1 Ricerca delle cause di esplosioni e incendi IL RISCHIO ... - Cineas

1- Generalità
IL RISCHIO FULMINAZIONE
Il fulmine è una manifestazione dell’elettricità atmosferica che, per la sua natura e
per i suoi effetti diretti e indiretti, puo’ determinare conseguenze anche
gravissime dalle quali è comunque possibile salvaguardarsi mediante
l’installazione di appositi sistemi di protezione.
La natura aleatoria del fulmine, tuttavia, impone che il sistema di protezione sia
progettato e realizzato in modo tecnicamente corretto; diversamente, il pericolo di
danni puo’ risultare aggravato, nei casi in cui la protezione risulta effettivamente
necessaria, e comportare un inutile onere, nel caso di strutture non esposte alla
fulminazione o autoprotette.
Prima dell’entrata in vigore, nel 1985, della Norma CEI 81-1 “Protezione di
strutture contro i fulmini” e della equipollente Norma internazionale IEC 1024-1, la
legislazione e la normativa tecnica erano alquanto carenti, limitandosi la prima a
prescrivere la protezione per determinate strutture e a fornire alcune modalità di
esecuzione la seconda. Non venivano invece indicati i risultati che la protezione
doveva conseguire. La nuova Norma ha introdotto alcuni concetti innovativi ed in
particolare ha definito il “rischio” a cui risulta esposto il volume da proteggere,
inteso come prodotto della probabilità che si verifichi l’evento dannoso per l’entità
del fattore medio di danno causato dall’evento stesso.
Ne deriva che la funzione del sistema di protezione è quella di impedire che il
fenomeno della fulminazione comporti un rischio inaccettabile, tenuto conto che,
nei limiti di una spesa giustificata dai benefici conseguiti, nessun impianto puo’
garantire la protezione assoluta. Questo approccio al problema impone, tuttavia,
la conoscenza di alcuni aspetti riguardanti l’accumulazione dell’elettricità
nell’atmosfera e le condizioni di base alle quali si verifica il fulmine.
Dopo gli esperimenti di Franklin, risalenti al 1750, e di molti altri studiosi, notevoli
passi in avanti sono stati compiuti grazie all’adozione di metodi sperimentali e di
strumenti quali: klidonografi, macchine fotografiche speciali, barrette magnetiche
e, soprattutto, oscillografi a raggi catodici.
Molto interessanti, come applicazione per lo studio quantitativo del fenomeno
temporalesco, risultano i dispositivi contascariche, i quali possono far conoscere
con quale frequenza gli impianti parafulmini intervengono.
Naturalmente, parte degli studi vengono effettuati nei laboratori, riproducendo
artificialmente il fenomeno della fulminazione, attraverso generatori ad impulsi
elettrici con forma d’onda particolare, simulando, in intensità e rapidità del
fenomeno, l’effettiva azione del fulmine.
Un notevole contributo sperimentale alla conoscenza dei dati sui fulmini e sulla
entità dei parametri ad essi connessi è dato dalle stazioni di captazione e misura
esistenti nel mondo. In Italia si trovano quelle di Monte Orsa e di Foligno, in
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Svizzera la stazione di Monte San Salvatore (Lugano). Per la captazione dei
fulmini si utilizzano, in queste stazioni, aste poste su sostegni a traliccio installati
ad una certa quota.
Recentemente in Italia è stato installato da parte del CESI (Centro Elettrotecnico
Sperimentale Italiano) il Sistema Italiano Rilevamento Fulmini (SIRF), attraverso il
quale è possibile localizzare i punti di impatto al suolo dei fulmini e di registrarne i
relativi parametri elettrofisici (ampiezza della corrente, polarità, numero di colpi).
