Roofs 2015-04-16 De windbelasting van zonne-energiesystemen op platte daken - deel 2 (premium)

Met NEN 7250 kan de windbelasting op zonne-energiesystemen op plattedaken worden bepaald. In het eerste artikel over de windbelasting opzonne-energiesystemen op platte daken in oktober 2014 is ingegaan opde bepalingsmethode voor de dakzonering bij het toepassen van zonne-energiesystemen op platte daken. In dit artikel wordt verder ingegaan op de windbelasting op zonne-energiesystemen op platte daken in de ­verschillende dakzones.

Dr. ir. Chris C.P.W. Geurts, TNO Delft
ir. Chris W. van der Meijden, BDA Dak- en Geveladvies B.V.

Montagewijze

De windbelasting hangt af van de wijze waarop de zonne-energiesystemen zijn gemonteerd. NEN 7250 definieert vijf montagewijzen.

• Montagewijze 1

Deze montagewijze wordt toegepast bij gevels en hellende daken, waarbij het zonne-energiesysteem samen met de onderliggende constructie voor de waterdichtheid van de uitwendige constructie zorgt. Zie figuur 1.

Figuur 1, Zonne-element als onderdeel van de waterdichtheid

• Montagewijze 2

Bij deze montagewijze wordt het zonne-energiesysteem op of aan de uitwendige constructie mechanisch bevestigd en heeft het zonne-energiesysteem geen functie in de waterdichtheid. De zonne-elementen kunnen parallel aan het dak of onder een hoek ten opzichte van het dak worden geplaatst. Zie figuur 2 en 3.

Figuur 2, Zonne-elementen parallel aan het dak geplaatst.

Figuur 3, Zonne-elementen onder een hoek ten opzichte van
het dak geplaatst

• Montagewijze 3

Hierbij wordt het zonne-energiesysteem los op het platte dak geplaatst en al dan niet door ballast op zijn plaats gehouden. Zie figuur 4.

Figuur 4, Schema los geplaatst zonne-energiesysteem, al dan niet geballast. Bij deze los geplaatste systemen kan ook nog onderscheid worden gemaakt in gekoppelde en niet-gekoppelde systemen.

• Montagewijze 4

Bij deze montagewijze wordt het zonne-element direct aangebracht op flexibele of plaatvormige dakbedekking. Zie figuur 5.

Figuur 5, Schema van montagewijze 4

• Montagewijze 5

Bij dit systeem is de flexibele of plaatvormige dakbedekking onderdeel van het zonne-element (thermisch systeem).
Zie figuur 6.

Figuur 6, Schema van zonne-energiesysteem volgens montagewijze 5.

Zonne-energiesystemen op platte daken zijn ofwel los geplaatst op een dak, ofwel worden mechanisch bevestigd. Voor deze systemen moet worden uitgegaan van montagewijze 2 of 3.

Windbelasting

De windbelasting moet worden bepaald volgens de Eurocode voor windbelastingen, NEN-EN 1991-1-4+NB. In deze norm wordt de methode gegeven voor het bepalen van de windbelasting op gebouwen en ook specifiek gevels en daken. Voor zonne-energiesystemen volgens montagewijze 2 en 3 geldt echter dat deze norm geen regels geeft die voor deze situaties geldig zijn.

Voor deze montagewijzen zijn dus aanvullende gegevens nodig voor het bepalen van de windbelasting op de zonne-elementen. In NEN 7250 is in hoofdstuk 6.2.1 aangegeven dat voor het bepalen van de windbelasting op het zonne-element de netto drukcoëfficiënt Cp,net moet worden vastgesteld. Dit kan experimenteel gebeuren, bijvoorbeeld door windtunnelonderzoek. In NEN 7250 is (conform het Bouwbesluit) de status van gevalideerde en verifieerbare metingen hoger dan de waarden uit de norm. Dit wordt via artikel 1.5 van NEN-EN 1991-1-4+NB aangestuurd. Omdat dit in veel gevallen niet haalbaar is (bijvoorbeeld vanwege de doorlooptijd en kosten van dergelijke testen), specificeert NEN 7250 in artikel 6.2.2 t/m 6.2.4 waarden voor drukcoëfficiënten waarmee de windbelasting op de zonne-elementen kan worden bepaald.

De rekenwaarde voor de windbelasting op de zonne-­elementen wordt vervolgens bepaald met de formule:

Wd = gQ x cp,net x qP x A

Waarin:

Wd = de rekenwaarde voor de windbelasting op het element in N

gQ = de belastingfactor voor de windbelasting

cp,net = de netto drukcoëfficiënt volgens NEN 7250

qP = de extreme waarde voor de stuwdruk van de wind, bepaald volgens NEN-EN 1991-1-4/NB of NPR 6708; 6.2

A = de oppervlakte van het zonne-element in m²

Belastingfactor ?Q

De waarde van de belastingfactor moet worden bepaald volgens NEN-EN 1990+NB. Deze waarde is afhankelijk van de gevolgklasse. De gevolgklasse hangt af van de functie van het gebouw. Als een constructiedeel / gebouw is ingedeeld in gevolgklasse CC2 en het gewicht van het zonne-energiesysteem ? 0,15 kN.m-2 dan moet voor de bevestiging van dit zonne-energiesysteem worden uitgegaan van CC2 waarbij de belastingfactor gQ = 1,5.

