Echtzeitüberwachung der Schneelast auf Industriedächern
In Ländern wie Schweden, in denen extreme Schneefälle zunehmend Anlass zur Sorge geben, stellen Dacheinstürze erhebliche Sicherheits- und finanzielle Risiken dar. Um solchen Unglücken vorzubeugen, hat das Unternehmen Swegon in seiner Hauptproduktionshalle ein System zur Echtzeitüberwachung der Schneelast auf dem Dach installiert, das die Dehnungsmessstreifentechnik von Dewesoft nutzt. Dieses synchronisierte System erfasst die Dehnungen des Tragwerks und sendet automatische Warnmeldungen, sobald die Schneelast auf dem Dach kritische Schwellenwerte erreicht, wodurch ein rechtzeitiges Eingreifen und die Fortführung des Betriebs gewährleistet werden.
Aufgrund seiner nördlichen Lage und seiner klimatischen Bedingungen erlebt Schweden im Winter starke und anhaltende Schneefälle. Während die Bemessung der meisten Gebäude nationalen Normen folgt, die regionale Schneelasten berücksichtigen, stellen Extremereignisse – sei es infolge langfristiger Anhäufungen oder ungewöhnlich dichten Schnees – ein ernst zu nehmendes strukturelles Risiko dar.
Die schwedischen Bauvorschriften legen auf Grundlage von Eurocode 1 (DIN EN 1991-1-3) Schneelastwerte fest, die nach geografischen Zonen differenziert sind. Zum Beispiel:
Zone 1 (Südschweden): charakteristische Bodenschneelast ≈ 1,5 kN/m²
Zone 3 (nördliches Bergland): ≈ 4,5 kN/m²
Bei der Bemessung der Schneelast auf Dächern sind folgende Faktoren zu berücksichtigen:
Formbeiwerte (Dachgeometrie)
Exposition und Wärmedämmung
Schneeverwehungen und abrutschender Schnee
Lastkombinationen (z. B. Schnee und Wind oder Schnee und Eis)
Die anwendungstechnische Herausforderung
Der Klimawandel verändert die Niederschlagsmuster und führt dazu, dass Ereignisse mit nassem, schwerem Schnee häufiger auftreten. Solche Ereignisse sind zwar weiterhin relativ selten, gehen jedoch mit höheren Schneedichten (≥ 300 kg/m³) einher, wodurch die Belastung der Tragwerke zunimmt.
Aufeinanderfolgende Schneefälle ohne Tauwetter können zu einer Kumulation von Lasten führen, die die Auslegungsannahmen überschreiten. Die Dachgeometrie (z. B. Kehlen, Brüstungen oder mehrstufige Strukturen) kann lokale Lastkonzentrationen verursachen.
Eine unzureichende oder verspätete Schneeräumung trägt wesentlich zu Tragwerksüberlastungen bei, insbesondere bei Dächern mit großer Spannweite oder geringer Neigung, wie sie bei Gewerbe- oder Industriegebäuden üblich sind.
Extreme Schneeansammlungen haben in Schweden bereits häufig zu Schäden und Versagensfällen an Tragwerken geführt, darunter:
teilweise oder vollständige Dacheinstürze
Verformungen tragender Bauteile
Schädigungen von Verbindungen
Historische Vorfälle, wie der Einsturz einer Sporthalle in Katrineholm im Jahr 2006 oder das Versagen eines Daches in Örnsköldsvik im Jahr 2010, veranschaulichen die realen Folgen einer Unterschätzung von Schneelasten.
Maßnahmen zur Risikominderung
Eine wirksame Minderung der mit übermäßigen Schneelasten verbundenen Risiken erfordert eine Kombination aus technischen, betrieblichen und regulatorischen Strategien. Diese Maßnahmen lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen: Verbesserungen der Tragwerksauslegung, Wartungs- und Überwachungsprotokolle sowie administrative oder regulatorische Verbesserungen.
