Metodo della sfera rotolante – Modello elettrogeometrico

Nel caso di fulmini nube-terra, un canale discendente avanza con passi tortuosi verso terra. Quando il canale discendente è vicino al terreno, da alcune centinaia a poche decine di metri, viene superata la rigidità dielettrica dell’aria vicina al suolo. A questo punto parte dal terreno un canale simile al canale discendente in direzione della punta del canale discendente: si tratta del canale ascendente. Così viene stabilito il punto di impatto del fulmine (Figura 5.1.1.1).

Il punto di partenza del canale ascendente e quindi il futuro punto di impatto del fulmine viene determinato soprattutto dalla punta dal canale discendente. La punta del canale discendente può avvicinarsi a terra solo fino ad una determinata distanza. Questa distanza dipende dall’intensità del campo elettrico al suolo durante l’avvicinamento della punta del canale discendente. La minima distanza tra la punta del canale discendente e il punto di partenza del canale ascendente viene chiamato distanza della scarica finale hB (corrisponde al raggio della sfera rotolante).

Appena dopo il superamento della rigidità dielettrica in un punto, si forma il canale ascendente, che, superando la distanza di scarica disruptiva finale, causa il fulmine. Sulla base di osservazioni dell’effetto di protezione di funi di messa a terra e pali dell’alta tensione, è stato elaborato il cosiddetto modello elettrogeometrico.

Ciò si basa sull’ipotesi che la punta del canale discendente si avvicini agli oggetti al suolo senza subire alcuna influenza fino alla distanza della scarica disruptiva finale. Il punto di impatto viene perciò determinato dall’oggetto più vicino alla punta del canale discendente. Il canale ascendente che parte da lì si “impone” (Figura 5.1.1.2).

Classi di protezione LPS e raggio della sfera rotolante

In prima approssimazione, esiste una proporzionalità tra il valore di picco della corrente di fulmine e la carica elettrica accumulata nel canale discendente. Inoltre, l’intensità del campo elettrico al suolo durante l’avvicinamento di un canale discendente dipende in prima approssimazione in modo lineare dalla carica accumulata nel canale discendente. Esiste quindi una proporzionalità tra il valore di picco I della corrente di fulmine e la distanza della scarica disruptiva finale hB (= raggio della sfera rotolante):

r in m
I in kA

La protezione contro i fulmini degli edifici viene descritta nella norma CEI EN 62305-1 (CEI 81-10/1). Questa norma definisce tra l’altro la classificazione in diverse classi di LPS e stabilisce le misure di protezione contro i fulmini da esse derivanti.

Essa distingue quattro classi di protezione LPS. La classe I offre la protezione più alta, mentre la classe IV offre, al confronto, la protezione più bassa. Oltre alla classe di LPS è definita anche l’efficacia di intercettazione Ei dei dispositivi di captazione, cioè quale percentuale delle probabili fulminazioni può essere controllata sicuramente tramite i dispositivi di captazione. Da qui si ricava il tratto della scarica disruptiva finale e quindi il raggio della sfera rotolante. Le relazioni tra classe di protezione, efficienza dei dispositivi di captazione, distanza della scarica disruptiva finale/raggio della sfera rotolante e valore di picco della corrente sono raffigurati nella Tabella 5.1.1.1.

Considerando come base l’ipotesi del modello elettrogeometrico, secondo cui la punta del canale discendente si avvicina agli oggetti al suolo in modo arbitrario e senza subire alcuna influenza fino alla distanza della scarica finale, è possibile dedurre un procedimento generale che permette di controllare lo spazio da proteggere. Per applicare il procedimento della sfera rotolante è necessario un modello in scala dell’oggetto da proteggere (ad esempio in scala 1:100), sul quale siano riprodotti i bordi esterni e, all’occorrenza, i dispositivi di captazione. A seconda della posizione dell’oggetto in esame, è anche necessario includere gli edifici e oggetti circostanti, dal momento che questi potrebbero risultare efficaci come “misure di protezione naturali” per gli oggetti in esame.