Tale sistema prevede l’impiego di sensori di campo elettromagnetico prodotto dal
fulmine, dislocati sul territorio italiano e nei paesi limitrofi (Austria, Francia e
Svizzera). I sensori, tramite apparecchiature e rete di telecomunicazione,
trasmettono i dati ad un centro di calcolo presso il Centro Operativo del CESI a
Milano, dove vengono elaborati in tempo reale, consentendo la formazione di una
banca dati e anche la loro trasmissione remota per servizi agli utenti. Tali
elaborazioni permettono di fornire servizi quali statistiche, cartografie e
documentazioni che possono trovare applicazione nei seguenti settori: elettrico,
per gli enti distributori; assicurativo, per attestati di attività temporalesca, nonchè
per la formulazione di elaborazioni statistiche in termini di probabilità di
accadimento del fenomeno; metereologico; attività portuale ed aeroportuale e di
trasporti; produzione di apparecchiature di protezione contro le sovratensioni;
telecomunicazioni; protezione civile e produzioni industriali con processi delicati.
Si occupano dello studio dei fulmini anche organismi internazionali quali il CCITT
(International Telegraph and Telephone Consultative Committee) e la CIGRE
(Conference Internationale des Grands Reseaux Electriques).
2- Natura elettrofisica del fulmine
Le nuvole che con maggior probabilità provocano fenomeni di scariche elettriche
sono i cumuli e i cumulonembi. La loro caratteristica è quella di svilupparsi in
altezza anche per 10-15 km, ad una distanza dal suolo di qualche chilometro.
La formazione delle cariche elettriche nelle nuvole avviene per via elettrostatica,
a causa delle notevoli correnti di aria che si determinano all’interno delle nuvole
stesse per il riscaldamento e l’evaporazione degli strati più bassi, e per la
presenza di particelle liquide e solide (ghiaccio). Queste ultime, sotto la spinta dei
venti e della forza di gravità, danno luogo per strofinio a fenomeni di ionizzazione
liberando elettroni (cariche negative) e ioni positivi. Nella maggior parte dei casi,
circa l’80-90%, le cariche positive si localizzano nella parte più alta della nube e,
conseguentemente, quelle negative nella parte più bassa, con una piccola zona
centrale in basso densa di cariche positive; quest’ultima zona puo’ costituire
spesso il canale di aspirazione ascensionale che porta le cariche positive verso la
parte alta della nube.
La parte bassa della nuvola, carica negativamente, come accade per le armature
di un grande condensatore, richiama sul terreno sottostante delle cariche
positive, per cui tra nube e terra si determina un campo elettrico, che si misura in
Volt/metro.
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La formazione delle scariche ha inizio dalla zona inferiore della nube quando il
campo elettrico supera la “tenuta” dell’aria, cioè la sua rigidità dielettrica, pari a
20000-30000 Volt/cm a seconda della sua temperatura, pressione, umidità.
Infatti, dalla base della nuvola, in cui esiste la maggior concentrazione di elettroni,
e quindi un campo elettrico localmente molto forte, gli elettroni stessi vengono
accelerati verso terra, cioè in senso contrario alle linee del campo, provocando
ulteriore ionizzazione e quindi una scarica che avanza secondo un andamento
casuale a zig-zag. L’avanzamento avviene a scatti, in quanto dietro la testa della
scarica si ha una ricombinazione degli ioni e subito dopo, ad intervalli di alcune
decine di microsecondi e per distanze di circa 10-20m, si verifica una nuova
ondata di elettroni che continuano il percorso determinato dal canale ionizzato.
La velocità di propagazione, nell’avanzamento a scatti della scarica pilota, è pari
a circa lo 0,1% di quella della luce (300000 km/s).
Le cariche negative procedendo verso terra (cio’ avviene in modo silenzioso e
debolmente luminoso) determinano un aumento della concentrazione di cariche
positive al suolo, con un innalzamento anche del campo elettrico. In queste
condizioni, dal terreno ed in particolare dalle sporgenze come camini, torri ed
edifici in genere, puo’ originarsi una controscarica ascendente positiva la quale fa
seguito ad un iniziale “effetto corona” e va ad incontrare il canale ionizzato della
scarica discendente.
La controscarica ha uno sviluppo di sole alcune decine di metri dal suolo, per cui
una struttura non determina il punto di caduta dei fulmini, in quanto tale punto è
interessato dalla scarica solo quando questa si è determinata in modo completo e
sta per raggiungere il suolo.
