Anlagen laufen nicht nur unter den Bedingungen, die auf dem Typenschild stehen. Die Versorgungsspannung kann den Nennwert kurzzeitig verlassen, ein Erdbeben beschleunigt den Boden, Winddruck wirkt auf Außenflächen, Schneelast auf Dächer. Auf der Geräteseite wird jede dieser äußeren Bedingungen zu einer anderen physikalischen Größe: Aus der Spannungsabweichung werden die Zeit, die ein Netzteil seinen Ausgang halten kann, und das Drehmoment, das ein Motor liefern kann; aus der Beschleunigung wird Ankerlast, aus der Windgeschwindigkeit Flächendruck, aus der Schneehöhe Last.
Entscheidend ist also nicht, wie die Katastrophe heißt, sondern welche Größe worauf wirkt. Dieser Artikel beginnt mit Stromversorgung und Netzanschluss, die jedes Werk hat, und behandelt danach Erdbeben, Taifune und Schnee — mit dem Schwerpunkt auf den Phänomenen und ihren Folgen.
Kernpunkte dieses Artikels
| Abschnitt | Was dieser Abschnitt erklärt |
|---|---|
| Spannungsabweichung und Gerätetoleranz | Beim selben Spannungseinbruch stoppen 24-V-Versorgung, Motoren, Schweißgeräte und HVAC auf unterschiedliche Weise |
| Anschlussebene und Risiken auf Anlagenseite | In den USA, Europa, Japan und Brasilien ändert dieselbe Last, wo die Spannung einbricht und wie weit ein Ausfall reicht |
| Seismische Beschleunigung und Ankerlast | Intensitäts-Richtwerte in horizontale Kraft umrechnen; die Beschleunigung zieht an den Ankern |
| Taifun-Windgeschwindigkeit und Winddruck | Windgeschwindigkeit in Windlast umrechnen, am Beispiel eines Schaltschranks im Freien |
| Schneehöhe und Schneelast | Höhe in eine nach unten gerichtete Last umrechnen, am Beispiel eines Vordachs |
Spannungsabweichung und Gerätetoleranz
Auch wenn auf dem Typenschild eines Schaltschranks 200 V stehen, kann die tatsächliche Spannung vom Nennwert abweichen. Ein kurzer Einbruch heißt Spannungseinbruch, eine kurze Unterbrechung Kurzunterbrechung, ein kurzer Anstieg Spannungsüberhöhung. Wie oft das vorkommt, hängt von Region und Netz ab. Auf der Geräteseite ist zuerst zu klären, auf welche Spannung sich die Abweichung bezieht: auf den AC-Eingang, die 24-V-Steuerspannung oder die Motorklemmen.
Dabei gilt: Die „±10%“ auf dem Typenschild bedeuten nicht, dass die Spannung vor Ort immer in diesem Bereich bleibt. Zulässiger Bereich, vom Hersteller garantierter Bereich und Auslegungsreserve sind drei verschiedene Zahlen. Ebenso beziehen sich dieselben ±10% am 200-V-AC-Eingang, an der 24-V-Steuerspannung und an den Motorklemmen auf unterschiedliche Spannungen. Deshalb stoppt die SPS (PLC), sobald das geregelte Netzteil die Zeit aufgebraucht hat, in der es seine Ausgangsspannung halten kann — auch wenn der AC-Eingang in der Toleranz bleibt.
Dieselbe Spannungsabweichung stoppt jedes Gerät unter anderen Bedingungen. 24-V-Steuerspannung, Motoren, Schweißgeräte und die Klimatechnik (HVAC) achten jeweils auf eine andere Spannung, und jedes wirkt anders auf die übrigen. Die folgende Tabelle fasst die Unterschiede zusammen.
