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01 Windzonenkarte (Wiedergegeben mit Erlaubnis des DIN Deutsches Institut für Normung e. V. Maßgebend für das Anwenden der DIN-Norm ist deren Fassung mit dem neuesten Ausgabedatum)

Dimensionierung von Blitzschutzsystemen nach Eurocode

02 Geländekategorie I: Offene See; Seen mit mindestens 5 km freier Fläche in Windrichtung; glattes, flaches Land ohne Hindernisse

03 Geländekategorie II: Gelände mit Hecken, einzelnen Gehöften, Häusern oder Bäumen, zum Beispiel landwirtschaftliches Gebiet

04 Geländekategorie III: Vorstädte, Industrie- oder Gewerbegebiet; Wälder

05 Geländekategorie IV: Stadtgebiete, bei denen mindestens 15 % der Fläche mit Gebäuden bebaut sind, deren mittlere Höhe >15 m ist

Wetterextreme, wie höhere Windgeschwindigkeiten, mehr Stürme und starke Niederschläge, nehmen infolge der globalen Erderwärmung zu. Vor allem im Bereich Windlast stellt dies Konstrukteure, Planer und Installateure vor neue Herausforderungen. Neben den Gebäudekonstruktionen sind auch Fangeinrichtungen betroffen. Deren Auslegung und Dimensionierung haben sich mit Erscheinen der Eurocodes im Juli 2012 geändert.

Bei der Planung sowie der Installation von Fangeinrichtungen als Teil von Blitzschutzanlagen spielt das Thema Windlast eine große Rolle. Immer komplexere bauliche Anlagen erfordern auf Gebäuden auch immer komplexere Fangeinrichtungen. Das Spektrum reicht von einfachen Fangstangen bis hin zu aufwendigen Fangsystemen. Bei direkter Montage von Fangeinrichtungen an Dachaufbauten ist zu beachten, dass zusätzliche Kräfte/Momente in diese eingeleitet werden. Basis hierbei bildet die durch die Fangstange resultierende Windangriffsfläche sowie das Eigengewicht. Bei der Dimensionierung von Fangeinrichtungen sind unterschiedliche Belastungen zu berücksichtigen. Im Bereich der Biegebeanspruchung spielt neben den Dimensionen auch die Beschaffenheit des Materials eine wesentliche Rolle. Bei frei stehenden Fangeinrichtungen, wie Fangmasten, ist neben der Biegebeanspruchung auch das Kippmoment ausschlaggebend. Wichtig hierbei sind vor allem die Standfläche sowie das zugehörige Sockelgewicht. Beide Faktoren zusammen erzeugen das notwendige Gegenmoment.

Normative Situation
Im Bereich der Gebäudetechnik beschäftigen sich verschiedenste Normen mit dem Thema Windlast. Für die Auslegung seiner Produkte verwendete Dehn+Söhne im Bereich Blitzschutz bisher die Normen DIN 1055-4 sowie DIN V 4131 als Dimensionierungsgrundlage. In der inzwischen zurückgezogenen DIN 1055-4 wird auf die windlasttechnischen Einwirkungen bei Tragwerken Bezug genommen. Die DIN 4131 bezieht sich inhaltlich auf die Auslegung von Antennentragwerken aus Stahl. Im Juli 2012 wurden die Normen mit Erscheinen der Eurocodes ersetzt. Bei Eurocodes handelt es sich um eine europaweite Vereinheitlichung von Regeln für die Bemessung im Bauwesen (Tragwerksplanung). Die Eurocodes umfassen 58 Normen der Reihe DIN EN 1190 bis 1999. Folgende Eurocodes gibt es:
•Eurocode 0: Grundlagen der Tragwerksplanung,
•Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke,
•Eurocode 2: Betonbau,
•Eurocode 3: Stahlbau,
•Eurocode 4: Verbundbau,
•Eurocode 5: Holzbau,

06 Die vier Grafen a bis d zeigen die Abhängigkeiten der Einflussfaktoren in den jeweiligen Geländekategorien (a – I: Offene See; b – II Freifläche; c – III: Vorstadt; d – IV: Stadtgebiet)

