El Diseño Racional en la Ingeniería Geotécnica (I)

Diseño geotécnico de muro Office of Geotechnical Design South (OGDS) (California)

Un diseño geotécnico puede ser documentado en muchas maneras diferentes. La documentación de diseño va desde las especificaciones de diseño formal, a menudo después de impuesta una rigurosa norma por una agencia externa (por ejemplo NSR-10 de la AIS (Asociación de Ingeniería Sísmica) y convertido en Ley de la República de Colombia), hasta las notas informales contenidas en los cuadernos de los diseñadores individuales. Un tipo de documentación que sólo se registra a menudo de manera informal, si es que se llega a registrar en absoluto, es el Diseño Racional (Design Rationale o de razonamiento lógico) - las razones detrás de las decisiones de diseño y, en algunos casos, el registro de cuales decisiones no se hicieron y por qué.

Esta información podría ser muy valiosa por muchas razones, durante el proceso de diseño, y más tarde, cuando este diseño requiere modificación. 

Diseño geotécnico según el Eurocode 7

Definiciones de Diseño Racional

El racionalismo (del latín, ratio, razón) es una corriente filosófica que se desarrolló en Europa continental durante los siglos XVII y XVIII, formulada por René Descartes, que se complementa con el criticismo de Immanuel Kant, y que es el sistema de pensamiento que acentúa el papel de la razón en la adquisición del conocimiento, en contraste con el empirismo, que resalta el papel de la experiencia sobre todo el sentido de la percepción. 

Descartes, creía que la geometría representaba el ideal de todas las ciencias y también de la filosofía. Mantenía que sólo por medio de la razón se podían descubrir ciertas verdades universales, evidentes en sí, de las que es posible deducir el resto de contenidos de la filosofía y de las ciencias. Manifestaba que estas verdades evidentes en sí eran innatas, no derivadas de la experiencia. Este tipo de racionalismo fue desarrollado por otros filósofos europeos, como el holandés Baruch Spinoza y el pensador y matemático alemán Gottfried Wilhelm Leibniz. Se opusieron a ella los empiristas británicos, como John Locke y David Hume, que creían que todas las ideas procedían de los sentidos.

El racionalismo sostiene que la fuente de conocimiento es la razón, defiende las ciencias exactas, en concreto las matemáticas y dice que posee contenidos innatos, es decir, ya nacemos con conocimientos, solo tenemos que 'acordarnos' de ellos. Usa el método deductivo como principal herramienta para llegar al verdadero conocimiento.

En la ciencia moderna, el razonamiento inductivo basa sus conclusiones en las inferencias estadísticas. Es decir, se toma o registran una cantidad de datos sobre un fenómeno y se establecen conclusiones basadas en modelos probabilísticos, en la mayoría de los casos siguiendo la curva normal, acerca del fenómeno estudiado. La base filosófica del razonamiento inductivo la encontramos en el principio de razón suficiente, desarrollado, entre otros, por Leibniz.

La racionalidad es la capacidad que permite pensar, evaluar y actuar de acuerdo a ciertos principios de optimidad y consistencia, para satisfacer algún objetivo o finalidad. El ejercicio de la racionalidad está sujeto a principios de optimidad y consistencia. Cualquier construcción mental llevada a cabo mediante procedimientos racionales tiene por tanto una estructura lógico-mecánica distinguible (razonamiento). Una Acción Racional es aquella en que el agente sopesa consistentemente los medios de los que dispone para alcanzar los fines que se ha propuesto, de modo que pueda lograrlos de la mejor manera posible.

• "El Diseño Racional expresa elementos del razonamiento que se han invertido trás del diseño de un proyecto".
• "El Diseño Racional es el razonamiento y la argumentación que conduce a la decisión final de cómo se logra el intento de diseño". "El intento de diseño es el efecto 'esperado' o comportamiento que el diseñador pretende que el objeto de diseño deberá alcanzar para cumplir la función requerida." [Simm & Duffy, 1994]
• "El Diseño Racional  significa afirmaciones de razonamiento que subyacen al proceso de diseño que explican, derivan y justifican las decisiones de diseño." [Fischer, et. a. 1995]
• El Diseño Racional significa "información que explica por qué un artefacto está estructurado de esa manera y tiene el comportamiento que tiene." [Conklin, Burgess-Yakemovic, 1995]
• "El Diseño Racional incluye no sólo las razones detrás de la decisión de diseño, sino también la justificación para ello, las otras alternativas consideradas, las ventajas y desventajas evaluadas, y la argumentación que condujo a la decisión" [Lee, 1997].

Si bien todas estas definiciones tienen sus méritos, la definición de Lee [1997] claramente establece el contenido y el propósito del Diseño Racional.

Un Diseño Racional es una documentación explícita de las razones detrás de las decisiones tomadas a la hora de diseñar un sistema. Es el listado explícito de todas las decisiones tomadas durante el proceso de diseño, y las razones por las que esas decisiones fueron tomadas. Su objetivo principal es apoyar a los diseñadores, proporcionando medios para registrar y comunicar la argumentación y el razonamiento detrás del proceso de diseño. Por lo que debe incluir:

• Las razones detrás de una decisión de diseño,
• La justificación para ello,
• Las otras alternativas consideradas,
• Los pros y contras evaluados, y
• La argumentación que llevó a la decisión.

Varias áreas de la ciencia están involucradas en el estudio de Diseños Racionales, tales como: Las Ciencias de la Computación, las Ciencias Cognitivas, la Inteligencia Artificial y la Gestión del Conocimiento. Para apoyar el Diseño Racional, se han propuesto varios modelos basados en la argumentación, tales como: QOC (Questions Options and Criteria), DRCS, IBIS (Issue-Based Information System), y DRL (Decision Representation Language).

