Jeder kennt doch das alte Sprichwort: „Repariere dein Dach im Sommer.“ Probleme sollte man am besten beheben, bevor Regen, Frost und Schnee einsetzen. Und das Gleiche gilt eigentlich auch für die Messung: Wenn du im Winter Gewissheit darüber haben willst, was auf einem Dach vor sich geht, musst du die Lösung installieren, solange es noch trocken und ruhig ist.
Der vergangene Winter hat erneut gezeigt, warum dies von Bedeutung ist. Zu verschiedenen Zeitpunkten lag viel Schnee auf den Dächern in den Niederlanden. Sobald sich Schnee anzusammeln beginnt, tauchen fast automatisch dieselben Fragen auf. Wie schwer ist dieser Schnee eigentlich? Wie hoch ist die Belastung auf dem Dach? Ist es noch sicher? Müssen wir eingreifen? Und wann wird Schnee durch Tauwetter und Regen plötzlich viel schwerer?
Wenn man nur nach draußen schaut, bekommt man darauf kaum eine Antwort. Zehn Zentimeter frischer, trockener Schnee ist etwas ganz anderes als zehn Zentimeter nasser, festgepresster Schnee. Die Höhe sagt also nur einen Teil der Geschichte aus.
Eine Frage, die immer wieder auftaucht
Seit wir mit Sensoren in und auf Dächern arbeiten, werden wir regelmäßig gefragt, ob wir auch Druck oder Gewicht im Dach messen können.
Nach zahlreichen Tests und Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass dies keine zuverlässige Lösung ist. Es gibt einfach zu viele Faktoren, die den Messwert beeinflussen, wie beispielsweise die Dachkonstruktion, die Dämmung, die Materialsteifigkeit, die Dachdeckung und die Bauweise. Daher ist eine objektive Messung der tatsächlichen Belastung nicht möglich. Und genau dieser objektive Wert ist entscheidend.
Deshalb haben wir unseren Ansatz geändert.
„Messungen im Dachbereich klingen zwar logisch, aber beim Gewicht gibt es einfach zu viele Faktoren, die das Ergebnis beeinflussen.“
Nicht im Dach, sondern auf dem Dach
Im vergangenen Sommer haben wir an der Entwicklung eines neuen Messkonzepts gearbeitet. Der Ansatz war bewusst einfach:Wenn wir wissen wollen, was sich auf einem Dach befindet, müssen wir dort messen.
Nicht die Verformung, die die Schicht irgendwo tiefer im Dach verursacht. Nicht eine abgeleitete Kraft in der Dämmung. Sondern direkt die beiden Eigenschaften, auf die es wirklich ankommt:
Wie groß ist die Schicht und wie viel wiegt sie?
Das Konzept wurde inzwischen ausgearbeitet, ausgiebig getestet und wird derzeit produziert, um noch vor dem Winter installiert zu werden.
Zu diesem Zweck kombiniert die Anordnung zwei verschiedene Messprinzipien.
1. Ultraschall: Wie viel liegt da?
Über der Messplatte befindet sich ein Ultraschall-Abstandssensor. Dieser misst kontinuierlich den Abstand zwischen dem Sensor und der darunterliegenden Oberfläche. Bei einem leeren Dach kennen wir den Referenzabstand. Angenommen, der Sensor hängt genau 50 Zentimeter über der Platte. Sobald Schnee auf die Platte fällt, verringert sich dieser Abstand.
Wenn der Sensor beispielsweise noch 38 Zentimeter misst, liegen dort:50 − 38 = 12 Zentimeter Schnee.
Das gleiche Prinzip lässt sich auch auf Wasser oder andere Ansammlungen auf dem Dach anwenden. Der große Vorteil der Ultraschallmessung besteht darin, dass kein mechanischer Kontakt erforderlich ist. Der Sensor hängt über der Messfläche und blickt sozusagen kontinuierlich nach unten.
Aber die bloße Höhenmessung reicht nicht aus.
