Montáž na ploché střechy

Transkript

1 Montáž na ploché střechy Všeobecné pokyny S rostoucím rozšířením fotovoltaiky získávají kromě elektrických veličin, životnosti, záruční doby atd., stále více na významu také detaily montáže. V počáteční fázi byly většinou na střechu instalovány moduly v malém počtu, mezitím existují početné montážní varianty pro všechny možné druhy střech a způsoby instalace, až k velkoplošným průmyslovým střechám nebo pro naklonění modulů na volných plochách. S přibývajícím počtem FV elektráren zkoušejí také pojišťovny, na základě určitého statistického nárustu škodních událostí, stále více působit na kvalitativní standard FV elektráren. Při posuzování rizika škody se montáži na ploché střechy, zejména u řešení se zátěží, přikládá zvláštní význam. Zatímco při montážních chybách na šikmých střechách představují v určitém případě netěsnosti střechy, škody na modulech nebo výpadky produkce, omezené riziko, při nevyhovujících zátěžích na plochých střechách mohou vznikat nebezpečí pro třetí osoby; při přetížení střechy příliš velkými zátíženími se musí naproti tomu zohlednit také riziko přetížení střechy až možnost zřícení budovy. Následující upozornění by měla projektantům nebo montážníkům pomoci všechna tato rizika omezit a umožnit bezpečné a profesionální projektování. 1 Zatížit nebo upevnit Všeobecné pokyny pro montáž na plochých střechách Právě u FV elektráren na plochých střechách ve fázi nabídky, jsou v mnoha případech dotyčné střechy málo brány v úvahu. Paušální nabídky podle výkonu v kw často obsahují standardní řešení se zátěží bez předešlého objasnění, zda-li jsou velikosti zatížení vyvozována zátěží realistická a zda-li vůbec stav budovy umožňuje zatížení přídavným zatížením shora vyvozovaného hmotnosti modulů a nosnou konstrukcí, natož přídavným zatížením zátěží. Často je málo bráno v úvahu, že zátěž v závislosti na konstrukci, zvýší celkové zatížení o mnohonásobek a tím ji na mnoha stávajících střechách není možné realizovat. Pro profesionální sestavení nabídky je definitivně jako první a většinou ta nejlepší varianta, přezkoušení upevnění FV elektrárny na střešní konstrukci. Výhrady zákazníků proti průnikům ve střešním plášti, nejsou díky stále profesionálnějším montážním detailům se spolehlivými řešeními utěsnění na místě. Projektant by měl naopak zákazníkům vysvětlit daleko větší riziko chybně naprojektovaného řešení se zátěží popř. předložit skutečně potřebné zatížení zátěží. Ukáže-li se skutečně, že je řešení se zátěží pro objekt technicky lepší varianta, tak je nutné výpočtové dimenzování zatížení zátěží se zohledněním platných norem a všech individuálních parametrů. Minimalizace potřebného zatížení zátěží je také eventuálně možná optimalizací mechanických konstrukčních detailů. Kombinace řešení se zátěží a řešení s upevněním se všeobecně nedoporučuje. Kvůli elastickým deformacím v systému vyžaduje toto řešení náročný individuální statický výpočet. 1 / 12

2 Obrázek příkladu: Překlopením poškozené moduly na ploché střeše (nedostatečná zátěž) Zdroj: Odborný tisk Obrázek příkladu: Montáž konstrukce na ploché střeše se zcela nedostatečnou zátěží Zdroj: Schletter GmbH 2 Technické meze řešení se zátěží Potenciál rizika pro projektanta a montážníka Zatímco při montážních chybách na šikmých střechách představují v určitém případě nětěsnosti střechy, škody na modulech nebo výpadky produkce, omezené riziko, při nevyhovujících zátěžích na plochých střechách mouhou vznikat nebezpečí pro třetí osoby. Při přetížení střechy příliš velkými zatíženími vyvozovaných zátěží se naproti tomu musí zohlednit také riziko přetížení střechy až možnost zřícení budovy. V případě škodní události mohou být chybná dimenzování zátěží pro nezúčastněné osoby spojeny s potenciálním "ohrožením zdraví a života". Úhrada těchto potenciálních škod je sice všeobecně pokryta z pojištění povinného ručení; toto ale platí jen do té doby, pokud není způsobená žádná hrubá nedbalost. Osazení ploché střechy betonovými zátěžemi bez jakékoliv zkoušky statické zatížitelnosti haly, může být podle okolností vykládáno jako nedbalost. Montážník musí jako odborná firma nadimenzovat zátěž podle všech parametrů (výška střechy, zóna větru, kategorie terénu, velikost modulů atd.), aby se mohlo absolutně vyloučit nadzvižení, skluz a překlopení. Zejména v posledních letech narůstajících extrémních povětrnostních situací způsobené začínající změnou klimatu, nám ukazují také na nutnost technicky čistého a bezpečného projektování. Zde sepsané informace mají ukázat na možnosti profesionálního projektování. 2 / 12

