Schnee- und Niederschlagswasserlasten: Folgen für Membran und Behälterrand

Schnee und Niederschlagswasser belasten das Membrandach mit einem Gewicht, das sich in einen auf die Membran wirkenden Druck umrechnen lässt, und das wird gut sichtbar, wenn man es mit dem Druck der Stützluft vergleicht. Die Berechnung ist einfach: 1 mm Wasser sind 1 kg/m², also ca. 10 Pa, und 1 mbar sind 100 Pa. Eine Wasserschicht von 10 mm Dicke belastet die Membran also wie 1 mbar. Typische Stützdrücke von Zweimembrandächern liegen in der Größenordnung einzelner Millibar, sodass schon eine geringe Wasseransammlung, und erst recht liegender Schnee, das überschreiten kann, was das Luftpolster zu „tragen“ vermag.

Wie das Dach aufgebaut ist und wo die Last wirkt

Ein Gasbehälter mit Zweimembrandach besteht aus einer Innenmembran (Gasmembran) und einer Außenmembran (Schutzmembran). Der Raum dazwischen wird durch ein Gebläse unter Überdruck gehalten, was der Außenmembran Form und Spannung verleiht. Die Lasten von außen (Schnee, Wasser, Wind) nimmt daher die gespannte Membran auf sowie ihre Befestigung am Rand (Behälterrand, Leiste, Klemmprofil). Eine Beschreibung von Aufbau und Sicherheit des Daches findet sich im Text Biogasspeicher: Zweimembrandach und Sicherheit.

Größenvergleich

Daraus folgt eine praktische Schlussfolgerung: Der Stützdruck allein ist kein Schutz vor Schnee. Ein Tragluftdach ist dank seiner Form (Bogen, Kuppel), der Festigkeit von Membran und Befestigung sowie der Tendenz des Schnees zum Abrutschen schneebeständig. Die Gefahr entsteht, wenn der Schnee liegen bleibt, eine Wechte bildet, nasser Schnee eine hohe Dichte hat oder das Dach an Spannung verliert.

Häufigste Schadensmechanismen

Verlust des Stützdrucks. Der Ausfall des Gebläses oder der Stromversorgung oder eine Undichtigkeit der Außenmembran führt zu einer Verringerung der Spannung, und die Außenmembran kann auf die innere absinken. Es entstehen Mulden, in denen sich Wasser und Schnee sammeln, was die Last noch weiter erhöht.

Wasseransammlungen. Mulden (u. a. um Klebestellen, an Knitterstellen, an Falten) sammeln Regen und Schmelzwasser. Einmal angesammeltes Wasser vergrößert die Durchbiegung, sodass sich noch mehr Wasser sammelt.

Ungleichmäßige Belastung. Auf einer Seite abrutschender Schnee, Schneeverwehungen durch Wind, Wechten oder Abwürfe von benachbarten Objekten erzeugen eine asymmetrische Belastung, die den Rand anders belastet als eine gleichmäßige.

Eis. Gefrorenes Wasser bildet steife, schwere Platten, die sich nicht abwerfen lassen. Außerdem erhöht Eis bei niedriger Temperatur die Steifigkeit der Membran und kann zu Mikrorissen führen. Hinzu kommt das Einfrieren von Abläufen und Flüssigkeitssicherungen; siehe Wie man die Frostschutzheizung der Überdrucksicherung auslegt.

Überlastung des Randes. Die Last vom Dach konzentriert sich am Rand, also dem Element, das die Membran an der Wand befestigt. Die Kraftkonzentration führt zum Herausziehen der Membran aus der Befestigung, zur Beschädigung der Leiste oder zu Materialermüdung. Am Rand stehendes Wasser beschleunigt die Korrosion und zerstört die Dichtungen.

