Protezione Contro I Fulmini

Sorgenti di Danno e Tipi di Danno

Un fulmine può danneggiare una struttura perché la colpisce direttamente, oppure perché colpisce i servizi entranti nella struttura stessa (ad es. linee di energia o di segnale, tubazioni di acqua, gas o altri fluidi, ecc.), o infine perché cade a terra in prossimità della struttura o dei servizi suddetti.

I danni prodotti dal fulmine possono essere essenzialmente di tre tipi:

D1: danni ad esseri viventi, essenzialmente morte o lesione di persone o di animali;

D2: danni fisici, quali incendi, esplosioni, rotture meccaniche, rilascio di sostanze tossiche, ecc.;

D3: avarie di apparecchiature elettriche ed elettroniche.

La norma identifica quattro sorgenti di danno (S) a seconda del punto di caduta del fulmine:

S1 Fulminazione Diretta della struttura

S2 Fulminazione Indiretta della struttura

S3 Fulminazione Diretta di una Linea Elettrica Entrante nella struttura

S4 Fulminazione Indiretta di una Linea Elettrica Entrante nella struttura

S1 : Fulminazione Diretta della struttura

(il fulmine colpisce la struttura). I fulmini che colpiscono direttamente una struttura possono causare i seguenti tipi di danno:

morte di persone o animali per tensioni di contatto e di passo dovute ad accoppiamento resistivo e induttivo (D1);

danni meccanici, incendi o esplosioni a causa delle altissime temperature del canale di fulmine, o del valore di corrente (sovratemperatura dei conduttori), o per la quantità di carica trasportata (perforazione di tubi, serbatoi, ecc.), nonché incendi o esplosioni innescati dalle scariche pericolose che si possono verificare per accoppiamento resistivo e induttivo (D2);

avaria di apparecchiature elettriche ed elettroniche per sovratensioni dovute ad accoppiamento resistivo ed induttivo (D3).

S2: Fulminazione Indiretta della struttura

(il fulmine cade a terra in prossimità della struttura). Questi fulmini possono causare l’avaria di apparecchiature elettriche ed elettroniche per sovratensioni dovute ad accoppiamento induttivo (D3).

S3: Fulminazione Diretta di una Linea Elettrica Entrante nella struttura

(il fulmine colpisce una linea elettrica di energia e/o segnale entrante nella struttura). Questi fulmini possono causare:

morte di persone o animali per tensioni di contatto dovute alle correnti di fulmine trasmesse dalla linea (D1);

incendi o esplosioni innescati dalle scariche pericolose dovute alle sovratensioni trasmesse dalla linea (D2);

avaria di apparecchiature elettriche ed elettroniche per sovratensioni trasmesse dalla linea (D3).

S4: Fulminazione Indiretta di una Linea Entrante nella struttura

(il fulmine cade in prossimità di una linea entrante nella struttura). Questi fulmini possono causare l’avaria di apparecchiature elettriche ed elettroniche per sovratensioni trasmesse dalla linea (D3).

La norma assume che un incendio possa avvenire solo in caso di fulminazione diretta della struttura o della linea, perché in tal caso si ha, attraverso la scarica, il passaggio di una parte della corrente di fulmine caratterizzata da un’elevata energia sufficiente per innescare l’incendio.

Si noti che tra i servizi entranti sono considerate solo le linee elettriche. Le tubazioni entranti nell’edificio infatti devono essere connesse al nodo principale di terra della struttura nel punto di ingresso (collegamento equipotenziale principale, CEI 64-8 art. 413.1.2.1) e pertanto, la loro fulminazione, diretta o indiretta, non causa in genere danni all’interno dell’edificio.

Una novità sostanziale introdotta dalla nuova norma emerge dall’analisi dei danni considerati per la sorgente di danno S3 (fulminazione diretta della linea).

