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domingo, 21 de octubre de 2012

Historia de la Geotecnia - Terzaghi y el Método Observacional (I)


Jubilee Extension (Londres, 1994)

Al ingeniero Hardy Cross (1885-1959), que influyó notablemente en la ingeniería civil con su afamado método iterativo de análisis estructural, y también sobre la educación de los ingenieros, le preocupaba que los analistas de estructuras descuidaran los aspectos prácticos y fueran teóricos abstraídos; decía que los ingenieros: “tenemos tres maneras de tratar de resolver los problemas: analítica, experimental y sintética”, pero también reconoció que “mucho del mejor trabajo de los ingenieros es resultado de corazonadas, o de analogías con otros casos con los cuales han trabajado” (Cross, 1998).

Lo anterior indica que dentro de la formación de los ingenieros, se encuentra implícita una fase observacional (comparativa) de éxitos y fracasos en los proyectos (producto de la experiencia ensayo-error). Pero en la mayoría de las situaciones, en la Ingeniería Geotécnica no se comprende la manera correcta de abordar la solución a muchos problemas, porque no se tiene completamente clara la forma en la cual se debe desarrollar el método práctico para encontrar soluciones racionales. Este método es comúnmente conocido como el Método Científico, el cual se expondrá en detalle a continuación (especialmente en lo referido a los principales hitos en su evolución), pero que, en la práctica de la Ingeniería Geotécnica, se denomina Método Observacional y fue propuesto por Karl Terzaghi y desarrollado por Ralph B. Peck en 1968 y presentado por éste último en 1969.

Se denomina método científico, a una serie de pasos sistemáticos, e instrumentos que conducen a un conocimiento científico. Estos pasos permiten llevar a cabo una investigación.

Surge como resultado de la experiencia que el hombre ha acumulado a lo largo de su historia, como por ejemplo la transformación que ha venido sucediéndose en el campo de algunas ciencias experimentales. Se fundamenta en una serie de pasos y procedimientos organizados para el ciclo entero de una investigación.

El objetivo principal de la ciencia, es explicar los fenómenos naturales, o sea, especificar cuáles variables están relacionadas con otras, y la manera en que lo están con otras y cómo se relacionan, capacitando así al investigador para predecir ciertas variables a partir de otras. Entonces, la finalidad de la ciencia es la teoría, porque ésta se define como un conjunto sistemático interrelacionado y definido, de proposiciones, que sirven para explicar y predecir fenómenos.

La ciencia y la metodología científica, introducen un punto de vista que sirven para clasificar y generalizar los resultados de la investigación.

Mapa conceptual del método científico

Galileo Galilei y el Método Científico

El conocimiento científico en la modernidad, marca el inicio de un período que se aleja de los métodos aristotélicos caracterizada por la inducción simple a partir de generalizaciones que toman como punto de partida la experiencia corriente y el argumento de “autoridad”. El método aristotélico, ya había sido criticado por Bacon en virtud de lo cual había diseñado una metodología nueva, pero que contó con muy pocos seguidores.

Galileo es considerado el creador del método científico que caracterizará a la ciencia a partir de la modernidad, el método hipotético-deductivo.

Galileo Galilei (1564-1642)

Galileo Galilei (1564-1642) fue uno de los científicos más importantes de la edad moderna, por su grandes aportes a la ciencia, especialmente en el método de trabajo que utilizaba para llegar a sus conclusiones, y formular sus hipótesis; este método es el llamado “método científico resolutivo-compositivo”, que se basaba en el desarrollo sistemático de las siguientes 4 etapas:

Galileo y el estudio de la gravedad

  1. Observación: Hay que partir inevitablemente de la precisión en la consideración del objeto de la investigación, lo que únicamente es posible por la determinación de datos de observación minuciosamente delimitados, y con referencia a un problema que resolver. Generalmente el problema que se plantea hace referencia a una teoría explicativa frente a la cual los datos observados no pueden ser explicados por ella, bien por un cambio de concepto en el fundamento, o por simple ampliación de observaciones. Aquí, se aplican nuestros sentidos, ya sea de forma directa o a través de instrumentos adecuados, a las cosas o fenómenos que nos rodean. Ejemplo: Todo elemento que se cae o tiramos hacia arriba acaba cayendo hacía abajo.
  2. Elaboración de una hipótesis explicativa: A partir de este momento la explicación de este nuevo modo de concebir el fenómeno requiere una explicación nueva, lo cual se hace como hipótesis o teoría provisional a la espera de una confirmación experimental. Una hipótesis es una proposición que resulta de una observación o de una inducción y que debe ser verificada. Ejemplo: ¿Porqué todo cae hacia abajo?
  3. Deducción: Sobre esta hipótesis o teoría, se hace necesario extraer las consecuencias que se derivan del hecho de tenerla por verdadera. Fundamentalmente dichas consecuencias deductivas deben ser de tipo matemático pues, como dice Galileo, la naturaleza está escrita en lenguaje matemático. Utilización de métodos técnicos para analizar la producción de fenómenos y comprobar las hipótesis científicas. Ejemplo: Algo atrae a todos los objetos hacia abajo.
  4. Experimento o verificación: Se montan las condiciones en las que se puedan medir las consecuencias deducidas, procurando unas condiciones ideales para que las interferencias con otros factores sean mínimos (rozamientos, vientos, etc.), y comprobar si efectivamente en todos los casos, siempre se reproducen dichas consecuencias. La teoría es un conjunto de teoremas o leyes organizadas sistemáticamente, sometidas a la verificación experimental y que están encaminadas a establecer la veracidad de un sistema científico. Ejemplo: Desde un sitio alto arrojamos diferentes objetos con diferentes masas y formas. Podemos cambiar también la altura a la que los arrojamos y la fuerza con la que lo hacemos.

Conclusión: Existe una fuerza que hace que todos elementos sean atraído hacia abajo, pero los que pesan menos tardan un poco más en caer, al igual que afecta la forma que tengan, aunque en menor medida. Esta fuerza se llama gravedad, y Newton resolvería este problema planteando la Ley de la Gravitación Universal.

En sus trabajos científicos, Galileo se enfrenta a problemas relativamente simples y uno por uno, en lugar de intentar contestar preguntas grandiosas y complejas, concentra su atención en unos cuantos hechos, específicamente los que pueden describirse en términos matemáticos. 

Utilizando observaciones experimentales, idealizaciones y deducciones lógicas, Galileo logró avanzar sobre la física aristotélica y cambiar conceptos que estaban firmemente arraigados desde hacía casi 2000 años, es decir rompió los paradigmas de la física propuesta por los griegos.

Se ha discutido mucho si Galileo iniciaba su investigación con una teoría sobre el fenómeno que iba a examinar, o si esta teoría era consecuencia de sus experimentos y observaciones.

Método científico


Descartes escribió su "Discurso del método para conducir bien la propia razón y buscar la verdad en las ciencias", con la duda como pieza fundamental de la búsqueda de la verdad

El hombre primitivo era un animal superior que poseía curiosidad, característica que unida a su inteligencia rudimentaria, lo llevaron a descubrir lo que le convenía o no, en cuanto a que comer o no, que hacer y cuando, todo esto debido a repetidas experiencias que lo llevaron a seleccionar los frutos comestibles y a escoger sus refugios para sobrevivir.

Este hombre primitivo dejo de ser un recolector de frutos y un cazador de animales, para convertirse en pastor y agricultor; mediante la observación dejo de ser nómada para convertirse en sedentario. Además por la observación, pudo asociar los movimientos de los cuerpos celestes con el tiempo y las estaciones. De esta forma el conocimiento (la ciencia o el saber) partió de la observación de los fenómenos naturales, es decir se originó la Astronomía como observación de fenómenos de ocurrencia regular.

El hombre primitivo aprendía al igual que las bestias sin un método determinado; para este hombre falto de lógica, lo natural es sobrenatural por lo que al no contar con una forma de explicarse un hecho que no comprendía y ante al cual no tenía medios para procurarse una mejor explicación surge la superstición (y de alguna manera la religión). De esta forma se dan a conocer los magos y sacerdotes a los que podemos considerar científicos primitivos, ya que podían explicar de alguna manera los sucesos que los demás de su tribu no conocían ni comprendían.

Posteriormente, surgen las primeras civilizaciones: Los babilonios, los Asirios, los Egipcios, y los Griegos, hasta los Balcanes, que fueron privilegiados con el don del entendimiento, desarrollaron el “Amor a la sabiduría” y aquí fue donde comenzó a adquirir forma el método científico.