Die üblichen Maßnahmen zur Gewährleistung der Tragwerksrobustheit und die betrieblichen Gegenmaßnahmen sind:
Erhöhte Sicherheitsreserven bei der Bemessung für Schneelasten in Hochrisikogebieten
Regelmäßige Überprüfung des baulichen Zustands alternder Infrastrukturbauten
Lastüberwachungssysteme für besonders wichtige Gebäude (z. B. Schulen, Sporthallen)
Schneelastüberwachung und Dachinspektionen bei starken Schneefällen
Notfallpläne für die Schneeräumung und Sicherstellung der Einsatzbereitschaft der erforderlichen Ausrüstung
Sensibilisierung der Öffentlichkeit und Schulung von Gebäudebetreibern
Die Swegon Group AB, die der an der Stockholmer Börse notierten Investment AB Latour gehört, ist ein marktführender Anbieter in der Raumklimabranche und bietet Lösungen für Lüftung, Heizung, Kühlung und Klimaoptimierung sowie vernetzte Dienstleistungen und technische Expertise. Swegon verfügt weltweit über Tochtergesellschaften und Vertriebspartner sowie über 24 Produktionsstätten in Europa, Nordamerika und Indien. Das Unternehmen hat mehr als 3800 Beschäftigte und erzielte 2024 einen Umsatz von 9,3 Mrd. SEK (ca. 840 Mio. EUR).
Das Hauptproduktionsgebäude von Swegon in der Frejgatan 14 in Kvänum ist während des Winters extremen Schneelasten ausgesetzt. Ein Einsturz könnte die Produktionslinie vollständig zum Stillstand bringen, für Swegon über mehrere Tage hinweg massive wirtschaftliche Verluste in Höhe von mehreren Millionen schwedischen Kronen verursachen und eine erhebliche Gefahr für das Leben der im Gebäude beschäftigten Mitarbeiter darstellen.
Die bereitgestellte Lösung
Swegon beschloss, seine Präventivmaßnahmen durch die Installation eines umfassenden Dewesoft-Systems zur Dachüberwachung mit mehreren Dehnungsmessstreifen (DMS) zu ergänzen. Dewesoft entwarf und lieferte eine Überwachungslösung, die das Swegon-Team bei einer extremen Schneebelastung des Daches alarmiert, sodass es rasch geeignete Maßnahmen ergreifen und den Schnee schnellstmöglich vom Hauptgebäude entfernen kann.
Die Lösung dient der präzisen Messung der Dehnungen in der Dachkonstruktion mithilfe eines vollständig synchronisierten Messsystems und umfasst folgende Komponenten:
Software (DewesoftX)
Überwachungs-Dashboard
Netzwerk in Sterntopologie (siehe bereitgestellte Zeichnungen)
Industrie-PC
Swegon und Dewesoft legten insgesamt elf Dehnungsmessstellen fest. Der Aufbau erfordert zwei Switch-Ports, um die Daten in einem einzigen Hauptüberwachungsschrank zusammenzuführen. Unterstützt wird diese Konfiguration von einem sekundären Überwachungsschrank. Die Montage des Systems wird vom internen Systemintegrator koordiniert und durchgeführt.
Das System kombiniert Reihenschaltung und Sternkonfiguration, um alle erforderlichen Messstellen vollständig abzudecken. Darüber hinaus ermöglicht die Repeater-Lösung die Überbrückung größerer Entfernungen und gewährleistet die Stabilität der synchronisierten Signale. Die Systemarchitektur wurde zunächst definiert wie in Abb. 1 dargestellt.
Datenerfassungs- und Messsystem
IOLITEi-1xSTG - einkanaliger DMS-Verstärker
IOLITEi-1xSTG ist ein einkanaliger DMS-Verstärker (siehe Abb. 2) mit integrierten Viertel-, Halb- und Vollbrückenkonfigurationen, der eine rauscharme Spannungs- und Stromspeisung mit frei einstellbaren Pegeln bietet.