Quando il canale ascendente incontra quello discendente e si realizza un canale
ionizzato continuo tra nube e suolo, avviene la scarica di ritorno positiva verso
l’alto ad elevata velocità, pari al 10-50% di quella della luce e,
contemporaneamente, ha inizio il processo di neutralizzazione della cariche
negative presenti lungo il canale e nelle zone della nuvola da cui si è originato il
fenomeno.
La scarica di ritorno, che ha una forte luminosità e dà origine al tuono (fenomeno
acustico duvuto al repentino e fortissimo riscaldamento - circa 30000 °K -, con
conseguente dilatazione, dell’aria interessata dalla scarica), è accompagnata,
data l’alta velocità, da un elevatissimo flusso cariche elettriche con correnti
dell’ordine delle centinaia kiloampere.
Quando la scarica di ritorno raggiunge la nube, si ristabilisce localmente un
equilibrio, ma spesso, intorno al 50% dei casi, avviene che altre parti della nube
stessa posseggano ancora cariche negative che vanno a neutralizzarsi con altre
positive del terreno, utilizzando il percorso, cioè il canale ionizzato, già tracciato
in precedenza; si verificano cosi scariche discendenti e di ritorno multiple, che
procedono in maniera diretta e rapida, con intervalli di 20-200 ms e in numero
medio di 2-3 fino anche a 30. Per intervalli di tempo brevi tra le scariche, si puo’
avere la propagazione delle cariche negative con una velocità fino a 3000 km/s,
dato che il percorso viene effettuato in continuità a non a scatti.
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Il tipo di scarica descritto precedentemente, cioè discendente, è quello più
probabile e quindi il più importante, ma non è il solo che puo’ verificarsi. Infatti, le
scariche discendenti si verificano su strutture basse e poste sui terreni piani, ma
per costruzioni molto alte (torri, grattacieli, impianti tecnologici particolari, ecc.) o
comunque poste su montagne, a causa degli elevatissimi campi elettrici esistenti
alla loro sommità (effetto delle punte per elevata densità di carica), si possono
avere delle scariche ascendenti dovute alle cariche elettriche positive che dal
suolo raggiungono direttamente la nube, con un avanzamento a gradini, forte
luminosità e colpi multipli, come per le scariche discendenti. In questo caso si
tratta pero’ di scariche ascendenti con valori di corrente bassi, generalmente non
oltre i 1000 A, di tipo continuativo, cioè il valore massimo della corrente viene
raggiunto in tempi dell’ordine del decimo di secondo, contrariamente a quanto
avviene per i fulmini discendenti, caratterizzati da impulsi con un fronte molto
ripido e tempi dell’ordine dei microsecondi.
I meccanismi descritti in precedenza per i fulmini discendenti si riferiscono, come
già detto, a scariche con polarità negativa, che sono le più probabili. Ma si
possono originare anche fulmini positivi, cioè che si formano da nubi cariche
positivamente, i quali generalmente si sviluppano con un solo impulso,
caratterizzato da un fronte poco ripido, da un andamento di tipo continuativo e da
valori di corrente assai più elevati di quelli relativi alle scariche negative. In
questo caso, la controscarica negativa che si origina dal terreno verso la scarica
positiva pilota proveniente dalla nube, contrariamente a quanto si verifica per le
scariche negative, puo’ raggiungere dimensioni di migliaia di metri. Cio’ è dovuto
al fatto che, mentre le cariche positive sono quasi sempre associate a pulviscolo
o a goccioline d’acqua aventi una massa consistente e quindi una certa inerzia
meccanica, le cariche negative sono prevalentemente costituite da elettroni, di
massa ed inerzia meccanica praticamente trascurabili, caratterizzati da tempi di
spostamento infinitesimi rispetto a quelli delle cariche positive; si spiega cosi’
anche la diversa ripidità dei fronti d’onda nei due casi.
I fulmini positivi sono caratterizzati da valori dei parametri elettrici assai elevati
(corrente, energia, carica elettrica), mentre i valori maggiori della pendenza del
fronte d’onda si riscontrano nei fulmini negativi e, particolarmente, nei relativi
colpi successivi.
3- Attività ceraunica
Non tutte le zone hanno la stessa probabilità che si formino temporali e che,
conseguentemente, si manifestino dei fulmini.
