Dimensionierung von Blitzschutzsystemen nach Eurocode Fangeinrichtungen/6 … · Verfasser:...
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Verfasser: Christian Braun, Jürgen Kürzinger, Neumarkt Stand 01/2016 Seite 1 von 5 6.1.1.2 Dimensionierung von Blitzschutzsystemen nach Eurocode Infolge der globalen Erderwärmung werden auch Wetterextreme weltweit zunehmen. Auswirkungen wie höhere Windgeschwindigkeiten, mehr Stürme sowie Stark-Niederschläge sind unübersehbar. Vor allem im Bereich Windlast werden Konstrukteure, Planer und Installateure vor neue Herausforderun- gen gestellt. Neben den Gebäudekonstruktionen sind auch Fangeinrichtungen betroffen. Der Beitrag gibt einen kurzen Überblick zur zu- künftigen Umgangsweise mit Thema Windlast hin- sichtlich der Auslegung und Dimensionierung von Fangeinrichtungen. Bei der Planung sowie Installation von Fangeinrichtun- gen als Teil von Blitzschutzanlagen spielt das Thema Windlast eine große Rolle. Aufgrund immer komple- xerer baulicher Anlagen werden auf Gebäuden auch immer komplexere Fangeinrichtungen notwendig. Ne- ben einfachen Fangstangen reicht das Spektrum bis hin zu aufwendigen Fangsystemen. Bei direkter Mon- tage 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 müssen unterschiedliche Belastungen berücksichtigt werden. Im Bereich der Biegebeanspruchung spie- len sowohl Materialdimensionen als auch die Materi- albeschaffenheit eine nicht unwesentliche Rolle. Bei freistehenden Fangeinrichtungen, wie beispielsweise 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 Verschiedenste Normen nehmen im Bereich der Ge- bäudetechnik Bezug auf das Thema Windlast. Im Bereich Blitzschutz wurden bisher die Normen DIN 1055-4: 2005-03 als auch die DIN 4131 als Dimen- sionierungsgrundlage für die Auslegung der Produkte von DEHN + SÖHNE verwendet. In der DIN 1055-4: 2005-03 wird auf die windlasttechnischen Einwirkun- gen bei Tragwerken Bezug genommen. Die DIN 4131: 2008 bezieht sich inhaltlich auf die Auslegung von An- tennentragwerken aus Stahl. Mit Erscheinen der Eurocodes im Juli 2012 wurden die bis dato verwendeten Normen ersetzt. Bei Eurocodes handelt es sich um eine europaweite Vereinheitlichung von Regeln für die Bemessung im Bauwesen (Trag- werksplanung). 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 - Eurocode 6: Mauerwerksbau - Eurocode 7: Grundbau - Eurocode 8: Erdbeben - Eurocode 9: Aluminiumbau Die bis dato verwendete Norm DIN 1055-4:2005-03 (Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 4: Windlasten) wurde in den Eurocode 1 als DIN EN 1991-1-4:2010- 12 (Einwirkungen auf Tragwerke; Teil 1-4: Allgemeine Einwirkungen, Windlasten) integriert. Zudem wurde die DIN V 4131:2008-09 (Antennentragwerke aus Stahl) in den Eurocode 3 als DIN EN 1993-3-1:2010- 12 aufgenommen. Somit bilden diese beiden Normen die Basis für die Auslegung von Fangeinrichtungen für Blitzschutzsysteme von DEHN. Außerhalb von Deutschland sind zudem nationale An- hänge NA zu berücksichtigen, welche jedes europä- ische Land selbst definiert. Inhaltlich weichen diese er- heblich voneinander ab. Faktoren wie beispielsweise die Geländekategorie oder der Staudruck sind durch- aus unterschiedlich bemessen und bei der statischen Berechnung zu berücksichtigen. Windlast (Windkraft) Die Windlast oder auch Windkraft gehört zu den klima- tisch bedingt veränderlichen Einwirkungen auf Bau- werke oder Bauteile. Sie ergibt sich aus der Druck- verteilung um ein Bauwerk, welches einer Windströ- mung ausgesetzt ist. Bei Fangstangen wirkt somit die Windlast immer senkrecht zur Angriffsfläche und kann dadurch auch als Flächenlast bezeichnet werden. So- mit entsteht durch diese Last eine Druckwirkung auf die Fangstange. Infolge der Luft Verwirbelung um die Fangstange