Siglos más tarde aparecen otros personajes que intentan dar explicaciones naturales a los fenómenos del universo, como Tales de Mileto, a quien se le considera el padre de la filosofía, a Anaximandro quien trazo mapas astronómicos y geográficos, a Heraclito, a Empédocles, quien de forma rudimentaria dio a conocer la Teoría Atómica del Mundo. Más tarde aparece Democrito de Abdera, quien admite las causas naturales de las enfermedades. 

Se abre así un nuevo cauce a la observación e investigación, mediante la liberación de las supersticiones que impedían la obtención de más conocimientos. Luego apareció uno de los más grandes científicos y benefactores de la humanidad: Hipócrates de Cos, quien logro aislar de manera definitiva la medicina científica de la mística religiosa, fue el fundador de la embriología, fundador del método clínico, que utiliza la inteligencia y los sentidos, para el diagnostico de la enfermedad, eliminando drásticamente cualquier suposición sobrenatural. 

La observación fue el medio del que más se valieron estos hombres para establecer relaciones con el hombre y su ambiente. Con la aparición del gran medico griego, comienza a perfilarse un método que se inicia como uno de los primeros pasos de la observación, que no tardará en convertirse en el primer paso firme del método científico.

Luego aparece Aristóteles, creador de la Biología, Zoología, Botánica, Anatomía y otras muchas ciencias. Fue el primer hombre que intentó un método para lograr conocimientos seguros, se dedico a organizar investigaciones, y a reunir toda la información posible sobre la Historia Natural. Su método consistió en la acumulación y clasificación de datos. Aristóteles fue un observador y ordenador por excelencia, pero la ausencia de hipótesis y de experimentación correcta, hace de la ciencia aristotélica un cúmulo de observaciones indigestas. En conclusión sentó las bases que llegarían a construir el método científico.

Hacia 1550, aparece Galileo Galilei quien hace su primer gran descubrimiento siendo muy joven. Surge por primera vez a la luz publica, cuando realizó su famoso experimento consistente en dejar caer dos pesos distinto desde la Torre inclinada de Pisa, para demostrar que dos objetos de diferentes pesos llegaban al mismo tiempo al suelo, y no primero el más pesado, como lo sostenían los peripatéticos.

Galileo Galilei fue muy criticado durante su época ya que se atrevió a señalar los errores de los peripatéticos además de demostrar que la Vía Láctea no era una masa de vapor, sino una concentración de estrellas. Destruyó la concepción de la Luna como objeto divino, demostrando que su superficie es áspera e irregular, además de observar manchas en la superficie del sol. Destruyó también, los argumentos de Aristóteles, mediante su inexorable y metódicamente utilizado método experimental (conocido como el método científico resolutivo-compositivo), ratificando la conclusión con la experiencia. De esta manera contribuyó a crear los pilares sobre los que habría de erigirse con firmeza el método científico.

Hoy día se sabe que no es cierto que Galileo se dedicase a lanzar cuerpos desde la Torre inclinada de Pisa. En su lugar construyó unas rampas bien preparadas, y unas bolas de bronce bien pulidas, para minimizar los rozamientos. Tras numerosas mediciones, determinó un valor medio de la constante de la aceleración de la gravedad g, que vino a ser, con sus instrumentos de medida, de 9,6 m/seg².

Su método científico, fue utilizado por muchos filósofos, para aplicarlos a las formulaciones políticas de la época, tal es el caso de Hobbes, Grocio o Spinoza.

Roger Bacon está considerado como el precursor del método inductivo-experimental, y sigue Francis Bacon, quien lucho incansablemente por la creación de un método, con el fin era de llegar a la verdad; de ésta forma se convierte en el padre del método inductivo que consistía en investigar, mover y persuadir hasta llegar a la verdad, sin embargo este método confiaba en análisis de apariencias, y Bacon no aprendió la importancia de la hipótesis en la ciencia, lo que contribuyó a su imperfección; por otro lado este método aunque incompleto, llevó a un gran avance nuestro conocimiento.

Francis Bacon (1561-1626)

Posteriormente, se vislumbra el gran Isaac Newton, y con él, la ciencia y el método científico, ascendieron a alturas nunca obtenidas por causa de un solo hombre. Expuso a continuación sobre el método científico:

“Primero se debe inquirir las propiedades de las cosas y establecer esas propiedades mediante experimentos. Inmediatamente se debe buscar hipótesis que expliquen estas propiedades. Las hipótesis nos van a servir tan solo a explicarnos las propiedades, pero no a determinarlas porque si las hipótesis nos resuelven el problema no existiría certeza en ninguna ciencia, ya que es posible establecer muchas hipótesis que parezcan resolver todas dificultades”.

Es claro el pensamiento de Newton, ya que no se puede explicar nada por medio de hipótesis, puesto que los mismos hechos observados acerca de un fenómeno, se pueden explicar por medio de hipótesis diferente. 

“El objeto de una buena hipótesis es el de dar una explicación que no va a estimular a hacer más experimentos”.

Después de Newton, hubo muchos científicos y filósofos que continuaron los trabajos sobre el perfeccionamiento de la ciencia y sus métodos, y se destaca Antoine Lavoisier, quien añadió la precisión al método experimental, con la utilización de la Balanza.

Balanza de precisión de Lavoisier

Según la Lavoisier, la naturaleza contesta nuestras preguntas que son los experimentos, entendiendo por experimentar, la interpretación de la naturaleza por medios de observaciones especificas. Una serie de fenómenos constituye los hechos, que conforman el cuerpo de la ciencia que el hombre va asociar a concepciones que son las hipótesis. Cuando las hipótesis se hacen estables pasan a constituir teorías que son suposiciones consideradas ciertas. Cuando las teorías se prueban experimentalmente por varios caminos llegamos a las leyes. Por ultimo hay que aclarar que si no aparecen nuevos hechos, o si estos cambian por causa de mejores observaciones, esto produciría como consecuencia nuevas leyes.

Se atraviesa el siglo XIX, con una carrera desenfrenada de descubrimientos, hasta llegar el siglo XX donde aparece Albert Einstein, quien añadió al método científico la ultra precisión y la ultra exactitud utilizando medidas tan precisas como la velocidad de la luz (c=300,000 km/seg).

Albert Einstein (1879-1955)

El Método Observacional en la Ingeniería Geotécnica

Karl Terzaghi (1883-1963), a partir de sus estudios de ingeniería mecánica, complementados con cursos de geología e ingeniería civil, desarrolló la Mecánica de Suelos, apoyándose en sus conocimientos de la geología, de la observación directa de la construcción de obras, y de experimentos básicos, que le permitieron comprender el comportamiento de los suelos. Él legó gran parte del pensamiento geotécnico esencial a través de sus discursos, metodologías de trabajos, y escritos relacionados con la misión de los ingenieros geotécnicos. Su principal contribución fue el reconocimiento y formulación del principio de esfuerzo efectivo, y su influencia en análisis del asentamiento, la resistencia, permeabilidad y erosión de los suelos.

Esta variable (σ-uw) se convirtió en la clave para describir el comportamiento mecánico de los suelos saturados; donde σ = esfuerzo total y uw = presión del agua intersticial o presión poro-agua o presión de poros. Esta variable de tensión efectiva, se convirtió en el descubrimiento unificador que elevó ingeniería geotécnica a una base y contexto de ciencia.

Una de sus experiencias de observación más importantes ocurrió de diciembre de 1938 a junio de 1941, cuando Terzaghi participó como consultor en la construcción del metro de la ciudad de Chicago, con la ayuda de Ralph B. Peck y la colaboración de Hardy Cross; fue una extraordinaria oportunidad para evaluar la seguridad y los asentamientos inducidos por la construcción de túneles, la extracción de agua del subsuelo, la consolidación de las arcillas, los empujes en tablestacas y muros; todo ello observado con ayuda de una instrumentación confiable (Goodman, 1999). 
El regreso de Terzaghi a Norte América en 1938, coincidió con el inicio de las obras en el metro de Chicago. Él se involucró en el proyecto después de hablar en una reunión de ingeniería en la ciudad, sobre los peligros de los túneles en arcilla blanda. Tal fue su influencia, que pronto descubrió sus servicios de consultoría muy solicitados. Terzaghi decidió trabajar para la ciudad de Chicago, pero sólo después de asegurar el establecimiento de un laboratorio de suelos supervisado por una persona elegida por él mismo y de un insólito salario para la época de U$ 100 por día. El hombre designado por Terzaghi para dirigir el laboratorio fue Peck.