E’ necessario, inoltre, utilizzare una sfera rotolante in scala il cui raggio corrisponda alla distanza della scarica finale (a seconda della classe di protezione LPS, il raggio r della sfera rotolante deve corrispondere in scala al raggio di 20, 30, 45 o 60 m). Il centro della sfera rotolante utilizzata corrisponde alla punta del canale discendente verso cui si formano i rispettivi canali ascendenti.

La sfera viene quindi fatta rotolare attorno all’oggetto in esame, e tutti i punti di contatto – che corrispondono ai possibili punti di abbattimento del fulmine – vengono segnati. In seguito la sfera rotolante viene fatta rotolare in tutte le direzioni sopra l’oggetto in esame. Di nuovo vengono segnati tutti i punti di contatto. Si rileveranno così sul modello tutti i punti di un eventuale abbattimento del fulmine; possono anche essere rilevate zone di abbattimenti laterali. Si potranno individuare chiaramente anche le zone protette che derivano dalla geometria dell’oggetto da proteggere e dal suo ambiente circostante. In questi punti non è necessario installare un dispositivo di captazione (Figura 5.1.1.3).

Occorre tuttavia osservare che in cima ad alcuni campanili sono già state rilevate tracce di fulminazione su parti che non erano state toccate direttamente dalla sfera rotolante. Questo si può spiegare con il fatto che in caso di fulmini multipli, la base del fulmine si sposta a causa delle condizioni del vento. Può perciò accadere che intorno ai punti di impatto rilevati si crei una zona di circa un metro, anch’essa soggetta a possibili abbattimenti di fulmini.

Esempio 1: nuova costruzione di un edificio amministrativo a Monaco

Nella fase di progettazione del nuovo edificio amministrativo è stato deciso – a causa della geometria complessa – di utilizzare il metodo della sfera rotolante per identificare le zone a rischio di fulminazione.

Questo è stato possibile perché era disponibile un modello architettonico dell’edificio in scala 1:100.
Era stato stabilito che fosse richiesta la classe LPS I, cioè, il raggio della sfera rotolante nel modello era di 20 cm (Figura 5.1.1.4).

Nei punti in cui la sfera rotolante tocca le parti dell’edificio, si può verificare una fulminazione con relativo valore di picco minimo della corrente di 3 kA (Figura 5.1.1.5). In tali punti erano quindi necessari dei dispositivi di captazione adeguati. Se oltre a questo, in quei punti oppure nelle immediate vicinanze venivano localizzati degli impianti elettrici (ad esempio sul tetto dell’edificio), dovevano essere adottate delle misure di captazione ampliate.

Attraverso l’utilizzo del metodo della sfera rotolante è stata così evitata l’installazione di impianti di captazione laddove dal punto di vista della tecnica di protezione non erano strettamente necessari. D’altro canto è stato possibile migliorare la protezione contro le fulminazioni dirette, laddove era necessario (Figura 5.1.1.5).

Esempio 2: Duomo di Aquisgrana

Il duomo si trova nel centro storico di Aquisgrana ed è circondato da diversi edifici alti. Direttamente vicino al duomo si trova un modello in scala 1:100, che serve a far capire meglio ai visitatori la geometria del duomo.

Gli edifici circostanti offrono al duomo di Aquisgrana, in parte, una protezione naturale contro le fulminazioni. A questo scopo, e anche per dimostrare l’efficacia delle misure di protezione contro i fulmini e la naturale protezione da esse offerta, è stato realizzato un modello alla stessa scala degli edifici circostanti (1:100) (Figura 5.1.1.6).

La Figura 5.1.1.6 mostra inoltre le sfere rotolanti per le classi di LPS II e III (cioè con raggi di 30 cm e 45 cm) sul modello. Lo scopo era quello di dimostrare l’aumento dei requisiti richiesti ai dispositivi di captazione con la riduzione del raggio della sfera rotolante, cioè quali zone del duomo di Aquisgrana possono essere inoltre considerate come esposte al pericolo di abbattimento del fulmine utilizzando la classe di LPS II, con un livello di protezione più elevato.

