Berechnung der Windlast von Solarmodulen ASCE-7-16 | SkyCiv (2023)

Ein voll funktionsfähiges Beispiel für eine BodenmontageBerechnung der Windlast und des Schneedrucks von Solarmodulen mit ASCE 7-16

Angesichts der jüngsten Trends bei der Nutzung erneuerbarer Energien zur Eindämmung der Auswirkungen des Klimawandels ist die Nutzung von Solarenergie eine der am schnellsten wachsenden Branchen als Lösung für dieses Problem. Darüber hinaus erfreuen sich Solarpaneele auch bei Haushaltskunden immer größerer Beliebtheit als alternative Energiequelle, da der Strom in den letzten Jahren rasant angestiegen ist. Tatsächlich nehmen die Installationen von Solarmodulen auf Hausdächern und der Bau von Solarparks, bei denen bodenmontierte Solarmodule zum Einsatz kommen, zu. Die Berechnung der Windlast auf Solarpaneele sowie des Schneedrucks ist entscheidend, damit diese ihre Haltbarkeit erreichen. In diesem Artikel besprechen wir, wie die Schnee- und Windlasten auf bodenmontierten Solarmodulen mithilfe von ASCE 7-16 berechnet werden.

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Strukturdaten

In diesem Beispiel verwenden wir die folgenden Daten:

Tabelle 1. Gebäudedaten, die für unsere Wind- und Schneelastberechnung benötigt werden.

Abbildung 1. Standort des Standorts (von Google Maps).

Abbildung 2. Die Abmessungen des Solarmoduls.

Bei der Berechnung der Windlast auf Solarmodule verwenden wir das ASCE 7-16 Kapitel 27 – Windlast – Richtungsverfahren. Wir betrachten das bodenmontierte Solarmodul als offenes Gebäude mit geneigtem Dach, wenn der Neigungswinkel kleiner oder gleich 45° ist, und als solides Zeichen für einen Neigungswinkel von mehr als 45°.

Die Formel zur Bestimmung der Auslegungswinddrücke lautet wie folgt:

Für Neigungswinkel ≤ 45° (wird als offenes Gebäude mit Schrägdach betrachtet):

\(p ​​= {q}_{h}G{C}_{N}\) (1)

Für Neigungswinkel > 45° (als durchgezogenes Zeichen betrachtet):

\(p ​​= {q}_{h}G{C}_{f}\) (2)

Wo:

\(G\)= Böenwirkungsfaktor
\({C}_{N}\)= Nettokraftkoeffizient für offenes Monoslope-Dach
\({C}_{f}\)= Nettokraftkoeffizient für solide Schilder
\({q}_{h}\)= Geschwindigkeitsdruck auf Referenzhöhe,\(H\), in psf, gegeben durch die Formel:

\({q}_{h} = 0,00256{K}_{z}{K}_{zt}{K}_{d}{K}_{e}V^2\) (3)

\({K}_{z}\)= Geschwindigkeitsdruckkoeffizient
\({K}_{zt}\)= topografischer Faktor
\({K}_{d}\)= Windrichtungsfaktor
\({K}_{e}\)= Bodenhöhenfaktor
\(V\)= Grundwindgeschwindigkeit in Meilen pro Stunde

Beachten Sie, dass bei Neigungswinkeln > 45° die zu verwendenden Abmessungen die vertikale Projektion des Solarpanels sind und dann die Formel für Nettokraftkoeffizienten für solide Schilder verwenden. Im Folgenden werden wir uns eingehend mit den Details der einzelnen Parameter befassen.

Risikokategorie

Der erste Schritt besteht darin, die Risikokategorie des Solarmoduls anhand der Nutzung oder Belegung zu bestimmen. Aus Tabelle 1.5-1 von ASCE 7-16 können wir das bodenmontierte Solarmodul in diesem Beispiel der Risikokategorie I zuordnen.

