Ingegneria Geotecnicae Scienza

Chi siamo? Da dove veniamo?

Cosa c’è dietro l’angolo?

Carlo ViggianiUniversità di Napoli Federico II

Cosa c’è dietro l’angolo?

La prima pagina

del saggio di Coulomb

del 1776 sulla spinta

delle terre

La moderna Ingegneria Geotecnicacome le altre branche dell’Ingegneria

è basata sul

metodo scientificoCerchiamo di chiarire

il significato di questa affermazione

Entriamo quindi nell’eterna questioneEntriamo quindi nell’eterna questioneche contrappone teoria e pratica

Melange du Calcul & de la Physique

Ingegneria e Scienza

τεχνη χαι επιστήµη

Se oggi si cerca una definizione diIngegneria

anche su una fonte non certo sospettadi eccessivo scientismo

(American Peoples Encyclopedia)ecco cosa si trova:

L’Ingegneria applica le conoscenze scientifiche

ai problemi pratici diprogettare, costruire e manutenere

strutture, macchinari e servizi

Definizione di Scienza

• in una visione rozzamente enciclopedica, quasi un contenitore dove sono conservate tutte le “verità” relative ad un certo argomento

• un argomento ed un nome (meglio se derivato • un argomento ed un nome (meglio se derivato dal greco) ritenuti sufficienti a definire una scienza, che viene costruita per sommatoria

Ufologia

La Scienza è costituita da fatticome un edificio da pietre.

Ma un cumulo di fatti non è Scienzapiù di quanto un cumulo di pietre

sia una casaHenry PoincaréHenry Poincaré

Un fatto è come un saccovuoto non si regge

L. Pirandello: Sei personaggi

Scienza esatta• non oggetti reali, ma enti astratti specifici

di ogni teoria (entropia; punti, rette; tensioni, semispazi elastici)

• struttura rigorosa mente deduttiva; pochienunciati fondamentali (assiomi, principi, postulati) e metodo (dimostrazione, calcolo) postulati) e metodo (dimostrazione, calcolo) per derivarne un gran numero di conseguenze

Le applicazioni al mondo reale dipendono da relazionidi corrispondenza fra gli enti astratti e gli oggetti reali. Le relazioni di corrispondenza hanno validità limitatae devono essere verificate sperimentalmente casoper caso

La conoscenza scientifica progredisce mediantela costruzione e l’analisi di modelli di segmenti o aspetti della realtà da studiare. Tali modelli non hannolo scopo di studiare sic et simpliciter la realtà,né di comprendere tutti i suoi elementi nelle loroesatte dimensioni e proporzioni, ma piuttosto di individuare gli elementi decisivi e metterli a individuare gli elementi decisivi e metterli a disposizione di un’indagine approfondita. Un modello èe deve essere astratto, nell’accezione comune diquesto termine. Tuttavia, ed in un certo senso in modo paradossale, se il modello è buono esso fornisce la chiave per comprendere la realtà

Baran, Sweezy (1968!) Il capitale monopolistico; saggio sullastruttura economica e sociale americana. Einaudi, Torino

“…In quell’Impero, l’Arte della Cartografia raggiunse tale Perfezione che la mappa di una sola Provincia occupava una Città, e la mappa dell’Impero tutta una Provincia. Col tempo, queste Mappe Smisurate non bastarono più e i Collegi dei Cartografi fecero una Mappa dell’Impero che aveva l’Immensità dell’Impero e coincideva perfettamente con esso.

Ma le generazioni seguenti, meno portate allo studio della Cartografia, pensarono che questa Mappa enorme era inutilee non senza empietà la abbandonarono alle inclemenze del Sole e non senza empietà la abbandonarono alle inclemenze del Sole e degli Inverni.

Nei Deserti dello Ovest sopravvivono lacerate rovine della Mappa, abitate da animali e mendichi; in tutto il Paese non esiste altra reliquia delle Discipline Geografiche.”

