1 Ricerca delle cause di esplosioni e incendi IL RISCHIO ... - Cineas
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1- Generalità<br />
<strong>IL</strong> <strong>RISCHIO</strong> FULMINAZIONE<br />
Il fulmine è una manifestazione dell’elettricità atmosferica che, per la sua natura e<br />
per i suoi effetti <strong>di</strong>retti e in<strong>di</strong>retti, puo’ determinare conseguenze anche<br />
gravissime dalle quali è comunque possibile salvaguardarsi me<strong>di</strong>ante<br />
l’installazione <strong>di</strong> appositi sistemi <strong>di</strong> protezione.<br />
La natura aleatoria del fulmine, tuttavia, impone che il sistema <strong>di</strong> protezione sia<br />
progettato e realizzato in modo tecnicamente corretto; <strong>di</strong>versamente, il pericolo <strong>di</strong><br />
danni puo’ risultare aggravato, nei casi in cui la protezione risulta effettivamente<br />
necessaria, e comportare un inutile onere, nel caso <strong>di</strong> strutture non esposte alla<br />
fulminazione o autoprotette.<br />
Prima dell’entrata in vigore, nel 1985, della Norma CEI 81-1 “Protezione <strong>di</strong><br />
strutture contro i fulmini” e della equipollente Norma internazionale IEC 1024-1, la<br />
legislazione e la normativa tecnica erano alquanto carenti, limitandosi la prima a<br />
prescrivere la protezione per determinate strutture e a fornire alcune modalità <strong>di</strong><br />
esecuzione la seconda. Non venivano invece in<strong>di</strong>cati i risultati che la protezione<br />
doveva conseguire. La nuova Norma ha introdotto alcuni concetti innovativi ed in<br />
particolare ha definito il “rischio” a cui risulta esposto il volume da proteggere,<br />
inteso come prodotto della probabilità che si verifichi l’evento dannoso per l’entità<br />
del fattore me<strong>di</strong>o <strong>di</strong> danno causato dall’evento stesso.<br />
Ne deriva che la funzione del sistema <strong>di</strong> protezione è quella <strong>di</strong> impe<strong>di</strong>re che il<br />
fenomeno della fulminazione comporti un rischio inaccettabile, tenuto conto che,<br />
nei limiti <strong>di</strong> una spesa giustificata dai benefici conseguiti, nessun impianto puo’<br />
garantire la protezione assoluta. Questo approccio al problema impone, tuttavia,<br />
la conoscenza <strong>di</strong> alcuni aspetti riguardanti l’accumulazione dell’elettricità<br />
nell’atmosfera e le con<strong>di</strong>zioni <strong>di</strong> base alle quali si verifica il fulmine.<br />
Dopo gli esperimenti <strong>di</strong> Franklin, risalenti al 1750, e <strong>di</strong> molti altri stu<strong>di</strong>osi, notevoli<br />
passi in avanti sono stati compiuti grazie all’adozione <strong>di</strong> meto<strong>di</strong> sperimentali e <strong>di</strong><br />
strumenti quali: klidonografi, macchine fotografiche speciali, barrette magnetiche<br />
e, soprattutto, oscillografi a raggi cato<strong>di</strong>ci.<br />
Molto interessanti, come applicazione per lo stu<strong>di</strong>o quantitativo del fenomeno<br />
temporalesco, risultano i <strong>di</strong>spositivi contascariche, i quali possono far conoscere<br />
con quale frequenza gli impianti parafulmini intervengono.<br />
Naturalmente, parte degli stu<strong>di</strong> vengono effettuati nei laboratori, riproducendo<br />
artificialmente il fenomeno della fulminazione, attraverso generatori ad impulsi<br />
elettrici con forma d’onda particolare, simulando, in intensità e rapi<strong>di</strong>tà del<br />
fenomeno, l’effettiva azione del fulmine.<br />
Un notevole contributo sperimentale alla conoscenza dei dati sui fulmini e sulla<br />
entità dei parametri ad essi connessi è dato dalle stazioni <strong>di</strong> captazione e misura<br />
esistenti nel mondo. In Italia si trovano quelle <strong>di</strong> Monte Orsa e <strong>di</strong> Foligno, in<br />
<strong>Ricerca</strong> <strong>delle</strong> <strong>cause</strong> <strong>di</strong> <strong>esplosioni</strong> e incen<strong>di</strong><br />
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Svizzera la stazione <strong>di</strong> Monte San Salvatore (Lugano). Per la captazione dei<br />
fulmini si utilizzano, in queste stazioni, aste poste su sostegni a traliccio installati<br />
ad una certa quota.<br />
Recentemente in Italia è stato installato da parte del CESI (Centro Elettrotecnico<br />
Sperimentale Italiano) il Sistema Italiano Rilevamento Fulmini (SIRF), attraverso il<br />
quale è possibile localizzare i punti <strong>di</strong> impatto al suolo dei fulmini e <strong>di</strong> registrarne i<br />
relativi parametri elettrofisici (ampiezza della corrente, polarità, numero <strong>di</strong> colpi).<br />
Tale sistema prevede l’impiego <strong>di</strong> sensori <strong>di</strong> campo elettromagnetico prodotto dal<br />
fulmine, <strong>di</strong>slocati sul territorio italiano e nei paesi limitrofi (Austria, Francia e<br />
Svizzera). I sensori, tramite apparecchiature e rete <strong>di</strong> telecomunicazione,<br />
trasmettono i dati ad un centro <strong>di</strong> calcolo presso il Centro Operativo del CESI a<br />
Milano, dove vengono elaborati in tempo reale, consentendo la formazione <strong>di</strong> una<br />
banca dati e anche la loro trasmissione remota per servizi agli utenti. Tali<br />
elaborazioni permettono <strong>di</strong> fornire servizi quali statistiche, cartografie e<br />
