PROTEZIONE DELLE STRUTTURE CONTRO I FULMINI

PROTEZIONE DELLE STRUTTURE
CONTRO I FULMINI
NORMA CEI 81-1
(terza edizione Novembre 1995)
APPENDICE F
Scelta delle misure di protezione
contro la fulminazione
Il problema principale nella scelta delle misure di protezione più idonee é quello
della valutazione del rischio dovuto alla fulminazione.
Il fulmine può provocare danni a seconda delle caratteristiche della struttura:
- tipo di costruzione;
- contenuto e destinazione;
- servizi entranti nella struttura;
- misure per limitare il danno;
I danni causati da fulminazione possono essere di diverso tipo:
1) perdite di vite umane;
2) perdita inaccettabile di servizi pubblici essenziali;
3) perdita di un patrimonio culturale insostituibile;
4) perdite che non coinvolgono vite umane o valori sociali;
Nei casi da 1 a 3 la decisione di adottare misure di protezione non può essere
lasciata al progettista e deve essere presa confrontando il rischio R dovuto al
fulmine con il rischio Ra tollerabile.
Nel caso 4) può essere sviluppata dal progettista una analisi di convenienza
puramente economica.
La valutazione del RISCHIO può essere fatta in modo completo applicando la
Norma Sperimentale CEI-Valutazione del rischio dovuto al fulmine-progetto C.
631.
Tuttavia, nei casi in cui la definizione dei suddetti parametri risulti incerta o
difficoltosa, si può applicare la metodologia semplificata riportata in Appendice
G.
APPENDICE G
Questa Appendice si applica solo alle strutture ordinarie tipiche definite come
nell'art. G2.
G. 2
Strutture di tipo A
- alberghi grandi (>100 posti letto)
- ospedali
- grandi locali di pubblico spettacolo (>250 posti)
- immobili per grandi attività commerciali (>1500 mq)
- musei grandi (>1500 mq)
Strutture di tipo B
- edifici adibiti ad uso civile
- alberghi piccoli (<100 posti letto)
- prigioni
- immobili per piccole attività produttive (<=25 addetti)
- immobili ad uso ufficio
Strutture di tipo C
- strutture metalliche all'aperto (persone abitualmente
all'esterno, terreno vegetale)
- chiese
- scuole
- immobili per piccole attività commerciali (<1500mq)
- immobili per grandi attività produttive (> 25 addetti)
- edifici agricoli
Strutture di tipo D
- piccoli locali di pubblico spettacolo (<= 250 posti)
- musei piccoli (> 1500mq)
DIAGRAMMA DI FLUSSO
G.3.1 Frequenza di fulminazione diretta di una struttura
(Calcolo di Nd)
Nd = Nt Ad 10-6 = Nt C A 10-6 [fulmini/anno]
Nt
Ad
A
C
densità annuale di fulmini al suolo (cfr. 81-3)
area di raccolta della struttura
area di raccolta della struttura isolata
coefficiente ambientale
Dalla Tabella G.1 si ricava il coefficiente C
Disposizione della struttura
C
in presenza di strutture di altezza >
"
" più basse
struttura isolata
isolata sulla cima di una montagna
0.25
0.5
1
2
G.3.2 Scelta del livello di protezione
Per decidere il grado di protezione della struttura bisogna determinare il valore
di frequenza di fulminazione tollerabile Na.
Questo viene determinato sulla base del tipo di struttura e del rischio di
incendio come indicato nella Tabella G.2
Tipo
di
Struttura
A
B
C
D
Na
Ridotto
0.05
0.5
1
2
Rischio di incendio
Ordinario
0.005
0.05
0.1
0.5
Il rischio di incendio é classificato nei punti F.2.2, F.2.3, F.2.4:
F.2.2 Strutture con rischio di incendio elevato
- Edifici con struttura combustibile (64-8 art. 751.03.2)
- Edifici con carico specifico di incendio > 45kg/mq
F.2.3 Strutture con rischio di incendio ordinario
- Carico specifico di incendio tra 20 e 45 kg/mq
F.2.4 Strutture con rischio di incendio ridotto
- Strutture contenenti materiali combustibili solo
occasionalmente
- Carico specifico di incendio < 20 kg/mq
- Se Nd ≤ Na l'installazione di un LPS non é necessaria.
