PARAFULMINE

PARAFULMINE (fr. paratonnerre; sp. pararoyos; ted. Blitzableiter; ingl. lightning conductor)

"Parafulmine" è il nome generico, piuttosto improprio, ma ormai di uso comune, che si dà ai sistemi di protezione, degli edifici e degli oggetti, contro i pericoli e i danni provocati dalle scariche atmosferiche (fulmini).

Caratteristiche delle scariche atmosferiche; frequenza delle fulminazioni. - Quasi sempre, le scariche atmosferiche hanno il carattere di correnti elettriche di brevissima durata, di tipo praticamente unidirezionale, oppure oscillante assai smorzato. La estrema varietà delle condizioni nelle quali una scarica può prodursi, traducendosi in differenze quantitative, e anche qualitative, fra un fulmine e l'altro, fa intravvedere le ragioni delle loro diversità di comportamento, talora apparentemente sconcertanti (i cosiddetti "capricci" del fulmine). A titolo di orientamento, può ritenersi che le differenze di potenziale in giuoco durante le scariche possano raggiungere valori dell'ordine di qualche centinaio di milioni di volt, e che i massimi valori istantanei delle correnti di scarica possano giungere ad alcune decine di migliaia di ampère; la durata delle scariche è assai piccola, spesso dell'ordine di qualche decimillesimo di secondo. Naturalmente, quando una scarica colpisce un oggetto, soltanto una parte della differenza totale di potenziale è impiegata per l'attraversamento dell'oggetto stesso: sicché, esso viene "cimentato", per così dire, solo da una parte (assai variabile da caso a caso, e che può anche essere molto piccola) della potenza e della quantità di energia impegnate nella scarica. A ogni modo, le cifre di cui sopra, insieme alla grande variabilità di caratteristiche delle singole scariche, sono sufficienti per spiegare l'importanza degli effetti meccanici e termici e dei danni alle cose e alle persone prodotti dalle scariche atmosferiche. Ove si tratti di cose, tuttavia (a differenza di quanto avviene per le persone), la grande maggioranza dei danni è dovuta non all'azione diretta delle scariche, bensì ai loro effetti indiretti e principalmente agl'incendî che facilmente vengono provocati dall'inevitabile trasformazione (più o meno completa) dell'energia elettrica in calore.

Risulta dalle statistiche che le parti degli edifici di gran lunga più esposte alle fulminazioni sono le parti superiori (sebbene sia raro che la scarica, nei singoli casi, colpisca proprio il punto più alto); dall'esame di circa diecimila casi (Ruppel), ad es., è risultato che il 54,9% delle scariche ha colpito campanili, sommità di torri ed estremi di pinnacoli, il 38% ha colpito camini o comignoli di tetti, e il 5,9% superficie pianeggianti di tetti o di coperture; sicché solo nell'1,2% residuo dei casi la scarica ha colpito parti di edifici non rientranti nelle categorie ora accennate. La frequenza delle fulminazioni nelle città (o, in genere, nelle agglomerazioni edilizie) risulta molto minore che nelle campagne (o quando si tratti di edifici isolati); e pure minore è la media dei danni, a causa sia della maggiore abbondanza relativa, nei fabbricati di campagna, di sostanze facilmente infiammabili, sia della minore efficienza, rispetto alle città, dei mezzi di soccorso generalmente disponibili.

Si tratta, però, di pericoli un po' minori di quanto generalmente si creda. Da una statistica relativa agli Stati Uniti (Peters), per il periodo 1884-1903, risulterebbe difatti che nel caso degli edifici per abitazione, per ufficio, ecc., gl'incendî provocati dalle scariche atmosferiche hanno rappresentato solo l'1,3% del numero totale d'incendî avvenuti in quel periodo. Questa percentuale, invece, è stata del 10-12% per le chiese e i granai in aperta campagna, e del 22% per i depositi di olî minerali, benzina, ecc., non solo per la forma e posizione di questi speciali tipi di costruzione, ma anche per la relativa scarsità di altre cause d'incendio. Quanto ai danni alle persone, da un altro gruppo di dati statistici, relativi sempre agli Stati Uniti, risulterebbe che nel periodo 1900-1912 i decessi per fulminazione variarono fra il 0,015% e il 0,032% del totale dei decessi (cioè, intorno all'1% delle sole "morti violente per cause accidentali"). Senza dare valore eccessivo a tutte queste cifre (spiace di non poterne citare altre, sufficientemente significative, per l'Italia), si può concludere che la protezione degli edifici contro le scariche atmosferiche è necessaria quando si tratti di edifici contenenti notevoli quantità di sostanze infiammabili o esplosive, oppure contenenti normalmente un gran numero di persone od oggetti di grande valore, o quando l'edificio stesso sia di molto pregio; è pure giustificata quando si tratti di edifici aventi comunque grande altezza o parti annesse molto elevate (chiese, campanili, torri, camini), oppure isolati in aperta campagna; ma è assai meno giustificata per le usuali case d'abitazione, di altezza non eccessiva e facenti parte d'importanti agglomerazioni edilizie: nel qual caso, tenuto conto delle scarse probabilità di incidenti, la soluzione più conveniente è molto spesso quella di un'adatta forma di assicurazione. Nel giudicare della necessità della protezione si dovrà anche tenere conto, specie nei casi dubbî, della frequenza e gravità dei temporali nella regione; pur non essendoci ancora dati ufficiali concreti al riguardo, è fuori dubbio che esistono grandi differenze fra regione e regione d'uno stesso paese, e talora anche fra luoghi situati a non molti chilometri di distanza.

