I problemi della causalità nelle scienze ingegneristiche - Università degli studi di Bergamo
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I problemi della causalità nelle scienze ingegneristiche
La causalità e la mancanza di continuità tra la
cultura tecnico-scientifica e l’applicazione
S. Baragetti
bDip. Progettazione e Tecnologie, Università degli Studi di Bergamo, viale Marconi 5 – 24044 Dalmine –Bg, Italy
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007
Introduzione
• Le aziende contattano l’Università solo dopo che gli incidenti sono avvenuti.
• Le cause devono essere anticipate con studi adeguati e con la preparazione che in
Università abbiamo l’obbligo di dare.
• Spesso le aziende non considerano le potenzialità di alcuni strumenti moderni (le
aziende non hanno più alibi) che consentirebbero di aumentare l’affidabilità di
componenti e sistemi meccanici.
• Gli incidenti dovuti a cedimenti strutturali, che nel passato erano spesso inevitabili a
causa delle scarse conoscenze tecniche, ora non possono trovare alcuna
giustificazione alla luce delle conoscenze tecniche raggiunte in ambito strutturale.
• E’ più probabile che oggi il danno sia provocato da una non sufficiente preparazione
del progettista o da un uso improprio della macchina.
• Del resto una manutenzione non adeguata può introdurre difetti così come l’ambiente
aggressivo e l’utilizzo improprio: tutti questi aspetti concorrono a causare cedimenti
non prevedibili durante la fase di progettazione.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007
Nella presente memoria si riportano alcune considerazioni sulla
causalità e la mancanza di continuità tra la cultura tecnico-
scientifica e l’applicazione, sull’utilizzo del coefficiente di
sicurezza e sull’affidabilità e la sicurezza
delle strutture.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007
Is it possible to use TiN Coated titanium for the gears of the gearbox?
The use of coated titanium instead of steel as the material for the gears
would offer the great advantage that the mass of the rotating gears could
be highly reduced in comparison with steel gears:
this would enable to increase power 4
Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007
Crack
Crack
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007
• La stima della resistenza in campo deterministico consiste nella valutazione del
coefficiente di sicurezza:
coefficiente di sicurezza = rapporto tra il valore medio della resistenza del
componente ed il valore medio del carico (rapporto
tra il carico limite e quello di esercizio).
• Nel coefficiente di sicurezza il progettista è consapevole che sono presenti le
incertezze sui carichi applicati, sulle dimensioni, sui metodi di calcolo utilizzati,
sulla resistenza dei materiali.
• La norma italiana per le costruzioni in acciaio attualmente in vigore (la CNR
10011/88) prescrive che, in condizioni di applicazione statica dei carichi di esercizio
e in assenza di eventi accidentali o eccezionali imprevisti, il coefficiente di
sicurezza sia pari a 1.5, ovvero la struttura deve essere in grado di sopportare il
50% di carico in più rispetto al carico nominale (di normale esercizio).
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007
• Questo modo di affrontare la verifica di resistenza è denominato “approccio
deterministico” ovvero con tale approccio non si considerano direttamente le
variabilità dei diversi fattori che entrano nelle formule di verifica e si amplifica
opportunamente il coefficiente di sicurezza.
• Ammettere di operare in condizioni di sicurezza basandosi essenzialmente su
valutazioni di tipo deterministico può però indurre a considerare sicure situazioni
che in realtà sono molto prossime al cedimento e questo in particolar modo quando
si utilizzano coefficienti di sicurezza relativamente bassi (come succede in ambito
aeronautico o nelle competizioni automobilistiche o motociclistiche).
S
η=
L
L S 7
=
Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007
Gli incidenti e i danni strutturali, nel ciclo di vita della macchina, sono causati da:
1. Insufficienza di conoscenze tecniche e scientifiche nella fase di progettazione
(tecnici non adeguatamente preparati).
2. Utilizzo di coefficienti di sicurezza insufficienti (ad esempio nelle competizioni
sportive: si pensi all’incidente di Senna).
3. Errori di realizzazione ed esecuzione.
4. Mancanza di controlli non distruttivi per strutture importanti dal punto di vista
della affidabilità e della sicurezza.
5. Manutenzione non adeguata.
6. Utilizzo improprio.
7. Eventi accidentali non considerati in fase di progetto o imprevisti.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007
Esempio 1: il progetto “COMET”
(Rottura causata da scarse conoscenze tecnico-scientifiche)
• Nell’immediato dopoguerra si è assistito alla riconversione dell’industria aeronautica
militare in industria civile con la proliferazione di numerosi velivoli ai tempi
considerati avveniristici.