| Gerät | Maßgebliche Spannung | Was zuerst ausfällt | Wirkung auf andere Geräte |
|---|---|---|---|
| SPS / Steuerung (24 V) | Der Ausgang des geregelten Netzteils und die Zeit, die es ihn halten kann | Die 24 V brechen ein, CPU, Sensoren und Feldbus stoppen. Schütze fallen oft vor der SPS ab | Als Last klein |
| Motor | Klemmenspannung; bei Umrichterantrieben der Zwischenkreis | Das Drehmoment ist etwa proportional zum Quadrat der Spannung. Bei niedriger Spannung steigt der Strom bei gleicher Last — bis zu Überhitzung oder Stillstand | Der Anlaufstrom zieht die umgebende Spannung herunter |
| Schweißgerät | Klemmenspannung während des Pulses | Der Lichtbogen wird instabil. Inverter-Schweißgeräte stoppen bei Zwischenkreis-Unterspannung | Oft eine Hauptursache von Einbrüchen im Werk |
| HVAC | Verdichterklemmen und Schütz | Ein Einbruch lässt das Schütz abfallen, der Wiederanlauf zieht die Spannung erneut herunter. Steht die Prozess-Klimatechnik, steht der Prozess | Der Verdichteranlauf verursacht Einbrüche |
Eine Anmerkung zur SPS-Zeile: Weitbereichsnetzteile können AC-Eingänge von 85 V bis 264 V akzeptieren. Deshalb vermischt „die SPS hält ±10% auf der AC-Seite aus“ den AC-Eingang mit dem 24-V-Ausgang. Ob die SPS weiterläuft, entscheidet, wie viele Millisekunden der 24-V-Ausgang gehalten werden kann. Schweißgeräte und HVAC sind dagegen nicht nur Betroffene von Spannungseinbrüchen, sondern auch deren Ursache. Bei Umrichtern und Servoantrieben gehört der Blick auf die Zwischenkreisspannung, wie beim Motor.
Die folgende Abbildung zeigt für ein und dieselbe Spannungskurve, bei welchem Wert HVAC, Motor, Schweißgerät und die 24 V jeweils stoppen.
Nach der Toleranz des AC-Eingangs separat prüfen, wie lange die 24 V gehalten werden können. Fällt ein Schütz zuerst ab, sind die Ausgänge weg, auch wenn die SPS selbst weiterläuft.
Die ±10% vom Typenschild als eine gemeinsame Festigkeit aller Geräte im Schrank zu lesen. Weil jedes Gerät auf eine andere Spannung achtet, halten manche durch, während andere stoppen.
Anschlussebene und Risiken auf Anlagenseite
Die Spannungsebene, auf der ein Werk seinen Strom bezieht, ändert zweierlei: wie weit sich ein Ausfall ausbreitet und wo werksinterne Lasten die Spannung herunterziehen. Die Namen der Ebenen und die üblichen Spannungen unterscheiden sich je nach Region; die Umrechnung auf der Geräteseite ist dagegen überall dieselbe: von der Ebene dahin, wo die Spannung einbricht und wie weit ein Ausfall reicht. Zu beachten: Der Name einer Ebene ist ein Spannungsbereich, keine Garantie, dass die Anlagen weiterlaufen.
Vor der Tabelle zwei Begriffe: Eine Sammelschiene ist ein Abschnitt, in dem Schränke auf derselben Spannung verbunden sind; die Sekundärseite ist die Unterspannungsseite eines Transformators. Die folgende Tabelle lässt sich nach Region umschalten; die zuerst geöffnete Region folgt der Sprache dieses Artikels.
Die Frequenz beträgt 60 Hz. Bis 600 V AC spricht man meist von low voltage, darüber und unter 69 kV von medium voltage, ab 69 kV von high voltage. In Werken sind für low voltage 480 V oder 208 V typisch, für medium voltage 4.16 kV oder 13.8 kV, für high voltage 69 kV oder 138 kV. Ob der Transformator beim Versorger oder auf dem Gelände steht, ändert den netzseitigen Strom und die Reichweite eines Ausfalls.
