Obecný úvod pro konstrukční návrh betonových detailů
Návrh a posouzení betonových prvků se obvykle provádí na úrovni průřezu (1D-prvek) nebo bodu (2D-prvek). Tento postup je popsán ve všech normách pro konstrukční navrhování, např. v (EN 1992-1-1 nebo ACI 318-19), a je používán v každodenní praxi stavebního inženýrství. Není však vždy známo nebo respektováno, že tento postup je přijatelný pouze v oblastech, kde platí Bernoulliho-Navierova hypotéza rovinného rozdělení přetvoření (označované jako B-oblasti). Místa, kde tato hypotéza neplatí, se nazývají oblasti nespojitosti nebo porušené oblasti (D-oblasti). Příklady B a D oblastí 1D-prvků jsou uvedeny na (Obr. 1). Jedná se např. o ložiskové oblasti, části, kde jsou přenášena soustředěná zatížení, místa s náhlou změnou průřezu, otvory apod. Při navrhování betonových konstrukcí se setkáváme s mnoha dalšími D-oblastmi, jako jsou stěny, mostní příčníky, krátké konzoly atd.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1\qquad Discontinuity regions (Navrátil et al. 2017)}}}\]
V minulosti se pro dimenzování oblastí nespojitosti používala poloempirická návrhová pravidla. Tato pravidla byla naštěstí v posledních desetiletích z velké části nahrazena modely vzpěra-táhlo (Schlaich et al., 1987) a napěťovými poli (Marti 1985), které jsou zahrnuty v současných návrhových normách a dnes je návrháři hojně využívají. Tyto modely jsou mechanicky konzistentní a výkonné nástroje. Je třeba poznamenat, že napěťová pole mohou být obecně spojitá nebo nespojitá a že modely vzpěra-táhlo jsou zvláštním případem nespojitých napěťových polí.
Navzdory vývoji výpočetních nástrojů v posledních desetiletích se modely vzpěra-táhlo stále v podstatě používají jako ruční výpočty. Jejich aplikace pro reálné konstrukce je zdlouhavá a časově náročná, protože jsou nutné iterace a je třeba uvažovat několik zatěžovacích stavů. Tato metoda navíc není vhodná pro ověřování kritérií mezního stavu použitelnosti (deformace, šířky trhlin atd.).
Zájem stavebních inženýrů o spolehlivý a rychlý nástroj pro navrhování D-oblastí vedl k rozhodnutí vyvinout novou Compatible Stress Field Method – metodu pro počítačem podporovaný návrh napěťových polí, která umožňuje automatický návrh a posouzení prvků ze stavebního betonu namáhaných rovinným zatížením.
Compatible Stress Field Method (CSFM) je spojitá metoda analýzy napěťových polí založená na metodě konečných prvků, v níž jsou klasická řešení napěťových polí doplněna o kinematické úvahy, tj. stav přetvoření je vyhodnocován v celé konstrukci. Efektivní pevnost betonu v tlaku tak může být automaticky vypočtena na základě stavu příčného přetvoření podobným způsobem jako v analýzách tlakových polí, které zohledňují tlakové změkčení (Vecchio and Collins 1986; Kaufmann and Marti 1998) a metodu EPSF (Fernández Ruiz and Muttoni 2007). CSFM navíc zohledňuje tahové zpevnění, čímž poskytuje prvkům realistické tuhosti, a pokrývá všechna předpisy návrhových norem (včetně aspektů použitelnosti a deformační kapacity), které předchozí přístupy neřešily konzistentně. CSFM využívá běžné jednoosé konstitutivní zákony pro beton a vyztužení stanovené návrhovými normami. Ty jsou známy ve fázi návrhu, což umožňuje použití metody dílčích součinitelů spolehlivosti. Návrháři tak nemusí zadávat dodatečné, často libovolné vlastnosti materiálů, které jsou typicky vyžadovány pro nelineární analýzy metodou konečných prvků, což metodu činí dokonale vhodnou pro inženýrskou praxi.
Aby se podpořilo využívání počítačem podporovaných napěťových polí stavebními inženýry, měly by být tyto metody implementovány v uživatelsky přívětivém softwarovém prostředí. Za tímto účelem byla CSFM implementována v IDEA StatiCa Detail; novém uživatelsky přívětivém komerčním softwaru vyvinutém společně ETH Curych a softwarovou společností IDEA StatiCa v rámci projektu DR-Design Eurostars-10571.