08.10.2007
La nuova serie delle norme EN 62305, entrate in vigore dal giugno 2006, sostituiranno dal 1° febbraio 2007 la vecchia serie delle norme Cei 81-1, Cei 81-4 e Cei 81-8, mentre rimarranno in vigore la norma Cei 81-3 sulla densità di fulminazione al suolo e la norma Cei 81-9 sulla protezione delle linee di telecomunicazione. Questo nuovo quadro normativo è descritto dalla nuova serie di seguito riportata:
- Cei EN 62305-1 (Cei 81-10/1): "Protezione delle strutture contro i fulmini. Parte 1: Principi Generali" Marzo 2006, relativa alle caratteristiche generali della protezione contro le scariche atmosferiche;
- Cei EN 62305-2 (Cei 81-10/2): "Protezione delle strutture contro i fulmini. Parte 2: Gestione del rischio" Marzo 2006, relativa alla valutazione del rischio al fine di determinare o meno le misure di protezione;
- Cei EN 62305-3 (Cei 81-10/3): "Protezione delle strutture contro i fulmini. Parte 3: Danno fisico e pericolo di vita" Marzo 2006, relativa alle prescrizioni ed indicazioni per la protezione delle strutture e delle persone;
- Cei EN 62305-4 (Cei 81-10/4): "Protezione delle strutture contro i fulmini. Parte 4: Impianti elettrici ed elettronici interni alle strutture" Marzo 2006, relativa alle prescrizioni per la protezione degli impianti elettrici ed elettronici all'interno delle strutture.
Inoltre è in fase di preparazione la quinta parte (Iec 62305-5) per illustrare le misure di protezione da impiegare per ridurre i danni materiali ed i guasti dei servizi entranti all'interno delle strutture.
Caratteristiche della protezione
Al lungo dibattito sulla protezione contro le scariche atmosferiche , la nuova serie delle norme Cei EN 62305, aggiunge un approccio che comprende oltre alle strutture anche i vari servizi entranti all'interno degli edifici e dei complessi, ed inoltre fornisce indicazioni relative alle protezioni per i componenti elettronici che costituiscono un elemento fondamentale ma particolarmente sensibile, sia nell'ambito del terziario e dei servizi sia nei processi produttivi industriali.
La norma propone il nuovo concetto di protezione ideale: esso consiste nel racchiudere l'oggetto da proteggere entro uno schermo metallico continuo, di adeguato spessore, messo a terra, ed assicurare una appropriata connessione dei servizi entranti nelle strutture nel punto d'ingresso dello schermo stesso. A questa protezione teorica, che risulta praticamente irrealizzabile, devono tendere i sistemi di protezione reale.
L'impianto di protezione dalle scariche atmosferiche è costituito dai seguenti componenti fondamentali:
- captatori: che possono essere ad asta, a fune od a maglia;
- calate: che sono distribuite lungo il perimetro della struttura;
- dispersore: in base alle indicazioni previste nella parte terza della norma;
- equipotenzializzazione: ossia stabilire la distanza di sicurezza dei corpi metallici;
- sistema di spd: da installare sulle linee di energia e di segnale entranti ed uscenti dalla struttura.
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Le misure di protezione più importanti sono:
- lps, acronimo di Lightning Protection System (ossia l'impianto di captazione e discesa);
- Sistema di spd, acronimo di Sourge Protective Device (ossia il sistema di scaricatori di sovratensione).
Gli lps vengono scelti in funzione del livello di protezione lpl (Lightning Protection Level) che deve essere ottenuto in base alla valutazione del rischio connesso alla fulminazione diretta ed indiretta. Esistono quattro livelli di protezione (I, II, III o IV).
La dimensione del lato della magliatura dell'impianto di captazione deve essere conforme alle indicazioni riportate in tabella 1 (la classe dell'lps è associata al lato della magliatura dell'impianto di captazione).
