Achtung, Bruchgefahr

Kategorie: 04 / 2012, Fachwissen & Technik Walter Hahn, Helge Strozyk

Ziegeldächer: Zertifikate sagen derzeit nichts darüber aus, wie belastbar ein Dachhaken wirklich ist, denn sie betrachten nicht die Einbausituation im Dach. Kritisch wird es, wenn er sich unter Winddruck und Schneelast zu sehr verformt und den darunterliegenden Ziegel zerstört. Walter Hahn und Helge Strozyk aus dem zuständigen VDI-Arbeitsausschuss beschreiben, wie sich diese Effekte abschätzen lassen.

Handelsübliche Dachhaken unterscheiden sich unter anderem darin, wie sehr sie sich unter Last durchbiegen.
Solarpraxis AG/Carsten Mell

Dachhaken werden auf der Konterlatte aufgelegt und mit Schrauben im Sparren befestigt. Um die Haken über die Ziegel zu führen, muss der Installateur in diesen eine Aussparung (B mal H) herstellen.
Solarpraxis AG/Harald Schütt

Wenn sich Installateure in falscher Sicherheit wiegen, mag das unter anderem an den heutigen Zertifikaten liegen. Das zeigt ein oft durchgeführtes Experiment am Versuchsstand der Firma Energiebau Solarstromsysteme. Haken, die alles haben, was die Sicherheit bestätigen sollte – ein TÜV-Zertifikat und eine bauaufsichtliche Zulassung – sollten zeigen, wie sie sich unter einem simulierten Schnee- und Winddruck verhalten.

Immer wieder bestätigte die Messanzeige, was das Auge sah. Manche dieser Haken bogen sich trotz der Zertifikate schon deutlich über das erlaubte Grenzmaß Ziegelberührung hinaus, selbst wenn die Belastung unter der lag, die die Hersteller im Datenblatt angegeben hatten.Das ist riskant. Denn üblicherweise rechnen Statikprogramme aus, wie viele Haken der Installateur setzen muss. Rechnet das Programm mit diesen Werten aus dem Datenblatt, würde bei manchen realistischen Belastungen der Dachhaken den darunterliegenden Ziegel belasten, so dass der Ziegel brechen kann. Wohlgemerkt – nicht alle Haken bogen sich zu weit durch. Es gibt welche, die man unbedenklich verwenden kann. Man muss sie nur finden.

Für das Befestigen von Photovoltaikmodulen oder von Kollektoren auf Dächern mit Ziegeln oder Dachsteinen (nachfolgend Ziegel genannt) bieten zahlreiche Herstellerfirmen Dachhaken an, mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen hinsichtlich Belastbarkeit, Verformungsverhalten, Montage-Aufwand und Herstellkosten. In Abhängigkeit von den Einwirkungen durch Wind und Schnee müssen Dachhaken zwischen Tragprofilen der Module und Dachsparren hohe Belastungen so übertragen, dass einerseits durch die auftretenden Verformungen keine Ziegel beschädigt werden und andererseits bleibende Verformungen am Dachhaken durch Überschreiten der Material-Streckgrenze ausgeschlossen sind. Die konstruktive Gestaltung des Dachhakens als Großserienteil verlangt daher eine sorgfältige beanspruchungs- und verformungsgerechte Auslegung unter Berücksichtigung des gesamten Kraftflussweges zwischen Kraft-Einleitungsstelle am Tragprofil und Kraft-Ausleitungsstelle an der Dachunterkonstruktion. Für den Planer ist jedoch keine rasche und nachvollziehbare Beurteilung und Auswahl geeigneter Dachhaken für den jeweils vorliegenden Anwendungsfall möglich, weil die bereitgestellten technischen Produktdaten der Herstellerfirmen wichtige Informationen zur Belastbarkeit nicht enthalten. Ebenso fehlen in Prüfunterlagen von Dachhaken mit Zertifizierung und Dachhaken mit bauaufsichtlicher Zulassung sowie in Normen /1/ wichtige Daten für einen Vergleich mit den Produkten anderer Anbieter.