Elevato
0.0005
0.005
0.01
0.05
- Se Nd > Na deve essere installato un LPS di efficienza:
E ≥ Ec = 1 - Na / Nd
cui corrispondono i livelli di protezione:
Ec
>
0.98
0.95 <
Ec
≤
0.98
livello I
0.90 <
Ec
≤
0.95
livello II
0.80 <
Ec
≤
0.90
livello III
0.0 <
Ec
≤
0.80
livello IV
livello I (+misure addizion.)
L'installazione di un LPS conforme a questa norma realizza anche la protezione
contro le sovratensioni trasmesse dagli impianti esterni entranti nella struttura.
G.3.3 Misure di protezione alternative o addizionali
Misure di protezione alternative possono essere adottate in accordo con la
Norma Sperimentale CEI - C 631.
Essse possono consistere in:
- isolamento del suolo e delle calate per ridurre le tensioni di passo e di contatto.
- provvedimenti per limitare la propagazione dell'incendio (ad es.
compartimenti antincendio, vie di fuga protetta, impianti di segnalazione e/o
estinzione automatica).
- provvedimenti per limitare le sovratensioni nei circuiti interni alla struttura (
ad es. cavi schermati o in fibra ottica, ottimizzazione dei percorsi delle
condutture, continuità dei ferri di armatura, delle strutture metalliche portanti,
delle facciate metalliche, uso di trasformatori di isolamento e apparecchiature
di classe II, etc.
IMPIANTO DI PROTEZIONE ESTERNO
(LPS esterno)
Funzione:
Ha lo scopo di intercettare il fulmine diretto, di condurre la corrente di fulmine
dal punto di impatto al suolo e di disperderla in esso, senza che si verifichino
danni di tipo termico o meccanico, né tensioni di passo e contatto pericolose.
Scelta del LPS
LPS non isolato
(comunque distante 10 cm dalle superfici combustibili della struttura se la
sovratemperatura dovuta al fulmine é tale da causare danno alle superfici)
LPS isolato
quando il passaggio di corrente nella struttura può causare danno, ad es. per
strutture con rischio di esplosione vedi F.2.6 (zone del tipo C0Z0, C0Z1, C0Z2
come definite nelle 64.2)
Uso di componenti naturali (ad es. ferri d'armatura)
L'uso é permesso se non sono suscettibili di modifiche e se la conducibilità é
misurabile (R < 0.1Ω ).
CAPTATORI
Il captatore può essere realizzato da qualsiasi combinazione di aste, funi,
maglie.
La posizione dei captatori può essere individuata sulla base del:
metodo dell'angolo di protezione:
per strutture di forma regolare
metodo della sfera rotolante:
per strutture di forma complessa
metodo della maglia:
per superfici piane
Anche componenti naturali possono essere utilizzati come captatori. Gli spessori
minimi sono riportati nel punto 2.2.3.
CALATE
POSIZIONAMENTO
Captatori ad asta: una calata per asta;
Captatori a funi: una calata per ogni estremità della fune;
Captatori a maglia:
a) LPS isolati : una calata per ogni sostegno perimetrale
inoltre le calate devono avere un anello di
interconnessione a livello del suolo
(anche ad alcuni metri dal suolo);
b) LPS non isolati: almeno due calate lungo il perimetro.
Evitare la formazione di cappi in una calata.
Su ciascuna calata, in prossimità del dispersore deve essere realizzato un punto
di misura.
PROVVEDIMENTI CONTRO LE TENSIONI DI CONTATTO
Deve essere ostacolato l'avvicinamento delle persone a meno di 20 cm dalle
calate a meno che:
- non é prevista la presenza di persone in numero elevato e per un periodo
lungo;
- la calata é protetta da 3 mm di PVC o altro materiale con lo stesso grado di
isolamento;
- la resistività superficiale del suolo non é inferiore a:
per dispersori tipo A:
ρs = 1250 kc - 250 [Ωm]
per dispersori tipo B:
ρs = 400 kc Z- 250 [Ωm]
kc é il coefficiente di ripartizione della corrente di fulmine tra le calate (tab. E1)
Z é la resistenza di terra equivalente del dispersore (tab. C1).