Was in Planung und Betrieb zu tun ist

1. Eingangsdaten. Die Schneelast für den Standort wird aus der Norm PN-EN 1991-1-3 bestimmt (Schneezonen, Formbeiwerte); der Bemessungswert sollte in der Dachdokumentation eingetragen sein. Die Herstellerdokumentation legt fest, für welche Last das Dach ausgelegt wurde.
2. Kontrolle von Spannung und Stützdruck. Gebläse mit Notstromversorgung oder ein zweites Gebläse, Alarm bei Druckabfall, regelmäßige Prüfung der Rückschlagventile.
3. Wasserableitung. Dach ohne Mulden, freie Abläufe, Kontrolle nach Niederschlägen. Wasseransammlungen sind dem Service zu melden und nicht zu „beobachten“.
4. Inspektion nach starken Niederschlägen und vor dem Winter. Zustand von Nähten, Befestigung, Rand, Leisten, Schrauben und Dichtungen.
5. Handlungsplan für den Fall starker Niederschläge. Wer über die Schneeräumung entscheidet, wie sie erfolgt, wie gegen Absturz gesichert wird und wie das Gas gesichert wird.

Sicherheit der Arbeiten bei der Schneeentfernung

Die Membran wird ohne ausdrückliche Zustimmung des Herstellers und ohne Risikobeurteilung nicht betreten. Das Risiko umfasst Absturz, Beschädigung der Membran (Undichtwerden, Gasfreisetzung) sowie Arbeit in einem explosionsgefährdeten Bereich. Umfang und Art der Schneeentfernung sollten sich aus der Anlagenanweisung und dem Explosionsschutzdokument ergeben, und die Arbeiten führen geschulte Personen mit geeigneter Ausrüstung aus; bei Beschädigungen oder Verdacht auf Undichtigkeit wird nach dem Notfallverfahren der Anlage vorgegangen. Die Grundsätze zu Gefahren bei der sicheren Arbeit in Ex-Bereichen behandelt der Text ATEX in der Biogasanlage.

Zusammenfassung

Die Lasten aus Niederschlägen sind in der Regel größer als die Kräfte, über die die Stützluft verfügt, daher beruht die Sicherheit des Daches auf Geometrie, Spannung, der Festigkeit von Material und Rand, der Stromversorgung des Gebläses und der Betriebsdisziplin. Die Prüfung von Wasseransammlungen, Befestigungen und Alarmen noch vor der Wintersaison ist günstiger als die Reparatur nach einem Niederschlagsereignis.

Rolle des Randes

Der Rand, also der Ring zur Befestigung der Membranen an der Behälterwand, ist das Element, in dem sich die Kräfte des gesamten Daches konzentrieren. Er enthält in der Regel Leisten oder Klemmprofile, Schrauben, Dichtungen und eine Wasserableitung. Sein Zustand wird nach jedem Winter beurteilt: Korrosion der Schrauben, Risse in den Dichtungen, Verformung der Leiste und Wasserspuren unter der Membran sind Warnsignale. Besonders gefährdet sind Stellen, an denen sich Ansammlungen unmittelbar am Rand bilden, denn Wasser und im Winter Eis erhöhen die Last genau an dem Punkt der größten Spannung. Wird bei einer Prüfung eine Beschädigung festgestellt, erfolgt die Reparatur nach der Anweisung des Herstellers, und der Behälter wird in der vom Verfahren vorgesehenen Weise außer Betrieb genommen.

Schlussfolgerungen für den Betriebsplan

Der Winterplan für ein Membrandach sollte enthalten: Kriterien, die eine zusätzliche Kontrolle auslösen (z. B. die Höhe des liegenden Schnees oder prognostizierte intensive Niederschläge), die für Entscheidungen verantwortlichen Personen, die Verfügbarkeit der Notstromversorgung des Gebläses sowie Regeln der Kommunikation mit dem Service des Herstellers. Es lohnt sich auch, Beobachtungen festzuhalten (Stellen, an denen sich Wasser oder Schnee sammelt), da sie es erlauben, die Membranspannung oder die Entwässerung beim nächsten Servicebesuch zu verbessern.