Da un punto di vista strettamente meteorologico si puo’ arrivare, mediante
indagine statistica, alla determinazione della probabilità che in una certa zona si
manifestino formazioni temporalesche.
Per esprimere quantitativamente questo concetto si fa uso dei livelli ceraunici.
Si definisce livello ceraunico di una determinata zona il numero dei giorni di un
anno nei quali è stato udito almeno un tuono.
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Facendo la media delle rilevazioni di un numero sufficientemente grande di anni,
si ottiene un livello ceraunico medio, di grande importanza statistica.
Congiungendo i punti ad uguale livello ceraunico su una carta geografica si
ottiene la carta isoceraunica o carta dei temporali. Da essa si deduce la
probabilità che insorgano i temporali.
Tuttavia, agli effetti della protezione contro i fulmini di una struttura, è importante
conoscere la densità dei fulmini a terra Nt , ossia il numero di scariche a terra per
unità di superficie ( km²) e per unità di tempo (anno). E’ infatti questo il parametro
che viene assunto come punto di partenza per la valutazione della frequenza dei
fulmini e, in particolare, della loro fraquenza di danno sulle strutture.
La valutazione di Nt puo’ essere effettuata in modo empirico ipotizzando
l’esistenza di una correlazione pseudolineare tra giornate temporalesche e
densità dei fulmini a terra.
La relazione esistente tra il livello ceraunico Td e la densità di fulminazione è la
seguente:
Nt = 0,04 · Td 1,25
Naturalmente, l’uso della suddetta relazione (prettamente empirica) conduce a
dati talora poco rispondenti alla realtà, per cui è necessario disporre di relazioni
sperimentali.
In tempi recenti sono state condotte ricerche sistematiche in numerosi paesi tra
cui l’Italia. L’indagine condotta nel nostro paese, nel periodo 1968-1979, che ha
comportato l’installazione di 50 contatori atti a rilevare il verificarsi dei fulmini, ha
consentito di tracciare una mappa dei valori medi del numero di fulmini a terra per
chilometro quadrato e per anno del territorio nazionale.
Con l’impiego del moderno sistema di rilevazione SIRF del CESI, di cui si è detto
in precedenza, è stato possibile aggiornare i dati della densità di fulminazione. In
appendice alla presente trattazione è riportato l’elenco dei Comuni d’Italia con il
rispettivo valore Nt, tratta dalla Pubblicazione CEI 81-3 “ Valori medi del numero
dei fulmini a terra per anno e per chilometro quadrato dei comuni d’Italia, in
ordine alfabetico – Elenco dei comuni “. Tale elenco per alcune località si
discosta sensibilmente dalla statistica SIRF, mentre in altre zone l’aggiornamento
ne ha confermato la validità.
4- Effetto resistivo ed effetto induttivo del fulmine
Dal punto di vista elettrico e dei danni connessi alla fenomenologia elettrica
possiamo individuare due aree principali nelle quali la corrente di fulmine
manifesta i suoi effetti. Una corrente di fulmine che attraversa un mezzo, o un
materiale, dotato di una certa resistenza conduttiva, secondo la legge
fondamentale U=R·I (legge di Ohm), produce in esso una caduta di tensione e
quindi una differenza di potenziale elettrico verso terra. Pertanto, il punto di
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impatto del fulmine puo’ assumere verso terra elevatissimi potenziali (in Volt) tali
da produrre verso altri corpi circostanti, non colpiti direttamente dalla
fulminazione, pericolose scariche trasversali. Infatti la rigidità dielettrica dell’aria
non è a volte sufficiente ad evitare la sua perforazione da parte del forte campo
elettrico instauratosi tra il mezzo colpito dal fulmine e gli elementi circostanti. Cio’
spiega come possa accadere che una fulminazione caduta in un determinato
punto produca danni ad apparecchiature situate in prossimità di quel punto ma
non colpite dalla fulminazione medesima.
