Kleine Zeitbombe

Warum veröffentlichen Sie jetzt eine fachliche Stellungnahme zur Beanspruchung von Stockschrauben?

Cedrik Zapfe: Weil ich sehr häufig mit der Frage konfrontiert werde, warum manche Anbieter mit 300 Millimeter langen Stockschrauben im Alpengebiet auskommen, während andere, zum Beispiel Schletter, sagen, dass das nicht geht. Es scheint Planer und Installateure zu geben, die mit einem Computerausdruck zufrieden sind, der besagt, dass der Ausnutzungsgrad knapp unter 100 Prozent liege. Der Ausnutzungsgrad ist aber eine zusammengesetzte Größe, die nicht erlaubt, den Nachweis der statischen Haltbarkeit nachzuvollziehen. Es kommt vor, dass den berechneten Zug- und Druckkräften Datenbankwerte der Tragfähigkeit für Zug- und Druckkräfte gegenübergestellt werden, ohne dass spezifische Berechnungen der Belastungsgrenzen der Stockschraube in der jeweiligen Installation durchgeführt wurden. Dies trifft mit hoher Wahrscheinlichkeit zu, wenn für den Nachweis notwendige Eingangsgrößen wie die Blechgeometrie und Festigkeit nicht abgefragt werden.

Was bedeutet das?

Die Käufer der Systeme glauben, dass es dann jemanden gibt, der haftet. Das stimmt aber nicht. Der wesentliche Irrtum ist, dass Softwarehersteller für die Berechnung in der Regel keine Haftung übernehmen. Auch die Hersteller und Lieferanten stellen sich oft auf den Standpunkt, dass sie nicht dafür in Regress genommen werden können, was ein Softwareunternehmen programmiert. Aus meiner Sicht handelt es sich hier um eine kleine Zeitbombe, denn im Schadensfall setzt die Versicherung normalerweise einen Gutachter ein. Dann kommt der Mangel ans Licht und der Installateur steht im Regen, weil er als Planer der Anlage ein nicht standsicheres Produkt verkauft hat. Wie oft das Problem vorkommt, dass Stockschrauben nicht halten, lässt sich daraus erschließen, wie oft Dächer undicht werden. Die zu starke Belastung der Stockschrauben führt zur Verformung, diese zur Dachundichtigkeit. Das wird oft fälschlicherweise Montagefehlern zugeschrieben.

Wozu braucht man Stockschrauben?

Für die Montage einer Photovoltaikanlage auf Trapez- oder Wellblechdächern. Wenn die Dachkonstruktion aus Holz besteht, werden im Regelfall Stockschrauben benutzt, um die Photovoltaikanlage auf der tragenden Unterkonstruktion zu befestigen. Dabei ist ein Verwendbarkeitsnachweis für die Befestigungsart durch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung oder durch eine Zustimmung im Einzelfall durch die oberste Baubehörde des Landes erforderlich.

Haben Stockschrauben diese Verwendbarkeitsnachweise?

Zahlreiche Hersteller im Markt verfügen für die angebotenen Stockschrauben über eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung, in der die Stockschraube an sich betrachtet wird. Allerdings wird die mögliche Exzentrizität aus seitlichen Anbindungselementen nicht betrachtet. In Bild 2 ist schematisch die resultierende Belastung P dargestellt. Die resultierende Belastung wird für die Nachweise in Kräfte parallel zur Schraubenachse N und Kräfte senkrecht zur Schraubenachse in Höhe der Anbindung V zerlegt. Letztere resultieren aus Hangabtriebskräften aus Eigengewicht und Schnee und bilden insbesondere in Regionen mit hohen Schneelasten die kritische Konstellation, da Biegemomente in der Stockschraube entstehen, für die diese vordergründig nicht ausgelegt ist.

Was muss ein Statiker alles nachweisen?

Der Nachweis der Standsicherheit einer Stockschraube kann sich nicht in einer Betrachtung von übertragbaren Zug- und Druckkräften erschöpfen. Es ist stattdessen eine ganze Reihe von Nachweisen zu führen, die den verschiedensten Versagensarten und Versagensorten Rechnung tragen. Dabei muss auch berücksichtigt werden, wie die Stockschraube eingebaut wird, oft eben mit einer exzentrischen Befestigung des Montagesystems. Bild 3 zeigt, was Statiker alles nachweisen müssen. Es werden also fünf Einzelnachweise verlangt, von denen der jeweils ungünstigste maßgebend ist.

Welche Rolle spielt es, wohin die seitliche Adaption zeigt, mit der das Montagesystem exzentrisch zur Schraubenachse befestigt wird?