07 Statisch bestimmtes System: freistehende Fangstange

08 Auf eine frei stehende Fangstange einwirkende Windkräfte

09 Betrachtung eines statisch unbestimmten Systems

•Eurocode 6: Mauerwerksbau,
•Eurocode 7: Grundbau,
•Eurocode 8: Erdbeben,
•Eurocode 9: Aluminiumbau.
Die bis dato verwendete Norm DIN 1055-4 wurde in den Eurocode 1 als DIN EN 1991-1-4 integriert. Zudem wurde die DIN V 4131 in den Eurocode 3 als DIN EN 1993-3-1 aufgenommen. Somit bilden diese beiden Normen jetzt die Basis für die Auslegung von Fangeinrichtungen für Blitzschutzsysteme von Dehn + Söhne. Außerhalb von Deutschland sind zudem nationale Anhänge NA zu berücksichtigen. Diese definiert jedes europäische Land selbst und sie weichen inhaltlich erheblich voneinander ab. Faktoren wie beispielsweise die Geländekategorie oder der Staudruck sind durchaus unterschiedlich bemessen und bei der statischen Berechnung zu berücksichtigen.

Die Parameter der Windkraft
Die Windlast oder auch Windkraft gehört zu den klimatisch bedingt veränderlichen Einwirkungen auf Bauwerke oder Bauteile. Sie ergibt sich aus der Druckverteilung um ein Bauwerk, welches einer Windströmung ausgesetzt ist. Bei Fangstangen wirkt somit die Windlast immer senkrecht zur Angriffsfläche und kann dadurch auch als Flächenlast bezeichnet werden. Somit entsteht durch diese Last eine Druckwirkung auf die Fangstange. Infolge der Luftverwirbelung um die Fangstange entsteht neben der Druck- auch eine Sogwirkung. Beides zusammen – Druck- und Sogwirkung – wird als Windlast oder Windkraft bezeichnet. Für die Bestimmung der Windkraft sind Standort- sowie Umgebungsparameter ausschlaggebend. Neben der Windzone und der Geländekategorie sind auch die Standorthöhe sowie die Objekthöhe für die Bewertung wichtig. Deutschland ist entsprechend den Grundwerten der Basiswindgeschwindigkeit in verschiedene Windzonen unterteilt (Bild 1). Die Geländekategorien definieren die Umgebung um ein bauliches Objekt (Bild 2 bis Bild 5). Zusätzlich sind die Einflussfaktoren Höhe über Flur (Gebäudehöhe/ Objekthöhe) sowie Normalhöhennull (NHN) zu bestimmen. Durch Kombination der unterschiedlichen Faktoren erhält man die Böenwindgeschwindigkeit, welche als Basis für die Auslegung von Fangeinrichtungen sowie Installationen zu verwenden ist.

Bestimmung der Böenwindgeschwindigkeit
Die Böenwindgeschwindigkeiten unterschieden sich je nach Gebäudestandort sowie der Situation. Die Bilder 6a bis 6d verdeutlichen die Abhängigkeiten der Einflussfaktoren. Das nachfolgende Beispiel verdeutlicht die Berechnung der Böenwindgeschwindigkeiten entsprechend der Windzone. Mit den Parametern
•Geländekategorie III: Vorstadt, Industriegebiet,
•Gebäudehöhe: 40 m
•Höhe über Meeresspiegel: bis max. 800 m NHN ergibt sich eine Böenwindgeschwindigkeit in Windzone 1 von 128 km/h, in Windzone 2 von 142 km/h, in Windzone 3 von 156 km/h und in Windzone 4 von 170 km/h.

Auslegung von Fangeinrichtungen
Als statisch bestimmtes System wird beispielsweise eine frei stehende Fangstange betrachtet (Bild 7). Auch Fangstangen, welche direkt an Geländer montiert werden, sind als statisch bestimmte Systeme zu werten. Da diese

10 Fangstange frei stehend mit drei Betonsockeln

Systeme keine zusätzlichen, von der Fangeinrichtung entfernten Befestigungspunkte, wie zum Beispiel die Dehniso-Distanzhalter, haben, lassen sie sich alleine mit den Gleichgewichtsbedingungen betrachten. Bei der Bewertung eines statisch bestimmten Systems fließen entsprechend Eurocode 1 folgende, durch die verwendeten Materialkomponenten definierten Parameter mit ein:
•Strukturbeiwerte (dynamischer Faktor, wie Eigenschwingung),
•Kraftbeiwert (aerodynamischer Faktor, wie Strömungsverhalten),
•Böengeschwindigkeitsdruck,
•Bezugsfläche (Windangriffsfläche) und
•Sicherheitsbeiwerte (Kippen, Spannung).
Entsprechend der Windangriffsfläche, welche eine Fangeinrichtung dem Wind bietet, resultieren daraus die senkrecht wirkenden Windkräfte (Bild 8). Eine Windlastbetrachtung zeigt, ob ausreichende Materialfestigkeit sowie Standsicherheit (Sicherheit gegen Kippen) gegeben sind. Bei Letzteren ist vor allem die Standfläche als auch das Sockelgewicht ausschlaggebend. Statisch unbestimmte Systeme sind Konstruktionen, welche über die grundlegenden geltenden Gleichgewichtsbedingungen hinausgehen. Somit sind Fangstangen, welche mittels einer zusätzlichen Befestigung, wie dem Dehniso-Distanzhalter) auf Abstand befestigt werden, als statisch unbestimmtes System zu werten. Bei dieser Art von Systemen sind gesonderte Betrachtungen nötig, welche nur mit großem Aufwand durchgeführt werden können (Bild 9). Hierbei bietet Dehn + Söhne seine Unterstützung mit an.