Quanto descritto rispecchia la caratteristica resistiva del fulmine in quanto
conseguente alla suddetta legge di Ohm; essa è tanto più sentita quanto più
elevata è la resistenza R del mezzo attraversato dalla corrente di fulmine. I danni
resistivi da fulmine sono infatti tanto più devastanti e degenerano in incendi e/o
esplosioni, quanto meno conduttivo è il mezzo colpito dal fulmine stesso (ad es.
la muratura di un campanile, un albero, una parte metallica di un impianto non
correttamente collegata a terra). Il fatto che la sovratensione di tipo resistivo,
U=R·I, risulti elevata in proporzione alla resistenza elettrica R del mezzo, è
ascrivibile al carattere indipendente ed aleatorio della variabile I (corrente di
fulmine), la cui intensità dipende dalle caratteristiche intrinseche della scarica e
non dalle caratteristiche del mezzo colpito dalla scarica. Potremmo definire quindi
il fulmine come un generatore, fortunatamente di efficacia transitoria, di corrente
e non di tensione. Cio’, contrariamente ai criteri di fornitura dell’energia che
invece mantengono rigorosamente costante la variabile “tensione” U. In tale
situazione è la corrente I la variabile dipendente dalla resistenza R e quindi
un’altissima resistenza finisce per rendere molto bassi i livelli della corrente
stessa, mentre una bassissima resistenza eleverebbe tali valori fino al punto da
far intervenire le protezioni automatiche contro i fenomeni di corto circuito.
La seconda macroarea relativa agli effetti elettrici del fulmine è quella
caratterizzata dal fenomeno dell’induzione elettromagnetica che risponde alla
legge di Faraday-Neumann-Lenz. Tale legge, naturale, spiega come ad ogni
variazione nel tempo di una corrente elettrica, e quindi del campo magnetico da
essa prodotto, corrisponda una tensione elettrica indotta nei circuiti non colpiti
dalla fulminazione. Tali circuiti sono, a volte, molto distanti dal punto d’impatto, e
la tensione in essi indotta è, appunto, l’effetto della variazione nel tempo del
succitato campo magnetico. La suddetta legge di F.N.L. puo’, dal punto di vista
matematico, essere cosi’ sintetizzata: Ui ≡ ∆I/∆t. Cio’ significa che più rapida è la
variazione della corrente di fulmine nel tempo, cioè più elevata è la ripidità del
fronte dell’onda (misurabile in kA/µs), più elevata sarà la sovratensione indotta
negli impianti. L’entità di tali sovratensioni non è tale da innescare scariche
pericolose (intendendo per tali quelle che possono produrre incendi), ma è
spesso sufficiente per danneggiare circuiti elettronici di apparecchiature ed
impianti sensibili, in quanto i medesimi sono normalmente funzionanti con
tensioni e correnti deboli il cui ordine di grandezza è nettamente inferiore ai livelli
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delle suddette sovratensioni da induzione. Dal punto di vista pratico si verificano
danneggiamenti ad impianti sensibili ubicati anche fino a 500-600 metri dal punto
di impatto del fulmine. Proteggere tali apparecchiature dal fenomeno di
sovratensione induttiva significa schermarle dai campi magnetici esterni, in
quanto solo uno schermo costituito da materiale paramagnetico puo’ canalizzare
in sè stesso ogni linea di flusso magnetico creato dalla corrente di fulmine
evitando cosi’ che qualcuna di esse vada a concatenarsi con gli apparati circuitali
degli impianti protetti.
La protezione contro i fenomeni di tipo resistivo, citati all’inizio, deve invece
avvenire esercitando una efficace azione di prevenzione in termini di sensibilità di
captazione e capacità di smaltimento, anche con l’ausilio di scaricatori sulle linee
elettriche e di un efficace impianto LPS (Lighting Protection System).
5- Fondamenti sul rischio
Come già detto, i fulmini sono fenomeni aleatori che possono essere studiati con
il metodo del calcolo probabilistico, facendo riferimento alla normativa nazionale
ed internazionale esistente. Diamo qui di seguito alcune definizioni basilari, utili
alla comprensione del concetto di rischio ( Guida ISO/ IEC 51 “ Linee guida per
l’inclusione degli aspetti di sicurezza nelle norme”).