Tipos de Razonamiento

El Diseño Racional se puede clasificar en varios tipos. Estos tipos no son mutuamente excluyentes y algunos sistemas pueden soportar múltiples tipos de Diseño Racional. 

Los siguientes son los tipos de Diseño Racional:

• Basado en la Argumentación: El Diseño Racional es fundamentalmente utilizado para representar los argumentos que definen un diseño [García, 1993]. Estos argumentos constan de los problemas encontrados, respuestas alternativas a estos temas y los argumentos a favor y en contra de cada alternativa.
• Basado en la Historia: El Diseño Racional consta de la historia del diseño - la secuencia de eventos que ocurrieron mientras se realizaba el diseño [García, 1993]. Esta información puede ser almacenada de muchas formas. Puede ser en forma de anotaciones en un cuaderno de diseño, un archivo de mensajes de correo electrónico, u otro tipo de documentos que capturen las acciones tomadas en el tiempo.
• Basado en el Dispositivo: Se utiliza un modelo del dispositivo para obtener y presentar el Diseño Racional [Gruber, 1990]. Las explicaciones del diseño se producirían utilizando el modelo para simular el comportamiento del dispositivo. Sería posible para el usuario para ver el modelo y hacer preguntas acerca de su diseño y comportamiento.
• Basado en el Proceso: La captura del Diseño Racional está integrada al proceso de diseño que guía el formato de la lógica. En Ganeshan, et. al. [1994], la descripción del diseño sólo se modifica por los cambios y mejoras en el diseño de los objetivos, capturando así el razonamiento como parte del proceso de diseño.
• Basado en Documentos Activos: El Diseño Racional es pre-generado y almacenado en el sistema. En estos sistemas, el diseñador crea el diseño y el sistema de Diseño Racional genera el razonamiento para él mismo, basado en el conocimiento almacenado en el sistema. Para cada decisión tomada, el sistema compara la decisión tomada por el usuario con la decisión que hubiera hecho con base en su conocimiento. Si las acciones del usuario entran en conflicto con las recomendaciones del sistema, se le da la opción de cambiar su decisión o de modificar algunos de los criterios.

Modelo de estado crítico de una muestra de suelo

Usos del Diseño Racional 

El Diseño Racional consta de una gran cantidad de información diferente, incluyendo la historia del proceso de diseño, y las razones para tomar cada decisión. Esta información puede ser útil en varios aspectos del diseño. Estos incluyen: 

• Verificación del diseño: El objetivo es usar la lógica para verificar que el diseño cumpla con los requerimientos y la intención del diseñador. Esta verificación puede ocurrir en cualquier momento del proceso de diseño.
• Evaluación del diseño: Es similar a la verificación, excepto que el razonamiento es usado para evaluar los diseños (y diseños parciales) y opciones de diseño respecto a otras.
• Mantenimiento del diseño: El Diseño Racional es utilizado para determinar qué decisiones se tomaron al realizar el diseño con el fin de localizar las fuentes de los problemas de diseño o para indicar donde se necesitaron cambios para modificar el diseño. Sin perder de vista las alternativas que han sido rechazadas, el diseñador puede evitar tomar una decisión que fue rechazada anteriormente.
• Reutilización del diseño: El Diseño Racional es utilizado para determinar qué partes del diseño pueden ser reutilizadas y, en algunos casos, sugerir dónde y cómo deben ser modificadas para cumplir con el nuevo conjunto de requisitos. Es especialmente importante permitir que el diseñador conozca por qué se tomaron las decisiones. En algunos casos, lo que puede parecer una solución ineficiente, en realidad puede ser crítico para el diseño en su conjunto. Sin la presencia de la lógica que indica esto, el diseño puede ser cambiado de una manera que podría resultar perjudicial.
• La Enseñanza de diseño: El Diseño Racional puede ser útil para ayudar a enseñar a nuevo personal sobre el diseño. Además de proporcionar una idea de cómo funciona, el razonamiento muestra por qué se hizo cada opción de diseño. Esto transmite más información que una descripción estática. Algunos sistemas de Diseño Racional permiten al usuario hacer preguntas sobre el diseño, esta es una manera frecuentemente  más fácil y más rápida, de aprender sobre el diseño que vadear a través de grandes cantidades de documentación de diseño. El apoyo al aprendizaje es crucial sobre todo cuando los diseñadores originales no están disponibles para enseñar al nuevo diseñador.
• La Comunicación del diseño: La presencia del Diseño Racional mejora el diseño durante y después del proceso de diseño. Al capturar las opciones de diseño y las razones detrás de ellas, esta información puede ponerse a disposición de otras personas afectadas con el diseño para darles una idea del diseño y permitirles la oportunidad de ofrecer su participación en el proceso [Fischer, et. al., 1995]. También puede proporcionar una forma eficaz de detectar los conflictos en el trabajo de varios diseñadores y acortar el ciclo de revisión [Peña-Mora, et. al, 1995]. Al capturar las razones detrás de las decisiones de diseño, el Diseño Racional puede utilizarse para responder a las preguntas de los evaluadores del diseño que necesitan saber por qué una determinada elección se hizo o por qué una elección esperada no se hizo.
• Asistencia al diseño: El Diseño Racional también puede prestar asistencia durante el proceso de diseño. La posibilidad de verificar y evaluar las opciones de diseño, permite al diseñador observar los resultados de sus decisiones de diseño. Documentar la argumentación pueden realizar varias funciones: clarifica los argumentos fomentando a los diseñadores a documentar la información y puede ser evaluada para asegurar que todos los problemas sean resueltos y que las alternativas seleccionadas cumplan los requisitos, sin violar ninguno. Algunas características que proporcionan beneficios inmediatos son las verificaciones de restricción/dependencia de cheques, donde el Diseño racional se utiliza para verificar el diseño que está correcto, la simulación, donde el sistema permite al diseñador comprobar el impacto de las modificaciones de diseño, y la mitigación de los conflictos, donde el sistema busca violaciones a las restricción, entre varios diseñadores y les informa cuando hay un problema.
• Documentación del diseño: El Diseño Racional también ayuda en la documentación del diseño, ofreciendo una imagen de la historia del diseño y las razones de las decisiones de diseño, así como una visión del producto final. Si el Diseño Racional se almacena en forma legible por un ordenador, se puede utilizar como parte de la documentación del usuario generada por el sistema, permitiendo a la documentación ser originada desde diferentes perspectivas y, en algunos sistemas, permitiendo al usuario hacer preguntas sobre el diseño. Algunos sistemas usan el Diseño Racional para generar la documentación dirigida a diferentes grupos de personas. Un cliente, por ejemplo, necesitaría un nivel diferente de detalle que un diseñador.