Optimierung von Blitzschutzsystemen
Neben der dem Stand der Technik entsprechenden Dimensionierung von Fangeinrichtungen bietet auch die exakte Windlastbetrachtung Vorteile. Die Firma Dehn + Söhne weißt zukünftig für ihre Produkte die jeweilige maximale Böenwindgeschwindigkeit aus. Das erleichtert es beispielsweise bei frei stehenden Fangeinrichtungen das notwendige Sockelgewicht in Abhängigkeit der Standortparameter zu bestimmen. Dadurch erhält man neben einer statischen Sicherheit auch eine mögliche Reduzierung der Dachlast. Beispielsweise kann eine frei stehende, 4,5 m hohe Fangstange mit klappbarem Dreibeinstativ, zum Schutz von Dachaufbauten, mit drei, sechs sowie neun Betonsockeln errichtet werden. Die Betonsockel werden an einem Dreibeinstativ mit einem Radius von 560 mm einzeln oder gestapelt befestigt/gekeilt. Die unterschiedliche Anzahl an Betonsockeln führt zu verschiedenen Gegenmomenten, während die Biegespannung in der Fangstange gleichbleibend ist. Aufgrund der Basisparameter ergeben sich folgende maximalen Böenwindgeschwindigkeiten:
•Fangstange mit drei Betonsockeln à 17 kg: maximale Böenwindgeschwindigkeit 124 km/h
•Fangstange mit sechs Betonsockeln à 17 kg: maximale Böenwindgeschwindigkeit 167 km/h
•Fangstange mit neun Betonsockeln à 17 kg: maximale Böenwindgeschwindigkeit 188 km/h
Soll nun beispielsweise eine Fangstange auf einem Gebäude mit den Parametern Gebäudehöhe: 10 m, Standort: Windzone 1 und Geländekategorie III: Vorstadtgebiet, errichtet werden, ergibt sich eine maximale Böenwindgeschwindigkeit von 103 km/h. Somit sind für die Errichtung der Fangstange drei Betonsockel à 17 kg ausreichend (Bild 10). Errichtet man nun die gleiche frei stehende Fangstange im Küstenbereich, bräuchte man jedoch neun Betonsockel à 17 kg zur Befestigung. Schließlich ergäbe sich aus der Windzone 4 und der Geländekategorie I bei gleichbleibender Gebäudehöhe (10 m) eine maximale Böenwindgeschwindigkeit von 174 km/h.

Fazit
Dehn bietet seit 1. Januar 2015 in seinem neuen Produktkatalog eine einfache Möglichkeit, schnell und zielführend Fangeinrichtungen entsprechend den Einsatzbedingungen auszuwählen. Die spezifische ortsabhängige Betrachtungsweise der Windlasten ermöglicht die Planung und Errichtung von windlasttechnisch optimierten Blitzschutzsystemen nach dem Stand der Technik. Bei der Betrachtung der Windlast nach Eurocode ergeben sich je nach Geländekategorie, Windzone und Objekthöhe, in der Praxis für den Planer und Errichter reduzierte Anforderungen für Material und Montageaufwand. Gerade bei Geländekategorien III oder IV und Gebäuden mit geringer Höhe, welche in der Praxis häufig vorkommen, kann der neu anzuwendende Eurocode hinsichtlich des Preises und/oder Gewichts zu optimierten Lösungen führen. Der Materialeinsatz und der Montageaufwand kann sich somit reduzieren. (no)

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Autoren:
Christian Braun ist Produktmanager Äußerer Blitzschutz DACH-Region bei der Dehn + Söhne GmbH + Co. KG. in Neumarkt. christian.braun@dehn.de

Jürgen Kürzinger ist Leiter Engineering für Erdung und Blitzschutz bei der Dehn + Söhne GmbH + Co. KG. in Neumarkt. juergen.kuerzinger@technik.dehn.de