- la calata é costituita da una montante di una struttura portante metallica o da
ferri di armatura continui.
DISPERSORI
Per disperdere la corrente di fulmine senza provocare sovratensioni pericolose,
la forma e le dimensioni di un dispersore sono più importanti del valore di
resistenza di terra. Tuttavia é preferibile un dispersore a bassa resistenza.
E' necessario avere un unico dispersore adatto per tutti gli scopi (LPS, contatti
indiretti, impianti telefonici, etc.)
Tipi di dispersore
Tipo A:
costituito da elementi orizzontali o verticali collegati a ciascuna calata. Se esiste
l'anello di interconnessione, il dispersore é ancora di tipo A se in contatto con il
terreno per meno dell'80%.
N° totale di elementi non inferiore a 2.
Lunghezza di ciascun elemento non inferiore a:
l1
0.5l1
per elementi orizzontali radiali;
per elementi verticali (o inclinati).
dove l1 é dato in Fig. 2 delle norme.
N.B. Non é previsto un valore minimo per la lunghezza nel caso di dispersori
con Rt<10Ω a frequenza industriale.
Interrare elementi orizzontali ad almeno 50 cm.
Tipo B
Appartengono a questa tipologia sia il dispersore ad anello in contatto con il
suolo per almeno l'80% sia il dispersore di fondazione.
Il raggio r del cerchio equivalente all'area racchiusa dal dispersore ad anello
deve verificare:
r ≥ l1
Nel caso non venga verificata allora deve essere integrato (come nel vecchio
dispersore tipo C) da:
lh = l1 - r se dispersore orizzontale
lv = 0.5 (l1 - r) se dispersore orizzontale
Il numero non deve essere inferiore al numero delle calate con un minimo di 2.
Interrare ad almeno 50 cm e ad una distanza di 1 m dai muri.
2.4.6 Provvedimenti contro le tensioni di passo.
In prossimità delle calate va ostacolata la permanenza di persone in un raggio di
5 m. Questa precauzione non é necessaria se:
- non é prevista la presenza di persone in n° elevato e per un tempo elevato;
- se la resistività del suolo o del rivestimento dell'area interessata é non inferiore
a:
ρs = 140 kc Z [Ωm]
ove:
kc é il coefficiente di ripartizione della corrente di fulmine tra le calate (tab. E1)
Z é la resistenza di terra equivalente del dispersore (tab. C1).
Materiali e Dimensioni
I materiali devono resistere agli effetti elettrici ed elettrodinamici della corrente
di fulmine e agli sforzi accidentali senza esserne danneggiati nonché ai fenomeni
di corrosione.
I materiali sono tabellati in Tab. 5, mentre le dimensioni minime per captatori,
calate e dispersori in Tab. 6 e 7 delle norme 81-1.
IMPIANTO INTERNO DI PROTEZIONE DAI FULMINI
(LPS INTERNO)
L'impianto interno ha lo scopo di evitare scariche pericolose all'interno della
struttura da proteggere durante il passaggio di corrente di fulmine nel LPS
esterno o in caso di fulminazione indiretta (nel caso in cui un fulmine colpisce la
terra in prossimità della struttura o degli impianti che entrano in essa).
Nota
- le scariche che si verificano nelle strutture con rischio di esplosione devono
essere sempre considerate pericolose;
- nelle strutture con impianti interni sensibili (suscettibili alle sovratensioni, ad
es. centrali di telecomunicazioni, di telemisura e controllo, di regolazione di
grandi impianti di processo, centri di calcolo, radiomisure) anche in relazione al
rischio di incendio indotto da questi impianti.
- alcune volte può essere necessario il LPS interno e non quello esterno.
Le scariche pericolose possono essere evitate mediante:
- collegamenti equipotenziali;
- isolamento tra le parti.