Ejemplos de modelos geotécnicos asistidos por computador

Relación entre la captura, el uso y la fase de Diseño Racional

La naturaleza del Diseño Racional, la captura y el uso, cambian a lo largo del ciclo de vida del diseño. Distintas fases de diseño pueden producir diferentes tipos de Diseño racional. Por ejemplo, más argumentación tiende a ocurrir en las primeras etapas. El nivel de detalle del Diseño racional se incrementa a medida que el diseño se hace más detallado. El Diseño Racional utilizado también evoluciona. Por ejemplo, mientras no hay mucha argumentación creado en la fase de mantenimiento del diseño, la argumentación de las anteriores fases es muy útil para que el impacto de los cambios propuestos se puede determinar. Esta capacidad podría ser proporcionada por un sistema de Diseño Racional que admita la verificación y la evaluación.

El Diseño Racional también debe mantenerse durante todo el ciclo de vida. Algunos Diseños Racionales serán elaborados a medida que se hagan decisiones más detalladas. Otro Diseño Racional será completamente modificado, en la medida en que una decisión hecha anteriormente en el diseño, se demuestra que es incorrecta y debe ser cambiada. A medida que cambia el Diseño Racional, estos cambios deben ser propagados a lo largo del diseño y de las inconsistencias detectadas.

La reutilización del Diseño Racional trae muchos temas interesantes. Si un diseño, o una parte de un diseño se reutiliza para crear un nuevo diseño, los dos diseños compartirán algo del mismo razonamiento, así como un razonamiento adicional, indicando porque se efectuó la reutilización. Si los cambios en el diseño original requieren cambios en el diseño "inmaduro" o viceversa, los cambios se deberán propagar a través del Diseño Racional también.

Esquema de Zapata Continua típica

Verificación del Estado Límite de una Zapata

Problemas de captura en el Diseño Racional

Toda la investigación sobre el Diseño Racional está de acuerdo en que la captura racional es un problema difícil. El sistema "ideal" de Diseño Racional no se entrometería con los diseñadores mientras desarrollan su tarea de diseño. Los sistemas existentes tratar una serie de enfoques para resolver este problema. Una solución sería observar cada movimiento de los diseñadores y traducir esta información al Diseño racional. Esto evita inmiscuirse en el diseño, pero tiene dos problemas: puede no capturar toda la información necesaria y la cantidad de esfuerzo para traducir esta información en un formato utilizable, es muy grande. Otro método es incorporar el conocimiento de diseño en el sistema, de modo que este pueda suministrar la misma el Diseño racional. Este también evita inmiscuirse con el diseñador, pero tiene sus propios problemas: El Diseño Racional almacenado por el sistema, puede en realidad no coincidir con el del diseñador y hay una gran cantidad de trabajo que implica la obtención de los conocimientos necesarios para almacenar en el sistema.

Hay varias maneras de abordar la captura racional de los problemas. Una es proporcionar más incentivos para la captura racional de información. Esto se puede hacer mediante la búsqueda de maneras en en las que la lógica capturada pueda ser inmediatamente útil para los diseñadores. Si estos saben que el registro de la lógica los beneficiará, y no sólo un colega dentro de unos años, ellos estarán más dispuestos a registrar esta información. Otra manera es encontrar más formas en que la captura racional puede ser incorporada a la práctica actual de los ingenieros. 

Otra manera de abordar el problema de la captura racional consiste en determinar qué tipo de Diseño Racional será el más útil para el uso o usos propuesto. Esto no va a resolver todos los problemas, pero reducirá la cantidad total de esfuerzo enfocando el esfuerzo de captura racional hacia áreas que proporcionarán mayores beneficios.

Modelo 3D de una Zapata Aislada

Representación Racional

La elección de la representación en el Diseño Racional es muy importante para asegurarse de que los racionales que capturamos son los que deseamos y podemos utilizar de manera eficiente. Según el grado de formalidad, los enfoques se utilizan para representar a ese Diseño Racional se pueden dividir en tres categorías principales: informal, semiformal o formal. 