Protezione degli edifici. - L'esperienza ha dimostrato la poca fondatezza di varie idee diffuse al riguardo in passato; per es., quelle sull'efficacia preventiva e protettiva delle lunghe aste metalliche installate sulle costruzioni, sull'utilità dei fiocchi di punte con i quali le aste venivano fatte terminare, e così via.

Il sistema di protezione, per gli edifici, generalmente più conveniente sotto ogni punto di vista è quello "a schermo reticolare" (detto anche a "gabbia di Faraday"), formato da una specie di gabbia, praticamente invisibile, di conduttori metallici incrociantisi, la quale, come mostra l'unita figura schematica, avvolga tutta la ostruzione, sia in buona e permanente comunicazione elettrica col suolo e sia collegata con le masse metalliche più importanti esistenti nell'edificio o nelle sue adiacenze, o che giungano in prossimità dei conduttori dello schermo reticolare. Le parti essenziali d'un impianto di protezione sono perciò: la rete di conduttori R costituenti lo schermo reticolare; la messa a terra dello schermo reticolare, ottenuta collegando i conduttori che lo costituiscono con un certo numero di "prese di terra" T; i collegamenti elettrici della rete di protezione con le masse metalliche vicine.

A parità di altre condizioni, e supposta soddisfacente la messa a terra, l'efficacia d'un sistema di protezione è tanto maggiore quanto più piccole, specie nella parte superiore dell'edificio, siano le maglie della rete di conduttori. Un oggetto situato nell'interno dell'edificio protetto può ritenersi, in genere, tanto più sicuro, quanto maggiore sia il rapporto fra la sua distanza dal punto più vicino della rete di conduttori (nei casi ordinarî, è specialmente la parte superiore della rete che interessa) ed il lato del quadrato di area equivalente a quella delle maglie vicine all'oggetto considerato. Tale rapporto non deve scendere al disotto di un mezzo per nessuno degli oggetti che più specialmente interessi di proteggere, e deve raggiungere l'unità nei casi in cui occorra un grado relativamente elevato di sicurezza (protezione di sostanze esplosive); condizione cui può soddisfarsi con l'infittimento locale della rete di conduttori, o con l'allontanamento della rete stessa.

La bontà della messa a terra della rete di conduttori ha grande influenza sull'efficacia generale della protezione.

Si riassumono qui appresso alcuni criterî generali, relativi alla progettazione d'un impianto di protezione.

Rete di conduttori costituenti lo schermo reticolare. - L'ampiezza delle maglie si terrà minore nella parte superiore dello schermo reticolare. Nei casi normali di edifici fuori dell'abitato, è sufficiente che la rete principale dei conduttori sia costituita da maglie di ampiezza non superiore ai 50 mq. in corrispondenza alla parte superiore dell'edificio, e ai 150 mq. in corrispondenza alle facciate verticali; cifre da intendere come ordine di grandezza piuttosto che come indicazioni tassative (la figura va intesa come figura di carattere schematico, non di carattere esecutivo). Nei casi di edifici facenti parte d'importanti agglomerazioni edilizie, sono ammissibili maglie di ampiezza maggiore di quella corrispondente alle cifre di cui sopra, a meno che si tratti di costruzioni notevolmente più elevate (torri, campanili, camini, torri di sostegno, ecc.) di quelle adiacenti, oppure di costruzioni nelle quali si lavorino, si manipolino o si conservino sostanze esplosive o molto facilmente infiammabili. L'eventuale infittimento delle maglie potrà ottenersi senza grande spesa mediante la suddivisione delle maglie stesse con conduttori di sezione minore (conduttori secondarî). La rete dovrà avere la struttura più semplice e regolare possibile, e i conduttori, attese le loro piccole dimensioni trasversali, potranno essere facilmente sistemati, p. es., seguendo le linee architettoniche, sì da riuscire praticamente invisibili.

I conduttori verticali dovranno essere collegati, nella loro parte inferiore, da un conduttore ad andamento orizzontale (C, v. figura) che giri intorno all'edificio e che potrà trovarsi poco sopra il livello del suolo, oppure essere addirittura immerso nel terreno.