3 2.1 Přípustná bodová zatížení Přípustné tlakové zatížení stávající střešní izolace ve spojení s na ni položenými střešními pásy, vymezuje všeobecně maximální přípustné bodové zatížení (všeobecně v kg/m2 nebo kn/m2). U konstrukčního dimenzování zátěží se musí dávat pozor na to, aby nepřesahovaly toto maximální bodové zatížení. Možná nebezpečí při překročení jsou povolení izolace zaboření zátěže přetažení střešního pláště zkřehnutí střešního pláště netěsnosti nosná konstrukce FV modulů střešní plášť izolace Vhodným plošným rozložením může být bodové zatížení omezeno. 2.2 Přípustná plošná zatížení Přípustné plošné zatížení (všeobecně v kg/m2 nebo kn/m2) se vztahuje všeobecně na celkovou střešní plochu nebo na části střešní plochy. Zadáváno je maximální plošné zatížení pomocí únosnosti konstrukce. Při tom se musí zohlednit, že kromě hmotnosti modulů, nosné konstrukce a možných zátěží, musí být pojmuto navíc také místní normové zatížení sněhem. Montážník musí tedy na základě existující statiky budovy přesně přezkoušet, zda-li může být přídavná hmotnost FV elektrárny a obzvláště zátěže střešní konstrukcí skutečně pojmuta. Právě po vážných událostech v zimě 2005/2006, je jistě každému jasný význam těchto předpisů pro dimenzování. Musí se brát na vědomí, že podle údajů nové DIN 1055 jsou často nutné velmi vysoké zátěže, aby se mohla elektrárna řádně zatížit. Možná nebezpečí při překročení přípustného zatížení jsou částečné povolení střešní konstrukce kompletní povolení střešní konstrukce zřícení budovy poškození osob Možnosti omezení plošného zatížení menší počet modulů cílené uspořádání řad modulů nad střešními nosníky optimalizace konstrukce sníh moduly konstrukce zátěž 3 / 12

4 2.3 Ochrana platnosti původního znění normy po její změně Dalším důležitým bodem po změně DIN1055 je ochrana platnosti původního znění normy pro budovy, které byly plánovany před zveřejněním nové normy. Lokalita v jižním Německu může podle nové normy vykazovat např. místo dosud 1,2kN/m2 sněhového zatížení (odpovídá cca 120kg/m2) 1,6kN. Pro halu postavenou před změnou normy se zatížitelností např. 1,4kN platí nadále ochrana platnosti původního znění normy a nemusí být definitivně dodatečně upravena. Ale staví-li odborná firma FV-elektrárnu na střechu, pro kterou platí původní norma, tak pro statickou zkoušku platí nové směrnice pro zatížení, ochrana platnosti původní normy zaniká s montáží přídavného zařízení popř. se stavebními změnami. Celkové dimenzování musí být prováděno podle nové normy. 3 Kritéria dimenzováni pro řešení se zátěží 3.1 Směrodatné normy DIN 1055 Návrhová zatížení u staveb, část 4: Zatížení větrem, vydání 03/2005 DIN 1055 Návrhová zatížení u staveb, část 5: Zatížení sněhem a ledem, vydání 06/2005 DIN Působení na nosné konstrukce, Základy projektování nosné konstrukce, Bezpečnostní koncept a návrhová pravidla, vydání 03/2001 Eurokód 1: Působení na nosnou konstrukci, vydání 06/ Zvláštní zatížení větrem Dle nahoře uvedených norem, nemůže být podle standardních parametrů prováděno žádné projektování u projektů na zvláštních formách terénu. To platí zejména také pro zatížení vyvozované zátěží. Vyskytují-li se takové speciální formace terénu (např. budova na výšině atd.), musí být proveden samostatný individuální statický výpočet. 3.3 Parametry pro výpočet zátěže Nutné parametry pro výpočet zátěže se sestavují z konstrukčních detailů plánovaného naklonění modulů (geometrie podpěr, konfigurace nosníků, úhel sklonu, uspořádání modulů, doplňková opatření pro obtékání větru, rozteče podpěr atd.) a geodetické detaily určeného stanoviště: větrná zóna podle DIN 1055 kategorie terénu podle DIN 1055 nadmořská výška výška hřebenu nad horním okrajem terénu je-li třeba výška atiky je-li třeba exponovaná poloha Pro výpočet musí být zadány geodetické detaily (viz. také Geodetický kontrolní seznam, Schletter GmbH). 4 / 12