• Il COMET è un aereo progettato dalla ditta inglese de Havilland, il primo costruito nel
dopoguerra per il trasporto civile (1946). L’aereo, con propulsori a reazione, aveva una
linea veramente accattivante.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007
• Dato che l’aereo era stato progettato per volare ad alta quota (dove la pressione è
minore rispetto a terra), erano stati condotti approfonditi ed accurati studi sulla struttura
del velivolo.
• In quota la differenza di pressione tra esterno e interno è superiore al 50%, e anche la
differenza di temperatura è ragguardevole (-40 °C).
• Per le prove sperimentali sono stati condotti cicli di pressurizzazione a 2.5 volte la
pressione di esercizio in quota. Si pensava che la fusoliera soggetta ad almeno il
doppio della pressione di esercizio non potesse rompersi a fatica.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007• Purtroppo furono condotte solo prove statiche, atte a valutare la resistenza del sistema
aeronautico come fosse un recipiente in pressione.
• Dopo il volo inaugurale partito da Londra il 2 maggio 1952 si susseguirono numerosi
incidenti anche catastrofici (ad esempio l’incidente di Karachi in Pakistan dove l’aereo
esplose al decollo).
• Si decise allora di allestire prove di fatica in piena scala sulla fusoliera simulando il
ciclo di decollo-volo-atterraggio. A circa 3000 cicli si verificava il cedimento con
cricche che partivano dagli spigoli dei finestrini: classiche rotture per fatica.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007• Nelle prove di fatica il velivolo veniva immerso in una vasca d’acqua e all’interno
della fusoliera la pressione veniva aumentata e diminuita opportunamente per simulare
i cicli di carico.
• Le diverse commissioni di inchiesta confermarono che la rottura in tutti casi aveva
origine agli spigoli dei finestrini, i quali davano luogo a elevati coefficienti di
intaglio a fatica in presenza di stato di sforzo pluriassiale.
Il difetto nuclea per fatica
(carichi ripetuti nel tempo)
agli spigoli del finestrino più
sollecitato per propagare e
coinvolgere altri finestrini e
componenti della fusoliera,
fino alla rottura completa.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007• Può sembrare strano ma tutti gli aerei che noi utilizziamo sono danneggiati,
anche quelli in servizio da poco tempo.
Le lamiere in lega di alluminio con cui si realizzano le ali e la fusoliera sono sede di
numerosi difetti la cui posizione è nota: le dimensioni di tali difetti si devono
controllate e si interviene sulla struttura quando le dimensioni superano quella
critica (che porterebbe alla rottura della lamiera).
• Le strutture e i componenti funzionano anche se danneggiati e devono essere
controllati periodicamente. Chiaramente questo tipo di approccio prescinde da
eventi eccezionali che non si possono prevedere: manovre che causano
sovraccarichi o ambiente estremamente aggressivo.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007Esempio 2: le rotture nelle LIBERTY SHIP
(Rotture causate da scarse conoscenze tecnico-scientifiche)
• Le Liberty Ship erano state progettate dalla marina militare statunitense al fine di
trasportare i rifornimenti durante la seconda guerra mondiale.
• Queste navi erano equipaggiate con armamenti leggeri: erano lunghe 135 m e larghe
17 m. L’equipaggio era composto da circa 70 persone tra marinai e artiglieri.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007• Ne furono costruite circa 2700 dal 1942 alla fine della guerra e tale elevata
produzione era stata consentita dalla tecnica di realizzazione che si basava
fondamentalmente sulla saldatura delle lamiere che costituivano lo scafo (a differenza
di navi come il TITANIC dove le lamiere venivano collegate con bullonature o
chiodature).
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007• Sin dall’inizio circa il 30% delle navi subì danni catastrofici dovuti principalmente
alla scarsa conoscenza, ai tempi del progetto, del comportamento meccanico dei
materiali e della meccanica della frattura.
• La frattura era causata dall’utilizzo di materiali non adatti ad essere saldati (che
avevano scarsa “tenacità alla frattura”). La bassa tenacità alla frattura dei materiali
impiegati ha reso le lamiere fragili (si pensi al una piccola crepa in una lastra di
vetro).
• L’utilizzo di queste navi in acque fredde ha contribuito alla rottura: la bassa
temperatura infatti riduce ulteriormente la resistenza del materiale.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007Esempio 3: incidente a Senna
(Rottura causata da errori di progettazione)
Gazzetta dello Sport del 13 aprile 2007:
La Cassazione ha respinto la richiesta di assoluzione del d.t. della Williams
dall'accusa di omicidio colposo, ma ha confermato la sentenza di prescrizione del
processo d'appello
“…l'evento era prevedibile ed evitabile......se il piantone non fosse stato
malamente modificato, Senna non sarebbe uscito di strada.”