- Danno: lesione fisica causata alla salute delle persone o alla funzionalità di un
bene;
- Pericolo: fonte potenziale di danno;
- Rischio: perdita annua prevista di persone o beni in una struttura, provocata dal
fulmine;
- Rischio residuo: rischio che sussiste dopo aver adottate le misure di sicurezza;
- Analisi del rischio: utilizzo delle informazioni disponibili per identificare i pericoli
e stimare il rischio;
- Valutazione del rischio: processo tendente a valutare la tollerabilità del rischio,
basato sull’analisi del rischio e sulla considerazione di fattori quali: aspetti sociali,
economici e ambientali;
- Accertamento del rischio: processo comprendente sia l’analisi che la
valutazione del rischio.
Il rischio è un parametro quantificabile ed è sempre rappresentato da un numero
puro, adimensionale. Esso, come qui di seguito specificato, si esprime come
l’effetto combinato della frequenza di accadimento e del fattore di danno medio.
Per ogni tipologia di perdita ( perdita di vite umane, perdita inaccettabile di servizi
pubblici essenziali, perdita di patrimonio culturale insostituibile, perdita
economica) esiste un livello di rischio ammissibile Ra previsto dalle norme.
Indicando con R0 il rischio esistente prima di ogni intervento volto alla sua
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iduzione, cioè il rischio originale, definiamo l’efficienza critica ηc, della protezione
di quella data tipologia di rischio, con l’espressione: ηc = 1- Ra/R0.
Indicando con Rr il rischio residuo che permane dopo aver posto in essere le
misure atte alla riduzione del rischio originale (è, ovviamente, Rr

Tenendo conto che t=1 e che, normalmente, F = NP

essere adottate contro le sorgenti o cause di danno; queste ultime si possono
ricondurre alla seguenti tipologie:
- tensioni di passo e di contatto;
- incendio (per effetto di scariche pericolose verso terra);
- sovratensioni su apparecchiature di impianti interni ed esterni.
Per quanto riguarda le scariche pericolose, capaci di dar luogo ad un incendio,
vanno in pratica considerate solo quelle con contenuto energetico significativo e
cioè quando c’è passaggio di corrente di fulmine; quindi, per effetto di fulmini
diretti e a causa di fulmini indiretti che colpiscono direttamente le linee esterne.
Ai fini della sua valutazione, il rischio puo’ essre espresso in funzione delle sue
diverse componenti, connesse alle cause di danno, Rs ( dove il pedice s indica la
sorgente):
R=ΣRs
Inoltre, lo stesso rischio puo’ essere distribuito tra l’effetto dei fulmini diretti Rd e
quello dei fulmini indiretti Ri:
Le fulminazioni indirette sono di tre tipi:
R= Rd + Ri
- a terra in prossimità della struttura (1);
- diretta sulle linee esterne (2);
- a terra in prossimità delle linee esterne (3).
Tenendo conto delle cause di danno e dei tipi di fulminazione diretta ed indiretta,
è utile associare ad essi le componenti di rischio che possono essere espresse
nel modo seguente, in relazione alle cause di danno:
- Rt = H;
- Rf = A + C;
- Ro = D + M + G
R = ΣRs = Rt + Rf + Ro
I pedici dei simboli (t, f, o) sono associati alle cause di rischio rappresentate,
rispettivamente, da tensioni di contatto e di passo (t), incendio (f), sovratensioni
su impianti interni ed esterni (o).
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Il rischio puo’ essere espresso anche tenendo conto dei due tipi di fulminazione
diretta e indiretta:
- Rd = H + A + D
- Ri = M + C + G
- R= Rd + Ri
Le componenti di rischio hanno il seguente significato:
- per fulminazione diretta:
-H: tensioni di contatto e di passo all’esterno della struttura;
-A: incendio;
-D: sovratensioni su impianti interni ed esterni;
- per fulminazione indiretta al suolo in prossimità della struttura:
-M: sovratensioni su impianti interni sensibili;
- per fulminazione indiretta sulle linee esterne di energia:
-C: incendio;
- per fulminazione indiretta al suolo in prossimità delle linee esterne:
-G: sovratensioni su impianti interni
7- Area di raccolta per fulminazione diretta (Ad)
Con il termine “area di raccolta diretta” si intende la superficie attraverso la quale
passano tutti i fulmini diretti discendenti e ascendenti che investono la struttura.