Grundlegende Windgeschwindigkeit,\(V\)

Die ASCE 7-16 stellt eine Windkarte bereit, in der die entsprechende Grundwindgeschwindigkeit eines Standorts aus den Abbildungen 26.5-1A bis 1C ermittelt werden kann. Aus Abbildung 26.5-1A geht hervor, dass Cordova, Memphis, Tennessee irgendwie in der Nähe des roten Punkts in Abbildung 3 unten liegt, und von dort aus die grundlegende Windgeschwindigkeit.\(V\), beträgt 100 Meilen pro Stunde.Beachten Sie, dass der Grundwert der Windgeschwindigkeit aus den nächstgelegenen Windkonturen interpoliert wird.

Abbildung 3. Grundlegende Windgeschwindigkeitskarte aus Abbildung 26.5-1A von ASCE 7-16 (Risikokategorie I) mit rotem Punkt, um den Standort unseres Solarpanels anzuzeigen.

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Expositionskategorie

Abhängig von der zu analysierenden Windrichtung muss die Expositionskategorie des Solarmoduls anhand des 45°-Sektors gegen den Wind auf der Grundlage von Abschnitt 26.7 von ASCE 7-16 bestimmt werden. Darüber hinaus enthält Abschnitt C26.7 Luftbilder, die Beispiele der Aufnahmen B, C und D in den Abbildungen C26.7-5 bis C26.7-7 zeigen.

In diesem Beispiel verwenden wir nur Wind aus südlicher Richtung. Basierend auf den Luftbildbeispielen können wir daher das windaufwärts gelegene Gelände gemäß Abbildung C26.7-6(b) oder „Offenes Gelände mit vereinzelten Hindernissen und einer Höhe von im Allgemeinen weniger als 30 Fuß (9,1 m)“ der Exposition C zuordnen, wie dargestellt in Abbildung 4 unten. Wir werden die Expositionskategorie zur Berechnung des Geschwindigkeits-Druck-Koeffizienten verwenden\({K}_{z}\)span> und/oder Topografischer Faktor\({K}_{zt}\)wenn benötigt.

Abbildung 4. Luftaufnahme des Geländes mit Wind aus dem Süden.

Windrichtungsfaktor,\( {K}_{d} \)

Der Windrichtungsfaktor, \({K}_{d} \),für das Solarpanel ist gleich0,85da das Solarpanel als MWFRS (offenes Monoslope) betrachtet werden kann, wenn der Neigungswinkel kleiner oder gleich 45° ist, und als solides Zeichen für einen Neigungswinkel von mehr als 45° basierend auf Tabelle 26.6-1 von ASCE 7-16.

Bodenhöhenfaktor,\( {K}_{e} \)

Der Bodenhöhenfaktor,\({K}_{e} \), kann anhand von Tabelle 26.9-1 von ASCE 7-16 berechnet werden. Da in diesem Beispiel die Standorthöhe 350,48 Fuß beträgt,\({K}_{e} \)kann mit der Formel berechnet werden:

\( {K}_{e} = {e}^{-0.0000362{z}_{g}} \) (4)
\( {K}_{e} = {e}^{-0,0000362(350,48)} = 0,987\)
\( {K}_{e} = 0,987 \)

Unter Verwendung von Gleichung (4)\({K}_{e} \)ist gleich0,987.

Topografischer Faktor,\( {K}_{zt} \)

Die Parameter zur Berechnung des Topographiefaktors,\({K}_{zt}\)sind in Abbildung 26.8-1 von ASCE 7-16 detailliert beschrieben. Um festzustellen, ob weitere Berechnungen des topografischen Faktors erforderlich sind, müssen wir ihn anhand von Abschnitt 26.8.1 überprüfen. Wenn der Standort nicht alle aufgeführten Bedingungen erfüllt, kann der Topographiefaktor mit 1,0 angenommen werden. Anhand der aus Google-Höhen generierten Bodenhöhe können wir davon ausgehen, dass das Gelände flach ist.\({K}_{zt}\)kann davon ausgegangen werden1,0für Wind aus Süden.

Abbildung 5. Höhenprofil des Standorts in S-N-Windrichtung.