| Anschluss | Übliche Spannung | Standort des Transformators | Was sich auf der Geräteseite zuerst ändert |
|---|---|---|---|
| low voltage | 480 V oder 208 V | Am Mast, oder kleiner Transformator auf dem Gelände | Der Spannungsfall in der Werksverkabelung ist groß. Schweißstörungen erreichen leicht die benachbarten 24 V und das Netz. Ein Ausfall trifft alles, was sich den Transformator teilt |
| medium voltage | 4.16 kV oder 13.8 kV | Auf dem Gelände | Der netzseitige Strom ist klein. Anläufe und Schweißen auf der Unterspannungsseite des Transformators bleiben aber. Kann ein interner Fehler nicht intern abgeschaltet werden, steht das ganze Werk |
| high voltage | 69 kV oder 138 kV | Auf dem Gelände (große Werke) | Die netzseitige Spannungsstörung ist klein. Fällt die Versorgung aber aus, ist die betroffene Fläche groß und die Wiederversorgung dauert oft lange |
Beim selben Schweißpuls ändert die Anschlussebene, wo der große Strom fließt. Die nächste Tabelle ist ein Anhaltswert für rund 30 kW dreiphasig bei 480 V; kein Wert für die Geräteauswahl.
| Anschluss | Strom auf der Sekundärseite | Netzseitiger Strom, ca. | Benachbarte 24 V |
|---|---|---|---|
| low voltage | Etwa 36 A | Etwa 36 A (wie im Werk) | Brechen auf gemeinsamer Sammelschiene leicht ein, und die Störung erreicht auch das Netz |
| medium voltage | Etwa 36 A (sekundär) | Etwa 1.3 A (13.8 kV, dreiphasig) | Brechen auf der Sekundär-Sammelschiene ein, das Netz merkt aber kaum etwas |
| high voltage | Etwa 36 A (sekundär) | Etwa 0.13 A (138 kV, dreiphasig) | Sekundär wie bei medium voltage; ein Ausfall trifft aber eine große Fläche |
Die netzseitigen Ströme sind Anhaltswerte für rund 30 kW dreiphasig auf der jeweiligen Spannung. Leitungswiderstand und Transformatorimpedanz sind nicht berücksichtigt.
Die Frequenz beträgt 50 Hz. Bis 1 000 V AC spricht man von Niederspannung, über 1 kV bis 36 kV von Mittelspannung, darüber von Hochspannung. In Werken sind für Niederspannung 400 V typisch, für Mittelspannung 10 kV oder 20 kV, für Hochspannung 110 kV. Ob der Transformator beim Versorger oder auf dem Gelände steht, ändert den netzseitigen Strom und die Reichweite eines Ausfalls.
| Anschluss | Übliche Spannung | Standort des Transformators | Was sich auf der Geräteseite zuerst ändert |
|---|---|---|---|
| Niederspannung | 400 V | Am Mast, oder kleiner Transformator auf dem Gelände | Der Spannungsfall in der Werksverkabelung ist groß. Schweißstörungen erreichen leicht die benachbarten 24 V und das Netz. Ein Ausfall trifft alles, was sich den Transformator teilt |
| Mittelspannung | 10 kV oder 20 kV | Auf dem Gelände | Der netzseitige Strom ist klein. Anläufe und Schweißen auf der Unterspannungsseite des Transformators bleiben aber. Kann ein interner Fehler nicht intern abgeschaltet werden, steht das ganze Werk |
| Hochspannung | 110 kV u. a. | Auf dem Gelände (große Werke) | Die netzseitige Spannungsstörung ist klein. Fällt die Versorgung aber aus, ist die betroffene Fläche groß und die Wiederversorgung dauert oft lange |
Beim selben Schweißpuls ändert die Anschlussebene, wo der große Strom fließt. Die nächste Tabelle ist ein Anhaltswert für rund 30 kW dreiphasig bei 400 V; kein Wert für die Geräteauswahl.
| Anschluss | Strom auf der Sekundärseite | Netzseitiger Strom, ca. | Benachbarte 24 V |
|---|---|---|---|
| Niederspannung | Etwa 43 A | Etwa 43 A (wie im Werk) | Brechen auf gemeinsamer Sammelschiene leicht ein, und die Störung erreicht auch das Netz |
| Mittelspannung | Etwa 43 A (sekundär) | Etwa 0.9 A (20 kV, dreiphasig) | Brechen auf der Sekundär-Sammelschiene ein, das Netz merkt aber kaum etwas |
| Hochspannung | Etwa 43 A (sekundär) | Etwa 0.16 A (110 kV, dreiphasig) | Sekundär wie bei Mittelspannung; ein Ausfall trifft aber eine große Fläche |
Die netzseitigen Ströme sind Anhaltswerte für rund 30 kW dreiphasig auf der jeweiligen Spannung. Leitungswiderstand und Transformatorimpedanz sind nicht berücksichtigt.
