Pokrycie dachów budynków komercyjnych, przemysłowych i rolniczych płytami warstwowymi stawia instalatorów fotowoltaiki raz po raz przed wyzwaniem: czy mogę przymocować bezpośrednio do arkusza pokrycia warstwowego, jak to zwykle bywa w przypadku blachy trapezowej, czy raczej nie ? Poniższy artykuł przedstawia wyniki badań Baywa r.e. Solar Systems Sp. z o.o. Firma operuje w Polsce jako hurtownia fotowoltaiczna, a w swojej ofercie ma system montażowy novotegra opracowany przez rodzimą spółkę BayWa r.e.

W przypadku budynków przemysłowych płyta warstwowa ma tę zaletę, że integruje izolację termiczną. Konstrukcja paneli jest prosta i niezwykle praktyczna: rdzeń izolacyjny z pianki PU lub wełny mineralnej osadzony jest pomiędzy dwiema blachami trapezowymi. Trapezoidalna konstrukcja górnego płaszcza pokrywy i połączenie izolacji z dwoma zewnętrznymi płaszczami pokrywy tworzy nośny element dachu. Układanie płyt warstwowych, które jednocześnie tworzą poszycie dachu i izolację termiczną, jest również szybkie i łatwe. Instalator ma teraz problem z wyborem: Czy proponuje instalację modułów fotowoltaicznych za pomocą śrub dwugwintowych?

A może podejmuje ryzyko i wybierze znacznie tańsze bezpośrednie mocowanie instalacji?
Jeżeli instalator zdecyduje się na rozwiązanie montażowe ze śrubami dwugwintowymi, formalnie stosuje się do aktualnego stanu techniki. Śruby dwugwintowe mocowane są w krokwiach konstrukcji dachu. W zależności od konstrukcji nośnej składają się one z drewna lub stali, dlatego na rynku dostępne są śruby dwugwintowe dla danego typu krokwi.Jednak montaż zgodny z aktualnym stanem techniki niesie za sobą również wyzwania, takie jak:

  • Wzrastające ryzyko nieszczelności
  • Statyka determinująca koszty
  • Problemy z drewnianymi krokwiami
  •  Wysokie koszty związane z dopuszczeniem nadzoru budowlanego

Mocowanie bezpośrednie – alternatywa?

Podczas gdy fotowoltaiczne systemy montażowe z bezpośrednim mocowaniem do blachy trapezowej stały się powszechnie akceptowane w przypadku pokryć dachowych z czystej blachy trapezowej, takie rozwiązanie montażowe jest nieco kontrowersyjne w przypadku elementów dachowych typu „płyta warstwowa” ze względu na lokalnie wprowadzone obciążenie punktowe. Dopuszczenie profili przez urząd budowlany zazwyczaj uwzględnia tylko obciążenie na dużej powierzchni. Obciążenia pojedyncze jako obciążenia punktowe nie są objęte większością dopuszczeń. Duża liczba producentów płyt warstwowych oraz wymagane atesty nadzoru budowlanego również utrudniają jednolite rozpatrzenie sprawy. Ponadto istnieje wiele różnych rozwiązań systemów montażowych od różnych dostawców. Istnieją rozwiązania z klipsami mocującymi do mocowania szyn lub elementów szyny do boków lub krótkie mostki przykręcane do górnych fal trapezu.

Bezpośrednie mocowanie posiada zalety

Z punktu widzenia techniki montażu bezpośrednie mocowanie systemu montażowego z płaszczem wierzchnim płyty warstwowej oferuje zalety, które wielu instalatorów już zna i docenia dzięki rozwiązaniom dla pokryć dachowych z blachy trapezowej. Montaż bez przebicia dachu do konstrukcji nośnej budynku jest dużo łatwiejszy, ponieważ podkonstrukcja nie jest przymocowana do siatki krokwi.