entsteht neben der Druck- auch eine Sog- wirkung. Beides zusammen - Druck- und Sogwirkung - wird als Windlast oder auch Windkraft bezeichnet. Basisparameter für die Bestimmung der Windkraft Für die Bestimmung der Windkraft sind Standort- so- wie Umgebungsparameter ausschlaggebend. Neben der Windzone und Geländekategorie sind auch die Standorthöhe und die Objekthöhe für die Bewertung wichtig. Durch Kombination der unterschiedlichen Faktoren erhält man die Böenwindgeschwindigkeit, welche als Basis für die Auslegung von Fangeinrich- tungen sowie Installationen zu verwenden ist.
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Verfasser: Christian Braun, Jürgen Kürzinger, Neumarkt Stand 01/2016
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6.1.1.2
Dimensionierung von Blitzschutzsystemen nach Eurocode
Infolge der globalen Erderwärmung werden auch Wetterextreme weltweit zunehmen. Auswirkungen wie höhere Windgeschwindigkeiten, mehr Stürme sowie Stark-Niederschläge sind unübersehbar. Vor allem im Bereich Windlast werden Konstrukteure, Planer und Installateure vor neue Herausforderun-gen gestellt. Neben den Gebäudekonstruktionen sind auch Fangeinrichtungen betroffen. Der Beitrag gibt einen kurzen Überblick zur zu-künftigen Umgangsweise mit Thema Windlast hin-sichtlich der Auslegung und Dimensionierung von Fangeinrichtungen.
Bei der Planung sowie Installation von Fangeinrichtun-gen als Teil von Blitzschutzanlagen spielt das Thema Windlast eine große Rolle. Aufgrund immer komple-xerer baulicher Anlagen werden auf Gebäuden auch immer komplexere Fangeinrichtungen notwendig. Ne-ben einfachen Fangstangen reicht das Spektrum bis hin zu aufwendigen Fangsystemen. Bei direkter Mon-tage 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 müssen unterschiedliche Belastungen berücksichtigt werden. Im Bereich der Biegebeanspruchung spie-len sowohl Materialdimensionen als auch die Materi-albeschaffenheit eine nicht unwesentliche Rolle. Bei freistehenden Fangeinrichtungen, wie beispielsweise 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
Verschiedenste Normen nehmen im Bereich der Ge-bäudetechnik Bezug auf das Thema Windlast. Im Bereich Blitzschutz wurden bisher die Normen DIN 1055-4: 2005-03 als auch die DIN 4131 als Dimen-sionierungsgrundlage für die Auslegung der Produkte von DEHN + SÖHNE verwendet. In der DIN 1055-4: 2005-03 wird auf die windlasttechnischen Einwirkun-gen bei Tragwerken Bezug genommen. Die DIN 4131: 2008 bezieht sich inhaltlich auf die Auslegung von An-tennentragwerken aus Stahl. Mit Erscheinen der Eurocodes im Juli 2012 wurden die bis dato verwendeten Normen ersetzt. Bei Eurocodes handelt es sich um eine europaweite Vereinheitlichung von Regeln für die Bemessung im Bauwesen (Trag-werksplanung).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- Eurocode 6: Mauerwerksbau- Eurocode 7: Grundbau- Eurocode 8: Erdbeben- Eurocode 9: Aluminiumbau
Die bis dato verwendete Norm DIN 1055-4:2005-03 (Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 4: Windlasten) wurde in den Eurocode 1 als DIN EN 1991-1-4:2010-12 (Einwirkungen auf Tragwerke; Teil 1-4: Allgemeine Einwirkungen, Windlasten) integriert. Zudem wurde die DIN V 4131:2008-09 (Antennentragwerke aus Stahl) in den Eurocode 3 als DIN EN 1993-3-1:2010-12 aufgenommen. Somit bilden diese beiden Normen die Basis für die Auslegung von Fangeinrichtungen für Blitzschutzsysteme von DEHN. Außerhalb von Deutschland sind zudem nationale An-hänge NA zu berücksichtigen, welche jedes europä-ische Land selbst definiert. Inhaltlich weichen diese er-heblich voneinander ab. Faktoren wie beispielsweise die Geländekategorie oder der Staudruck sind durch-aus unterschiedlich bemessen und bei der statischen Berechnung zu berücksichtigen.