Die Frequenz beträgt 50 Hz in Ostjapan und 60 Hz in Westjapan. Bis 600 V AC gilt als Niederspannung, über 600 V bis 7 000 V als Hochspannung, über 7 000 V als Extra-Hochspannung. In Werken sind für den Niederspannungsanschluss 200 V oder 400 V typisch, für Hochspannung 6.6 kV, für Extra-Hochspannung 22 kV oder 66 kV. Ob der Transformator beim Versorger oder auf dem Gelände steht, ändert den netzseitigen Strom und die Reichweite eines Ausfalls.
| Anschluss | Übliche Spannung | Standort des Transformators | Was sich auf der Geräteseite zuerst ändert |
|---|---|---|---|
| Niederspannung | 200 V oder 400 V | Meist am Mast (beim Versorger) | Der Spannungsfall in der Werksverkabelung ist groß. Schweißstörungen erreichen leicht die benachbarten 24 V und das Netz. Ein Ausfall trifft alles, was sich den Transformator teilt |
| Hochspannung | 6.6 kV | Auf dem Gelände | Der netzseitige Strom ist klein. Anläufe und Schweißen auf der Unterspannungsseite des Transformators bleiben aber. Kann ein interner Fehler nicht intern abgeschaltet werden, steht das ganze Werk |
| Extra-Hochspannung | 22 kV, 66 kV usw. | Auf dem Gelände (große Werke) | Die netzseitige Spannungsstörung ist klein. Fällt die Versorgung aber aus, ist die betroffene Fläche groß und die Wiederversorgung dauert oft lange |
Beim selben Schweißpuls ändert die Anschlussebene, wo der große Strom fließt. Die nächste Tabelle ist ein Anhaltswert für einen Puls von 200 V und 150 A (rund 30 kW); kein Wert für die Geräteauswahl.
| Anschluss | Strom auf der Sekundärseite | Netzseitiger Strom, ca. | Benachbarte 24 V |
|---|---|---|---|
| Niederspannung | 150 A | 150 A (wie im Werk) | Brechen auf gemeinsamer Sammelschiene leicht ein, und die Störung erreicht auch das Netz |
| Hochspannung | 150 A (sekundär) | Etwa 3 A (6.6 kV, dreiphasig) | Brechen auf der Sekundär-Sammelschiene ein, das Netz merkt aber kaum etwas |
| Extra-Hochspannung | 150 A (sekundär) | Etwa 0.3 A (66 kV, dreiphasig) | Sekundär wie bei Hochspannung; ein Ausfall trifft aber eine große Fläche |
Die netzseitigen Ströme sind Anhaltswerte für rund 30 kW dreiphasig auf der jeweiligen Spannung. Leitungswiderstand und Transformatorimpedanz sind nicht berücksichtigt.
Die Frequenz beträgt 60 Hz, wie in den Vereinigten Staaten. Niederspannung ist je nach Region 220/380 V oder 127/220 V. Mittelspannung ist typisch 13.8 kV oder 23 kV, Hochspannung 69 kV oder 138 kV; die Namen der Ebenen folgen dem IEC-Gebrauch, nahe an Europa. Ob der Transformator beim Versorger oder auf dem Gelände steht, ändert den netzseitigen Strom und die Reichweite eines Ausfalls.