Il numero di calate di un lps non isolato non deve essere inferiore a due e le calate dovrebbero essere distribuite in maniera equidistante lungo il perimetro da proteggere. Valori tipici della distanza fra le calate, in funzione della classe dell'lps, sono riportati nella tabella 2.
Tuttavia i valori indicati possono essere modificati in funzione della corrente di fulmine, della distanza delle linee e della particolare configurazione della struttura da proteggere, in base alle valutazioni del progettista.
Se possibile dovrebbe essere installata una calata in corrispondenza di ogni spigolo della struttura.
Inoltre, nelle nuove norme Cei EN 62305 vengono introdotte le seguenti definizioni:
- lemp: effetti elettromagnetici diretti ed indotti dalla corrente di fulmine;
- lpms: sistema completo di misure di protezione, contro il lemp per gli apparati interni;
- lpz: zona in cui è definito l'ambiente elettromagnetico creato dal fulmine;
- Uw: tensione nominale di tenuta ad impulso assegnata dal costruttore all'apparato (in alternativa Iec 60664-1).
Rispetto alle precedenti Norme, viene anche introdotto il concetto di sistema di spd: la protezione pertanto è associato ad un insieme di scaricatori di sovratensioni che devono essere opportunamente dimensionati in funzione della classe dell'lps e delle caratteristiche fornite dal costruttore dell'spd stesso.
Effetti meccanici e sforzi elettrodinamici
Alla corrente di fulmine (intensità dell'ordine dei kAmpère) sono associati dei notevoli sforzi elettrodinamici. Tali fenomeni dipendono sostanzialmente da:
- valore della corrente di fulmine;
- durata della corrente di fulmine;
- elasticità del materiale percorso dalla corrente di fulmine;
- forze di attrito dei componenti dell'lps;
- dalla geometria del circuito.
In particolare quando vi sono due conduttori paralleli percorsi contemporaneamente dalla corrente di fulmine, essi sono sottoposti a sforzi tanto maggiori quanto minore è la distanza fra le parti. Infatti, lo sforzo elettrodinamico è direttamente proporzionale al quadrato della corrente ed inversamente proporzionale alla distanza fra i conduttori.
A seguito dei fenomeni suddetti, si verifica, ad esempio, in corrispondenza di cappi od anse o comunque conduttori con forma circolare, una apertura ed un allargamento a causa della corrente che essendo equiversa tende a far aprire la spira.
I tubi tendono invece a schiacciarsi, mentre i conduttori paralleli, tendono ad attrarsi perché normalmente attraversati da correnti equiverse.
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Occorre prestare particolare attenzione pertanto nella realizzazione dell'lps esterno per evitare situazioni in cui gli sforzi elettrodinamici danneggino irrimediabilmente l'lps stesso.
Si precisa che la sollecitazione complessiva che sulla struttura dell'lps dipende dall'integrale nel tempo della forza applicata e quindi dall'energia specifica associata all'impulso di corrente.
Inoltre, occorre considerare anche gli effetti termici associati alla corrente di fulmine: infatti, se il riscaldamento del materiale del conduttore o morsetti, a seguito del transito della corrente di fulmine, è sufficiente a rammollire il materiale stesso, possono verificarsi danneggiamenti notevoli. In casi estremi il conduttore può fondere esplosivamente e provocare considerevoli danni alle strutture adiacenti.
Individuazione delle sorgenti di danno
In base a come il fulmine entra in contatto con la struttura, vengono definite quattro sorgenti di danno:
- sorgente S1: fulminazione diretta dell'edificio, ossia il fulmine colpisce direttamente la struttura;
- sorgente S2: fulminazione indiretta dell'edificio, ossia il fulmine cade nel terreno prospiciente la struttura;
- sorgente S3: fulminazione diretta della linea che entra nell'edificio, ossia il fulmine colpisce direttamente la linea aerea di alimentazione della struttura, sia essa di energia che di segnale (ad esempio telefono);
- sorgente S3: fulminazione indiretta della linea che entra nell'edificio, ossia il fulmine cade nel terreno prospiciente la linea aerea di alimentazione della struttura.