Windlast (Windkraft)
Die Windlast oder auch Windkraft gehört zu den klima-tisch bedingt veränderlichen Einwirkungen auf Bau-werke oder Bauteile. Sie ergibt sich aus der Druck-verteilung um ein Bauwerk, welches einer Windströ-mung ausgesetzt ist. Bei Fangstangen wirkt somit die Windlast immer senkrecht zur Angriffsfläche und kann dadurch auch als Flächenlast bezeichnet werden. So-mit entsteht durch diese Last eine Druckwirkung auf die Fangstange. Infolge der Luft Verwirbelung um die Fangstange entsteht neben der Druck- auch eine Sog-wirkung. Beides zusammen - Druck- und Sogwirkung - wird als Windlast oder auch Windkraft bezeichnet.
Basisparameter für die Bestimmung der Windkraft
Für die Bestimmung der Windkraft sind Standort- so-wie Umgebungsparameter ausschlaggebend. Neben der Windzone und Geländekategorie sind auch die Standorthöhe und die Objekthöhe für die Bewertung wichtig. Durch Kombination der unterschiedlichen Faktoren erhält man die Böenwindgeschwindigkeit, welche als Basis für die Auslegung von Fangeinrich-tungen sowie Installationen zu verwenden ist.
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1. Windzonen Deutschland als Grundparameter
Deutschland ist in verschiedene Windzonen unterteilt. Durch die jeweilige Windzone sind die Grundwerte der Basiswindgeschwindigkeit definiert. Somit unterschei-den sich die Windzonen wie folgt:
- Windzone 1: Grundwert der Basiswindgeschwindigkeit 22,5 m/s- Windzone 2: Grundwert der Basiswindgeschwindigkeit 25,0 m/s- Windzone 3: Grundwert der Basiswindgeschwindigkeit 27,5 m/s- Windzone 4. Grundwert der Basiswindgeschwindigkeit 30,0 m/s
Durch die Bestimmung des Standortes wird der Grund-wert der Basiswindgeschwindigkeit bestimmt.
Bild 1: Windlastkarte (Wiedergegeben mit Erlaubnis des DIN Deutsches Institut für Normung e. V. Maß-gebend für das Anwenden der DIN-Norm ist deren Fassung mit dem neuesten Ausgabedatum, die bei der Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 10787 Berlin, erhältlich ist.)
2. Geländekategorien
Die Geländekategorien definieren die Umgebung um ein bauliches Objekt. Es wird hierbei zwischen
Geländekategorie I: Offene See; Seen mit min-destens 5 km freier Fläche in Windrichtung; glattes, flaches Land ohne HindernisseGeländekategorie II: Gelände mit Hecken, einzel-nen Gehöften, Häusern oder Bäumen, z. B. landwirtschaft-liches Gebiet
Geländekategorie III: Vor-städte, Industrie- oder Ge-werbegebiet; Wälder
sowieGeländekategorie IV: Stadt-gebiete, bei denen minde-stens 15 % der Fläche mit Gebäuden bebaut sind, de-ren mittlere Höhe > 15 m ist, unterschieden.