| Anschluss | Übliche Spannung | Standort des Transformators | Was sich auf der Geräteseite zuerst ändert |
|---|---|---|---|
| Niederspannung | 220/380 V oder 127/220 V | Am Mast, oder kleiner Transformator auf dem Gelände | Der Spannungsfall in der Werksverkabelung ist groß. Schweißstörungen erreichen leicht die benachbarten 24 V und das Netz. Ein Ausfall trifft alles, was sich den Transformator teilt |
| Mittelspannung | 13.8 kV oder 23 kV | Auf dem Gelände | Der netzseitige Strom ist klein. Anläufe und Schweißen auf der Unterspannungsseite des Transformators bleiben aber. Kann ein interner Fehler nicht intern abgeschaltet werden, steht das ganze Werk |
| Hochspannung | 69 kV oder 138 kV | Auf dem Gelände (große Werke) | Die netzseitige Spannungsstörung ist klein. Fällt die Versorgung aber aus, ist die betroffene Fläche groß und die Wiederversorgung dauert oft lange |
Beim selben Schweißpuls ändert die Anschlussebene, wo der große Strom fließt. Die nächste Tabelle ist ein Anhaltswert für rund 30 kW dreiphasig bei 380 V; kein Wert für die Geräteauswahl.
| Anschluss | Strom auf der Sekundärseite | Netzseitiger Strom, ca. | Benachbarte 24 V |
|---|---|---|---|
| Niederspannung | Etwa 46 A | Etwa 46 A (wie im Werk) | Brechen auf gemeinsamer Sammelschiene leicht ein, und die Störung erreicht auch das Netz |
| Mittelspannung | Etwa 46 A (sekundär) | Etwa 1.3 A (13.8 kV, dreiphasig) | Brechen auf der Sekundär-Sammelschiene ein, das Netz merkt aber kaum etwas |
| Hochspannung | Etwa 46 A (sekundär) | Etwa 0.13 A (138 kV, dreiphasig) | Sekundär wie bei Mittelspannung; ein Ausfall trifft aber eine große Fläche |
Die netzseitigen Ströme sind Anhaltswerte für rund 30 kW dreiphasig auf der jeweiligen Spannung. Leitungswiderstand und Transformatorimpedanz sind nicht berücksichtigt. Für Portugal (50 Hz, 400 V) gilt die Europa-Tabelle.
In jeder Region macht eine höhere Anschlussebene den netzseitigen Strom kleiner. Schweißen und Motoranläufe auf der Sekundärseite des Transformators bleiben jedoch.
Die folgende Abbildung zeigt: Auch wenn die Namen der Ebenen je nach Region anders lauten, ist der Mechanismus derselbe. Von oben nach unten: Auf der Verbraucherspannung erreicht der Einbruch das Netz; mit Transformator auf dem Gelände ist der Netzstrom klein; auf der höchsten Ebene erfasst ein Ausfall eine große Fläche. Und die 24 V brechen auf jeder Ebene ein.
Mit nur einer Zuleitung stoppt dagegen ein Fehler auf dieser Leitung das ganze Werk. Auch zwei Leitungen können gemeinsam ausfallen, wenn sie dieselbe Trasse teilen. Und kann ein interner Fehler nicht von einem internen Leistungsschalter abgeschaltet werden, öffnet zuerst der vorgelagerte — und das ganze Werk steht. Montageabläufe behandelt dieser Artikel nicht.
Stehen Anschlussebene und Leitungszahl fest, folgen Schutz und Platzierung der spannungshaltenden Geräte (USV). Die nötige Kapazität hängt davon ab, ob nur die 24 V oder der ganze Prozess gehalten werden.
Eine höhere Anschlussebene verringert die Störung auf der Netzseite. Die 24 V und das Schweißen auf der Sekundärseite bleiben als eigene Bedingung bestehen.
Anzunehmen, mit einer höheren Anschlussebene verschwänden die Einbrüche. Der netzseitige Strom wird kleiner, Anläufe und Schweißen auf der Sekundärseite bleiben.
