Ziegelbruch vermeiden

Die häufigste Montageart bei kleinen Photovoltaik-Aufdachanlagen ist sicherlich die Variante mit Dachhaken, die auf den Dachsparren gesetzt werden. Zwischen den Ziegeln hindurchgeführt bilden sie die Montagepunkte für die Profile, auf denen dann wiederum die Module montiert werden. Viele Hersteller bieten dazu Dachhaken an, die teilweise sehr ähnlich aufgebaut sind.

Die häufigste Bauform besteht dabei aus einer Grundplatte, auf der ein geschwungener Haken aufgeschweißt ist. Mehrere Befestigungslöcher auf der Grundplatte erlauben eine seitliche Variabilität. Aufgrund der vorhandenen Dacheindeckung, hierbei vor allem aufgrund der Lattenhöhe sowie der Ziegelmaße, sowie weiteren Eigenschaften des Dachs können sich mehrere Probleme ergeben: Der Haken kann meistens nur an bestimmten Stellen des Dachziegels nach außen geführt werden. Daher kann es notwendig sein, die Position des Hakens auf dem Sparren zu verschieben. Dies kann so weit gehen, dass der Haken stark exzentrisch sitzt und somit die Krafteinleitung versetzt zum Dachsparren erfolgt.

Das Dach ist häufig nicht eben, sondern kann Senken und Anhebungen aufweisen.

Die Position der Sparren kann variieren, teilweise treten unterschiedliche Ausführungen und Zustände wie Alterung auf.

Bei vielen Gebäuden kommt hinzu, dass eine Unterspannbahn in Form einer Kunststofffolie auf die Sparren gelegt und mit einer Konterlatte befestigt wurde. Der Dachhaken muss somit auf diese Konterlatte montiert werden. In der aktualisierten Richtlinie VDI 6012 Blatt 1.4 wird diese Montagesituation explizit als Regelfall benannt.

Im Randbereich des Generators kann es vorkommen, dass der nächste Sparren außerhalb des Modulfeldes liegt. Wenn der erste Haken erst nach einem größeren Abstand zur Modulfeldkante montiert wird, ergibt sich eine entsprechende Auskragung. Kann diese aufgrund der zu erwartenden Belastung zu Statikproblemen führen, muss ein Haken außerhalb des Modulfeldes gesetzt oder andere Lösungen gefunden werden.

Um auf einige der genannten Probleme besser als mit einem einfachen Standardhaken reagieren zu können, werden von einigen Herstellern besondere Konstruktionen angeboten. Eine Maßnahme ist dabei die Verschraubung des Hakens auf dem Grundprofil mit der Möglichkeit, ihn mittig oder seitlich versetzt auf der Grundplatte zu befestigen. Obwohl hierdurch die Grundplatte optimal auf dem Sparren montiert werden kann, bleibt die Problematik der exzentrischen Krafteinleitung.

Die Krux mit der Statik

Wichtigste Eigenschaft aller Konstruktionen ist dabei die Sicherstellung der ausreichenden statischen Tragfähigkeit. Neben den Eigengewichten von Modulen und Unterkonstruktion müssen Wind- und Schneelasten beherrscht werden. Die auf die Module einwirkenden Kräfte müssen dabei durch die gesamte Kette der beteiligten Bauteile bis in den Boden geführt werden. In dieser Kette befindet sich der Dachhaken.

Bei der Aufdachmontage werden bei der Berechnung der statischen Auslegung die notwendige Anzahl an Haken pro Fläche und die maximalen Profillängen zwischen zwei Haken sowie der maximal zulässige Überstand der Profile am Rand bestimmt. Das Ergebnis erhält der Installateur je nach Hersteller des Montagesystems in Tabellenform bis hin zu einem detaillierten Dachplan mit der Position aller Haken. Auch die Unterstützung des Installateurs bei der Eingabe der notwendigen Randbedingungen ist bei allen Herstellern unterschiedlich. Wichtige Details wie die Wahl der Schneelastzone und die Berücksichtigung von Lasterhöhungen, wie sie unter anderem bei Schneehäufungen in Dachkehlen oder bei Dachsprüngen auftreten können, müssen letztendlich vom Installateur eingepflegt werden, da nur er die tatsächlichen Gegebenheiten kennt.