Il materiale dei conduttori non ha grande importanza, purché si tratti di materiali poco alterabili col tempo. Importanza maggiore ha la forma della sezione, essendo preferibili le forme alle quali corrisponde una superficie relativamente grande di conduttore; sicché le strisce, le piattine, i tubi, i profilati sono preferibili ai conduttori cilindrici pieni. È generalmente consigliabile il ferro zincato (o stagnato), sotto forma di piattine aventi uno spessore non inferiore a 2 mm. e una sezione dell'ordine di 75 mmq. nella parte superiore dello schermo, e per i conduttori verticali collegati alle prese di terra, e di 50 mmq. per i conduttori residui. I collegamenti dei conduttori fra di loro e nei punti d'incrocio vanno fatti possibilmente con saldatura e chiodatura (o bullonatura); per altro, la sola chiodatura (o bullonatura) è preferibile alla sola saldatura. Usando conduttori tubolari, si ricorrerà a giunzioni a manicotto.

Non vi è motivo di isolare i conduttori della gabbia di protezione dalle pareti dell'edificio o dal tetto; però, il contatto diretto con le pareti può nuocere alla conservazione dei conduttori, a causa anche dell'umidità che rimane facilmente fra conduttore e parete. La migliore soluzione, quando ragioni estetiche lo permettano, è quella di tenere i conduttori leggermente discosti (basta qualche centimetro) dalla costruzione, con quegli artifici che le circostanze suggeriranno, senza però che occorra curarne l'isolamento elettrico.

È importante che le piegature dei conduttori, quando occorrano, vengano fatte gradatamente, ad arco, anziché bruscamente.

Quando si voglia realizzare ogni possibile economia d'impianto e le circostanze si prestino, si potranno utilizzare come conduttori della gabbia anche le masse metalliche che già l'edificio avesse verso l'esterno (grondaie metalliche, tubi metallici di scolo), ma a patto di controllare la loro continuità elettrica e fare quanto occorra per garantirne sicuramente il mantenimento.

L'aggiunta di aste metalliche o di fasci di punte alla parte superiore dello schermo reticolare non è né necessaria né utile, per quanto non possa dirsi pericolosa se il resto dell'impianto sia ben fatto. Quando si volesse un grado assai elevato di protezione, piuttosto che aggiungere aste o fasci di punte allo schermo, sarebbe assai preferibile infittire le maglie, specie nella parte superiore della rete.

Nei casi nei quali l'edificio avesse già alla sua superficie aste metalliche o simili (specie nella parte superiore: aste di bandiera, tubazioni metalliche, ringhiere metalliche, ecc.) occorrerebbe controllarne la continuità elettrica e collegarle elettricamente in modo sicuro con i conduttori più vicini della gabbia di protezione.

Messa a terra dello schermo reticolare. - Questa messa a terra va fatta mediante conduttori T (v. figura) immersi nel suolo (spandenti), e collegati con i conduttori dello schermo reticolare. In massima, uno spandente è tanto più atto alle sue funzioni quanto maggiore è la massa del terreno che esso riesce a interessare direttamente alla dispersione delle correnti convogliate e quanto più conduttore è il terreno in cui viene immerso. Gli spandenti di forma molto allungata (aste, tubi, profilati, lunghe e grosse treccie metalliche, ecc.) sono perciò assai preferibili a quelli di forme raccolte (lastre, cesti metallici, ecc.); ed è molto consigliabile, tutte le volte che non sia economicamente impossibile, approfondire lo spandente sino a raggiungere la zona permanentemente umida del terreno. Uno dei migliori tipi di spandente è costituito da un semplice spezzone di tubo di ferro o di profilato di ferro di sufficiente grossezza (peso per metro non minore di tre o quattro kg.), e di lunghezza non minore di quattro metri, infisso completamente e verticalmente nel terreno, nelle vicinanze immediate dell'edificio.

I terreni nei quali le prese di terra riescono più efficaci sono quelli umidi, argillosi o coltivabili; risultati variabili, e generalmente poco soddisfacenti, si ottengono nei terreni più o meno aridi o rocciosi, nei quali si deve talvolta ricorrere a soluzioni particolari (per es., le cosiddette "terre di capacità"). Ottime prese di terra sono offerte dalle reti di distribuzione dell'acqua potabile esistenti nel sottosuolo, e, quando sia concesso di usufruirne, da ogni altro conduttore di grandi dimensioni (almeno lineari) esistente nel sottosuolo.