Bilder 2 bis 5: Geländekategorien: I, II, III, IV
Diese Festlegung fließt ebenfalls als Faktor in die Be-stimmung der Böenwindgeschwindigkeit ein,.
3. Höhe über Flur / Normalhöhennull (NHN)
Neben Windzone sowie Geländekategorie sind zu-sätzlich die Einflussfaktoren- Höhe über Flur (Gebäudehöhe/Objekthöhe) sowie- Normalhöhennull (NHN)zu bestimmen. Beide Faktoren fließen ebenfalls in die Berechnung mit ein.
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4. Böenwindgeschwindigkeit
Durch die definierten Parameter kann somit die Bö-enwindgeschwindigkeit bestimmt werden. Für nachfol-gendes Beispiel wurden die Böenwindgeschwindigkei-ten entsprechend der Windzone berechnet:Parameter für die Berechnung:- Geländekategorie III: Vorstadt, Industriegebiet- Gebäudehöhe: 40 m- Höhe über Meeresspiegel: bis max. 800,00 m Nor-
malhöhennullErgebnis:Windzone 1: Böenwindgeschwindigkeit 128 km/hWindzone 2: Böenwindgeschwindigkeit 142 km/hWindzone 3: Böenwindgeschwindigkeit 156 km/hWindzone 4: Böenwindgeschwindigkeit 170 km/h
In Abhängigkeit der Gebäudestandorte sowie Situa-tionen differieren die Böenwindgeschwindigkeiten. In den Graphen Bild 6 werden die Abhängigkeiten der Einflussfaktoren dargestellt (Bild 6).
Bild 6: In den vier Graphen werden die Abhängigkeiten der Einflussfaktoren dargestellt.
Auslegung einer Fangeinrichtung; statisch be-stimmtes Systems
Als statisch bestimmtes System wird beispielsweise eine freistehende Fangstange betrachtet (Bild 7). Zu-dem sind auch Fangstangen, welche direkt an Gelän-der montiert werden, als statisch bestimmte Systeme zu werten. Da diese Systeme keine zusätzlichen, von der Fangeinrichtung entfernten Befestigungspunkte haben (z. B. DEHNiso-Distanzhalter), können Sie al-leine mit den Gleichgewichtsbedingungen betrachtet werden.
Bild 7: Statisch bestimmtes System: freistehende Fangstange
Bei der Bewertung eines statisch bestimmten Systems fließen entsprechend Eurocode 1 folgende wichtigen Parameter, welche durch die verwendeten Material-komponenten definiert werden, mit ein
- Strukturbeiwerte (dynamischer Faktor z. B. Eigen-schwingung)
- Kraftbeiwert (aerodynamischer Faktor z. B. Strö-mungsverhalten)
- Böengeschwindigkeitsdruck- Bezugsfläche (Windangriffsfläche)- Sicherheitsbeiwerte (Kippen, Spannung)
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Entsprechend der Windangriffsfläche, welche eine Fangeinrichtung dem Wind bietet, resultieren daraus die senkrecht wirkenden Windkräfte (Bild 8).
Bild 8: Auf eine freistehende Fangstange einwirkende Windkräfte
Ergebnis einer Windlastbetrachtung ist, ob ausrei-chende Materialfestigkeit sowie Standsicherheit (Si-cherheit gegen Kippen) gegeben sind. Bei letzteren ist vor allem die Standfläche als auch das Sockelgewicht ausschlaggebend.