J.L. Borges: L’artefice. Opere Complete, Mondadori, Milano 1935

Scienza: modelli del mondo reale, che permettono di descrivere, comprendere e prevedere i fenomeni naturali (e.g., l’astronomia)

Altra possibilità più interessante: muoversi liberamente all’interno della teoria, costruendo cose che nella realtà non esistono ancora, e cioè modificando il mondo esistente. modificando il mondo esistente.

Ingegneria moderna: progettazione all’interno delleteorie scientifiche.

Così intimamente legata alla struttura metodologicadella scienza che non può che nascere con questa

Rapporti fra Ingegneria e Scienza

Eppure, in epoca prescientifica (30 secoli A.C.)5.000 anni fa!

un ingegnere egiziano...• realizza opere imponenti (le grandi piramidi,la regolazione delle piene del Nilo …)

• è portatore di conoscenza empirica, accumulata nei secoli e limitata al contesto, non dissimile da un mitoo da una religione; è simile ad un sacerdote, o da una religione; è simile ad un sacerdote, consulente del Faraone e nobile della corte

• si occupa di cose oscure al popolo ed a lui stesso; sa come fare certe cose, ma non perché

In queste condizioni il progresso non può che essere casuale o per tentativi ed è quindi molto lento

La scienza è fuori di questo quadro; mito, religione,sacerdoti sono il contrario della scienza

Scienza ellenistica (III - II secolo a.C.)

• Euclide di Alessandria (Elementi di Geometria)

• Aristarco di Samo (Eliocentrismo)

• Eratostene di Cirene (Circonferenza della Terra)• Eratostene di Cirene (Circonferenza della Terra)

• Erofilo di Calcedonia (Medicina ed Anatomia)

• Archimede di Siracusa (Meccanica, Matematica, Idrostatica)

Ingegneria ellenistica

• faro di Alessandria, alto 95 m, visibile da unadistanza di 50 km

• navi da guerra di Siracusa (Gerone II, sotto la guidadi Archimede). Rivestite di lastre di piombo. 15 voltepiù grandi delle precedenti triremi, e paragonabili a più grandi delle precedenti triremi, e paragonabili a navi del periodo Napoleonico

• diottra di Erone di Alessandria

• vite di Archimede e coclea

• meccanismo di Anticitera

• navi civili molto più grandi: la Siriacusa aveva una palestra, giardini pensili, una biblioteca e venti stalle

Allora, almeno a partire dal II secolo a.C.l’Ingegneria è basata sul metodo scientifico?

Greci e Romani

• inizio delle guerre fra Roma e i regni ellenistici:uccisione di Archimede (212 a.C.)uccisione di Archimede (212 a.C.)

• arrivo di Cesare in Egitto (48 a.C.): incendio della Biblioteca di Alessandria

• Ipazia, figlia di Teone di Alessandria, linciatada un’orda di fanatici perché matematica (415 A.D.)

Greci e Romani

I concetti teoriciavulsi dalle teorie nelle quali essi hanno senso

I Romani si impadroniscono della tecnologia avanzatadei Greci, ma in modo pre-scientifico. In pochi secoli,

la comprensione della scienza viene a mancare

avulsi dalle teorie nelle quali essi hanno senso

sono nuovamente usati per sbalordire la gente comune

comeoggetti strani e misteriosi

comprensibili solo agli iniziati

Greci e RomaniCellette dell’alveare

• Pappo: la forma esagonale è il risultato di unesercizio di ottimizzazione

• Plinio il Vecchio: le api hanno sei zampe, ecostruiscono una parete con ciascuna zampa

Diametro della TerraDiametro della Terra• Eratostene: determinato con metodi trigonometrici• Plinio il Vecchio: Dionisodoro scende dalla sua tombaal centro della Terra e conta i passi

Elementi di Euclide• Prima traduzione in latino nel XII secolo ad opera diun monaco inglese (Adelardo di Bath) che traducevadall’arabo

I tempi sono maturi.Con le invasioni barbariche

la Scienzaviene completamente perduta.