Alle sorgenti di danno S, precedentemente identificate, sono associati tre tipi di danno:
- danno D1: ad esseri viventi dovuti a tensioni di contatto e di passo;
- danno D2: fisico, dovuto ad incendi, esplosioni, rotture meccaniche, rilascio di sostanze tossiche;
- danno D3: avarie di apparecchiature elettriche ed elettroniche dovute a sovratensioni.
Uno stesso danno può produrre più tipi di perdite, in particolare:
- L1: perdita di vite umane, a cui è associato il rischio R1;
- L2: perdita di servizio pubblico, a cui è associato il rischio R2;
- L3: perdita di beni culturali, a cui è associato il rischio R3;
- L4: perdita di beni economici, a cui è associato il rischio R4;
La lettera L sta ad indicare la parola "loss" che in inglese significa appunto perdita.
In tabella 3 è indicata la relazione fra le sorgenti di danno S, i tipi di danno D e le perdite L.
Criteri di valutazione del rischio
Il rischio è un concetto probabilistico ed è la combinazione delle probabilità di un evento e delle sue conseguenze: viene definito come il valore della probabile perdita annua (persone, animali e cose) dovuto al fulmine.
Il concetto di base è che la protezione contro il fulmine è necessaria se il rischio R (ossia R1, R2, R3) è superiore al livello di rischio tollerabile RT.
Il rischio tollerabile è funzione del tipo di perdita, come si osserva in tabella 4.
Qualora R>RT, devono essere adottate misure di protezione al fine di ridurre il rischio R (R1, R2, R3) al valore di rischio tollerabile, ossia R< RT.
Se uno o più tipi di perdita si presentano contemporaneamente all'interno della struttura da proteggere, la verifica sul rischio R inferiore al rischio tollerabile deve essere effettuata per ciascun tipo di perdita R1, R2, R3: la verifica sulla perdita R4 (economica) non è obbligatoria e dipende dal limite che stabilisce il committente. Infatti, è possibile sviluppare, in accordo con il committente, una valutazione costi-benefici per stabilire quali misure attuare.
Calcolo del rischio
L'espressione generale del rischio è espressa mediante la seguente relazione:
R = N x P x L
dove si indica con:
- N = numero di fulmini all'anno;
- P = probabilità che il fulmine crei danno;
- L = perdita annuale conseguente.
Per ogni rischio: R1, R2, R3 e R4 si calcola:
R = RA+RB+RC+RM+RV+RU+RW+RZ
Le componenti RA+RB+RC sono relative alla fulminazione diretta, mentre quelle RM+RV+RU+RW+RZ sono relative alla fulminazione indiretta.
Componenti di rischio
Si evidenziano le seguenti componenti di rischio:
- RA (ex H): componente relativa ai danni ad esseri viventi causati da tensioni di passo e contatto in zone fino a 3 m (ex 5 m) all'esterno della struttura (fulminazione diretta);
- RB (ex A): componente relativa ai danni materiali causati da scariche pericolose all'interno della struttura che innescano incendio ed esplosione (fulminazione diretta);
- RC (ex D): componente relativa al guasto degli impianti interni causati dal lemp (sovratensioni) sulla struttura (fulminazione diretta);
- RM (ex M): componente relativa al guasto di impianti interni causato dal lemp in prossimità della struttura (fulminazione indiretta);
- RU (nuova) componente relativa ai danni ad esseri viventi causati da tensioni di contatto all'interno della struttura originate dalle correnti di fulmine sulla linea entrante nella struttura (fulminazione diretta sulla linea);
- RV (ex C): componente relativa ai danni materiali (incendio od esplosione) causati dalla corrente di fulmine trasmessa sulla linea entrante nell'edificio (fulminazione diretta sulla linea);
- RW (nuova): componente relativa al guasto degli impianti interni causati da sovratensioni indotte sulla linea e trasmesse alla struttura (fulminazione diretta sulla linea);
- RZ (ex G): componente relativa al guasto di impianti interni causato da sovratensioni indotte sulla linea e trasmesse alla struttura causate da fulminazione indiretta.