Voor zonne-energiesystemen waarbij het gewicht per oppervlakte van het zonne-element inclusief montagesysteem minder is dan 0,15 kN.m-2 mag worden uitgegaan van klasse CC1 en kan voor de belastingfactor worden uitgegaan van gQ = 1,275. Dit komt overeen met de regels die voor dakbedekkingen gelden.

Stuwdruk qp

De stuwdruk moet worden bepaald volgens NEN-EN 1991-1-4+NB. Deze hangt af van de locatie (windgebied), de terreinruwheid en de referentiehoogte. De referentiehoogte komt praktisch gezien overeen met de hoogte van de boven­zijde van de dakrand ten opzichte van het aansluitende terrein. In de Nationale Bijlage van NEN EN 1991-1-4 is een stuwdruktabel gegeven voor de verschillende windgebieden en ruwheidsklasses in Nederland.

Oppervlakte Aref

De hoogte van de in rekening te brengen windbelasting op oppervlaktes is afhankelijk van de grootte van het oppervlak (referentie-oppervlak Aref). Per constructieonderdeel wordt Aref bepaald door de belasting op die oppervlakte die bijdraagt aan de spanningen in dat onderdeel. Bij beoordeling van een bevestiging van een paneel is dat het paneel, bij de berekening van de onderconstructie is dat het totale oppervlak wat belasting afdraagt naar die onderconstructie, vaak meerdere panelen.

Windbelasting fluctueert in tijd en plaats. Een klein oppervlak kan door pieken met relatief kleine afmetingen volledig zijn belast, waar een groter oppervlak de effecten van kleinschalige pieken kan verdelen. Om die reden worden in de Eurocode Windbelasting (NEN-EN 1991-1-4) drukcoëfficiënten gegeven voor Aref = 1 m² en Aref = 10 m². In NEN 7250 zijn waarden gegeven voor zonne-energiesystemen met een referentie-oppervlak Aref = 1 m². De waarden voor een referentie-oppervlak Aref van 10 m² of meer worden als volgt gevonden:

Cp,net10 = 0,9 x Cp,net voor toepassing van zonne-energiesystemen in dakzone F;

Cp,net10 = 0,7 x Cp,net voor toepassing van zonne-energiesystemen in de overige dakzones.

Voor waarden van Aref > 1 m² en < 10 m² moet worden geïnterpoleerd volgens figuur 7, afkomstig uit NEN EN 1991-1-4

Figuur 7, Waarde voor Cp,net voor Aref > 1 m² en < 10 m²

Het gebruik maken van deze ‘reductie’ kan alleen als is aangetoond dat de lokale krachten kunnen worden herverdeeld over de constructie. Voor een zonne-element > 1 m² mag de oppervlakte van het paneel worden aangehouden en op die manier worden verrekend. Een veel toegepaste paneeloppervlakte in de huidige markt is 1,6 m². Bij plaatsing van de panelen in de hoekzone (F) leidt dit tot een verwaarloosbaar kleine reductie. Bij plaatsing in de overige dakzones geeft dit een reductie van circa 6%. Bij gekoppelde systemen kan voor het bepalen van de bevestiging aan de draagconstructie of de ballast bij een referentie-oppervlak van 10 m² of groter, een reductie van de windbelasting worden gevonden van 30%. Een belangrijke voorwaarde hierbij is dus dat het zonne-energiesysteem op een voldoende stijve en sterke manier gekoppeld is opdat de lokale krachten kunnen worden herverdeeld. Bij de losgeplaatste en eventueel geballaste systemen moet daarbij niet alleen worden beoordeeld op de verticale richting maar moet ook worden beoordeeld of voldoende sterkte en stijfheid aanwezig is in de zijdelingse richting.

De drukcoëfficiënten gegeven in NEN 7250 zijn zodanig gegeven dat deze een gelijkmatig verdeelde belasting over de oppervlakte van het zonne-element leveren, wat van belang is voor het bepalen van de momentarm.

In deel 3 van deze artikelenreeks, die in Roofs mei 2015 zal worden bekeken wat de consequenties zijn voor de respectievelijke systemen die momenteel in omloop zijn.

Rectificatie

In het artikel in Roofs van oktober 2014 is een uitwerking gegeven van de dakzonering. In dat artikel is in figuur 7 de breedte van de zones Z1 tot en met Z4 uitgerekend. Deze is gelijk aan 6 x hs, waarbij hs gelijk is aan 0,6 meter. De breedte van de zone is dus 3,6 meter. In het artikel is abusievelijk een waarde gelijk aan 1,8 meter weergegeven.