La norma CEI 81-4, infatti, considerava soltanto il danno conseguente all’incendio (ex componente C) e trascurava la morte di persone o animali per tensioni di contatto dovute alle correnti di fulmine trasmesse dalla linea, nonché l’avaria di apparecchiature elettriche ed elettroniche per sovratensioni trasmesse dalla linea.

Secondo la norma CEI 81-4, inoltre, l’incendio poteva essere innescato solo dalla fulminazione diretta di una linea elettrica di energia, mentre la nuova norma estende questo rischio anche alle linee di segnale.

In pratica la nuova norma, a differenza della norma CEI 81-4, ritiene possibile che una linea di segnale trasporti corrente di fulmine all’interno della struttura servita.

La nuova norma aumenta il livello di sicurezza, ma complica inevitabilmente l’analisi del rischio.


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Il Rischio e le Perdite

LOgnuno dei tre tipi di danno sopra definiti, da solo o in combinazione con gli altri, può produrre perdite di natura diversa secondo le caratteristiche della struttura. I tipi di perdita e i relativi rischi da valutare sono: L1: Perdita di vite umane – Rischio R1 L2: Perdita di servizio pubblico - Rischio R2 L3: Perdita di patrimonio culturale insostituibile – Rischio R3 L4: Perdita economica – Rischio R4 Le perdite L1, L2, L3 hanno un carattere sociale perché riguardano l’intera collettività; la perdita L4 invece è di natura privata in quanto le perdite economiche riguardando solo chi le subisce. Per questo motivo la norma impone la valutazione di L1, L2, L3 e lascia la facoltà di valutare e accettare la perdita L4. La corrispondenza tra sorgenti di danno (S), tipi di danno (D) e tipi di perdita (L) è riportata in tabella A. Una struttura, a seconda della destinazione d’uso, può essere interessata da più tipi di perdita contemporaneamente. Ad esempio, in un edificio adibito ad abitazione si possono verificare perdite di tipo L1 e L4; in un museo, perdite di tipo L1, L3 ed 14; in una centrale telefonica non presidiata, perdite di tipo L2 e L4, ecc. In genere la perdita di tipo L4 è presente in tutti gli edifici, indipendentemente dalla loro destinazione d’uso. Tabella A – Relazione tra sorgente di danno (S1, S2, S3, S4), tipo di danno (D1, D2, D3) e tipo di perdita (L1, L2, L3, L4): 


Legenda Tabella A: (1) Solo nel caso di strutture con rischio di esplosione, di ospedali o di altre strutture in cui guasti di impianti interni provocano direttamente la perdita di vite umane. (2) Nel caso di strutture ad uso agricolo (perdita di animali). 


Componenti di Rischio

Per una struttura il rischio (R) relativo al fulmine, in un dato periodo di tempo, è il prodotto del numero di fulmini (N) che possono interessare quella struttura nel periodo di tempo considerato (in genere un anno), per la probabilità (P) che il fulmine provochi una perdita, per l’entità media della perdita conseguente (L): R = N * P * L Per ogni tipo di perdita, il rischio relativo è la somma di diversi rischi parziali chiamati “componenti di rischio” Le componenti che possono concorrere a determinare il tipo di rischio considerato sono classificate per sorgente di danno e per tipo di danno, cioè in modo analogo alla vecchia norma CEI 81-4. La nuova norma, però, aumenta il numero di componenti e cambia le lettere che le identificano; alcune lettere non sono più usate (ad es. la lettera H per le tensioni di contatto e di passo), altre identificano nuove componenti con significati differenti (ad es. la lettera A non identifica più il rischio di incendio, ma bensì il rischio di tensioni di contatto e di passo). Facile immaginare la confusione e lo sconcerto davanti all’ennesimo cambio della norma. È il prezzo da pagare per la costruzione di una normativa tecnica europea (magra consolazione). Il significato delle nuove componenti di rischio è di seguito illustrato. 