En la representación informal, los racionales pueden ser capturados y registrados con sólo usar nuestros métodos y medios tradicionalmente aceptados, tales como procesadores de texto, grabadoras de audio y vídeo e incluso notas manuscritas. Sin embargo, estas descripciones hacen que sea difícil la interpretación automática u otros soportes basados en computadoras. En la representación formal, el racional debe ser capturado bajo un formato estricto de manera que el racional pueda ser entendido e interpretado por las computadoras. Sin embargo, debido al formato estricto del racional definido por las representaciones formales, los contenidos apenas pueden ser entendidos por el ser humano y los proceso de capturar el Diseño Racional requerirán más esfuerzos hasta el final, y por lo tanto se convierten en más intrusivos.

La representaciones semiformal trata de combinar las ventajas de las representaciones formales e informales. Por un lado, la información capturada debe ser capaz de ser procesada por las computadoras de manera que se pueda proporcionar más apoyo computarizado. Por otra parte, el procedimiento y el método utilizado para capturar la información de justificación de Diseño Racional no debe ser muy intrusiva. En el sistema con una representación semiformal, la información esperada es sugerida y los usuarios pueden capturar el Diseño racional siguiendo las instrucciones para llenar los atributos ya sea de acuerdo a algunas plantillas o sólo indicar las descripciones en lenguaje natural.

Diseño Geotécnico Racional

Problemas de uso del Diseño Racional

Teniendo en cuenta que la captura en el Diseño Racional es difícil y a menudo costosa, es especialmente importante examinar cómo se puede utilizar ésta captura racional y cómo hacerla más fácil. Al ofrecer funciones útiles, tales como la verificación y la evaluación del diseño, se incrementa el incentivo para proporcionar un Diseño Racional, en primer lugar. 

Una de las áreas de diseño en la que el conocimiento de diseño ha sido capturado y utilizado con éxito es la de documentación de diseño [Shipman & McCall, 1996]. A menudo hay requerimientos impuestos desde afuera que imponen el esfuerzo de documentación. Las desventajas de los documentos estáticos es que sólo ofrecen una visión del diseño [Gruber, 1990]. Esto significa que sólo pueden proporcionar la información que se prevé que sea útil, en lugar de responder a las solicitudes de información reales. Otra área donde la documentación es importante es en la localización de los requisitos de diseño. Esta es un área donde la captura racional sería útil - Las razones detrás de las opciones alternativas son a menudo los requisitos para el diseño.

Fases de una Investigación Geotécnica

Ejemplo de un caso de aplicación de Diseño Racional en la Ingeniería Estructural extrapolable a la Ingeniería Geotécnica

A continuación, se transcribe la grandiosa descripción hecha por el diseñador Henry Petroski en 1993 sobre el proceso de diseño en la Ingeniería Estructural de Puentes, la cual ilustra de manera magistral y detallada el alcance del Diseño Racional y su potencial de aplicación en la Ingeniería Geotécnica, tal y como lo propuso en la década de 1940s Karl Terzaghi, y que posteriormente fue redactado por Arthur Caagrande (1965) y Ralph Brazelton Peck (1969).

El diseño como manera de obviar el fracaso 
Por Henry Petroski

Evitar sistemáticamente el fracaso es lo que caracteriza el diseño racional. Por esto los estudios históricos de casos de fracaso están llenos de información importante para el éxito del diseño, y el diseñador que desconozca la historia de los fracasos corre el riesgo de repetir viejos errores. En lugar de comentarlos de una manera general en este ensayo, vamos a examinar estas ideas son en el contexto del ejemplo específico de la ingeniería estructural.

Introducción

El problema de ingeniería-estructural de diseñar un puente nos puede servir no sólo como paradigma, sino también como metáfora para cualquier problema de diseño. La necesidad, o por lo menos el deseo, de tender un puente se produce previamente, y nunca pensando en un diseñador determinado. Alguna persona, grupo o comunidad percibe habitualmente la necesidad de tender un puente, porque el papel que dicho puente desempeña —permitir que el tráfico se mueva con eficacia, seguridad y confiabilidad del punto A al punto B pasando por encima de todo obstáculo o estorbo que pueda haber entre ambos puntos— no puede cumplirse por medios o procedimientos ya existentes.

Puente romano en Alcántara (España)

La necesidad de disponer de un puente define un problema de diseño que de inmediato se plantea a los que están acostumbrados a tratar dichos problemas: los diseñadores de puentes. Los que plantean el problema reconocen, implícita o explícitamente, que los problemas de diseño no tienen soluciones únicas, y que a menudo se realiza un concurso de diseño. Los que quieren que se construya un puente especifican sus funciones y delinean las exigencias que definen los datos específicos de cada problema del puente: dónde se debe construir el puente, cuánto tráfico debe soportar, de qué margen de altura debe disponer, cómo debe encajar con la infraestructura existente, etc. Es aquí cuando el diseñador suele empezar a trabajar, y aunque las restricciones sociales, ergonómicas y ambientales no están impuestas explícitamente en la definición del problema del diseño, el diseñador las verá como aspectos a autoimpuestos, naturales y deseables de toda solución. Para conseguir un éxito verdadero, cualquier diseño de debe dejar de cumplir con todos los requisitos y las restricciones, tanto explícitos como implícitos. El problema del diseño es fundamentalmente, por lo tanto, un problema de anticipar y obviar el fracaso.

El proceso del diseño

Planteado el problema, definido en términos de datos sobre el emplazamiento, las necesidades circulatorias del tráfico, el ambiente y otras cuestiones pertinentes, ¿cómo se construye en realidad un puente? Según Fritz Lennhardt, destacado ingeniero de puentes alemán.