Había muy poca información disponible sobre el efecto de túneles de gran diámetro en arcillas blandas en las estructuras superficiales. No había mediciones fiables disponibles sobre la magnitud y distribución de las presiones sobre los revestimientos. El proyecto del metro proporcionaba una oportunidad ideal para investigar estos aspectos.

El metro fue construido principalmente en la Arcilla de Chicago, que resultó ser muy variable y especialmente blanda en el área del centro de la ciudad. La superficie de la arcilla estaba a 3 m por encima de la corona del túnel, con materiales de relleno relativamente permeables sobre este depósito. Para determinar las características del suelo y desarrollar un perfil geotécnico, núcleos continuas  de arcilla de 50 mm de diámetro, se obtuvieron a intervalos de 100 m, hasta 3 m por debajo de la base del túnel. El contenido de humedad se midió cada 150 mm en estos núcleos y al menos una prueba de resistencia a la compresión no confinada (UCS) se llevó a cabo cada metro. Los valores de la UCS generalmente varíaron entre 50 kN/m². En el área del centro de la ciudad sin embargo, la arcilla era mucho más blanda, con magnitudes UCS de menos de 20 kN/m². Aún en la década de 1940s, la prueba de UCS era considerada pasada de moda, pero Terzaghi creía que las deformaciones del terreno y los movimientos resultantes de las estructuras estaban relacionados con la rigidez de la arcilla, la cual a su vez se relaciona con la UCS. Finalmente, más de 10.000 pruebas de UCS, se llevaron a cabo en el proyecto.

El uso de máquinas de excavación de túneles se había encontrado ineficiente en Chicago, debido a lo blando y pegajoso de la arcilla. Un gran número de las alcantarillas se habían construido con banqueos y la excavación manual con cuchillos de arcilla ('Chicago clay knives', que se deslizan a traves del suelo mediante un cable conectado a un motor de aire). Este método fue adoptado inicialmente para el metro. La corona era soportada por los arcos de acero (steel ribs) que se apoyaron en zapatas ubicadas en el banco inferior.

A nivel de la calle, movimientos verticales de hasta 300 mm estaban causando daños importantes a las edificaciones. En un intento por limitar los daños, se utilizaron gatos de tornillo para nivelar muros y pisos. Sin embargo, el contratista no estaba dispuesto a admitir que los movimientos del terreno eran una consecuencia directa de las obras de túneles.

Este problema suscitó un gran interés de Terzaghi, que creía que si había problemas en los túneles de las afueras de la ciudad, entonces los asentamientos en el centro de Chicago serían más preocupantes. Sugirió investigar los movimientos de la arcilla alrededor del túnel utilizando 'pruebas de compresión' (squeeze tests), donde el túnel y los movimientos superficiales fueran medidos durante un ciclo de excavación con una duración de 72 horas. Se midió el movimiento superficial mediante la nivelación topográfica del terreno y los movimientos de las estructuras y del frente de avance del túnel se monitorearon hincando puntas de lanza de 2 m a 3 m de largo, delante del túnel. Los movimientos laterales se monitorearon mediante la medición de la convergencia de las paredes laterales.

Nivelación topográfica de los movimientos superficiales

Los movimientos túnel que iban desde 25 mm hasta 80 mm, se registraron durante las pruebas de compresión. Las observaciones superficiales y subsuperficiales implicaron volúmenes similares de movimiento del terreno. La correlación de los movimientos subsuperficiales y superficiales llevó el contratista a dirigir sus esfuerzos para minimizar estos movimientos mediante la modificación del proceso de construcción de los túneles.

Inicialmente esto implicó el uso de 'Monkey Drifts' (túneles exploratorios) que fueron excavados 6 m delante del frente de avance del túnel. Las derivas fueron ubicadas a los bordes de la base del túnel donde se colocaba una viga-H antes de excavar la sección inferior. Se pretendía transferir la carga de las costillas de la corona a la viga-H y en efecto pre-esforzar el sistema. Esto redujo significativamente los movimientos del suelo en comparación con el método original. Las pruebas de compresión se utilizaron de nuevo para comprobar los movimientos, los cuales se redujeron en un 50%, de 4" a 2".

Pruebas de compresión en el metro de Chicago

El consejo de consultores coincidió en que en el centro de la ciudad, incluso con las mejores técnicas, el riesgo de un daño excesivo a los edificios era demasiado grande, por lo que se decidió cambiar el método de construcción. Se escogió una excavación utilizando una pantalla (shield) y aunque no es un método inusual, nunca se había usado en Chicago. Impulsado por gatos hidráulicos, la pantalla de 8 m de diámetro cortó la arcilla permitiendo que el material se extrajera a través de las seis cámaras. Se instaló un revestimiento temporal en el interior de la pieza de cola seguido de 750 mm de revestimiento permanente en concreto reforzado.

Las observaciones claramente relacionaron los movimientos superficiales con los movimientos del túnel y demostraron que los dos tercios de movimiento superficial podrían ser eliminados mediante la introducción del sistema de 'Monkey Drift'. Peck y Terzaghi habían demostrado que mediante la experimentación con diferentes procedimientos de construcción, un diseño y un proceso de construcción óptimo se podía lograr. Peck hizo hincapié en que ninguna teoría había sido utilizada y que todas las deducciones fueron hechas de la observación.

Un enfoque de observación similar, fue utilizado para evaluar el diseño de los revestimientos permanentes. Inicialmente, estos fueron altamente reforzados pero el sobrediseño no se había demostrado debido a la dificultad en la medición de la presión de tierras. Terzaghi propuso que se construyeran dos secciones de ensayo a escala real; una en la sección excavada manualmente y la otra en la sección de pantalla, de 6 m y 18 m de largo, respectivamente. En ambas secciones de ensayo, el revestimiento altamente reforzado fue reemplazado con un revestimiento relativamente flexible de arcos de acero de 150 mm, y fueron medidas las cargas totales y los movmientos, utilizando celdas de presión y medidores de deformación. Basándose en estas observaciones Terzaghi fue capaz de hacer recomendaciones para el diseño del revestimiento.

Peck enfatizó que Terzaghi no hizo ninguna recomendación utilizando solo la teoría, sino más bien el juicio combinado con un modelo conceptual y observaciones críticas. La clave para el éxito del proyecto del metro de Chicago fue tener un modelo de terreno claro y no cómo se diseñó, sino cómo fueron controlados los movimientos críticos.

Destacó que, una vez estuvo disponible una imagen clara de cómo los movimientos de tierra estaban relacionados con la construcción, fue posible reducir el movimiento, refinando el proceso de construcción. El corazón del Método Observacional fue la medida crítica y la aguda observación antes de mirar las implicaciones teóricas. No fue un caso de utilizar la teoría para dictar un diseño.

Respecto de los problemas enfrentados en los proyectos de túneles Terzaghi expresó:

"Incluso un estudio geológico muy amplio y apropiadamente realizado del sitio de un túnel propuesto, no puede resultar más que en una cruda estimación de la longitud de las secciones de túnel en la que cada uno de los principales tipos de condiciones de la roca se encontrarán. La diferenciación posterior no se puede esperar. Por lo tanto, incluso si los métodos de calcular con precisión la carga de roca bajo ciertas condiciones de roca estuvieran disponibles, tendrían muy poco valor práctico a cuenta de las inevitables incertidumbres asociadas con la predicción de las condiciones de la roca."

El siguiente importante caso que resolvió Terzaghi con este enfoque, fue el patio de depósito de mineral (Ore Yards) de la Republic Steel Company de Cleveland. Los avances en el conocimiento, la seguridad y economía que se lograron en esas dos construcciones, Terzaghi los reconoció como logros del método experimental aplicado; después, en sus últimos escritos y recordando esas experiencias, afirmó que era casi imposible enseñar la Mecánica de Suelos en las aulas: la única opción consiste en trasmitir el conocimiento en la práctica profesional, con alumnos aprendices que a lo largo de los años terminarán por conocer el oficio.

En 1945, Terzaghi sentenció:

"En el pasado, sólo dos métodos se han utilizado para hacer frente a la inevitables incertidumbres: o bien adoptar un factor de excesivo de seguridad, o hacer suposiciones de acuerdo con la experiencia general, media ..... El primer método es derrochador; el segundo es peligroso. 
La mecánica de suelos, tal como la entendemos hoy en día, proporciona un tercer método que se podría llamar el método experimental."