documentazioni che possono trovare applicazione nei seguenti settori: elettrico,<br />
per gli enti <strong>di</strong>stributori; assicurativo, per attestati <strong>di</strong> attività temporalesca, nonchè<br />
per la formulazione <strong>di</strong> elaborazioni statistiche in termini <strong>di</strong> probabilità <strong>di</strong><br />
acca<strong>di</strong>mento del fenomeno; metereologico; attività portuale ed aeroportuale e <strong>di</strong><br />
trasporti; produzione <strong>di</strong> apparecchiature <strong>di</strong> protezione contro le sovratensioni;<br />
telecomunicazioni; protezione civile e produzioni industriali con processi delicati.<br />
Si occupano dello stu<strong>di</strong>o dei fulmini anche organismi internazionali quali il CCITT<br />
(International Telegraph and Telephone Consultative Committee) e la CIGRE<br />
(Conference Internationale des Grands Reseaux Electriques).<br />
2- Natura elettrofisica del fulmine<br />
Le nuvole che con maggior probabilità provocano fenomeni <strong>di</strong> scariche elettriche<br />
sono i cumuli e i cumulonembi. La loro caratteristica è quella <strong>di</strong> svilupparsi in<br />
altezza anche per 10-15 km, ad una <strong>di</strong>stanza dal suolo <strong>di</strong> qualche chilometro.<br />
La formazione <strong>delle</strong> cariche elettriche nelle nuvole avviene per via elettrostatica,<br />
a causa <strong>delle</strong> notevoli correnti <strong>di</strong> aria che si determinano all’interno <strong>delle</strong> nuvole<br />
stesse per il riscaldamento e l’evaporazione degli strati più bassi, e per la<br />
presenza <strong>di</strong> particelle liquide e solide (ghiaccio). Queste ultime, sotto la spinta dei<br />
venti e della forza <strong>di</strong> gravità, danno luogo per strofinio a fenomeni <strong>di</strong> ionizzazione<br />
liberando elettroni (cariche negative) e ioni positivi. Nella maggior parte dei casi,<br />
circa l’80-90%, le cariche positive si localizzano nella parte più alta della nube e,<br />
conseguentemente, quelle negative nella parte più bassa, con una piccola zona<br />
centrale in basso densa <strong>di</strong> cariche positive; quest’ultima zona puo’ costituire<br />
spesso il canale <strong>di</strong> aspirazione ascensionale che porta le cariche positive verso la<br />
parte alta della nube.<br />
La parte bassa della nuvola, carica negativamente, come accade per le armature<br />
<strong>di</strong> un grande condensatore, richiama sul terreno sottostante <strong>delle</strong> cariche<br />
positive, per cui tra nube e terra si determina un campo elettrico, che si misura in<br />
Volt/metro.<br />
<strong>Ricerca</strong> <strong>delle</strong> <strong>cause</strong> <strong>di</strong> <strong>esplosioni</strong> e incen<strong>di</strong><br />
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La formazione <strong>delle</strong> scariche ha inizio dalla zona inferiore della nube quando il<br />
campo elettrico supera la “tenuta” dell’aria, cioè la sua rigi<strong>di</strong>tà <strong>di</strong>elettrica, pari a<br />
20000-30000 Volt/cm a seconda della sua temperatura, pressione, umi<strong>di</strong>tà.<br />
Infatti, dalla base della nuvola, in cui esiste la maggior concentrazione <strong>di</strong> elettroni,<br />
e quin<strong>di</strong> un campo elettrico localmente molto forte, gli elettroni stessi vengono<br />
accelerati verso terra, cioè in senso contrario alle linee del campo, provocando<br />
ulteriore ionizzazione e quin<strong>di</strong> una scarica che avanza secondo un andamento<br />
casuale a zig-zag. L’avanzamento avviene a scatti, in quanto <strong>di</strong>etro la testa della<br />
scarica si ha una ricombinazione degli ioni e subito dopo, ad intervalli <strong>di</strong> alcune<br />
decine <strong>di</strong> microsecon<strong>di</strong> e per <strong>di</strong>stanze <strong>di</strong> circa 10-20m, si verifica una nuova<br />
ondata <strong>di</strong> elettroni che continuano il percorso determinato dal canale ionizzato.<br />
La velocità <strong>di</strong> propagazione, nell’avanzamento a scatti della scarica pilota, è pari<br />
a circa lo 0,1% <strong>di</strong> quella della luce (300000 km/s).<br />
Le cariche negative procedendo verso terra (cio’ avviene in modo silenzioso e<br />
debolmente luminoso) determinano un aumento della concentrazione <strong>di</strong> cariche<br />
positive al suolo, con un innalzamento anche del campo elettrico. In queste<br />
con<strong>di</strong>zioni, dal terreno ed in particolare dalle sporgenze come camini, torri ed<br />
e<strong>di</strong>fici in genere, puo’ originarsi una controscarica ascendente positiva la quale fa<br />
seguito ad un iniziale “effetto corona” e va ad incontrare il canale ionizzato della<br />
scarica <strong>di</strong>scendente.<br />
La controscarica ha uno sviluppo <strong>di</strong> sole alcune decine <strong>di</strong> metri dal suolo, per cui<br />
una struttura non determina il punto <strong>di</strong> caduta dei fulmini, in quanto tale punto è<br />
interessato dalla scarica solo quando questa si è determinata in modo completo e<br />
sta per raggiungere il suolo.<br />
Quando il canale ascendente incontra quello <strong>di</strong>scendente e si realizza un canale<br />
ionizzato continuo tra nube e suolo, avviene la scarica <strong>di</strong> ritorno positiva verso<br />
l’alto ad elevata velocità, pari al 10-50% <strong>di</strong> quella della luce e,<br />
