I tetti vengono sempre più frequentemente utilizzati come area per apparecchiature tecniche. Specialmente per gli ampliamenti dell’attrezzatura tecnica di un edificio, vengono installati impianti voluminosi proprio sulle superfici del tetto di grandi edifici per uffici e capannoni industriali. In questo caso è necessario proteggere le varie strutture installate sul tetto, come gli impianti di condizionamento e di raffreddamento, le antenne di impianti di telefonia mobile posti in spazi in affitto sugli edifici, lampioni, sfiati dei fumi e altri impianti collegati all’impianto elettrico in bassa tensione (Figura 5.1.11.1).

In base alle norme di protezione contro i fulmini vigenti della serie CEI EN 62305 (CEI 81-10), queste strutture sul tetto possono essere protette dalla fulminazione diretta con l’installazione di un sistema di captazione isolato. In tale contesto vengono isolati sia i dispositivi di captazione come aste, punte o maglie, sia le calate, cioè vengono installate rispettando una distanza di sicurezza sufficiente dalle costruzioni installate sul tetto e situate entro il volume protetto. Attraverso la costruzione di un impianto di protezione contro i fulmini isolato si crea un volume protetto dalle fulminazioni dirette e inoltre viene evitata l’infiltrazione di correnti parziali di fulmine all’interno dell’edificio. Questo è importante, dal momento che l’infiltrazione di correnti parziali di fulmine può creare interferenze agli impianti elettrici/elettronici o distruggerli. Per strutture di notevoli dimensioni viene inoltre installato un sistema di dispositivi di captazione isolati. Questi sono collegati sia tra loro sia con l’impianto di terra. Le dimensioni del volume protetto corrispondente dipendono, tra l’altro, dal numero e dall’altezza dei dispositivi di captazione installati. La protezione per le strutture di dimensioni inferiori viene ottenuta attraverso una sola asta di captazione. In questo caso viene utilizzato il metodo della sfera rotolante secondo la norma CEI EN 62305-3 (CEI 81-10/3) (Figura 5.1.11.2). Con il metodo della sfera rotolante, viene fatta rotolare in tutte le direzioni possibili, sui lati e sopra la struttura, una sfera con un raggio che dipende dalla classe di LPS scelta. La sfera rotolante può toccare solamente il suolo (superficie di riferimento) e/o l’impianto di captazione. Con questo metodo si ottiene un volume protetto, all’interno del quale non possono verificarsi fulminazioni dirette.Per ottenere un volume protetto il più ampio possibile, oppure per poter proteggere dalla fulminazioni dirette le costruzioni poste sul tetto e di notevoli dimensioni, bisogna installare delle aste di captazione con altezza adeguata. Per questo le aste di captazione indipendenti, attraverso una disposizione della base adeguata e dei sostegni supplementari, vengono protette contro il ribaltamento e la rottura (Figura 5.1.11.3).Alla necessità di avere un’altezza maggiore possibile dell’asta di captazione indipendente si contrappone tuttavia una maggiore sollecitazione dell’asta dall’esposizione al vento. Allo stesso tempo per la facilitazione del trasporto e del montaggio, è necessaria una costruzione leggera del sistema “asta di captazione indipendente”. Per l’utilizzo sicuro delle aste di captazione sui tetti deve perciò essere verificata la loro stabilità.

Sollecitazioni prodotte dal vento

Poiché l’utilizzo di aste di captazione indipendenti avviene in luoghi esposti (ad esempio sui tetti), si hanno delle sollecitazioni meccaniche che in base al luogo di utilizzo e alla velocità del vento equivalgono alle sollecitazioni a cui vengono normalmente sottoposte le strutture portanti delle antenne. Per quanto riguarda la resistenza meccanica delle aste di captazione indipendenti, valgono principalmente gli stessi requisiti imposti alle strutture portanti di antenne, come definite nella norma EN 1993-3-1, Eurocodice 3: Progettazione delle strutture di acciaio – Parte 3-1: Torri, pali e ciminiere – Torri e pali. Nella (Figura 5.1.11.4) è visibile la suddivisone in zone per l’Italia. Per questo la disposizione delle aste di captazione viene calcolata con una velocità media del vento di 145km/h e quindi adattabile alle maggiori situazioni nelle zone 1, 2 e 3, che nell’insieme coprono all’incirca il 80% del territorio italiano.

Per l’installazione di aste di captazione indipendenti devono essere rispettati i seguenti requisiti dal punto di vista della sollecitazione prodotta dai carichi di vento:

• sicurezza delle aste di captazione contro il ribaltamento;
• sicurezza contro la rottura delle aste;
• rispetto delle distanze di isolamento necessarie verso l’oggetto da proteggere, anche sotto l’effetto del carico del vento (evitare flessioni inammissibili).