Años más tarde, Ralph Peck en 1969 impartió la 9ª Conferencia Rankine con el tema “Ventajas y limitaciones del Método Observacional aplicado a la Mecánica de Suelos”; en donde esencialmente describe el método seguido por Terzaghi en forma que facilita su aplicación. Esta formulación ahora influye de manera decisiva en la solución de muchos problemas de ingeniería en el mundo, sobre todo en Europa a consecuencia de la frecuente construcción de túneles y estaciones de metro en la vecindad de edificios antiguos y monumentos históricos (Powderham, 2003), mismos que deben realizarse con empeño en la seguridad, evitar daños y controlar con rigor los costos. En el siguiente enlace se puede apreciar un claro ejemplo de aplicación del Método Observacional en un caso reciente en el departamento de Cundinamarca, Colombia: SEGUIMIENTO GEOTÉCNICO EN OBRA - CASO SITIO EL CUNE.

A diferencia de los ingenieros estructurales que pueden diseñar con los libros de texto, los Ingenieros Geotécnicos necesitan una gran cantidad de trabajo cerebral original, antes de poder aplicar los conocimientos de los libros (Terzaghi, 1961). 

Preocupado por la dificultad de conocer suficiente sobre la morfología de los sitios y propiedades para diseñar soluciones, Terzaghi seguía el progreso de obras y observaba su comportamiento durante la construcción, transformándose en un proponente y practicante, junto con Peck del Método Observacional. Respecto del Método Observacional, Terzaghi expresó:

“En la ingeniería de aquellos trabajos como cimentaciones profundas, túneles, contenciones o presas de materiales sueltos, una gran cantidad de esfuerzo y trabajo se emplea en aproximar de forma grosera los valores de las constantes físicas que aparecen en las ecuaciones. Muchas variables, como la continuidad de los estratos importantes o las condiciones de la presión del agua contenida en el terreno permanecen desconocidas. Por tanto, los resultados obtenidos de las computaciones no son más que hipótesis de trabajo que deberán ser objeto de confirmación o modificación durante la construcción. En el pasado, sólo dos métodos han sido usados para sobrellevar las inevitables incertidumbres: o bien adoptar factores de seguridad excesivos o bien realizar asunciones o hipótesis de acuerdo a la experiencia general... El primer método es derrochador y el segundo es peligroso. La mecánica del suelo, tal y como se entiende hoy día, proporciona un tercer método que podría denominarse método experimental (posteriormente se renombró como Método Observacional por Peck). El procedimiento es el siguiente: basemos el diseño en cualquier información que podamos asegurar. Posteriormente, en base a los resultados de las mediciones, cerremos gradualmente los huecos en el conocimiento del problema, y si es necesario, modifiquemos el diseño durante la construcción. La mecánica del suelo nos proporciona el conocimiento requerido para las aplicaciones prácticas de este método.” 

La idea del riesgo geotécnico de Terzaghi fue después desarrollada por Arthur Casagrande mediante el concepto de “Riesgo Calculado” (1964) y por Ralph B. Peck en el “Método Observacional” (1968). Este Método Observacional fue concebido intrínsecamente para la práctica de la mecánica del suelo. Consiste por tanto en los cimientos en los cuales la Gestión de Riesgos para Obras Subterráneas debería basarse. Una característica importante es que cada observación debería realizarse para aportar realmente una mejora (Powderham, 1998).

Originalmente, durante la década de 1940s, Terzaghi propuso de manera tentativa el sistemático método que él aplicaba intuitivamente, debido a las incertidumbres en el diseño geotécnico, al que denominó alternativamente 'método experimental' y 'método aprender sobre la marcha (learn-as-you-go)'; el término 'Método Observacional' parece haber sido acuñado en la edición original en inglés de 1948 del libro pionero de Terzaghi y Peck 'Soil Mechanics in Engineering Practice' (p. 494) y posteriormente fue presentado como 'procedimiento observacional' en 1967 en Terzaghi, K. and Peck, R. B. (1967). Soil Mechanics in Engineering Practice, 2nd edn.. John Wiley, New York, London, Sydney. (p. 294). Ralph Brazelton Peck lo presentó como 'Método Observacional' en 1969 en  Peck, R. B. (1969). Ninth Rankine Lecture: 'Advantages and limitations of the observational method in applied soil mechanics'. Géotechnique 19. 171-187. En este artículo comentó: "Si los fenómenos gobernantes son complejos, o aún no han sido apreciados, el ingeniero puede medir las cantidades equivocadas por completo y pueden llegar a conclusiones peligrosamente incorrectas.". Aquí es donde el Método Observacional es particularmente útil.

Las consideraciones de Terzaghi en la propuesta del método giraron en torno a la pregunta: como y de acuerdo a qué criterio, un proyecto durante su ejecución, puede ser económicamente ejecutado, basado en un conocimiento incremental de las propiedades y comportamiento del terreno?

Terzaghi pensó que tal método probablemente tendría más éxito para superar los reveses encontrados durante el desarrollo de un proyecto, y en conexión con esto se Peck se refirió a este tema como la 'aplicación de mejor salida' (best-way-out-application'). Terzaghi y Peck observaron que considerar la experiencia y la observación durante la ejecución de un proyecto, no era nada nuevo, y que correspondía de hecho al sentido común.

La mejor definición del Método Observacional, fue presentada en el documento CIRIA 185 (199) y es la siguiente:

"El Método Observacional en la ingeniería del terreno, es un proceso de diseño continuo, gestionado, e integrado, de control de construcción, monitoreo y evaluación (revisión), que permite a modificaciones previamente definidas, ser incorporadas durante o después de la construcción, según corresponda. Todos estos aspectos tienen que ser demostrablemente robustos. El objetivo es lograr una mayor economía en general sin comprometer la seguridad. " CIRIA 185 (1999).

El reporte más antiguo de ingeniería geotécnica, del método 'aprender sobre la marcha', proviene de Heródoto; en su Séptimo Libro, él describe el trabajo de construcción (en el año 480 A.C.) del Canal Xerxes (durante las guerras Persas), de 30 m de ancho, en la Península Chalkidike, de la siguiente manera:

"Estas son las ciudades situadas en Athos, y los extranjeros cavaron como lo mostraré, dividiendo la tierra entre sus varias naciones. Ellos trazaron una línea recta cerca de la ciudad de Sane, y cuando el canal había sido excavado hasta cierta profundidad, algunos quedaron en el fondo del mismo y cavaron, otros tomaron el material a medida que se excavaba y lo pasaron a otros más que estaban en sitios más altos, y otra vez a los demás a medida que lo recibían, hasta llegar a los que estaban más altos; estos lo transportaban y lo arrojaban lejos. En todos, excepto con los Fenicios, los empinados lados del canal se rompieron y cayeron abajo, duplicando así la mano de obra, porque los Fenicios hicieron el tramo con la misma habilidad que todo lo demás que hacen, después de haber trabajado en la parte que les cayó a ellos, excavaron para hacer el tramo superior del canal tan amplio de nuevo, como el canal iba a ser, y lo redujeron continuamente a medida que excavaban hacia el nivel inferior, hasta que en en el fondo, su trabajo era del mismo espacio que el resto había excavado." (Basado en la traducción de A.D. Godley, 1922)

Panorámica del Canal Xerxes en la Península de Athos -entre los dos puntos rojos-

Atendiendo la descripción algo confusa para nuestro modo de entender actual, la descripción de Heródoto puede resumirse de la siguiente manera: Una línea fue dibujada a través del istmo de Sane (que se observa en la figura anterior) y el terreno fue dividido en secciones para que hombres de las diversas nacionalidades trabajaran en cada tramo asignado. Cuando la zanja alcanzó una profundidad determinada, los trabajadores en el fondo continuaron con la excavación del suelo y cargaron lo excavado y lo pasaron a los demás hombres que excavaban por encima de ellos, que estaban de pie sobre escaleras y lo pasaban a otro lote situado aún más arriba, hasta llegar a los hombres ubicados en la parte superior, que lo transportaban y lo botaban. La mayoría de los hombres que participaron en el trabajo, realizaron el corte del terreno del mismo ancho en la parte superior, al que estaba destinado a tener la parte inferior (corte vertical o a 90°), con el inevitable resultado de que las paredes laterales se caía permanentemente, y así se duplicó su trabajo. De hecho, todos cometieron este error, excepto los Fenicios, que en este -como en todos los asuntos prácticos- dieron una señal de ejemplo de su habilidad. Ellos, en la sección asignada a éstos, excavaron una zanja del  doble del ancho prescrita para el acabado real del canal, e iban excavando con una inclinación gradualmente contraída a medida que avanzaban hacia abajo (cortes a 45° de inclinación), hasta que en la parte inferior de su sección tenía la misma amplitud que el resto. En un prado cerca a los obreros tenían su lugar de reunión y de mercado, y grano recién cosechado fue traído en grandes cantidades desde Asia. El trabajó a cargo de los persas Bubares hijo de Megabazus y Artachaees hijo de Artaeus (según Heródoto, perteneciente a la familia Achaemenide, muy respetada por el rey Xerxes y quien fue legendario por ser el hombre más alto de Persia -2.15 m- y poseer la voz más fuerte del mundo y murió durante la construcción del Canal), tardó 3 años en completarse (483-480 A.C.) y el canal tuvo una profundidad entre 14-15 m desde la superficie actual, y un ancho entre 25-35 m, con una longitud de 2 km.