Misure per la riduzione del danno
Le misure per ridurre il danno consistono principalmente nel:
- incremento della resistività superficiale del suolo nella fascia di 3 m intorno alla struttura;
- incremento della resistività superficiale dei pavimenti interni alla 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.
In particolare, contro le tensioni di passo e di contatto (danno D1) si possono adottare le seguenti misure di protezione:
- isolamento parti conduttrici;
- equipotenzialità del suolo;
- aumento della resistività del suolo, ad esempio mediante uno strato di asfalto;
- cartelli monitori e barriere.
Per la riduzione dei danni fisici (danno D2) si possono adottare gli lps, mentre per la riduzione del danno D3, avaria delle apparecchiature, si può utilizzare:
- messa a terra ed equipotenzialità;
- ottimizzazione del percorso dei circuiti, cercando di ridurre le spire;
- schermature;
- sistema di spd.
Le zone di protezione lpz
La norma Cei 81-10/1 individua delle zone denominate lpz Lightning protection zone che significa zone protette dagli effetti elettromagnetici della corrente di fulmine con diversi gradi di protezione dagli effetti delle fulminazioni.
La struttura viene suddivisa in zone ai fini della valutazione del rischio: la somma dei rischi delle singole zone esprime il rischio generale relativo alla struttura.
La zona è definita come un volume in cui i parametri per la valutazione del rischio sono costanti: per tanto la struttura può essere considerata come zona unica o essere suddivisa in più zone.
Le aree sono classificate in quattro categorie, come di seguito indicato:
- lpz 0A;
- lpz 0B;
- lpz 1;
- lpz 2.
Le zone lpz sono definite dalle protezioni adottate contro le scariche atmosferiche.
Teoricamente, la norma definisce una protezione ideale contro le scariche atmosferiche, costituita dal racchiudere la struttura da proteggere entro un contenitore metallico chiuso e messo a terra, a cui vengono collegate direttamente tramite spd tutti i servizi entranti (rete elettrica, telefono...).
Questo si traduce nell'utilizzo di una zona lpz 0B (o maggiore) per evitare i danni fisici (ossia la realizzazione di un lps esterno o gabbia di Faraday) e nell'uso di una zona lpz 1 (o superiore) per evitare le avarie alle apparecchiature (ossia l'utilizzo degli scaricatori di sovratensione o spd). Dal punto di vista della corrente di fulmine, una zona:
- lpz 0A è caratterizzata da una elevata corrente di fulmine;
- lpz 0B è caratterizzata da una piccola corrente di fulmine;
- lpz 1 è caratterizzata da una limitata corrente di fulmine;
- lpz 2 è caratterizzata da una molto limitata corrente di fulmine.
Il campo elettromagnetico associato alla corrente di fulmine risulta, nella zona:
- lpz 0A non attenuato;
- lpz 0B non attenuato;
- lpz 1 attenuato;
- lpz 2 molto attenuato.
Alla zona lpz sono definite delle misure di protezione:
- lpz 0A: zona dove il pericolo è dovuto alla fulminazione diretta ed all'esposizione al totale campo magnetico. Nessuna protezione (né lps, spd, ecc.);
- lpz 0B zona protetta contro la fulminazione diretta (lps) dove il pericolo è l'esposizione totale ai campi magnetici dovuti alla corrente di fulmine. Protezione contro i danni fisici;
- lpz 1 zona in cui la corrente di fulmine è limitata e sono presenti spd sul confine. Protezione dai danni fisici e dalle sovratensioni;
- lpz 2 zona in cui la corrente di fulmine è ulteriormente limitata in presenza di spd e schermi addizionali. Protezione elvata per danni fisici e sovratensioni.