contemporaneamente, ha inizio il processo <strong>di</strong> neutralizzazione della cariche<br />
negative presenti lungo il canale e nelle zone della nuvola da cui si è originato il<br />
fenomeno.<br />
La scarica <strong>di</strong> ritorno, che ha una forte luminosità e dà origine al tuono (fenomeno<br />
acustico duvuto al repentino e fortissimo riscaldamento - circa 30000 °K -, con<br />
conseguente <strong>di</strong>latazione, dell’aria interessata dalla scarica), è accompagnata,<br />
data l’alta velocità, da un elevatissimo flusso cariche elettriche con correnti<br />
dell’or<strong>di</strong>ne <strong>delle</strong> centinaia kiloampere.<br />
Quando la scarica <strong>di</strong> ritorno raggiunge la nube, si ristabilisce localmente un<br />
equilibrio, ma spesso, intorno al 50% dei casi, avviene che altre parti della nube<br />
stessa posseggano ancora cariche negative che vanno a neutralizzarsi con altre<br />
positive del terreno, utilizzando il percorso, cioè il canale ionizzato, già tracciato<br />
in precedenza; si verificano cosi scariche <strong>di</strong>scendenti e <strong>di</strong> ritorno multiple, che<br />
procedono in maniera <strong>di</strong>retta e rapida, con intervalli <strong>di</strong> 20-200 ms e in numero<br />
me<strong>di</strong>o <strong>di</strong> 2-3 fino anche a 30. Per intervalli <strong>di</strong> tempo brevi tra le scariche, si puo’<br />
avere la propagazione <strong>delle</strong> cariche negative con una velocità fino a 3000 km/s,<br />
dato che il percorso viene effettuato in continuità a non a scatti.<br />
<strong>Ricerca</strong> <strong>delle</strong> <strong>cause</strong> <strong>di</strong> <strong>esplosioni</strong> e incen<strong>di</strong><br />
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Il tipo <strong>di</strong> scarica descritto precedentemente, cioè <strong>di</strong>scendente, è quello più<br />
probabile e quin<strong>di</strong> il più importante, ma non è il solo che puo’ verificarsi. Infatti, le<br />
scariche <strong>di</strong>scendenti si verificano su strutture basse e poste sui terreni piani, ma<br />
per costruzioni molto alte (torri, grattacieli, impianti tecnologici particolari, ecc.) o<br />
comunque poste su montagne, a causa degli elevatissimi campi elettrici esistenti<br />
alla loro sommità (effetto <strong>delle</strong> punte per elevata densità <strong>di</strong> carica), si possono<br />
avere <strong>delle</strong> scariche ascendenti dovute alle cariche elettriche positive che dal<br />
suolo raggiungono <strong>di</strong>rettamente la nube, con un avanzamento a gra<strong>di</strong>ni, forte<br />
luminosità e colpi multipli, come per le scariche <strong>di</strong>scendenti. In questo caso si<br />
tratta pero’ <strong>di</strong> scariche ascendenti con valori <strong>di</strong> corrente bassi, generalmente non<br />
oltre i 1000 A, <strong>di</strong> tipo continuativo, cioè il valore massimo della corrente viene<br />
raggiunto in tempi dell’or<strong>di</strong>ne del decimo <strong>di</strong> secondo, contrariamente a quanto<br />
avviene per i fulmini <strong>di</strong>scendenti, caratterizzati da impulsi con un fronte molto<br />
ripido e tempi dell’or<strong>di</strong>ne dei microsecon<strong>di</strong>.<br />
I meccanismi descritti in precedenza per i fulmini <strong>di</strong>scendenti si riferiscono, come<br />
già detto, a scariche con polarità negativa, che sono le più probabili. Ma si<br />
possono originare anche fulmini positivi, cioè che si formano da nubi cariche<br />
positivamente, i quali generalmente si sviluppano con un solo impulso,<br />
caratterizzato da un fronte poco ripido, da un andamento <strong>di</strong> tipo continuativo e da<br />
valori <strong>di</strong> corrente assai più elevati <strong>di</strong> quelli relativi alle scariche negative. In<br />
questo caso, la controscarica negativa che si origina dal terreno verso la scarica<br />
positiva pilota proveniente dalla nube, contrariamente a quanto si verifica per le<br />
scariche negative, puo’ raggiungere <strong>di</strong>mensioni <strong>di</strong> migliaia <strong>di</strong> metri. Cio’ è dovuto<br />
al fatto che, mentre le cariche positive sono quasi sempre associate a pulviscolo<br />
o a goccioline d’acqua aventi una massa consistente e quin<strong>di</strong> una certa inerzia<br />
meccanica, le cariche negative sono prevalentemente costituite da elettroni, <strong>di</strong><br />
massa ed inerzia meccanica praticamente trascurabili, caratterizzati da tempi <strong>di</strong><br />
spostamento infinitesimi rispetto a quelli <strong>delle</strong> cariche positive; si spiega cosi’<br />
anche la <strong>di</strong>versa ripi<strong>di</strong>tà dei fronti d’onda nei due casi.<br />
I fulmini positivi sono caratterizzati da valori dei parametri elettrici assai elevati<br />
(corrente, energia, carica elettrica), mentre i valori maggiori della pendenza del<br />
fronte d’onda si riscontrano nei fulmini negativi e, particolarmente, nei relativi<br />
colpi successivi.<br />
3- Attività ceraunica<br />
Non tutte le zone hanno la stessa probabilità che si formino temporali e che,<br />
conseguentemente, si manifestino dei fulmini.<br />
Da un punto <strong>di</strong> vista strettamente meteorologico si puo’ arrivare, me<strong>di</strong>ante<br />
indagine statistica, alla determinazione della probabilità che in una certa zona si<br />
manifestino formazioni temporalesche.<br />