Oznacza to, że rozmieszczenie modułów fotowoltaicznych na powierzchni dachu można wybrać w dużej mierze niezależnie. Wyrównanie modułów determinuje dobór wymaganego krótkiego mostka, który jest mocowany bezpośrednio do pokrycia dachowego. W ten sposób całkowicie wyeliminowano mozolne wiercenie powierzchni dachowej i drewnianych krokwi o różnych średnicach.

Niezależnie od tego, czy moduł jest montowany pionowo, czy poziomo – koszty materiałowe i montażowe mostków to tylko ułamek w porównaniu z ciągłymi szynami, które muszą być mocowane za pomocą śrub dwugwintowych. Wysokość profilu, tj. przekrój, a tym samym zastosowany materiał, nie jest oparty na obliczeniach statycznych szyn, ale na potrzebach instalatora dotyczących dobrej wentylacji modułów fotowoltaicznych od tyłu.

Znacznie mniej części

Oczywiście znacznie mniejsze zużycie materiałów montażowych ma również zalety logistyczne. W ten sposób cały materiał systemu montażowego można po prostu dostarczyć na małych paletach lub wygodnie przewieźć na plac budowy. Obsługa materiału w kartonach na placu budowy jest również znacznie łatwiejsza niż obsługa ciągłych szyn montażowych.
System montażowy mocowany jest do górnej blachy za pomocą wkrętów samowiercących, które od wielu lat są stosowane do przykręcania doczołowego elementów z blach warstwowych i trapezowych. Przeważają w większości cienkie wkręty do blachy, które tworzą gwint w blasze.

Specjalne śruby do cienkich blach

Znane od dawna w branży dekarskiej śruby do mocowania mają jeszcze jedną decydującą zaletę: wiele śrub mocujących posiada atesty nadzoru budowlanego i można ich używać do blach stalowych o grubości od 0,4 mm, a więc także do mocowania do powłoki wierzchniej elementów warstwowych o typowej grubości 0,4 do 0,6 milimetra.

Śruby do blachy można bardzo łatwo zamontować za pomocą wkrętarki akumulatorowej bez wcześniejszego wiercenia w pokryciu dachowym. Siły wyciągające określone w aprobatach nadzoru budowlanego dla wkrętów do cienkich blach są tak duże, że często wystarczają dwie śruby, aby przymocować profile do płaszcza pokrywy. Nawet w przypadku blach aluminiowych te cienkie wkręty do blach można stosować już od grubości materiału 0,5 mm.

Uszczelnienie na garbie trapezu

Uszczelnienie na garbie trapezu między mostkami mocującymi a płaszczem jest wykonane przy użyciu wstępnie przyklejonych uszczelek EPDM do naszych mostków. Po dokręceniu śrub są one dociskane do trapezu. Uszczelka EPDM jest dodatkowo chroniona od góry przed warunkami atmosferycznymi profilem montażowym. Dzięki uformowanemu gwintowi w blasze nie ma szczeliny między cienkim wkrętem do blachy a blachą. Ponadto uszczelka EPDM cienkiego blachowkrętu – w przeciwieństwie do konwencjonalnej uszczelki śruby dwugwintowej – całkowicie zakrywa gwint. Dzięki wielokrotnie mniejszej ilości użytego materiału, znacznie łatwiejszemu transportowi na plac budowy oraz szybszemu i łatwiejszemu montażowi elementów systemu, całkowite koszty można znacznie obniżyć w porównaniu do rozwiązania ze śrubami dwugwintowymi.

Test:

Jak już opisano, nośność płyty warstwowej wynika z połączenia poszczególnych warstw samej płyty warstwowej. Konstrukcja elementu wielowarstwowego nie jest istotna dla wprowadzenia obciążenia do płaszcza poszycia, ponieważ zdolność wyciągania cienkiego wkrętu z blachy zależy od właściwości materiału i grubości poszycia.
Aby wprowadzić obciążenia punktowe do płyty warstwowej, pojawia się pytanie, jakie uszkodzenia powstają przy obciążeniu elementów warstwowych. Czy połączenie między poszyciem a izolacją rdzenia zawodzi lub czy śruba wyrywa się z samego poszycia? Aby móc to ocenić, Baywa r.e. Solar Energy Systems GmbH w Tybindze przeprowadziła ponad sto wewnętrznych testów.