Auslegung einer Fangeinrichtung, statisch unbe-stimmtes Systems
Statisch unbestimmte Systeme sind Konstruktionen, welche über die grundlegenden geltenden Gleichge-wichtsbedigungen hinausgehen. Somit sind Fangstan-gen, welche mittels zusätzlicher Befestigung (z. B. DEHNiso-Distanzhalter) auf Abstand befestigt werden, als statisch unbestimmtes System zu werten. Bei die-ser Art von Systemen sind gesonderte Betrachtungen nötig welche nur mit großem Aufwand durchgeführt werden können. DEHN bietet hierbei seine Unterstüt-zung mit an.
Bild 9: Betrachtung eines statisch unbestimmten Sy-stems
Optimierung von Blitzschutzsystemen
Neben der dem Stand der Technik entsprechenden Dimensionierung von Fangeinrichtungen bietet auch die exakte Windlastbetrachtung Vorteile. DEHN weist zukünftig für seine Produkte die jeweiligen maximale Böenwindgeschwindigkeit aus. Somit kann bei bei-spielsweise freistehenden Fangeinrichtungen das notwendige Sockelgewicht in Abhängigkeit der Stand-ortparameter bestimmt werden. Dadurch erhält man neben einer statischen Sicherheit auch eine mögliche Reduzierung der Dachlast.
Beispiel:Eine Fangstange freistehend 4,5 m mit klappbarem Dreibeinstativ, zum Schutz von Dachaufbauten, kann mit 3, 6 sowie 9 Betonsockel errichtet werden. Die Be-tonsockel werden an einem Dreibeinstativ mit einem Radius von 560 mm einzeln oder gestapelt befestigt/gekeilt. Auf Grund der Anzahl der Betonsockel werden unterschiedliche Gegenmomente erzeugt wobei die Biegespannung in der Fangstange gleichbleibend ist. Auf Grund der Basisparameter ergeben sich folgende maximalen Böenwindgeschwindigkeiten:- Fangstange mit 3 Betonsockel à 17kg: maximale Böenwindgeschwindigkeit 124 km/h - Fangstange mit 6 Betonsockel à 17kg: maximale Böenwindgeschwindigkeit 167 km/h- Fangstange mit 9 Betonsockel à 17kg: maximale Böenwindgeschwindigkeit 188 km/h
Eine Fangstange soll auf folgendem Gebäude errich-tet werden:- Gebäudehöhe: 10,0 m- Standort: Windzone 1- Geländekategorie III: VorstadtgebietAuf Grund dieser Parameter ergibt sich eine max. Bö-enwindgeschwindigkeit von 103 km/h. Somit sind für die Errichtung der Fangstange 3 Betonsockel à 17kg ausreichend.
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Bild 10: Fangstange freistehend mit 3 Betonsockeln
Errichtet man nun die gleiche freistehende Fangstan-ge im Küstenbereich so würde man sich wo möglich in Windzone 4 befinden. Die Geländekategorie könnte man mit I und somit offene See definieren. Rechne-risch hätte man somit bei gleichbleibender Gebäu-dehöhe (10,0 m) als Ergebnis eine max. Böenwind-geschwindigkeit von 174 km/h erhalten. Die gleiche Fangstange, mit einer Länge von 4,5 m jedoch mit 9 Betonsockel à 17kg, könnte somit bei diesen extremen Einsatzbedingungen verwendet werden.
DEHN bietet ab 1. Januar 2015 in seinem neuen Pro-duktkatalog eine einfache Möglichkeit, schnell und zielführend Fangeinrichtungen entsprechend den Ein-satzbedingungen auszuwählen.
Fazit
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 Gelän-dekategorie, Windzone und Objekthöhe, in der Praxis für den Planer und Errichter reduzierte Anforderungen für Material und Montageaufwand. Gerade bei Gelän-dekategorien III oder IV und Gebäuden mit geringer Höhe, welche in der Praxis häufig vorkommen, kann der neu anzuwendende Eurocode hinsichtlich des Preises und / oder Gewichtes zu wesentlich optimier-ten Lösungen führen. Es kann also der Materialeinsatz und der Montageaufwand reduziert werden.