Per esprimere quantitativamente questo concetto si fa uso dei livelli ceraunici.<br />
Si definisce livello ceraunico <strong>di</strong> una determinata zona il numero dei giorni <strong>di</strong> un<br />
anno nei quali è stato u<strong>di</strong>to almeno un tuono.<br />
<strong>Ricerca</strong> <strong>delle</strong> <strong>cause</strong> <strong>di</strong> <strong>esplosioni</strong> e incen<strong>di</strong><br />
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Facendo la me<strong>di</strong>a <strong>delle</strong> rilevazioni <strong>di</strong> un numero sufficientemente grande <strong>di</strong> anni,<br />
si ottiene un livello ceraunico me<strong>di</strong>o, <strong>di</strong> grande importanza statistica.<br />
Congiungendo i punti ad uguale livello ceraunico su una carta geografica si<br />
ottiene la carta isoceraunica o carta dei temporali. Da essa si deduce la<br />
probabilità che insorgano i temporali.<br />
Tuttavia, agli effetti della protezione contro i fulmini <strong>di</strong> una struttura, è importante<br />
conoscere la densità dei fulmini a terra Nt , ossia il numero <strong>di</strong> scariche a terra per<br />
unità <strong>di</strong> superficie ( km²) e per unità <strong>di</strong> tempo (anno). E’ infatti questo il parametro<br />
che viene assunto come punto <strong>di</strong> partenza per la valutazione della frequenza dei<br />
fulmini e, in particolare, della loro fraquenza <strong>di</strong> danno sulle strutture.<br />
La valutazione <strong>di</strong> Nt puo’ essere effettuata in modo empirico ipotizzando<br />
l’esistenza <strong>di</strong> una correlazione pseudolineare tra giornate temporalesche e<br />
densità dei fulmini a terra.<br />
La relazione esistente tra il livello ceraunico Td e la densità <strong>di</strong> fulminazione è la<br />
seguente:<br />
Nt = 0,04 · Td 1,25<br />
Naturalmente, l’uso della suddetta relazione (prettamente empirica) conduce a<br />
dati talora poco rispondenti alla realtà, per cui è necessario <strong>di</strong>sporre <strong>di</strong> relazioni<br />
sperimentali.<br />
In tempi recenti sono state condotte ricerche sistematiche in numerosi paesi tra<br />
cui l’Italia. L’indagine condotta nel nostro paese, nel periodo 1968-1979, che ha<br />
comportato l’installazione <strong>di</strong> 50 contatori atti a rilevare il verificarsi dei fulmini, ha<br />
consentito <strong>di</strong> tracciare una mappa dei valori me<strong>di</strong> del numero <strong>di</strong> fulmini a terra per<br />
chilometro quadrato e per anno del territorio nazionale.<br />
Con l’impiego del moderno sistema <strong>di</strong> rilevazione SIRF del CESI, <strong>di</strong> cui si è detto<br />
in precedenza, è stato possibile aggiornare i dati della densità <strong>di</strong> fulminazione. In<br />
appen<strong>di</strong>ce alla presente trattazione è riportato l’elenco dei Comuni d’Italia con il<br />
rispettivo valore Nt, tratta dalla Pubblicazione CEI 81-3 “ Valori me<strong>di</strong> del numero<br />
dei fulmini a terra per anno e per chilometro quadrato dei comuni d’Italia, in<br />
or<strong>di</strong>ne alfabetico – Elenco dei comuni “. Tale elenco per alcune località si<br />
<strong>di</strong>scosta sensibilmente dalla statistica SIRF, mentre in altre zone l’aggiornamento<br />
ne ha confermato la vali<strong>di</strong>tà.<br />
4- Effetto resistivo ed effetto induttivo del fulmine<br />
Dal punto <strong>di</strong> vista elettrico e dei danni connessi alla fenomenologia elettrica<br />
possiamo in<strong>di</strong>viduare due aree principali nelle quali la corrente <strong>di</strong> fulmine<br />
manifesta i suoi effetti. Una corrente <strong>di</strong> fulmine che attraversa un mezzo, o un<br />
materiale, dotato <strong>di</strong> una certa resistenza conduttiva, secondo la legge<br />
fondamentale U=R·I (legge <strong>di</strong> Ohm), produce in esso una caduta <strong>di</strong> tensione e<br />
quin<strong>di</strong> una <strong>di</strong>fferenza <strong>di</strong> potenziale elettrico verso terra. Pertanto, il punto <strong>di</strong><br />
<strong>Ricerca</strong> <strong>delle</strong> <strong>cause</strong> <strong>di</strong> <strong>esplosioni</strong> e incen<strong>di</strong><br />
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impatto del fulmine puo’ assumere verso terra elevatissimi potenziali (in Volt) tali<br />
da produrre verso altri corpi circostanti, non colpiti <strong>di</strong>rettamente dalla<br />
fulminazione, pericolose scariche trasversali. Infatti la rigi<strong>di</strong>tà <strong>di</strong>elettrica dell’aria<br />
non è a volte sufficiente ad evitare la sua perforazione da parte del forte campo<br />
elettrico instauratosi tra il mezzo colpito dal fulmine e gli elementi circostanti. Cio’<br />
spiega come possa accadere che una fulminazione caduta in un determinato<br />
punto produca danni ad apparecchiature situate in prossimità <strong>di</strong> quel punto ma<br />
non colpite dalla fulminazione medesima.<br />
Quanto descritto rispecchia la caratteristica resistiva del fulmine in quanto<br />
conseguente alla suddetta legge <strong>di</strong> Ohm; essa è tanto più sentita quanto più<br />
elevata è la resistenza R del mezzo attraversato dalla corrente <strong>di</strong> fulmine. I danni<br />
resistivi da fulmine sono infatti tanto più devastanti e degenerano in incen<strong>di</strong> e/o<br />
<strong>esplosioni</strong>, quanto meno conduttivo è il mezzo colpito dal fulmine stesso (ad es.<br />