COLLEGAMENTO EQUIPOTENZIALE
L'equipotenzialità si ottiene collegando all'LPS esterno i corpi metallici interni di
notevole dimensione lineare (tubazioni, scale, guide di ascensori, guaine
metalliche di cavi, canalizzazioni di ventilazione, riscaldamento e ferri di
armatura), corpi metallici esterni (tubazioni, schermi di cavi, canalizzazioni), gli
impianti interni e gli impianti esterni alla struttura da proteggere.
I mezzi di collegamento sono i conduttori equipotenziali e i limitatori di
sovratensione, dove non sono ammessi collegamenti metallici diretti.
COLLEGAMENTI EQUIPOTENZIALI PER CORPI METALLICI INTERNI
I collegamenti devono essere realizzati:
- a livello del suolo (prevedere collettore equipotenziale);
- nei punti dove la distanza tra corpo metallico o impianto da collegare al LPS
esterno é < della distanza di sicurezza riportata al art. 3.3.1.
Le dimensioni minime dei conduttori di connessione sono date nelle Tab. 8 e 9.
COLLEGAMENTI EQUIPOTENZIALI PER CORPI METALLICI ESTERNI
I collegamenti devono essere effettuati quanto più vicino possibile al punto di
ingresso dei corpi metallici.
Eventuali giunti isolanti nelle tubazioni all'interno della struttura devono essere
protetti con limitatori di sovratensione.
I conduttori equipotenziali devono sopportare la parte di corrente di fulmine
che li attraversa , calcolata secondo l'Appendice C oppure vanno usati i valori
della Tab. 8
I limitatori di sovratensione devono essere scelti sulla base della corrente di
fulmine che li attraversa calcolata con Appendice C e con riferimento ai
parametri della corrente di fulmine in Tab. 2.
COLLEGAMENTI EQUIPOTENZIALI PER IMPIANTI INTERNI
Valgono le stesse regole dei corpi metallici interni.
Se le linee sono schermate o in canalizzazioni metalliche basta collegare le
estremità degli schermi,
se le linee non sono schermate , i conduttori attivi devono essere collegati per
mezzo di limitatori di sovratensione avanti le caratteristiche: Isn ≥ 10kA onda
8/20 μs e tensione di innesco coordinata con l'isolamento.
COLLEGAMENTI EQUIPOTENZIALI PER IMPIANTI ESTERNI
Valgono le stesse indicazioni dei corpi metallici esterni.
I conduttori attivi possono essere collegati con limitatori di sovratensione con
Isn ≥ IF/ n
dove IF é la parte di corrente di fulmine calcolata come in Appendice C
e n é il numero di conduttori attivi.
Nel caso in cui le linee siano schermate o poste in canalizzazioni metalliche o
l'analisi di rischio non indichi la necessità di LPS esterno i limitatori di
sovratensione possono essere scelti come nel caso di impianti interni.
I limitatori di sovratensione non sono richiesti se la sezione degli schermi o
canalizzazioni metalliche non é inferiore al valore calcolato in Appendice D.
ISOLAMENTO DELL'LPS ESTERNO
L'isolamento può essere ottenuto tramite materiali idonei o da una opportuna
distanza d di separazione delle parti.
La distanza d tra le calate da un lato e i corpi metallici e gli impianti interni alla
struttura da proteggere deve essere:
d>s
con
s = (kikc)/km l
ove
ki
kc
ki
l
dipende dal livello di protezione (vedi Tab. 10)
dipende dalla corrente di fulmine (vedi App. E)
dipende dal materiale isolante (vedi Tab. 11)
distanza lungo la calata fra il punto in cui si intende verificare la
distanza di separazione e la più vicina connessione equipotenziale fra le
parti interessate.
La distanza di sicurezza tra corpi metallici interni ed impianti interni da una
parte e captatori dall'altra non deve essere inferiore a quella calcolata per la più
vicina calata esterna.
N.B. Le scariche pericolose tra LPS esterno e i corpi metallici e gli impianti
esterni non possono essere evitate con l'isolamento. E' SEMPRE necessario
realizzare il collegamento equipotenziale, diretto o tramite limitatori di tensione
nel punto di ingresso dei corpi metallici e degli impianti.
