Bemessung und Nachweis von Betonbauteilen erfolgen normalerweise auf Querschnitts- (1D-Element) oder Punktebene (2D-Element). Dieses Vorgehen ist in allen Normen für die Tragwerksplanung beschrieben, z. B. in (EN 1992-1-1 oder ACI 318-19), und wird in der täglichen Praxis der Tragwerksplanung angewendet. Es ist jedoch nicht immer bekannt oder wird nicht immer beachtet, dass dieses Vorgehen nur in Bereichen zulässig ist, in denen die Bernoulli-Navier-Hypothese der ebenen Dehnungsverteilung gilt (sogenannte B-Bereiche). Die Stellen, an denen diese Hypothese nicht gilt, werden als Diskontinuitäts- oder Störbereiche (D-Bereiche) bezeichnet. Beispiele für B- und D-Bereiche von 1D-Elementen sind in (Abb. 1) dargestellt. Dies sind z. B. Auflagerbereiche, Stellen, an denen konzentrierte Lasten eingeleitet werden, Stellen mit einer abrupten Querschnittsänderung, Öffnungen usw. Beim Entwurf von Betonstrukturen begegnen wir vielen weiteren D-Bereichen wie Wänden, Brückenquerträgern, Konsolen usw.
In der Vergangenheit wurden für die Bemessung von Diskontinuitätsbereichen semi-empirische Bemessungsregeln verwendet. Glücklicherweise wurden diese Regeln in den vergangenen Jahrzehnten weitgehend durch Strebe-und-Zugband-Modelle (Schlaich et al., 1987) und Spannungsfelder (Marti 1985) abgelöst, die in aktuellen Bemessungsnormen enthalten sind und von Ingenieuren heute häufig verwendet werden. Diese Modelle sind mechanisch konsistente und leistungsfähige Werkzeuge. Es sei angemerkt, dass Spannungsfelder im Allgemeinen kontinuierlich oder diskontinuierlich sein können und dass Strebe-und-Zugband-Modelle einen Sonderfall diskontinuierlicher Spannungsfelder darstellen.
Trotz der Weiterentwicklung von Berechnungswerkzeugen in den vergangenen Jahrzehnten werden Strebe-und-Zugband-Modelle im Wesentlichen noch immer als Handrechnung eingesetzt. Ihre Anwendung auf reale Strukturen ist mühsam und zeitaufwendig, da Iterationen erforderlich sind und mehrere Lastfälle berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus eignet sich diese Methode nicht zum Nachweis von Kriterien der Gebrauchstauglichkeit (Verformungen, Rissbreiten usw.).
Das Interesse von Tragwerksplanern an einem zuverlässigen und schnellen Werkzeug zur Bemessung von D-Bereichen führte zu der Entscheidung, die neue Compatible Stress Field Method zu entwickeln – eine Methode für die computergestützte Spannungsfeldbemessung, die die automatische Bemessung und den Nachweis von Stahlbetonbauteilen unter Beanspruchung in der Bauteilebene ermöglicht.
Die Compatible Stress Field Method (CSFM) ist eine kontinuierliche, FE-basierte Spannungsfeld-Analysemethode, bei der klassische Spannungsfeldlösungen durch kinematische Betrachtungen ergänzt werden, d. h. der Dehnungszustand wird im gesamten Bauteil ausgewertet. Dadurch kann die effektive Druckfestigkeit des Betons automatisch auf Grundlage des Querdehnungszustands berechnet werden, ähnlich wie bei Druckfeldanalysen, die die Druckerweichung berücksichtigen (Vecchio und Collins 1986; Kaufmann und Marti 1998), sowie bei der EPSF-Methode (Fernández Ruiz und Muttoni 2007). Darüber hinaus berücksichtigt die CSFM die Zugverfestigung, wodurch den Elementen realistische Steifigkeiten zugewiesen werden, und deckt alle Vorgaben der Bemessungsnormen ab (einschließlich Aspekten der Gebrauchstauglichkeit und der Verformungsfähigkeit), die von früheren Ansätzen nicht konsistent behandelt wurden. Die CSFM verwendet die üblichen einachsigen Werkstoffgesetze, die von den Bemessungsnormen für Beton und Bewehrung vorgegeben werden. Diese sind bereits im Bemessungsstadium bekannt, sodass die Methode der Teilsicherheitsbeiwerte angewendet werden kann. Damit müssen Ingenieure keine zusätzlichen, oft willkürlichen Materialeigenschaften angeben, wie sie typischerweise für nichtlineare FE-Analysen erforderlich sind, was die Methode hervorragend für die Ingenieurpraxis geeignet macht.
Um die Nutzung computergestützter Spannungsfelder durch Tragwerksplaner zu fördern, sollten diese Methoden in benutzerfreundlichen Softwareumgebungen implementiert werden. Zu diesem Zweck wurde die CSFM in IDEA StatiCa Detail implementiert – einer neuen, benutzerfreundlichen kommerziellen Software, die gemeinsam von der ETH Zürich und dem Softwareunternehmen IDEA StatiCa im Rahmen des Projekts DR-Design Eurostars-10571 entwickelt wurde.