Ob bei einer Photovoltaikanlage alle auftretenden Kräfte wirklich beherrscht werden können, hängt somit neben den technischen Eigenschaften der Haken und der anderen Komponenten auch von der Unterstützung der Installateure bei der Eingabe der für die Statikberechnung notwendigen Randbedingungen ab. Grundvoraussetzung ist dabei natürlich, dass vom Hersteller überhaupt Material für eine Statikberechnung zur Verfügung gestellt wird und dieses dem Installateur auch ohne große Suche und nicht erst auf Nachfrage zugänglich ist. Alles, was hierbei dem Installateur das Leben schwer macht, führt letztendlich dazu, dass keine richtige Berechnung erfolgt und die Statik nur „Pi mal Auge“ betrachtet wird, mit der zwangsläufig hohen Gefahr von Ausführungsfehlern.

Genauere Angaben vermeiden Ziegelbruch

Wie bei vielen technischen Aufgaben liegt auch bei der Statik das Problem wieder im Detail. Durch die Kräfte werden alle betroffenen Komponenten mehr oder weniger stark verformt. Vor allem beim Dachhaken treten dabei Durchbiegungen auf.

Leider fehlen in den Datenblättern meistens Angaben zu dieser Problematik. So findet man Werte für die Tragfähigkeiten beziehungsweise für zulässige Belastungen. Nach Angaben, wie weit sich ein Haken dann aber durchbiegt, sucht man meist vergeblich. Bedingt durch die Durchführung des Dachhakens zwischen zwei Dachziegeln wären diese Angaben bei verschiedenen Lastfällen aber sinnvoll, wobei insbesondere das Durchbiegen jenes Teils des Hakens kritisch ist, der unmittelbar über dem Ziegel liegt. Wird nämlich dieser Teil auf den darunterliegenden Ziegel gedrückt, droht Ziegelbruch und somit eine Dachundichtigkeit.

Neben dem Durchbiegen des Hakens kann auch beim Holz des Sparrens eine nennenswerte Verformung bedingt durch eine Auflagerpressung unterhalb des Hakens auftreten. Dieser Effekt verstärkt sich, wenn der Haken auf einer Konterlatte aufgebracht wird, da dann die Auflagefläche geringer ist. Das Durchbiegen des Hakens und das Nachgeben des Holzes erhöhen zusammen die Gefahr eines Ziegelbruchs, selbst wenn man sich noch im Bereich der zulässigen Belastung eines Dachhakens bewegt. Zudem stellt sich die Frage, wie sich die beschriebenen Effekte bei zum Sparren seitlich versetzter Hakenmontage auswirken.

Neue VDI-Richtlinie VDI 6012 Teil 1.4 und die Messungen

In der gerade erst aktualisierten VDI-Richtlinie VDI 6012 Teil 1.4 „Regenerative und dezentrale Energiesysteme für Gebäude – Grundlagen – Befestigung von Solarmodulen und -kollektoren auf Gebäuden“ wird umfangreich auf diesen Sachverhalt eingegangen. So wird unter anderem gefordert, dass ein Nachweis für die Auflagerpressung geführt wird.

Für die Messungen im Prüflabor des TÜV Rheinland haben wir daher die folgenden wesentlichen Änderungen gegenüber normalen Tests, wie sie auch für allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen durchgeführt werden, diskutiert und uns für diese Messreihe auf Folgendes verständigt:

  • Die Haken werden auf einem mit 30 Grad Neigung aufgestellten Sparren montiert, wobei die Montage entsprechend einer vorliegenden Montageanleitung erfolgt.
  • Bei der exzentrischen Montage wird zusätzlich eine Konterlatte unterlegt. Auch hier erfolgt die Montage entsprechend der Montageanleitung.

Die Krafteinleitung erfolgt wie üblich senkrecht von oben. Um trotz der Neigung eine vergleichbare und realistische Krafteinleitung zu erreichen, wird an die Haken wieder entsprechend der Montageanleitung ein Profil angesetzt, auf das die Kraft mit einem abgerundeten Stempel mittig eingeleitet wird.Am relevanten unteren Teil des Hakens wird ein Seilzugsensor montiert, mit dem die Durchbiegung dieses Teils gegenüber dem Sparren gemessen wird.