Si piomba nel Medioevo:Si piomba nel Medioevo:

Un millennio di oscurità

Ingegneria Geotecnica prescientifica

M. Vitruvio PollioneDe Architectura, VIII. 6. 3

Et si tofus erit aut saxum, in suo sibi canalisexcidatur; sin autem terrenum aut harenosum erit solum, et parietes cum camera in specu struantur et solum, et parietes cum camera in specu struantur et ita perducantur

E se si incontrerà tufo o roccia, allora basterà scavare attraverso di essi; se invece si incontrerà un terreno sabbioso incoerente, allora bisogneràrealizzare pareti e volta per poter eseguire lo scavo

Nome Lunghezza

(m)

Larghezza

(m)

Altezza

(m)Note

Crypta Neapolitana

(Grotta di Pozzuoli)

711 4,5 4,6 - 5,2 2 pozzi di ventilazione

inclinati

Grotta di Seiano

(Grotta di Posillipo)

780 4,0 - 6,5 5,0 - 8,0 3 condotti laterali

di ventilazione

Grotta di Cocceio

(Grotta della Pace)

970 4,5 4,5 - 8,0 5 pozzi di ventilazione

verticali e inclinati

Caratteristiche delle gallerie di Cocceio

Crypta Neapolitana

Grotta di Cocceio

Grotta di Seiano

Quindi

ancora una voltacome nell’antico Egitto

si facevano grandi operedi Ingegneria di Ingegneria

Ma ci volevaCheope oCocceio!

Quindici secoli dopo, siamo ancora in piena

Ingegneria Geotecnica PrescientificaLeon Battista Alberti

De Re Aedificatoria (1485)Se il terreno è certamente solido, non sarà necessario trovare alcun fondamento; basterà innalzare senz’altro la costruzione. Pertanto la fondazione, cioè l’andare inla costruzione. Pertanto la fondazione, cioè l’andare inprofondità e l’opera di scavo, saranno necessarie quando bisognerà ricercare un terreno saldo e stabilemediante l’apprestamento di una fossaE’ utile chiedere consiglio a tutti gli abitanti del luogoe agli architetti delle vicinanze i quali, fondandosi sulloesempio degli antichi edifici e sulla quotidiana esperienza di costruirne di nuovi, avranno facilmente appreso le esatte qualità e le possibilità del terreno

Sono presenti tutti i caratteri dellaIngegneria Prescientifica

L’applicazione del metodo scientifico ha lasciatoil campo a:

• l’esperienza degli abitanti del luogo

• l’esempio degli antichi edifici (“regole dell’arte”)• l’esempio degli antichi edifici (“regole dell’arte”)

• la ricerca del terreno “solido”

E se il terreno solido non si trova?

Se l’opera esce dal canone degli antichi edifici?

Abbazia normanna di Cluny III

Grande navata centrale, luce di oltre 12 m, altezza 30 m

Costruita a partire dal 1088

L’abate Pons, ritenuto responsabilemorì in prigione a Roma nel 1126

crollata nel 1125

Nel XVII secolocon Galilei e Newtonviene riscoperto ilmetodo scientifico.

Subito dopo l’Ingegneriacompie

un grande balzo in avanti

Il frontespizio de:“Il Saggiatore”Roma, 1623

La filosofia è scritta in questo grandissimo libroche continuamente ci sta aperto dinanzi agliocchi (io dico l’Universo), ma non si può intendere se prima non s’impara ad intendere lalingua, e conoscere i caratteri, nei quali è scritto. Egli è scritto in lingua matematica, ecaratteri sono triangoli, cerchi ed altre figurescritto. Egli è scritto in lingua matematica, ecaratteri sono triangoli, cerchi ed altre figuregeometriche, senza i quali mezzi è impossibile aintenderne umanamente parola; senza questi èun aggirarsi vanamente in un oscuro laberinto.