Podjęto próby wyciągnięcia na 18 różnych rodzajach płyt warstwowych od 13 różnych producentów. Grubość materiału powłok poszycia wynosiła od 0,5 do 0,6 milimetra. Do mocowania krótkich profili wybrano różne śruby do cienkiej blachy od różnych producentów z różnymi układami śrub. Oprócz wprowadzonej siły zmierzono również i zarejestrowano we wszystkich testach lokalne odkształcenie blach w punkcie naprężenia. Wszystkie testy przeprowadzono aż do wyrwania elementów konstrukcji.

Wynik testu w liczbach

Wszystkie testy wykazały ten sam schemat zniszczenia: podczas mocowania na górnej fali poszycia wystąpiło niewielkie, miejscowe odkształcenie stożkowe blachy pokrywającej w kierunku działania siły i śruby zostały wyrwane z poszycia. Boczne mocowanie do górnej fali wykazało owalizację otworu w blasze.
Wartości wyrwania określone w badaniach wynosiły od 0,8 do 1,8 kiloniutonów na śrubę (odpowiada to 80 do 180 kilogramów). Po osiągnięciu obciążenia niszczącego badane typy płyt warstwowych wykazywały jedynie lokalnie bardzo znikome oderwania powłok wierzchnich.

Wynik testu w praktyce

  • Charakterystyczne siły na wyrywanie, były w większości powyżej wartości dopuszczonych przez nadzór budowlany danego wkrętu.
  • Aby lepiej sklasyfikować wynik testów, poniżej na przykładzie pokazano uproszczone obliczenia z typowymi założeniami dla lokalizacji w Niemczech. Podstawą następujących założeń odpowiedniego obciążenia wiatrem jest Eurokod DIN EN 1991-1-4:
    • strefa obciążenia wiatrem 2,
    • kategoria terenu III (wieś, teren otwarty),
    • wysokość budynku: dwanaście metrów,
    • kształt dachu: dwuspadowy,
    • nachylenie dachu: 15 stopni,
    • rozmiar modułu: 1,65 metra x 1,1 metra.
  • Aby uprościć obliczenia, pominięto korzystny ciężar własny modułu. Jako parametry do obliczeń służą następujące wartości:
  • Ciśnienie dynamiczne: 0,66 kiloniutonów na metr kwadratowy,
  • Współczynnik aerodynamiczny: 2,0 (powierzchnia narożna dachu),
  • Współczynnik aerodynamiczny: 1,2 (środkowa powierzchnia dachu)
  •  Współczynnik bezpieczeństwa obciążenia: 1,5,
  • Powierzchnia modułu: 1,75 m2,
  • Obciążenie ssaniem wiatru w narożniku dachu = 0,66 kN / m2 x 2,0 m2 x 1,5 m2 x 1,65 m2 = 3,27 kN
  • Obciążenie ssaniem wiatru pośrodku powierzchni dachu = 0,66 kN / m2 x 1,2 m2 x 1,5 m2 x 1,65 m2 = 1,96 kN

Siła ssąca wiatru na module musi być wprowadzona do poszycia płyty warstwowej poprzez zamocowanie krótkich mostków za pomocą cienkich śrub do blachy.

Do mocowania służą dwa krótkie mostki na moduł. W obszarze narożnym moduły są przymocowane na cztery śruby, a w środkowej części z dwoma śrubami – dlatego obciążenie musi być w stanie przejąć osiem lub cztery śruby.