La sfera rotolante con raggio minore (corrispondente alla classe di protezione superiore) tocca naturalmente il modello in tutte le parti toccati anche dalla sfera più grande. E’ quindi necessario rilevare solo le parti di contatto supplementari. Per il dimensionamento dell’impianto di captazione, per una struttura oppure una costruzione montata sul tetto, è determinante (come dimostrato) la profondità di penetrazione della sfera rotolante.

Con la seguente formula è possibile calcolare la profondità di penetrazione p della sfera rotolante, quando questa viene fatta rotolare, ad esempio, su “rotaie”. Questo si può ottenere ad esempio con due funi tese.

r = Raggio della sfera rotolante

d = Distanza tra le due aste o tra i due conduttori di captazione paralleli

La Figura 5.1.1.7 illustra questo approccio. Se la superficie del tetto o delle strutture poste al di sopra del tetto stesso deve essere protetta da fulminazione diretta, questo viene spesso realizzato con l’utilizzo di aste di captazione. Attraverso il posizionamento a quadrato delle aste, che di solito non vengono collegate, la sfera non rotola “su rotaie”, ma penetra più in profondità, e così si aumenta la profondità di penetrazione della sfera (Figura 5.1.1.8).

L’altezza delle aste di captazione Δh dovrebbe sempre essere tenuta più alta del valore individuato della profondità di penetrazione p e quindi dalla flessione della sfera. Attraverso questo aumento di altezza dell’asta viene garantito che la sfera rotolante non tocchi l’oggetto da proteggere.

Un’altra possibilità per individuare l’altezza delle aste di captazione, è ricavabile dalla Tabella 5.1.1.2. La profondità di penetrazione della sfera rotolante è determinata dal valore più elevato della distanza reciproca delle aste di captazione. Attraverso la maggiore distanza può essere trovata sulla tabella la profondità di penetrazione p (flessione). Le aste di captazione devono essere dimensionate in base all’altezza della costruzione sul tetto (relativa alla posizione dell’asta di captazione) e in base alla profondità di penetrazione (Figura 5.1.1.9).

Se, ad esempio, viene individuata tramite calcolo oppure tramite tabella un’altezza dell’asta di captazione di 1,15m, di solito viene utilizzata una misura commerciale di 1,5 m.

Metodo della maglia

L’impianto di captazione a maglie può essere applicato universalmente e indipendentemente dall’altezza dell’edificio e dalla forma del tetto. Sulla copertura del tetto viene posta una rete di captazione con una larghezza delle maglie corrispondente alla classe LPS (Tabella 5.1.1.3).

Per semplicità si assume nulla la profondità di penetrazione della sfera rotolante per un impianto di captazione a maglie. La posizione delle singole maglie può essere scelta liberamente utilizzando il punto più alto e gli spigoli esterni dell’edificio, così come le componenti in metallo, utilizzabili come impianto di captazione naturale.

I conduttori di captazione sugli spigoli perimetrali delle strutture devono essere installati il più vicino possibile agli spigoli stessi.

Si può usare la scossalina metallica come dispositivo di captazione e/o come calata, se sono rispettate le misure minime necessarie per gli elementi naturali dell’impianto di captazione (Figura 5.1.1.10).

Metodo dell’angolo di protezione

Il metodo dell’angolo di protezione è dedotto dal modello elettrogeometrico di fulmine. L’angolo di protezione viene determinato dal raggio della sfera rotolante. L’angolo di protezione paragonabile con il raggio della sfera rotolante si ottiene quando una linea obliqua taglia la sfera rotolante in modo che le superfici così create siano di misura uguale (Figura 5.1.1.11). Questa procedura è da utilizzare per edifici di misure simmetriche (ad esempio tetti a punta) oppure per strutture sul tetto (ad esempio antenne, tubi di sfiato). L’angolo di protezione dipende dalla classe LPS e dall’altezza dell’impianto di captazione sopra il piano di riferimento (Figura 5.1.1.12).