"Los datos deben ser completamente asimilados y considerados. El puente debe entonces adquirir su forma inicial en la imaginación del diseñador. Para que este proceso tenga lugar, el diseñador debería, ante todo y a conciencia, haber visto y estudiado muchos puentes en el transcurso de un largo proceso de aprendizaje. Debería saber (...) cuándo es oportuno un puente de travesaños, un puente de arcos o un puente colgante. " (Leonhardt, 32-33).

Primeros esquemas del puente en la bahía de San Francisco (1913)

Es como si el diseñador hojeara el catálogo acumulado por su mente durante largos años de experiencia, casi de la misma manera como los primeros diseñadores de máquinas consultaban los catálogos sin texto de mecanismos descritos por Ferguson (1977; 827-836) y como los diseñadores de aviones estudiaban los de las superficies sustentadoras descritas por Vincenti (1986: 717-758).

El diseñador de puentes reconoce que tendrá la ventaja de poder recurrir a la experiencia, pero también que cada puente es único en el sentido de que descansará sobre unos cimientos sobre los que ningún otro puente descansa, y que existirá dentro de un contexto social, ergonómico y ambiental que el mismo puente modificará. Así, según Leonhardt, después que los esbozos del concepto del diseñador hayan sido realizados y criticados con respecto a su conveniencia para el lugar y para su función, el ingeniero de puentes se comporta como un artista con sus bosquejos o bocetos preliminares:

"El diseñador debe ahora encerrarse con estos primeros resultados, reflexionar sobre ellos, pensar a fondo su concepto y concentrarse en él con los ojos cerrados. ¿Se han satisfecho todos los requisitos? ¿Será una buena construcción? ¿Éste o aquél no tendría mejor aspecto o no servirían mejor si añadiéramos detalles posteriores? " (Leonhardt. 1984: 33).

"Sólo después de 'varias [...] fases de corrección' empiezan los cálculos en serio y en primer lugar, con simples aproximaciones, se comprueba que las dimensiones asumidas sean suficientes [...] Luego se puede practicar con programas modernos de ordenador, usando diferentes profundidades u otras variables para encontrar las dimensiones más económicas; éstas, sin embargo, sólo deberían ser escogidas si ningún otro requisito esencial, como la estética, la longitud de los accesos, los grados, etcétera, quedan afectados por ellas." (Leonhardt, 1983:34).

Aunque un esfuerzo organizado de ingeniería se consume en los cálculos analíticos de las presiones, las desviaciones y otras medidas cuantitativas de rendimiento o de los límites de rendimiento, que podrían definirse como hipotéticos 'fracasos' (o fallas) (Vicenti, 1986:717-758), el proceso del diseño es, ante todo, creativo y no deductivo, y en este sentido no es muy distinto de escribir o de cualquier otro acto creativo (Petroski, 1985).

Colapso de puente en Minneapolis (EE.UU., 2007)

Es evidente que es la elección genérica cualitativa constituye el aspecto inicial creativo e intuitivo del diseño de un puente, mientras que los cálculos y cómputos siguen después, y ello es válido para todo diseño, J. E. Gordon, el ingeniero de aviones y pensador británico, ha escrito:

"Ni la matemática ni las fórmulas de los manuales 'diseñarán' una estructura para nosotros. Debemos diseñar nosotros mismos a la luz de la experiencia, sabiduría e intuición que podamos poseer; cuando lo hayamos hecho así, los cálculos analizarán el diseño para nosotros y nos dirán, por lo menos aproximadamente, cuales son los esfuerzos y las desviaciones que podemos esperar. " (Gordon, 1981 : 375).

En cuanto el diseñador, que puede estar compitiendo con otros diseñadores para que los que necesiten o desean que se construya un puente aprueben su encargo, sabe que el diseñador será él, empieza el proceso de 'detallar'. Es un proceso que, sobre todo en casos de grandes proyectos como los puentes, pocas veces exige una sola persona, sino más bien un auténtico ejército para atacar al enemigo del diseño en todas sus manifestaciones. Y el enemigo de todo diseño es el fracaso. Y éste puede llegar no solamente en forma de un derrumbamiento catastrófico, sino también en la ineficacia, la impropiedad o, sencillamente, en la incapacidad para explotar los fenómenos de la naturaleza hasta el máximo considerado posible en cualquier momento dado.

Los diseños acertados no fracasan

Implícita en todo diseño está la suposición de que, bajo condiciones razonables o hasta un nivel esperado de habilidad, el objeto diseñado funcionará como fue diseñado, y que no dejará de hacerlo ni en su aspecto funcional, económico, estético, social, ergonómico, ambiental ni en cualquier otro de sus aspectos. Entonces el problema del diseñador se reduce, en efecto, a una comprensión del fracaso, ya que el diseñador debe anticipar de qué manera su creación puede fracasar a fin de evitar tal fracaso. Si hay una sola manera de fracasar o un solo escenario de fracaso que no haya sido correctamente previsto y obviado por el diseñador, todo el diseño corre peligro.

Puente en Central Park (N.Y., 1861)

Un diseño es una hipótesis y tal hipótesis puede ser verificada, pero jamás comprobada absolutamente (Petroski, 1985). En cuanto el diseño existe sobre el papel, tal como describen Leonhardt y Gordon, puede empezar el proceso de análisis. Y el propósito del análisis es verificar la hipótesis de que el producto de la imaginación y la experiencia del diseñador no fracasará. Para hacerlo, el diseñador (o, en esta etapa, el «analista») debe comprender cómo pueden fallar las estructuras. Debe conocer los modos de fracaso tan a fondo como sus diseños anteriores, ya que para verificar que su diseño no fracasará, debe poder detectar el tipo de fracaso al que sus cálculos se aplican.