Skutkuje to obciążeniem na śrubę wynoszącym

  • Zjfck = 3,30 kN dla ośmiu śrub  = 0,41 kN na wkręt w narożniku
  • Zd Rand ^ 1,96 kN na cztery śruby  = 0,49 kN na śrubę w obszarze środkowym

Nośności na wyrywanie wkrętów zgodnie z aprobatą nadzoru budowlanego są pomniejszone o materiałowe współczynniki bezpieczeństwa i skutkują tzw. wartościami znamionowymi do obliczeń statycznych. W przypadku blachy stalowej o grubości 0,5 milimetra śruba ma wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą ZRd ~ 0,6 kiloniutona. Oznacza to, że obciążenia wymienione w przykładzie można łatwo wprowadzić do płyty warstwowej za pomocą wybranej liczby śrub.

Perspektywa

Testy z łącznie 18 rodzajami płyt warstwowych od 13 różnych producentów, które zostały przeprowadzone, zdecydowanie sugerują, że można mierzyć punktowe wprowadzanie obciążeń ssących wiatru do poszycia za pomocą cienkich blachowkrętów, podobnie jak w przypadku mocowania do blachy trapezowej.

Ze względu na wprowadzenie obciążenia punktowego, w płytach warstwowych wystąpiło tylko lokalnie nieznaczące lekkie odkształcenie, tak że połączenie między płaszczem wierzchnim a izolacją rdzenia z PU jest tylko nieznacznie osłabione. Dlatego szacuje się, że wpływ na całkowitą nośność elementów warstwowych jest praktycznie zerowy.

Wyniki serii testów potwierdzają aprobaty projektowe, a także uwzględnienie w aprobatach poszczególnych producentów płyt warstwowych.
Pożądane jest, aby wszyscy zaangażowani w budowę nowoczesnych hal, przyjęli mocowanie bezpośrednie jako nowy standard. Kompleksowe badania powinny dać na to zielone światło, tak aby takie podłączenia stały się normą.
Pozwoli to na dobór i zastosowanie odpowiednich płyt warstwowych, zwłaszcza w nowym budownictwie i renowacji dachu, do bezpośredniego mocowania systemów fotowoltaicznych.

Przetestowano następujące typy montażu

Wyrównanie modułu Dopasowanie profilu do
wypukłej listwy
Mocowanie do wypukłej
listwy
w poprzek równolegle do wypukłej listwy
pionowo w poprzek do wypukłej listwy
niezależnie równolegle z boku wypukłej listwy

 

LICZBA ŚRUB ZAINSTALOWANYCH PODCZAS PRÓBY

Wybrano następujące mocowania

Liczba śrub Rozmieszczenie śrub
1 śruba osiowe
2 śruby osiowe
3 śruby przesunięte po przekątnej
4 śruby osiowe

 

Brak pełnego potwierdzenia

Jednak indywidualne pozwolenia na bezpośrednie mocowanie czy uwzględnienie w aprobatach nadzoru budowlanego stanowią wyzwanie dla konstruktorów instalacji fotowoltaicznych, ponieważ w tej chwili nic nie jest potwierdzone w 100 procentach.

Rozwiązanie: jasne i klarowne zasady zapewniające jednolity standard montażu przy budowie systemów fotowoltaicznych na dachach z płytami warstwowymi oraz bezpieczeństwo monterów podczas montażu. Poszczególni producenci płyt warstwowych we współpracy z indywidualnymi producentami systemów montażowych już wykazali chęć tej jednorodności. Jednak ze względu na dużą liczbę różnych dachów w istniejących i nowych budynkach, nie jest to takie proste żeby wdrożyć nowy standard mocowania. Ale mocowanie bezpośrednie do blachy jest jak najbardziej wskazanym i słusznym rozwiązaniem.

Konstrukcja montazowa novotegra, jak rownież moduły i falowniki dostępne są w sklepie internetowym BayWa r.e. Solar Systems: https://solar-distribution.baywa-re.de/pl/

BayWa r.e.

Dystrybutor komponentów dla rynku fotowoltaicznego