La observación y la experimentación caracterizan cada método científico en todas las ciencias naturales y, por lo tanto también aquellos de ingeniería geotécnica aplicada. Su interacción con la teoría está siempre presente y es diversa. Terzaghi no trató de formular reglas claras, en particular con respecto a lo que puede ser experimentado y reflejado de hipótesis y hechos con respecto a los problemas que ocurren en el día a día de la práctica de ingeniería, que se supone que deben influir en la toma de decisiones. Peck intentó esto en su conferencia Rankine. En retrospectiva, escribió en 1984: "Yo no estaba del todo satisfecho con los resultados en esa época, y todavía siento que mis esfuerzos para formalizar el Método de Observacional eran demasiado artificiosos, demasiado rígidos". Estas observaciones de carácter autocrítico, son una característica distintiva de los altos estándares científicos de Peck. Por desgracia, a este aspecto de su trabajo se le prestó poca atención posteriormente. En cambio, en muchos círculos todavía se esperaría llegar a un método tan rígido, en lugar de abordar la variedad de problemas planteados individualmente en la práctica, y también con las mediciones de campo.

La dificultad señalada por Peck, de tratar de formalizar el uso de las mediciones de campo en la ingeniería geotécnica, se aplica ya a la primera frase de su artículo de 1969, que dice así:

"Los métodos observacionales siempre han sido utilizados por los ingenieros que trabajan en los campos que ahora incluyen la mecánica de suelos aplicada, pero método observacional es un término con un significado restringido".

En la primera parte de esta frase se afirma que en la mecánica de suelos aplicada, existe más de un tipo de método observacional, mientras que en la segunda parte, se observa sin embargo que, por este término existe algo bastante más específico para ser entendido. Dado que el significado de los métodos observacionales, que parecen siempre haber sido utilizados en la mecánica de suelos aplicada, sigue siendo un misterio, y una definición única no se ha encontrado, ha surgido entonces una confusión de definiciones.

Esta es la razón real por la que hoy en día al término método observacional, se le dan significados muy diferentes. Algunos lo interpretarían como la descrita anteriormente en la construcción del canal Xerxes, mientras que otros hablan de éste sólo cuando durante la ejecución de la obra se hace un cambio en el proyecto, como resultado de los valores previamente calculados y medidos. En la construcción subterránea de túneles, se encuentra otro concepto muy específico del método observacional, que no tiene nada que ver con el de Peck. Este es el llamado Nuevo Método Austriaco de Túneles (NATM por New Austrian Tunnelling Method)), que de acuerdo con sus promotores, resume el Método Observacional. Pero ¿con qué estamos tratando aquí? Según sus protagonistas, la idea central del NATM es reducir al mínimo la presión de roca que actúa sobre el revestimiento, por medio de una curva de respuesta específica de terreno y de mediciones. Se refiere entonces, al material publicado de los autores del NATM, es decir, L. Rabcewicz, L. Muller, y F. Pacher (a menudo referidos como los "padres" del NATM).

Definición simplificada de los principios y efectos del NATM

Pacher propuso en 1964 una curva de respuesta de terreno de forma acanalada, con un mínimo. Es entonces una cuestión simple, seleccionar la posición y forma de las características de revestimiento de tal manera que intersecte la curva de respuesta de terreno de la roca en su punto inferior. Rabcewicz (1972) afirma que "con la ayuda de la medición, uno está en la posición de mantener las fuerzas bajo el control y la resistencia del revestimiento se puede elegir en consecuencia, hasta alcanzar un valor óptimo". En los últimos 35 años, los protagonistas de NATM han publicado una gran cantidad de artículos con historias de casos que demuestran el éxito de su 'Método Observacional'. El Comité Nacional de Austria de la Asociación Internacional de Túneles sigue distribuyendo un documento (1978) en todo el mundo, que explica la esencia del NATM refiriendo a la curva Pacher en combinación con las medidas de deformación.

Curva de respuesta de terreno (Pacher, 1964)

Se ha demostrado, que la optimización de la resistencia del revestimiento siguiendo el NATM, es decir, basada en el monitoreo (la observación), es fundamentalmente errónea. La forma acanalada de la curva de respuesta de terreno de la roca requerida, de acuerdo con Pacher, no puede explicarse teóricamente y nunca ha sido verificada por mediciones o simulaciones numéricas (Kovari, 1994). De hecho, se puede demostrar que el concepto Pacher viola los principios fundamentales de la conservación de la energía de la misma manera que la idea del movimiento perpetuo (perpetuum mobile) lo hace. Por lo tanto, el NATM como un Método de Observacional puede ser desatendido.

Diagrama de flujo del diseño geotécnico según el NATM

El concepto de observación de desplazamientos y realimentación en el diseño de túneles, fue primero presentada por Karl Terzaghi en el Metro de Chicago a finales de la década de 1930s. Los parámetros de excavación (rata, soportes, etc.) fueron adaptados a los resultados de mediciones de nivelación simple de la superficie del terreno en una zona de 6.00 m de ancho sobre el eje del túnel. Se tuvo cuidado con la subsidencia superficial, para no exceder el límite de 10 cm, mientras los datos de la nivelación eran transmitidos en tiempo real, vía telefónica a la cuadrilla de excavación; en el caso de elevada deformación, la rata de avance fue reducida o más aun, completamente detenida. Con esta invención, Terzaghi se convirtió posteriormente, en el padre del Método Observacional.

En la mayoría de los casos, los problemas geotécnicos son resueltos utilizando enfoques determinísticos basados en las prácticas utilizadas en la mayoría de los campos de la Ingeniería Civil. Sin embargo, el escaso conocimiento de las condiciones de la roca en profundidad, puede producir modelos determinísticos no realistas, conduciendo a costosas construcciones o a la falla de las mismas.

Durante un diseño geotécnico con cantidad de incertidumbres, el diseñador puede adoptar uno de los siguientes enfoques:

  • Basar el diseño en un Factor de Seguridad excesivo (conservador y costoso), ó
  • Basar el diseño en hipótesis conformes a la experiencia general, promediada (riesgoso).

Considerando los enfoques anteriores, Terzaghi propuso un tercero: el Método Observacional. Este implica reunir todo el conocimiento del sitio mediante estudios, investigaciones de campo, etc. El diseño se basa en esta información disponible. El quid del método es registrar en detalle todas las posibles diferencias entre la realidad y las hipótesis de diseño utilizadas. Basado en éstas hipótesis, se calculan cantidades que pueden ser medidas en campo. El rol del monitoreo (supervisión) es considerado dentro del proceso de diseño y forma parte esencial del mismo. Durante la construcción, estas cantidades son monitoreadas y comparadas con los valores calculados, para verificar el desempeño del diseño.

Principio de proceso de diseño descrito por Stille y Palmstrom (2007)

El Método Observacional fue propuesto inicialmente por Terzaghi, en 1945, en un esfuerzo por reducir los costos de construcción que se incurren por el diseño de estructuras de tierra, sobre la base de las hipótesis más desfavorables (en otras palabras, incertidumbres en las condiciones geológicas, en las propiedades de ingeniería del suelo, etc.) que utiliza factores de seguridad elevados. En lugar de este escenario tan pesimista, el diseño se basa en las condiciones más probables (en vez de la más desfavorables). Las lagunas en la información disponible están colmadas de observaciones: mediciones de instrumentación geotécnica (por ejemplo, inclinómetros y piezómetros) y la investigación geotécnica de sitio (por ejemplo, la perforación de sondeos y ensayos de campo de CPT ).