la muratura <strong>di</strong> un campanile, un albero, una parte metallica <strong>di</strong> un impianto non<br />
correttamente collegata a terra). Il fatto che la sovratensione <strong>di</strong> tipo resistivo,<br />
U=R·I, risulti elevata in proporzione alla resistenza elettrica R del mezzo, è<br />
ascrivibile al carattere in<strong>di</strong>pendente ed aleatorio della variabile I (corrente <strong>di</strong><br />
fulmine), la cui intensità <strong>di</strong>pende dalle caratteristiche intrinseche della scarica e<br />
non dalle caratteristiche del mezzo colpito dalla scarica. Potremmo definire quin<strong>di</strong><br />
il fulmine come un generatore, fortunatamente <strong>di</strong> efficacia transitoria, <strong>di</strong> corrente<br />
e non <strong>di</strong> tensione. Cio’, contrariamente ai criteri <strong>di</strong> fornitura dell’energia che<br />
invece mantengono rigorosamente costante la variabile “tensione” U. In tale<br />
situazione è la corrente I la variabile <strong>di</strong>pendente dalla resistenza R e quin<strong>di</strong><br />
un’altissima resistenza finisce per rendere molto bassi i livelli della corrente<br />
stessa, mentre una bassissima resistenza eleverebbe tali valori fino al punto da<br />
far intervenire le protezioni automatiche contro i fenomeni <strong>di</strong> corto circuito.<br />
La seconda macroarea relativa agli effetti elettrici del fulmine è quella<br />
caratterizzata dal fenomeno dell’induzione elettromagnetica che risponde alla<br />
legge <strong>di</strong> Faraday-Neumann-Lenz. Tale legge, naturale, spiega come ad ogni<br />
variazione nel tempo <strong>di</strong> una corrente elettrica, e quin<strong>di</strong> del campo magnetico da<br />
essa prodotto, corrisponda una tensione elettrica indotta nei circuiti non colpiti<br />
dalla fulminazione. Tali circuiti sono, a volte, molto <strong>di</strong>stanti dal punto d’impatto, e<br />
la tensione in essi indotta è, appunto, l’effetto della variazione nel tempo del<br />
succitato campo magnetico. La suddetta legge <strong>di</strong> F.N.L. puo’, dal punto <strong>di</strong> vista<br />
matematico, essere cosi’ sintetizzata: Ui ≡ ∆I/∆t. Cio’ significa che più rapida è la<br />
variazione della corrente <strong>di</strong> fulmine nel tempo, cioè più elevata è la ripi<strong>di</strong>tà del<br />
fronte dell’onda (misurabile in kA/µs), più elevata sarà la sovratensione indotta<br />
negli impianti. L’entità <strong>di</strong> tali sovratensioni non è tale da innescare scariche<br />
pericolose (intendendo per tali quelle che possono produrre incen<strong>di</strong>), ma è<br />
spesso sufficiente per danneggiare circuiti elettronici <strong>di</strong> apparecchiature ed<br />
impianti sensibili, in quanto i medesimi sono normalmente funzionanti con<br />
tensioni e correnti deboli il cui or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> grandezza è nettamente inferiore ai livelli<br />
<strong>Ricerca</strong> <strong>delle</strong> <strong>cause</strong> <strong>di</strong> <strong>esplosioni</strong> e incen<strong>di</strong><br />
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<strong>delle</strong> suddette sovratensioni da induzione. Dal punto <strong>di</strong> vista pratico si verificano<br />
danneggiamenti ad impianti sensibili ubicati anche fino a 500-600 metri dal punto<br />
<strong>di</strong> impatto del fulmine. Proteggere tali apparecchiature dal fenomeno <strong>di</strong><br />
sovratensione induttiva significa schermarle dai campi magnetici esterni, in<br />
quanto solo uno schermo costituito da materiale paramagnetico puo’ canalizzare<br />
in sè stesso ogni linea <strong>di</strong> flusso magnetico creato dalla corrente <strong>di</strong> fulmine<br />
evitando cosi’ che qualcuna <strong>di</strong> esse vada a concatenarsi con gli apparati circuitali<br />
degli impianti protetti.<br />
La protezione contro i fenomeni <strong>di</strong> tipo resistivo, citati all’inizio, deve invece<br />
avvenire esercitando una efficace azione <strong>di</strong> prevenzione in termini <strong>di</strong> sensibilità <strong>di</strong><br />
captazione e capacità <strong>di</strong> smaltimento, anche con l’ausilio <strong>di</strong> scaricatori sulle linee<br />
elettriche e <strong>di</strong> un efficace impianto LPS (Lighting Protection System).<br />
5- Fondamenti sul rischio<br />
Come già detto, i fulmini sono fenomeni aleatori che possono essere stu<strong>di</strong>ati con<br />
il metodo del calcolo probabilistico, facendo riferimento alla normativa nazionale<br />
ed internazionale esistente. Diamo qui <strong>di</strong> seguito alcune definizioni basilari, utili<br />
alla comprensione del concetto <strong>di</strong> rischio ( Guida ISO/ IEC 51 “ Linee guida per<br />
l’inclusione degli aspetti <strong>di</strong> sicurezza nelle norme”).<br />
- Danno: lesione fisica causata alla salute <strong>delle</strong> persone o alla funzionalità <strong>di</strong> un<br />
bene;<br />
- Pericolo: fonte potenziale <strong>di</strong> danno;<br />
- Rischio: per<strong>di</strong>ta annua prevista <strong>di</strong> persone o beni in una struttura, provocata dal<br />
fulmine;<br />
- Rischio residuo: rischio che sussiste dopo aver adottate le misure <strong>di</strong> sicurezza;<br />
- Analisi del rischio: utilizzo <strong>delle</strong> informazioni <strong>di</strong>sponibili per identificare i pericoli<br />
e stimare il rischio;<br />