Die Eingangsspannungsbereiche reichen von ±50 V bis hinunter zu ±100 mV. Die Messdaten werden über EtherCAT an einen PC übertragen, auf dem die leistungsfähige und benutzerfreundliche Datenerfassungs- und Signalverarbeitungssoftware DewesoftX ausgeführt wird. Typische Anwendungen sind Dehnungsmessungen an Werkstoffen, Präzisionswägungen und die Überwachung struktureller Lasten.
Hauptmerkmale des IOLITEi-1xSTG:
Interne Brückenergänzung (Viertel- und Halbbrücken, 120 Ω und 350 Ω)
Eingangsspannungsbereiche von ±50 V bis ±100 mV
Stromeingangsbereich von 20 mA (mit internem Shunt)
Einstellbare Spannungs- und Stromspeisung (bis 400 mW)
Geringes Rauschen und hoher Dynamikbereich
Vollständige galvanische Trennung von Signalen und Stromversorgung zwischen EtherCAT und Front-End
EtherCAT-Bus mit Unterstützung der Durchschleifung über ein einziges Kabel (bis zu 50 m zwischen den Geräten)
Vollständige Unterstützung durch die Dewesoft-X3-Software
IOLITE-REPEATER
Der IOLITE-REPEATER ist ein EtherCAT-Repeater-Knoten. Das Gerät ermöglicht es, die Kabellänge zwischen zwei IOLITE-Messmodulen kostengünstiger zu erhöhen als durch das Hinzufügen eines weiteren Messgeräts. Der REPEATER fügt sich nahtlos in die EtherCAT-Kette ein, wobei Signale und Stromversorgung von einem Gerät zum nächsten durchgeschleift werden.
Allgemeine Spezifikationen des IOLITE-REPEATER:
Digitale Schnittstelle: EtherCAT
EtherCAT-Anschlüsse: RJ45
Leistungsaufnahme: 1200 mW
Versorgungsspannung: 12–48 V
Betriebstemperatur: -20 °C bis +60 °C
Schutzart: IP20
Gewicht: 105 g
Gehäusematerial: Aluminium
Das nachstehende Schema zeigt die Funktion des Repeaters in der EtherCAT-Kette.
Um alle erforderlichen Messstellen abzudecken, kombiniert die endgültige Systemlösung Reihenschaltung (siehe Abb. 4) und Sternkonfiguration (siehe Abb. 5). Zusätzlich überbrückt die Repeater-Lösung (siehe Abb. 6) die Entfernungen und gewährleistet die Stabilität der synchronisierten Signale. Abb. 7 veranschaulicht die endgültige kombinierte Lösung.
Datenerfassungssoftware
Sensorabgleich
DewesoftX ermöglicht den Sensorabgleich. Damit die Werte korrekt sind, müssen alle Kanäle zu einem geeigneten Zeitpunkt abgeglichen und genullt werden. Ein für alle Sensoren gut geeigneter Zeitpunkt ist ein warmer Sommertag, an dem das Risiko von Schnee und anderen widrigen Bedingungen minimal ist.
Rekorderansicht
Der Rekorder zeigt in seinen Diagrammen alle Analogsignale, sodass leicht erkennbar ist, ob alle Kanäle ein Signal ausgeben und wie dieses Signal aussieht. Auf der linken Seite werden die Kanalnamen in den zugehörigen Farben angezeigt, sodass leicht zu erkennen ist, welcher Kanal zu welchem Dehnungsmessstreifen gehört (siehe Abb. 9).
Datenvisualisierung
Auf der Visualisierungsseite werden alle Signale übersichtlich dargestellt. Außerdem werden zwei Warnstufen angezeigt: bei 100 µm/m und bei 700 µm/m. Erreicht einer der Balken den Wert 100, wechselt seine Farbe zu Gelb; erreicht er den Wert 700, wechselt seine Farbe zu Rot. Die bei den einzelnen Balken unterschiedlich positionierten gelben Linien stellen die Minimal- und Maximalwerte dar, die das jeweilige Signal erreicht hat (siehe Abb. 10).