Componente A La componente di rischio A è relativa ai danni ad esseri viventi per tensioni di contatto e di passo, dovute ad un fulmine diretto sull’edificio (S1), in una fascia di 3 m all’esterno della struttura (ex componente H). Si noti che la zona in cui considerare il pericolo è una fascia di 3 m e non più 5 m come prescriveva la norma CE 81-4. All’interno della struttura questa componente di rischio è ritenuta trascurabile. Le perdite che si possono avere sono L1 (perdita di vite umane) ed L4 (perdita di animali) se l’edificio è adibito ad uso agricolo.

Componente B La componente di rischio B riguarda i danni fisici causati da incendi e/o esplosioni innescati dalle scariche pericolose che hanno luogo in seguito alla fulminazione diretta della struttura (S1), ex componente A. Le perdite che si possono avere sono L1 (perdita di vite umane), L2 (perdita di servizio pubblico) se l’edificio fa parte delle infrastrutture di reti adibite a tale servizio, L3 (perdita di patrimonio culturale) se l’edificio è adibito a museo o attività simili, L4 (perdita economica).

Componente C La componente di rischio C si riferisce ai danni agli impianti interni della struttura, ossia l’avaria di apparecchiature elettriche ed elettroniche, causati dal LEMP (lightning electromagnetic pulse) originato dalla variazione repentina del campo elettromagnetico associato all’impulso della corrente di fulmine che colpisce l’edificio (S1), ex componente D. Tale fenomeno è particolarmente insidioso in quanto determina elevate tensioni indotte di tipo impulsivo all’interno di tutte le spire presenti all’interno della struttura. I danni sugli impianti si hanno qualora le tensioni indotte superino la tensione di tenuta ad impulso dei componenti elettrici. Le perdite che si possono avere sono L1 (perdita di vite umane), se l’edificio è a rischio di esplosione, o se è un ospedale o è comunque adibito ad attività in cui l’avaria di apparecchiature elettriche o elettroniche può avere come diretta conseguenza la morte di persone, L2 (perdita di servizio pubblico) se l’edificio fa parte delle infrastrutture di reti adibite a tale servizio, L4 (perdita economica). 

Componente M La componente di rischio M considera i danni agli impianti interni della struttura, ossia l’avaria di apparecchiature elettriche ed elettroniche, causati dal LEMP originato dal fulmine che colpisce in prossimità della struttura (S2). È la stessa componente M della norma CEI 81-4. Le perdite che si possono avere sono L1 (perdita di vite umane), se l’edificio è a rischio di esplosione, o se è un ospedale o è comunque adibito ad attività in cui l’avaria di apparecchiature elettriche o elettroniche può avere come diretta conseguenza la morte di persone, L2 (perdita di servizio pubblico) se l’edificio fa parte delle infrastrutture di reti adibite a tale servizio, L4 (perdita economica). 

Componente U La componente di rischio U concerne i danni ad esseri viventi per tensioni di contatto all’interno della struttura, dovute ad un fulmine diretto sulla linea entrante (S3). E una nuova componente di rischio. La nuova norma, infatti, non ritiene più trascurabile la probabilità che a causa di una fulminazione diretta della linea si determini un difetto di isolamento all’interno della struttura con conseguente pericolo per tensioni di contatto. Le perdite che si possono avere sono L1 (perdita di vite umane) ed L4 (perdita di animali) negli edifici adibiti ad uso agricolo. 

Componente V La componente di rischio V attiene i danni fisici causati da incendi e/o esplosioni innescati dalle scariche pericolose che hanno luogo in seguito alla fulminazione diretta della linea (S3), ex componente C. Le perdite che si possono avere sono L1 (perdita di vite umane), L2 (perdita di servizio pubblico) se l’edificio fa parte delle infrastrutture di reti adibite a tale servizio, L3 (perdita di patrimonio culturale) se l’edificio è adibito a museo o attività simili, L4 (perdita economica). 