- Valutazione del rischio: processo tendente a valutare la tollerabilità del rischio,<br />
basato sull’analisi del rischio e sulla considerazione <strong>di</strong> fattori quali: aspetti sociali,<br />
economici e ambientali;<br />
- Accertamento del rischio: processo comprendente sia l’analisi che la<br />
valutazione del rischio.<br />
Il rischio è un parametro quantificabile ed è sempre rappresentato da un numero<br />
puro, a<strong>di</strong>mensionale. Esso, come qui <strong>di</strong> seguito specificato, si esprime come<br />
l’effetto combinato della frequenza <strong>di</strong> acca<strong>di</strong>mento e del fattore <strong>di</strong> danno me<strong>di</strong>o.<br />
Per ogni tipologia <strong>di</strong> per<strong>di</strong>ta ( per<strong>di</strong>ta <strong>di</strong> vite umane, per<strong>di</strong>ta inaccettabile <strong>di</strong> servizi<br />
pubblici essenziali, per<strong>di</strong>ta <strong>di</strong> patrimonio culturale insostituibile, per<strong>di</strong>ta<br />
economica) esiste un livello <strong>di</strong> rischio ammissibile Ra previsto dalle norme.<br />
In<strong>di</strong>cando con R0 il rischio esistente prima <strong>di</strong> ogni intervento volto alla sua<br />
<strong>Ricerca</strong> <strong>delle</strong> <strong>cause</strong> <strong>di</strong> <strong>esplosioni</strong> e incen<strong>di</strong><br />
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iduzione, cioè il rischio originale, definiamo l’efficienza critica ηc, della protezione<br />
<strong>di</strong> quella data tipologia <strong>di</strong> rischio, con l’espressione: ηc = 1- Ra/R0.<br />
In<strong>di</strong>cando con Rr il rischio residuo che permane dopo aver posto in essere le<br />
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 <strong>cause</strong> <strong>di</strong> danno; queste ultime si possono<br />
ricondurre alla seguenti tipologie:<br />
- tensioni <strong>di</strong> passo e <strong>di</strong> contatto;<br />
- incen<strong>di</strong>o (per effetto <strong>di</strong> scariche pericolose verso terra);<br />
- sovratensioni su apparecchiature <strong>di</strong> impianti interni ed esterni.<br />
Per quanto riguarda le scariche pericolose, capaci <strong>di</strong> dar luogo ad un incen<strong>di</strong>o,<br />
vanno in pratica considerate solo quelle con contenuto energetico significativo e<br />
cioè quando c’è passaggio <strong>di</strong> corrente <strong>di</strong> fulmine; quin<strong>di</strong>, per effetto <strong>di</strong> fulmini<br />
<strong>di</strong>retti e a causa <strong>di</strong> fulmini in<strong>di</strong>retti che colpiscono <strong>di</strong>rettamente le linee esterne.<br />
Ai fini della sua valutazione, il rischio puo’ essre espresso in funzione <strong>delle</strong> sue<br />
<strong>di</strong>verse componenti, connesse alle <strong>cause</strong> <strong>di</strong> danno, Rs ( dove il pe<strong>di</strong>ce s in<strong>di</strong>ca la<br />
sorgente):<br />
R=ΣRs<br />
Inoltre, lo stesso rischio puo’ essere <strong>di</strong>stribuito tra l’effetto dei fulmini <strong>di</strong>retti Rd e<br />
quello dei fulmini in<strong>di</strong>retti Ri:<br />
Le fulminazioni in<strong>di</strong>rette sono <strong>di</strong> tre tipi:<br />
R= Rd + Ri<br />
- a terra in prossimità della struttura (1);<br />
- <strong>di</strong>retta sulle linee esterne (2);<br />
- a terra in prossimità <strong>delle</strong> linee esterne (3).<br />
Tenendo conto <strong>delle</strong> <strong>cause</strong> <strong>di</strong> danno e dei tipi <strong>di</strong> fulminazione <strong>di</strong>retta ed in<strong>di</strong>retta,<br />
è utile associare ad essi le componenti <strong>di</strong> rischio che possono essere espresse<br />
nel modo seguente, in relazione alle <strong>cause</strong> <strong>di</strong> danno:<br />
- Rt = H;<br />
- Rf = A + C;<br />
- Ro = D + M + G<br />
R = ΣRs = Rt + Rf + Ro<br />
I pe<strong>di</strong>ci dei simboli (t, f, o) sono associati alle <strong>cause</strong> <strong>di</strong> rischio rappresentate,<br />
rispettivamente, da tensioni <strong>di</strong> contatto e <strong>di</strong> passo (t), incen<strong>di</strong>o (f), sovratensioni<br />
su impianti interni ed esterni (o).<br />
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Il rischio puo’ essere espresso anche tenendo conto dei due tipi <strong>di</strong> fulminazione<br />
<strong>di</strong>retta e in<strong>di</strong>retta:<br />
- Rd = H + A + D<br />
- Ri = M + C + G<br />
- R= Rd + Ri<br />
Le componenti <strong>di</strong> rischio hanno il seguente significato:<br />
- per fulminazione <strong>di</strong>retta:<br />
-H: tensioni <strong>di</strong> contatto e <strong>di</strong> passo all’esterno della struttura;<br />
-A: incen<strong>di</strong>o;<br />
-D: sovratensioni su impianti interni ed esterni;<br />
- per fulminazione in<strong>di</strong>retta al suolo in prossimità della struttura:<br />
-M: sovratensioni su impianti interni sensibili;<br />
- per fulminazione in<strong>di</strong>retta sulle linee esterne <strong>di</strong> energia:<br />
-C: incen<strong>di</strong>o;<br />
- per fulminazione in<strong>di</strong>retta al suolo in prossimità <strong>delle</strong> linee esterne:<br />
-G: sovratensioni su impianti interni<br />
7- Area <strong>di</strong> raccolta per fulminazione <strong>di</strong>retta (Ad)<br />