Estribo típico de un puente ferroviario (1913)

El diseñador acertado obviará todos los modos creíbles de fracaso si hace su estructura lo bastante rígida y fuerte como para resistir cualquier tormenta, real o metafórica. Comprenderá las cargas y fuerzas estructurales a que estará sujeta su estructura, las esperanzas sociales de sus usuarios, los factores ergonómicos de su diseño y el ambiente en el que su estructura pasará la vida que le espera. Infravalorar la magnitud, la importancia o la interacción de cualesquiera de estos factores es atraer el fracaso. Puesto que el pronóstico es tan difícil en el diseño de puentes como en cualquier otro aspecto de la vida, los diseñadores de éxito evitarán el fracaso utilizando varios modos de prevenirlo, mediante la incorporación a sus diseños de factores de seguridad, redundancia, recursos de mantenimiento y adaptabilidad.

Quienes más han aprendido de los fracasos previos son los que más probabilidades tienen de prever, y obviar así, los fracasos en sus propios diseños. Del mismo modo que el diseñador experimentado sabe cuándo un puente de vigas, de arcos o colgante, resuelve mejor un determinado problema de diseño, así el analista experimentado sabe cuándo la combadura, el torcimiento, el pandeo, la fatiga, o cualquier otro modo de fracaso amenaza más el éxito de un diseño.

Y en el caso de los diseños monumentales como los puentes importantes, raramente hay ocasión de someter la estructura a una prueba definitiva, sea filosófica o estructuralmente. Filosóficamente, jamás puede haber prueba alguna de que todos los posibles modos de fracaso hayan sido pensado, y mucho menos analizados. Y estructuralmente, la prueba que demostraria de manera concluyente la exactitud de cualquier cálculo de la resistencia máxima de la estructura sería, por definición, destructiva. En los diseños que no son únicos, como las máquinas producidas en serie, un proceso de aprendizaje que incluye fallos de componentes o de unidades puede llevar al 'perfeccionamiento' de un diseño, pero en el caso de estructuras únicas de ingeniería civil, como los puentes, y de estructuras de la ingeniería aeronáutica, como los transbordadores espaciales, las lecciones que se aprenden a través de fracasos catastróficos son dolorosas y, desde luego, imprevistos añadidos a los cañones de la experiencia.

Socavación de estribo de un puente

Los ejemplos de la historia

La historia de los puentes ofrece un buen ejemplo del papel desempeñado por el fracaso en el diseño acertado (Petroski, 1985). Los primeros puentes eran de madera y piedra y, en general, su diseño iba evolucionando de la experiencia adquirida por un método del tanteo. Si una determinada clase de puente funcionaba en cierto lugar, su diseño se copiaba para usarlo en otro lugar. Pero si el primero estaba situado en un lugar de aguas más bien tranquilas, mientras el segundo en un lugar de corrientes difíciles y rápidas, los pilares del nuevo puente pronto quedaban socavados y el diseño del puente, seguro en el primer sitio, fracasaría en el segundo. El diseño casi nunca es algo tan fácil que permita trasladar el éxito de una situación a otra. Pero con cada puente perdido se aprendió una lección más sobre cómo puede fracasar un puente, y así el próximo puente podía ser más fuerte a causa de la debilidad del anterior. No reconocer los detalles con capacidad de fracaso que puedan estar o no presentes o latentes en situaciones anteriores, puede conducir al desastre en una nueva situación.

El primer puente de hierro fue acabado en el año 1779 en Coalbrookdale, situado en lo que era entonces el centro de la Revolución Industrial del oeste de Inglaterra. De hecho, el éxito de los fabricantes de hierro de la región fue tan importante que el modo tradicional de atravesar el río Severn con un transbordador fue considerado como un obstáculo al comercio. La idea de construir un puente a través del río en tal lugar había surgido años antes, pero los métodos convencionales del momento para la construcción de puentes necesitaban obras de apuntalamiento que habrían estorbado el tráfico de barcazas en el río y, por tanto, resultaban inaceptables. Aunque el diseño de un puente, para ser acertado, tenía que superar numerosos obstáculos tanto de tipo técnico como de otros tipos (Petroski. 1987), el diseño finalmente adoptado fue tan logrado que el puente existe hoy y todavía admite el tránsito de peatones.

Puente Coalbrookdale (Shropshire, Inglaterra) (1779)

Al usar armazones de hierro colado en el mismo lugar y de tamaño sin precedente, los diseñadores del Iron Bridge pudieron construir un arco de 30 metros sin los andamios de madera tradicionales, por el proceso lento y laborioso de colocar piedra sobre piedra hasta que la masa formase un arco capaz de mantenerse por sí mismo. Además, ya que los armazones de hierro en forma de arco abierto permitían que un río caudaloso pasara libremente, había menos probabilidad de que el puente fuera arrastrado por las aguas. El Iron Bridge, desde luego, sufrió reveses menores, como tener que asegurar sus cimientos, pero éstos ocurrían con lentitud y así eran una advertencia suficiente para que pudieran ser corregidos. Y efectivamente las deficiencias fueron corregidas con prontitud, ya que fueron reconocidas como potenciales modos de fracaso que no habían sido obviadas correctamente por los constructores desde el principio.