En palabras de Terzaghi y Peck en su libro de 1948:

"En la ingeniería geotécnica una gran cantidad de esfuerzo va encaminado a garantizar unos valores crudamente aproximados para los parámetros de entrada requeridos. Muchas variables adicionales no son consideradas o se desconocen. Por lo tanto, los resultados de los cálculos no son más que hipótesis de trabajo, sujetos a confirmación o modificación durante la construcción. 
Estas incertidumbres requieren la adopción de un factor de seguridad excesivo,  o de hipótesis basadas en la experiencia general. La primera es un desperdicio, y la segunda es peligrosa ya que la mayoría de las fallas se producen debido a condiciones del terreno no previstas. 
Como alternativa, el Método Observacional, proporciona un enfoque 'aprender sobre la marcha'. El procedimiento para ello es basar el diseño en toda la información que se puede asegurar, tomando nota de todas las diferencias posibles entre la realidad y las hipótesis (es decir, los peores escenarios de casos), y calcular para las condiciones supuestas, diferentes cantidades que puedan medirse en campo. Basándose en los resultados de estas mediciones, poco a poco cerrar las brechas en el conocimiento y, si es necesario, modificar el diseño durante la construcción."

El objetivo del Método Observacional es el de ahorrar costos evitando un diseño sobre-conservador cuando existen incertidumbres relativas a las condiciones y la respuesta del terreno. Requiere que los resultados del monitoreo sean utilizados para revisar el diseño, a medida que avanza la construcción (especialmente en el caso de túneles) y se van haciendo conocidas las condiciones de sitio. El procedimiento constructivo es revisado o se implementan acciones de contingencia predeterminadas, cuando son aplicables. El énfasis está en evaluar las condiciones del terreno y la respuesta suelo-estructura durante la construcción, basado en el desempeño observado.

Es importante comprender que la aplicación del Método Observacional no conduce a reducir los esfuerzos en el diseño. Un diseño riguroso, basado en la información disponible, es parte esencial del método, toda vez que las hipótesis de diseño serán comparadas con el comportamiento verdadero en campo. Es un proceso en el cual un diseño predeterminado es revisado, no es un método de diseño o de modificación de diseños. Donde no es posible ejecutar un diseño riguroso, y en consecuencia, identificar las cantidades importantes a monitorear durante la construcción, no es posible utilizar el Método Observacional.

Estas observaciones contribuyen en la evaluación del comportamiento de la estructura diseñada, durante la construcción, la cual puede entonces ser modificada de acuerdo con los hallazgos. El método puede ser descrito como 'aprender sobre la marcha' ("learn-as-you-go").

Elementos sugeridos del Método Observacional para un terraplén de escombros

Cuando a diferentes individuos se les propone la resolución de un problema es posible que cada uno realice diferentes aproximaciones. Cuanto más complejo sea el problema más caminos pueden llevar a la posible solución.

En la siguiente figura, la situación real se representa con un círculo (1). Tomando esto como punto inicial, se pueden seguir dos caminos: camino A 1→2→3 y camino B 1→4→5→6→7→8→3. El camino A será  el  que  suceda  en  la  mayoría  de  las  decisiones  diarias  donde  una  solución  es  simple  y  no necesita un análisis profundo; esto estaría basado totalmente en la intuición. Para escenarios más complejos el camino B debería ser el adecuado. A través de la abstracción (4) el cerebro genera una representación de la  situación  real, es decir, un modelo (5). Después del análisis del modelo (6) resulta una solución de la abstracción  realizada  (7).  Después  de  la  interpretación  del  resultado desde el modelo a la realidad, se toma y aplica una decisión (3).

El  modelo  dibujado  con  un  hexágono  representa  la imprecisión  a  la  hora  de  'dibujar'  la  situación real,  representada  por  un  círculo.  En  la  mayoría  de  los  casos,  el  modelo  solo  puede  ser  una aproximación debido a factores como:

  • Falta de información 
  • Interpretación errónea de la situación 
  • Información contradictoria 
  • Falta de visión global 
  • Otro factores 

Modelado de un problema según Moore & Weatherford (2001)

La precisión alcanzada en el modelo se podría representar en la figura mediante otros polígonos (por ejemplo, un dodecágono se aproxima más a un círculo que un hexágono).  Cuando se toma una decisión basándose en los resultados de un modelo es necesario tener en mente los 'huecos' entre ellos y cómo de cercanos están a la situación real (Morgenstern, 1995). Cuando sea posible, los resultados aportados por el modelo, deberían compararse con los resultados reales que se vayan obteniendo, y se debería modificar el modelo a medida que se tenga nueva información disponible. En el modelo de la figura esto sería equivalente al desplazamiento del centro de los lados del hexágono hacia el perímetro del círculo, tal y como se describe en el Método Observacional (Terzaghi y Peck, 1948).

Los modelos que cuentan con la interacción humana y tienen limitada información, son difíciles de representar. El proceso general de diseño y construcción de Obras Subterráneas ofrece un especial desafío, toda vez que muchas de las variables más relevantes del terreno, son parcialmente desconocidas durante el proyecto. En estas circunstancias el juicio basado en la experiencia suele ser la línea a seguir.

El proceso de toma de decisiones bajo incertidumbre, debe hacerse mediante la utilización de técnicas de análisis de riesgos. Generalmente engloba la búsqueda de información, establecer relaciones entre parámetros y comportamiento (modelos) primero de forma deterministica y luego utilizando la probabilidad. Estas últimas son P[suceso] y P[Consecuencia|suceso]. Las decisiones tales como tomar una determinada alternativa de diseño, se hacen entonces mediante la comparación entre los comportamientos previstos y los requeridos.

La decisión puede tomar forma de actualizar o modificar el comportamiento predicho previamente. Esta actualización puede suponer un cambio de los parámetros a utilizar o ir encaminada a, por ejemplo, a indicar la necesidad de recolectar información adicional.

Modelo para análisis de toma de decisiones

El Método Observacional es adecuado para ser aplicado en una construcción que ya ha comenzado y en la que se produce un evento inesperado, o cuando se produce una amenaza de falla o de accidente. El método no es adecuado para los proyectos cuyo diseño no puede ser modificado durante la construcción.

Respecto del diseño geotécnico y en alusión directa al Método Observacional, Terzaghi, en 1961 indicó:

"Basar el diseño sobre cualquier información que pueda ser recolectada. Hacer un inventario detallado de todas las diferencias entre la realidad y las hipótesis, y diferentes cantidades que se puedan medir en el campo ... Sobre la base de estas mediciones, gradualmente cerrar las brechas en el conocimiento y, si es necesario, modificar el diseño durante la construcción."

El Método Observacional es un enfoque práctico para verificar las hipótesis de diseño geotécnico y para investigar los efectos de los parámetros críticos identificados durante los estudios de factibilidad. El Método Observacional de Terzaghi aplicado a la geotecnia de minas, puede servir de orientación para las operaciones iniciales de colocación de un terraplén (terraplenes de prueba -field trials-). Los terraplenes de prueba son una de las pocas formas de adquirir nueva experiencia geotécnica para condiciones desconocidas para las cuales no existe precedente.

El monitoreo prevé condiciones seguras de operación y mediciones de desempeño geotécnico en el tiempo, para comparar el comportamiento real del asumido, y modificar el proyecto si se requiere. La selección de la instrumentación de monitoreo, forma parte esencial del Método Observacional.

Los siguientes aspectos son vitales para la correcta aplicación del Método Observacional:

  • Un bucle de realimentación entre el diseño, el monitoreo y la evaluación.
  • Procedimientos de mitigación que sean formulados al momento del diseño, para cualquier circunstancia desfavorable concebible; estos procedimientos pueden ser modificados durante la construcción.
  • Un monitoreo que proporcione los datos requeridos para evaluar las condiciones en el campo y que es usado para controlar las modificaciones al proyecto o al diseño.

Los siguientes requisitos para el Método Observacional, en general, no siempre son completamente satisfechos:

  • No es posible predecir todos los mecanismos desfavorables potenciales, que pueden desarrollarse durante la construcción.
  • Hay incertidumbre sobre que cantidades monitorear y los niveles en los cuales se requieren acciones. Los métodos de diseño están basados en los niveles de esfuerzo, mientras las mediciones de esfuerzos en el campo son generalmente poco confiables. Por lo tanto, una comparación entre la realidad y las hipótesis utilizadas en el diseño, es difícil de alcanzar. 