Die vier Prüflinge der Untersuchung stellen dabei einen gewissen Querschnitt der angebotenen Hakenlösungen dar. Neben einem einfachen geschweißten Haken ohne Verstellmöglichkeiten können bei den anderen Prüflingen Einstellungen wie ein Versetzen des Hakens zur Grundplatte erfolgen. Der Haken von Bau-tech 2012 und der Haken von Solardirekt 24 scheinen von der Ausführung her eher für geringere Grenzlasten geeignet, was in Gebieten mit geringen Wind- und Schneelasten ausreichend sein kann. Die Haken von Baywa r.e. und Lorenz hingegen versprechen, auch für Standorte mit hoher Schneelast geeignet zu sein. Um die tatsächlich auftretenden Montagesituationen zu testen, wurden von jedem System je zwei Haken bei zentrischer Montage und zwei Haken bei versetzter Montage untersucht.

Eine wichtige Frage vor der Untersuchung war, ob eine Unterfütterung neben der Konterlatte ausgeführt werden sollte. In einigen Montageanleitungen wird diese unter bestimmten Bedingungen als notwendig beschrieben. Bei Lorenz wird anstelle einer Unterfütterung ein Stützwinkel verwendet, der deutlich einfacher als eine Unterfütterung zu montieren ist. Bei einigen Haken wird in keinem der vorhandenen Dokumente auf Unterfütterungen hingewiesen.

Wenn Montageanleitungen fehlen oder dem Monteur gerade nicht vorliegen, wird er erfahrungsgemäß sowieso meistens auch bei vorhandener Konterlatte ohne Unterfütterung montieren, unabhängig davon, ob vom Hersteller eine solche gefordert wird oder nicht. Daher wurde bei den Tests nur bei Lorenz der vorgeschriebene Stützwinkel entsprechend der Montageanleitung angebracht.xAnzeigeUntersuchungsergebnisse Bei den einfachen Konstruktionen benötigt man für ein Durchbiegen des relevanten unteren Schenkels eines Hakens um fünf Millimeter nur ein Viertel bis ein Siebtel der Kraft, die bei für hohe Lasten konstruierten Haken notwendig ist. Werden die Haken exzentrisch versetzt montiert, tritt die gleiche Verformung bereits bei deutlich geringeren Kräften auf. Um eine größere Durchbiegung von sieben Millimetern zu erreichen, sind höhere Kräfte notwendig, wobei das Verhalten nicht linear ist.

Bei der Kraft, die für eine bestimmte Durchbiegung notwendig ist, traten bei den durchgeführten Untersuchungen zwar große produktspezifische Unterschiede auf, für einen Hakentyp in einer bestimmten Montagesituation lagen die Werte der beiden identisch ausgeführten Versuche aber stets nahe beieinander. Es scheinen keine großen Streuungen, zum Beispiel durch die Holz- oder Schraubeneigenschaften oder durch Materialstreuungen, aufzutreten.

Der mögliche Abstand des Hakens zum unteren Dachziegel wird durch die Ziegelgeometrie und die Möglichkeit der Ziegelbearbeitung begrenzt. Typisch sind realisierbare Abstände von fünf Millimetern. Berechnet man die Schneebelastungen, die auf einen Dachhaken wirken, ergibt sich auch bei einem geringen Basiswert eine Gesamtlast von ungefähr 0,5 Kilonewton. Liegen höhere Schneelasten vor, steigen diese Werte, sodass man bei über zwei Kilonewton Gesamtlast pro Haken landen kann. Selten können sogar noch höhere Belastungen bis zu vier Kilonewton auftreten. Bei der im Rahmen dieses Artikels durchgeführten Untersuchung wurde, abhängig vom Hakentyp, eine Durchbiegung von fünf Millimetern bei Kräften von 0,2 Kilonewton bis zu 1,8 Kilonewton festgestellt. Das bedeutet, dass bei einigen Haken eine Schädigung des unteren Ziegels bereits deutlich vor dem Erreichen der maximal zu erwartenden Belastung auftreten kann, und dies sogar in schneearmen Regionen. Bei extremen Belastungen müssen ganz andere Lösungen gefunden werden wie Doppelhaken oder der Tausch von Ziegeln gegen Blechziegel.

