähiger Glasabdeckung und stabil ausgeführtem Rahmen sind besser geeignet als rahmenlose Module.
• Damit die Modultragschienen gut unterstützt werden, sollte die Anzahl der Befestigungspunkte größer als normal sein. Dazu muss man wissen, dass die Last bei einer Dachabdeckung ohne Module über die ganze Fläche aufgenommen wird. Bei einer Aufdach-PV-Anlage dagegen wird sie über die Befestigungspunkte in die Dachkonstruktion abgetragen. Das kann eine zusätzliche Last für die Statik des Daches bedeuten.

• Last but not least ist es immer hilfreich, die Module von Schnee zu befreien. Scheint nach dem Schneefall die Sonne, erledigt sich das von allein. Wer die Solaranlage selbst reinigt, kann sie meistens auch gut erreichen – und nicht nur Schmutz, sondern auch Schnee beseitigen. Mal ganz davon abgesehen, dass eine Schneedecke jeglichen Ertrag blockiert …

Modulklassen für höhere Belastungen – wann Premium-Module sinnvoll sind

Wer in den höheren Schneelastzonen (2a oder 3) oder in den Windzonen 3 und 4 plant, sollte beim Modulkauf gezielt nach erhöhten Belastbarkeitsklassen fragen. Zwischen einem Standard-Modul nach IEC-Mindestnorm und einem Modul mit verstärkter Schneelastklasse liegt ein Faktor von rund 2,3 – das entspricht dem Unterschied zwischen etwa 245 kg und 550 kg gleichmäßig verteilter Last pro Quadratmeter. Wichtig: Die zertifizierte Last gilt nur bei korrekter Klemm- oder Rahmenmontage gemäß Hersteller-Datenblatt. Eine ungeeignete Klemmposition kann die Belastbarkeit drastisch reduzieren.

Windlast: Module können regelrecht abheben

Nicht weniger entscheidend als die Schneelast ist bei der Montage von PV-Modulen die Windlast. Definiert ist die Windlast als Belastung, die durch Windströmungen auf ein Bauwerk einwirkt. Dabei werden die Belastungen durch Druck und Sog unterschieden: Der Winddruck wirkt auf der dem Wind zugewandten Seite auf das Bauwerk ein, der Windsog auf der dem Wind abgewandten Seite. Diese Kräfte erzeugen einen Überdruck bzw. Unterdruck und sind besser nicht zu unterschätzen.

Windlast-Zonen und ihre Bedeutung

Für die Einschätzung der Windlast in einer Region liefert die Karte der Windzonen (Windlastzonen) in Deutschland einen Überblick.

Die vier Windzonen spiegeln die gemittelten Windgeschwindigkeiten wider. Für Deutschland ergeben sich in einer Höhe von 10 Meter über Grund in ebenem, offenem Gelände Werte zwischen 22,5 und 30 Meter pro Sekunde (eine unebene, bewachsene oder bebaute Fläche erzielt niedrigere Werte). Die höchsten Windgeschwindigkeiten werden an den Küsten und die niedrigsten in den klimatisch ruhigeren Gegenden der Bundesländer Nordrhein-Westfalen, Hessen, Rheinland-Pfalz, Saarland, Baden-Württemberg und Bayern erreicht. Die DIN EN 1991-1-4/NA in der aktuellen Ausgabe nennt folgende Einwirkungen auf Tragwerke – welche Fassung bauaufsichtlich anzuwenden ist, richtet sich nach der jeweiligen Landes-VV TB:

Auch hier kann ein KiloNewton ungefähr in 100 Kilogramm umgerechnet werden. Was die Norm nicht angibt, müssen Fachleute berechnen. Ausschlaggebend für die Planung des Befestigungssystems ist die maximale Windgeschwindigkeit. Für deren Ermittlung wird zunächst die Geländekategorie wie die Lage an einem See oder in einer Ebene, Gelände mit Hecken und anderem Bewuchs, Vorstädte bzw. Industrie- und Gewerbegebiete sowie stärker bebaute Flächen festgestellt. In einer Tabelle lässt sich dann die maximale Böengeschwindigkeit ablesen: Die Werte beginnen bei 93 km/h und können in der Windzone 1 bis zu 162 km/h, in der Windzone 4 im Extremfall sogar 216 km/h betragen.

Maßnahmen, um Schäden durch Windlast abzuwenden

Starker Wind und Stürme können Photovoltaikmodule buchstäblich aus ihrer Verankerung reißen. Dass dies häufig große Schäden verursacht, liegt auf der Hand. Dabei ist der Windsog (Zugkraft) ein viel größeres Problem als der Winddruck (Druckkraft). Auf eine geneigte Dachfläche auftreffender Wind wird nämlich einfach nach oben abgeleitet. Auf der windabgewandten Seite entsteht jedoch gleichzeitig ein Unterdruck, der eine Sogwirkung zur Folge hat. Beim Versuch der Umgebung, den entstandenen Unterdruck auszugleichen, können sich Dachziegel und sogar PV-Module abheben.

Aber alles halb so dramatisch! Gute Installateure wissen selbstverständlich, was in windbelasteten Zonen hilft.

• Eine erhöhte Anzahl an Dachhaken verschafft dem Montagesystem einen besseren Halt, da die Abstände zwischen den Befestigungspunkten kleiner sind. Die Angaben des Herstellers sind auch aus versicherungstechnischen Gründen unbedingt einzuhalten.

• Bei Satteldächern ergibt sich die stärkste Sogwirkung an den Dachkanten und dem Dachrücken (Dachfirst). Daher ist es wichtig, die PV-Module nicht ganz bis zu den Rändern zu montieren, sondern diese Bereiche auszusparen. Faustregel: Der Abstand zum Dachrand sollte bei durchschnittlicher Windlast mindestens das Doppelte des Dachüberstands betragen, bei errechneter hoher Windlast entsprechend mehr. Verbindlich ist die projektspezifische Auslegung nach Windzone, Gebäudehöhe, Dachform, Rand-/Eckbereichen, Montagesystem und Herstellerstatik. Bei Pultdächern entstehen Winddruck und Windsog auf ein und derselben Ebene. Da die obere Pultkante besonders gefährdet ist, muss die Distanz gerade hier großzügig bemessen werden.

• Ein besonderes Augenmerk gilt dem Flachdach: Werden die Module horizontal installiert, sollte ein noch größerer Abstand zum Dachrand als bei einem Steildach eingehalten werden. Bei aufgeständerten Modulen ist die Sogwirkung mit der beim Pultdach zu vergleichen. Außerdem bieten sie dem Wind eine erhöhte Angriffsfläche. Aus beiden Gründen müssen Aufständerungen in windreichen Regionen besonders gesichert und ballastiert werden.

Vor der PV-Installation in lastkritischen Zonen prüfen

Fazit

In klimatisch heiklen Gegenden gilt: Lieber zu besonders widerstandsfähigen Solarmodulen greifen, denn diese sind eher für große Wind- und Schneelasten ausgelegt. Sie zeichnen sich durch hochwertige Glasabdeckungen und stabile Rahmen aus. Parallel dazu muss natürlich auch das Montagesystem den höheren Belastungen standhalten. Die entsprechenden Informationen finden sich in den Datenblättern und Montagerichtlinien der Hersteller.

Zwei einfach zu merkende Faustregeln gibt es noch mit auf den Weg:

1. Je höher die Schneelast, desto geringer sollte der Abstand der Befestigungspunkte sein.
2. Je höher die Windlast, desto größer sollte der Abstand zum Dachrand sein.

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