De acuerdo a Peck, "potencialmente el error más grave en la aplicación del Método Observacional está en fallar en la selección con antelación, de una línea de acción apropiada para todas las desviaciones (o variaciones) previsibles, de las condiciones reales, establecidas por las observaciones, de aquellas asumidas en el diseño. Si el ingeniero de repente se da cuenta de que las observaciones muestran que el trabajo se dirige a problemas contra los que no tiene defensa, debe llegar a condiciones decisivas bajo las presiones del momento."

En la aplicación del Método Observacional, el investigador debe plantear soluciones a todos los problemas que puedan surgir en las condiciones menos favorables. Si no puede resolver estos problemas hipotéticos (incluso si la probabilidad de su ocurrencia es muy baja), debe apartarse del método y aplicar un diseño basado en las condiciones menos favorables.

Otros autores han tratado de realizar distintos tipos de aportes al método, aunque a veces lo confunden agregándole elementos propios del círculo de la experiencia empírica.

El Método Observacional trabaja mejor donde ocurre el mecanismo de falla dúctil y provee una oportunidad para el monitoreo del desarrollo de la falla y de planes de contingencia si es necesario. Para los estados frágiles el Método Observacional sólo puede limitar o localizar la falla a la manera de minimizar el riesgo o severidad (Nicholson 1994). 

La presentación más clara de las ideas de Peck se debe a Nicholson (1996) quien afirma: "El Método Observacional de Peck implica el desarrollo de un diseño inicial basado en las condiciones más probables, junto con las predicciones del comportamiento. Los cálculos se hacen y se utilizan para identificar los planes de contingencia y los valores de activación para el sistema de monitoreo. Peck propuso que los trabajos de construcción se deben iniciar utilizando el diseño más probable. Si los registros de monitoreo (de seguimiento) excedieran el comportamiento previsto, entonces los planes de contingencia predefinidos se activarían. El tiempo de respuesta para el monitoreo (la vigilancia) y aplicación del plan de contingencia debe ser adecuado para el control de la obra."

En el Eurocódigo 7 la definición es la siguiente:

1. Debido a que la predicción del comportamiento geotécnico es a menudo difícil, a veces es conveniente adoptar el enfoque conocido como el 'Método Observacional' en el que se revisa el diseño durante la construcción. Cuando se utiliza este enfoque los siguientes cuatro (4) requisitos deben ser todos realizados antes de la construcción se inicie:
  • los límites del comportamiento que sean aceptables serán establecidos.
  • el rango de comportamiento posible comportamiento será evaluado y demostrará que hay una probabilidad aceptable de que el comportamiento real estará dentro de los límites aceptables.
  • un plan de monitoreo deberá ser elaborado que revelará si el comportamiento real se encuentra dentro de los límites aceptables. El monitoreo debe aclarar este punto en una fase suficientemente temprana, y con intervalos suficientemente cortos para que desarrollar las acciones de contingencia para llevar a cabo con éxito. El tiempo de respuesta de los instrumentos y los procedimientos para el análisis de los resultados deberá ser lo suficientemente rápido, en relación a la posible evolución del sistema.
  • un plan de medidas de contingencia deberá ser elaborado, el cual que podrá ser adoptado si el monitoreo revela un comportamiento fuera de los límites aceptables.

2. Durante la construcción, el monitoreo se llevará a cabo según lo previsto y monitoreo adicional o de reemplazo deberá llevarse a cabo si fuera necesario. Los resultados del monitoreo deberán ser evaluados en las etapas apropiadas y las medidas de contingencia previstas deberán ser puestas en operación si fuera necesario.

Así, la formulación de acuerdo con el Eurocódigo 7 no procede de las 'condiciones más probables y más desfavorables', con el fin de predecir el comportamiento de la estructura a través de cálculos. La necesidad de llevar a cabo los cálculos no se menciona en absoluto. En el texto sólo 'monitoreo' se menciona y no observaciones. Esta palabra sólo aparece en la descripción del método. La definición del Eurocódigo 7 difícilmente puede ser criticada. En todo caso, se hace en términos tan generales que hay que hablar - como en el método de 'aprender sobre la marcha' de Terzaghi - en lugar de 'sana ingeniería', de un método independiente.

Para ilustrar el grado de incertidumbre del método propuesto por Peck en lo que se refiere a túneles, sólo tenemos que pensar en la palabra 'condiciones' más cercanamente. En la práctica, tantos diversos aspectos son entendidos, como la geología y la hidrogeología, las propiedades mecánicas del suelo, así como la eficacia de las medidas constructivas. Así, es claro que la expresión general 'condición' no es adecuada como base para un procedimiento planificado (un método).

Además, Powderham y Nicholson (1996) han planteado algunas cuestiones importantes con respecto a otros términos de Peck y urgen que: "una definición clara y aceptable del Método Observacional es necesaria". Con el Eurocódigo la definición más clara posible se ha logrado, y resulta que las definiciones más restringidas, como ya ha subrayado Peck, están condenadas al fracaso.

En muchos lugares, prevalece la falsa impresión de que las mediciones de campo sólo se puede emplear significativamente en el marco del Método Observacional. En un túnel sin embargo, hay toda una serie de problemas para los cuales las mediciones de campo son de valor considerable, sin limitarnos a las ideas de Peck. (Kovari y Amstad, 1993).

Santamarina (2003) ha vinculado el Método Observacional con otras actividades creativas, con el método científico, el método de diseño de Torroja y el de análisis de casos históricos de Leonard. Santamarina (2006) identifica los aportes de las TICs al desenvolvimiento futuro del Método Observacional. La actualización bayesiana (teoría de la decisión) en el diseño y construcción, puede ser considerada como una formalización de la aproximación observacional.
La aplicación de este Método Observacional, textualmente Peck (1969), la propone en los siguientes pasos:

  1. Exploración suficiente para establecer al menos la naturaleza general, forma y propiedades de los depósitos, pero sin entrar necesariamente al detalle.
  2. Estimación de las condiciones probables y de las desviaciones más desfavorables que se pueden concebir de esas condiciones. En esta estimación la geología tiene un rol mayor.
  3. Establecimiento del diseño basado en hipótesis de trabajo del comportamiento anticipado bajo las condiciones de trabajo más probables.
  4. Selección de los aspectos que serán observados a medida que la construcción proceda y cálculos de sus valores anticipados sobre la base de las hipótesis de trabajo.
  5. Cálculo de los mismos aspectos bajo las condiciones más desfavorables compatibles con los datos disponibles sobre las condiciones del subsuelo.
  6. Selección anticipada de las acciones por tomar o de la modificación del diseño para las desviaciones predecibles de las observaciones realizadas en comparación a las pronosticadas sobre la base de las hipótesis de trabajo.
  7. Medición de los aspectos que serán observados y evaluación de las condiciones reales.
  8. Modificación del diseño para ajustarse a las condiciones reales.

El grado en que se deben aplicar estos pasos depende de la naturaleza y complejidad del trabajo.

El objetivo fundamental del Método Observacional es proporcionar una manera de controlar el proyecto y construcción afianzando la seguridad y minimizando los costos, en la medida que el diseño puede modificar la construcción. Peck propone dos maneras de aplicar el Método Observacional:

  1. Como la mejor salida (Best way out): cuando se presentan en el sitio problemas inesperados durante la construcción, el Método Observacional es la única esperanza para el buen éxito de la obra.
  2. Ab initio: en los que el uso del Método Observacional se ha visualizado desde el inicio del proyecto.
  3. Obstáculos
  • La geología podría ser peor (canales subterráneos).
  • El monitoreo (excluir fallas progresivas y fragiles).
  • Reportar e interpretar (a tiempo y de forma robusta).
  • El diseño debe variar durante la construcción (problemas contractuales).

Las aplicaciones del primer tipo son las más frecuentes: durante la ejecución de un trabajo complicado en que se hace evidente que el diseño es insuficiente para resolver el caso, la mejor herramienta para percatarse de las incertidumbres en el resultado es la instrumentación de campo, que puede haber sido instalada desde el principio o bien es la primera acción del consultor que orienta la aplicación del Método Observacional.