I conduttori di captazione, aste di captazione, pali e funi dovrebbero essere posizionati in modo da far rientrare tutte le parti della struttura da proteggere all’interno del volume protetto dall’impianto di captazione.

Il volume protetto può essere “a forma conica” oppure “a forma di tenda” ottenibile ad esempio con l’utilizzo di una fune tesa (Figura 5.1.1.13, Figura 5.1.1.14 e Figura 5.1.1.15). Se vengono posizionate le aste di captazione per la protezione di strutture installate sulla superficie del tetto, l’angolo di protezione α può variare. Nella Figura 5.1.1.16 il piano di riferimento per l’angolo di protezione α1 è la superficie del tetto. L’angolo di protezione α2 ha come piano di riferimento il suolo, e quindi l’angolo α2 secondo la Figura 5.1.1.12 e la Tabella 5.1.1.4 è minore di α1. Nella Tabella 5.1.1.4 può essere individuato l’angolo di protezione per ogni classe LPS e la distanza corrispondente (volume protetto).

Altezza fisica dell’asta di captazione h in m	SK I		SK II		SK III		SK IV
	Angelo α	Distanza a in m	Angelo α	Distanza a in m	Angelo α	Distanza a in m	Angelo α	Distanza a in m
1	71	2,90	74	3,49	77	4,33	79	5,14
2	71	5,81	74	6,97	77	8,66	79	10,29
3	66	6,74	71	8,71	74	10,46	76	12,03
4	62	7,52	68	9,90	72	12,31	74	13,95
5	59	8,32	65	10,72	70	13,74	72	15,39
6	56	8,90	62	11,28	68	14,85	71	17,43
7	53	9,29	60	12,12	66	15,72	69	18,24
8	50	9,53	58	12,80	64	16,40	68	19,80
9	48	10,00	56	13,34	62	16,93	66	20,21
10	45	10,00	54	13,76	61	18,04	65	21,45
11	43	10,26	52	14,08	59	18,31	64	22,55
12	40	10,07	50	14,30	58	19,20	62	22,57
13	38	10,16	49	14,95	57	20,02	61	23,45
14	36	10,17	47	15,01	55	19,99	60	24,25
15	34	10,12	45	15,00	54	20,65	59	24,96
16	32	10,00	44	15,45	53	21,23	58	25,61
17	30	9,81	42	15,31	51	20,99	57	26,18
18	27	9,17	40	15,10	50	21,45	56	26,69
19	25	8,86	39	15,39	49	21,86	55	27,13
20	23	8,49	37	15,07	48	22,21	54	27,53
21			36	15,26	47	22,52	53	27,87
22			35	15,40	46	22,78	52	28,16
23			32	14,94	45	23,00	51	28,40
24			32	15,00	44	23,18	50	28,60
25			30	14,43	43	23,31	49	28,76
26			29	14,41	41	22,60	49	29,91
27			27	13,76	40	22,66	48	29,99
28			26	13,66	39	22,67	47	30,03
29			25	13,52	38	22,66	46	30,03
30			23	12,73	37	22,61	45	30,00
31					36	22,52	44	29,94
32					35	22,41	44	30,90
33					35	23,11	43	30,77
34					34	22,93	42	30,61
35					33	22,73	41	30,43
36					32	22,50	40	30,21
37					31	22,23	40	31,50
38					30	21,94	39	30,77
39					29	21,62	38	30,47
40					28	21,27	37	30,14
41					27	20,89	37	30,90
42					26	20,48	36	30,51
43					25	20,05	35	30,11
44					24	19,59	35	30,81
45					23	19,10	34	30,35
46							33	29,87
47							32	29,37
48							32	29,99
49							31	29,44
50							30	28,87
51							30	29,44
52							29	28,82
53							28	28,18
54							27	27,51
55							27	28,02
56							26	27,31
57							25	26,58
58							25	27,05
59							24	26,27
60							23	25,47

Metodo dell’angolo di protezione per dispositivi di captazione isolati di strutture montate sul tetto

Particolari problemi si verificano quando delle strutture sul tetto – che spesso vengono installate in un secondo momento – fuoriescono dai volumi protetti delle maglie. Se queste strutture sul tetto contengono in più anche degli impianti elettrici o elettronici, come ad esempio aeratori, antenne, sistemi di misurazione oppure telecamere, allora sono necessarie delle misure di protezione complementari.