Componente W La componente di rischio W contempla i danni agli impianti interni della struttura, ossia l’avaria di apparecchiature elettriche ed elettroniche, causati dalle sovratensioni indotte sulla linea entrante nella struttura da un fulmine che colpisce direttamente la linea (S3). È una nuova componente di rischio. La norma CEI 81-4, infatti, riteneva trascurabile il rischio connesso a questa tipologia di sovratensioni. Le perdite che si possono avere sono L1 (perdita di vite umane), se l’edificio è a rischio di esplosione, o se è un ospedale o è comunque adibito ad attività in cui l’avaria di apparecchiature elettriche o elettroniche può avere come diretta conseguenza la morte di persone, L2 (perdita di servizio pubblico) se l’edificio fa parte delle infrastrutture di reti adibite a tale servizio, L4 (perdita economica). 

Componente Z La componente di rischio Z interessa i danni agli impianti interni della struttura, ossia l’avaria di apparecchiature elettriche ed elettroniche, causati dalle sovratensioni indotte sulla linea entrante nella struttura da un fulmine che colpisce in prossimità della linea (S4), ex componente G. Le perdite che si possono avere sono L1 (perdita di vite umane), se l’edificio è a rischio di esplosione, o se è un ospedale o è comunque adibito ad attività in cui l’avaria di apparecchiature elettriche o elettroniche può avere come diretta conseguenza la morte di persone, L2 (perdita di servizio pubblico) se l’edificio fa parte delle infrastrutture di reti adibite a tale servizio, L4 (perdita economica). - 

Componenti di rischio da considerare per ogni tipo di perdita.

Calcolo del Rischio


Solo per strutture con rischio di esplosione, per ospedali con apparecchiature essenziali per la vita umana e per edifici in genere in cui l’avaria di apparecchiature elettriche ed elettroniche può causare direttamente la perdita di vite umane. (2) Solo per edifici agricoli in cui vi sia possibilità di perdita di animali. Col segno X : si considera la componente di rischio indicata in testa alla colonna. Col segno – : non si considera la componente di rischio indicata in testa alla colonna.

Il valore totale del rischio (R) è la somma delle componenti di rischio considerate.

Il rischio complessivo può essere visto anche come somma di contributi legati al tipo di fulminazione (diretta o indiretta) o tipo di danno (ad esseri viventi, alle cose o alle apparecchiature).

Con riferimento al tipo di fulminazione:

R = Rd + Ri

dove:

Rd = Ra + Rb + Rc

è il rischio relativo ai fulmini che colpiscono direttamente la struttura (fulminazione diretta della struttura);

Ri = Rm + Ru + Rv + Rw + Rz

è il rischio relativo ai fulmini che non colpiscono direttamente la struttura (fulminazione indiretta della struttura e fulminazione diretta e indiretta delle linee entranti).

Con riferimento al tipo di danno:

R = Rs + Rf + Ro

dove:

Rs = Ra + Ru

è il rischio relativo ai danni ad esseri viventi;

Rf = Rb + Rv

è il rischio relativo ai danni fisici;

Ro = Rc + Rm + Rw + Rz

è il rischio relativo alle avarie di apparecchiature elettriche ed elettroniche.

3.2 Calcolo delle componenti di rischio

Le formule per calcolare le componenti di rischio discendono dall’espressione generale del rischio:

R = N • P • L

Il numero di fulmini all’anno N che interessano una struttura dipende da:
•densità di fulmini a terra per chilometro quadrato e per anno (Nt);
•dimensioni e posizione ambientale della struttura;
•numero, tipo (aerea/interrata) e lunghezza delle linee elettriche entranti;
•caratteristiche, posizione ambientale e dimensioni degli edifici collegati alle linee elettriche entranti.