2. Eine Wägezelle: Wie viel wiegt es?
Unter derselben Messplatte befindet sich daher eine Wägezelle. Eine Wägezelle ist im Grunde ein sehr präziser Kraftsensor. Unter Belastung verformt sich ein metallisches Messelement mikroskopisch. In dem Element befinden sich Dehnungsstreifen, die diese Verformung elektrisch erfassen.
Die Verformung ist extrem gering, lässt sich jedoch sehr genau messen.
So können wir bestimmen, wie viel zusätzliche Masse sich auf der Platte befindet. Unsere Messplatte hat eine Fläche von 35 × 35 Zentimetern: 0,35×0,35=0,1225 m²
Wenn die Wägezelle anschließend beispielsweise ein zusätzliches Gewicht von 6,125 kg misst, können wir dies direkt in die Belastung pro Quadratmeter umrechnen: 6,125/0,1225=50 kg/m²
Das unterscheidet sich grundlegend von einem Drucksensor im Dach. Hier messen wir das tatsächliche Gewicht der Schicht, die auf einer bekannten Fläche aufliegt. Dadurch ergibt sich ein reproduzierbarer und gut erklärbarer Messwert:kg/m².
„Die Schneehöhe ist sichtbar. Die Schneelast hingegen nicht.“
Größe und Gewicht zusammen geben Aufschluss über die tatsächliche Situation
Die Kombination beider Sensoren macht das Konzept besonders interessant. Angenommen, der Ultraschallsensor misst 25 Zentimeter Schnee und die Wägezelle eine Belastung von 50 kg/m². Dann können wir neben der Höhe und der Belastung auch die durchschnittliche Dichte des Schnees bestimmen:
50/0,25=200 kg/m³
Einen Tag später können immer noch etwa 25 Zentimeter Schnee liegen, während die Belastung inzwischen beispielsweise auf 80 kg/m² angestiegen ist. Durch Regen, Tauwetter, erneutes Gefrieren und Verdichtung ist der Schnee dann deutlich schwerer geworden. Mit einem reinen Schneehöhenmesser bliebe dieser Unterschied nahezu unsichtbar.
Und genau darin liegt für uns der Mehrwert.Die Höhe gibt an, wie viel Material dort liegt. Das Gewicht gibt an, was diese Schicht für das Dach tatsächlich bedeutet.
Ein eigenständiges Messsystem auf dem Dach
Die Anlage wird als eigenständiges System auf dem Dach installiert. Die Konstruktion besteht aus einem kompakten Sockel und einem Ständer aus Edelstahl, an dessen oberem Ende sich der Ultraschallsensor und an dessen unterem Ende die Wiegeplatte mit Wägezelle befindet.
Die Wiegeplatte ruht auf dem Messsystem der Wägezelle. Das ist wichtig: Würde die Platte an einer anderen Stelle Kontakt mit der Konstruktion haben, würde ein Teil der Kraft außerhalb des Sensors abgeleitet werden, was zu einer fehlerhaften Messung führen würde.
Die Elektronik befindet sich an der Außenseite des Pfostens und überträgt die Messwerte über LoRaWAN an die Plattform. Die Sensoren werden über ein integriertes Solarpanel autonom mit Strom versorgt. Dadurch entfällt die Verlegung von Kabeln durch das Dach, und die Dachdeckung muss für die Installation nicht geöffnet werden.
Die Messkette wird dadurch sehr übersichtlich:
Auf dem Dach → Höhe + Gewicht → LoRaWAN → Daten → Analyse und Meldung.
„Wenn man wissen will, was sich auf einem Dach befindet, sollte man nicht im Dach messen, sondern auf dem Dach.“
Wo bringt man einen solchen Sensor an?
Die Qualität der Messung hängt nicht nur vom Sensor selbst ab, sondern auch davon, wo man ihn aufstellt. Denn Schnee verteilt sich bei weitem nicht immer gleichmäßig auf einem Dach. Wind, Höhenunterschiede, Dachaufkantungen und andere Details können dazu führen, dass sich Schnee an manchen Stellen viel stärker ansammelt als an anderen.