Con il termine “area <strong>di</strong> raccolta <strong>di</strong>retta” si intende la superficie attraverso la quale<br />
passano tutti i fulmini <strong>di</strong>retti <strong>di</strong>scendenti e ascendenti che investono la struttura.<br />
Si tratta <strong>di</strong> un area convenzionale equivalente del terreno che ha la stessa<br />
frequenza <strong>di</strong> fulminazione della struttura. Alle determinazione <strong>di</strong> tale area<br />
concorrono numerosi fattori tra i quali:<br />
- le caratteristiche della struttura (<strong>di</strong>mensioni in pianta e in altezza);<br />
- la sua posizione e altezza in relazione alle strutture circostanti;<br />
- le caratteristiche orografiche dell’area ove è posta la struttura;<br />
- l’attività ceraunica della zona;<br />
- le caratteristiche del fulmine (corrente <strong>di</strong> scarica ed altri parametri elettrici).<br />
Come già detto nel caso <strong>di</strong> fulmini <strong>di</strong>scendenti affinchè la scarica si verifichi è<br />
necessario che in prossimità della nuvola il campo elettrico superi il valore critico<br />
costituito dalla rigi<strong>di</strong>tà <strong>di</strong>elettrica dell’aria. Si origina cosi’ un canale <strong>di</strong>scendente<br />
<strong>di</strong> perforazione che procede verso terra con andamento a zig zag del tutto<br />
casuale.<br />
Il campo elettrico vicino alla nuvola non risulta pero’ influenzato<br />
dall’addensamento <strong>delle</strong> superfici equipotenziali determinato dalla struttura. Via<br />
via che il processo <strong>di</strong> formazione del fulmine continua e la testa del canale si<br />
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avvicina a suolo, aumenta anche il campo elettrico in prossimità del suolo. Se la<br />
struttura presenta caratteristiche tali da far raggiungere al campo elettrico valori<br />
critici (in particolare se è molto alta), alla sua sommità si manifesta l’”effetto<br />
corona” da cui si originano <strong>delle</strong> controscariche ascendenti che vanno ad<br />
intercettare il canale <strong>di</strong>scendente del fulmine. In conclusione, nel caso <strong>di</strong> fulmini<br />
<strong>di</strong>scendenti, una struttura non influenza il processo <strong>di</strong> formazione della scarica e<br />
quin<strong>di</strong> non mo<strong>di</strong>fica la probabilità <strong>di</strong> impatto nella zona. Cio’, tanto più quanto<br />
minore è la sua attitu<strong>di</strong>ne ad addensare superfici equipotenziali del campo<br />
elettrico al suolo.<br />
Ad una data struttura pertanto corrisponde un’area <strong>di</strong> raccolta dei fulmini<br />
<strong>di</strong>scendenti le cui <strong>di</strong>mensioni risultano tanto maggiori quanto più elevata è<br />
l’altezza della struttura stessa e quanto maggiore è la carica elettrica e quin<strong>di</strong><br />
l’intensità della corrente del fulmine.<br />
r = 0,175 ·H · I 0,8<br />
Per ogni raggio r dell’area raccolta vi è quin<strong>di</strong> un valore <strong>di</strong> corrente, in base alla<br />
suddetta relazione, al quale e al <strong>di</strong> sopra del quale i fulmini vengono intercettati,<br />
mentre i fulmini con valori più bassi possono colpire la struttura. Se in tale<br />
relazione r ed h sono espressi in metri ed I in kA, corrispondente al valore della<br />
corrente <strong>di</strong> cresta del fulmine che ha una probabilità <strong>di</strong> verificarsi del 50% (35<br />
kA), risulta r ≈ 3 H.<br />
Nel caso dei fulmini ascendenti i punti <strong>di</strong> partenza preferenziali sono quelli che<br />
presentano, a causa <strong>delle</strong> loro caratteristiche in relazione alla zona circostante,<br />
alti valori del campo elettrico (rilievi montuosi, strutture alte, ecc...). Una struttura<br />
particolarmente alta determina percio’ una probabilità <strong>di</strong> fulmini ascendenti che, in<br />
assenza della struttura stessa, non si verificherebbe e; analogamente, una<br />
struttura posta in cima ad un rilievo montuoso aumenta la probabilità <strong>di</strong> fulmini<br />
ascendenti che già possono verificarsi per la caratteristica del rilievo anche in<br />
assenza della struttura.<br />
In conclusione, la probabilità che fulmini ascendenti interessino una struttura<br />
<strong>di</strong>pende, salvo altezze eccezionali della struttura stessa, dalle caratteristiche<br />
orografiche della zona.<br />
8- Aree <strong>di</strong> raccolta per fulminazione in<strong>di</strong>retta (Am, Ac, Ag)<br />
Ai fini della determinazione della frequenza <strong>delle</strong> fulminazioni in<strong>di</strong>rette, è<br />
necessario valutare le aree <strong>di</strong> raccolta suddette cosi’ definite:<br />
- Am per fulminazioni al suolo in prossimità della struttura;<br />
- Ac per fulminazioni che colpiscono <strong>di</strong>rettamente le linee esterne;<br />
- Ag per fulminazioni al suolo in prossimità <strong>delle</strong> linee esterne.<br />
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Area <strong>di</strong> raccolta Am<br />
Per l’area <strong>di</strong> raccolta Am si considera che, in relazione alla pendenza della<br />
corrente dei fulmini (∆I/∆t) che ha la probabilità del 50% <strong>di</strong> essere superata, si<br />
possono avere effetti dannosi per sovratensione indotta negli impianti interni ed<br />
apparecchiature sensibili (e non su quelli or<strong>di</strong>nari), fino a <strong>di</strong>stanze massime dalla<br />