La probabilità P che un fulmine provochi il danno nella struttura considerata dipende da:
•caratteristiche della struttura;
•resistività superficiale del suolo all’esterno della struttura e dei pavimenti all’interno della struttura;
•contenuto della struttura;
•caratteristiche degli impianti elettrici e di segnale interni alla struttura;
•caratteristiche delle linee entranti;
•eventuali misure di protezioni presenti.

L’entità media L della perdita conseguente è funzione di:
•tipo di perdita considerata;
•destinazione d’uso della struttura;
•presenza e tempo di permanenza di persone;
•valore economico della struttura, del suo contenuto e delle attività svolte;
•misure di protezione adottate per limitare il danno;
•particolari fattori che possono amplificare il danno.

Le formule per calcolare le componenti di rischio sono analoghe come struttura a quelle della vecchia norma CEI 81-4, ma in pratica completamente differenti nella sostanza.

Le novità sono numerose e riguardano aspetti importanti come il modo di valutare il rischio tramite nuovi coefficienti e diverse regole di calcolo, ma anche aspetti secondari relativi a coefficienti già noti.

Classificazione di un Edificio in Zone

Una novità sostanziale introdotta dalla nuova norma, con riferimento al calcolo del rischio, è il concetto di zona che consente di assumere per la probabilità P e l’entità media delle perdite L valori diversi all’interno di uno stesso edificio. L’edificio può essere ripartito in zone omogenee in cui i parametri necessari per il calcolo di una determinata componente di rischio hanno un valore costante. In tal caso, il rischio complessivo della struttura è la somma dei rischi di zona. Il calcolo delle componenti di rischio attraverso la definizione delle zone consente di ottimizzare la protezione e limitare i costi in quanto le misure di protezione sono solo quelle necessarie per ogni zona. Per contro il metodo è oneroso nei calcoli e spesso, se le zone sono numerose, non è di semplice applicazione in assenza di un adeguato ausilio informatico. In alternativa, a favore della sicurezza, è possibile considerare la struttura come un’unica zona, assegnando ad ogni parametro il valore più cautelativo. In tal caso l’analisi del rischio è semplificata, ma il rischio complessivo è molto sovrastimato con la conseguente necessità di adottare misure di protezione in realtà non necessarie. Per suddividere in zone un edifico occorre tenere conto che i parametri per il calcolo delle componenti di rischio sono diversi da componente a componente e i loro valori cambiano, per ogni componente, con il tipo di rischio considerato. In un edificio, pertanto, le zone possono essere definite per ogni tipo di rischio e per ogni componente di rischio; inoltre esse possono essere diverse da rischio a rischio e da componente a componente. Un efficace criterio per la suddivisione di un edificio in zone tiene conto delle caratteristiche della struttura e del loro effetto sulle componenti di rischio; ad esempio influiscono: i compartimenti antincendio esistenti o che si intendono realizzare per confinare locali ad alto rischio di incendio o con elevato valore delle perdite (effetto sulle componenti Rb ed Rv); le eventuali schermature elettromagnetiche esistenti o che si possono prevedere, ad esempio la schermatura di circuiti elettrici ed elettronici (effetto sulle componenti Rc, Rm, Rw ed Rz); la tensione di tenuta ad impulso delle apparecchiature o la disposizione del cablaggio all’interno dei locali (effetto sulle componenti Rc, Rm, Rw ed Rz); i tipi di suolo (all’esterno della struttura) o di pavimento (all’interno della struttura) e l’eventuale presenza di persone ovvero di animali negli edifici agricoli (effetto sulle componenti Ra ed Ru). Altri criteri possono essere di guida per identificare le zone, ad esempio il valore economico delle apparecchiature installate, la loro particolare sensibilità o funzione svolta. Al limite si potrebbe definire le zone anche a seconda del valore medio delle perdite conseguenti alla fulminazione della struttura. 