Quando questi dispositivi sono direttamente collegati al sistema di protezione contro i fulmini esterno, in caso di fulminazione verranno introdotte nella struttura delle correnti parziali. Queste possono causare la distruzione di impianti sensibili alle sovratensioni. Attraverso l’installazione di dispositivi di captazione isolati possono essere evitate le fulminazioni su queste strutture poste al di sopra del tetto. Per proteggere le strutture sul tetto più piccole (comprendenti impianti elettrici) sono adatte le aste di captazione come illustrato in Figura 5.1.1.17. Queste formano una zona di protezione a forma conica e impediscono una fulminazione diretta sulle strutture poste sul tetto.

Durante il dimensionamento dell’altezza dell’asta di captazione (vedere anche capitolo 5.6) deve essere presa in considerazione la distanza di sicurezza s.

Dispositivi di captazione isolati e non isolati

Si distinguono due tipi di dispositivi di captazione per l’esecuzione di un sistema di protezione contro i fulmini esterno:

• isolato
• non isolato

Le due esecuzioni possono essere combinate.

Gli organi di captazione di un sistema di protezione contro i fulmini esterno non isolato per la protezione di una struttura possono essere realizzati nei seguenti modi.

• Se il tetto è fatto in materiale non infiammabile, i conduttori del sistema di captazione possono essere disposti sulla superficie della struttura (ad esempio tetto a falda oppure tetto piano). Di solito vengono utilizzati materiali da costruzione non infiammabili. In questo modo le componenti della protezione contro i fulmini esterna possono essere montate direttamente sulla struttura (Figura 5.1.1.18 e Figura 5.1.1.19).
• Se il tetto è composto da materiali facilmente infiammabili (materiali da costruzione classe B3 secondo l’Integrazione 1 della norma tedesca DIN EN 62305-3), come ad esempio nel caso di tetti in paglia, la distanza tra le parti infiammabili del tetto e le aste, i conduttori o le maglie di captazione, non deve essere inferiore a 0,4 m. Le parti facilmente infiammabili della struttura da proteggere non devono trovarsi a contatto diretto con le parti del sistema di protezione dai fulmini esterno. Non possono nemmeno trovarsi sotto la copertura del tetto, la quale in caso di fulminazione potrebbe venire perforata (vedere anche capitolo 5.1.5 sugli edifici con copertura morbida).

In caso di dispositivi di captazione isolati, l’intera struttura viene protetta dalla fulminazione diretta attraverso aste di captazione, pali di captazione oppure con funi tese tra pali. Gli organi di captazione devono essere installati in modo da rispettare la distanza di sicurezza s dall’edificio (Figura 5.1.1.20 e Figura 5.1.1.21).

Gli impianti di captazione isolati vengono spesso utilizzati quando la copertura del tetto è infiammabile, come ad esempio nei tetti morbidi, oppure in caso di ambienti a rischio (per esempio serbatoi). Si veda anche la sezione 5.1.5, “Impianto di captazione per edifici con copertura morbida”.

Un’altra possibilità di realizzare degli impianti di captazione isolati consiste nell’impiegare materiali isolanti come vetroresina (GRP) per fissare i dispositivi di captazione (aste, conduttori o cavi) all’oggetto da proteggere, i dispositivi di captazione (aste, conduttori oppure funi) all’oggetto da proteggere con materiali isolanti come ad esempio vetroresina. Questa forma di isolamento può essere limitata ad una zona oppure essere utilizzata per tutte le parti dell’impianto. Spesso viene utilizzata per strutture sul tetto come impianti di aerazione o di raffreddamento, elettricamente continue verso l’interno dell’edificio (vedere anche capitolo 5.1.8).