So werden bei der Nennung maximal zulässiger Belastungskräfte für Dachhaken keine Aussagen gemacht, mit welcher Verformung am Ende des Auslegerarms in Richtung Ziegel in vorgegebenen Belastungsfällen zu rechnen ist (siehe Grafik Seite 72). Weiterhin bleibt in Prüfunterlagen die Verformung der relativ schmalen und weichen Konterlatte unberücksichtigt, die einen deutlichen Einfluss auf die Gesamtverformung des Auslegerarms hat. Sie spielt eine wichtige Rolle, weil sie eine Unterlage für die Dachhaken-Grundplatte ist.

Verformungen schädigen in der Regel zwar keine Dachhaken, sind aber Hauptursache für Ziegelbruch bei hohen Schnee- und Windlasten und deshalb ein sehr aussagekräftiges Beurteilungsmerkmal beim Dachhaken-Vergleich.

Wichtig für die Auswahl von Dachhaken

Bei der Auswahl und dem Vergleich von Dachhaken sind deshalb zwei Fragen besonders wichtig und gründlich zu überprüfen, um den Ziegelbruch zu vermeiden: 1. Welchen größtmöglichen Freiraum kann ich zwischen den Ziegeln für den Dachhaken-Einbau und für seine zu erwartenden Verformungen herstellen? Dabei zählt der Querschnitt (B mal H in der Grafik auf Seite 72). Schön wäre es, wenn die Ziegelindustrie dazu detaillierte Antworten geben würde.

2. Welche Winddruck-, Windsog- und Schneedruckkräfte, die in den Grafiken mit FWD , FWS und FS bezeichnet sind, kann ich für einen vorerst ausgewählten Dachhaken unter Berücksichtigung der zulässigen Materialspannungen erlauben? Um das zu klären, müssen zum einen die jeweils für einen Ziegel als zulässig ermittelten Dachhaken-Verformungswege bekannt sein (Antwort auf die erste Frage), zum anderen muss jedoch der Planer wissen, wie weit sich die Dachhaken verformen. Begrüßt würde daher, wenn dazu Informationen in den Zertifizierungs- oder in den bauaufsichtlichen Zulassungen der Dachhaken gegeben würden. Leider machen die Dachhaken-Hersteller dazu bisher entweder gar keine oder nur unvollständige Angaben. Die erste Frage lässt sich bei den heute erhältlichen Ziegeln immerhin grob abschätzen (Frontalansicht in der Grafik). Die erreichbare Öffnungshöhe ist vom verwendeten Ziegeltyp abhängig. Sie liegt bei Ziegeln mit sogenannten geraden Ziegeltälern erfahrungsgemäß nach dem Ausflexen oder Ausfräsen der Falze bei circa 12 bis 15 Millimeter. Durch Festigkeits- und Verformungsanforderungen bedingt werden handelsübliche Dachhakenausleger meistens mit Dicken von sechs oder acht Millimeter angeboten. Zwischen Auslegerunterkante und Ziegeloberfläche werden als Verformungsweg in der Branche üblicherweisefünf Millimeter gefordert. Dann wird es aber an der oberen Kante des Dachhakens eng. Bei einer Dachhakenstärke von sechs Millimeter bliebe damit für die Verformung bei Windsogbelastung lediglich ein Betrag zwölf minus sechs minus fünf Millimeter, also nur ein Millimeter übrig. Bei größeren Windsogbelastungen ist somit ein Anheben des oberen Ziegels nicht auszuschließen. Ein Dachhaken mit acht Millimeter Stärke würde sogar bereits bei der Montage des Ziegels eine Anhebung von einem Millimeter bewirken, die dann bei Windsogbelastung vergrößert würde. Das scheint zwar nicht besonders schlimm zu sein, wird aberweder von Ziegel- noch von Dachhakenherstellern thematisiert.