El Iron Bridge tuvo un éxito enorme por su novedad, principalmente porque imitaba el puente de arco de piedra, perfeccionándolo, y porque el hierro colado era una materia tan buena como la piedra mejor asentada. Sin embargo, mientras el hierro iba evolucionando como materia para la construcción por derecho propio, se produjeron numerosos fracasos de diseños al intentar explotar la resistencia del metal a la tracción. Y este problema continúa hoy en día, cuando se emplean nuevas aleaciones, nuevas técnicas de fabricación y nuevos diseños estructurales con intención de sacar partido de las nuevas ventajas que se suponen en una nueva materia. Pero, como ocurre con frecuencia, hay diseñadores excesivamente optimistas que tienden a ignorar cualquier defecto —mal conocido— de una nueva materia, un nuevo proceso o un nuevo diseño, y, por tanto, tienden a minimizar o dejar de lado riesgos de fracaso nuevos o poco conocidos (Fisher, 1984).

El caso de los puentes colgantes

El diseño de puentes también avanza al aceptar desafíos cada vez más ambiciosos. Hace dos siglos (en el siglo XIX) los ojos de los puentes fueron medidos, mejor dicho, soñados, en centenares de pies. Hoy en día hay puentes con distancias de una milla entre las torres de suspensión y de dos millas en los tableros y aún más en las mentes de los ingenieros. No obstante, estos símbolos de las proezas de la tecnología moderna no se consiguieron sin coste, y la historia de los puentes colgantes está llena de los escombros de aquellos que se hundieron. En general, muchos de dichos fracasos no son del dominio público y son conocidos solamente por los ingenieros de estructuras o por los historiadores de la tecnología. 

Una excepción notable es el del Puente de Tacoma Narrows; los ingenieros pudieron hacer poco más que filmar el puente mientras se torcía y finalmente se destruía durante el vendaval de 1940. En efecto, los ingenieros de aquella época, aunque practicaban escrupulosamente las normas de su arte, cometieron el imperdonable error de diseño de no conocer la historia de fracasos relacionados con el tipo de estructura con la que trabajaban.

Los puentes colgantes siempre han tenido mala reputación por su flexibilidad y los frágiles puentes para peatones, que encontramos a veces en la montaña donde van nuestros hijos para las colonias de verano, nos ofrecen una experiencia de primera mano. 

Royal Albert Bridge (Londres, 1859)

Los puentes más grandes que empezaron a construirse a principios del siglo XIX eran susceptibles de hundirse bajo la marcha rítmica de soldados cuya cadencia correspondía a la frecuencia natural del mismo puente. Aún persiste hoy la superstición de que los soldados deben romper el paso cuando atraviesan cualquier puente, incluso los de macizos arcos de piedra; el puente colgante, el Royal Albert Suspension Bridge, que atraviesa el río Támesis en Londres tiene, en su acceso, un letrero con este fin.

Washington y su padre John Roebling

John Roebling, el gran diseñador de puentes colgantes del siglo XIX, y su hijo Washington, quien supervisó la construcción del diseño de su padre para el puente de Brooklyn, entendían que el fenómeno del derrumbamiento tenía como causa las vibraciones resonantes. En la pasarela de construcción del gran puente colocó el letrero siguiente (Mc.Cullough. 1972:420):

Pero el mayor Roebling comprendía que no podría establecer reglamentos para las fuerzas de la naturaleza, y que la única manera de construir un puente colgante más largo y más rígido era comprender cómo y por qué los puentes anteriores habían fallado. Un problema especialmente difícil de superar fue el caso de los vientos fuertes y Roebling escribió un ensayo en 1841 en el cual describió varios fracasos de puentes colgantes a causa del viento, todos famosos en su día. Después de muchas páginas de descripciones de las vicisitudes de la construcción de puentes, cerró su ensayo con una disculpa:

Puente de Brooklyn, Nueva York

Esquema del caisson submarino para cimentación del puente de Brooklyn (Delaney, 1983)

"Las precedentes observaciones (sobre problemas y accidentes relacionados con los puentes colgantes) no han sido hechos para desacreditar los puentes colgantes. Atribuirme tal motivo sería injusto. No podría haber mayor admirador del sistema que yo mismo... Al hablar de los puntos flojos del sistema, sólo he querido demostrar cuánto cuidado se necesita al diseñar y construir un puente colgante para garantizar su seguridad." (Roebling. 1841 : 196).

No solamente el viento, sino también la naturaleza del tráfico que los puentes colgantes de mediados del siglo XIX tenían que soportar, hizo que el diseño de un puente de éxito fuera una empresa formidable. A mediados de siglo los diseñadores convencionales de puentes aceptaron que no se podía hacer un puente colgante de 1.500 o 3.000 metros de longitud lo bastante rígido como para soportar el peso concentrado de las locomotoras ferroviarias, cada día más pesadas, que se estaban entonces desarrollando. Los grandes ingenieros británicos, como Robert Stephenson e Isambard Kingdom Brunel, inventaron medios complicados para atravesar grandes distancias con rígidos (y caros) puentes de travesaños, pero Roebling, al comprender todo lo que podría causar el fracaso de un puente colgante, supo inventar una manera de obviar dicho fracaso, y con un diseño más económico. Su puente Niágara de dos pisos fue endurecido y sujeto con tirantes de una manera ingeniosa y se abrió al tráfico ferroviario y de carros de transpone en el año 1855.