Geschwindigkeits-Druckkoeffizient,\({K}_{z}\)

Der Geschwindigkeits-Druckkoeffizient,\({K}_{z}\), kann anhand von Tabelle 26.10-1 von ASCE 7-16 berechnet werden. Dieser Parameter hängt von der Höhe über dem Boden des Punktes ab, an dem der Winddruck berücksichtigt wird, und von der Expositionskategorie. Darüber hinaus basieren die in der Tabelle angezeigten Werte auf der folgenden Formel:

Für 15 Fuß <\({z}\) < \({z}_{g}\): \({K}_{z} = 2,01(z/{z}_{g})^{2/α}\)(5)
Für \({z}\) < 15ft:\({K}_{z} = 2,01(15/{z}_{g})^{2/α}\)(6)

Wo:

Tabelle 3. Werte von α und\({z}_{g}\)aus Tabelle 26.11-1 von ASCE 7-16.

In diesem Beispiel betrachten wir die Höhe der Solarmontagehöhe.

\({K}_{z} = 2,01((15)/(900))^{2/(9,5)} = 0,85 \)
\({K}_{z} = 0,85 \)

Geschwindigkeitsdruck

Aus Gleichung (3) können wir nach dem Geschwindigkeitsdruck auflösen:\( {q}_{h}\)in PSF, bei einer Montagehöhe von 8,33 Fuß.

Böenwirkungsfaktor,\(G\)

Bei der Bestimmung des Böenwirkungsfaktors \(G\), müssen wir zunächst die Grundeigenfrequenz der Struktur berechnen\( {n}_{1} \). Wenn\( {n}_{1} \)kleiner als 1 Hz ist, wird es als flexible Struktur klassifiziert und muss daher berechnet werden\(G\)unter Verwendung von Abschnitt 26.11.5. In diesem Beispiel,für vereinfachtes VorgehenWir gehen davon aus, dass unser Solarpanel starr ist \(G\)ist gleich 0,85basierend auf Abschnitt 26.11.1 von ASCE 7-16.Es ist zu beachten, dass bei der Bestimmung des Böenwirkungsfaktors insbesondere bei flexiblen Strukturen eine sorgfältige Überprüfung der Grundeigenfrequenz der Struktur erforderlich ist, da dieser Parameter dadurch vergrößert wird.

Nettodruckkoeffizient,\({C}_{N}\),Neigungswinkel ≤ 45°

Um die Nettodruckkoeffizienten zu bestimmen,\( {C}_{N} \)Wir gehen davon aus, dass das Solarpanel ein offenes Gebäude mit Monoslope-Dach ist. Wir können diese Werte aus Abbildung 27.3-4 von ASCE 7-16 unter der Annahme einer „klaren Windströmung“ erhalten. Beachten Sie, dass diese Werte nur für Solarmodule mit einem Neigungswinkel von weniger als oder gleich 45° gelten

Abbildung 6. Nettodruckkoeffizient,\( {C}_{N} \), Werte aus Abbildung 27.3-4 von ASCE 7-16 für offene Gebäude mit Monoslope-Dach.

Abbildung 7. Luv- und Leezonen für einen Richtungswinkel von 0°.

Abbildung 8. Luv- und Leezonen für einen Richtungswinkel von 180°.

Da der Neigungswinkel des Solarpanels 30° beträgt, sind die entsprechenden Nettodruckkoeffizienten\( {C}_{N} \), zu verwenden sind wie folgt:

Tabelle 4. Werte von\( {C}_{N} \)zu verwenden basierend auf Abbildung 27.3-4 von ASCE 7-16.

Beachten Sie, dass ein negativer Wert bedeutet, dass der Winddruck von der Oberfläche weg wirkt, und ein positiver Wert bedeutet, dass der Winddruck zur Oberfläche hin wirkt. Aus Tabelle 4 lässt sich ableiten, dass wir vier (4) Lastfälle für die Windlast auf unserem Solarpanel berücksichtigen werden.

Bemessungswinddrücke –Neigungswinkel ≤ 45°

Bei der Berechnung der Windlast auf Solarmodule mit einem Neigungswinkel > 45°Wir werden Gleichung (1) verwenden, daher die Windlasten auf bodenmontierten Solarmodulen:

\({q}_{h} = 18,256 psf\)
\( G = 0,85\)

Tabelle 5. Die berechneten Windlasten auf bodenmontierte Solarmodule, die auf die Struktur aufgebracht werden sollen.