In der aktuellen VDI 6012 Blatt 1.4 wird genau diese Problematik aufgegriffen. Hier wird ein ausreichender Abstand von der Unterkante des Hakens zum Dachziegel gefordert, der sicherstellt, dass bei der maximal zulässigen Durchbiegung (beim VDI Verformung genannt) keine Belastung des Ziegels auftritt. Problem ist natürlich, dass dem Installateur diese maximale Durchbiegung aus den bisherigen Datenblättern gar nicht bekannt ist.

Im Anhang der VDI-Richtlinie werden sogar Berechnungen aufgeführt, mit denen die Durchbiegung eines Hakens bestimmt werden kann (Vorarbeit mit Berechnungsvorschlägen siehe www.pv-magazine.de, Webcode 8144). Die Formeln sind recht umfangreich, außerdem wird immer wieder darauf hingewiesen, dass sich hieraus nur überschlägige Ergebnisse erzielen lassen. Hier stellt sich einmal mehr die Frage, warum die Hakenhersteller für ihre Produkte keine Werte mitteilen, die entweder rechnerisch oder aber durch Messungen erzielt wurden, sondern der Installateur mit der Problematik alleine gelassen wird. Dabei zeigen die Ergebnisse der Messungen deutlich, dass die Beachtung der Durchbiegung ein sehr wichtiger Punkt bei der fachgerechten Montage ist.

Von einigen Herstellern wird eine Stabilisierung beschrieben, die sich dadurch ergibt, dass ja auf die Haken Modultragschienen gesetzt werden, von denen dann zwei über die angeklemmten Module verbunden sind. Vor allem für die exzentrische Montage wird häufig davon ausgegangen, dass ein Kippen der Haken damit verringert wird. Dieser Effekt hängt allerdings stark von den verwendeten Profilen und deren Eigenschaften ab sowie von der Anbindung an den Haken. Die stabilisierenden Effekte sind somit schwer zu bestimmen. Beim Versuch wurde dieser Effekt zumindest zum Teil dadurch berücksichtigt, dass die Druckübertragung durch einen längeren Stempel auf ein Profilstück erfolgte. Außerdem soll der Haken ja auch im Randbereich keine Probleme bereiten. Da hier das äußere Profilende aber nicht zwischen zwei Haken liegt, sondern mehr oder weniger weit übersteht, wird das Kippen des Hakens in diesem Bereich kaum stabilisiert und gegebenenfalls sogar begünstigt. Aufgrund der zudem höheren Lasten wie Schneehäufungen wurde bei der Auswertung darauf verzichtet, eine theoretische Verbesserung des Verhaltens durch die weitere Unterkonstruktion zu berücksichtigen.

Was bedeuten diese Ergebnisse nun für die Praxis? Es kann schnell eng werden für den unteren Ziegel. Liegen weder Montageanleitung noch Datenblätter vor, kann man kaum abschätzen, wie das Verhalten eines Hakens tatsächlich ist. Fünf Millimeter Mindestabstand zwischen Ziegel und unterem Hakenschenkel sind dabei kein Garant für eine fachgerechte Montage. Selbst bei verstärkten Konstruktionen, die laut Datenblatt auch für Regionen mit höheren Schneelasten geeignet sind, können nennenswerte Durchbiegungen auftreten. Eine zum Sparren versetzte Montage verschärft die Problematik. Im Zweifel kann der Austausch des unteren Ziegels durch einen Blechziegel eine Lösung sein, allerdings mit deutlich höheren Kosten. Damit auf den Installateur später keine teure Dachsanierung zukommt, sollte er sich überlegen, ob die Wahl eines Produktes mit Datenblättern, Montageanleitungen, Statikberechnungen und Hilfen bei der Auslegung für ihn auf Dauer nicht doch günstiger ist.

Udo Siegfriedt ist Gutachter bei der DGS Berlin-Brandenburg (www.dgs-berlin.de) und Coautor des DGS-Leitfadens „Photovoltaische Anlagen“. Er hat für pv magazine mehrfach Montagesysteme begutachtet und Vorträge zum Thema auf Fachtagungen wie der PV-Betriebs- und Sicherheitstagung der DGS zusammen mit dem Haus der Technik gehalten.