Bei Stockschrauben mit einseitigen Anbindungen kann man allein durch die Ausrichtung der Anbindung die Beanspruchung der Stockschraube günstig beeinflussen. Bei einer Ausrichtung der Adaption zum Dachfirst nimmt die Exzentrizität der resultierenden Kraft vom Anbindungspunkt der Adaption bis zum Einschraubpunkt in das Holz ab. Anders ausgedrückt wirkt die Hangabtriebskraft rückstellend zur drückenden Belastung (Bild 4, links, Pfeil von oben). In diesem Fall dürfte für den Nachweis bei einer kürzeren Schraube der Nachweisschnitt II für den Bereich direkt unterhalb der Adaption maßgebend sein. In einer Konstellation mit zur Traufe ausgerichteter Adaption oder bei einer längeren Schraube bewirken die Hangabtriebskräfte eine Vergrößerung der Biegung in der Schraube (Bild 4, rechts, Pfeil von oben). Demnach ist mit einer deutlich geringeren Biegetragfähigkeit des Gesamtsystems Stockschraube mit seitlicher Anbindung zu rechnen.

Ist eine Stockschraube der Biegebelastung gewachsen?

Die seitliche Kraftkomponente führt zu einem Biegemoment. Dieses ist umso größer, je exzentrischer die Befestigung ist. Außer in der Solarbranche kam bisher noch niemand auf die Idee, eine Schraube zur Abtragung von Biegemomenten einzusetzen. Das macht es besonders kritisch. Ein rechnerischer Nachweis biegebeanspruchter Schrauben existiert in den Stahlbaunormen daher nicht.

Wie berechnet man, ob die Stockschraube schlicht durch den Druck von oben abknicken kann?

Dabei muss das Materialversagen berücksichtigt werden. In der Stahlbaunorm wird das mit einem Vergrößerungsfaktor α beschrieben. Je näher die Druckkraft der Knicklast kommt, umso größer wird α. Die Knicklast wird aus den Materialkonstanten und der Länge der Schraube berechnet. Je länger die Schraube, unter umso geringerer Druckkraft knickt sie. Bild 5 zeigt, wie die Knicklast bei der Annahme realistischer Materialkonstanten mit der Länge der Schraube geringer wird (dunkelroter Graph). In demselben Bild sind die Vergrößerungsfaktoren α für drei verschiedene Drucklasten eingezeichnet (grüne, gelbe, orangefarbene und graue Linie). Da mit zunehmender Länge die Last, unter der die Schraube knickt, kleiner wird, steigt der Vergrößerungsfaktor mit zunehmender Länge drastisch an.

Wann ist die Grenze der Belastbarkeit für die Schraube erreicht, bevor sie knickt?

Unter der Annahme, dass ein Vergrößerungsfaktor α = 1,5 eine ungefähre Anwendbarkeitsgrenze darstellt, liegen die möglichen effektiven Längen der Stockschrauben bei 65 Millimetern bei einer Drucklast von 4,0 Kilonewton. Bei 130 Millimetern ist die Grenze bei einer Drucklast 1,0 Kilonewton erreicht. Das zeigen die Graphen in Bild 5. Man kann es auch andersherum ausdrücken. Mit zunehmenden Drucklasten nimmt die mögliche Schraubenlänge deutlich ab. Bei Berücksichtigung aller Einflussfaktoren in der entsprechenden Gleichung sind etwa 1,5 Kilonewton eine sinnvolle Belastungsgrenze. Bei Belastungen, die darüber liegen, steigen die Kurven drastisch an. In alpinen Regionen liegen die Schneelasten in einer Größenordnung zwischen 2,0 und 10,0 Kilonewton pro Quadratmeter. Gemessen an den 1,5 Kilonewton bräuchte man derartig viele Anbindungen, dass man diese auf der Tragkonstruktion des Gebäudes nicht mehr unterbringen könnte. Das gilt dann, wenn die erlaubte Knicklast der begrenzende Faktor bei einer Installation ist. Wenn die Biegebelastung durch zu große Exzentrizität der begrenzende Faktor ist, ist die Belastungsgrenze eventuell schon früher erreicht.

Dieser Artikel ist in Form eines schriftlichen Dialogs von Cedrik Zapfe und pv magazine auf Basis eines Fachartikels entstanden.

Den vollständigen Artikel mit detaillierten Angaben zur Berechnung des Nachweises für alle fünf nötigen Einzelschritte können Sie auf unserer Website www.pv-magzine.de herunterladen. Geben Sie dazu den Webcode 0601 in das Suchfeld ein.

„Die Softwareberechnung trägt den zum Teil individuellen Besonderheiten eines Daches nicht Rechnung. Es obliegt daher dem Kunden, die mit der Software berechnete Auslegung der Photovoltaik-Unterkonstruktion vor der Installation auf dem Dach auf eigene Kosten von einem Sachkundigen prüfen und freigeben zu lassen.“ Beispiel für einen Haftungsausschluss eines Softwareanbieters.