Finché lo schermo reticolare non copra aree maggiori di 50÷60 mq. sono necessarie e sufficienti due prese (situate da parti opposte della costruzione); quattro prese bastano sino a circa 300 mq.; sei, sino a circa 500 mq.; al di là, potrà bastare l'aggiunta di una presa di terra per ogni altri 150÷200 mq. di area coperta, purché, in complesso, il numero delle prese di terra non sia inferiore a una per ogni 25 metri, circa, di perimetro dell'area da proteggere. Queste cifre presuppongono che si tratti di buone prese di terra, distanziate con qualche regolarità; altrimenti, bisognerebbe aumentare il numero delle prese. Viene considerata come sufficientemente buona una singola presa di terra quando la sua resistenza in varie epoche dell'anno, e in periodi di siccità e di pioggia, risulti in media non superiore a una cinquantina di ohm. Si noti, però, che questa "resistenza di terra" non è la misura, ma solo una indicazione generalmente attendibile, dell'attitudine dello spandente a compiere la sua funzione di convogliare al suolo la scarica atmosferica.

Collegamenti dello schermo reticolare con le masse metalliche esistenti nell'edificio. Vicinanza di altre masse conduttrici e di alberi. - Ove nell'interno o all'esterno dell'edificio esistano masse metalliche (o conduttori, in genere) molto importanti, queste dovranno essere elettricamente collegate ai conduttori della rete, e almeno in due punti (scelti fra quelli che più si avvicinano ai conduttori), tutte le volte che le distanze fra masse conduttrici e rete non superino la metà del lato del quadrato di area equivalente a quella delle maglie più prossime. Il collegamento è invece superfluo quando la distanza di cui sopra sia nettamente maggiore del lato del quadrato equivalente; nei casi intermedî, occorrerà regolarsi in relazione alla importanza della massa e alla forma delle maglie. Per questi collegamenti, possono usarsi conduttori simili a quelli secondarî dello schermo reticolare.

La prossimità all'edificio di qualche conduttore (linee aeree, ad es.) o di qualche massa conduttrice (altri edifici, protetti o no, alberi, ecc.) può costituire una modesta protezione se il conduttore o la massa siano in ottima comunicazione col suolo e non siano più bassi dell'edificio in questione; ma, in generale, non è da farvi affidamento (a meno che le masse siano molte, come avviene allorché l'edificio fa parte di una grande agglomerazione edilizia).

Negli edifici in cemento armato, le armature metalliche potranno essere utilizzate per la costituzione dello schermo reticolare soltanto se durante la costruzione siano state prese le precauzioni necessarie per assicurare il contatto elettrico permanente fra i varî elementi metallici. In caso diverso, si dovrà trattare l'edificio come gli altri, procurando, se possibile, di collegare in più punti le armature metalliche della costruzione allo schermo reticolare (considerando le armature stesse come delle masse metalliche vicine allo schermo).

Ispezioni periodiche e manutenzione degli impianti di protezione. - Costruito un impianto di protezione secondo i criterî generali sopra accennati e quelli dettati dalle circostanze particolari, è necessario predisporre delle verifiche periodiche almeno biennali o triennali (o più frequenti, quando si tratti di casi importanti), aventi lo scopo di accertare lo stato di conservazione dell'impianto. Le verifiche dovranno consistere nell'ispezione: a) dello schermo reticolare, per accertare la sua integrità e il buono stato delle connessioni fra i vari conduttori; b) dei collegamenti fra la rete e le masse metalliche dell'edificio; c) nel controllo del buono stato delle prese di terra. Dovrà naturalmente essere fatto quanto occorra per rimettere l'impianto in completa efficienza.

È altresì consigliabile di fare verifiche generali dello stato dell'impianto tutte le volte che si abbia ragione di ritenere che una scarica atmosferica abbia colpito l'impianto o le sue immediate adiacenze.

Bibl.: v. elettriche, scariche (XIII, p. 699); elettricità: Elettricità atmosferica (XIII, p. 720); Norme per l'impianto dei parafulmini negli edifici militari (Ministeri della guerra e della marina-Genio militare); Norme per la protezione dei depositi di sostanze esplosive ed infiamm. contro le scariche atmosf. (Min. dell'int.), Roma 1934; Code for protection against lightning, in Miscell. Publ. Bureau of Standards, 1929, n. 92; U. Bordoni, I fenomeni elettrici dell'atmosfera e la protezione degli edifici dalle scariche temporalesche, in A. E. I., 1924; G. Rebora, Le prese di terra, in A. E. I., 1931; Lightning Meas. Instr., in Gen. El. Review, aprile 1931; Cadute di fulmini in Svizzera, in Energia elettrica, 1933, p. 783; K. Berger, Überspannungen in elektr. Anlagen, in Bull. de l'Ass. Suisse des électr., 1930, p. 77; F. W. Peek, Lightning, in World Power Conf., Tōkyō, Paper n. 305; Simpson, Phil. Mag., XXX (1915), p. 1; W. Koestler, Blitzgefahr u. Blitzschutz, Burgdorf 1914; Humphreys, J. Franklin Institute, 1918.