Bei stark gekrümmten Ziegeltälern ist die Öffnungshöhe sogar noch kleiner als die 12 bis 15 Millimeter bei den Ziegeln mit geraden Tälern – je nach der Breite, die der Ausleger benötigt. Bei handelsüblichen Dachhaken haben sich für die Breite überwiegend die Maße zwischen 30 und 40 Millimeter durchgesetzt. Es werden aber auch kleinere Breiten von rund zwölf Millimeter angeboten.

Bei der Positionierung und Befestigung des Dachhakens innerhalb der verfügbaren Breite der Öffnung im Ziegel wird man selbstverständlich versuchen, den Abstand zur nächstgelegenen Mittellinie von Konterlatte und Dachsparren gering zu halten. Versetzungen bis zu 50 Millimeter (Größe e in der Grafik links) sollten jedoch feinstufig möglich sein, obwohl dabei trotz einer seitlichen Unterstützung des Dachhakens mit Unterlegelementen die Belastbarkeit des Dachhakens aufgrund zusätzlich wirksamer Kippmomente reduziert werden muss.

Verformung abschätzen

Bei dieser Millimeterarbeit ist klar, dass sich die Antwort auf die zweite Frage, ob es zur riskanten Ziegelberührung kommt, nur mit einer detaillierten Rechnung beantworten lässt (siehe Herleitung im Kasten Seite 74). Dabei zeigt sich, dass sehr wohl berechnet werden kann,wie weit sich der Ausleger des Dachhakens dem Ziegel annähert. Außer dem Elastizitätsmodul, der das Material des Dachhakens beschreibt, spielen nur die Geometrie des Dachhakens und die Verformbarkeit der Konterlatte eine Rolle.

Vor allem letzteres dürfte so manche Planer überraschen. Die Rechnung zeigt, dass für gängige Dachhaken und übliche Belastungen alleine die Verformung der Konterlatte eine Verringerung des Abstands der Unterkante des Dachhakens zum Ziegel um 1,5 Millimeter bewirken kann. Zusammen mit der Verformung des Hakens wird die Grenze von erlaubten fünf Millimeter damit relativ leicht überschritten.

Die Effekte von Schnee und von Winddruck sind dabei sehr unterschiedlich. Das liegt daran, dass der Schnee immer als Schwerkraft nach unten drückt, wogegen der Wind senkrecht immer gegen die Module drückt. Es ist daher möglich, dass der Dachhaken für eine der Belastungen die Anforderungen erfüllt und für die andere versagt.

Die Herleitung benutzt die Näherung, dass der Dachhaken-Ausleger einen rechteckigen Querschnitt hat. Manche Dachhaken sind aber an den Ecken versteift. Das hat einen positiven Effekt auf die Biegespannungen. Durch diese Maßnahme kann daher eine Spannungsüberhöhung vermieden werden, die den Dachhaken dauerhaft verbiegen würde. Installateure dürfen sich aber nicht täuschen lassen – auf das Ausmaß der Verformung unter Last haben die Versteifungen nur einen geringen Effekt.

Weitere Beurteilungsgesichtspunkte

Die Rechnung zeigt, wie die Geometrie und Materialeigenschaften die Verformung beeinflussen. Das ist insbesondere relevant, wenn man andere konstruktive Merkmale betrach-tet, die wichtig sind, um etwa Dachhaken an ein Dach anzupassen.

Verstellhilfen für Tragprofil: Für den Ausgleich von Dachunebenheiten wird beim Verbinden des Auslegers mit dem Tragprofil häufig eine Höhenverstellung verlangt (rund 40 Millimeter). Je nach Ausrichtung des Tragprofils sollte auch eine flexible seitliche Lagerung des Tragprofils möglich sein (bis zu 20 Millimeter). Erst durch Einstellmöglichkeiten am Dachhaken werden bei der Montage die endgültigen Konstruktionsmaße festgelegt (Maße a, b, c und d in der Grafik rechts). Die Belastbarkeit und das Verformungsverhalten des Dachhakens werden hierdurch beeinflusst – besonders bei Schneelast und Winddruck. Der Installateur nimmt also Einfluss auf die Statik des Dachhakens, indem er ihn verstellt. Kritisch kann es werden, wenn er den Dachhaken oben verlängert durch Vergrößern der Maße c und a. Durch diese Maßnahme wird bei Schneelast die Dachhakenverformung in der Regel verstärkt. Prüfunterlagen sollten in jedem Fall spezielle Einbausituationen berücksichtigen, die für Belastbarkeit und Verformung des Dachhakens ungünstig sein können.