Seismische Beschleunigung und Ankerlast
Beschleunigt ein Erdbeben den Boden, folgt die Masse der Anlage nicht sofort. Beschleunigung mal Masse ergibt eine Kraft, die Trägheitskraft. Mit Eigengewicht W, Erdbeschleunigung g und horizontaler Beschleunigung a beträgt die horizontale Trägheitskraft F = (a/g) W. 0.3 g bedeuten also eine horizontale Kraft von 0.3-mal dem Eigengewicht, 1 g eine gleich große Kraft. Diese Kraft zieht an Ankern und Grundplatte oder wirkt so, dass die Füße abheben.
Diese Beschleunigung lässt sich nicht direkt aus einer gemeldeten Intensität ablesen. Die Magnitude beschreibt die Größe der Quelle, die Intensität die Erschütterung an einem Ort. Japan verwendet die JMA-Intensitätsskala von 0 bis 7, deren Stufen 5 und 6 jeweils in untere und obere geteilt sind. Außerhalb Japans wird die Erschütterung oft nach der modifizierten Mercalli-Skala (MMI) gemeldet. Geräteberechnungen verwenden jedoch die horizontale Beschleunigung in g. Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein nahes Beben der Magnitude 5 am Standort eine größere Beschleunigung erzeugt als ein fernes der Magnitude 7.
Die folgende Tabelle ist ein Anhaltswert für den Fall, dass die horizontale Beschleunigung ungemindert auf eine am Boden befestigte Masse wirkt. Die JMA-Intensität wird nicht allein von der Spitzenbeschleunigung bestimmt; innerhalb einer Stufe streut die Beschleunigung von Ort zu Ort. Es sind daher keine Werte für die Geräteauswahl.
| Fall | Modifizierte Mercalli | JMA-Intensität | Horizontale Beschleunigung, Beispiel | Vielfaches des Eigengewichts |
|---|---|---|---|---|
| Die meisten Menschen erschrecken | V–VI | 4 | 0.03–0.08 g | 0.03–0.08-fach |
| Möbel können umkippen | VII | 5 Upper | 0.15–0.25 g | 0.15–0.25-fach |
| Stehen fällt schwer | VIII | 6 Lower | 0.25–0.3 g | 0.25–0.3-fach |
| Die meisten ungesicherten Möbel kippen um | IX | 6 Upper | 0.3–0.4 g | 0.3–0.4-fach |
Die modifizierte Mercalli-Skala (MMI) ist die in den USA und anderswo verwendete Erschütterungsskala. Die JMA-Intensität ist die Skala des japanischen Wetterdienstes. Die Zuordnung in der Tabelle ist eine Näherung.
Ein Schrank mit 1 Tonne Masse erfährt zum Beispiel beim Richtwert der Stufe 6 Lower (etwa 0.3 g) eine horizontale Kraft von etwa 3 kN (entspricht rund 300 kg). In oberen Geschossen oder auf wenig steifen Gestellen kann die Beschleunigung über den Wert am Boden hinausgehen. Dazu kommt: Ein hoher Schwerpunkt erhöht die Last der zugseitigen Anker bei gleicher Beschleunigung weiter.
Auf der Montageseite sorgt das Vorspannen der Schrauben dafür, dass die Fugenflächen den Großteil der Kraftschwankungen als Druck aufnehmen.
Die folgende Abbildung zeigt den Zusammenhang: Je größer die Beschleunigung, desto größer die Last der zugseitigen Anker. Die Ankerauslegung wird nicht behandelt.
Anker allein nach der Intensitätsstufe auszuwählen. Innerhalb einer Stufe ändern Beschleunigungsverlauf, Masse und Schwerpunkthöhe die Ankerlast.
Taifun-Windgeschwindigkeit und Winddruck
Auf Schaltschränke im Freien, Gestelle und Fördererabdeckungen wirkt nicht die Windgeschwindigkeit selbst, sondern der Druck auf ihre Flächen. Der Druck ist etwa proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit: Doppelte Geschwindigkeit heißt rund vierfache Flächenlast. Eine Zugbahnkarte ersetzt diesen Druck nicht.