Daher ist es naheliegend, gerade an Stellen Messungen durchzuführen, an denen die Belastung kritisch werden kann. Dazu gehören Windecken und Bereiche, in denen Schnee aufgewirbelt werden oder sich ansammeln kann, aber auch Stellen in der Nähe von Aufkantungen, höheren Gebäudeteilen oder anderen Dachdetails, an denen sich lokal mehr Schnee ansammeln kann.
Darüber hinaus kann auch die statische Tragfähigkeit ausschlaggebend sein. Nicht jeder Teil eines Daches kann immer die gleiche zusätzliche Belastung aufnehmen. An Stellen, an denen die Konstruktion über weniger Reserve verfügt, kann es besonders sinnvoll sein, die tatsächliche Belastung kontinuierlich zu überwachen.
Die Platzierung sollte daher vorzugsweise auf drei Aspekte abgestimmt werden:
- die Geometrie des Daches;
- die Bereiche, in denen sich voraussichtlich Schnee, Laub oder Wasser ansammelt;
- die Bereiche des Daches, in denen die statische Belastung am größten ist.
Bei größeren oder komplexeren Dächern kann es sinnvoll sein, mehrere Messpunkte zu verwenden. Zum Beispiel einen Sensor in einem repräsentativen Bereich des Daches und einen oder mehrere zusätzliche Sensoren in kritischen Bereichen.
Auf diese Weise messen wir nicht nur, was sich auf dem Dach befindet, sondern vor allem, was sich an der Stelle befindet, an der es am wichtigsten ist.
Nicht nur für Schnee
Obwohl die Schneelast ein wichtiger Auslöser für die Entwicklung ist, lässt sich das Prinzip in einem breiteren Rahmen anwenden.
Auf Flachdächern können sich zudem lokal Wasser oder Laub ansammeln. Denken Sie dabei an ein unzureichendes Gefälle, einen teilweise verstopften Regenwasserablauf oder eine vorübergehende Wassersammlung. Darüber hinaus können Verschmutzungen, Kies, Laub und andere Materialien an bestimmten Stellen eine zusätzliche Belastung verursachen.
Durch die gleichzeitige Erfassung von Höhe und Gewicht lassen sich auch hier weitaus mehr Informationen gewinnen als mit einem einzelnen Sensor. Letztendlich geht es also nicht nur um die Frage, ob sich etwas auf dem Dach befindet, sondern auch: Wie viel ist es, wie schwer ist es und wie verändert sich das im Laufe der Zeit?
„Wir wollen nicht nur sehen, dass sich die Steuer ändert, sondern auch wissen, wie hoch sie tatsächlich ist.“
Getestet, in Produktion und bereit für den Winter
Bei vielen Dachproblemen arbeiten wir mit Modellen, Auslegungswerten und Annahmen. Diese bleiben weiterhin notwendig. Sobald sich jedoch die äußeren Bedingungen ändern, sind aktuelle und vor allem tatsächliche Messdaten eine unverzichtbare Ergänzung. Das gilt insbesondere für Schnee.
Wetterdaten können Aufschluss darüber geben, wie viel Niederschlag in einem Gebiet gefallen ist. Der Ultraschallsensor misst, wie hoch die Schneedecke auf dem Dach ist. Die Wägezelle liefert dazu die entscheidende Information: wie viel diese Schneedecke zu diesem Zeitpunkt tatsächlich wiegt.
Daran haben wir im vergangenen Sommer gearbeitet. Inzwischen ist das Konzept fertig, die Tests sind abgeschlossen und die Sensoren werden produziert. So können wir im kommenden Winter nicht nur sehen, dass Schnee auf einem Dach liegt, sondern auch objektiv messen, wie schwer dieser Schnee tatsächlich ist.