Si tratta di un area convenzionale equivalente del terreno che ha la stessa
frequenza di fulminazione della struttura. Alle determinazione di tale area
concorrono numerosi fattori tra i quali:
- le caratteristiche della struttura (dimensioni in pianta e in altezza);
- la sua posizione e altezza in relazione alle strutture circostanti;
- le caratteristiche orografiche dell’area ove è posta la struttura;
- l’attività ceraunica della zona;
- le caratteristiche del fulmine (corrente di scarica ed altri parametri elettrici).
Come già detto nel caso di fulmini discendenti affinchè la scarica si verifichi è
necessario che in prossimità della nuvola il campo elettrico superi il valore critico
costituito dalla rigidità dielettrica dell’aria. Si origina cosi’ un canale discendente
di perforazione che procede verso terra con andamento a zig zag del tutto
casuale.
Il campo elettrico vicino alla nuvola non risulta pero’ influenzato
dall’addensamento delle superfici equipotenziali determinato dalla struttura. Via
via che il processo di formazione del fulmine continua e la testa del canale si
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avvicina a suolo, aumenta anche il campo elettrico in prossimità del suolo. Se la
struttura presenta caratteristiche tali da far raggiungere al campo elettrico valori
critici (in particolare se è molto alta), alla sua sommità si manifesta l’”effetto
corona” da cui si originano delle controscariche ascendenti che vanno ad
intercettare il canale discendente del fulmine. In conclusione, nel caso di fulmini
discendenti, una struttura non influenza il processo di formazione della scarica e
quindi non modifica la probabilità di impatto nella zona. Cio’, tanto più quanto
minore è la sua attitudine ad addensare superfici equipotenziali del campo
elettrico al suolo.
Ad una data struttura pertanto corrisponde un’area di raccolta dei fulmini
discendenti le cui dimensioni risultano tanto maggiori quanto più elevata è
l’altezza della struttura stessa e quanto maggiore è la carica elettrica e quindi
l’intensità della corrente del fulmine.
r = 0,175 ·H · I 0,8
Per ogni raggio r dell’area raccolta vi è quindi un valore di corrente, in base alla
suddetta relazione, al quale e al di sopra del quale i fulmini vengono intercettati,
mentre i fulmini con valori più bassi possono colpire la struttura. Se in tale
relazione r ed h sono espressi in metri ed I in kA, corrispondente al valore della
corrente di cresta del fulmine che ha una probabilità di verificarsi del 50% (35
kA), risulta r ≈ 3 H.
Nel caso dei fulmini ascendenti i punti di partenza preferenziali sono quelli che
presentano, a causa delle loro caratteristiche in relazione alla zona circostante,
alti valori del campo elettrico (rilievi montuosi, strutture alte, ecc...). Una struttura
particolarmente alta determina percio’ una probabilità di fulmini ascendenti che, in
assenza della struttura stessa, non si verificherebbe e; analogamente, una
struttura posta in cima ad un rilievo montuoso aumenta la probabilità di fulmini
ascendenti che già possono verificarsi per la caratteristica del rilievo anche in
assenza della struttura.
In conclusione, la probabilità che fulmini ascendenti interessino una struttura
dipende, salvo altezze eccezionali della struttura stessa, dalle caratteristiche
orografiche della zona.
8- Aree di raccolta per fulminazione indiretta (Am, Ac, Ag)
Ai fini della determinazione della frequenza delle fulminazioni indirette, è
necessario valutare le aree di raccolta suddette cosi’ definite:
- Am per fulminazioni al suolo in prossimità della struttura;
- Ac per fulminazioni che colpiscono direttamente le linee esterne;
- Ag per fulminazioni al suolo in prossimità delle linee esterne.
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Area di raccolta Am
Per l’area di raccolta Am si considera che, in relazione alla pendenza della
corrente dei fulmini (∆I/∆t) che ha la probabilità del 50% di essere superata, si
possono avere effetti dannosi per sovratensione indotta negli impianti interni ed
apparecchiature sensibili (e non su quelli ordinari), fino a distanze massime dalla
struttura di 500 metri. Per distanze maggiori, tali effetti diventano trascurabili.