5 3.4 Stanovení zatížení Podle normy může být stanovení větrné zóny provedeno pouze pomocí příslušné mapy větrných zón. Ale jelikož je to velmi nepřesné a podle rozlišení, které je k dispozici v normě, téměř nemožné, dává firma Schletter GmbH k dispozici internetový servis ke stanovení zatížení podle poštovního směrovacího čísla (zatížení větrem, sněhem). 3.5 Dimenzování zátěže Zatěžovací stav 1 - sání větru Dimenzování zatížení zátěží proti nadzvednutí způsobené sáním větru představuje minimální požadavek. Zasáhne-li proudění vzduchu pokaždé s narůstající rychlostí větru šikmou plochu, tak díky rozdílným rychlostem proudění na horní a spodní straně nastane dynamický tlakový rozdíl. Síla způsobující na ploše tento tlakový rozdíl, musí být kompenzována pomocí zátěže, aby se moduly nenadzvedly. Sání větru Dimenzování zátěže proti nadzvihnutí bylo dlouhou dobu jediné kritérium pro výběr zatížení zátěží. To bylo také zkušebními instituty částečně tolerováno, neboť z tohoto dimenzováni vyplývají velmi vysoká zatížení. Statické tabulky výrobců montážních systémů také většinou udávají tento minimální požadavek; pro optimalizované konstrukce může být taková tabulka samozřejmě také dostačující. V každém případě může být taková tabulka použita pro hrubé stanovení minimálních zátěží. Montér může pomocí této tabulky bez dalších náročných výpočtů objasnit, zda-li je plochá střecha vhodná pro tuto minimální zatížitelnost, zda-li je účelné další ověřování řešení se zátěží, nebo zda-li musí být zvoleny alternativní řešení. Příklad tabulky pro zatížení shora proti sání větru - statika systému Schletter GmbH 5 / 12

6 3.6 Dimenzování zátěže Zatěžovací stav 2 - skluz Proudění vzduchu produkuje na šikmé ploše kromě zvedací síly i dynamický tlak. Z vektorového rozložení vznikající tlakové síly vyplývá paralelně ke střeše působící posouvající síla na konstrukci. U řešení čistě jen se zátěží, musí být tato posouvající síla kompenzována pouze pomocí tření na vrchní ploše střechy, aby se řady modulů na střeše nemohly posouvat. Kvůli často velmi nepříznivým a nekalkulovatelným součinitelům tření střešního pláště, může potřebné zatížení shora podle okolností činit několikanásobek zatížení proti sání větru. Zamezení dodatečně potřebného zatížení je možné zabezpečením řad nebo spojením řad. (Skluz) 3.7 Dimenzování zátěže Zatěžovací stav 3 - překlopení Zejména při větru zezadu, při krátké délce podpěrné základny, při vysoké poloze těžiště, se může jednotlivá řada na střeše překlopit. Aby byl zvládnutelný i vítr přicházející ze severu, musí se zohlednit i tento případ. Zatížení potřebné k zabránění překlopení může činit několikanásobek zatížení proti sání. Minimalizace potřebného zatížení zátěží v jednotlivé řadě je možné prostřednictvím dobře rozložených zatížení, široké základny nebo větrné přepážky; další konstrukční možnosti tkví ve spojení více řad. 6 / 12

7 4 Optimalizace zátěže Konstrukční možnosti Na základě omezené únosnosti střechy, nejsou často stanovené hodnoty zatížení podle jmenovaných norem realizovatelné. Omezení potřebných zatížení vyvozovaných zátěží je možné prostřednictvím různých konstrukčních přizpůsobení. 4.1 Spojení jednotlivých řad (Příklad konstrukce CompactVario fi rmy Schletter) Překlopení jednotlivých řad lze zcela vyloučit spojením jednotlivých řad průběžným nosníkem rozkládájícím zatížení. Zatížení zátěží proti překlopení se může v tomto případě úplně ignorovat. Nosník rozkládající zatížení se musí nadimenzovat tak, aby jednotlivé řady pojmuly možný klopný moment bez plastické deformace. U této konstrukce je znesnadněn také skluz jednotlivých řad, zatížení shora proti skluzu by mohlo být z důvodu vzájemného větrného zastínění řad zredukováno o cca 20% až 40% v závislosti na počtu řad. Dimenzování výhradně se zatížením zátěží proti sání větru je možné, pokud může být konstrukčně zabráněno skluzu pomocí zajištění na střeše (např. umístěním nosníku rozkládajícího zatížení těsně k atice). 4.2 Optimalizace úhlu a zabránění překlopení pomocí větrné překážky (Příklad konstrukce WindSafe firmy Schletter) Dimenzování zátěže proti překlopení není nutné u vzadu uzavřené řady, jelikož je tím zabráněno "spodnímu větru". Navíc může být minimalizováno vyvozované zatížení optimalizací úhlu nastavení. 4.3 Optimalizace geometrie a rozložení zatížení (Příklad konstrukce SolRack fi rmy Schletter) Při umístění řad ve štěrkovém loži ploché střechy se nemusí brát ohled na případ skluzu. Tendence k překlopení je nadále snižována větší podpěrnou základnou a tímto minimalizována výpočtová zátěž proti překlopení. Další snížení může být dosaženo asymetrickým rozložením štěrkopískového zatížení (vzadu 2/3, vpředu 1/3). Tím mohou i v tomto případě pro střechu ještě realizovatelná zatížení zátěže vyhovovat. 7 / 12