Seitenverstellung an der Grundplatte: Für die Positionierung des Auslegers im Ziegeltal ist an der Grundplatte ein

geeignetes Lochbild für die normgerechte Holzschraubenbefestigung am Sparren mit aufgelegter Konterlatte notwendig. Dabei ist der Lochabstand untereinander und der Abstand der beiden Lochreihen wichtig. Zusätzlich ist eine Grobverstellung für den Dachhaken-Ausleger in beiden Richtungen wünschenswert, weil der Versatz zwischen Ziegeltal und Dachsparren bis 50 Millimeter betragen kann.

Durch die exzentrische Montage wird die Verformung der Konterlatte zu einer noch größeren Absenkung des Dachhaken-Auslegers führen als berechnet. Deshalb sollten für den exzentrischen Einbau beim Hersteller geeignete Stützelemente für die seitliche Unterstützung der Dachhaken-Grundplatte im Angebot sein, wie sie das Foto oben zeigt.

Höhenverstellung des Auslegers an der Grundplatte: Sie ist eine nützliche Justierhilfe, da unterschiedliche Höhen bei Ziegeln und Dachlatten zu berücksichtigen sind. Alternativ müssten Distanzplatten zum Einsatz kommen. Eine Verstellmöglichkeit von 10 bis 15 Millimeter, wie sie manche Hersteller anbieten, ist wünschenswert und in der Regel statisch unkritisch.

Dachhaken-Werkstoff: Wird Stahl durch eine Aluminium-Legierung ersetzt, ist zu berücksichtigen, dass durch den niedrigeren Elastizitätsmodul eine circa dreifach größere Verformung entsteht, wenn Belastung und Dachhaken-Geometrie nicht verändert werden.

Bei Edelstählen sind insbesondere mit Blick auf die Korrosionsbeständigkeit unterschiedliche Güten zu berücksichtigen. So werden in der Praxis häufig Legierungen wie der nickelfreie Werkstoff 1.4016 eingesetzt, die aufgrund ihrer Korrosionseigenschaften nicht im Außenbereich benutzt werden können. Nähere Hinweise sind in der EN 1993-1-4:2006 (Tabelle A.1) und in /2/ zu finden (siehe Literaturangabe Seite 71).

Dagegen ermöglicht der Einsatz hochwertiger Baustähle (feuerverzinkt) – neben geringen Kosten – im Vergleich zum Edelstahl deutlich höhere Festigkeitswerte.

Zukünftige Zertifikate

Abschließend bleibt anzumerken, dass aus unserer Sicht für die Beurteilung und den Vergleich von Dachhaken einheitliche Prüfunterlagen erforderlich sind, die zukünftig auch bei der Vergabe von bauaufsichtlichen Zulassungen und Zertifikaten für Dachhaken zur Anwendung kommen sollten. Die Belastbarkeit des Dachhakens durch Einwirkungen am Tragprofil, die Verformung des Dachhaken-Auslegers und die Einbausituation der Dachhaken-Grundplatte auf der Holzunterlage sehen wir dabei im Sinne einer praxisgerechten Prüfung als besonders wichtige Merkmale. In der momentan laufenden VDI-Richtlinienarbeit /3;4/ bleibt noch zu klären, wie eine Unterlage zur Durchführung eines möglichst aussagefähigen Prüfverfahrens ausgestaltet werden müsste.