Daher sind die Windlasten auf bodenmontierte Solarmodule bei der Anwendung wie folgt:

Abbildung 9. Bemessungswinddrücke für Richtungswinkel 0° – Lastfall A.

Abbildung 10. Bemessungswinddrücke für Richtungswinkel 0° – Lastfall B.

Abbildung 11. Bemessungswinddrücke für Richtungswinkel 180° – Lastfall A.

Abbildung 12. Bemessungswinddrücke für Richtungswinkel 180° – Lastfall B.

Nettokraftkoeffizient,\({C}_{f}\), – Neigungswinkel > 45°

Nehmen wir an, dass der Neigungswinkel unseres Solarmoduls geändert wurde60°. Wir müssen die vertikale Projektion des Solarpanels verwenden und sie als solides Zeichen betrachten, wobei der Geschwindigkeitsdruck bis zum oberen Ende dieser Projektion berechnet wird.

Abbildung 13. Die vertikale Projektion des Solarpanels, die als solides Zeichen betrachtet werden soll.

Da die Höhe vom Boden bis zur Projektoberkante immer noch weniger als 15 Fuß beträgt, können wir unsere Berechnungen weiterhin verwenden\( {K}_{z}\)über. Daher ist der berechnete Wert von\( {q}_{h}\)wäre immer noch dasselbe. Der Netto-Koeffizient,\( {C}_{f}\), die verwendet werden soll, kann der Abbildung 29.3-1 von ASCE 7-16 entnommen werden. Darüber hinaus betrachten wir bei der Berechnung dieser Kraftkoeffizienten nur Fall A für einen vereinfachten Ansatz. Aus Abbildung 29.3-1:

\({q}_{h} = 18,256 psf\)
\( B = 16,25 Fuß\)
\( s = 11,544 Fuß\)
\( h = 14,102 Fuß\)
\( s/h = 0,818\)
\( B/s = 1,408\)

Aus den tabellierten Werten von\( {C}_{f} \)In Abbildung 29.3-1 werden wir die bekannten Werte von interpolieren\( B/s \)gleich 1 und 2, und\( Sch \)gleich 0,9 und 0,7.

Abbildung 14. Nettokraftkoeffizient, \( {C}_{f} \), Werte aus Abbildung 29.3-1 von ASCE 7-16 für solide Zeichen.

Durch Interpolation werden die hervorgehobenen Werte ermittelt\( {C}_{f} \)von unserer\( B/s \)Und\( Sch \), wir bekommen:

\( {C}_{f} = 1,5706 \)

Bemessungswinddrücke –Neigungswinkel > 45°

Bei der Berechnung der Windlast auf Solarmodule mit einem Neigungswinkel > 45°Wir werden Gleichung (2) verwenden, daher die Windlasten auf bodenmontierten Solarmodulen:

\({q}_{h} = 18,256 psf\)
\( G = 0,85\)
\( {C}_{f} = 1,5706 \)
\(p ​​= {q}_{h}G{C}_{f} = (18,256)(0,85)(1,5706) = 24,372 psf\)
\(p ​​= 24,372 psf\)

Daher betragen die Windlasten auf bodenmontierte Solarmodule bei Anwendung:

Abbildung 15. Der Auslegungswinddruck für das Solarpanel als durchgezogenes Zeichen – angewendet auf die vertikale Projektion.

Abbildung 16. Der umgerechnete Auslegungswinddruck für das Solarpanel als solides Zeichen – aufgetragen auf die Oberfläche des Solarpanels.

Die Windberechnungen können alle mit dem SkyCiv Load Generator für ASCE 7-16 (Windlastrechner für Solarmodule) durchgeführt werden. Benutzer können den Standort des Standorts eingeben, um die Windgeschwindigkeit und Geländedaten abzurufen, die Parameter des Solarmoduls einzugeben und die Auslegungswinddrücke zu generieren. Mit der Standalone-Version können Sie diesen Prozess optimieren und einen detaillierten Windlastberechnungsbericht für Solarmodule erhalten!