Puente ferroviario Niagara (J. Roebling, 1855)

La evolución de los puentes colgantes

Forma parte de la naturaleza del diseño 'mejorar' los diseños ya existentes. En el caso de los puentes colgantes esto implica no solamente construir puentes aún más largos, sino hacerlos con mayor economía. Ya que los puentes acertados, como los de John Roebling, parecían ser cosas corrientes, surgió la tendencia previsible, aumentada por los intereses pecuniarios de los que quieren los puentes y los intereses estéticos de los que diseñan los puentes, a eliminar parte del exceso de peso y materiales que no sólo cuestan dinero, sino también destrozan las líneas de un puente. Al fin y al cabo, si los puentes de Roebling podían soportar todas las vicisitudes del tiempo y del río y del tráfico, ¿no había pensado él en todo? y ¿no había diseñado él sus puentes colgantes para poder resistir todos los ataques a los cuales podrían verse sujetos? ¿No había obviado todos los modos de fracaso? En realidad, ya que sus puentes habían cumplido su función tan bien durante tantos años, ¿no eran los puentes colgantes sobrediseñados? En el siglo XX, cuando los principios del diseño de estructuras eran mucho más sofisticados que los del siglo XIX, los grandes puentes no necesitaban tanto acero moderno como sus antepasados.

John Roebling (1806-1869)

Por eso, la evolución de los puentes colgantes de la primera parte del siglo XX dio diseños tan elegantes como el puente original de George Washington (antes de añadir su piso inferior), el puente Bronx-Whitestone (antes de añadir sus vigas de celosía) y el puente de Tacoma Narrows (antes de su hundimiento). La estética del diseño de los puentes colgantes de los años 1930s iba dirigida hacia tramos siempre más largos, pero con pisos muy poco profundos, lo que condujo, al final, a un modo de fracaso inesperado pero, a la vez, no sin precedentes históricos (Sisly y Walker, 1977 : 191-208).

Puente George Washington (Nueva York) en 1930

Mientras el puente de Brooklyn tenía un piso muy profundo, que servía para endurecer su tablero y así soportar el peso del tráfico, y complicados cables de suspensión y de apoyo diagonal para endurecerlo con vistas al viento, los puentes más recientes se habían convertido en estructuras que no tenían mas que unos vestigios mínimos de dichas características. Lo que Roebling había meditado detenidamente para obviar el fracaso sus sucesores lo olvidaron, o ni siquiera lo imaginaron. La enorme carga de los ocho carriles del puente George Washington hizo que su piso pesara tanto que su inercia misma pudo resistir el viento. El puente Bronx-Whitestone y los otros de su época, diseñados quizá no más de cinco o diez años después, ya empezaban a mostrar señales de una flexibilidad excesiva hacia el viento cuando fueron inaugurados al final de los años 1930s.

Puente Bronx-Whitestone (Nueva York) inaugurado en 1939

Se alcanzó el límite cuando se inauguró el puente de Tacoma Narrows, con un piso muy estrecho de no más de dos carriles —porque el tráfico de Puget Sound no necesitaba más— y un piso, casi sin profundidad, que se apoyaba en innovadoras vigas sólidas. Por supuesto, el puente era lo suficientemente fuerte para soportar su propio peso y el tráfico que circulaba en él, pero a sus diseñadores no se les ocurrió que el viento pudiera torcer su ligera estructura con tanto vigor. A pesar de que los diseñadores pudieron haberlo anticipado correctamente, y diseñado su puente teniendo en cuenta todas las maneras posibles de fracaso, el hecho de que no pensaron en el único modo crítico de fracaso es todo lo que ahora importa.

Colapso del Puente Tacoma Narrows (noviembre 7, 1940)

Conclusión

Existe una tendencia a buscar modelos entre los éxitos del pasado cuando uno se encuentra confrontado con nuevos problemas de diseño. Se cree que lo que ha funcionado en el pasado puede aconsejarnos sobre lo que funcionará en el futuro. Tal enfoque está bien si todo lo que queremos hacer es una copia aproximada de algo que ha de funcionar en un contexto casi idéntico (y cuanto más parecido, mejor). 

Suele haber suficiente conservadurismo en el modelo y en nuestra copia para permitir la analogía imperfecta, pero es evidente que ilusiones de este tipo no pueden continuar sin peligro. Además, son pocas las veces que sólo queremos copiar, porque o la situación o nuestro temperamento creativo no lo permite. Pero cuando los diseñadores nos vemos confrontados con el problema de hacer algo que va más allá de lo que se ha hecho antes, es mucho mejor examinar los fracasos del pasado que sus éxitos. Sólo los fracasos nos dejan ver con claridad lo que intentamos evitar y la única manera de asegurar el éxito es obviar el fracaso.

HENRY PETROSKI - Profesor de Ingeniería Civil y Director del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental en la Duke University. Es autor de The Pencil: A History of Design and Circumstance (1950), Engineer is Human: The Role of Failure in Successful Design (1985) y Regarding Artifacts: Their Invention and Evolution (1992).

Henry Petroski

Continúa en ...

El Diseño Racional en la Ingeniería Geotécnica (II)

Otros enlaces de interés sobre el tema en este blog:

• Terzaghi y el Diseño Racional
• Racionalismo y Empirismo en la Práctica de la Ingeniería Geotécnica
• Terzaghi y el Método Observacional

Referencias:

• Burge, Janet E.  & Brown, David C. Design Rationale Types and Tools. AI in Design Group, Computer Science Department, WPI. Fall, 1998.
• Petroski, Henry. El diseño como manera de obviar el fracaso. 09 DISSENY, COMUNICACIÓ, CULTURA, 1993. ELISAVA Escola Superior de Disseny | Barcelona
• Wikipedia: Design Rationale.

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