8 5 Programem podporovaný výpočet na základě platných norem - příklady výpočtů Profesionální projektování řešení se zátěží na ploché střeše je právě se zavedením nové normy a různých parametrů možné jen s programovými pomůckami. K objasnění způsobu fungování má sloužit několik příkladů. Všechny příklady jsou čistě informativní bez nároku na technickou správnost. Příklad výpočtu viz. příloha. Srovnání příkladů výpočtů Příklady mají objasnit použití údajů zátěží a možnosti konstrukční optimalizace. Ve všech příkladech jsou ostatní údaje (PSČ, město, výška elementu, sklon modulů, výška střechy, rozteč podpěr, kategorie terénu apod.) konstantní, aby bylo umožněno srovnání různých konstrukčních variant. Příklad 1 V příkladu 1 je zvolena jednoduchá jednořadová výstavba. Pro ověření proti nadzvednutí by byly nutné 2x77,2 kg na podpěru (podle grafi ky vždy vpředu a vzadu); to je také hodnota, která je ve zjednodušené formě odečitelná v tabulce podle 3.5. Ověření skluzu požaduje 2x129,5 kg. Ověření stability proti překlopení požaduje 141,2 plus 251,4 kg. U rozteče podpěr se zvolenými 1,4 m jsou to cca 280 kg na běžný metr řady modulů. Maximální zatížení těchto tří ověření je potřebné zatížení vyvozované zátěží. Příklad 2 V příkladě 2 je zvoleno "horizontální upevnění" a "spojení řad modulů". Toto odpovídá např. konstrukci podle bodu 4.1. Na podpěru se může přivést zátěž pouze o 2x77,2 kg, to odpovídá cca 110 kg na běžný metr řady modulů. Příklad 3 Ve srovnání s příkladem 1 nejsou zde žádné jednotlivé zátěže, ale pevná zátěž středově přivedena pod podpěru. Optimalizované rozdělení zátěží proti překlopení musí být zde kompenzováno přídavným zatížením. Ověření stability proti překlopení zde požaduje 502,8 kg (místo 141,2 plus 251,4 kg jako v příkladu 1). U rozteče podpěr ze zvolenými 1,4 m jsou to cca 360 kg na běžný metr řady modulů. Příklad 4 Příklad 4 odpovídá příkladu 2, ovšem s přidanou větrnou překážkou. Na podpěru lze přivést zátížení vyvozované zátěží pouze o 2x77,2 kg, to odpovídá cca 53 kg na běžný metr řady modulů. Zde je zřetelně patrná minimalizace prostřednictvím konstrukční optimalizace. 6 Závěr Předložená projektovací pomůcka má usnadnit výběr vhodné upevňovací techniky na ploché střeše. Pro omezení rizika je pro konstruktéra a montéra absolutně profesionální projektování právě u plochých střech nevyhnutelné! V mnoha případech musí být ale také bráno na vědomí, že upevnění na plochou střechu a řešením se zátěží i přes možnost konstrukční optimalizace, zcela jednoduše kvůli únosnosti střechy selžou a tím také nesmí být v žádném případě realizovány. V takovýchto případech se musí zvolit buď řešení upevněním nebo také tuto nebo jinou nabídku akceptovat jako nerealizovatelnou. Cílem všech společných snah musí být dlouhodobě dále zvyšovat kvalitu montáže, pokud možno redukovat riziko záruky pro montéry FV elektráren a zejména nadále udržet eminentní akceptanci solárních elektráren ze strany veřejnosti. 8 / 12

9 7 Příloha - příklady výpočtu Příklad 1 9 / 12

10 Příklad 2 10 / 12

11 Příklad 3 11 / 12

12 Příklad 4 Schletter GmbH, 2011, I400112CZ, V2 12 / 12