Als Beispiel dient ein Schaltschrank im Freien, 0.8 m breit und 2.0 m hoch; die windbeaufschlagte Fläche beträgt 1.6 m². Der Staudruck q — der aus der Windgeschwindigkeit berechnete Druck — beträgt 0.6 v² (in N/m², v in m/s) bei einer Luftdichte von etwa 1.2 kg/m³. Die horizontale Windlast ist dieser Staudruck mal Fläche mit Kraftbeiwert 1: ein Anhaltswert, kein Wert für die Geräteauswahl.
| Fall | Windgeschwindigkeit | Staudruck | Horizontale Windlast |
|---|---|---|---|
| Nahe der Taifun-Schwelle | 18 m/s | Etwa 190 N/m² | Etwa 0.3 kN (entspricht rund 30 kg) |
| Sturmzone | 25 m/s | Etwa 380 N/m² | Etwa 0.6 kN (entspricht rund 60 kg) |
| Doppelte Geschwindigkeit (vierfacher Druck) | 36 m/s | Etwa 780 N/m² | Etwa 1.2 kN (entspricht rund 130 kg) |
| Starker Taifun | 40 m/s | Etwa 960 N/m² | Etwa 1.5 kN (entspricht rund 160 kg) |
Kraftbeiwert 1; kein Zuschlag für die Höhe über Grund. 1 kN entspricht grob einer Kraft von 100 kg. Die Taifun-Schwelle folgt der JMA-Definition (Maximalwind etwa 17 m/s oder mehr); die Sturmzone bedeutet mittleren Wind von 25 m/s oder mehr; ein starker Taifun Maximalwind von 33 m/s oder mehr und unter 44 m/s.
Auf diesen Schrank wirkt bei einem starken Taifun (40 m/s) eine horizontale Kraft von etwa 1.5 kN (entspricht rund 160 kg). Höhe, Böen und ein anderer Kraftbeiwert ändern den Wert auch bei gleicher Geschwindigkeit.
Die folgende Abbildung zeigt, wie Druck auf die Schrankfront und horizontale Kraft mit der Windgeschwindigkeit wachsen; aktuelle Geschwindigkeit, Staudruck und horizontale Kraft (kN und kg-Entsprechung) laufen als Zahlen mit. Sie zeigt auch, wo die aktuelle Geschwindigkeit in den JMA-Taifunkategorien und auf der Hurrikanskala (SSHWS) liegt. Die JMA verwendet 10-Minuten-Mittel, die Hurrikanskala 1-Minuten-Mittel; die Kategorien decken sich bei gleicher Geschwindigkeit also nicht. Die Gehäusefestigkeit ist je Gerät verschieden; weder Tabelle noch Abbildung ersetzen einen zulässigen Wert.
Schneehöhe und Schneelast
Die Last eines Dachs darf nie allein aus der Schneehöhe bestimmt werden. Schnee wird schwerer, wenn er Regen aufnimmt, und je nach Wetter kann er schmelzen und sich verdichten, bevor Neuschnee darauf fällt — am Ende ist er schwerer, als er aussieht. Lichtkuppeln und Traggestelle können zudem unter einer örtlichen Anhäufung an ihre Grenze kommen, bevor die mittlere Dachlast kritisch wird. Schnee ist außerdem eine Bedingung mit starken regionalen Unterschieden.
Als Beispiel dient das Dach eines Vordachs im Freien, 2.0 m × 2.0 m; die Fläche beträgt 4.0 m². Die Flächenlast des Schnees setzen wir auf den mit Japans Baustandardgesetz üblichen Wert fest: 20 N/m² je Zentimeter Höhe, also 2 kN/m³. Die Schneelast ist die senkrechte Kraft je Flächeneinheit, die Last des ganzen Dachs dieser Wert mal Fläche. Beides sind Anhaltswerte, keine Werte für die Geräteauswahl.