Galileo Galilei: Il Saggiatore. Roma 1623

Non linearità della relazionefra tensioni e deformazioni

• 1690. Leibniz, in una lettera a J. Bernoulli, suggerisceuna relazione iperbolica per descrivere i risultati diprove a trazione su corde di violino

• 1815. Dupin trova che la freccia di travi di legno è una funzione parabolica del caricouna funzione parabolica del carico

• 1831. Von Gerstner esegue prove di trazione su corde di piano e suggerisce una relazione parabolica

• 1834. Vicat scopre e descrive il creep

• 1843. Hodgkinson osserva non linearità, deformazionipermanenti ed effetti viscosi per il legno, la ghisa edi materiali lapidei

Non linearità della relazionefra tensioni e deformazioni

British Royal Commissionappointed to inquire into the application

of iron to railway structures18471847

Raccomanda agli ingegneri che, in futuro, la legge diHooke sia sostituita da una legge parabolica. Nel 1850

Cox afferma che i dati nel rapporto della BRC sonomeglio descritti da una legge iperbolica:

βε

αεσ

+=

1

E invece...

Teoria lineare dell’elasticità

Cancella completamente l’evidenzasperimentale

Consente impressionantirealizzazioni

Costituisce ancora il paradigmadominante dell’Ingegneria contemporanea

DorsaleCalabra

Commerzbank, Frankfurt

Nichts ist so praktisch

wie eine gute Theorie!Kurt Lewin,1890-1947

Non c’è niente di più praticodi una buona Teoria!

Anche per l’Ingegneria Geotecnicala teoria ricomincia a fiorirefra il XVIII e il XIX secolo

• C.A. Coulomb: Essai sur une application desrègles de Maximis et Minimis à quelque

• C.A. Coulomb: Essai sur une application desrègles de Maximis et Minimis à quelque problème de Statique. Paris 1773

• J.V. Boussinesq: Applications des potentielsà l’étude de l’équilibre et du mouvementdes solides élastiques. Paris 1885

Una tavola del saggioUna tavola del saggiodi Coulomb

• G.C.M.R. de Prony (1802) Recherches sur la poussée des terres

• C.M.L.H. Navier (1833) Résumé des leçons données àl’Ecole des Ponts et Chaussées

• C.V. Poncelet (1840) Mémoire sur la stabilité des revêtements et de leurs fondations

• A. Collin (1846) Recherches expérimentales sur lesglissements spontanés du terrain

• H.P.G. d’Arcy (1856) Les fontaines publiques de la ville deDijonDijon

• W.J.M. Rankine (1862) A manual of Civil Engineering• O. Reynolds (1887) Experiments showing dilatancy, a

property of granular materials• A.M. Atterberg (1911) Plasticitetgränser och

plasticitetsgrader• J. Frontard (1914) Notice sur l’accident de la digue de

Charmes• W. Fellenius (1918) Kaj-och jordrasen i Göteborg

L’Ingegneria Geotecnicaè però in ritardo

Rimane in epoca prescientifica

Manca una importanteManca una importanterelazione di corrispondenza

Karl von Terzaghie il

“Principio delle tensioni efficaci”(1924 - 1936)

Meccanica del mezzo multifaseTeoria della ConsolidazioneTeoria della ConsolidazioneModelli costitutivi avanzati

Metodi numericiNel 1936 si costituisce

la ISSMFEe si tiene a Cambridge il 1° Congresso

Karl von Terzaghinel 1926

Negli stessi anni si laurea a NapoliArrigo Croce

Dopo la prigionia in Africa, dirige dal 1948 ilCentro Geotecnico della Fondazione Politecnica

per il Mezzogiorno d’Italia

L’Ingegneria Geotecnica comincia il suo cammino nel

Fino a pochi mesi fa, unico Dipartimento di Ingegneria Geotecnica in Italia

L’Ingegneria Geotecnica comincia il suo cammino nelnostro Paese partendo da Napoli

Prima Cattedra di Geotecnica in Italia (1961)

Arrigo Croce1983

La Piazza deiMiracoli a Pisa

La Torre pendente,famosa in tutto il mondo,

è stata salvataper le future generazioniper le future generazioni

grazie allaIngegneria Geotecnica

e con un sostanziale contributo

Napoletano!