“La Cassazione ha detto no all'assoluzione di Patrick Head, il direttore tecnico della
Williams, accusato dell'omicidio colposo di Ayrton Senna, morto il primo maggio 1994.
In particolare la terza sezione penale della Suprema Corte ha confermato la sentenza di
prescrizione pronunciata nei confronti di Head dalla corte d'appello di Bologna il 27
maggio 2005 nel processo d'appello bis. Confermato anche il giudizio di responsabilità
del manager Williams per le modifiche ‘male progettate e male eseguite’.”
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007Esempio 4: rottura di un componente aeronautico
(Rottura causata da utilizzo improprio)
• E’ ormai opinione comune che gli aeroplani “cadano” soprattutto per errori umani
(pilota, torre di controllo, impatto con oggetti sulla pista durante l’atterraggio o il
decollo).
• E’ vero, oggi gli aerei si possono rompere per motivi legati alla cattiva manutenzione,
all’utilizzo di carburanti “economici” o all’esecuzione di ispezioni periodiche troppo
sbrigative (o addirittura all’assenza delle ispezioni).
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007• Per questioni di peso, nella progettazione degli aerei sono previsti coefficienti di
sicurezza più bassi e il rischio di avere rotture è maggiore.
• Il componente danneggiato appartiene al carrello di atterraggio di un aereo civile
Cessna 402B avente una massa di circa 2800 kg.
• La rottura si è verificata durante l’atterraggio e ha coinvolto il carrello primario di
atterraggio.
• L’indagine è stata commissionata per verificare quale fosse stata la causa della rottura:
errore umano o utilizzo di materiali difettosi per la realizzazione del carrello.
• Al momento dell’atterraggio l’azione di impatto con il suolo ha danneggiato uno dei
bulloni del carrello di atterraggio.
L’errore in questo caso è umano, dato che il pilota ha operato un atterraggio
estremamente violento: il progetto è invece stato adeguato e non sono stati
riscontrati difetti nel materiale
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007Esempio 5: rottura di spinotti per pistoni
(Rottura causata da cattiva realizzazione)
• Lo spinotto collega il pistone alla testa della biella nel motore a combustione interna
(nelle automobili che utilizziamo tutti i giorni).
• Lo spinotto è un elemento a forma tubolare realizzato in acciaio ad alta resistenza e,
per aumentarne la durezza e la resistenza all’usura e alla fatica da contatto, la
superficie esterna (a contatto con la biella) viene cementata o nitrurata.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007• E’ evidente che la rottura dello spinotto è da evitarsi in quanto, dal punto di vista
affidabilistico, tale componente è in serie a biella e pistone nell’albero dei guasti del
motore (se cede lo spinotto la macchina è fuori uso).
• Lo spinotto appartiene a un motore diesel montato su un grosso automezzo per il
trasporto di materiali e presenta fratture sia trasversali sia longitudinali.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007• Le analisi al SEM (microscopio elettronico a scansione con ingrandimenti fino a
600000x) delle superfici di frattura hanno evidenziato come le cricche siano nucleate
principalmente proprio nella zona di contatto tra superficie interna dell’occhio della
biella e spinotto.
• Anche la superficie interna dello spinotto, dove gli sforzi alterni di flessione sono
ragguardevoli, è stata sede di nucleazione e propagazione di cricche di fatica dato che
la cementazione anche qui non è stata effettuata correttamente.
• La non corretta cementazione del pezzo ha quindi ridotto la resistenza a fatica
(superficie interna dello spinotto) e a fatica da contatto (superficie esterna dello
spinotto) del componente che si è rotto dopo che la motrice ha percorso 140 km.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007Esempio 6: rottura di ingranaggi per elicotteri
(Rottura causata da errori di montaggio)
• Le ruote dentate delle trasmissioni meccaniche degli elicotteri sono soggette agli stessi
fenomeni di danneggiamento che si riscontrano nelle “meno pericolose”
applicazioni automobilistiche.
• Anche se per alleggerire i componenti in campo aeronautico si utilizza un approccio
alla progettazione di tipo “defect tolerant”, ovvero la classica progettazione dei sistemi
in parallelo, ci sono comunque componenti per i quali la rottura potrebbe significare il
fuori servizio della macchina.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007• Una ruota dentata danneggiata per fenomeni di usura o fatica da contatto può
funzionare comunque (e soprattutto portare l’elicottero a terra in sicurezza); una ruota
spezzata in tre parti è fuori uso e manda fuori uso tutta la macchina.