Bis es so weit ist und es ein Zertifikat gibt, das die Sicherheit eines Dachhakens aussagekräftig belegt, bleibt Installateuren nur eines: Sie müssen bei ihren Lieferanten auch konkrete Angaben zur Verformung bei der angenommenen statischen Belastung erfragen.

 

Download "Herleitung: ÜberschlLägige ErmittLung Von Spannungen und Verformungen Am Dachhaken-Ausleger"

 


Literatur zum Thema

/1/ ÖNORM M7778: Montageplanung von Solarpanelen (thermische Kollektoren und Fotovoltaikmodule).

Wien: Austrian Standards Institute, April 2011

/2/ Z-30.3-6: Erzeugnisse, Verbindungsmittel und Bauteile aus nichtrostenden Stählen. DIBT, Berlin 2009

/3/ VDI 6012 Blatt 1.4: Befestigung von Solarmodulen und -kollektoren an und auf Gebäuden, internes Arbeitspapier

/4/ Hahn, W.: Neue Arbeitshilfen des VDI zum Befestigen von Solarmodulen an Gebäuden – Stand und Ausblick zur VDI 6012, Bl. 1.4. In: Montage von Photovoltaikanlagen. Regensburg: OTTI-Fachforum (28. Febr. 2011). ISBN 978-3-941785-53-3

Beispiele für Abschätzungen der Verformung von Dachhaken

Die Herleitung auf Seite 74/75 erlaubt es, die Verformung von Dachhaken abzuschätzen. Die folgenden Rechenbeispiele zeigen, wie es geht und welche Größen einen großen Effekt haben.

Einfluss der Konterlatte

Versuche zeigen, dass zusätzlich zur Verformung des Dachhakens die Absenkung der Konterlatte in der Praxis sehr relevant ist. Viele Dachhaken sind laut Hersteller für Kräfte bis maximal 750 bei 1.000 Newton vorgesehen. In Versuchen wurden bei diesen üblichen Betriebskräften und bei zentrischer Befestigung auf Konterlatten für fD

Absenkungen von ungefähr 0,5 mm beobachtet. Berücksichtigt man bei Dachhaken die üblichen Werte L/m ≈2 … 2,4, so führt das in Gleichung (10) zu Δf = 1,5 mm. Damit verbleiben von den in der Regel 5 mm für die Verformung des Dachhakenauslegers nur 3,5 mm. Deshalb sollten Dachhaken auch nur auf einer entsprechenden Holzunterlage getestet werden und nicht etwa auf Stahl. Im Regelfall wird die Grundplatte exzentrisch auf der Konterlatte befestigt, wodurch sich sogar noch ungünstigere Werte ergeben.

Komplettes Rechenbeispiel

Am Beispiel eines handelsüblichen Edelstahl-Dachhakens zeigt sich, dass durch die Extraabsenkung durch die Verformung der Konterlatte die Ziegelberührung bei starken Belastungen wahrscheinlich ist. Der betrachtete Dachhaken hat durchgehend Rechteckquerschnitt von 40 mm mal 6 mm und die Geometriemaße L = 111 mm, a = 66 mm, b = 35 mm, c = 0 mm, d = 44 mm und β=6 Grad. Der Elastizitätsmodul des Werkstoffs ist E = 200.000 N/mm2, die Mindest-Streckgrenze Re = 220 N/mm2, ab der mit bleibenden Verformungen gerechnet werden muss. Die maximale mögliche Belastung ist laut Datenblatt 600 Newton.