struttura <strong>di</strong> 500 metri. Per <strong>di</strong>stanze maggiori, tali effetti <strong>di</strong>ventano trascurabili.<br />
Pertanto, l’area Am è data dalla <strong>di</strong>fferenza tra quella in<strong>di</strong>viduata al suolo dalla<br />
suddetta <strong>di</strong>stanza <strong>di</strong> 500 metri e l’area <strong>di</strong> raccolta Ad della struttura. Se per<br />
strutture molto alte (H ≥ 500/3= 167 metri) si ha Ad>Am, si assumerà Am= 0.<br />
Area <strong>di</strong> raccolta Ac<br />
L’area <strong>di</strong> raccolta Ac <strong>di</strong>pende dal tipo <strong>di</strong> linee elettriche entranti. La sovratensione<br />
indotta negli impianti interni alla struttura viene considerata significativa per<br />
fulmini intercettati dalle linee per l’intera lunghezza L, fino ad una <strong>di</strong>stanza<br />
massima dalla struttura stessa <strong>di</strong> 1000 metri (o, comunque, fino al primo nodo <strong>di</strong><br />
rete), oltre la quale si hanno forti attenuazioni della sovratensione presente sulla<br />
linea.<br />
Si considera che una linea aerea capti i fulmini che cadono entro una <strong>di</strong>stanza da<br />
essa pari a 3 h, dove h è la sua altezza dal suolo. Pertanto, la sua area <strong>di</strong><br />
raccolta risulta un rettangolo <strong>di</strong> lati 6h ed L:<br />
Ac= 6·h·L<br />
Nel caso in cui la linea provenga <strong>di</strong>rettamente da un’altra struttura vicina <strong>di</strong><br />
altezza h’ e area <strong>di</strong> raccolta Ad’ (come in complessi unici costituiti da più<br />
fabbricati), l’area Ac va aumentata <strong>di</strong> Ad’ (che si puo’ assumere con buona<br />
approssimazione pari alla superficie in pianta della struttura <strong>di</strong> provenienza) e<br />
calcolata tenendo conto <strong>di</strong> una <strong>di</strong>minuzione della lunghezza della linea per effetto<br />
dell’area Ad’ assumendo L’=L-3h’.<br />
Per le linee in cavo occorre considerare che esse, per effetto del campo elettrico<br />
creato da un fulmine che cade al suolo, possono essere colpite da una scarica se<br />
tale campo elettrico supera le rigi<strong>di</strong>tà <strong>di</strong>elettrica del suolo stesso. Le rilevazioni<br />
sperimentali conducono alla seguente relazione dell’area <strong>di</strong> raccolta<br />
Ac=2L·√ρ<br />
dove ρ rappresenta la resistività elettrica del terreno ed L la lunghezza della linea<br />
del cavo (con le stesse limitazioni viste per le linee aeree). Ac è data quin<strong>di</strong><br />
dall’area <strong>di</strong> un rettangolo avente come lati 2√ρ ed L.<br />
I valori <strong>di</strong> Ac soprariportati vanno ridotti nel caso in cui si tratti <strong>di</strong> linee in me<strong>di</strong>a e<br />
alta tensione con trasformatore all’arrivo (come normalmente avviene per tali<br />
forniture), moltiplicandoli per i fattori 0,25 per linee aeree e 0,05 per linee in cavo<br />
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interrato. Cio’ è dovuto al fatto che il trasformatore costituisce un efficace<br />
sbarramento per il fronte ripido dell’onda ad impulso.<br />
Per linee che si sviluppano in centri urbani, essendo queste praticamente protette<br />
dalle strutture circostanti, normalmente molto fitte, si puo’ assumere Ac =0.<br />
Area <strong>di</strong> raccolta Ag<br />
Analogamente a quanto detto per la determinazione <strong>di</strong> Ac, l’area Ag <strong>di</strong>pende dal<br />
tipo <strong>di</strong> linee entranti e per essa valgono le stesse considerazioni sulla lunghezza<br />
della linea L.<br />
Per le linee aeree, la <strong>di</strong>stanza da cui un fulmine cadendo al suolo puo’ indurre in<br />
esse sovratensioni significative per l’integrità degli impianti interni or<strong>di</strong>nari,<br />
considerando il valore della corrente <strong>di</strong> fulmine che ha il 50% <strong>di</strong> probabilità <strong>di</strong><br />
essere superata (35 kA) e tenendo conto della tensione <strong>di</strong> tenuta <strong>delle</strong><br />
apparecchiature e dell’altezza <strong>di</strong> tali linee, risulta pari a 1000 metri. Pertanto<br />
l’area <strong>di</strong> raccolta risulta:<br />
Ag=2·1000·L<br />
Per le linee in cavo, analogamente a quanto detto per la determinazione dell’area<br />
<strong>di</strong> raccolta Ac, la <strong>di</strong>stanza da considerare dal cavo stesso risulta pari a ρ.<br />
Pertanto, l’area <strong>di</strong> raccolta <strong>di</strong>venta:<br />
Ag=2·ρ·L<br />
Anche per la determinazione dell’area Ag occorre considerare i coefficienti <strong>di</strong><br />
riduzione già in<strong>di</strong>cati per l’area Ac, nel caso <strong>di</strong> linea in me<strong>di</strong>a e alta tensione con<br />
trasformatore all’arrivo.<br />
Anche per questo tipo <strong>di</strong> area <strong>di</strong> raccolta, quando ci si riferisce a linee che si<br />
sviluppano in centri urbani, si puo’ assumere Ag = 0.<br />
Nelle tavole sinottiche relative alla fulminazione in<strong>di</strong>retta ed in<strong>di</strong>retta è in<strong>di</strong>cata la<br />
procedura <strong>di</strong> applicazione <strong>delle</strong> aree <strong>di</strong> raccolta <strong>di</strong>retta ed in<strong>di</strong>rette alla densità<br />
annua <strong>di</strong> fulmini a terra per chilometro quadrato e alla frequenza <strong>di</strong> fulminazione<br />
<strong>delle</strong> strutture.<br />
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