I materiali usati per isolare l'LPS esterno devono avere una tensione di tenuta
all'impulso Ui, con forma d'onda 1,2/50 μs non inferiore a:
Ui > 500 s [kV]
CASO IN CUI NON SI RICHIEDE LPS
Torniamo al diagramma di flusso per la scelta delle misure di protezione nel
caso in cui:
Nd ≤ Na
In questo caso NON si richiede un LPS però é necessario verificare la necessità
di sistemi di:
PROTEZIONE CONTRO LE FULMINAZIONI INDIRETTE
I fulmini possono causare danni ad una struttura a causa di sovratensioni
generate su impianti esterni o per accoppiamento induttivo.
Le sovratensioni possono provocare danno agli impianti interni o incendio
innescato da scariche pericolose.
Nota:
- il danno degli impianti va considerato solo per impianti essenziali ( il cui
mancato funzionamento provoca il danno considerato);
- la frequenza di danno dovuto all'incendio é trascurabile rispetto alla
frequenza di danno agli impianti interni.
G.4.3.1 Strutture con impianti interni essenziali
Protezione sempre prevista per linee aeree o in cavo interrato non schermato.
Le linee in cavo schermato devono essere dotate di dispositivi di protezione se:
Nt L > Nl
L = lunghezza linea fino a primo nodo rete con un valore max di 1 km.
Nl = valore limite riportato in Tab. G.3 a seconda del tipo di struttura (ospedali
Nl = 0.5, reti di distribuzione fluidi, energia, segnali Nl = 1).
G.4.3.2 Strutture con impianti interni non essenziali
Protezione non richiesta per linee in cavo interrato schermato.
E' richiesta per strutture alimentate da linee aeree o in cavo interrato non
schermato se:
Nt L > N'l
i valori limiti di N'l per le strutture con rischio d'incendio ridotto, ordinario ed
elevato sono riportati in Tab. G.4.
G.4.4 Misure di protezione
La protezione contro le sovratensioni esterne può essere ottenuta con:
- limitatori di sovratensione con capacità di scarica:
Isn ≥ 10kA onda 8/20 μs e tensione di innesco coordinata con l'isolamento
interessato, installati all'arrivo della linea nella struttura fra tutti i conduttori
attivi e terra;
- con trasformatori di separazione di caratteristiche appropriate.
APPENDICE H
La protezione di strutture non ordinarie può richiedere l'adozione di
provvedimenti integrativi.
Queste strutture possono ritenersi adeguatamente protette se sono rispettate le
seguenti prescrizioni.
H.2 Strutture con pericolo di esplosione
( cfr. F.2.6)
a) Uso di LPS esterno isolato;
b) collegamenti equipotenziali tra corpi metallici interni, tra impianti interni e
tra corpi metallici interni e impianti interni effettuati:
- a livello del suolo;
- nei punti in cui la distanza tra le parti é inferiore a 1/10 della lunghezza del
tratto di parallelismo, misurato a partire dalla più vicina connessione
equipotenziale tra le parti stesse. Tali collegamenti non sono necessari se la
struttura é dotata di gabbia schermante continua con lato di maglia < 10 cm;
c) collegamenti equipotenziali
precedentemente (art. 3.2.5).
per
impianti
esterni
come
descritto
H.3 Strutture con impianti interni sensibili
a) collegamenti equipotenziali degli impianti interni tra loro e con corpi
metallici interni come in H.2.b).
b) collegamenti equipotenziali per impianti esterni come in H.2 c.
c) collegamenti equipotenziali per impianti interni effettuati anche all'ingresso
dei locali contenti apparecchiature elettroniche ed impianti interni dei locali
aventi caratteristiche schermanti adeguate (art. 3.2.4) o apparecchiature
elettroniche singolarmente protette dalla sovratensioni.
H.4 Altre strutture non ordinarie
Non sono richiesti provvedimenti integrativi.
APPENDICE I
Riporta la documentazione necessaria di progetto, nei casi di progetto di
massima e definitivo.
Inoltre la documentazione deve essere conforme alla Guida 0-2.