Vergleichsansicht
Die Vergleichsseite stellt alle Signale kombiniert im selben Diagramm dar und ermöglicht so einen einfachen Vergleich. Hier gibt es ebenfalls drei farbige Linien; die Grenzwerte wurden jedoch so festgelegt, dass leicht erkennbar ist, welches Signal bzw. welche Signale die Linien überschritten haben (siehe Abb. 11).
Überwachungs-Dashboard
Die Dashboard-Seite zeigt die genaue Position aller Sensoren im Gebäude sowie vier Statusanzeigen in Grün, Gelb, Orange und Rot, die erkennen lassen, ob ein Sensor einen der festgelegten Grenzwerte erreicht hat und um welchen Sensor es sich handelt: Grün unter 100 µm/m, Gelb von 100 bis unter 350 µm/m, Orange von 350 bis unter 700 µm/m, Rot ab 700 µm/m.
Die exakten Werte jedes Signals werden neben der jeweiligen Ampel angezeigt, sodass die von den Sensoren erfassten Werte leicht abgelesen werden können. Unten rechts werden alle IOLITE-Seriennummern und die ihnen zugewiesenen Bezeichnungen angezeigt. Die Zahlen unter den grünen Quadraten entsprechen jeweils den letzten beiden Ziffern der Seriennummer.
Notifier
Mit Notifier können Benachrichtigungen an bestimmte E-Mail-Adressen gesendet werden. Um E-Mails an die ausgewählte Adresse zu senden, legen Sie zunächst die Absender-E-Mail-Adresse fest. Handelt es sich dabei um ein Gmail-Konto, können Sie den in Abb. 13 dargestellten SMTP-Server und TLS-Port verwenden.
Als Benutzername dient die E-Mail-Adresse, und das Passwort ist ein bei Google anzuforderndes App-Passwort. Das oben angegebene App-Passwort wurde bereits erstellt und kann zur Einrichtung weiterer „Notifier“ verwendet werden. Bei „Receiver“ muss die E-Mail-Adresse eingetragen werden, an die die E-Mail gesendet werden soll; bei mehreren Empfängern trennen Sie die einzelnen Adressen mit einem Semikolon (siehe Abb. 13).
Alarme
Die Alarmgrenzen werden durch unterschiedliche Bedingungen definiert, sowohl für den Fall, dass der Wert unter den Grenzwert sinkt, als auch für den Fall, dass er den Grenzwert wieder überschreitet. Zur Änderung der Alarmgrenzen, klicken Sie auf die Setup-Schaltfläche, um eine neue Registerkarte zu öffnen. Um den Grenzwert zu ändern, klicken Sie hier auf den Wert rechts neben „Trig.Pegel“. Nach der Änderung des Werts klicken Sie auf „OK“; der neue Wert wird dann bei „Trig =“ angezeigt (siehe Abb. 14).
Fazit
Die Minderung des Risikos extremer Schneelasten in Schweden erfordert mehr als die Einhaltung von Vorschriften – sie verlangt nach proaktiven technischen Maßnahmen, intelligenter Überwachung und einer konsequenten betrieblichen Einsatzbereitschaft.
Da infolge der Klimavariabilität mit einer Zunahme der Häufigkeit und Intensität extremer Schneefallereignisse zu rechnen ist, obliegt es Planern, Betreibern und Aufsichtsbehörden gleichermaßen, die Widerstandsfähigkeit des schwedischen Gebäudebestands sicherzustellen. Investitionen in langfristige Risikominderungsstrategien sind nicht nur ein Sicherheitsaspekt, sondern auch eine Frage der Nachhaltigkeit und wirtschaftlichen Weitsicht.