Scrutare il proprio passatoè tipico dei vecchi

e può essere triste o dolce

maè utile solo se portaè utile solo se porta

ad interrogarsi sul proprio futuro

particolarmente in un’epoca dirapide e profonde trasformazioni

della scuola

Questa benigna struttura, la Terra, misembra diventata una sterile escrescenza

e l’eccelsa volta aerea, il firmamento

Il futuro dinanzi a noi ci pone nuove sfidePer esempio:

Difesa e conservazionedell’ambiente

e l’eccelsa volta aerea, il firmamentosaldamente sospeso sopra di noi, maestoso

soffitto intarsiato d’oro fiammante, mi appare come una miscela esplosiva di vapori

perniciosi

W. Shakespeare: Amleto, Atto II, Scena I

“… la scienza non sembra più un’unità armonicadi macrocosmo e microcosmo ma un continuointeragire di caso e necessità che si rifrange

nell’infinita varietà delle cose, nella irriducibilesingolarità degli individui e dei fenomeni.”

E, contemporaneamente

singolarità degli individui e dei fenomeni.”

Italo Calvino, 1985

Il Medioevo

prossimo venturoprossimo venturo

Il filo sottile che ci lega all’antica cultura razionale

sembra sul punto di spezzarsi

Maghi e astrologi conquistano

L’irrazionalismo trionfa

Maghi e astrologi conquistanonon solo il pubblico televisivo

Di recente alla Sorbonaè stata istituita una cattedra

di astrologia

Negli Stati Uniti nascono sette che si propongono di

uccidere gli scienziatiper

salvare l’Umanità

FATWA

madi qualificazione scientifica media

decrescente

Si dice spesso cheviviamo in un mondo dicomplessità crescente

Ad esempio, le conoscenze e la qualificazionerichieste per progettare un calcolatore

mancano perfino nella maggioranza delle società che producono calcolatori

(mero assemblaggio)

Diffusione della “cultura del computer”

• a livello del progetto delle macchine

• a livello della programmazione

• a livello dell’uso di software commerciale (consumatori)

Analogia con l’industria aeronauticaAnalogia con l’industria aeronautica

• progettista dell’aereo

• pilota

• passeggero (consumatore)

Alla scuola viene richiesto di formareconsumatori

non scienziati o ingegneri di alto livello

Cultura dei manuali, delle istruzioni per l’usodel come e non del perché

Per diventare consumatori evoluti, gli studentiPer diventare consumatori evoluti, gli studentivengono forniti di

un’educazione fisicaun’educazione stradale,

un’educazione sanitaria, alimentare, sessualedi un’educazione civica e fiscale

ma non di un’educazione scientifica

Si dice spesso che viviamo in un mondodi complessità crescente

In realtà, il messaggio che si fa passareè che la realtà è troppo complicata

per essere compresa dalla mente umana

I concetti teoriciavulsi dalle teorie nelle quali essi hanno senso

sono di nuovo usati per sbalordire la gentecome oggetti strani e misteriosi

comprensibili solo agli iniziati

L’eliocentrismo e la teoria atomica sonoaccettati in base al principio di autorità alla accettati in base al principio di autorità alla stessa stregua di quarks, buchi neri, big bang

Darwin e l’evoluzionismovengono espulsi dalla scuola

Inglese, Internet, Impresa

Il metodo scientifico, avulso dalla culturache lo ha generato

non sopravviverà nel terzo millennio

La tecnologia moderna può accelerare questoprocesso, ma non sopravviverà

al suo compimentoal suo compimento

L’idea ingenua e pericolosache il progresso sia inarrestabile

si è già rivelata falsa almeno una voltae ne è seguito un millennio di oscurità

L’uso della Scienza nell’Ingegneriae in particolare

nell’Ingegneria Geotecnicaè possibile solo nel quadroè possibile solo nel quadro

di una cultura scientifica diffusa

Leon Battista AlbertiDe Re Aedificatoria (1485)

Scava fino a trovare il duro, eche il Cielo ti assista!che il Cielo ti assista!