Necessità o Convenienza delle Misure di Protezione

La procedura semplificata per stabilire se una struttura è autoprotetta e quindi non richiede misure di protezione (Appendice G, norma CE 81-1) viene meno con l’abrogazione della vecchia norma. La nuova norma non prevede un percorso semplificato per stabilire se occorre adottare misure di protezione contro la fulminazione; pertanto, occorre calcolare il rischio complessivo della struttura, per ognuno dei tipi di danno presenti, e confrontare tale valore con il rischio tollerato dalla norma (Rt). La norma stabilisce il valore di rischio tollerabile nel caso in cui il fulmine coinvolga la perdita di vite umane, la perdita di servizio pubblico o di patrimonio culturale insostituibile, tabella D. - 

Se R ≤ Rt la protezione contro il fulmine non é necessaria; se R > RT devono essere adottate misure di protezione al fine di rendere R ≤ Rt per tutti i rischi considerati. 

Procedura per valutare necessita' di protezione e convenienza economica

Misure di Protezione

La nuova norma integra le misure di protezione previste dalla norma CEI 81-4 e ne modifica il loro effetto sulle componenti di rischio. Per ridurre il rischio dovuto al fulmine esistono diverse misure di protezione, ognuna delle quali può avere effetto su una o più componenti di rischio. In relazione al caso considerato, le misure di protezione hanno prestazioni e costi diversi e la loro efficacia è subordinata al rispetto di specifici vincoli di installazione. La scelta delle misure di protezione più idonee, pertanto, va effettuata in relazione a: componente di rischio da ridurre; fattibilità tecnica, a seconda dei vincoli da rispettare; costo. Le principali misure di protezione sono: l’impianto di protezione contro i fulmini (LPS – Lightning Protection System) la cui realizzazione va eseguita in conformità alla norma CEI EN 62305-3; un sistema di SPD realizzato in conformità alla norma CEI EN 62305-4. Una delle novità principali introdotte dalla norma con riferimento alle misure di protezione è proprio il cosiddetto sistema di SPD. Con tale termine si indica un insieme di SPD opportunamente scelti, coordinati ed installati al fine di ridurre i guasti negli impianti elettrici ed elettronici. Le caratteristiche che deve avere il sistema di SPD per svolgere in modo efficace la propria funzione protettiva dipende da numerosi parametri. Gli SPD ad esempio vanno scelti a seconda del loro punto di installazione nell’impianto e della relativa corrente di scarica, della tensione di tenuta ad impulso delle apparecchiature da proteggere e della distanza esistente tra queste e l’SPD. In particolare la distanza tra apparecchiature e SPD, nei casi previsti dalla norma CEI EN 62305-4, deve essere inferiore alla distanza di protezione determinata da fenomeni di oscillazione e induzione. La norma contempla altre misure di protezione (integrative) che riducono la probabilità di danno, limitano le conseguenze delle perdite da incendio o impediscono il contatto con parti pericolose all’esterno della struttura. L’adozione di una o più di queste misure di protezione si traduce nell’applicazione, alle formule del calcolo del rischio, di coefficienti minori di uno che ne riducono il valore complessivo. Le misure di protezione integrative previste dalla nuova norma sono: a) Misure per Ridurre la Probabilità di Danno: incremento della resistività superficiale del suolo nella fascia di 3 m intorno alla struttura; incremento della resistività superficiale dei pavimenti interni della struttura; schermatura totale o parziale della struttura; schermatura dei circuiti interni alla struttura; idonea distribuzione del cablaggio dei circuiti interni alla struttura; uso di apparecchiature con tensione di tenuta ad impulso elevata; schermatura delle linee elettriche entranti. b) Misure per Limitare l’Entità delle Perdite da Incendio: estintori; idranti; impianti di allarme incendio; impianti di estinzione; vie di fuga protette; compartimentazione antincendio. c) Misure per Impedire il Contatto con parti Pericolose all’Esterno: isolamento; barriere; cartelli monitori. Fonte articolo: TuttoNormel 



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