Pertanto, l’area Am è data dalla differenza tra quella individuata al suolo dalla
suddetta distanza di 500 metri e l’area di raccolta Ad della struttura. Se per
strutture molto alte (H ≥ 500/3= 167 metri) si ha Ad>Am, si assumerà Am= 0.
Area di raccolta Ac
L’area di raccolta Ac dipende dal tipo di linee elettriche entranti. La sovratensione
indotta negli impianti interni alla struttura viene considerata significativa per
fulmini intercettati dalle linee per l’intera lunghezza L, fino ad una distanza
massima dalla struttura stessa di 1000 metri (o, comunque, fino al primo nodo di
rete), oltre la quale si hanno forti attenuazioni della sovratensione presente sulla
linea.
Si considera che una linea aerea capti i fulmini che cadono entro una distanza da
essa pari a 3 h, dove h è la sua altezza dal suolo. Pertanto, la sua area di
raccolta risulta un rettangolo di lati 6h ed L:
Ac= 6·h·L
Nel caso in cui la linea provenga direttamente da un’altra struttura vicina di
altezza h’ e area di raccolta Ad’ (come in complessi unici costituiti da più
fabbricati), l’area Ac va aumentata di Ad’ (che si puo’ assumere con buona
approssimazione pari alla superficie in pianta della struttura di provenienza) e
calcolata tenendo conto di una diminuzione della lunghezza della linea per effetto
dell’area Ad’ assumendo L’=L-3h’.
Per le linee in cavo occorre considerare che esse, per effetto del campo elettrico
creato da un fulmine che cade al suolo, possono essere colpite da una scarica se
tale campo elettrico supera le rigidità dielettrica del suolo stesso. Le rilevazioni
sperimentali conducono alla seguente relazione dell’area di raccolta
Ac=2L·√ρ
dove ρ rappresenta la resistività elettrica del terreno ed L la lunghezza della linea
del cavo (con le stesse limitazioni viste per le linee aeree). Ac è data quindi
dall’area di un rettangolo avente come lati 2√ρ ed L.
I valori di Ac soprariportati vanno ridotti nel caso in cui si tratti di linee in media e
alta tensione con trasformatore all’arrivo (come normalmente avviene per tali
forniture), moltiplicandoli per i fattori 0,25 per linee aeree e 0,05 per linee in cavo
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interrato. Cio’ è dovuto al fatto che il trasformatore costituisce un efficace
sbarramento per il fronte ripido dell’onda ad impulso.
Per linee che si sviluppano in centri urbani, essendo queste praticamente protette
dalle strutture circostanti, normalmente molto fitte, si puo’ assumere Ac =0.
Area di raccolta Ag
Analogamente a quanto detto per la determinazione di Ac, l’area Ag dipende dal
tipo di linee entranti e per essa valgono le stesse considerazioni sulla lunghezza
della linea L.
Per le linee aeree, la distanza da cui un fulmine cadendo al suolo puo’ indurre in
esse sovratensioni significative per l’integrità degli impianti interni ordinari,
considerando il valore della corrente di fulmine che ha il 50% di probabilità di
essere superata (35 kA) e tenendo conto della tensione di tenuta delle
apparecchiature e dell’altezza di tali linee, risulta pari a 1000 metri. Pertanto
l’area di raccolta risulta:
Ag=2·1000·L
Per le linee in cavo, analogamente a quanto detto per la determinazione dell’area
di raccolta Ac, la distanza da considerare dal cavo stesso risulta pari a ρ.
Pertanto, l’area di raccolta diventa:
Ag=2·ρ·L
Anche per la determinazione dell’area Ag occorre considerare i coefficienti di
riduzione già indicati per l’area Ac, nel caso di linea in media e alta tensione con
trasformatore all’arrivo.
Anche per questo tipo di area di raccolta, quando ci si riferisce a linee che si
sviluppano in centri urbani, si puo’ assumere Ag = 0.
Nelle tavole sinottiche relative alla fulminazione indiretta ed indiretta è indicata la
procedura di applicazione delle aree di raccolta diretta ed indirette alla densità
annua di fulmini a terra per chilometro quadrato e alla frequenza di fulminazione
delle strutture.
Ricerca delle cause di esplosioni e incendi
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