In Gebieten mit Schneefall sollten auch Schneelasten auf das Solarmodul berücksichtigt werden. Um die Schneelasten für unser Solarpanel zu berechnen, verwenden wir Kapitel 7 von ASCE 7-16. Wir werden die Solarpanel-Struktur als Gebäude mit Monoslope-Dach betrachtenWir berücksichtigen nur die ausgeglichene Schneelast(Schneelast geneigtes Dach). Die Formeln zur Bestimmung der Schneelast für unser Solarpanel lauten wie folgt:

Zur Berechnung der Schneelast von Flachdächern\({p}_{f} \):

\({p}_{f} = 0,7{C}_{e}{C}_{t}{I}_{s}{p}_{g} \) (7)

Wo:

\({C}_{e} \)= Belichtungsfaktor
\({C}_{t} \)= thermischer Faktor
\({Ist} \)= Wichtigkeitsfaktor für Schneelast
\({p}_{g} \)= Bodenschneelast, in psf

Zur Berechnung der Schneelast auf geneigten Dächern\({p}_{s} \):

\({p}_{s} = {C}_{s}{p}_{f} + {p}_{r} \) (8)

Wo:

\({C}_{s} \)= Dachneigungsfaktor
\({p}_{r} \)= Regen-auf-Schnee-Zuschlagslast

Belichtungsfaktor,\({C}_{e} \)

Der Belichtungsfaktor,\({C}_{e} \), kann aus Tabelle 7.3-1 von ASCE 7-16 basierend auf der Oberflächenrauheit und der Freilegung des Daches bestimmt werden. Anhand des Satellitenbilds des Standorts, das wir von Google Maps erhalten haben, können wir den Standort klassifizierenOberflächenrauheit C(offenes Gelände mit vereinzelten Hindernissen, die im Allgemeinen eine Höhe von weniger als 30 Fuß haben) und unter der Annahme, dass die Solarpaneele vorhanden sindvollständig freigelegt und ohne Hindernisse. Daher dieBelichtungsfaktor,\({C}_{e} \), der Struktur ist gleich 0,9.

Wärmefaktor,\({C}_{t} \)

Der thermische Faktor,\({C}_{t} \), kann aus Tabelle 7.3-2 von ASCE 7-16 basierend auf dem thermischen Zustand der Struktur im Winter bestimmt werden. Anhand der Tabelle können wir unser Solarmodul als „unbeheizte und im Freien befindliche Strukturen“ klassifizieren. Daher ist das entsprechende vonWärmefaktor,\({C}_{t} \), ist für die Struktur gleich 1,2.

Bedeutungsfaktor für Schneelast,\({Ist} \)

Der Bedeutungsfaktor für die Schneelast,\({Ist} \), kann aus Tabelle 1.5-2 von ASCE 7-16 basierend auf der Risikokategorie der Struktur bestimmt werden. Da das Bauwerk gemäß der Tabelle in die Risikokategorie I eingestuft ist,\({Ist} \)ist gleich 0,8.

Bodenschneelast,\({p}_{g} \)

Die Bodenschneelast,\({p}_{g} \), kann aus Abbildung 7.2-1 von ASCE 7-16 ermittelt werden, wie unten gezeigt. Aus dieser Zahl geht hervor, dassBodenschneelast,\({p}_{g} \)für unser Solarpanel ist gleich10 PSF.

Abbildung 17. Bodenschneelastkarte aus Abbildung 7.2-1 von ASCE 7-16 mit rotem Punkt, um den Standort unseres Solarpanels anzuzeigen.

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Schneelast bei Flachdach,\({p}_{f} \)

Aus den oben genannten Parametern können wir bereits die Schneelast des Flachdachs berechnen,\({p}_{f} \), unter Verwendung von Gleichung (7):

\({p}_{f} = 0,7{C}_{e}{C}_{t}{I}_{s}{p}_{g} \)
\({p}_{f} = 0,7(0,9)(1,2)(0,8)(10) = 6,048 psf \)
\({p}_{f} = 6,048 psf \)

Dachneigungsfaktor,\({C}_{s} \)