Determinazione della resistenza al ribaltamento

La forza del vento che agisce sulla superficie dell’asta di captazione esposta al vento, genera una linea di carichi sulla superficie (q‘) che a sua volta produce un momento ribaltante (M_T) sull’asta di captazione indipendente. Per assicurare la stabilità dell’asta di captazione indipendente occorre una coppia antagonista (M_L) prodotta dal supporto, atta a contrastare il momento ribaltante (M_T). La grandezza della coppia antagonista (M_L) dipende dal peso e dal raggio del basamento. Se il momento ribaltante è maggiore della coppia antagonista, l’asta di captazione cadrà a causa del carico dovuto al vento. La prova di stabilità delle aste di captazione indipendente viene effettuata attraverso calcoli statici. Nel calcolo, oltre ai valori di riferimento meccanici dei materiali utilizzati, vengono integrate anche le seguenti indicazioni:

• Superficie esposta al vento dell’asta di captazione:
  determinata dalla lunghezza e dal diametro delle singole parti dell’asta di captazione.
• Superficie esposta al vento dei supporti:
  le aste di captazione indipendenti di altezza molto elevata sono sostenute da tre supporti fissati in modo uniforme attorno alla circonferenza. La superficie esposta al vento dei supporti corrisponde alla loro superficie proiettata su un piano ortogonale rispetto alla direzione del vento, pertanto la lunghezza dei supporti utilizzata nel calcolo risulta accorciata di conseguenza. ̈Peso dell’asta di captazione e dei supporti:per il calcolo della coppia antagonista va considerato il peso proprio dell’asta di captazione e dei supporti.
• Peso del basamento:
  il basamento è una costruzione a forma di treppiede, zavorrata da blocchi in calcestruzzo. Il peso del basamento è composto dal peso proprio del treppiede e dalle masse singole dei blocchi in calcestruzzo sovrapposti.
• Leva di ribaltamento del basamento:
  la leva di ribaltamento costituisce la distanza minore tra il centro del treppiede e la linea o il punto attorno al quale il sistema si ribalterebbe.

La stabilità si verifica confrontando le seguenti coppie:

• Momento ribaltante:
  dato dalla forza dovuta al carico del vento sull’asta e sui sostegni e dalla leva costituita dall’asta di captazione.
• Coppia antagonista:
  data dal peso del basamento, dal peso dell’asta di captazione e dei sostegni e della lunghezza della leva di ribaltamento del treppiede.

La stabilità è raggiunta quando il rapporto tra la coppia antagonista e il momento ribaltante presenta un valore >1. Fondamentalmente si avrà che maggiore è il rapporto tra coppia antagonista e momento ribaltante maggiore sarà la stabilitàEsistono le seguenti possibilità per ottenere la stabilità necessaria.

• Per mantenere piccola la superficie esposta al vento dell’asta di captazione vengono utilizzate delle sezioni più piccole possibili. La sollecitazione sull’asta di captazione viene ridotta; per contro, tuttavia, la stabilità meccanica dell’asta di captazione diminuisce (pericolo di rottura dell’asta). E’ decisivo, perciò, un compromesso tra una sezione più piccola possibile per ridurre il carico dovuto al vento e una sezione più grande possibile per ottenere la resistenza necessaria.
• La stabilità può essere aumentata, se vengono utilizzati dei pesi più grandi e/o dei raggi del basamento maggiori. Questa necessità entra spesso in contraddizione con le limitate superfici di posizionamento e il requisito generale di peso minimo e semplicità di trasporto.

Realizzazione

Per poter offrire una superficie esposta al vento più ridotta possibile, le sezioni delle aste di captazione sono state ottimizzate in base ai risultati dei calcoli. Per facilitare il trasporto e il montaggio, l’asta di captazione è costituita da un tubo in alluminio (su richiesta componibile) e un’asta di captazione in alluminio. Il basamento è ripiegabile e viene fornito in due varianti. Quindi, inclinazioni del tetto fino a 10° possono essere corrette.

Determinazione della resistenza alla rottura

Oltre alla stabilità deve essere eseguita anche una prova di resistenza alla rottura dell’asta di captazione, poiché a causa del carico dovuto al vento si verificano delle sollecitazioni di flessione sull’asta di captazione indipendente. Il carico a flessione non deve superare il massimo carico ammissibile a flessione, ed esso aumenta con la lunghezza delle aste di captazione utilizzate. Le aste di captazione devono essere progettate in modo che il possibile carico dovuto al vento nelle zona 1, 2 o 3 non causi deformazioni permanenti nelle aste. Poiché bisogna prendere in considerazione la geometria esatta dell’asta di captazione e il comportamento non lineare dei materiali, la resistenza alla rottura delle aste di captazione indipendenti viene verificata per mezzo del calcolo agli elementi finiti (FEM). Il metodo degli elementi finiti (FEM) è un procedimento di calcolo numerico, con il quale possono essere calcolate le flessioni e deformazioni di strutture geometriche complesse. La struttura da analizzare viene suddivisa da superfici e linee immaginarie in cosiddetti “elementi finiti” collegati tra loro tramite nodi.
Per il calcolo sono necessarie le seguenti informazioni:

• Modello di calcolo FEM:
  Il modello di calcolo FEM corrisponde in forma semplificata alla geometria dell’asta di captazione indipendente.
• Caratteristiche dei materiali:
  Il comportamento del materiale viene definito tramite i valori di sezione, modulo di elasticità, compattezza e contraione trasversale.
• Sollecitazioni:
  Il carico dovuto al vento viene inserito nel modello geometrico come carico di pressione.

La resistenza alla rottura viene definita attraverso il confronto della sollecitazione di flessione ammessa (proprietà del materiale) e la sollecitazione di flessione massima (calcolata sul momento flettente e sulla sezione effettiva nel punto di massima sollecitazione).
La resistenza alla rottura viene verificata se il rapporto tra la sollecitazione di flessione ammissibile e la sollecitazione effettiva è > 1. Fondamentalmente vale anche in questo caso la seguente regola: più è grande il rapporto tra la sollecitazione di flessione ammessa e quella effettiva, maggiore sarà la resistenza alla rottura.

Con il modello di calcolo FEM sono stati calcolati i momenti flettenti per due aste di captazione (lunghezza = 8,5 m) con sostegno e senza sostegno in funzione dell’altezza delle aste di captazione (Figura 5.1.11.5). In tale contesto si può notare l’influenza di un eventuale sostegno sui momenti flettenti. Mentre il momento flettente massimo con asta di captazione senza sostegno nel punto di serraggio è di ca. 1270 Nm, il momento flettente si riduce grazie al sostegno a circa 460 Nm. Attraverso questo sostegno è possibile ridurre le sollecitazioni nell’asta fino al punto in cui con un carico dovuto al vento massimo presunto non venga superata la resistenza dei materiali utilizzati e quindi le aste di captazione non vengano distrutte.

Realizzazione

I sostegni creano un “punto di supporto” supplementare attraverso il quale le sollecitazioni di flessione presenti nell’asta di captazione vengono ridotte considerevolmente. Senza sostegno supplementare le aste di captazione non resisterebbero alle sollecitazioni del vento in zona 2. Per questo motivo le aste di captazione a partire da un’altezza di 6 m sono dotate di sostegni. Oltre ai momenti flettenti, il calcolo FEM fornisce anche i carichi nei sostegni per i quali va verificata la stabilità.

Determinazione della flessione dell’asta di captazione causata dal carico dovuto al vento

Un altro risultato di calcolo importante del modello FEM è la flessione della punta dell’asta di captazione. I carichi dovuti al vento provocano la flessione delle aste di captazione. La flessione dell’asta ha come conseguenza una variazione del volume da proteggere. Gli oggetti da proteggere non si trovano più nel volume protetto e/o le distanze di isolamento non vengono più rispettate. L’utilizzo del modello di calcolo su un’asta di captazione indipendente senza e con sostegno conduce ai risultati seguenti (Figura 5.1.11.6 e Figura 5.1.11.7). Dal calcolo risulta, per l’esempio selezionato, uno spostamento di ca. 1150 mm della punta dell’asta di captazione con sostegno. Senza sostegno si verificherebbe uno spostamento di ca. 3740 mm, un valore teorico che supera il limite di rottura dell’asta di captazione in esame.

Realizzazione

Sostegni supplementari al di sopra di una determinata altezza dell’asta portano a una notevole riduzione di tali deviazioni. Inoltre, si riduce anche il carico di flessione sull’asta. La resistenza al ribaltamento, alla rottura e alla flessione sono fattori decisivi per la progettazione delle aste di captazione. Basamento e asta di captazione devono essere coordinati in modo che le sollecitazioni che si verificano a causa della velocità del vento corrispondente alla zona di installazione (per esempio zona 2) non provochino un ribaltamento e/o un danneggiamento dell’asta.

Occorre inoltre considerare che notevoli flessioni dell’asta di captazione riducono la distanza di sicurezza e quindi potrebbero crearsi degli avvicinamenti non ammessi. Diventa a questo punto necessario un sostegno supplementare per le aste di captazione di altezza considerevole, in modo da evitare queste flessioni non ammesse delle punte delle aste di captazione. Le misure descritte garantiscono che le aste di captazione indipendenti, utilizzate in modo corretto, resistano alla velocità del vento prevista, per esempio, in zona 2.