| Fall | Schneehöhe | Schneelast | Last des ganzen Dachs |
|---|---|---|---|
| 30 cm Schnee | 0.3 m | 0.6 kN/m² | Etwa 2.4 kN (entspricht rund 240 kg) |
| 60 cm Schnee | 0.6 m | 1.2 kN/m² | Etwa 4.8 kN (entspricht rund 490 kg) |
| 1 m, üblich in schneereichen Regionen | 1.0 m | 2.0 kN/m² | Etwa 8 kN (entspricht rund 800 kg) |
| Derselbe 1 m, wassergesättigt | 1.0 m | 4.0 kN/m² | Etwa 16 kN (entspricht rund 1 600 kg) |
Die Flächenlast beträgt 20 N/m² je Zentimeter Höhe (2 kN/m³). Nur die letzte Zeile verdoppelt die Flächenlast, als Anhalt für wassergesättigten Schnee. 1 kN entspricht grob einer Kraft von 100 kg.
Auf dieses Dach von 2 m Kantenlänge wirken bei 1 m Schnee etwa 8 kN nach unten (entspricht rund 800 kg). Die letzte Zeile zeigt: Bei gleicher Höhe wiegt wassergesättigter Schnee mehr.
Die folgende Abbildung zeigt, wie die Stützenlast mit der Höhe wächst — und wie bei Regen auf den liegenden Schnee die Dichte steigt und die Kraft in den Stützen bei gleicher Höhe weiter zunimmt. Die Profilauslegung wird nicht behandelt.
Zusammenfassung
Bei der Spannung die Messpunkte trennen — AC-Eingang, 24-V-Steuerspannung — und für jeden die Abweichung und die Haltezeit (Hold-up) prüfen. Der Netzanschluss bestimmt, wie auch immer die Ebene in Ihrer Region heißt, wo die Spannung einbricht und wie weit ein Ausfall reicht. Beim Erdbeben wird Beschleunigung zu Ankerlast, beim Wind Geschwindigkeit zu Flächendruck, beim Schnee Höhe zu Last. Was die Auslegung verwendet, sind die Werte nach diesen Umrechnungen. Empfohlene Blechdicken oder Ankerdurchmesser sowie Urteile allein danach, wo Ereignisse früher auftraten, liegen außerhalb dieses Artikels.
Häufige Fragen
Q1. Hält eine SPS ±10% der Nennspannung aus?
A. Der Typenschildbereich des AC-Eingangs und die Zeit, die der 24-V-Ausgang gehalten werden kann, sind zwei verschiedene Dinge. Bei einem Weitbereichsnetzteil kann daher die Ausgangsseite zuerst abfallen, während der AC-Eingang noch ansteht. Und Schütze können noch davor öffnen.
Q2. Beseitigt eine höhere Anschlussebene die Spannungseinbrüche?
A. Der netzseitige Strom wird kleiner, aber Anläufe und Schweißen auf der Sekundärseite bleiben. Beim Bezug auf Verbraucherspannung erreicht derselbe Puls das Netz dagegen leichter.
Q3. Sind Intensität und Beschleunigung dasselbe?
A. Nein. Die Intensität ist eine Skala für die Erschütterung an einem Ort, keine Kraft. Auf die Anker wirkt Beschleunigung mal Masse. Und innerhalb einer Intensitätsstufe streut die Beschleunigung stark.
Q4. Was passiert mit dem Winddruck, wenn sich die Windgeschwindigkeit verdoppelt?
A. Der Druck auf eine Fläche vervierfacht sich ungefähr, weil der Druck proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist. In der Tabelle des Taifun-Abschnitts bilden 18 m/s und 36 m/s dieses Paar. Für den Schaltschrank im Freien, 0.8 m breit und 2.0 m hoch, sind das rund 30 kg-Entsprechung bei 18 m/s und rund 130 kg-Entsprechung bei 36 m/s.
Q5. Steht die Last fest, wenn die Schneehöhe bekannt ist?
A. Die Höhe allein legt sie nicht fest; mal der Flächenlast wird daraus eine Kraft nach unten. Für das Dach mit 2 m Kantenlänge entspricht 1 m Schnee rund 800 kg, derselbe 1 m wassergesättigten Schnees rund 1 600 kg. Örtliche Anhäufungen können außerdem die Tragfähigkeit eines Profils vor der mittleren Last überschreiten.
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