En el segundo tipo de aplicación, desde el inicio se deben analizar las condiciones más probables del caso (propiedades del subsuelo y geometría), para deducir el comportamiento que podrá tener el subsuelo o la estructura térrea. Se deben también analizar las condiciones más desfavorables, para identificar los riesgos posibles e incluso la falla; con esto se podrá deducir la instrumentación que se debe instalar, así como los planes de emergencia que se podrán requerir aplicar.
Como en ambos tipos de aplicaciones del Método Observacional la instrumentación es el apoyo indispensable, el procesamiento e interpretación oportuna de las mediciones es fundamental para verificar el comportamiento.
Enemigos del Método Observacional

Peck y sus seguidores, mencionan que el Método Observacional tiene un sinnúmero de enemigos; en nuestra sociedad los más frecuentes son:

  1. Es el ingeniero geotécnico que elabora su estudio con errores fundamentales: el más frecuente es la exploración insuficiente del subsuelo; el otro error que comete es soslayar las consecuencias de su trabajo en la ejecución y seguridad de la obra.
  2. Es el cliente, que puede ser el promotor o el dueño del proyecto, y que siempre está en la búsqueda del geotécnico del menor precio posible, olvidando además el tiempo de responsabilidad durante la construcción.
  3. Es la distorsión en la relación cliente/geotécnico que se basa en que el ingeniero es contratado para hacer un estudio y absurdamente se le toma como si fuera un proyecto ejecutivo; este punto genera los problemas más complejos.
  4. Son los concursos conforme a la Ley de Obra Pública que supone que el diseño es tan certero que hace innecesario cualquier ajuste durante la ejecución del trabajo; esta hipótesis con mucha frecuencia es falsa y hace imposible los necesarios cambios que se deberían incorporar durante la construcción a medida que se hacen evidentes las limitaciones y errores del diseño. Además, la aplicación del Método Observacional casi siempre se inicia con la reducción de velocidad de la construcción, para comprender las dificultades y racionalizar los cambios, lo cual repercute negativamente en los programas y fechas de terminación.

El Método de los Elementos Finitos (MEF) como una aplicación del Método Científico

Aunque el nombre del MEF se ha establecido recientemente, el concepto se ha usado desde hace varios siglos. El empleo de métodos de discretizado espacial y temporal y la aproximación numérica para encontrar soluciones a problemas ingenieriles o físicos es conocido desde antiguo. El concepto de “elementos finitos” parte de esa idea.

Para encontrar vestigios de este tipo de cálculos podríamos remontarnos a la época de la construcción las pirámides egipcias. Los egipcios empleaban métodos de discretizado para determinar el volumen de las pirámides. Arquímedes (287-212 A.C.) empleaba el mismo método para calcular el volumen de todo tipo de sólidos o la superficie de áreas. En oriente también aparecen métodos de aproximación para realizar cálculos. Así el matemático chino Lui Hui (300 D.C.) empleaba un polígono regular de 3072 lados para calcular longitudes de circunferencias con lo que conseguía una aproximación al número Pi de 3.1416.

El desarrollo de los elementos finitos tal y como se conocen hoy en día ha estado ligado al cálculo estructural fundamentalmente en el campo aeroespacial. En los años 1940s, Courant propone la utilización de funciones polinómicas para la formulación de problemas elásticos en subregiones triangulares, como un método especial del método variacional de Rayleigh-Ritz para aproximar soluciones.

Fueron Turner, Clough, Martin y Topp quienes presentaron el MEF en la forma aceptada hoy en día. En su trabajo introdujeron la aplicación de elementos finitos simples (barras y placas triangulares con cargas en su plano) al análisis de estructuras aeronáuticas, utilizando los conceptos de discretizado y funciones de forma.

El trabajo de revisión de Oden presenta algunas de las contribuciones matemáticas importantes al MEF. Los libros de Przemieniecki y de Zienkiewicz y Holister presentan el MEF en su aplicación al análisis estructural. El libro de Zienkiewicz y Cheung o Zienkiewicz y Taylor presenta una interpretación amplia del MEF y su aplicación a cualquier problema de campos. En él se demuestra que las ecuaciones de los EF pueden obtenerse utilizando un método de aproximación de pesos residuales, tal como el método de Galerkin o el de mínimos cuadrados. Esta visión del problema difundió un gran interés entre los matemáticos para la solución de ecuaciones diferenciales lineales y no lineales mediante el MEF, que ha producido una gran cantidad de publicaciones hasta tal punto que hoy en día el MEF está considerado como una de las herramientas más potentes y probadas para la solución de problemas de ingeniería y ciencia aplicada.

OPERATIVA DEL M.E.F

El MEF convierte un problema definido en términos de ecuaciones diferenciales en un problema en forma matricial que proporciona el resultado correcto para un número de finito de puntos e interpola posteriormente la solución al resto del dominio, resultando finalmente sólo una solución aproximada. 

El conjunto de puntos donde la solución es exacta se denomina conjunto nodos. Dicho conjunto de nodos forma una red, denominada malla formada por retículos. Cada uno de los retículos contenidos en dicha malla es un “elemento finito”. El conjunto de nodos se obtiene dividiendo o discretizando la estructura en elementos de forma variada (pueden ser superficies, volúmenes y barras).

Desde el punto de vista de la programación algorítmica modular las tareas necesarias para llevar a cabo un cálculo mediante un programa MEF se dividen en:

  • Preproceso, que consiste en la definición de geometría, generación de la malla, las condiciones de contorno y asignación de propiedades a los materiales y otras propiedades. En ocasiones existen operaciones cosméticas de regularización de la malla y precondicionamiento para garantizar una mejor aproximación o una mejor convergencia del cálculo.
  • Cálculo, el resultado del preproceso, en un problema simple no-dependiente del tiempo, permite generar un conjunto de N ecuaciones y N incógnitas, que puede ser resuelto con cualquier algoritmo para la resolución de sistemas de ecuaciones lineales. Cuando el problema a tratar es un problema no-lineal o un problema dependiente del tiempo a veces el cálculo consiste en una sucesión finita de sistemas de N ecuaciones y N incógnitas que deben resolverse uno a continuación de otro, y cuya entrada depende del resultado del paso anterior.
  • Postproceso, el cálculo proporciona valores de cierto conjunto de funciones en los nodos de la malla que define la discretización, en el postproceso se calculan magnitudes derivadas de los valores obtenidos para los nodos, y en ocasiones se aplican operaciones de suavizado, interpolación e incluso determinación de errores de aproximación.

Ir a: Historia de la Geotecnia - Terzaghi y el Método Observacional (II)

Otros enlaces importantes y recomendados sobre el tema en este blog:


Bibliografía Seleccionada:

  • Cross, H. (1998). Ingenieros y Torres de Marfil, editado por Robert C. Goodpasture y traducido por Fernando Fosass Requena, México, Ed. McGraw Hill.
  • Goodman, R.E. (1999). Karl Terzaghi. The Engineer as Artist, ASCE Press Institution of Civil Engineers (1996). The Observational Method in Geotechnical Engineering, Londres, Thomas Telford Publishing (Este libro incluye el artículo original de R.B. Peck así como varios artículos sobre el tema).
  • Nicholson, D. P. (1996). Preface.'The observational method in geotechnical engineering'. The Institution of Civil Engineers, Thomas Telford, London.
  • Nicholson, D, Tse, C and Penny, C. (1999). The Observational Method in ground engineering – principles and applications. Report 185, CIRIA, London.
  • Peck, R. B. (1969). “Advantages and Limitations of the Observational Method in Applied Soil Mechanics”, Géothecnique 19, No. 2, pp. 171-187.
  • Powderham, A. J. and Nicholson, D. P. (1996). 'The way forward', The observational method in geotechnical engineering. The Institution of Civil Engineers. Thomas Telford, London
  • Powderham, A. (2003). “Protecting Historical Infraestructure using the Observational Method”, en: Proceedings of the International Geotechnical Conference Reconstruction of Historical Cities and Geotechnical Engineering, San Petersburgo, pp. 243-249.
  • Suárez-Íñiguez, E. (1999). La Fuerza de la Razón, Introducción a la Filosofía de Karl Popper, México, Ed. Nueva Imagen.
  • Terzaghi K. & Peck R.B. (1948). Soil Mechanics In Engineering Practice. Wiley: New York. 566 pp.

Referencias:

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2 comentarios:

  1. Hola suelo leer tú blog habitualmente y solo accedo para felicitarte por tus entradas, enhorabuena un gran trabajo.

    Saludos desde España

    Santi

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    Respuestas
    1. Agradezco tan noble reconocimiento, y este me anima a tratar de seguir avanzando en el conocimiento del tema.

      Un afectuoso saludo desde Manizales, Caldas, Colombia!

      Santiago Osorio

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