• Il disallineamento degli assi della ruota condotta e della ruota motrice ha causato il
progressivo danneggiamento dei denti delle ruote fino a portare alla rottura per
frattura.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007Alla luce di queste semplici considerazioni appare evidente che la
sicurezza dipende dalla responsabilità di tutti gli “attori” che
concorrono alla progettazione, realizzazione, certificazione,
utilizzo e manutenzione della macchina.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007La verifica di resistenza in termini probabilistici
• Date le variabilità delle caratteristiche meccaniche dei componenti reali e data la
variabilità dei carichi applicati, è necessario valutare accuratamente come carichi e
resistenze possano interagire in termini probabilistici.
L S
=
S
η= Coefficiente di sicurezza deterministico
L
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007• Margine di sicurezza probabilistico:
Z S−L
ZR = =
µZ (µ S
2
+ µL 2 )
Per margini si sicurezza probabilistici sufficientemente elevati (>4) si può ridurre il
coefficiente di sicurezza deterministico (Definizione di “Loading Roughness”
µL
LR =
µZ
(Z = S – L)
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 200729 Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007
Metodologie di progettazione
• L’importanza relativa tra i componenti di una macchina o di una struttura in generale
dipende soprattutto dalla modalità con cui vengono inseriti nell’impianto i diversi
componenti.
• Due in particolare sono le metodologie di progettazione e la scelta è influenzata da
motivi legati alla resistenza strutturale della macchina, a motivi economici oppure alla
sicurezza della macchina stessa o della struttura.
• Dal punto di vista probabilistico i diversi componenti della macchina possono essere
collegati in serie o in parallelo.
n
Serie: R
C
= ∏ Ri P
C
= 1− R
C
i =1
n
Parallelo: P
C
= ∏ Pi R
C
=1− P
C
i =1
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007• La probabilità che la catena resista sarà legata alla probabilità di non cedimento di
ogni singolo componente, maglia, della catena stessa; basta infatti che una maglia si
rompa perché la catena non possa più svolgere la propria funzione portante.
Maglie della catena:
elementi in serie
Molle a tazza
montate in serie
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007Motori in parallelo Pacco di molle a tazza: sistema in parallelo
• Alla luce delle considerazioni relative ai sistemi in serie e in parallelo è possibile
distinguere due differenti modalità di progettazione:
Progettazione Safe-Life (elementi in serie)
Progettazione Fail-Safe (elementi in parallelo)
• Le strutture progettate con modalità di progettazione Safe-Life sono concepite in
modo di avere le caratteristiche dei sistemi in serie ed i singoli componenti vengono
dimensionati per resistere a durata illimitata o per un periodo prefissato; superato tale
periodo i pezzi devono comunque essere sostituiti (alcuni componenti aeronautici o
per competizioni automobilistiche).
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007Esempio 1: albero dei guasti di un ascensore
• Analisi probabilistica rivolta ad un ascensore elettrico. L’analisi ha come oggetto il pericolo
di caduta della cabina. Lo scopo è mostrare come la probabilità di cedimento, del singolo
componente possa influenzare quella di tutto il sistema.
MOTORE FRENO DI SERVIZIO
α
RIDUTTORE
GIUNTO
β
ALBERO
γ PARACADUTE
PULEGGIA
LIMITATORE
DI VELOCITA'
FUNE
GUIDE
CONTRAPPESO
FUNE CONTRAPPESO
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007Raccomandazioni
Per evitare incidenti durante la vita di sistemi o componenti meccanici sono necessari:
• Una buona preparazione tecnica;
• La conoscenza della variabilità dei carichi applicati e delle resistenze di progetto;
• Una corretta manutenzione del sistema meccanico e dei singoli componenti;
• L’esecuzione accurata di controlli periodici non distruttivi.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 200735 Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007
• Tutti i componenti strutturali nascono con difetti (o cricche). Le cricche possono o
meno propagare e, nella maggior parte delle applicazioni, per determinati valori
dei carichi applicati e al di sotto delle dimensioni critiche non si ha la
propagazione.
• Tuttavia il difetto che oggi non propaga se il componente è sottoposto ai normali
carichi di esercizio può propagare successivamente, magari a distanza di anni, a
causa di carichi eccezionali accidentali che innescano la propagazione
(“causalità”: difetti presenti sin dall’inizio che propagano in seguito).
• I controlli non distruttivi (si ricordano i metodi magnetici e i liquidi penetranti in
particolare) sono molto importanti al fine di controllare le dimensioni dei difetti.
• È sufficiente riportare l’esempio del comportamento e della manutenzione delle
strutture aeronautiche per capire l’importanza dei controlli periodici: le “macchine
volanti” devono presentare rapporti resistenza/massa molto elevati (la leggerezza è
un requisito fondamentale) e i progettisti in ambito aeronautico sono consapevoli
che gli aerei volano con la fusoliera e le ali “difettate”.
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Convegno di Studi "Problemi giuridici e scientifici della causalità", 18 maggio 2007Puoi anche leggere