Elementi naturali di impianti di captazione

Possono essere impiegati come elementi naturali di un impianto di captazione parti di costruzione metalliche come ad esempio parapetti, grondaie, ringhiere oppure rivestimenti. In un edificio con struttura portante in acciaio, tetto e facciata in metallo, queste parti sono – in determinate condizioni – utilizzabili per il sistema di protezione contro i fulmini esterno. Rivestimenti in lamiera metallica, ai lati o sull’edificio da proteggere, possono essere utilizzati, se il collegamento elettrico tra le diverse parti è eseguito in modo permanente. Per collegamento elettrico permanente si intende ad esempio un collegamento realizzato tramite saldatura, a pressione, avvitatura oppure rivettatura. Il personale qualificato può anche effettuare collegamenti a mezzo brasatura. La superficie uniformemente saldata dei collegamenti dev’essere almeno 10 cm² con larghezza minima di almeno 5 mm. Se il collegamento elettrico non è assicurato, questi elementi devono essere ulteriormente collegati, ad esempio tramite trecce di collegamento o cavallotti. Se lo spessore della lamiera metallica non è inferiore al valore t indicato nella Tabella 5.1.1.5 e se non è rilevante la perforazione della copertura nel punto di abbattimento del fulmine né l’accensione dei materiali combustibili sottostanti, questo tipo di lamiera può essere utilizzato come dispositivo di captazione. Non è prevista alcuna differenziazione degli spessori in base alla classe LPS. Se, tuttavia, fosse necessario prendere provvedimenti contro il rischio di fusione o riscaldamento inammissibile sul punto di impatto del fulmine, lo spessore della lamiera metallica non dovrà essere inferiore al valore t indicato nella Tabella 5.1.1.5.

Questi spessori t dei materiali richiesti, non possono essere generalmente rispettati, ad esempio, per coperture metalliche. Per tubi o serbatoi esiste tuttavia la possibilità di rispettare questi spessori minimi (spessore di parete). Tuttavia, se l’aumento di temperatura (riscaldamento) sui lati interni del tubo oppure del serbatoio risultasse pericoloso per il fluido contenuto (pericolo di incendio o di esplosione), questi non dovranno essere utilizzati come organo di captazione (vedere anche capitolo 5.1.4).

Se i requisiti relativi allo spessore minimo non vengono rispettati, le parti quali tubazioni o serbatoi devono essere poste in una zona protetta da fulmini.

Un sottile rivestimento di vernice, 1 mm di bitume oppure 0,5 mm di PVC non sono da considerare come isolamento in caso di fulminazione diretta. Per la grande quantità di energia che viene generata durante la fulminazione diretta, questo tipo di rivestimento viene perforato.

Eventuali corpi metallici sulla superficie del tetto possono essere utilizzati come impianti naturali di captazione, quando non esiste un collegamento conduttivo con l’interno dell’edificio. Attraverso il collegamento di tubi o conduttori elettrici all’interno della struttura, le correnti parziali di fulmine possono entrare all’interno dell’edificio e interferire con (o addirittura distruggere) gli impianti elettrici/elettronici sensibili. Per evitare tali correnti parziali di fulmine devono essere previsti, per le costruzioni sul tetto sopraccitate, dei dispositivi di captazione isolati. La disposizione del dispositivo di captazione isolato può avvenire secondo il metodo della sfera rotolante o dell’angolo di protezione. Si può installare un dispositivo di captazione con una larghezza delle maglie pari alla corrispondente classe di protezione se il sistema completo viene sollevato (isolato) alla distanza di sicurezza richiesta s.

Un sistema di elementi di costruzione universale per la realizzazione di impianti di captazione separati viene descritto nel capitolo 5.1.8.