a) Wind

Der Dachhaken soll eine Winddruckkraft FWD= 600 Newton abstützen – das heißt bei α=0 Grad. Welche Verformung f ist nun am Auslegerende bei zentrischer Auflage auf dem Sparren mit Konterlatte zu erwarten? Aus den Gleichungen (1) und (2) ergeben sich die Werte I = IG= 720 mm4, W = WG= 240 mm3. Die Gleichungen (3) bis (6) ergeben nun σA= σB= 87,5 N/mm2, σC= σD= 190 N/mm2. An den Punkten A bis D liegen die Spannungen unterhalb der Werkstoff-Streckgrenze, und damit darf der Dachhaken zum Einsatz kommen. Für die Verformung am Auslegerende ergeben die Beziehungen (7) bis (9) einen ersten Anhaltswert: f = 2,5 mm. Aufgrund der zu erwartenden Einsenkung an der Konterlatte wird ein rund 30 Prozent höherer Wert erwartet, so dass die Gesamtverformung mit rund 3,3 mm unterhalb der 5-mm-Grenze bliebe.

b) Schnee

Kritisch wird es bei dem Beispielhaken, wenn Schnee liegt. Der Dachhaken soll eine Schneelast FS= 600 Newton abstützen bei α = 30 Grad. Die Werte I = IG= 720 mm4 und W = WG= 240 mm3 bleiben erhalten. Die Gleichungen (3) bis (6) ergeben σA= 75,8 N/mm2, σB= 8,0 N/mm2, σC= 263,0 N/mm2, σD= 317,9 N/mm2. Man sieht, dass an den Punkten C und D die garantierte Werkstoff-Streckgrenze von 220 N/mm2 für den üblichen Edelstahl 1.4301 bereits deutlich überschritten würde und damit der Dachhaken nicht zum Einsatz kommen dürfte. Das geht nur, wenn mit dem Stahlhandel für das Material eine entsprechend höhere Streckgrenze vereinbart wird.

Unter der Annahme einer starren Auflage am Punkt D ergibt sich aus den Beziehungen (7) bis (9) für die Verformung am Auslegerende ein erster Anhaltswert: f = 4,1 mm. Aufgrund der zu erwartenden Einsenkung an der Konterlatte wird auch in diesem Fall ein etwa 30 Prozent höherer Wert erwartet, so dass mit einer Gesamtverformung von rund 5,3 mm zu rechnen ist. Dies ist knapp nicht mehr im zulässigen Bereich.

c) Einfluss der Dachhaken-Entwicklung

Wie groß der Einfluss der Geometrie ist, zeigt eine einfache Modifikation des Hakens. Erhöhen Dachhaken-Entwickler im Sinne einer Dachhaken-Optimierung die Länge b von 35 auf 90 mm und verringern sie gleichzeitig die Länge a von 67 auf 58 mm, ändern sich die Verformungen für das Beispiel b) drastisch. Das zeigt die folgende Abschätzung. Die Werte I = IG= 720 mm4 und W = WG= 240 mm3 bleiben erhalten. Die Gleichungen (3) bis (6) ergeben σA= 194,8 N/mm2, σB= 122,4 N/mm2, σC= 132,5 N/mm2, σD= 187,5 N/mm2. Man sieht, dass an den Punkten A bis D die Spannungen unterhalb der Werkstoff-Streckgrenze liegen und damit der Dachhaken zum Einsatz kommen darf. Unter der Annahme einer starren Auflage am Punkt D ergibt sich aus den Beziehungen (7) bis (9) für die Verformung f=1,7 mm. Aufgrund der zu erwartenden Einsenkung steigt die Verformung auch dabei um rund 30 Prozent, so dass mit einer Gesamtverformung von circa 2,2 mm zu rechnen ist, was im akzeptablen Bereich liegt.

die autoren

Prof. Dr.-Ing. Walter Hahn, Fachhochschule Köln, ist Vorsitzender des Ende 2009 gegründeten Arbeitsausschusses VDI 6012, Blatt 1.4 „Befestigung von Solarmodulen und Solarkollektoren an und auf Gebäuden“.

Dipl.-Ing. Helge Strozyk, Teamleitung Entwicklung PV-Montagesysteme bei Energiebau Solarstromsysteme GmbH, arbeitet ebenfalls in dem Ausschuss mit.

Mit der Veröffentlichung des VDI-Richtlinienentwurfs ist frühestens im Mai 2013 zu rechnen.

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