Der Dachneigungsfaktor kann aus Abbildung 7.4-1 von ASCE 7-16 in Abhängigkeit vom Neigungswinkel, dem Hindernis unter der Dachoberfläche und dem Wert des thermischen Faktors berechnet werden\({C}_{t} \). Für unser Solarpanel gehen wir davon aus, dass unser Solarpanel als klassifiziert ist"Rutschige Oberfläche."Da der thermische Faktor\({C}_{t} \)gleich 1,2 ist, können wir den Wert von bereits interpolieren\({C}_{s} \)von 7-2c. Aus der Grafik sind die bekannten Werte:

\({C}_{s} = 1,0 \) für 15°
\({C}_{s} = 0,0 \) für 70°

Durch Interpolation dieser Werte erhalten wir:

\({C}_{s} = 0,727 \) für 30°

Deshalb, \({C}_{s} = 0,727 \)für unser Solarpanel.

Regen-auf-Schnee-Zuschlagslast,\({p}_{r} \)

Eine zusätzliche Regen-auf-Schnee-Zuschlagslast von 5 psf,\({p}_{r} \), sollte für Standorte in Betracht gezogen werden, an denen\({p}_{g} \)ist kleiner oder gleich 20 psf, aber nicht Null, für alle Dächer mit einem Neigungswinkel (in Grad) kleiner als\( W/50 \)Grad wo\( W \)ist der horizontale Abstand von der Traufe zum First. Der Wert von\({p}_{r} \)Gilt nur für den Lastfall Schrägdach (ausgeglichen). Für dieses Beispiel:

\(W = 13,33 cos 30° = 11,544 ft \)
\( W/50 =0,231° \)

Seit\({p}_{g} = 10 psf \)aber Neigungswinkel 30° ist größer als\( W/50 =0,231° \), \({p}_{r} \)kann vernachlässigt werden und ist gleich 0,0

Schneelast bei geneigtem Dach,\({p}_{s} \)

Aus Gleichung (8) können wir die Schneelast des geneigten Daches berechnen\({p}_{s} \):

\({p}_{s} = {C}_{s}{p}_{f} + {p}_{r} \)
\({p}_{s} = (0,727)(6,048) + 0,0 = 4,397 psf \)
\({p}_{s} = 4,397 psf \)

Abbildung 18. Die berechnete ausgeglichene Schneelast (Schneelast bei geneigtem Dach) für das Solarpanel, angewendet auf die horizontale Projektion der Struktur.

Beachten Sie, dass\({p}_{s} \)wird auf die horizontale Projektion der Struktur angewendet. Wir müssen diesen Wert in eine äquivalente geneigte Drucklast umrechnen, damit wir ihn auf unser Modell anwenden können.

Abbildung 19. Die umgerechnete ausgeglichene Schneelast (Schneelast auf geneigtem Dach) für das Solarpanel, die auf unser Modell angewendet werden soll.

Die Schneelastberechnungen können auch im SkyCiv Load Generator für ASCE 7-16 durchgeführt werden. Es ist jedoch nur in unserer Standalone-Version und unserem Professional-Konto verfügbar.

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Sie können den detaillierten Wind- und Schneelastbericht für das Solarpanel über diese Links einsehen:

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Abbildung 20. Unsere maßgeschneiderte Lösung für Solarmodule, die für MT Solar mithilfe der SkyCiv-API erstellt wurde.

Für zusätzliche Ressourcen können Sie diese Links verwenden:

• Einführung in den SkyCiv-Lastgenerator
• ASCE 7-16 Windlastberechnungen (Solarmodule)
• ASCE 7 Schneelastberechnungen
• So berechnen und wenden Sie Schneeverwehungslasten auf dem Dach mit ASCE 7-10 an
• Berechnung der Dachschneelasten mit ASCE 7-10

Verweise:

• Coulbourne, W. L. & Stafford, T. E. (2020, April). Windlasten: Leitfaden zu den Windlastbestimmungen von ASCE 7-16. Amerikanische Gesellschaft der Bauingenieure.
• Amerikanische Gesellschaft der Bauingenieure. (2017, Juni). Mindestbemessungslasten und zugehörige Kriterien für Gebäude und andere Bauwerke. Amerikanische Gesellschaft der Bauingenieure.
• Google Maps
• MT Solar