Pertanto riassumendo, il concetto introdotto di zona, è sotteso al tipo di protezione che viene impiegato:
- lpz 0A: è l'ambiente esterno alla struttura;
- lpz 0B: è l'ambiente sotteso all'lps esterno;
- lpz 1 e lpz 2: è l'ambiente delimitato dalla protezione di un spd.
Le zone lpz definite da un lps sono rappresentate in figura 2. Sono indicate la zona lpz 0A caratterizzata dalla fulminazione diretta, la zona lpz 0B dove non si verifica fulminazione diretta e vi è una parziale corrente di fulmine o correnti indotte, la zona lpz 1 dove non si verifica fulminazione diretta e vi è una limitata corrente di fulmine o correnti indotte.
Nelle figure 1 e 2 si è indicato con:
- S1 il fulmine che cade direttamente sulla struttura;
- S2 il fulmine che cade in prossimità della struttura;
- S3 il fulmine che cade su un servizio connesso alla struttura;
- S4 il fulmine che cade in prossimità di un servizio connesso alla struttura.
Le zone lpz definite dalle misure di protezione contro il lemp sono rappresentate nella figura 3.
Caratteristiche dei materiali e dimensioni
I materiali per la realizzazione dell'lps esterno devono avere caratteristiche e dimensioni tali da valutare sia la possibilità di fenomeni di corrosione sia fra i metalli che con la struttura.
Le configurazioni e le sezioni minime dei conduttori e delle aste del sistema di captatori e dei conduttori delle calate sono indicate in tabella 5.
I componenti dell'lps devono resistere agli effetti elettromagnetici delle correnti di fulmine ed ai prevedibili sforzi senza essere danneggiati.
La tipologia installativa degli organi di captazione varia in funzione delle caratteristiche della struttura: in particolare nel caso di un tetto combustibile, il captatore deve essere sollevato di almeno 100 mm, nel caso di tetto non combustibile il captatore può essere appoggiato, mentre nel caso di tetto in cemento armato, il captatore può anche essere annegato, se si ritiene accettabile un danneggiamento superficiale al ricoprimento.
I ferri di armatura del cemento armato possono essere utilizzati come calate se sono elettricamente continui. In particolare per le strutture esistenti la continuità misurata deve essere inferiore a 0,2 ohm, mentre per strutture nuove deve essere certificata dal progettista e dall'impresa realizzatrice.
Occorre tenere presente che le parti più alte di 60 m delle strutture, come spigoli e bordi, possono essere colpite lateralmente dalle scariche atmosferiche. Pertanto il 20% delle superfici laterali deve essere dotato di captatori.
Qualora vi siano dei serbatoi o dei contenitori metallici, occorre valutare lo spessore del metallo in funzione del tipo. Lo spessore minimo delle lastre metalliche o delle tubazioni metalliche usate come captatori è indicato in tabella 6.
Infatti, qualora gli spessori siano superiori o uguali a quelli indicati precedentemente, il serbatoio o il contenitore metallico è già un captatore naturale ed è sufficiente (qualora sia presente) collegarlo all'lps esistente.
Qualora lo spessore del mantello non sia idoneo, occorre provvedere all'installazione di un adeguato lps.
In particolare si ribadisce che:
- le strutture con rischio di esplosione;
- gli ospedali e strutture sanitarie;
- le altre strutture in cui i guasti degli impianti interni possono provocare immediato pericolo per la vita umana;
devono essere verificate da subito e non dal 1° febbraio 2007 in base alle norme Cei EN 62305, quando non è installato un impianto di protezione dalle scariche atmosferiche. Qualora tale lps sia presente, deve essere stato realizzato in conformità alle norme Cei 81-1 ed è ritenuto idoneo.
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