Általános bevezetés a betonszerkezeti részletek szerkezeti tervezéséhez
A betonszerkezeti elemek tervezése és ellenőrzése általában szelvényi (1D-elem) vagy pontszerű (2D-elem) szinten történik. Ezt az eljárást minden szerkezettervezési szabvány leírja, pl. az EN 1992-1-1 vagy az ACI 318-19, és a mindennapi szerkezettervezési gyakorlatban is alkalmazzák. Azonban nem mindig ismert vagy tartják be, hogy az eljárás csak olyan területeken fogadható el, ahol a Bernoulli-Navier-féle sík alakváltozás-eloszlás hipotézise érvényes (B-régióknak nevezett területek). Azokat a helyeket, ahol ez a hipotézis nem érvényes, diszkontinuitási vagy zavart régióknak (D-régióknak) nevezzük. Az 1D-elemek B és D régióira példák az (1. ábrán) láthatók. Ezek például alátámasztási területek, koncentrált terhelések alkalmazási helyei, ahol hirtelen keresztmetszet-változás következik be, nyílások stb. Betonszerkezetek tervezésekor számos más D-régióval is találkozunk, mint például falak, híd-rekeszfalak, konzolok stb.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1\qquad Discontinuity regions (Navrátil et al. 2017)}}}\]
A múltban a diszkontinuitási régiók méretezéséhez félempirikikus tervezési szabályokat alkalmaztak. Szerencsére ezeket a szabályokat az elmúlt évtizedekben nagyrészt felváltották a Strut-and-tie modellek (Schlaich et al., 1987) és a feszültségmezők (Marti 1985), amelyek megjelennek a jelenlegi tervezési szabványokban, és a tervezők ma is gyakran alkalmazzák őket. Ezek a modellek mechanikailag következetesek és hatékony eszközök. Megjegyzendő, hogy a feszültségmezők általában lehetnek folytonosak vagy nem folytonosak, és a Strut-and-tie modellek a nem folytonos feszültségmezők egy speciális esetét képezik.
A számítási eszközök elmúlt évtizedekben bekövetkezett fejlődése ellenére a Strut-and-Tie modellek lényegében még mindig kézi számításként kerülnek alkalmazásra. Valós szerkezeteknél való alkalmazásuk fáradságos és időigényes, mivel iterációkra van szükség, és több teherkombinációt kell figyelembe venni. Ezen túlmenően ez a módszer nem alkalmas a használhatósági kritériumok (alakváltozások, repedésszélességek stb.) ellenőrzésére.
A statikus mérnökök igénye egy megbízható és gyors eszköz iránt a D-régiók tervezéséhez vezetett a Compatible Stress Field Method kifejlesztésének döntéséhez, amely egy számítógéppel segített feszültségmező-tervezési módszer, amely lehetővé teszi a síkbeli terhelésnek kitett szerkezeti betonszerkezeti elemek automatikus tervezését és ellenőrzését.
A Compatible Stress Field Method (CSFM) egy folytonos végeselem-alapú feszültségmező-elemzési módszer, amelyben a klasszikus feszültségmező-megoldások kinematikai megfontolásokkal egészülnek ki, azaz az alakváltozás állapotát a szerkezet egészén kiértékelik. Ennek megfelelően a beton hatékony nyomószilárdsága automatikusan kiszámítható a keresztirányú alakváltozás állapota alapján, hasonlóan a nyomási lágyulást figyelembe vevő nyomásmező-elemzésekhez (Vecchio and Collins 1986; Kaufmann and Marti 1998) és az EPSF módszerhez (Fernández Ruiz and Muttoni 2007). Ezen túlmenően a CSFM figyelembe veszi a húzási merevítő hatást, reális merevséget biztosítva az elemeknek, és lefedi az összes tervezési szabvány előírást (beleértve a használhatósági és alakváltozási kapacitás szempontjait is), amelyeket a korábbi megközelítések nem következetesen kezeltek. A CSFM a tervezési szabványok által megadott általános egytengelyű anyagtörvényeket alkalmaz a betonra és a vasalásra. Ezek a tervezési szakaszban ismertek, ami lehetővé teszi a részleges biztonsági tényező módszer alkalmazását. Ezért a tervezőknek nem kell további, gyakran önkényes anyagtulajdonságokat megadniuk, amelyek általában szükségesek a nemlineáris végeselem-elemzésekhez, így a módszer tökéletesen alkalmas a mérnöki gyakorlatban való alkalmazásra.
A számítógéppel segített feszültségmezők statikus mérnökök általi alkalmazásának elősegítése érdekében ezeket a módszereket felhasználóbarát szoftverkörnyezetekben kell megvalósítani. Ennek érdekében a CSFM-et az IDEA StatiCa Detail-ben valósították meg; ez egy új, felhasználóbarát kereskedelmi szoftver, amelyet az ETH Zürich és az IDEA StatiCa szoftverszállító közösen fejlesztett a DR-Design Eurostars-10571 projekt keretében.